Geri Dön

Benzen/ siklohekzan ve toluen/ alkan karışımlarının pervaporasyon ile ayrılması

Separation of benzene/ cyclohexane and toluene/ alkane mixtures by pervaporation

  1. Tez No: 112220
  2. Yazar: AHMET ESAT YILDIRIM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEMA TÜLBENTÇİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2001
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 141

Özet

BENZEN/SIKLOHEKZAN VE TOLUEN/ALKAN KARIŞIMLARININ PERVAPORASYON İLE AYIRILMASI ÖZET Pervaporasyon bir membran ayırma sistemidir. Yakın kaynama noktasına sahip karışımların ve azeotropik karışımların ayrılması en önemli uygulama alanlarıdır. Bu çalışmada, benzen/siklohekzan ve toluen/alkan karışımları pervaporasyon sistemi kullanılarak ayrılmıştır. Toluen/alkan karışımının ayrılmasında kullanılan alkanlar dekan, dodekan, tetradekan ve hekzadekandır. Benzen/siklohekzan karışımının ayrılması Petrol Endüstrisinde önemli ve zor bir işlemdir. Siklohekzan, katalizör ortamında benzene hidrojen ilavesiyle üretilmektedir. Reaksiyona girmeyen benzenin reaksiyon çözeltisinden ayrılması önemli bir işlemdir. Her konsantrasyon değerinde yakın kaynama noktalarına sahip olmaları nedeniyle, benzen/siklohekzan karışımını ayırmak için azeotropik distilasyon ve ekstraktif distilasyon gibi sistemler kullanılmaktadır. Bu sistemlerin işletilmesi pahalı olduğu için daha ekonomik bir işlemin geliştirilmesi gerekmektedir. Benzen/siklohekzan karışımlarının ayrılması için farklı sertliklerdeki poli(eter-blok-amid) (Pebax 2533, 3533 ve 4033) polimerlerinden hazırlanan membranlar, polivinilklorür (PVC) ve PVC ile poli(vinilklorür-ko-vinilasetat)'ın karıştırılmasından hazırlanan membranlar kullanılmıştır. Pebax polimerlerinde sertliği belirleyen grup yarı kristalin yapıdaki poliamiddir. Poliamid miktarındaki artış ile polimer sertliği de artmaktadır. Polimerler sertlikteki artışa bağlı olarak 25, 35 ve 40 olarak numaralandırılmaktadırlar. Benzen/siklohekzan karışımı için sorpsiyon deneyleri tüm Pebax polimerleri için 30, 40, 50°C'de, pervaporasyon deneyleri ağırlıkça besleme bileşimi % 10-90 benzen içeren aralıkta tüm Pebax membranları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Pervaporasyon üzerine sıcaklık etkisi Pebax 3533 ve 4033 için 30, 40, 50 °C'lerde tespit edilmiştir. Benzen/siklohekzan karışımı için Pebax 2533, 3533 ve 4033 polimerleri kullanılarak gerçekleştirilen sorpsiyon deneyleri sonuçlarında polimerlerin benzene karşı ilgisinin siklohekzana göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Artan sıcaklığa bağlı olarak şişme derecelerinde artış olduğu görülmüştür. Pervaporasyon deneyleri sonuçlarından membranların tümünün tercihli olarak benzeni geçirdiği tespit edilmiştir. Benzen/siklohekzan karışımları için oldukça yüksek akılar ve düşük seçicilik değerleri saptanmıştır. Bunun nedeni, polimerlerin her iki maddede de oldukça yüksek oranlarda şişmesidir. Benzen ve siklohekzanın yakın molekül boyutları nedeni ile ayırımın daha çok sorpsiyon seçiciliğine bağlı olduğu belirlenmiştir. Bu da seçiciliğin düşük olmasının nedenidir. Polimerin sertliği arttıkça difüzyonseçiciliğinde artış olmaktadır, bu da kristalin yapıda olan poliamidin kopolimer içinde artan oranı nedeni ile maddelerin difüzyon hızları arasındaki farkın ayrımda önem kazanması ve aynı zamanda sorpsiyonun azalmasının bir sonucudur. Siklohekzana göre daha küçük molekül yapısında olan benzenin difüzyon hızı siklohekzandan daha yüksektir. PVC'den hazırlanan membranlar ve karışımlar için sorpsiyon deneyleri saf maddeler ve benzen/siklohekzan karışımları için 30 °C de yürütülmüştür. Pervaporasyon deneyleri düşük geçiş hızları nedeni ile ağırlıkça % 35 benzen içeren karışımlardan daha yüksek değerler için yapılmıştır. PVC'den hazırlanan membranlar