Установка мембранная обратноосмотическая

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический

Университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему:

«Установка  мембранная обратноосмотическая» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Руководитель                                                                                                         В.А.Тимкин

    к.т.н., доцент  

    Студент                                                                                                                  П.А. Алимпиев

    гр. Х-46051 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 

2009

Содержание

Введение            4

1. Современное состояние мембранных процессов
1. Общая характеристика мембранных систем     5
2. Классификация мембран и мембранных процессов    5
3. Наиболее распространенные процессы мембранного разделения  6
4. Применение процессов мембранного разделения           10
2. Разработка аппаратурно-технологической схемы установки
1. Описание установки                13
2. Принцип действия установки              13
3. Расчетная часть 
   3.1.Степень концентрирования на ступени обратного осмоса          14 
   3.2.Выбор рабочей температуры и перепада давления через мембрану     14 
   3.3.Выбор мембраны                14 
   3.4.Приближенный расчет поверхности мембраны           16 
   3.5.Выбор аппарата и определение его основных характеристик         17 
   3.6.Секционирование аппаратов в установке            18 
   3.7.Расчет наблюдаемой селективности мембран            19 
   3.8.Уточненный расчет поверхности мембран            21 
   3.9. Расчет гидравлического сопротивления             22

Выводы                           24

Приложения                  25

Список литературы                 26

 

                              

Введение 

 

1. Современное состояние мембранных процессов

1.1. Общая характеристика мембранных систем

     Мембранные  системы относятся к неравновесным  прерывным термодинамическим системам, состоящим в простейшем случае из двух однородных (гомогенных) подсистем, интенсивность взаимодействия между которыми регулирует некоторое устройство, называемое мембраной. Обычно мембраной называют используемый в процессах разделения вентиль малой толщины по сравнению с его остальными характерными геометрическими размерами. Мембранные системы являются прерывными потому, что каждая из подсистем находится во внутреннем термодинамическом равновесии, но при переходе через мембрану, которую можно рассматривать как третью подсистему, интенсивные свойства изменяются скачком. Это означает, что трансмембранные потоки, приводящие к выравниванию интенсивных свойств, малы по сравнению с аналогичными потоками внутри каждой отдельной гомогенной части системы.

       Широкое внедрение мембранных  процессов в практику стало  возможно благодаря развитию  науки о полимерах, использованию синтетических полимерных мембран, совершенствованию технологии и способов их модификации, выяснению основных закономерностей взаимосвязи структурных характеристик и условий эксплуатации со свойствами, определяющими трансмембранный перенос. 

1.2. Классификация мембран и мембранных процессов

     Мембранные процессы подразделяются на:

1. баромембранные,
2. концентрационномембранные (обычно их называют диффузионными или диффузионномембранными),
3. термомембранные,
4. электромембранные.

     При одновременном действии нескольких сил процессы могут быть, например, электробаромембранными (электроосмотическими) и др.

Различная природа  движущих сил, а также многообразие состояний мембраны и появляющаяся вследствие этого специфика массопереноса  порождают большое число конкретных мембранных процессов, классифицировать которые с единых позиций практически невозможно.  Более содержательная картина получается при использовании многоступенчатых схем, которые дополняют друг друга. Например, по природе мембран их можно подразделить на биологические (нативные, живые), мембраны, состоящие из модифицированных или регенерированных природных веществ, и на синтетические мембраны органического или неорганического происхождения.

     Мембраны  могут находиться в любом агрегатном состоянии.

     В качестве материала мембраны широко используют жидкости в виде моно- или полимолекулярных пленок, полимерные пленки, стекло, металлы, керамику. Сравнительно мало известны широкому кругу специалистов газовые мембраны.

     Структурная форма твердых мембранных материалов весьма разнообразна. Мембраны делятся на пористые, сплошные, слоистые, гетерогенные, динамические. В свою очередь пористые мембраны могут быть макропористыми, которые используются в качестве неселективных подложек, микропористыми – к ним относятся стекла, керамика, жесткоцепные полимеры и мембраны с флуктуирующими (мерцающими) порами, что характерно для гибкоцепных полимеров. Сплошные мембранные материалы представлены полимерами, металлами, сплавами. Слоистые или асимметричные мембраны имеют тонкий селективный (активный) слой, нанесенный на макропористую подложку. Гетерогенные мембраны – это мембраны с наполнителем, улучшающим их транспортные характеристики, с замкнутыми порами, с дисперсиями блок-сополимеров.

     В динамических мембранах активный слой представляет собой гель, который формируется в процессе работы в результате химической реакции при добавлении растворов электролитов и который находится в динамическом равновесии с раствором. Обычно гель (гидроксиды алюминия, циркония, железа и др.) осаждают на пористых подложках из металлокерамики, графита, полимеров.

     Современные мембраны, разработанные ведущими фирмами  для промышленного использования, представляют собой конструкции  из нескольких слоев различных материалов. Например, известны мембраны для процесса первапорации (см. далее), состоящие из селективного непористого полимерного слоя толщиной 0,05 мкм, помещенного на ультрафильтр с открытой пористостью асимметричного строения (диаметр пор увеличивается по мере удаления от селективного слоя) толщиной 100 мкм, и все это для придания механической прочности нанесено на нетканое или тканное полотно из полимерных нитей. 

1.3. Наиболее распространенные процессы мембранного разделения

     Из  баромембранных процессов наиболее распространены: газовая эффузия, микро-, ультра- и нанофильтрация и обратный осмос. Эти процессы применяют для газо- и жидкофазного разделения на пористых мембранах.

