Установка мембранная обратноосмотическая

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО  «Уральский государственный технический

Университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра процессов и аппаратов химической технологии 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект

по дисциплине «Процессы и аппараты химической технологии»

на тему:

«Установка  мембранная обратноосмотическая» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Руководитель                                                                                                         В.А.Тимкин

    к.т.н., доцент  

    Студент                                                                                                                  П.А. Алимпиев

    гр. Х-46051 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Екатеринбург 

2009

Содержание

Введение            4

1. Современное состояние мембранных процессов
1. Общая характеристика мембранных систем     5
2. Классификация мембран и мембранных процессов    5
3. Наиболее распространенные процессы мембранного разделения  6
4. Применение процессов мембранного разделения           10
2. Разработка аппаратурно-технологической схемы установки
1. Описание установки                13
2. Принцип действия установки              13
3. Расчетная часть 
   3.1.Степень концентрирования на ступени обратного осмоса          14 
   3.2.Выбор рабочей температуры и перепада давления через мембрану     14 
   3.3.Выбор мембраны                14 
   3.4.Приближенный расчет поверхности мембраны           16 
   3.5.Выбор аппарата и определение его основных характеристик         17 
   3.6.Секционирование аппаратов в установке            18 
   3.7.Расчет наблюдаемой селективности мембран            19 
   3.8.Уточненный расчет поверхности мембран            21 
   3.9. Расчет гидравлического сопротивления             22

Выводы                           24

Приложения                  25

Список литературы                 26

Введение 

1. Современное состояние мембранных процессов

1.1. Общая характеристика мембранных систем

     Мембранные  системы относятся к неравновесным  прерывным термодинамическим системам, состоящим в простейшем случае из двух однородных (гомогенных) подсистем, интенсивность взаимодействия между которыми регулирует некоторое устройство, называемое мембраной. Обычно мембраной называют используемый в процессах разделения вентиль малой толщины по сравнению с его остальными характерными геометрическими размерами. Мембранные системы являются прерывными потому, что каждая из подсистем находится во внутреннем термодинамическом равновесии, но при переходе через мембрану, которую можно рассматривать как третью подсистему, интенсивные свойства изменяются скачком. Это означает, что трансмембранные потоки, приводящие к выравниванию интенсивных свойств, малы по сравнению с аналогичными потоками внутри каждой отдельной гомогенной части системы.

       Широкое внедрение мембранных  процессов в практику стало  возможно благодаря развитию  науки о полимерах, использованию синтетических полимерных мембран, совершенствованию технологии и способов их модификации, выяснению основных закономерностей взаимосвязи структурных характеристик и условий эксплуатации со свойствами, определяющими трансмембранный перенос. 

1.2. Классификация мембран и мембранных процессов

     Мембранные процессы подразделяются на:

1. баромембранные,
2. концентрационномембранные (обычно их называют диффузионными или диффузионномембранными),
3. термомембранные,
4. электромембранные.

     При одновременном действии нескольких сил процессы могут быть, например, электробаромембранными (электроосмотическими) и др.

Различная природа  движущих сил, а также многообразие состояний мембраны и появляющаяся вследствие этого специфика массопереноса  порождают большое число конкретных мембранных процессов, классифицировать которые с единых позиций практически невозможно.  Более содержательная картина получается при использовании многоступенчатых схем, которые дополняют друг друга. Например, по природе мембран их можно подразделить на биологические (нативные, живые), мембраны, состоящие из модифицированных или регенерированных природных веществ, и на синтетические мембраны органического или неорганического происхождения.

     Мембраны  могут находиться в любом агрегатном состоянии.

     В качестве материала мембраны широко используют жидкости в виде моно- или полимолекулярных пленок, полимерные пленки, стекло, металлы, керамику. Сравнительно мало известны широкому кругу специалистов газовые мембраны.

