Устройство для мембранного парофазного концентрирования этанола из водно-органических смесей

Полезная модель относится к области химии, а именно, разделению жидких и паровых смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности, энергетики и сельского хозяйства. Технический результат - повышение селективности выделения газов из многокомпонентных газовых смесей и спиртов из разбавленных водно-органических сред сложного состава, преимущественно ферментационных сред, при обеспечении непрерывности процесса и низких затратах на изготовление мембранного устройства. Предложено устройство для мембранного парофазного концентрирования спиртов из водно-органических смесей, включающего мембранные элементы в виде дисков, нанизанных через герметичные кольца на коллектор для пермеата, и помещенных в герметичную оболочку, снабженную входом для питания, расположенным перед первым входным дисковым элементом, и выходом для ретентата, расположенным после крайнего выходного дискового элемента, отличающееся тем, что дисковые элементы имеют одностороннее отсечение сегмента и собираются в модуле с пошаговым поворотом в 60°, при этом этанол является ретентатом, а в качестве мембраны применяют мембраны из поливинилтриметилсилана. 1 н.п.ф., 1 з.п.ф., 4 ил., 2 табл.

Полезная модель относится к области химии, а именно разделению жидких, парофазных смесей, и может применяться в различных отраслях промышленности, энергетики и сельского хозяйства. Наиболее развиты мембранные процессы разделения газовых смесей, в меньшей степени - паровых смесей, которые включают применение мембранных модулей различных конструктивных решений: половолоконные, рулонные и дисковые. Основные закономерности разделения паровых и газовых смесей полностью аналогичны, а если использовать сдувку газом-носителем жидких смесей, то после перевода этих смесей в пар, можно осуществлять разделение водно-органических смесей в паровой фазе. Таким образом, парофазные мембранные процессы включают в себя, с одной стороны, преимущества газоразделительных процессов и, с другой стороны, могут использоваться для разделения жидких водно-органических смесей через перевод ее в паровую фазу. При сравнительно одинаковых свойствах мембраны эффективность разделения смесей зависит от особенностей конструкции мембранного модуля. Особое внимание здесь уделяется разработке недорогих устройств. Наиболее дешевыми мембранными устройствами являются дисковые мембранные модули и разработке их усовершенствованных конструкций посвящено немало патентов.

Известно устройство в виде дискового мембранного модуля (патент RU 2040319, от 17.02.1992, Устройство для селективного разделения смеси газов, авторы Бровко А.П., Тепляков В.В., МПК B01D 63/08, B01D 63/00), когда на коллектор для пермеата нанизываются поочередно двухсторонние мембранные диски с направляющими диафрагмами между ними, что обеспечивает эффективное омывание входной поверхности мембраны газовой смесью. Однако такое устройство усложнено введением направляющих диафрагм как дополнительных технологических элементов, требующих повышенных затрат, и не гарантирует максимальные параметры разделения.

Также известно устройство для мембранного разделения газовых смесей и парофазного концентрирования спиртов из водно-органических смесей, включающее мембранные элементы в виде дисков с отсеченными сегментами с двух противоположных сторон, нанизанных через герметичные кольца на коллектор для пермеата, и помещенных в герметичную оболочку, снабженную входом для питания, расположенным перед первым входным дисковым элементом, и выходом для ретентата, расположенным после крайнего выходного дискового элемента. Это позволяет не вводить дополнительно направляющие диафрагмы и обеспечивает эффективную работу устройства в режиме противотока (Klaus Ohlrogge nd Torsten Brinkmann, Natural Gas Cleanup by Means of Membranes, Ann. N.Y. Acad. Sci. 984: 306-317 (2003). © 2003 NeW York Academy of Sciences, GKSS-Forsvhungszentrum Geesthacht GmbH, Institut für Chemie, Geesthacht, Germany).

Однако такое устройство усложнено процессом получения мембранных элементов с двумя сегментными отсечениями, и также не гарантирует максимальные параметры мембранного разделения.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для мембранного разделения газовых смесей и парофазного концентрирования спиртов из водно-органических смесей, включающее мембранные элементы в виде дисков, нанизанных через герметичные кольца на коллектор для пермеата, и помещенных в герметичную оболочку, снабженную входом для питания, расположенным перед первым входным мембранным дисковым элементом, и выходом для ретентата, расположенным после крайнего выходного мембранного дискового элемента, отличающееся тем, что мембранные дисковые элементы имеют одностороннее отсечение сегмента и нанизаны на коллектор для пермеата через герметизирующие кольца с пошаговым поворотом элементов в 60° (прототип-патент на ПМ 126960 оп. 20.04.2013)

Задача полезной модели - обеспечить повышенную селективность водно-спиртовых паровых смесей на примере выделения этанола, из разбавленных водно-органических сред сложного состава, преимущественно ферментационных сред, при обеспечении непрерывности процесса и низких затратах на его изготовление.

Для достижения указанной задачи предложено устройство для мембранного парофазного концентрирования этанола из водно-органических смесей, включающее мембранные элементы в виде дисков, нанизанных через герметичные кольца на коллектор для пермеата, и помещенных в герметичную оболочку, снабженную входом для питания, расположенным перед первым входным мембранным дисковым элементом, и выходом для ретентата, расположенным после крайнего выходного мембранного дискового элемента, мембранные дисковые элементы имеют одностороннее отсечение сегмента и нанизаны на коллектор для пермеата через герметизирующие кольца с пошаговым поворотом элементов в 60°, при этом, мембраны для выделения эталона из водно-органических смесей выполнены из поливинилтриметилсилана.

