Массообмен при разделении многокомпонентных смесей первапорацией

• Автор: Беляев, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Введение

1. Литературн ы й обзор

1.1 Применение испарения через мембрану.

1.2 Особенности первапорации.

1.3 Физикохимические основы процесса и его модели.

1.4 Первапорационные мембраны

1.5 Типы мембранных модулей

1.6 Основные выводы и постановка задачи исследования.

2. Экспериментальная часть.

2.1 Лабораторная установка.

2.2 Методика проведения эксперимента.

2.2.1 Приборы и материалы.
2.2.2 Свойства применяемых мембран и рабочих смесей.
2.2.3 Подготовка мембраны.
2.2 4 Подготовка установки
2.2.5 Методика снятия показаний.
2.3 Обработка экспериментальных данных.
3. Математическое описание процессов.
3.1 Разделение бинарных смесей.
3.1.1 Требования к модели.
3.1.2 Моделирование процесса
3.2 Математическое описание процесса разделения тройных смесей.
3.2.1 Моделирование процесса
3.3 Проверка адекватности и расчт погрешностей
3.3.1 Оценка точности прямых измерений
3.3.2 Оценка точности косвенных измерений.
3.3.3 Общая оценка точности анализа данных
4.Обсуждение результатов.
4 .1 Разделение бинарных смесей
4.2 Разделение трхкомпонентных смесей
4.3 Основные выводы.
5. Расчт мембранного аппарата.
5.1 Краткая характеристика мембранных модулей.
5.2 Технологические особенности первапорации
5.3 Спиральный мембранный аппарат.
5.4 Цель и особенности расчта мембранного аппарата.
5.5 Условные обозначения
5.6 Рассчет геометрии спирального мембранного аппарата
5.6.1 Основные геометрические соотношения.
5.6.2 Уравнение материального баланса.
5.6.3 Определение начальной ширины спиральной камеры для входа рабочей смеси
5.7 Тепловой расчт аппарата
5.8 Расчт гидравлических сопротивлений.
5 .9 Расчт расхода газаносителя.
5. Алгоритм расчта.
Основные выводы и результаты работы.
Приложение 1 .Экспериментальные данные
Приложение 2. Коэффициенты полиномов .
Приложение 3.Расчет коэффициентов полинома
Приложение 4.Расчет спирального аппарата
Библиографический список
ВВЕДЕНИЕ
Методы разделения жидких смесей и получения чистых веществ, занимают значительное место в химической, пищевой и фармацевтической промышленностях. За последние лет наряду с традиционными методами разделения, такими, как ректификация, дистилляция, сорбция и др. стали широко исследоваться и применяться методы разделения смесей при помощи полупроницаемых мембран. Помимо мембранной дистилляции, диализа и электродиализа, среди них особое место занимает ещ недостаточно изученный процесс диффузионного испарения через мембрану первапорация.
Основным достоинством этого процесса, вызывающий к нему большой интерес ученых, является возможность с его помощью разделять близкокипящие и азеотропные смеси, которые затруднительно или невозможно разделить традиционными методами.
В настоящее время иервапорация применяется для разделения водноспиртовых смесей дегидратация спирта, смещение равновесия химической реакции через отвод компонентов, фракционирования углеводородов в нефтепереработке, в пищевой промышленности, для опреснения воды, очистки сточных вод 1,2.
. Использование беспористых мембран снимает проблему их периодической промывки, упрощает технологический процесс.
Актуальность


О лм3 час сквозь мембрану значительно меньше в сравнении с теми процессами, где применяют пористые мембраны. Вследствие этого первапорация используется, в основном, для удаления малых количеств одного из компонентов жидкой смеси. I, . Теоретически, ее можно использовать для разделения любых типов жидких смесей в любом концентрационном диапазоне. Она находит применение для дегидратации органических жидкостей например, этанола, уксусной кислоты и др. Применяется для разделения смесей ароматических и алифатических жидких углеводородов циклогексанбензол, гексантолуол, смесей насыщенных и ненасыщенных углеводородов бутанбутеи, смесей полярных и неполярных жидкостей, таких как смеси спиртов с ароматическими например, метанолтолуол и алифатическими этанолгексан соединениями, а также для разделения изомерных ароматических углеводородов оксилол, . Особенности первапорации. Первапорация это процесс мембранного разделения жидких смесей, в котором исходный раствор контактирует с входной поверхностью мембраны, а на противоположенной стороне удаляется пермеат в виде паров с низким парциальным давлением рис. При этом вещество, пропущенное мембраной, называется пермеатом, не пропущенное рстантом, а извлекаемый компонент пенетрантом. Низкое парциальное давление достигается либо путем вакуумирования ячейки со стороны пермсата, либо использованием газаносителя, и должно быть ниже давления насыщения 1. Селективный слой мембраны может менять равновесие паржидкость . Поэтому первапорацию часто относят к процессу экстрактивной дистилляции, где мембрана играет роль третьего компонента. Однако разделение в иервапорационном процессе основано не на равновесии паржидкость, как в дистилляции, а на различиях коэффициентов растворения и диффузии компонентов смеси. Здесь равновесие паржидкость непосредственно влияет на движущую силу процесса и, как следствие, на характеристики разделения 1. Д движущая сила процесса. Рис. Схема мембранного модуля. ДжмольК. Как следует из уравнения 1. Рис. Схема процесса первапорации при вакуумировании ячейки со стороны пермеата 1 мембранный модуль, 2 полупроницаемая мембрана 3 сосуд Дьюара с охлаждающим агентом 4 вакуумнасос. Рис. При этом, для эффективного удаления пермеата, давление пара пермеата должно быть меньше давления насыщения, что достигается путем вакуумирования мембранной ячейки со стороны пермеата и последующей конденсации паров при температуре жидкого азота в сосуде Дьюара рис. И.Р. Быков и Ю. И.Дытнерский провели в лабораторных условиях сравнение схемы организации процесса с испарением пермеата в вакуум и в поток воздуха . Ими использовался проточный плоскокамерный мембранный модуль, смесь изопропанол вода околоазеотропного состава и гидрофильные мембраны Российского производства МГ1. С увеличением массовой доли воды от 0, до 0,2 трансмембранный поток возрастал от 0, до 3,0 кгм2час. Содержание изопропанола в пермеате при этом изменялось от 0, до 0,8 кгкг смеси. Полученные данные были использованы для расчета и сравнения двух промышленных установок периодического концентрирования 1,5 т в сутки исходной смеси изопропанолвода от до ,0 масс испарением через мембрану в вакуум и в поток воздуха. Сравнительный анализ двух вариантов показал, что недостатком схемы с газом носителем является на увеличенное потребление тепловой энергии. Потребление тепловой энергии, кВт. Изменяется от ,0 в начале процесса до 2,0 в момент окончания процесса. Наличие фазового перехода при переносе вещества сквозь мембрану. Поэтому для поддержания значения движущей силы на заданном уровне, требуется подвод тепла, как минимум равный теплоте испарения пермеата. В этой связи представляется целесообразным, в целях сокращения энергозатрат, применять процесс для извлечения малых количеств одного из компонентов смеси. Применение диффузионных мембран, в которых массопередача осуществляется за счет молекулярной диффузии, а скорость переноса пропорциональна коэффициенту диффузии, который зависит, в основном от физической структуры проницающих компонентов размер, форма молекулы и менее зависим от их физических свойств.