     Газовая эффузия – течение газа через пористую перегородку под действием разности давлений. Эффузия в условиях вакуума называется кнудсеновским течением или молекулярной эффузией. Понятие вакуума, как известно, относительное. Вакуум представляет собой такое разрежение газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул больше размера содержащего газ сосуда. Поэтому, чем меньше размеры сосуда, в котором находится газ, тем при больших давлениях в нем создаются условия вакуума. Так, для газа, находящегося в пористых средах с размерами пор 10²-10³ нм, атмосферное давление является вакуумом. Скорость преодоления молекулами пористой перегородки зависит от скорости их движения, а более легкие молекулы всегда обладают большей скоростью, что и приводит к разделению.

Если условие  вакуума нарушено, то есть молекулы могут сталкиваться не только со стенкой, но и друг с другом, то такое течение называется пуазейлевским или вязкостным. В реальных мембранах, имеющих определенное распределение пор по размерам, как правило, реализуются оба типа течения.

     Микрофильтрацию применяют для отделения растворителя от коллоидных или взвешенных микрочастиц размерами 0,1-10 мкм.

     Ультрафильтрацию используют для разделения растворов, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Обычно при ультрафильтрации коллоидные и высокомолекулярные вещества отделяются от низкомолекулярных.

     Нанофильтрацию или низконапорный обратный осмос применяют для задержки частиц с размерами порядка нанометра.

     Обратный  осмос – баромембранный процесс разделения истинных растворов. Движущая сила процесса J_P ~ (P – DП) > 0,

где P – давление над исходным раствором, DП = П₁ – П₂ – разность между осмотическими давлениями исходного раствора и фильтрата. Для полупроницаемых мембран П₂ = 0, так как в фильтрате отсутствуют растворенные вещества. Если P = DП, то потоки растворителя слева и справа через мембрану одинаковы, и два раствора различной концентрации, разделенные мембраной, находятся в равновесии. При P < DП растворитель преимущественно переходит в более концентрированный раствор. Это явление называется осмосом.

     Важнейшим параметром, влияющим на производительность баромембранных процессов, является рабочее давление. В микрофильтрации оно составляет 0,03-0,1 МПа, в ультрафильтрации – 0,3-1 МПа, в нанофильтрации – 1-3 МПа, в обратном осмосе – 3-10 МПа.

     Размер  частиц, проникновение которых через мембрану необходимо предотвратить, тесно связан с размером пор. В микрофильтрационных мембранах он более 50 нм, в ультра- и нанофильтрационных – 5-50 нм, в обратноосмотических – 3-5 нм. Но не только средний размер пор определяет селективность. Высокую селективность при увеличении размера пор можно сохранить за счет придания мембране электрического заряда и увеличения ее гидрофильности. Следует отметить, что размер пор обратноосмотических мембран много больше размеров молекул и ионов. Следовательно, селективность обратного осмоса вообще не связана с ситовым эффектом. Ее причиной является изменение концентрации молекул и ионов под влиянием силового поля поверхности пор.

     Мощным  рычагом управления селективностью баромембранных методов является их сочетание с другими процессами. Например, электроосмофильтрация – обратный осмос в постоянном электрическом поле. Такой гибридный метод позволяет извлекать целевые вещества из многокомпонентных растворов, в том числе, из природных и сточных вод. Известен также метод КОУФ, сочетающий комплексообразование и ультрафильтрацию. В нем используется вспомогательное вещество, образующее комплексы с компонентом, который нужно извлечь. Комплексы легко отфильтровываются, а затем разрушаются, освобождая целевое вещество, и комплексообразователь используется вновь.

     Основными концентрационномембранными процессами являются диффузионное газоразделение, первапорация, диализ. Их используют для разделения газов и жидкостей с помощью непористых мембран из полимеров, стекол, металлических сплавов.

     Диффузионное  газоразделение – процесс селективного трансмембранного газопереноса под влиянием градиента концентрации разделяемых компонентов по толщине мембраны, который задают различные парциальные давления газа на противоположных сторонах мембраны. Для бинарной смеси в простейшем случае, когда сорбция равновесна и подчиняется закону Генри, коэффициент диффузии постоянен, десорбция происходит в вакуум и не лимитирует скорость процесса, коэффициент разделения равен отношению коэффициентов проницаемости a = Q₁ / Q₂, а сама величина Q_i представляет собой произведение коэффициента диффузии на коэффициент растворимости (константу Генри) Q_i = s_i ∙ D_i. Таким образом, эффект разделения определяется как термодинамическими (s), так и кинетическими (D) свойствами системы мембрана–газ.

     Коэффициенты  диффузии газов в полимерных мембранах различаются на 3-7 десятичных порядков. Область изменения коэффициентов растворимости значительно меньше. Значение коэффициента диффузии определяется, главным образом, свободным объемом в полимерах, а коэффициента растворимости – межмолекулярным взаимодействием. Они могут заметно измениться при наличии специфических взаимодействий полимер–диффузант, к которым относятся донорно-акцепторное взаимодействие, обратимое связывание в комплекс, образование водородных связей и т.д.

     Термин  “первапорация” образован из слов “проницание” и “испарение” (permeation + evaporation = pervaporation) и означает испарение жидкостей через мембрану. Процесс состоит в том, что на поверхности жидкости находится мембрана, а пермеат в виде пара отводится током инертного газа, либо конденсируется, попадая в охлаждаемую вакуумированную ловушку. В первапорации используют лиофильные непористые полимерные мембраны. Для них характерна анизотропия набухания, существенно нелинейный профиль концентрации, сильная концентрационная зависимость коэффициента диффузии, неравномерность развития релаксационных процессов по толщине мембраны. Наличие на поверхности жидкости полимерной мембраны полностью подавляет специфику испарения со свободной поверхности. Поэтому во многих случаях селективность разделения очень высокая, а пермеат может быть обогащен как более, так и менее летучим компонентом.