Установка мембранная обратноосмотическая

     Диализ основан на различных скоростях диффузии растворенных веществ, отличающихся молекулярной массой, через мембрану, разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. С течением времени скорость процесса снижается вследствие диффузии растворителя в обратном направлении.

     К термомембранным процессам относится мембранная дистилляция. Систематическое экспериментальное и теоретическое изучение этого метода началось с 1995 г. Мембранная дистилляция состоит в селективном переносе паров воды через микропористую гидрофобную мембрану, разделяющую два водных раствора, находящихся при различных температурах. Обычно температура концентрированного раствора составляет 50-80°C, а дистиллята 20-25°C. Для проведения процесса не требуется избыточное рабочее давление и может быть использована низкопотенциальная теплота. Движущей силой мембранной дистилляции является разность давлений насыщенных паров растворителя, обусловленная разностью температур, которая является регулируемым и управляющим параметром процесса. Диффузионный механизм мембранной дистилляции подтверждается линейной зависимостью потока пермеата от обратной толщины мембраны, что характерно для фиковской диффузии. Кроме того, высокая селективность (f = 0,99) указывает на отсутствие конвективного потока. Гидрофобность мембраны обеспечивает пространственное разделение и стабилизацию поверхностей испарения и конденсации. Поэтому практически невозможно использовать мембранную дистилляцию для растворов, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие смачиваемость поверхности микропор.

     В примембранных слоях не только концентрация, но и температура, вследствие теплопереноса через мембрану, отличается от своего значения в объеме. Это явление получило название температурной поляризации. Температурная поляризация оказывает отрицательное влияние на производительность мембранной дистилляции, поскольку температура поверхности испарения снижается, а поверхности конденсации – повышается.

     Наиболее  распространенным электромембранным  процессом является электродиализ – метод разделения растворов электролитов под действием разности электрических потенциалов, которая создается по обе стороны чередующихся анионо- и катионообменных мембран. Электродиализаторы состоят из ряда камер, через которые прокачивают растворы электролитов. В крайних камерах расположены электроды. Поскольку анионообменные мембраны пропускают только анионы, а катионообменные – только катионы, то камеры поочередно обогащаются и обедняются электролитом. В результате поток исходного раствора разделяется на два потока: разбавленный (обессоленный) и концентрированный. Элементарным звеном электродиализатора является так называемая парная камера, состоящая из одной катионо- и одной анионообменной мембран, а также из растворов в каналах обессоливания и концентрирования. Эффективность использования электроэнергии в электродиализаторе составляет 80-95%. Если учесть, что этот процесс не требует дополнительных химических реагентов, в нем не создаются вещества, отравляющие окружающую среду (как правило, из растворов удаляются микрокомпоненты), то становится понятным, почему электродиализ так же, как и остальные мембранные процессы, относят к экологически целесообразным, ресурсо- и энергосберегающим. 

1.4. Применение процессов мембранного разделения

     С помощью мембранных процессов удается  охватить практически весь диапазон возникающих разделительных задач: от самых тонких – концентрирование изотопов урана методом газовой эффузии – до относительно “грубых” – микрофильтрационная очистка жидкостей высокой степени чистоты от взвешенных частиц субмикронных размеров.

     Современные мембранные процессы отличаются высокой селективностью, низкими энергозатратами, простотой аппаратурного оформления, служат основой создания безотходных технологий. В настоящее время их используют в химической, нефтехимической, газовой, фармацевтической, микробиологической, атомной, электронной, пищевой промышленности, медицине, водоподготовке с различными целевыми назначениями, в аналитическом приборостроении, в устройствах для преобразования и хранения информации и в других областях.

     Наиболее  важной и крупномасштабной задачей, решаемой с помощью обратного осмоса, электродиализа, частично мембранной дистилляции является деминерализация, то есть снижение в воде общего солесодержания или удаление из нее ионов, неприемлемых в тех или иных конкретных условиях. Деминерализацию, направленную на получение питьевой воды, называют опреснением. При этом солевой состав полученной воды должен отвечать определенным требованиям или он может быть скорректирован добавками необходимых компонентов. В получении чистой воды заинтересованы многие отрасли промышленности. Огромное количество воды, освобожденной от солей жесткости, потребляет энергетика. В производствах электронной и радиотехнической промышленности используют высокочистые вещества и поэтому вынуждены использовать воду, содержание солей в которой должно быть ниже, чем в дистиллированной. Деминерализацию, направленную на получение такой воды, называют обессоливанием. Кроме того, очистка сточных вод различных производств включает как составную часть процесс деминерализации. При выборе метода и решения конкретной задачи деминерализации очень важны начальное содержание и предварительная очистка воды, обеспечивающие стабильную работу мембран. По оценкам мировое производство деминерализованной воды, полученной мембранными методами, достигает более 10 млн. м³/сут.

     В химической и нефтехимической промышленности диффузионное газоразделение, ультрафильтрацию, первапорацию и др. применяют для  выделения водорода и гелия из природных и продувочных газов, кислорода и азота из воздуха, разделения высоко- и низкомолекулярных соединений и т.д. Следует отметить, что с помощью металлических мембран из сплава палладия с серебром в промышленном масштабе при температуре 550-660 K под давлением 2,1 МПа и с производительностью до 50 м³/ч получен пермеат, содержащий 99,9995% об. водорода.

