Pervaporation for water removal from industrial organic solvents

Abstract

The recovery and reuse of organic solvents in process industry applications is important from both economic and environmental perspectives. However, complete purification of solvents is challenging and energy-intensive, particularly if azeotropes are formed. Azeotropic mixtures cannot be separated by conventional distillation without the use of special techniques involving entrainers, such as azeotropic distillation. Alternatively, pervaporation based on highly selective membranes offers an energy-efficient and more environmentally sustainable solution for solvent separation.

The literature part of this thesis focuses on the working principles of pervaporation and compares it with azeotropic distillation. Furthermore, different hydrophilic membranes used particularly for the separation of alcohol and water are viewed in terms of their performance, recent developments, and market availability.

The experimental part of this thesis investigated the suitability of pervaporation for separating 1-propanol and water in Raisio Nutrition’s solvent purification process. Pervatech’s HybSi® AR membrane was selected for testing, and laboratory experiments were conducted at temperatures of 100 °C and 130 °C. The water contents in 1-propanol achieved were 0.23 wt.% and 0.06 wt.%, respectively. Based on the experimental data, a continuous industrial-scale process was modelled. Compared to azeotropic distillation, pervaporation does not require an entrainer, offers significant energy savings, and reduces solvent losses. These findings suggest that pervaporation is a promising alternative for 1-propanol and water separation and could support more sustainable process development at Raisio Nutrition.

Orgaanisten liuottimien talteenotto ja uudelleenkäyttö prosessiteollisuudessa on sekä taloudellisesti että ympäristön kannalta merkittävän tärkeää. Liuottimien täydellinen puhdistaminen on kuitenkin haastavaa ja energiaintensiivistä, erityisesti atseotrooppien mahdollisen muodostumisen vuoksi. Atseotrooppisia seoksia ei voida erottaa perinteisellä tislauksella ilman väliliuottimia hyödyntäviä erityismenetelmiä, kuten atseotrooppista tislausta. Vaihto-ehtoisesti erittäin selektiivisiin kalvoihin perustuva pervaporaatio tarjoaa energiatehokkaan ja ympäristön kannalta kestävämmän ratkaisun liuottimien erotukseen.

Tämän diplomityön kirjallisuusosuudessa tarkastellaan pervaporaation toimintaperiaatetta ja verrataan sitä atseotrooppiseen tislaukseen. Lisäksi perehdytään erilaisiin hydrofiilisiin kalvoihin, joita on sovellettu erityisesti alkoholin ja veden erotukseen. Näiden kalvojen suorituskykyä, viimeaikaista kehitystä sekä markkinatilannetta tarkastellaan vertailevasti.

Kokeellisessa osuudessa tutkittiin pervaporaation soveltuvuutta 1-propanolin ja veden ero-tukseen Ravintoraision liuotinpuhdistusprosessissa. Testaukseen valittiin Pervatechin HybSi® AR-kalvo, jolla suoritettiin laboratoriokokeita lämpötiloissa 100 °C ja 130 °C. Kokeissa saavutettiin 1-propanolin vesipitoisuudet 0,23 m-% ja 0,06 m-%. Saatujen tulosten perusteella voitiin mallintaa jatkuvatoimista teollisen mittakaavan prosessia. Verrattuna atseotrooppiseen tislaukseen pervaporaatio ei edellytä väliliuotinta, osoittaa merkittävää energiansäästöpotentiaalia sekä vähentää liuotinhäviöitä. Tulokset viittaavat siihen, että pervaporaatio on potentiaalinen vaihtoehto 1-propanolin ja veden erotukseen sekä kestävän prosessikehityksen edistämiseen Ravintoraision tuotannossa.