ТЕМА: Мембранная технология

ЛЕКЦИЯ № 13

Цель работы:

1. Ознакомить студентов с видами мембранных технологий.

Вопросы:

1.Методы мембранной технологии

2. Основные механизмы переноса вещества через мембраны

3. Мембранные процессы разделения и способы их организации

4. Основы расчета процессов разделения в мембранных ячейках

-1-

Методы мембранной технологии совмещают процессы разделения неоднородных систем фильтрованием с явлением осмоса. Благодаря этому разделению подвергаются не только эмульсии и суспензии, но и растворы.

Мембранная технология реализуется как один из методов фильтрования, где основной движущей силой является не геометрическое подобие размеров частиц и пор фильтрующего материала, а разность давлений до и после фильтра. При этом в качестве фильтра используется мелкопористая полунепроницаемая мембрана. Кинетика процесса объясняется разностью плотностей раствора и растворителя, что и определяет разность осмотических давлений, определяемых как гидростатический напор.

Экспериментально величину гидростатического напора можно определить по высоте столба раствора, сообщающегося с растворителем через мембрану (Рис. 1). При этом происходит переток растворителя через мембрану до выравнивания гидростатических напоров растворителя и раствора: .

При невозможности прямого определения гидростатического напора пользуются гипотезой Вант-Гоффа, выражающей зависимость осмотического давления от концентрации и температуры раствора:

(1)

где – молярность или мольно-объемная концентрация раствора, моль/м³;

– универсальная газовая постоянная;

Т – температура системы, К;

п – число молей растворенного вещества в объеме раствора V;

т – масса растворенного вещества;

М – масса одного грамм-моля.

Мембранные технологии разделяют на два класса: ультрафильтрацию (диаметр пор мембраны – 3…100 нм при перепаде давлений – 0,1…2 МПа) и обратный осмос (диаметр пор менее 3 нм и перепад давлений – 1…25 МПа).

Ультрафильтрация применяется для разделения, концентрирования и фракционирования растворов. При этом исходный раствор разделяется на два продукта – низкомолекулярный фильтрат и высокомолекулярный осадок. В результате ультрафильтрации подвергаются молочные продукты при разделении жира или белка, питательные смеси, кровь, сиропы, экстракты, сточные воды первой и второй категории.

Обратный осмос применяют для опреснения солевых растворов, очистки сточных вод второй категории, концентрирования сиропов.

Фильтрованием называют процесс разделения суспензий через пористую (фильтровальную) перегородку, которая задерживает твердую (дисперсную) фазу и пропускает жидкую (дисперсную) среду (рис. 2).

Процесс фильтрования подразделяют на два вида: поверхностное фильтрование (с образованием слоя осадка) и глубинное фильтрование (с закупориванием пор фильтровальной перегородки). Возможен также промежуточный вид фильтрования – поверхностно-глубинный. Вид фильтрования определяется взаимосвязью между свойствами суспензии и фильтровальной перегородки.

При разделении маловязких суспензий с концентрацией твердой фазы более 1 %, через фильтровальную перегородку с размерами пор меньше размеров частиц имеет место поверхностное фильтрование. Твердые частицы накапливаются на поверхности фильтровальной перегородки и образуют осадок. При дальнейшем разделении суспензий слой осадка начинает играть роль фильтрующего элемента, задерживая частицы твердой фазы и предотвращая закупоривание пор фильтровальной перегородки. При этом над входами в поры перегородки образуются "сводики" из твердых частиц, пропускающие жидкую фазу суспензии, но задерживающие другие твердые частицы. Разделение суспензий поверхностным фильтрованием наиболее целесообразно, так как закупоривание пор фильтровальной перегородки твердыми частицами с соответствующим увеличением ее сопротивления почти не происходит.

При разделении вязких суспензий с небольшой концентрацией мелкодисперсных фракций через фильтровальную перегородку с размерами пор больше размеров частиц, имеет место глубинное фильтрование. Твердые частицы проникают в поры фильтровальной перегородки и задерживаются в них, не образуя осадка. Закупоривание пор твердыми частицами наблюдается уже в начальный период процесса разделения суспензий, что снижает производительность фильтра. Глубинное фильтрование используют только в фильтрах периодического действия. При этом необходима периодическая регенерация или замена фильтровальной перегородки.

С целью интенсификации производственного процесса фильтрования суспензий с концентрацией твердой фазы менее 1 % в фильтрах используют вспомогательные вещества, которые наносят на фильтровальную перегородку. Фильтровальные вспомогательные вещества образуют слой осадка, который препятствует проникновению твердых веществ в поры фильтровальной перегородки.

В качестве фильтрующих материалов применяют зернистые материалы – песок, гравий, а также хлопчатобумажные и шерстяные ткани, ткани из синтетических волокон, картон, пористые полимерные материалы, керамику и т. д. В фильтрах с намывным слоем применяют различные порошкообразные инертные материалы (диатомит, кедельгур, мел, гашеная известь), а также волокнистые материалы (целлюлоза).

Фильтровальные перегородки должны обладать необходимой задерживающией способностью, обеспечивать заданную чистоту фильтрата, не создавать значительного гидравлического сопротивления потоку и иметь высокую механическую прочность.

По целевому назначению процесс фильтрования может быть очистным или продуктовым. Очистное фильтрование применяют для разделения суспензий и очистки растворов от различного рода включений. Целевым продуктом является фильтрат. В пищевой промышленности очистное фильтрование используют при осветлении вина, виноматериалов, молока, пива и других продуктов.

Назначение продуктового фильтрования – выделение из суспензий диспергированных в них продуктов в виде осадка. Целевым продуктом является осадок. Примером такого фильтрования является разделение дрожжевых суспензий.

Рис. 2. Схема фильтра для разделения суспензий:

1 – корпус; 2 – супензия; 3 – осадок; 4 – фильтровальная перегородка;
5 – фильтрат

Движущая сила процесса фильтрования – разность давлений по абсолютной стороне фильтровальной перегородки.

при . (2)

Эта разность создается с помощью насоса, компрессора или вакуум насоса. Условия протекания процесса фильтрования зависят от способа создания разности давлений.

Существует фильтрование:

– при постоянной разности давлений ;

– при постоянной скорости – const;

– при переменных разностях давлений и скорости – var и – var.

При фильтровании под давлением движущая сила процесса

; ; . (3)

Величина избыточного давления ограничена мощностью насоса и прочностью аппарата.

.

При = 10⁵; lim () = ¥.

При фильтровании под вакуумом движущая сила процесса

; ; ; (4)

.

Движущая сила процесса фильтрования под избыточным давлением выше, чем при фильтровании под вакуумом. Несмотря на это фильтрование под вакуумом получило более широкое распространение в промышленности. Это объясняется возможностью создания непрерывного процесса, так как слой осадка формируется со стороны атмосферного давления и может беспрепятственно удаляться.

Непрерывное удаление осадка при фильтровании под давлением значительно усложняет конструкцию фильтра. Фильтрование при постоянной скорости осуществляется, если суспензию подают на фильтр поршневым насосом с постоянной производительностью (при данном числе оборотов электродвигателя).

Если суспензию подают на фильтр центробежным насосом с уменьшающейся (при данном числе оборотов электродвигателя) производительностью при возрастании сопротивления осадка, то процесс фильтрования осуществляется при переменных разностях давлений и скорости.

Эффективность процесса разделения суспензий характеризуется "эффектом разделения" или степенью очистки h (в %)

_, (5)

где С₁ и С₂ – концентрации дисперсной фазы соответственно в суспензии и фильтрате.

Образующийся в процессе фильтрования осадок должен иметь минимальную влажность. Влажность осадка U (в %) определяют по формуле

, (6)

где – масса жидкой фазы в осадке; – масса влажного осадка.

Интенсивность процесса фильтрования оценивают скоростью или удельной производительностью , м³/м² с. – это объем фильтрата (в м³), полученный с 1 м² фильтрующей поверхности за 1 с.

