3.3.1.Phương trình hồi quy
Từ kết quả khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố vận hành lên hai hàm mục tiêu là thông lượng và độ chọn lọc, hai mô hình toán mô tả quan hệ của hai hàm mục tiêu đối với các biến thu được như sau:
Thông lượng J, kg/m2h 2 2 2 2 0, 0588 0, 0095 0, 0047 0, 0092 0, 0007 0, 0089 0, 0012 0, 0041 0, 0015 0, 0023 0, 0378 0, 0033 0, 0027 0, 0030 0, 0048 J A B C D AB AC AD BC BD CD A B C D (3.1) Độ chọn lọc 2 2 2 2 1,9952 0,3029 0, 4917 0, 0856 0,1080 0, 2817 0, 2786 0, 0246 0, 4253 0, 0905 0,1212 0,3345 0,1222 0,1534 0,1735 A B C D AB AC AD BC BD CD A B a C D (3.2)
3.3.2.Độ tương thích của mô hình
Hình 3.16 trình bày sự so sánh giữa các giá trị thực nghiệm và mô phỏng từ phương trình hồi quy (3.1) và (3.2). Qua đó, cho thấy mức độ tương thích của mô hình và thực nghiệm thông qua hệ số tương quan R2 của J và lần lượt là 0,90 và 0,87. Theo đó, mức độ tương thích của mô hình và thực nghiệm đối với độ chọn lọc là không cao.
60
(a) (b)
Hình 3.16: So sánh giá trị thực nghiệm và mô phỏng của (a) thông lượng
và (b) độ chọn lọc
3.3.3.Tối ưu từng hàm mục tiêu
Từ mô hình toán học suy ra giá trị cực đại, cực tiểu của thông lượng và độ chọn lọc:
Jmin = 0,01 Jmax = 0,09
min = 0,5 max = 5,5
Hàm kỳ vọng di được xác định theo hàm mục tiêu J và như sau:
Thông lượng dòng thẩm thấu J, kg/m2 h 1 2 2 2 2 0, 6101 0,1186 0, 0585 0, 0055 0,1148 0, 0089 0, 0155 0, 0518 0, 0191 0, 0283 0, 0378 0, 0406 0, 0338 0, 0376 0, 0594 d A B C D AB AC AD BC BD CD A B C D (3.3) Độ chọn lọc 2 2 2 2 2 0, 2990 0, 0606 0, 0983 0, 0171 0, 0216 0, 0563 0, 0577 0, 0049 0, 0851 0, 0181 0, 0243 0, 0669 0, 0244 0, 0307 0, 0347 d A B C D AB AC AD BC BD CD A B C D (3.4)
61 Tối ưu hóa từng hàm kỳ vọng và thu được kết quả như sau:
Đối với thông lượng thẩm thấu:
Điều kiện vận hành: ở nhiệt độ dòng nhập liệu 44,46 C, nồng độ dòng nhập liệu 85%, lưu lượng dòng nhập liệu 80 l/h, áp suất dòng thẩm thấu 6 kPa.
Giá trị thông lượng tối ưu ở điều kiện vận hành trên là 7,589x102 kg/m2h.
Đối với độ chọn lọc của màng:
Điều kiện vận hành: ở nhiệt độ dòng nhập liệu 35 C, nồng độ dòng nhập liệu 92 %, lưu lượng dòng nhập liệu 60 l/h, áp suất dòng thẩm thấu 6 kPa.
Giá trị độ chọn lọc tối ưu ở điều kiện vận hành trên là 4,6953.
3.3.4.Tối ưu đồng thời hai hàm mục tiêu
62 Tối ưu hóa đồng thời hai hàm kỳ vọng d1, d2, thông qua hàm kỳ vọng kết hợp, D, từ phương trình (3.3) và (3.4) như sau:
1/2 2 2 2 2 0, 6101 0,1186 0, 0585 0, 0055 0,1148 0, 0089 0, 0155 0, 0518 0, 0191 0, 0283 0, 0378 0, 0406 0, 0338 0, 0376 0, 0594 0, 2990 0, 0606 0, 0983 0, 0171 0, 0216 0, 0563 0, 0577 A B C D AB D AC AD BC BD CD A B C D A B C D AB AC 1/2 2 2 2 2 0, 0049 0, 0851 0, 0181 0, 0243 0, 0669 0, 0244 0, 0307 0, 0347 AD BC BD CD A B C D (3.5)
Kết quả tối ưu hóa phương trình 3.5 cho Dmax = 0,716 tại 35 C, 92 %, 60 l/h , 6 kPa ứng với thông lượng 5,3454x10-2 kg/m2.h và độ chọn lọc 4,6953.
