Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Первапорационное сырье, выходящее из блока дистилляции, не содержит примесей и не требует предварительной обработки. Схема первапорационной системы отличается от схем других мембранных процессов. Первапорация является единственным мембранным процессом, который сопровождается фазовым переходом. Теплота, необходимая для испарения, обеспечивается сырьевым потоком, что означает, что температура будет снижаться на пути от входа сырьевого потока до выхода из модуля потока ретентата. Как следствие, движущая сила будет снижаться, и поток, а также селективность будут уменьшаться. По этой причине систему разделяют на множество небольших ячеек с подогревом ретентата перед его входом в следующий
Рис. VIII-22. Схема интегрированного процесса очистки этанола, включающего дистилляцию и первапорацию.
модуль. Кроме того, весьма предпочтительно работать при повышенных температурах сырья, прежде всего из-за увеличения скорости массопереноса через мембрану. Скорость этого процесса подчиняется уравнению Аррениуса, так что поток примерно удваивается при повышении температуры на 10°С*. Другая особенность связана с тем, что в этих условиях конденсация может происходить при комнатной температуре, что позволяет использовать холодную воду (10 — 20°С) в качестве охлаждающего агента.
VIII. 11.5. Экономичность мембранных процессов
Вопрос об использовании мембранного или другого процесса разделения для решения конкретной задачи разделения смесей полностью основан на экономических соображениях. Какие факторы определяют экономику процесса? Из дальнейшего будет ясно, что на этот вопрос не существует определенного ответа. Действительно, рассчитываемые экономические показатели будут сильно варьировать в зависимости от конкретных условий для каждой задачи разделения, поэтому экономика рассмотрена здесь только в общих чертах.
Стоимость установки определяется двумя вкладами: капитальными вложениями и эксплуатационными расходами. Капитальные вложения, т. е. стоимость установки, можно разделить на три части — стоимость 1) мембранных модулей, 2) трубопроводов, насосов, электроники, емкостей и 3) блоков предварительной обработки и постобработки.
Для расчета стоимости в пересчете на литр, кубометр или килограмм продукта принимают, что амортизация оборудования, построенного на капиталовложения, происходит за определенный период, который часто принимают равным 10 годам. За это время необходимо выплатить проценты по капиталовложению. В противоположность этому эксплуатационные расходы подразделяются на 1) расход энергии, 2) замена мембран и 3) заработная плата персонала и т. д.
Читателей, более глубоко интересующихся экономикой мембранных процессов, мы отсылаем к многочисленным статьям и книгам, например [5].
* Подобная температурная зависимость соответствует энергиям активации проницаемости при первапорации в пределах 50-60 кДж/моль. Трудно поверить, что все мыслимые первапорационные процессы вне зависимости от природы пенетранта и мембраны протекают с одной и той же энергией активации. — Прим. ред.
VIII. 12. Параметры процесса
Показатели работы мембраны можно охарактеризовать ее производительностью и селективностью. Обычно состав сырья в лабораторных установках постоянен, что же касается работы модуля, ступени или мембранной системы в целом концентрация в разделяемом потоке разная на входе и выходе (в ретентате). В результате поток через мембрану и его локальный состав зависят от координаты вдоль мембраны в системе. Для проектирования мембранной системы'необходимо задаться параметрами процесса.
Ниже дано описание в общем виде. При этом следует отметить особенность баромембранных процессов — микрофильтрации, ультрафильтрации и обратного осмоса. В них сырье состоит из растворителя (обычно воды) и одного или нескольких растворенных веществ. Как правило, концентрация растворенных веществ невелика, и сепа-рационные характеристики мембраны всецело определяются растворенными веществами. В то же время при первапорации и газоразде-лении понятия «растворитель» и «растворенное вещество», пожалуй, теряют смысл, и их лучше избегать.
Рис. VIII-23 представляет схему мембранной системы с входным потоком, в которой сырье разделяется на два потока — ретентат и пермеат.
Сырьевой поток, входящий в систему, имеет концентрацию растворенного вещества с/ (кг/м3) и объемную скорость qj (м3/с). В случае первапорации и газоразделения концентрации компонентов обычно выражают в мольных долях. Растворенный компонент в той или иной мере удерживается мембраной, в то время как растворитель свободно проходит через мембрану. Таким образом, концентрация растворенного компонента увеличивается с координатой вдоль мембраны и достигает окончательной величины сг в ретентате, текущем со скоростью qr. Концентрация в пермеате равна ср, объемная скорость пермеата — qp.
Важной характеристикой мембранного процесса является доля
Сырье Сх 4f
cpJ Чр
Пермеат
Ретентат
~г С
сырьевого потока, прошедшего через мембрану (S)*:
S = qp/qj
