Process energy efficiency in pervaporative and vacuum membrane distillation separation of 2,3-butanediol

Authors

  • Pinghai Shao,

    1. Institute of Chemical Process and Environmental Technology, National Research Council Canada, M-12, 1200 Montreal Road, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0R6
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  • Ashwani Kumar

    Corresponding author
    1. Institute of Chemical Process and Environmental Technology, National Research Council Canada, M-12, 1200 Montreal Road, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0R6
    • Institute of Chemical Process and Environmental Technology, National Research Council Canada, M-12, 1200 Montreal Road, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0R6.
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  • NRCC No. 5224

Abstract

This work focused on the energy aspects of the pervaporative separation of 1-butanol/2,3-butanediol. A numeric model was developed to simulate the mass and energy balance of the pervaporation process. It was found that the distribution of evaporation heat requirement over the membrane area is asymmetric, and more than 85% of the heat was consumed in the 60% of the membrane area. It was also revealed that recycling the permeate having higher than 5% w/w 2,3-butanediol can improve the recovery of 2,3-butanediol, and thus enhance the process energy efficiency. Two recycling strategies (the single or multiple point admission of permeate to the retentate flow) were explored. The specific energy requirement (the heat required by generating 1 kg 99.5% w/w 2,3-butanediol as product) was proposed to evaluate the process energy efficiency of both the pervaporation and vacuum membrane distillation, and it was shown that pervaporation can bring about nearly four times energy savings over the vacuum membrane distillation.

Abstract

Ce travail était axé sur les aspects énergétiques de la séparation pervaporative de 1-butanol/2,3-butanediol. Un modèle numérique a été créé pour simuler le bilan massique et énergétique du processus de pervaporation. On a découvert que la distribution de la consommation calorifique de l'évaporation sur la surface de la membrane est asymétrique et plus de 85% de la chaleur était consommée dans les 60% de la surface de la membrane. On a également révélé que le recyclage du perméat supérieur à 5% p/p 2,3-butanediol peut améliorer la récupération de 2,3-butanediol et ainsi accroître l'efficacité énergétique du processus. Deux stratégies de recyclage (l'admission unique ou multiple du perméat au flux de rétentat) ont été explorées. Le besoin énergétique particulier (la chaleur requise par la production de 1 kg 99,5% p/p 2,3-butanediol comme produit) a été proposé pour évaluer l'efficacité énergétique du processus à la fois de la pervaporation et de la distillation de membrane sous vide et il a été démontré que la pervaporation peut occasionner presque quatre fois les économies d'énergie par rapport à la distillation de membrane sous vide.

Ancillary