63
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
Trong luận văn này, quá trình khử dung dịch cồn có nồng độ 80-96 %kl bằng công nghệ thẩm thấu-bốc hơi được nghiên cứu với màng thương mại PVA/PAN.
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm quay bậc hai Box-Hunter đã được sử dụng để khảo sát sự ảnh hưởng của điều kiện vận hành như nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu đến thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của từng yếu tố cho thấy: nhiệt độ, nồng độ dòng nhập liệu và áp suất dòng thẩm thấu có ảnh hưởng đáng kể đối với thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng đồng thời của từng cặp yếu tố cho thấy: sự tương tác của nhiệt độ với nồng độ dòng nhập liệu; nhiệt độ dòng nhập liệu với áp suất dòng thẩm thấu là có ảnh hưởng đáng kể đến thông lượng thẩm thấu và độ chọn lọc của màng.
Tối ưu hóa điều kiện vận hành cho từng hàm mục tiêu thu được kết quả:
- Thông lượng thẩm thấu đạt giá trị là 7,589x102 kg/m2h ứng với nhiệt độ dòng nhập liệu 44,46 C, nồng độ nhập liệu 85 %, lưu lượng dòng nhập liệu 80 l/h và áp suất dòng thẩm thấu 6 kPa.
- Độ chọn lọc có giá trị là 4,6953 ứng với nhiệt độ dòng nhập liệu 35 C, nồng độ nhập liệu 92 %, lưu lượng dòng nhập liệu 60 l/h và áp suất dòng thẩm thấu 6 kPa.
Tối ưu hóa điều kiện vận hành cho đồng thời hai hàm mục tiêu thu được kết quả: ở nhiệt độ dòng nhập liệu 35 oC, nồng độ nhập liệu 92%, lưu lượng nhập liệu 60 l/h và áp suất dòng thẩm thấu 6 kPa thì màng làm việc với thông lượng thẩm thấu 5,3454x10-2 kg/m2h và độ chọn lọc 4,6953.
64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Mustafa Balat, Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858–875.
[2] Don W.Green and Robert H.Perry, Perry’s chemical engineers’ hand book – 8th edition, McGraw-Hill, (2007)
[3] Trần Xoa, Trần Trọng Khuông và Hồ Lê Viên, Sổ tay Quá trình và Thiết bị Công nghệ Hóa học – Tập 1, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4] J. Sheehan, The road to bioethanol: a strategic perpective of the US Department of Energy ‘s national ethanol program, American Chemical Society (2001) 2-25. [5] Wladyslaw Kaminski, Joanna Marszalek, Agnieszka Ciolkowska, Renewable
energy source – Dehydrated ethanol, Chemical Engineering Journal 135 (2008) 95- 102.
[6] Sohrab Haghighi Mood, Amir Hossein Golfeshan, Meisam Tabatabaei, Gholamreza Salehi Jouzani, Gholam Hassan Najafi, Mehdi Gholami, Mehdi Ardjmand, Lignocellulosic biomass to bioethanol, a comprehensive review with a focus on pretreatment, Renewable and Sustainable Energy Reviews27 (2013) 77– 93.
[7] Dong-June Seo, Hirotaka Fujita, Akiyoshi Sakoda, Effects of a non-ionic surfactant, Tween 20, on adsorption/desorption of saccharification enzymes onto/from lignocelluloses and saccharification rate, Adsorption 17 (2011) 813-822. [8] Masaki Sagehashi, Noritaka Miyasaka, Hiromu Shishido, Akiyoshi Sakoda,
Superheated steam pyrolysis of biomass elemental components and Sugi (Japanese cedar) for fuels and chemicals, Bioresource Technology 97 (2006) 1272-1283. [9] S. Ohara, Y. Terajima, A. Sugimoto, T. Hayano, K. Ujihara, M. Sagehashi, A.
Sakoda, Biomass cồn production from sugarcane for energy generation to support sugar production, Journal of the Japan Institute of Energy 84 (2005) 923-928.
65 [10] S.M. Sadati.T1, K. Ghasemzadeh1, N. Jafarharasi and P. Vousoughi, An Overviwe on the Bioethanol Production using Membrane Technologies, International Journal of Membrane Science and Technology (2014) 9-22.
[11] Pia-Maria Bondesson, Aurélie Dupuy, Mats Galbe, Guido Zacchi, Optimizing Ethanol and Methane Production from Steam-pretreated, Phosphoric Acid- impregnated Corn Stover, Appl Biochem Biotechnol 175 (2015) 1371–1388
[12] Naim Kosaric, Zdravko Duvnjak, Adalbert Farkas, Hermann Sahm, Stephanie Bringer-Meyer, Otto Goebel and Dieter Mayer in "Ethanol" Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2011”, Wiley-VCH, Weinheim.