için membran kalınlığının ayırma üzerindeki etkisi tespit edilmiştir. Polimer karışımlarının içindeki vinilasetetat (VAc) miktarının etkisi gözlenmiştir. Sıcaklığın etki, diğer membranlarda benzer şekilde olacağı için sadece PVC'den hazırlanan membranlar için 30, 40 ve 50°C'lerde araştırılmıştır. PVC ve karışımlarından (ağırlıkça % 4 ve % 8 VAc) hazırlanan membranlar benzeni tercihli olarak içine almakta ve siklohekzanda şişmemektedirler. PVC ve karışımlarının tercihli olarak benzeni geçirdiği tespit edilmiştir. Düşük şişme dereceleri nedeni ile pervaporasyon deneylerinde de düşük akılar elde edilmiştir. Polimer karışımlarıyla gerçekleştirilen deneylerden, membrandaki VAc miktarındaki artışa bağlı olarak akının arttığı ve benzen seçiciliğinin düştüğü görülmüştür. PVC den hazırlanan 50 ve 30 um kalınlıktaki membranlar kullanılarak gerçekleştirilen deneyler sonucunda kalınlığın da etkisi tespit edilmiştir. Şişme derecelerinde değişiklik görülmemiştir. Seçicilik belirgin şekilde değişmemekle birlikte, kalınlıktaki azalmaya bağlı olarak akıda artış tespit edilmiştir. Bu sonuç çözünme-difüzyon modeline uygundur. Toluen/alkan karışımlarının ayrılmasına yönelik çalışmanın temeli, uçucu organik hidrokarbonların, atık sudan alkanlar içine ekstrakte edildiği bir perstraksiyon sistemine pervaporasyon ünitesi bağlanmasıdır. Bu nedenle, toluenin çeşitli alifatik hidrokarbonlardan (dekan, dodekan, tetradekan ve hekzadekan) Pebax polimerleri kullanılarak pervaporasyon ile ayrılması incelenmiştir. İki tip membran test edilmiştir: Pebax 2533 ve 3533. Polimer sertliğinin, sıcaklığın ve toluenle birlikte bulunan alkanların sorpsiyon ve pervaporasyon üzerine etkisi incelenmiştir. Toluen, alkan karışımları için sorpsiyon ve pervaporasyon deneyleri alkanların içinde %2, 5, 7.5, 10 toluen içeren karışımları için gerçekleştirilmiştir. Sıcaklığın etkisi 30, 60 ve 90 °C'lerde tespit edilmiştir. Pebax polimerlerinin tümünün saf toluen içersinde alkanlara göre çok daha yüksek şişme derecelerine sahip olduğu ve alkanlarda da molekül ağırlığındaki artışa bağlı olarak şişme derecelerinde azalma olduğu görülmüştür. Toluen/alkan karışımlarının pervaporasyon deneyleri sonuçlarından, tüm membranların tercihli olarak tolueni geçirdikleri belirlenmiştir. Geçen akım tarafı basıncının ve geçen maddelerin çalışma sıcaklığındaki buhar basınçlarının da ayırmada etkili olduğu tespit edilmiştir. Karışımlarda toluenle beraber bulunan alkana göre, molekül ağırlığı düşük alkandan molekül ağırlığı yüksek alkana doğru toplam akı azalmakta, seçicilik artmaktadır.Tüm karışımlar için tercihli olarak geçen maddenin beslemedeki konsantrasyonunun artışı ile şişme derecelerinin arttığı, pervaporasyonda toplam akının arttığı ve bunlara bağlı olarak seçiciliğin düştüğü tespit edilmiştir. Tüm ayırımlar için sıcaklığın etkisi de birbirlerine benzer şekilde ortaya çıkmıştır. Sıcaklık artışı ile akılar ve şişme dereceleri artarken seçicilik değerleri düşmüştür. Polimer sertliğindeki artışın etkisi, sertlik arttıkça akının ve şişme derecelerinin azalması ve seçiciliğin artması şeklinde belirlenmiştir. Çalışmada benzen/siklohekzan karışımları pervaporasyon işlemi ile başarıyla ayrılmıştır. Membran kalınlığının azaltılması ve membrana benzene karşı yüksek alakası olan bir maddenin katılması ile akının kolayca arttırılabileceği görülmüştür. Toluen/alkan karışımlarından toluen pervaporasyon işlemi ile başarı ile ayrılmıştır. Toluenin beraberinde bulunduğu alkanın tipine bağlı olarak seçicilik ve akının önemli ölçüde etkilendiği görülmüştür. Her iki çalışma için de polimer sertliğinin seçicilik ve akı için önemli bir parametre olduğu saptanmıştır. Çalışma sıcaklığındaki artışa bağlı olarak akının artırılabileceği tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

