Процесс первапорации и его аппаратурное оформление при разделении многокомпонентных смесей

• Автор: Горбенко, Ольга Олеговна
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 166 с. : ил

Введение.

1. Литературный обзор

1.1 Применение процесса первапорации и его особенности.

1.2 Физикохимические основы процесса и его модели

1.3 Факторы, влияющие на процесс первапорации.

1.4 Типы мембран и требования к ним

1.5 Тилы 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. Разделение трехкомпонентных систем.
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. Анализ результатов.
4.1 Разделение бинарных смесей
4.2 Разделение трехкомпонентных смесей.
4.3 Основные выводы
5. Расчет спирального мембранного аппарата для разделения
водноспиртовых смесей
5.1 Краткая характеристика мембранных аппаратов1
5.2 Технологические особенности первапорации.
5.3 Спиральный мембранный аппарат
5.4 Цель и особенности расчета спирального мембранного аппарата.
5.5 Условные обозначения.
5.6 Расчет геометрии спирального мембранного аппарата
5.7 Тепловой расчет аппарата
5.8 Расчет гидравлических сопротивлений.
5.9 Расчет расхода газаносителя
5. Алгоритм расчета.
Основные выводы и результаты работы.
Библиографический список
Приложение I .Экспериментальные данные.
Приложение 2. Методика определения концентраций компонентов по плотности и коэффициенту преломления для трехкомпонентной смеси.
Приложение 3. Расчет коэффициентов для бинарной смеси
Приложение 4. Построение графиков в симплексной системе координат.
Приложение 5. Программа расчета мембранного спирального аппарата
ВВЕДЕНИЕ
Развитие химической нефтехимической и других отраслей промышленности повышает роль процессов разделения различных жидких смесей в существующих и новых производствах. Поэтому возникает необходимость внедрения эффективных, экономичных и экологически чистых способов разделения смесей. В производствах основного органического синтеза часто возникает необходимость разделения близкокипящих азеотропных или не термостойких смесей. Использование таких традиционных методов как экстракционная и азеотропная ректификация требует громоздкого, экологически опасного оборудования, стоимость которого составляет до от затрат всего производства 1,2.
Решением этих проблем является широкое внедрение современных мембранных технологий, среди которых выделяют метод испарения через мембрану или первапорацию. Он известен с начала XX века 3, но практическое применение в промышленности нашл лишь в х годах благодаря созданию высокоэффективных полимерных мембран.
В настоящее время первапорация 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 1,5,6,.
В отличие от ультрафильтрации, обратного осмоса, диализа и других мембранных методов первапорация позволяет эффективно разделять вещества с близкими химическими свойствами. Использование непористых мембран снимает проблему их периодической промывки, упрощает технологический процесс.
Актуальность


В то же время удельная производительность и фактор разделения а являются параметрами, сильно зависящими от давления со стороны паровой фазы. Парообразный пермеот
Испарение через мембрану состоит из нескольких стадий перенос вещества из ядра потока исходной смеси к поверхности мембраны, сорбция компонентов мембранной поверхностью растворение в мембране, диффузия через селективную мембрану, перенос вещества через пористую подложку мембраны если она есть, перенос легкопроникающего компонента в ядро потока пермеата 3,. ЯНДН Сп ДО, 1. А величина охлаждения жидкости у поверхности мембраны. ХЛУВ Хд 1 Уд
х 1. X и У массовые доли компонентов в исходной жидкой смеси и паровой фазе. Для оценки коэффициентов величины взаимодействия между отдельными компонентами исходной смеси и молекулами мембраны используют безразмерный коэффициент девиации 0. Знаменатель в уравнении 1. В такой смеси индивидуальный диффузионный поток пропорционален только концентрации рассматриваемого вещества. Таким образом, чем больше значение 0 отлично от 1, тем больше величина взаимодействия. В зависимости от структуры мембраны и свойств полимера различают несколько механизмов разделения капиллярный, диффузионный и механизм осциллирующей проницаемости. Она характерна для многих капиллярных пленок . Предполагают, что растворитель проходит через мембрану по сквозным порам и изза возникающих поверхностных явлений не может удержать и пронести в себе растворенное вещество. В начале процесса по действием перепада давления жидкость начинает медленно просачиваться сквозь поры мембраны как при ультрафильтрации. Позже, изза образования менисков, появляется добавочная движущая сила капиллярное давление, и резко возрастает производительность. От мениска жидкость тонкой пленкой растекается по поверхности мембраны и испаряется. Механизм осциллирующей проницаемости справедлив для полимеров, подверженных обратимой структурной реорганизации, вызванной периодическим появлением и исчезновением субмикропор в мембране. Предполагается, ч то при снижении поверхностного натяжения ниже критической величины, внутреннее напряжение может превысить локальную прочность материала мембраны, что приведет к образованию микропоры. Отсюда возникают различные колебания в проницаемости и селективности. Подобные эффекты зарегистрированы при испарении поверхностноактивных веществ. Такой подход применим к гомогенным мембранам и отличается значительной сложностью математического описания, т. В общем случае количество диффундирующих через мембрану веществ описывается законами Фика. Эти уравнения предполагают пропорциональную зависимость скорости переноса вещества от градиента концентраций, коэффициентом пропорциональности служит коэффициент диффузии О, , который является постоянной величиной. Однако, на практике этот коэффициент оказывается переменной величиной О, О С, С2,С, т. Например, водонепроницаемая гидрофобная пленка начинает пропускать воду при добавлении в нее растворителя 3. Исследования разделения бинарных смесей на различных мебранах и в различных диапазонах концентраций показали снижение производительности на , ошибка теоретических расчетов превышала . Для жидких бинарных и многокомпонентных смесей эти отклонения еще значительнее изза большей величины межкомпонентного взаимодействия . До последнего времени исследования были направлены, в основном, на разработку и оптимизацию мембранных материалов. Очень мало известно о закономерностях массопереноса при испарении через мембрану, позволяющих рассчитывать селективность и поток пермеата при различных рабочих параметрах. Предпринимались попытки проанализировать испарение через мембрану различных бинарных смесей систем АВ на основе данных для отдельных компонентов А и В и предсказать индивидуальные потоки А и в для смеси АВ. Для этого, например, предлагали измерять степень набухания мембранного материала в бинарных смесях различного состава или руководствоваться параметрами растворимости , характеризующими термодинамические свойства тройной системы мембрана бинарная смесь АВ .