[13] Nguyễn Văn Phước, Kỹ thuật sản xuất rượu etylic, Bộ lương thực và thực phẩm. [14] Đinh Thị Ngọ, Hóa học dầu mỏ và khí, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật (2006). [15] Richard W. Baker, Membrane Technology and Applications – 2nd Edition,
Membrane Technology and Research, Inc, Menlo Park, California.
[16] E. Steven Tarleton, Progress in Filtration and Separation, Loughborough University (2014).
[17] Feng, X., Huang, R.Y.M., Liquid separation by membrane pervaporation: a review, Ind. Eng. Chem. Res. 36 (1997) 1048–1066.
[18] Kujawski, W., Application of pervaporation and vapour permeation in environmental protection, J. Environ. Stud. 9 (2000) 13–26.
[19] Morigami, Y., Kondo, M., Abe, J., Kita, H., Okamoto, K., The first large-scale pervaporation plant using tubular-type module with zeolite NaA membrane, Sep. Purif. Technol. 25 (2001) 251–260.
[20] Jonqui_eres, A., Clément, R., Lochon, P., Néel, J., Dresch, M., Chrétien, B., Industrial state-of-the-art of pervaporation and vapour permeation in the western countries, J. Membr. Sci. 206 (2002) 87–117.
[21] Peng, M., Vane, L.M., Liu, S.X., Recent advances in VOCs removal from water by pervaporation, J. Hazard. Mater. 98 (2003) 69–90.
[22] Smitha, B., Suhanya, D., Sridhar, S., Ramakrishna, M., Separation of organic– organic mixtures by pervaporationda review, J. Membr. Sci. 241 (2004) 1–21.
66 [23] Van der Bruggen, B., Drioli, E., Giorno, L., Pervaporation membrane reactors, Comprehensive Membrane Science and Engineering, vol. 3. Academic Press, Oxford (2010) 135–163.
[24] Van der Bruggen, B., Jansen, J.C., Figoli, A., Geens, J., Boussu, K., Drioli, E., Characteristics and performance of a ‘universal’ membrane suitable for gas separation, pervaporation and nanofiltration applications, J. Phys. Chem. B 110 (2006) 13799–13808.
[25] Bolto, B., Hoang, M., Xie, Z.L., A review of membrane selection for the dehydration of aqueous cồn by pervaporation, Chem. Eng. Proc. Intens. 50 (2011) 227–235.
[26] Wladyslaw Kaminski, Renewable energy source Dehydrated ethanol, Faculty of Process and Environmental Engineering, Technical University of Lodz, Wolczanska 215, 90 924 Lodz, Poland (2008).
[27] Lipnizki, F., Field, R.W., Ten, P.-K., Pervaporation-based hybrid process: a review of process design, applications and economics, J. Membr. Sci. 153 (1999b) 183– 210.
[28] Liang, L., Dickson, J.M., Jiang, J., Brook, M.A., Effect of low flow rate on pervaporation of 1,2-dichloroethane with novel polydimethylsiloxane composite membranes, J. Membr. Sci. 231 (2004) 71–79.
[29] Panek, D., Konieczny, K., Applying filled and unfilled polyether-block-amide membranes to separation of toluene from wastewaters by pervaporation, Desalination 222 (2008) 280–285.
[30] Singha, N.R., Ray, S.K., Removal of pyridine from water by pervaporation using crosslinked and filled natural rubber membranes, J. Appl. Polym. Sci. 124 (2012) 99–107.
[31] Smitha, B., Suhanya, D., Sridhar, S., Ramakrishna, M., Separation of organic– organic mixtures by pervaporationda review, J. Membr. Sci. 241 (2004) 1–21.
67 [32] Gu, J., Zhang, C.F., Bai, Y.X., Zhang, L., Sun, Y.P., Chen, H.L., Divinyl benzene cross-linked HTPB-based polyurethaneurea membranes for separation of p-/o- xylene mixtures by pervaporation, J. Appl. Polym. Sci. 123 (2012) 1968–1976. [33] Van Veen, H.M., Van Delft, Y.C., Engelen, C.W.R., Pex, P.P.A.C., Dewatering of
organics by pervaporation with silica membranes, Sep. Purif. Technol. 22-23 (2001) 361–366.
[34] Sekulic, J., Luiten, M.W.J., ten Elshof, J.E., Benes, N.E., Keizer, K., Microporous silica and doped silica membrane for alcohol dehydration by pervaporation, Desalination 148 (2002) 19–23.
