Мембранные процессы

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Мембранные процессы ...................................................................................3

 

1.1. Общие сведения ..........................................................................................3

 

1.2. Мембранные процессы разделения и способы их организации .................4

 

1.3. Теоретические основы разделение обратным осмосом и разделение ультрафильтрацией..................................................................................................5

 

1.4. Основные конструкции мембранных ячеек ................................................7

 

Список использованной литературы...............................................................10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Мембранные процессы

 

Мембранные процессы отличает наличие перегородки (мембраны), отделяющей в пространстве фазы, участвующие в массообмене. Методы мембранного разделения смесей основаны на неодинаковой проницаемости мембран для разных компонентов разделяемой смеси. 

Мембранные процессы широко применяются в промышленности при разделении жидких и газообразных смесей, концентрировании растворов, опреснении воды, выделении кислорода из воды и т.д.

 

1.1. Общие сведения

 

Мембрана – это твёрдая или жидкая перегородка, через которую могут проникать все или часть компонентов смеси. В первом случае мембрана называется проницаемой, во втором – полупроницаемой. Мембранная ячейка – аппарат или его элемент для осуществления процесса разделения смесей, состоящий (рис. 1) из двух не сообщающихся между собой полостей – надмембранной 1 и подмембранной 2, разделенных мембраной 3. Поток I, подаваемый на разделение, называется проходящим и движется вдоль мембраны; поток II, отводимый из ячейки, называется пермеатом.

Рис: 1. Схема мембранной ячейки:

1 – надмембранное пространство; 2 – подмембранное пространство; 3 – мембрана.

 I – проходящий поток. II – пермеат. 

 

Мембраны классифицируют по разным признакам.

1. По природе мембраны:

а) природные мембраны – мембраны живых организмов и полученные на их основе;

б) синтетические мембраны – органические и неорганические;

2. По структуре мембраны:

а) непористые мембраны – неорганические аморфные и кристаллические стёкла, фольга; полимерные плёнки – аморфные и со смешанной аморфно-кристаллической структурой; жидкие плёнки на границе раздела жидкость-жидкость или жидкость-газ;

б) пористые мембраны – микропористые мембраны с диаметром пор dЭ<0,5-10-6 м (прессованные порошки из стекла, вольфрама, серебра и других металлов); микропористая керамика; пористые полимерные структуры; макропористые мембраны с диаметром пор dЭ>0,5-10-6 м (ультрафильтры и др.);

3. По областям применения  мембраны:

а) газо (паро) фазные процессы разделения;

б) системы газ-жидкость – испарение через мембрану; селективная дегазация жидкостей; поглощение жидкостью газа, проникающего через мембрану, отделение жидких аэрозолей от газового потока на волокнистых мембранах – войлоках;

в) системы жидкость-жидкость – диализ; осмос; ультрафильтрация; электролиз; электроосмос; термодиффузия;

 г) системы газ-твердое  – волокнистые мембраны для улавливания аэрозольных твердых частиц; самоочищающиеся волокнистые мембраны для

улавливания растворимых твёрдых аэрозольных частиц; мембраны для селективной десублимации через перегородку;

д) системы жидкость-твердое – различные типы фильтровальных перегородок; капсулирующие покрытия для управляемого растворения капсулированных веществ; выращивание кристаллов из растворенных веществ, проникающих через мембрану.

 

1.2. Мембранные процессы разделения и способы их организации

 

Диализ – это процесс диффузионного проникновения компонентов раствора через мембрану за счет разности концентраций.

Электродиализ – это процесс диффузионного проникновения раствора через мембрану за счёт перепада электрических потенциалов на ее различных сторонах. При этом величина наложенной на мембрану разности отенциалов позволяет управлять потоками переносимых компонентов.

Осмос – это процесс диффузионного проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану из области меньшей в зону большей концентрации растворенного вещества.

Обратный осмос – это способ разделения растворов путём их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

Ультрафильтрация – процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых мембран. При этом жидкость непрерывно подается в надмембранное пространство под давлением 0,1—1,0 МПа.