     Существует  много практически важных задач, для решения которых необходим  простой и дешевый способ обогащения воздуха кислородом. Это – интенсификация окислительных процессов в металлургии, сжигание низкосортного топлива  и мусора, аэрация водоемов при выращивании ценных пород рыб, создание кабинетов окситерапии в медицине и т.д.

     С помощью газоразделительных мембран  на основе ПВТМС, поли-4-метилпентена-1 и других полимеров разработаны  промышленные процессы получения воздуха, обогащенного кислородом до 40% в одной ступени. Обогатив пермеат кислородом, получают концентрат с высоким содержанием азота. Газовая среда с низким содержанием кислорода (2-5%), повышенным – углекислого газа (3-5%) и высоким – азота (90-95%) является оптимальной при длительном хранении плодов и овощей. Для этой цели разработаны и внедрены мембранные установки, которые создают азотную среду в многотонных холодильных камерах и автоматически поддерживают требуемую концентрацию кислорода и углекислого газа.

     Микрофильтрация – основной метод, применяемый в пищевой промышленности для концентрирования соков, получения молочных продуктов, стабилизации вин, а также в фармацевтической промышленности и медицине для очистки и фракционирования биологически активных веществ, лекарственных средств, ферментов, стерилизации растворов и т.п. Ясно, что в этих случаях мембрана должна иметь не только необходимую проницаемость и селективность, но и отвечать определенным санитарно-гигиеническим нормам и допускать последующую стерилизацию. Таким требованиям в полной мере отвечают трековые мембраны из полиэтилентерефталата (лавсана) и поликарбоната. Трековые мембраны получают облучением сплошных пленок ионами тяжелых элементов и последующим травлением их следов (треков) до образования сквозных однородных пор. Они устойчивы при контакте с микроорганизмами, геометрия их пористой структуры остается постоянной при изменении ионной силы фильтруемой среды, а термическая и химическая стабильность позволяет подвергать мембраны принятым методам стерилизации.

     Нельзя не упомянуть применение диализа в аппаратах “искусственная почка”, наличие мембранных оксигенаторов крови, а также регулируемое введение в организм лекарственных веществ. Обычный способ применения лекарств – инъекции или в виде таблеток – резко увеличивает их концентрацию в организме, что может вызвать нежелательные побочные эффекты. Так, лекарства, содержащие гормоны, при традиционном “импульсном” вводе могут вызвать эндокринные нарушения. Поэтому применяют лекарства, покрытые мембранным слоем (как правило, из силиконовой резины). Через короткое время после приема скорость поступления лекарства в организм остается постоянной и может быть задана толщиной мембраны.

     Приведенный далеко не полный перечень примеров показывает, что на современном этапе практически все области человеческой деятельности не мыслимы без использования мембранных процессов. 
 

 

2. Разработка аппаратурно-технологической схемы установки 

2.1. Описание установки

Рис. 2.1. Технологическая  схема установки для концентрирования растворов с применением обратного осмоса:

1-емкость для  исходного раствора; 2-насос низкого  давления; 3-фильтр; 4-насос высокого  давления; 5-аппараты обратного осмоса; 6-емкость для концентрированного раствора. 

2.2. Принцип действия установки

     Технологическая схема установки представлена на рис. 2.1. Исходный раствор неорганической соли из емкости 1 подается насосом 2 на песочный фильтр 3, где очищается от взвесей твердых частиц. Далее раствор насосом высокого давления 4 подается в аппараты обратного осмоса 5, где его концентрация повышается в несколько раз. Концентрат подается в емкость 6. Пермеат из аппаратов обратного осмоса возвращается для использования на производстве либо сбрасывается в канализацию, в зависимости от его качества. (В схеме может быть предусмотрена система вентилей для отключения мембранных аппаратов, вышедших из строя, и их замены без прекращения работы установки.)

 

3. Расчетная часть 

3.1.Степень концентрирования на ступени обратного осмоса

     В аппаратах обратного осмоса раствор концентрируется от начальной концентрации % (масс.) до конечной % (масс.). Степень концентрирования  

3.2. Выбор рабочей температуры и перепада давления через мембрану

     Обратный осмос целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20-25 ).

     Практика  применения обратного осмоса показывает, что в условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для  полимерных плоских мембран составляет 5-6 МПа, а для мембран в виде полых волокон – 2-3 МПа.

     Выбираем  , МПа 

3.3. Выбор мембраны

     При работе в нейтральных растворах  наибольшее распространение получили ацетатцеллюлозные мембраны, которые  характеризуются хорошими разделительными свойствами, но не являются химически стойкими в щелочных и сильнокислых средах (рабочий диапазон 3<pH<8). Поскольку растворы укладываются в этот диапазон, последующий выбор проводим из ацетатцеллюлозных мембран.

      Ниже  представлены характеристики ацетатцеллюлозных  мембран для обратного осмоса: 

 

     Истинную  селективность мембран по отношению  к сильным электролитам можно  рассчитать по формуле:

,

где и - константы для данной мембраны при определенных давлении и температуре;

- среднее геометрическое значение  теплот гидратации ионов, образующих  соль;

- валентность иона с меньшей  теплотой гидратации.

     Значения  теплот гидратации ионов, необходимые для расчета, приведены в Приложении 3.2.

     Для рассматриваемого случая кДж/моль, кДж/моль, . Тогда

кДж/моль.

     Рассчитаем  истинную селективность для мембраны МГА-100:

     Аналогичным образом определим истинную селективность  для остальных мембран.

     Получим: