Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Некоторые полуэмпирические соотношения для коэффициентов массопереноса в трубках и каналах приведены в табл. VII-1.
Коэффициенты диффузии задерживаемых в процессах микрофильтрации или ультрафильтрации макромолекул или суспендированных частиц малы по сравнению с коэффициентами диффузии, которыми обладают «задерживаемые» компоненты в процессе обрат-
Табли ца VI I-1. Коэффициенты массопереноса в различных режимах потока
Конфи Ламинарный Турбулентный
гурация режим режим
Трубка Sh = * • dн/D = l,62(Re • Sc • dh/I)0’33 Sh = 0,04Reo’75Sc°’33
Канал Sh = l,85(Re • Sc • dh/?)0-33 Sh = 0,04Re°’75Sc0’33
ного осмоса, газоразделения и первапорации. Кроме того, потоки при микрофильтрации и ультрафильтрации относительно велики по сравнению с потоками, имеющими место при газоразделении и первапорации. Таким образом, концентрационная поляризация в процессах ультрафильтрации и микрофильтрации весьма сильно осложняет ситуацию, снижая потоки через мембрану. Следствия забивания мембран будут более детально обсуждены ниже.
Можно ли все-таки уменьшить проявление концентрационной поляризации? В принципе этого можно достичь двумя путями: регулируя величины потока J и коэффициента массопереноса к. Параметр к в основном определяется коэффициентом диффузии и скоростью потока. Так как коэффициент диффузии растворенных компонентов нельзя увеличить, если, конечно, не повышать температуру, к можно увеличить только за счет увеличения скорости движения раствора вдоль мембраны на входе в нее либо за счет изменения формы и размеров модуля, снижая длину модуля или увеличивая его гидродинамический диаметр. В этих обстоятельствах скорость потока, направленного перпендикулярно потоку через мембрану (так называемого поперечного потока, cross-flow) становится очень важной переменной. Как правило, реализуются две различные картины течения: ламинарный или турбулентный поток. Профили скоростей, присущих каждому из этих потоков в трубе, приведены на рис. VII-5. Для установившегося ламинарного течения характерен параболический концентрационный профиль по всему сечению, тогда как при турбулентном течении скорость постоянна практически по всему сечению и только в пограничном слое вблизи стенок скорость течения понижена.
Тип течения — турбулентность или ламинарность — определяется числом Рейнольдса, Re. Переход от ламинарного к турбулентному течению в случае невозмущенного течения в прямой трубе происходит при числе Рейнольдса, равном примерно 2000. Но кроме увеличения скорости течения для обеспечения массопереноса можно использовать другие пути, например применять промоторы турбулентности, разрушать пограничные слои (для этой цели полезно использовать рифленые мембраны) или осуществлять пульсирующее течение. К
h --->
X у --->
.......У
Ламинарный Турбулентный
поток поток
Рис. VII-5. Профили скоростей в трубе при развитых ламинарном и турбулентном режимах течения.
Таблица VI1-2. Влияние концентрационной поляризации
Процесс Влияние Причины
Обратный осмос Умеренное Большие к
Ультрафильтрация Сильное Малые к/большие J
Микрофильтрация Сильное Малые fc/большие J
Г азоразделение (Очень) слабое Большие к/малые J
Первапорация Слабое Большие к/малые J
Электродиализ Сильное ---
Диализ Слабое Малые J
уменьшению концентрационной поляризации обычно приводит и увеличение температуры раствора на входе в мембрану, что связано с увеличением коэффициента массопереноса к и определяется увеличением коэффициента диффузии задерживаемого компонента из-за снижения вязкости раствора, подающегося на мембрану. Однако увеличение температуры на входе в мембрану вызывает также увеличение потока, что может оказывать неблагоприятное влияние на массо-перенос. В табл. VII-2 суммированы причины и следствия концентрационной поляризации, сопутствующей различным мембранным процессам.
Особенно сильно эффекты концентрационной поляризации проявляются при микрофильтрации и ультрафильтрации, поскольку в обоих процессах потоки (J) большие, а коэффициенты массопереноса (к = D/6) малы, так как коэффициенты диффузии растворенных высокомолекулярных компонентов и частиц дисперсной фазы в коллоидных системах, включая эмульсии, малы. Например, коэффициенты диффузии макромолекул составляют 10~lo-10~n м2/с или меньше. В меньшей степени концентрационная поляризация сказывается на процессах обратного осмоса, поскольку в них и потоки не так велики и коэффициенты массопереноса выше. По грубым оценкам коэффици-
енты диффузии растворенных низкомолекулярных компонентов равны 10“9 м2/с. При газоразделении и первапорации эффект концентрационной поляризации невелик или пренебрежимо мал. При газоразделении величина потока мала, а значения коэффициента массопереноса достаточно высоки, так как обычно коэффициенты диффузии молекул в газе составляют 10~4 — 10~"5м2/с. При первапорации поток также мал, однако коэффициенты массопереноса ниже, чем при газоразделении, поэтому концентрационная поляризация становится в этом процессе более вероятной. Но особенно серьезные последствия концентрационной поляризации могут наблюдаться при очень низких концентрациях селективно проникающего компонента на входе в мембрану очень высокой селективности. Этому случаю соответствует удаление из водного раствора летучих органических компонентов, например трихлорэтилена. При диализе концентрационная поляризация не всегда осложняет процесс диализа, что связано с небольшими, меньшими, чем при обратном осмосе, потоками, развивающимися в системе, при совпадении в обоих (диализ и обратный осмос) процессах коэффициентов массопереноса растворенных низкомолекулярных компонентов. В то же время эффекты концентрационной поляризации могут оказаться весьма значительными при электродиализе.