 

1.3. Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией

 

В основе метода разделения растворов обратным осмосом лежит явление самопроизвольного перехода растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор (рис.2). Если давление над раствором ниже осмотического р < рОС, то растворитель будет переходить в раствор до достижения осмотического равновесия в системе. Равновесное состояние наступает, когда гидростатическое давление между раствором и растворителем, определяемое разностью уровней, станет равным осмотическому р = рОС.

Если после достижения равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое р > рОС, то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос. Растворитель, прошедший через мембрану, называют пермеатом.

 Движущей силой процесса  обратного осмоса является перепад  давления:

  ∆р = р - рОС, (1)

 где р – избыточное  давление под раствором;

 рОС –осмотическое  давление раствора.

 

Если в процессе обратного осмоса наблюдается некоторый переход через мембрану растворённого вещества, то при расчёте движущей силы следует учитывать осмотическое давление пермеата рОС.П, прошедшего через мембрану.

Тогда:

 ∆р = р - (рОС - рОС.П). (2)

 

Для приближенного расчёта осмотического давления может быть использована формула Вант-Гоффа:

 

 рОС = x⋅R⋅T, (3)

 

где х – мольная доля растворимого вещества;

R – газовая постоянная;

Т – абсолютная температура раствора.

 

Осмотические давления растворов могут достигать десятков МПа. Давление в обратноосмотических установках должно быть значительно больше осмотического, так как эффективность процесса определяется движущей силой разностью между рабочим и осмотическим давлением.

Рис.2. Схема разделения раствора обратным осмосом 

 

Ультрафильтрацию применяют для разделения систем, в которых молекулярная масса растворенных компонентов значительно превышает молекулярную массу растворителя. Для разделения водных растворов ультрафильтрацию применяют, когда растворённые компоненты имеют молекулярную массу 500 и выше. Движущей силой ультрафильтрации является разность рабочего и атмосферного давлений. Обычно ультрафильтрацию проводят при невысоких давлениях, равных 0,1 – 1 МПа. Ультрафильтрация протекает под действием перепада давлений до и после мембраны.

Разделение обратным осмосом и ультрафильтрацией происходит без фазовых превращений. Работа расходуется на создание давления в жидкости и продавливание её через мембрану:

 

Ам = АС+АПР, (1)

 

где АС – работа на сжатие жидкости;

 АПР – работа на  продавливание жидкости через  мембрану.

 

Так как жидкость несжимаема, величиной АС обычно пренебрегают. Работа на продавливание жидкости определяется по формуле:

 

 АПР = ∆р⋅V, (2)

 

где ∆р – перепад давления на мембране;

V – объём продавливаемой  жидкости.

 

Разделение методами обратного осмоса и ультрафильтрации принципиально отличается от обычного фильтрования. При обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора: концентрированный и разбавленный, в то время как при фильтровании осадок откладывается на фильтровальной перегородке. В процессе обратного осмоса и ультрафильтрации накопление растворенного вещества у поверхности мембраны (вследствие концентрационной поляризации) недопустимо, так как при этом резко снижаются селективность (разделяющая способность) и проницаемость (удельная производительность) мембраны, сокращается срок её службы.

Селективность и проницаемость мембран – это наиболее ее важные технологические свойства. Селективность ϕ, % процесса разделения на полупроницаемых мембранах определяется по выражению:

 

 ϕ = [(x1 - x2)/ x1]⋅100 = (1- x2/ x1)⋅100, (3)

 

где x1 и x2 – концентрации растворённого вещества соответственно в исходном растворе и фильтрате. Проницаемость G л/(м2⋅ч) выражается соотношением:

 

G = V/(F⋅τ), (4)

 

где V– объём фильтрата, л;

F – рабочая площадь  поверхности мембраны, м2

τ – продолжительность процесса, ч.