     Структурная форма твердых мембранных материалов весьма разнообразна. Мембраны делятся на пористые, сплошные, слоистые, гетерогенные, динамические. В свою очередь пористые мембраны могут быть макропористыми, которые используются в качестве неселективных подложек, микропористыми – к ним относятся стекла, керамика, жесткоцепные полимеры и мембраны с флуктуирующими (мерцающими) порами, что характерно для гибкоцепных полимеров. Сплошные мембранные материалы представлены полимерами, металлами, сплавами. Слоистые или асимметричные мембраны имеют тонкий селективный (активный) слой, нанесенный на макропористую подложку. Гетерогенные мембраны – это мембраны с наполнителем, улучшающим их транспортные характеристики, с замкнутыми порами, с дисперсиями блок-сополимеров.

     В динамических мембранах активный слой представляет собой гель, который формируется в процессе работы в результате химической реакции при добавлении растворов электролитов и который находится в динамическом равновесии с раствором. Обычно гель (гидроксиды алюминия, циркония, железа и др.) осаждают на пористых подложках из металлокерамики, графита, полимеров.

     Современные мембраны, разработанные ведущими фирмами  для промышленного использования, представляют собой конструкции  из нескольких слоев различных материалов. Например, известны мембраны для процесса первапорации (см. далее), состоящие из селективного непористого полимерного слоя толщиной 0,05 мкм, помещенного на ультрафильтр с открытой пористостью асимметричного строения (диаметр пор увеличивается по мере удаления от селективного слоя) толщиной 100 мкм, и все это для придания механической прочности нанесено на нетканое или тканное полотно из полимерных нитей. 

1.3. Наиболее распространенные процессы мембранного разделения

     Из  баромембранных процессов наиболее распространены: газовая эффузия, микро-, ультра- и нанофильтрация и обратный осмос. Эти процессы применяют для газо- и жидкофазного разделения на пористых мембранах.

     Газовая эффузия – течение газа через пористую перегородку под действием разности давлений. Эффузия в условиях вакуума называется кнудсеновским течением или молекулярной эффузией. Понятие вакуума, как известно, относительное. Вакуум представляет собой такое разрежение газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул больше размера содержащего газ сосуда. Поэтому, чем меньше размеры сосуда, в котором находится газ, тем при больших давлениях в нем создаются условия вакуума. Так, для газа, находящегося в пористых средах с размерами пор 10²-10³ нм, атмосферное давление является вакуумом. Скорость преодоления молекулами пористой перегородки зависит от скорости их движения, а более легкие молекулы всегда обладают большей скоростью, что и приводит к разделению.

Если условие  вакуума нарушено, то есть молекулы могут сталкиваться не только со стенкой, но и друг с другом, то такое течение называется пуазейлевским или вязкостным. В реальных мембранах, имеющих определенное распределение пор по размерам, как правило, реализуются оба типа течения.

     Микрофильтрацию применяют для отделения растворителя от коллоидных или взвешенных микрочастиц размерами 0,1-10 мкм.

     Ультрафильтрацию используют для разделения растворов, в которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя. Обычно при ультрафильтрации коллоидные и высокомолекулярные вещества отделяются от низкомолекулярных.

     Нанофильтрацию или низконапорный обратный осмос применяют для задержки частиц с размерами порядка нанометра.

     Обратный  осмос – баромембранный процесс разделения истинных растворов. Движущая сила процесса J_P ~ (P – DП) > 0,

где P – давление над исходным раствором, DП = П₁ – П₂ – разность между осмотическими давлениями исходного раствора и фильтрата. Для полупроницаемых мембран П₂ = 0, так как в фильтрате отсутствуют растворенные вещества. Если P = DП, то потоки растворителя слева и справа через мембрану одинаковы, и два раствора различной концентрации, разделенные мембраной, находятся в равновесии. При P < DП растворитель преимущественно переходит в более концентрированный раствор. Это явление называется осмосом.

