Resumen de Vacuum membrane distillation: modeling and analysis for recovery of ethanol from ethanol/water solutions
Omar Andrés Benavides Prada, César Augusto Guevara Lastre, Fredy W. Barón Núñez, Crisóstomo Barajas Ferreira, Rosa Isela Ortiz Basurto, Beatriz Torrestiana Sánchez, Carlos Jesús Muvdi Nova
- español
En este trabajo se planteó un modelo matemático para la transferencia de masa y energía durante la etapa de separación de etanol utilizando destilación con membranas al vacío. Este modelo es uno de los pocos propuestos para el estudio de la separación de etanol por destilación con membranas al vacío; solo Soni, Abildskov, Jonsson y Gani (2008) han propuesto un modelo de mayor complejidad que el del presente estudio. El modelo matemático fue validado utilizando cuatro casos de estudio reportados en la literatura. El modelo permite predecir satisfactoriamente los resultados experimentales para condiciones de operación que se encuentren entre 20 - 70ºC, con 0.25 - 5% p/p de etanol en la alimentación, presiones de 2000 - 6000 Pa y Reynolds entre 50 y 2700. Este modelo permitió realizar el análisis de la influencia de parámetros de operación y de diferentes tipos de membranas sobre variables de respuesta como flux de etanol, flux de agua y fracción de etanol en el permeado, utilizando la herramienta Statgraphics® Centurion XVI.I y un diseño experimental factorial. El análisis de Pareto demuestra que dichos parámetros afectan de forma distinta las variables de respuesta del proceso. Los dos valores de flux se incrementan con la temperatura, diámetro de poro y porosidad; el espesor de la membrana tiene un efecto negativo sobre el flux de agua (para el flux de etanol su influencia no es significativa). Por otro lado, un aumento de la presión, el diámetro de poro o la porosidad disminuye la concentración de etanol en el permeado. Éste último se incrementa con la concentración de etanol en la alimentación y el espesor de la membrana. Para la destilación membranaria al vacío, el modelo predice una concentración de etanol en el permeado de hasta 8.8 veces la concentración de alimentación; dependiendo de las condiciones de operación y de las características de la membrana.
- English
A mathematical model was developed to describe the mass and energy transfer in the ethanol separation process by using vacuum membrane distillation. This model is one of the few proposed for studying the ethanol recovery using vacuum membrane distillation; hence, only Soni, Abildskov, Jonsson and Gani (2008) have proposed a more complex model. The mathematical model was validated using fourcase studies reported in literature. The model fairly describes reported data obtained under the following operating conditions: 20 - 70ºC, ethanol concentration from 0.25 to 5% w/w, pressure of 2000 - 6000 Pa and Reynolds of 50 - 2700. The influence of operation conditions and membrane properties on ethanol and water flux, as well as on ethanol concentration in permeate were studied with this validated model by using Statgraphics® Centurion XVI.I and a factorial experiment design. Pareto analysis showed that operating conditions and membrane properties influence the process variables in different ways. For example, both flux values increase with temperature, pore diameter and porosity; but membrane thickness has a negative effect on water flux (for ethanol flux it was not significant). On the other hand, increasing pressure, pore diameter or porosity decreases permeate ethanol concentration. Last parameter increases with feed ethanol concentration and membrane thickness. In vacuum membrane distillation, the model predicts a permeate ethanol concentration 8.8 times higher than feed concentration, depending on operating conditions and membrane specifications.
- português
N este trabalho é proposto um modelo matemático para a transferência de massa e de energia durante a etapa de separação de etanol utilizando destilação com membranas a vácuo. Este modelo é um dos poucos propostos para o estudo da separação de etanol por destilação com membranas a vácuo; somente Soni, Abildskov, Jonsson e Gani (2008) propuseram um modelo de maior complexidade que o do presente estudo. O modelo matemático foi validado utilizando quatro casos de estudo relatados na literatura. O modelo permite prever satisfatoriamente os resultados experimentais para condições de operação que estão entre 20 - 70ºC, com 0.25 - 5% p/p de etanol na alimentação, pressões de 2000 - 6000 Pa e Reynolds entre 50 e 2700. Este modelo permitiu realizar a análise da influência de parâmetros de operação e de diferentes tipos de membranas sobre variáveis de resposta como fluxo de etanol, fluxo de água e fração de etanol no permeado, utilizando a ferramenta Statgraphics® Centurion XVI.I e um desenho experimental fatorial. A análise de Pareto demonstra que ditos parâmetros afetam de forma distinta as variáveis de resposta do processo. Os dois valores de fluxo aumentam com a temperatura, diâmetro de poro e porosidade; a espessura da membrana tem um efeito negativo sobre o fluxo de água (para o fluxo de etanol sua influência não é significativa). Por outro lado, um aumento da pressão, do diâmetro de poro ou da porosidade diminui a concentração de etanol no permeado. Este último aumenta com a concentração de etanol na alimentação e na espessura da membrana. Para a destilação membranária a vácuo, o modelo prevê uma concentração de etanol no permeado de até 8.8 vezes a concentração de alimentação; dependendo das condições de operação e das características da membrana.