. (7)

Среднюю скорость процесса определяют по формуле

, (8)

где – удельный объем фильтрата, (м³/м²).

Скорость фильтрования может быть определена по закону Дарси

, (9)

где – коэффициент сопротивления, м/Па с.

При фильтровании с образованием слоя осадка общее сопротивление фильтрованию определяют как сумму сопротивлений фильтровальной перегородки и слоя осадка

. (10)

Коэффициент сопротивления (фильтрования) имеет вид

, (11)

где m – коэффициент динамической вязкости жидкой фазы суспензии, мс/м².

В каждый момент времени скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений Dp и обратно пропорциональна сопротивлению R и вязкости жидкости m

. (12)

Сопротивление слоя осадка определяют равенством

, (13)

где – удельное сопротивление слоя осадка, м^–2; h – толщина слоя осад-ка, м

, (14)

где c – объемная концентрация твердой фазы в разделяемой суспензии.

Из уравнения (22) с учетом (23) и (24) можно получить основное уравнение фильтрования

. (15)

Решим уравнение (25) для фильтрования с образованием слоя не-сжимаемого осадка при постоянном перепаде давления. В этом случае: Dр = const – движущая сила постоянна; = сonst – осадок несжимаемый; = var – высота слоя осадка увеличивается; = const – концентрация твердых частиц в суспензии постоянна; = const – сопротивление фильтрующей перегородки не изменяется в процессе фильтрования.

После интегрирования (25) в пределах от 0 до и от 0 до t, получим

(16)

или

, (17)

где и – константы фильтрования.

Если продифференцировать уравнение (27)

,

то можно получить формулу для расчета скорости фильтрования

. (18)

Константы фильтрования с и в каждом конкретном случае чаще всего определяются экспериментально.

От других процессов разделения с межфазньш переносом вещества мембранные процессыотличает наличие перегородки (мембраны), отделяющей в пространстве фазы, участвующие в процессе массообмена. Методы мембранного разделения смесей основаны на различной проницаемости мембран для раз­ных компонентов разделяемой смеси.

Процессы мембранного разделения широко применяются в промышленности при разделении жидких и газообразных сме­сей, концентрировании растворов, опреснении воды, выделе­нии кислорода из воды (искусственные жабры), очистке атмосферы гермоотсеков с биологическими объектами и людьми, в медицине (искусственные легкие, почка, печень, разделение крови на компоненты и др.), в металлургии и биохимии (обогащенное кислородом дутье), в пищевой промышленности (при создании атмосферы, препятствующей порче пищевых продуктов) и в других отраслях*.

Основная доля процессов разделения в объектах живой при­роды происходит с помощью биологических мембран. Это наводит на мысль, что мембранные процессы разделения не только высокоэффективны (практически — селективны), но и обладают малой удельной энергоемкостью. Последний показа­тель особенно важен при выборе метода разделения разбавлен­ных систем.

Главным недостатком процессов мембранного разделения является необходимость использовать большие поверхности мембраны, ибо в последней преобладают весьма медленные процессы молекулярного переноса массы.

Мембрана— это твердая или жидкая перегородка, через ко­торую могут проникать все или часть компонентов смеси. В первом случае мембрана называется проницаемой, во втором — полупроницаемой.

Мембранная ячейка— аппарат или его элемент для осущест­вления процесса мембранного разделения смесей, состоящий (рис.) из двух не сообщающихся между собой полостей — надмембранной 1 и подмембранной 2, разделенных мембраной 3. Поток /, подаваемый на разделение и называемый проходя­щим,движется вдоль мембраны; поток //, отводимый из ячей­ки (в рассматриваемой схеме он совпадает с потоком ///, про­никающим через мембрану), называется пермеатом.Перемещение всего проходящего потока через мембрану из надмембранного пространства в подмембранное, как и отсутствие пермеата, естественно, исключает процесс разделения.

Мембраны классифицируют по разным признакам.

1. По природе мембраны: