Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
ко большие потоки или высокие проницаемости обычно сопряжены с низкими селективностями, поэтому, прежде чем перейти к обсуждению использования газоразделительных мембран, проведем классификацию материалов по их проницаемости (на высоко- и низкопроницаемые):
- Если не требуется высокая селективность, можно использовать высокопроницаемые материалы, например, при получении обогащенного кислородом воздуха для медицинских применений, процессов горения, получения стерильного воздуха для аэробных процессов ферментации. Другое использование — это отделение органических паров от неконденсирующихся газов, таких, как азот (воздух!), когда высоких селективностей можно достичь и при применении высокопроницаемых материалов. Проницаемость любого высокоэластического материала для азота значительно ниже, чем для любых органических паров, что и определяет возможность выбора в таких случаях высокопроницаемого высокоэластического материала.
- Если требуется обеспечить высокую селективность, то нужно использовать низкопроницаемые материалы на основе стеклообразных полимеров. Практическое использование требует нахождения баланса между проницаемостью и селективностью. Для этой группы можно привести множество примеров:
• С02/СН4
Задача разделения этих газов возникает во многих технологических процессах: очистка метана, образующегося при переработке отходов в хранилищах, выделение метана из природных газов, а также извлечение СО2 в процессах повышения нефтеотдачи.
• Н2 или Не в смеси с другими газами
Водород и гелий имеют относительно малые по сравнению с другими газами размеры молекул и обнаруживают высокие факторы разделения в случае стеклообразных полимеров. Разделение применяют при извлечении Н2 из отходящих газов синтеза аммиака, нефтеперерабатывающих установок и синтеза метанола.
• H2S/CH4
Кроме СО2 природный газ может содержать значительное количество H2S. Этот газ чрезвычайно токсичен, вызывает коррозию, и поэтому его концентрация должна быть снижена до < 0,2%*.
*Эта исключительно важная с технологической и экологической точки зрения проблема пока не нашла технического решения. Ее значение особенно велико для России в связи с наличием природных газов астраханских месторождений, богатых серой. — Прим. ред.
• O2/N2 Задача разделения в этом случае может диктоваться либо необходимостью получения воздуха, обогащенного кислородом, либо воздуха, обогащенного азотом. Обогащенный азотом воздух (95-99,9%) используется как инертный газ для хранения топлив в резервуарах*.
• Н2О в газовых смесях Все случаи осушки газов.
• SO2 из дымовых газов
Экологически важное обессеривание дымовых газов.
VI.4-2.6. Газоразделение (параметры и применения)
Мембраны Композиционные или асимметричные с
верхним слоем из эластомера или стеклообразного полимера Толщина От 0,1 до нескольких мкм (верхний слой)
Размер пор Непористые (или с порами < 1 мкм)
Движущая сила Давление над мембраной до 100 бар или
вакуум после мембраны Принцип разделения Механизм растворения — диффузии (непористые мембраны)
Кнудсеновский поток (пористые мембраны) Эластомеры:
полидиметилеилоксан; полиметилпентен Стеклообразные полимеры: полиимиды, полисульфон Извлечение Н2 или Не СН4/СО2, H2S (разделение)
O2/N2 (разделение)
Удаление Н2О (осушка)
Отделение оранических паров от воздуха
* Проблема получения технического азота из воздуха является совершенно специфической. Воздух — единственный вид газообразного сырья, которое не нужно экономить. Обычно при разработке процесса стремятся поддерживать разумный баланс между чистотой продуктов (пермеата и ретентата) и степенью извлечения. При разделении воздуха оказывается экономически оправданным получение обогащенного кислородом воздуха в виде пермеата и в качестве ретентата технического азота при очень малых степенях извлечения. Подробнее об этом см. гл. VIII. — Прим. ред.
Материалы для мембран
Применение
VI.4.3. Первапорация
Первапорация — это процесс, в котором жидкость при атмосферном давлении контактирует с входной поверхностью мембраны, а на противоположной стороне мембраны пермеат удаляется в виде паров с низким парциальным давлением. Низкое парциальное давление пара достигается либо путем использования газа-носителя, либо вакуумного насоса. Парциальное давление со стороны пермеата должно быть заметно ниже давления насыщенного пара. Схема процесса первапо-рации показана на рис. VI-19.
Существенно, что процесс включает три последовательныестадии:
- селективная сорбция на входной поверхности мембраны;
- селективная диффузия через мембрану;
- десорбция в парообразную фазу на выходной поверхности.
В сложном процессе, каким является первапорация, происходит тепло- и массоперенос. Мембрана действует как барьер между двумя фазами — жидкостью и паром, причем считается, что фазовый переход происходит на всем протяжении от входа в мембрану до образования пермеата. Это подразумевает, что необходимо подводить тепло, по крайней мере достаточное для испарения. Из-за сосуществования жидкости и пара первапорацию часто относят к своеобразному экстрактивно-дистилляционному процессу, в котором мембрана выполняет роль третьего компонента. В то же время в основе принципа разделения с помощью дистилляции лежит равновесие пар — жидкость, тогда как разделение при первапорации основано на различиях коэффициентов растворимости и диффузии. Равновесие пар — жидкость непосредственно влияет на движущую силу процесса, а вследствие этого и на характеристики разделения. На рис. VI-20 пред-