Кроме того этанол является ретентатом.

На фигуре 1 показан мембранный дисковый элемент 1, с односторонним отсечением сегмента,

на фигуре 2 общая схема предлагаемой полезной модели, где

1 - мембранный дисковый элемент,

2 - вход исходной смеси,

3 - коллектор для пермеата,

4 - пространство между мембранными дисковыми элементами,

5 - выход пермеата,

6 - выход ретентата,

7 - герметизирующие кольца

На фигуре 3 показано расположение мембранных элементов 1, установленных на коллекторе для пермеата 3, через герметизирующие кольца 8.

Устройства такого типа могут быть с успехом использованы для извлечения этанола, в том числе биоэтанола, по схеме, представленной на фиг.4 в режиме непрерывного выделения этанола из разбавленных водно-органических сред с помощью комбинации сдувки газом-носителем и выделения целевого продукта в виде ретентата.

На фигуре 4 дана общая схема процесса парофазного концентрирования спиртов из водно-органических смесей, где

8 - устройство для мембранного парофазного концентрирования спиртов,

9 - субстрат,

10 - остаток,

11 - ферментер,

12 - устройство подачи газа носителя для сдувки,

13 - вакуумный насос,

14 - циркуляционный насос,

15 - газ носитель,

16 - устройство для сбора целевого продукта

17 - конденсатор

18 - ретентат

Субстрат 9 подается в ферментер 11 с соответствующими культурами. Газ-носитель для отдувки 12, обедненный парами (например, азот) подают в ферментер 11, при этом часть компонентов жидкой фазы ферментера (в основном вода и этанол) переходит в паровую фазу и уносится газом-носителем. Получаемая газопаровая смесь поступает в устройство для мембранного парофазного концентрирования спиртов 18, где пары воды селективно переносятся через мембранный дисковый элемент, а этанол получают в виде ретентата. Это возможно только в случае преимущественной проницаемости паров воды по сравнения с парами этанола. Для создания движущей силы процесса применяется вакуумирование пространства с другой стороны устройства 8 при помощи вакуумного насоса 13. Пары, в виде ретентата 18 (не прошедшие через мембрану) попадают в конденсатор 17, где происходит их охлаждение и конденсация в устройстве для сбора целевого продукта 16. «Сухой» газ-носитель 15, получаемый на выходе из конденсора, смешивается с частью потока не прошедшего через устройство 8 в устройстве 12, и подается обратно в ферментер 11. Проникший поток подается через циркуляционный насос 14. Из ферментера удаляется не прореагировавший субстрат в виде остатка 10.

Конструкция нового модуля включает мембранные элементы в виде дисков 1, нанизанных на коллектор для пермеата 3 с шаговым поворотом сегмента на 60°. Предложенная конструкция оказалась наиболее эффективной для паров для дисковых модулей. Ниже приведены примеры экспериментальной оценки свойств мембранных модулей двух конструкций (аналога и прототипа) и трех вариантов расположения дисков в предложенной конструкции. Конструкция проста в сборке, что обеспечивает удешевление технологии изготовления модуля с приданием ему максимальных пароразделительных свойств.

Примеры экспериментальных оценок мембранных модулей

Выбор полимера для изготовления мембраны, обеспечивающей повышенную концентрацию этанола в ретентате обоснован в таблице 1.

Таблица 1 демонстрирует относительную проницаемость паров воды и этанола с доминирующей проницаемостью по парам воды.

Таблица 1.
Проницаемость мембраны из поливинилтриметилсилана, (ПВТМС мембраны) при 50°C.
Пенетрант	Поток J, кг/(м2*ч)	Проницаемость, (л/м2*ч*атм)	Идеальная селективность (отн. спирта), u	Средняя активность пара в потоке питания p/ps	Степень извлечения пермеата,
H2O	0,234	10400	-	0,33	0,96
C2H5OH	0,488	930	11,2	0,92	0,29

В таблице 2 представлены результаты испытания модулей разных конструкций (аналога, прототипа, и новой разработки) при разделении парогазовых смесей, на примере водно-этанольных смесей. В качестве модельной водно-этанольной смеси была использована смесь, содержащая 6% этанола. Площадь мембраны и мембранного модуля 0,4 м², поток питания 5 м³/час, вакуум 0,1 атм. Целевым продуктом является ретентат.

Из приведенных данных видно, что предложенная конструкция дисковых мембранных модулей, которая не использует направляющих диафрагм, обеспечивает максимальное парофазное концентрирование этанола при пошаговом повороте диска на коллекторе пермеата в 60°.

Кроме того, предложенное устройство обеспечивает долговременное функционирование системы выделения этанола, а также биоспиртов, без замены мембраны, позволяет избежать процессов загрязнения мембраны компонентами ферментационных сред. Применение парофазных мембранных технологий по аналогии с газофазными процессами облегчает масштабирование и не ограничивает площади мембраны для контакта с потоком питания в виде паров.

1. Устройство для мембранного парофазного концентрирования этанола из водно-органических смесей, включающее мембранные элементы в виде дисков, нанизанных через герметичные кольца на коллектор для пермеата и помещенных в герметичную оболочку, снабженную входом для питания, расположенным перед первым входным мембранным дисковым элементом, и выходом для ретентата, расположенным после крайнего выходного мембранного дискового элемента, мембранные дисковые элементы имеют одностороннее отсечение сегмента и нанизаны на коллектор для пермеата через герметизирующие кольца с пошаговым поворотом элементов в 60°, отличающееся тем, что мембраны выполнены из поливинилтриметилсилана.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что этанол является ретентатом.