[35] Bowen, T.C., Noble, R.D., Falconer, J.L., Fundamentals and applications of pervaporation through zeolite membranes, J. Membr. Sci. 245 (2004) 1–33.
[36] Matsuda, H., Yanagishita, H., Negishi, H., Kitamoto, D., Ikegami, T., Haraya, K., Nakane, K., Idemoto, Y., Koura, N., Sano, T., Improvement of ethanol selectivity of silicalite membrane in pervaporation by silicone rubber coating, J. Membr. Sci. 210 (2002) 433–437.
[37] Shirazi, Y., Ghadimi, A., Mohammadi, T., Recovery of alcohols from water using polydimethylsiloxane-silica nanocomposite membranes: characterization and pervaporation performance, J. Appl. Polym. Sci. 124 (2012) 2871–2882.
[38] Satyanarayana, S.V., Sharma, A., Bhattacharya, P.K., Composite membranes for hydrophobic pervaporation: study with the toluene water system. Chem. Eng. J. 102 (2004) 171–184.
[39] Kujawski, W.,. Application of pervaporation and vapour permeation in environmental protection, J. Environ. Stud. 9 (2000) 13–26.
[40] Shao, P., Huang, R.Y.M., Polymeric membrane pervaporation, J. Membr. Sci. 287 (2007) 162–179.
[41] Rachipudi, P.S., Kariduraganavar, M.Y., Kittur, A.A., Sajjan, A.M., Synthesis and characterization of sulfonated-poly(vinyl alcohol) membranes for the pervaporation dehydration of isopropanol, J. Membr. Sci. 383 (2011) 224–234.
68 [42] Zhao, Q., Qian, J., An, Q., Zhu, M.H., Yin, M.J., Sun, Z.W., Poly(vinyl alcohol)/polyelectrolyte complex blend membrane for pervaporation dehydration of isopropanol, J. Membr. Sci. 343 (2009), 53–61.
[43] Svang-Ariyaskul, A., Huang, R.Y.M., Douglas, P.L., Pal, R., Feng, X., Chen, P., Liu, L., Blended chitosan and polyvinyl alcohol membranes for the pervaporation dehydration of isopropanol. J. Membr. Sci. 280 (2006) 815–823.
[44] Liu, Y.L., Lee, K.R., Lai, J.Y., Crosslinked organic-inorganic hybrid chitosan membranes for pervaporation dehydration of isopropanol-water mixtures with a long-term stability, J. Membr. Sci. 251 (2005), 233–238.
[45] Choudhari, S.K., Kariduraganavar, M.Y., Development of novel composite membranes using quaternized chitosan and Naþ-MMT clay for the pervaporation dehydration of isopropanol, J. Coll. Interf. Sci. 338 (2009) 111–120.
[46] Liu, G., Yang, D., Zhu, Y.Y., Ma, J., Nie, M.C., Jiang, Z.Y., Titanate nanotubesembedded chitosan nanocomposite membranes with high isopropanol dehydration performance, Chem. Eng. Sci. 66 (2011) 4221–4228.
[47] Bhat, S.D., Aminabhavi, T.M., Pervaporation separation using sodium alginate and its modified membranes – a review, Sep. Purif. Rev. 36 (2007), 203–229.
[48] Van Hoof, V., Dotremont, C., Buekenhoudt, A., Performance of Mitsui NaA type zeolite membranes for the dehydration of organic solvents in comparison with commercial polymeric pervaporation membranes, Sep. Purif. Technol. 48 (2006) 304–309.
[49] Ž. R. Lazíc, Design of experiments in chemical engineering - A practical guide, WILEY-VCH, Federal Republic of Germany (2004).
[50] D. Fuller and W. Scherer, The desirability function: Underlying assumptions and application implications, University of Virginia Charlottesville (1998).
[51] Wee Shin Ling, Tye Ching Thian, Subhash Bhatia, Process optimization studies for the dehydration of alcohol–water system by inorganic membrane based pervaporation separation using design of experiments (DOE), Separation and Purification Technology 71 (2010) 192–199.
69 [52] Huu Hieu Nguyen, Multiresponse optimization based on the desirability function for a pervaporation processfor producing anhydrous ethanol, Korean J. Chem. Eng. 26 (2009) 1-6.
[53] Gh. Khatinzadeh, M. Mahdyarfar and A. Mehdizadeh, The Effect of Operating Conditions on Permeation of Water-methanol Mixtures by a Pervaporation Membrane System, Petroleum Science and Technology Vol 31, Issue 13 (2013) 1313–1319.
[54] N. Durmaz-Hilmioglu, A.E. Yildirim, A.S. Sakaoglu, S. Tulbentci, Acetic acid dehydration by pervaporation, Chemical Engineering and Processing 40 (2001) 263–267.