Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Апреля 2014 в 04:18, реферат
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.
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
СОДЕРЖАНИЕ
1. Мембранные процессы ..............................
1.1. Общие сведения ..............................
1.2. Мембранные процессы разделения и способы их организации .................4
1.3. Теоретические основы разделение
обратным осмосом и разделение ультрафильтрацией.............
1.4. Основные конструкции мембранных
ячеек ..............................
Список использованной литературы....................
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
∆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
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
3. Гельперин Н.И. Основные
процессы и аппараты
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
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-
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