SEPARATION OF BENZENE/CYCLOHEXANE AND TOLUENE/ALKANE MIXTURES BY PERVAPORATION SUMMARY Pervaporation is a membrane process. Separations of close boiling and azeotropic mixtures are the most important application fields. In this work benzene/cyclohexane and toluene/alkane mixtures were separated by pervaporation system. Decane, dodecane, tetradecane, and hexadecane are the alkanes which have been used in the separation of the toluen/alkane mixture. Separation of benzene/cyclohexane mixture is an important and difficult process in the Petrochemical Industry. Cyclohexane is produced by catalytic hydrogenation of benzene. Separation of unreacted benzene from reaction solution is an important process. Presently, extractive and azeotropic distillation processes are used for the separation of benzene/cyclohexane mixture because they have close boiling points at each concentration values. It is necessary to improve a more economical alternative because of their high operation cost. For the separation of benzene/cyclohexane mixtures, membranes with different hardness, poly(ether-block-amide) (Pebax 2533, 3533 and 4033), polyvinylchloride (PVC) and blends of poly(vinylchloride-co- vinylacetate) with PVC were used. In Pebax polymers polyamide which has a semi-crystalline structure, determines the hardness. Polymer hardness increases with the increase of polyamide quantity. Due to the increase of hardness, polymers are numbered as 25, 35 and 40. For all types of Pebax, sorption experiments were carried out for pure components and mixtures of benzene/cyclohexane at 30, 40, 50°C. Pervaporation experiments were carried out with the mixtures of benzene/cyclohexane with the concentration range, 10 to 90 % weight benzene for all grades of Pebax. Temperature effect on pervaporation was determined for Pebax 3533 and 4033 at 30, 40, 50°C. In the sorption experiments for the separation of benzene/cyclohexane mixture, which have been carried out by using Pebax 2533, 3533 and 4033, it was determined that the membranes have higher affinity against benzene, compared to cyclohexane. Swelling increase is observed due to the temperature increase. From pervaporation results, it was determined that the membranes were preferentially permeating benzene. For the mixtures of benzene/cyclohexane, high fluxes and low selectivities were determined. This was the result of high swelling behavior of the membranes in benzene and cyclohexane. Due to the close molecular sizes of benzene and cyclohexane, it was determined that the sorption selectivity was more effective than diffusion selectivity. This is the reason of low selectivity. Diffusion selectivityincreases with the increase of polymer hardness. This is the result of the increasing polyamide ratio in the copolymer which has a crystalline structure. Due to the crystalline structure of the polyamide, sorption of the components through the membrane decrease and the difference between diffusion rates of the components become more important. As a result of smaller molecule size of benzene, compared to cyclohexane, diffusion rate of benzene is higher than cyclohexane. The sorption experiments of PVC and its blends were carried out for pure components and benzene/cyclohexane mixtures at 30°C. Due to low permeation rates, pervaporation experiments were carried out for the concentrations higher than 35 % weight benzene in benzene/cyclohexane mixture. The effect of membrane thickness on the pervaporation separation was tested for the membranes prepared from PVC. The effect of vinyl acetate (VAc) content in the membranes was observed. The effect of operation temperature was tested at 30, 40, 50°C by using only the membrane prepared from PVC as it would be similar for the other membranes. PVC and its blends (containing weight 4 % and 8 % VAc) preferentially sorbed benzene but not swollen in cyclohexane. It is determined that the PVC and the blends are preferentially permeable to benzene. Due to the low swelling behavior of the membranes low fluxes were determined in the pervaporation experiments. It is determined that the VAc content in the membranes was effective on separation characteristics. Increasing VAc content resulted in decreasing benzene selectivity and increasing fluxes. The effect of thickness was determined by using the membranes prepared from PVC at the thickness of 50 and 30 um. There was no difference between the swelling degrees. No significant change was determined on selectivities but the fluxes increased from thicker membrane to thinner membrane. This result obeys to the solution - diffusion model. The basic principle of the work on separation of toluene/alkane mixtures is to combine a pervaporation unit to a perstraction system, which is used for the extraction of Volatile Organic Hydrocarbons into alkanes from wastewater. Therefore, pervaporation of toluene from various alkanes (decane, dodecane, tetradecane, hexadecane) were examined by using Pebax (Poly ether-block - amide) polymers. Two types of membranes were tested, Pebax 2533 and 3533. The effect of polymer hardness, operation temperature and molecular weight of alkanes on pervaporation and sorption were investigated. For toluene/alkane mixtures, sorption and pervaporation experiments were carried out in the mixtures containing 2, 5, 7.5, 10 weight % toluene in alkanes. The effect of operation temperature was determined at 30, 60, 90 °C. It is determined that all of the membranes prepared from Pebax polymers had much higher swelling degrees than alkanes and as a result of the increasing molecular weight of the alkanes swelling degrees were decreased. From the pervaporation experiments results of toluene/alkane mixtures, it was determined that the membranes were preferentially permeable to toluene. It is determined that the permeate side pressure and the vapor pressures of the permeatingcomponents at operation temperature were also effective on separation. The total fluxes decreased and selectivities increased, related to the alkane type in the mixture with toluene, from low molecular alkane to high molecular alkane. As the concentration of the preferentially permeating component in the mixture increased, swelling degrees and total fluxes increased, thereby decreasing selectivity. For all the separations, the temperature effect was determined in a similar manner. While the operation temperature increased, swelling degrees and fluxes increased and the selectivities decreased. The effect of increasing hardness of the polymers was determined as decreasing swelling degrees and total fluxes and increasing selectivity. Benzene/cyclohexane mixtures have been separated successfully by pervaporation in the experimental work. It is observed that, with decreasing the membrane thickness and with addition a material which has high affinity to benzene, fluxes can be increased easily. Toluene has been separated in toluene/alkane mixtures by pervaporation successfully Selectivity and flux values have been affected regarding the alkane type, which is in the mixture of toluene. For the two types of mixtures, it is determined that polymer hardness is an important parameter on the selectivity and flux. It is also obtained that, flux values could be increased due to the increase on temperature. xvui

