Введение в мембранную технологию - Мулдер М.
Скачать (прямая ссылка):
г) Pi
где г] — эффективность (к.п.д.) насоса, п — число молей, откачиваемых в секунду, ph/pt — отношение давлений. Предположим, что к.п.д. вентилятора 60%, к.п.д.вакуумного насоса 50%, а отношение давлений на мембране при прохождении воздухом вентилятора составляет Ph/pt = 1,05. Наконец, при расходе сырья qj = 200м3/ч, т. е. при отношении qf/qp = 20, найдем мощности, потребляемые вакуумным насосом и вентилятором:
вакуумный насос: Р = 988 Дж/с « 1,0 кВт
вентилятор: Р = 599 Дж/с « 0,6 кВт
VIII.16.3.2. Получение обогащенного азотом воздуха в одностадийном процессе
Другой вариант процесса разделения воздуха — это получение технического азота (концентрация 95-99,9%), поскольку минимальная концентрация азота, применяемого в качестве инертной атмосферы, должна быть выше 95%. В отличие от систем с получением обогащенных кислородом потоков данная система, в которой целевым продуктом служит ретентат, работает с компримированным сырьем, как следует из рис. VIII-32. Мембраны, используемые в данном процессе, должны быть более селективными*, чем те, которые рассматривались
*На первый взгляд в этом случае, казалось бы, можно было использовать менее селективные мембраны, компенсируя низкую селективность очень малыми степенями извлечения ретентата. Однако при этом будут непозволительно возрастать как поверхность мембраны (капитальные затраты), так и, что особенно нежелательно, расход энергии на компримирование сырья. — Прим. ред.
Воздух
Компрессор
Воздух,
обогащенный
азотом
Рис. VIII-32. Схема получения обогащенного азотом воздуха.
xi : 0,21 02 --------------- эсг: 0,05 0о
qr: 10 м3/ч
Рис. VIII-33. Схема обогащения воздуха азотом.
выше в связи с обогащением воздуха кислородом. Рассмотрим пример оценки поверхности мембраны и необходимого расхода энергии для получения потока 10 м3/ч с содержанием 95% азота. Будем использовать модифицированную мембрану на основе полифениленоксида. Характеристики мембраны и параметры процесса представлены в табл. VIII-11, а диаграмма потоков — на рис. VIII-33, где приведены мольные доли кислорода.
Таблица VIII-11. Данные, необходимые для расчета
Концентрация азота в сырье Концентрация азота в ретентате Селективность
Производительность по ретентату (т. е. поток ретентата) Проницаемость по кислороду Толщина мембраны Давление до мембраны Давление после мембраны
xj = 0,79 (мольные доли) хг = 0,95 <*(02/N2) = 4,2 qp = 10 м3 /ч
Р(Ог) = 50 баррер
I = 1 мкм рн = 10 бар pi = 1 бар
Уравнения, приведенные в разд. VIII. 12, здесь применить нельзя, поскольку слишком велика разница между содержанием кислорода в сырье и ретентате (xr/xj < 0,5). Поэтому, следуя [2], проведем расчет для двух условных стадий (см. рис. VIII-34), а именно:
стадия 1 21%С>2 Ю%Ог
стадия 2 10%С>2 —> 5%Ог
Стадия 1
Стадия 2
3Cft) : 0,21 02
ХГ.1'0,10 02 ^ xf,2: о,юо2
хг,2- 0,05 02 qr 2: IOmVm
Рис. VIII-34. Анализ двухстадийной системы обогащения воздуха азотом.
Поток ретентата в стадии 1 служит сырьем в стадии 2 (хгд = х/ 2 и qV) 1 = 2). Вначале рассмотрим стадию 2, поскольку известно
значение ду г-
Стадия 2
Среднелогарифмическая концентрация кислорода в стадии 2
#1 = 0,072
а концентрацию кислорода в пермеате xPi2 можно рассчитать по уравнению VIII-41:
Хр, 2 — 0,20
Скорости сырья и пермеата могут быть рассчитаны из уравнений материального баланса, после чего можно определить поверхность мембраны
Я/,2 = Яр,2 4- Ю
0,1 • д/,2 = 0,20 qPi2 + Ю 0,05
q/y2 = 15м3/ч и qPi2 = 5м3/ч
J(02) = [P(02)/t]\ph Х2-Р1- XPi2]
Р(Ог)/^ = 0,137м3(н.у.)/м2 • ч • бар
J(02) = 0,071 м3/м2ч
^(Ог) = qP • 0,20 = 1 м3/ч
Таким образом, поверхность мембраны в стадии 2 составляет А2 = 14 м2.
Стадия 1
?r,i = д/,2 = 15 м3/ч
Среднелогарифмическая концентрация кислорода над мембраной в стадии 1
Воздух
Компрессор
Поверхность мембраны: 24м2
Воздух, обогащенный кислородом С36% 02)
Поверхность мембраны: 14м2
Воздух,
. обогащенный азотом (.95% N2)
Рис. VIII-35. Мембранное разделения воздуха на два целевых продукта: обогащенный азотом и обогащенный кислородом потоки.
а концентрацию кислорода в пермеате хр \ рассчитаем по уравнению VIII-41
xPli = 0,36
Тогда
Qft 1 = ЧрЛ + 15
0,21 • qj i = 0,36 • qPi\ -+¦ 0,1 • 15 qjfl = 25м3/ч и qPii = 10м3/ч J(02) = 0,148 м3/м2 • ч
?(Ог) = Яр • 0,36 = 3,6 м3/ч
Следовательно, поверхность мембраны в стадии 1 составляет А\ = 24 м2. Общая поверхность мембраны Atot = Ai 4- А2 = 38 м2.
Этот пример показывает, что в подобном мембраннном процессе можно иметь два целевых потока: обогащенный кислородом пермеат на первой стадии (см. рис. VIII-35) и обогащенный азотом ретентат на второй стадии.
