МАШИНОСТРОЕНИЕ

АППАРАТЫ ДЛЯ МЕМБРАННОГО ИСПАРЕНИЯ И ГАЗОВОЙ ДИФФУЗИИ

Испарение через мембрану (первапора - ция) является одним из мембранных процессов разделения. При первапорации исходная жид­кая смесь контактирует с одной из сторон мем­браны, а пермеат в виде паров удаляется с про­тивоположной ее стороны. Парциальное дав­ление пара (пермеата) должно быть ниже дав­ления насыщенного пара, что практически реа­лизуется путем создания вакуума со стороны пермеата или путем продувки инертным газом или воздухом (рис. 5.5.27). Эффект разделения жидких смесей при первапорации является следствием изменения равновесия в системе пар - жидкость - мембрана. Селективные свой­ства мембраны основаны на различиях коэф­фициентов растворимости и диффузии прони­кающих компонентов. При первапорации на­ряду с массопереносом происходит теплопере - нос, т. е. необходимо подводить теплоту к ис­ходной смеси для поддержания испарения со стороны пермеата.

Массоперенос через мембрану в общем случае может быть описан с использованием механизма растворения-диффузии, который состоит из трех стадий: селективной сорбции исходной жидкой смеси в поверхностном слое мембраны, диффузии компонентов, испарения в газовый поток.

Поток пермеата J, индивидуального

Компонента І через мембрану может быть опи­сан первым законом Фика:

DC.

Jl=-Dl--------------------------- (5.5.10)

Dx

Где D{ - коэффициент диффузии; Cz - кон­центрация I-Ro компонента в мембране.

Заменяя дифференциалы разностями, уравнение (5.5.10) может быть записано в виде

J,=D,{C\-C')15. (5.5.11)

Где

C'^SiPiiC^SjP*, (5.5.12)

Где С' и С" - концентрации компонентов;

Р' и р" — давления паров по обе стороны

Мембраны толщиной 5; S, - коэффициент рас­творимости.

Используя соотношение (5.5.12), имеем

Ний, обусловленных взаимным влиянием пото­ков и термодинамических взаимодействий.

Взаимодействие потоков может быть уч­тено в рамках неравновесной термодинамики. Так, для бинарной исходной смеси индивиду­альные потоки компонентов определяются следующими уравнениями

2

Ні =-L

Dx

(5.5.13)

Где PJ=DJSJ - коэффициент проницаемости /-го компонента.

Коэффициент диффузии Dj и коэффици­ент растворимости S{ не являются константа­ми и сильно зависят от состава смеси

Р,=0,(С,,СУ)5((С,,СУ). (5.5.14)

Отсюда следует, что и коэффициент про­ницаемости (5.5.14) также сильно зависит от состава смеси.

При первапорации бинарных или много­компонентных жидких смесей характеристики разделения невозможно получить из данных для чистых жидкостей из-за наложения явле­d\i, d\i2

J2 -~L2\—----- L22

Ax Dx

Где Ly - феноменологические коэффициенты;

Jiz - химический потенциал.

Первое слагаемое в правой части уравне­ния (5.5.15) описывает поток /-го компонента под действием собственной движущей силы, второе слагаемое определяет поток /-го компо­нента, обусловленный присутствием у'-го ком­понента.

Мембраны для первапорации. Для пер­вапорации применяют непористые мембраны асимметричного или композиционного типа (табл. 5.5.2) [43].

В табл. 5.5.3 представлены результаты первапорации смеси этанол - вода (90 % эта­нола по массе) при температуре 70 °С с помо­щью гомогенных мембран толщиной 50 мкм [43].

Аппараты для первапорации. Основ­ные требования, предъявляемые к аппаратам для первапорации, следующие:

Низкое гидравлическое сопротивление (не больше потери давления со стороны пермеата);

Большая удельная площадь поверхности мембран.

В первапораторах используют, главным образом, плоскокамерные модули (рис. 5.5.28) или модули из полых волокон.

Особенностью метода первапорации яв­ляется наличие фазового перехода-испарения, который связан с активной теплоотдачей. Для поддержания требуемого температурного ре­жима процесса необходима компенсация теп­лоотдачи испарения путем внешнего тегілопод- вода. Как правило, в существующих установ­ках достаточно предварительного подогрева разделяемой смеси до рабочей температуры. Однако, такой метод накладывает ограничение на длину мембранного модуля: протекая вдоль мембран, смесь не должна остыть ниже допус­тимой температуры. Поэтому в установках с большой производительностью ставят парал­лельно несколько мелких мембранных модулей или организуют ступенчатый подогрев рабочей смеси после каждого цикла испарения.

Такие конструктивные решения тепло - подвода обладают рядом недостатков: высокая материалоемкость; ступенчатый подогрев тре­бует установки дополнительных теплообмен­ников, соединительных патрубков, приводит к возрастанию гидравлических и тепловых по­терь.

Указанные недостатки частично устране­ны в спиральном мембранном аппарате, пред­ставляющим собой два вертикальных спираль­ных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перего­родки. Торцы камер герметично закрывают торцовые крышки. Аппарат снабжен четырьмя штуцерами для ввода и вывода теплоносите­лей. два из которых установлены в центре тор­цовых крышек, а друтие - на наружной части корпуса. В одном из каналов вертикально рас­полагаются пучки мембран из полого волокна, открытые концы которых герметично закреп­лены в крышках.

Достоинства такой конструкции - боль­шая рабочая площадь поверхности, присущая мембранам из полого волокна, простота сборки и эксплуатации. Наличие одного канала тече­ния разделяемой жидкости снимает проблему распределения потока, что особенно важно для вязких сред. В аппарате реализуется полный противоточный равномерный теплообмен по всей поверхности, при этом можно работать при увеличенной скорости теплоносителей. Варьируя конструктивно-технологические па­раметры установки, можно добиться того, что­бы охлаждение смеси за счет испарения было полностью компенсировано теплообменом ме­жду камерами.

Использование в такой конструкции мем­бран разных типов, открытые концы которых выводятся в разные камеры, позволяет осуще­ствлять разделение многокомпонентных сме­сей с отводом пермеата разного состава в от­дельные сборники.

К недостатком такой конструкции отно­сятся более высокая сложность изготовления, увеличенные гидравлические потери в канале с мембранными элементами, повышенные тре­бования к предварительной очистке рабочей смеси от взвешенных частиц, способных ис­портить полые волокна.

Целью инженерного расчета спирального мембранного аппарата является:

Определение требуемой площади рабочей поверхности мембраны и геометрических раз­меров элементов аппарата, что предполагает нахождение сечений каналов и их длины (чис­ла витков спирали);

Расчет подачи и температуры горячего теплоносителя, которые обеспечат эффектив­ную компенсацию теплопотерь на испарение, т. е. равенство температуры разделяемой смеси по всей длине камеры;

Определение подачи газоносителя.