Benzer Tezler

  1. Tez No

    155641

    Bazı kumarın türevlerinin solvatasyon dinamiği ve elektronik uyarılmış halleri üzerine çözücülerin etkileri

    The effect of solvents on solvation dynamic and electronic excited states of some coumarin derivatives

    NESLİHAN ÇELEBİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    KimyaAtatürk Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. YAVUZ ONGANER

  2. Tez No

    68325

    Process synthesis studies in baten distillation column design and operation

    Kesikli damıtma kolonlarının tasarımı ve işletimi için proses sentezi

    DİLEK ALKAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TÜRKER GÜRKAN

  3. Tez No

    434082

    Organojellerin sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları

    Synthesis, characterization and applications of organogels

    FUNDA ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELVA ÇAVUŞ

  4. Tez No

    268268

    The preparation and characterization of zeolite framework stabilized ruthenium(0) nanoclusters; a superb catalyst for the hydrolysis of sodium borohydride and the hydrogenation of aromatics under mild conditions

    Ilımlı koşullar altında sodyum borhidrürün hidrolizi ve aromatiklerin hidrojenlenmesi için süper bir katalizör olan zeolit yapısıyla kararlaştırılmış rutenyum(0) nanokümelerinin hazırlanması ve tanımlanması

    MEHMET ZAHMAKIRAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    EnerjiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. SAİM ÖZKAR

  5. Tez No

    256470

    Bazı azo boyar maddelerin absorbsiyon spektroskopisinin deneysel ve teorik incelenmesi

    The experimental and theoretical investigation of absorption spectroscopy of some azo dyes

    YADİGAR GÜLSEVEN SIDIR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Fizik ve Fizik MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CEMİL ÖĞRETİR

    YRD. DOÇ. DR. EROL TAŞAL

Geri Dön