 

 1.4. Основные конструкции мембранных ячеек

 

Мембранная ячейка состоит из: надмембранного пространства, куда подается разделяемая смесь и откуда выходит обеднённый выделяемым компонентом проходящий поток, не проникший через мембрану, и подмембранного пространства, куда через мембрану проникает пермеат, обогащенный выделяемым компонентом.

Мембраны должны обладать следующими свойствами: высокими селективностью и удельной проницаемостью; постоянством своих характеристик в процессе эксплуатации; химической стойкостью; механической прочностью; невысокой стоимостью.

В целях увеличения механической прочности мембраны последняя располагается обычно на подложке или между подложками – механически прочными материалами, внешне напоминающими мембрану, но практически не представляющими сопротивления переносу массы и не обладающими селективностью (это сетки или крупнопористые фильтры из различных материалов). Конструктивные варианты расположения мембраны и подмембранного и надмембранного пространств разнообразны. Однако на практике наиболее распространены мембранные ячейки трёх типов.

Плоские пакеты мембран (рис. 3). Достоинства этих ячеек – простота изготовления, контроля в случае повреждения мембраны и малое идравлическое сопротивление проходящему потоку. Недостаток – малая удельная поверхность мембраны.

Мембранные ячейки рулонного типа

(рис. 4). Ячейки представляют собой мембранный модуль с наружными непроницаемыми стенками. Между ними закладывается мембрана на двух пористых подложках (с обеих её сторон), которые бразуют надмембранное и подмембранное пространства. Этот мембранный модуль свёрнут в рулон, что делает его компактным. Потоки разделяемых веществ движутся перекрестным током. Достоинство таких ячеек – простота их изготовления; недостаток – небольшая удельная поверхность (порядка 1000 м2 в 1 м3 мембранной ячейки).

Рис.3. Устройство плоского мембранного модуля:1 – мембранный модуль, 2 – корпус. 

Рис.4. Конструкция мембранного модуля спирального типа:

1 – пространство со  стороны концентрированного раствора, 2 – дренаж для очищенной воды, 3 – тело мембраны; I – концентрированный  раствор, II – очищаемая вода, III –  очищенная вода.

 

 Мембранные ячейки из полых полимерных волокон (рис. 5). Они конструктивно оформлены аналогично некоторым видам кожухотрубных теплообменников. Диаметр волокон ~ 3⋅10 - 4 м. Основное достоинство – развитая удельная поверхность – до 4⋅10 4 м2/м3.

Мембранная аппаратура на основе таких модулей наиболее современна и широко используется в промышленности. Главный её недостаток сложность определения места разрыва мембранного волокна. Из-за этого при разрыве отдельного волокна обычно приходится заменять весь мембранный модуль. 

 

Рис. 5. Схема конструкции трубчатого модуля:

1 – трубчатые мембраны, 2 – корпус.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

  1. Айнштейн А.Г. Общий  курс процессов и аппаратов  химической технологии. – М.: Высшая  школа, 2003. – 1757с.

2. Касаткин А.Г. Основные  процессы и аппараты химической  технологии. – М.: Химия, 1977. – 729с.

3. Гельперин Н.И. Основные  процессы и аппараты химической  технологии. – М.: Химия, 1981. – 810с.

4. Кавецкий Г.Д., Коралев  А.В. Процессы и аппараты пищевых  производств. – М.: Агропромиздат, 1991. – 432с.

5. Стабников В.Н., Попов  В.Д., Лысянский В.М. Процессы и  аппараты пищевых производств. –  М.: Легкая и пищевая промышленность, 1985. – 623с.

6. Павлов К.Ф., Романков  П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. – Л.: Химия, 1981. – 558с.

7. Дытнерский Ю.Д. Основные  процессы и аппараты химичес-кой  технологии. – М.: Химия, 1983. – 372с.

8. Иванец В.Н., Бакин И. А., Ратников С. А. Процессы и аппараты  пищевых производств. – К.: КемТИПП, 2004. – 180с.

9. Потапов А.Н., Савинова  К.И., Лопухинский Л.М. Массообмен-ные  процессы. – К.: КемТИПП, 1999. – 130с