Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
Можно рассмотреть два варианта применения мембранного разделения воздуха — получение воздуха, обогащенного кислородом или азотом. Большая часть кислорода и азота производится сегодня с помощью криогенных методов, но мембранные процессы, а также короткоцикловая адсорбция являются перспективными альтернативными процессами, особенно при меньшем масштабе установок.
Главное применение обогащенного кислородом воздуха — его использование для интенсификации горения. Другие применения относятся к медицине и биотехнологии. Обогащенный азотом воздух используется в качестве инертного газа для хранения топлив и вообще горючих жидкостей. Другое применение — в качестве инертной атмосферы для хранения продуктов, склонных к окислению (фруктов, овощей и т. д.).
Выбор мембраны и особенности проектирования процесса различны для каждого из этих двух применений, как будет ясно из приведенных ниже примеров. Создание движущей силы для диффузии через мембрану может осуществляться путем подачи сырья под давлением или за счет создания вакуума после мембраны.
Дополнительную информацию о различных применениях ультрафильтрации читатель найдет в книге [5*]. — Прим. ред.
VIII.16.3.1. Получение обогащенного кислородом воздуха в одностадийном процессе
Получение кислородно-азотных смесей с содержанием кислорода 25-40% особенно важно для интенсификации процессов горения. Чтобы достичь такой концентрации в пермеате, необходимо выбрать мембрану на основе анализа проницаемости и селективности материалов. Другим важным аспектом проблемы является отношение давлений по обе стороны мембраны. Поскольку воздух как сырье не имеет стоимости, процесс можно осуществлять при минимальных степенях извлечения (или, другими словами, при неизменном составе потока газа над мембраной, х; = хг), используя вакуумный насос для откачки пермеата, как это показано на рис. VIII-30. При нулевой степени извлечения состав пермеата будет зависеть от идеального фак-
Рис. VIII-30. Схема мембранного получения обогащенного кислородом воздуха.
тора разделения Р(02)/P(N2) и от отношения давлений до и после мембраны pn/pt• Концентрации кислорода в пермеате приведены в табл. VIII-9 для отношения давлений, равного 5 (например, рь = 1 бар и pi = 0,2 бар).
Теперь рассчитаем поверхность мембраны и расход энергии, необходимые для получения потока 10 м3/ч, содержащего 30% кислорода. Для этой цели будет использована композиционная мембрана с рабочим слоем на основе полидиметилсилоксана толщиной 1 мкм. Поли-
Таблица VIII-9. Содержание кислорода в пермеате при различных факторах разделения а =
Р(02)!^(N2) и 5-кратном отношении давлений до и после мембраны
Воздух
Вентилятор
Вакуумный
насос
Воздух,
обогащенный
кислородом
о2
в пермеате,% 31 33 38 43 46 57
Концентрация кислорода в сырье Концентрация кислорода в пермеате Селективность
Производительность по пермеату Проницаемость по кислороду Толщина мембраны Давление до мембраны Давление после мембраны
х/ = 0,21 (мольные доли)
Хр = 0,3
C*(02/N2) = 2,2
qp = 10 м3/ч
Р(Ог) = 600 баррер
1 = 1 мкм
рн = 1 бар
pi = 0,2 бар
диметилсилоксан имеет коэффициент проницаемости по кислороду, равный 600 баррер, и селективность «(Ог/^) = 2,2. Предположим, что процесс протекает при постоянном составе сырья вдоль мембраны. Необходимые для расчета параметры собраны в табл. VIII-10. Из табл. VIII-10 следует, что выбранная мембрана способна произвести обогащенный кислородом воздух, содержащий 30% кислорода. Поскольку получается даже большее обогащение (концентрация в пермеате составляет 33%), можно снизить отношение давлений, несколько уменьшив расход энергии, или можно частично разбавить пермеат воздухом. Диаграмма потоков, входящих в модуль и покидающих его, приведена на рис. VIII-31. Расход кислорода можно рассчитать по уравнению VIII-35:
откуда следует, что необходимая поверхность мембраны составляет
Если толщина рабочего слоя мембраны снижается с 1 до 0,1 мкм, то поверхность мембраны можно сократить до 1,4 м2. Если использовать более селективную мембрану, но с меньшей проницаемостью, можно снизить отношение давлений или добавлять воздух для получения потока, содержащего 30% кислорода. Однако для систем с вакуумированием предпочтение следует отдавать материалам с высокой проницаемостью.
•ДОг) = [P(02)/e\\pn Xf -Pf хр] Р{02)/1 = 1,63м3(н.у.)/м2 • ч • бар
J(02) = 0,235 м3/м2 ч
<?(Ог) = qp • 0,33 = 3,3 м3/ч
q(02)/J(02) = 3,3/0,235 = 14 м2
: 0,21 02
хр:0,30 02 | Яр: Ю mVm
Рис. VIII-31. Одностадийная установка для обогащения воздуха кислородом.
Расход энергии
Расход энергии определяется мощностью, потребляемой при работе вакуумного насоса и вентилятора. В предположении изотермического сжатия и расширения эту величину можно рассчитать по следующей формуле:
1п»