     Важнейшим параметром, влияющим на производительность баромембранных процессов, является рабочее давление. В микрофильтрации оно составляет 0,03-0,1 МПа, в ультрафильтрации – 0,3-1 МПа, в нанофильтрации – 1-3 МПа, в обратном осмосе – 3-10 МПа.

     Размер  частиц, проникновение которых через мембрану необходимо предотвратить, тесно связан с размером пор. В микрофильтрационных мембранах он более 50 нм, в ультра- и нанофильтрационных – 5-50 нм, в обратноосмотических – 3-5 нм. Но не только средний размер пор определяет селективность. Высокую селективность при увеличении размера пор можно сохранить за счет придания мембране электрического заряда и увеличения ее гидрофильности. Следует отметить, что размер пор обратноосмотических мембран много больше размеров молекул и ионов. Следовательно, селективность обратного осмоса вообще не связана с ситовым эффектом. Ее причиной является изменение концентрации молекул и ионов под влиянием силового поля поверхности пор.

     Мощным  рычагом управления селективностью баромембранных методов является их сочетание с другими процессами. Например, электроосмофильтрация – обратный осмос в постоянном электрическом поле. Такой гибридный метод позволяет извлекать целевые вещества из многокомпонентных растворов, в том числе, из природных и сточных вод. Известен также метод КОУФ, сочетающий комплексообразование и ультрафильтрацию. В нем используется вспомогательное вещество, образующее комплексы с компонентом, который нужно извлечь. Комплексы легко отфильтровываются, а затем разрушаются, освобождая целевое вещество, и комплексообразователь используется вновь.

     Основными концентрационномембранными процессами являются диффузионное газоразделение, первапорация, диализ. Их используют для разделения газов и жидкостей с помощью непористых мембран из полимеров, стекол, металлических сплавов.

     Диффузионное  газоразделение – процесс селективного трансмембранного газопереноса под влиянием градиента концентрации разделяемых компонентов по толщине мембраны, который задают различные парциальные давления газа на противоположных сторонах мембраны. Для бинарной смеси в простейшем случае, когда сорбция равновесна и подчиняется закону Генри, коэффициент диффузии постоянен, десорбция происходит в вакуум и не лимитирует скорость процесса, коэффициент разделения равен отношению коэффициентов проницаемости a = Q₁ / Q₂, а сама величина Q_i представляет собой произведение коэффициента диффузии на коэффициент растворимости (константу Генри) Q_i = s_i ∙ D_i. Таким образом, эффект разделения определяется как термодинамическими (s), так и кинетическими (D) свойствами системы мембрана–газ.

     Коэффициенты  диффузии газов в полимерных мембранах различаются на 3-7 десятичных порядков. Область изменения коэффициентов растворимости значительно меньше. Значение коэффициента диффузии определяется, главным образом, свободным объемом в полимерах, а коэффициента растворимости – межмолекулярным взаимодействием. Они могут заметно измениться при наличии специфических взаимодействий полимер–диффузант, к которым относятся донорно-акцепторное взаимодействие, обратимое связывание в комплекс, образование водородных связей и т.д.

     Термин  “первапорация” образован из слов “проницание” и “испарение” (permeation + evaporation = pervaporation) и означает испарение жидкостей через мембрану. Процесс состоит в том, что на поверхности жидкости находится мембрана, а пермеат в виде пара отводится током инертного газа, либо конденсируется, попадая в охлаждаемую вакуумированную ловушку. В первапорации используют лиофильные непористые полимерные мембраны. Для них характерна анизотропия набухания, существенно нелинейный профиль концентрации, сильная концентрационная зависимость коэффициента диффузии, неравномерность развития релаксационных процессов по толщине мембраны. Наличие на поверхности жидкости полимерной мембраны полностью подавляет специфику испарения со свободной поверхности. Поэтому во многих случаях селективность разделения очень высокая, а пермеат может быть обогащен как более, так и менее летучим компонентом.

     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: