Мембранные аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Диализ. Этот процесс основан на различии скоростей диффузии веществ через полупроницаемую мембрану ( или непористых полимерных мембран ), разделяющую концентрированный и разбавленный растворы. Поэтому его обычно применяют для разделения веществ, значительно различающихся по молекулярным массам ( а значит, и по коэффициентам диффузии ). Движущей силой процесса является разность концентраций переносимого вещества по разные стороны от мембраны. Вследствие возникновения градиента концентрации между растворами ( концентрированным и разбавленным ) растворенные вещества с различными скоростями диффундируют через мембрану в сторону разбавленного раствора. Растворитель ( обычно вода ) при этом перемещается в обратном направлении, тем самым снижая скорость переноса растворенных веществ. Скорость диализа определяется по первому закону Фика:

G = - D ( dc / dx ) F

х - расстояние по толщине мембраны.

Интегрируя это выражение и делая соответствующие подстановки, получим:

G = D [ ( c₁ - c₂ ) / д ] F

G - количество газа, прошедшего через мембрану, D - коэффициент диффузии; с₁ и с₂ - концентрации диффундирующего газа по разные стороны мембраны; д - толщина мембраны; F - поверхность мембраны.

Диализ проводят в мембранных аппаратах, в основном плоско - камерного типа, а также в аппаратах с полыми волокнами. В этом случае количество вещества М, проходящего через мембрану, может быть определено по уравнению массопередачи:

M = K_д F ? с_ср ( 1 )

?с_ср - средняя движущая сила процесса; K_д - коэффициент массопередачи ( коэффициент диализа ), который выражается так:

K_д = , ( 2 )

, - коэффициенты массоотдачи со стороны соответственно концентрированного и разбавленного растворов; д - толщина мембраны; D - коэффициент диффузий.

Обычно K_д определяют экспериментально. При известных значениях М ( из материального баланса ) и К_д ( из уравнения 2 ) находят необходимую поверхность мембраны.

1. Мембранные аппараты

Промышленные аппараты для мембранных процессов должны удовлетворять следующим требованиям: иметь большую рабочую поверхность мембран в единице объема аппарата; быть доступными для сборки и монтажа; жидкость при движении по секциям или элементам должна равномерно распределяться над мембраной и иметь достаточно высокую скорость течения для снижения вредного влияния концентрационной поляризации; при этом перепад давления в аппарате должен быть по возможности небольшим. При конструировании мембранных аппаратов необходимо учитывать также требования, обусловленные работой аппарата при повышенных давлениях: обеспечение механической прочности, герметичности и др. Создать аппарат, который в полной мере удовлетворял бы всем перечисленным требованиям, по - видимому, невозможно. Поэтому для каждого конкретного процесса разделения следует подбирать аппарат такой конструкции, которая обеспечивала бы наиболее выгодные условия проведения процесса.

Аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа, различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными элементами, с трубчатыми мембранными элементами, с мембранными элементами рулонного типа и с мембранами в виде полых волокон. Эти аппараты могут быть корпусными и бескорпусными. По положению мембранных элементов их делят на горизонтальные и вертикальные; по условиям монтажа - на разборные и неразборные. В зависимости от конструкции аппаратов и схемы установок аппараты могут работать как в режиме идеального вытеснения, так и режиме идеального перемешивания.

1.1 Аппараты с плоскими мембранными элементами

Основой этих аппаратов является мембранный элемент, состоящий из плоских ( листовых ) мембран, уложенных по обе стороны плоского пористого материала - дренажа, либо приготовленных непосредственно на его поверхности. Расстояние между соседними мембранными элементами ( межмембранное пространство - канал, по которому протекает исходный раствор ) невелико, в пределах 0,5 - 5 мм. Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элементами, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть этого раствора, прошедшая через мембрану в дренаж, образует пермеат ( фильтрат ).

Аппараты с плоскими мембранными элементами выпускают в различных модификациях: корпусными и бескорпусными, с центральным и периферийным выводом пермеата, с общим отводом пермеата либо с отводом его отдельно из каждого элемента. По форме мембранные элементы изготовляют круглыми ( эллиптическими ) и прямоугольными или квадратными. Форма элементов существенно влияет на организацию потока разделяемого раствора над поверхностью мембран и на характеристики процесса разделения. Схема одного из аппаратов с плоскими мембранными элементами эллиптической формы и распределение потоков в нем схематически изображены на рис.1.

Мембранные аппараты с элементами эллиптической или круглой формы имеют ряд существенных недостатков: нерациональный раскрой листовых материалов ( мембран, опорных пластин и т. д. ); сложность герметизации переточных отверстий как при склеивании, так и при использовании специальных уплотняющих элементов или разделительных пластин с фигурными проточками либо отверстиями; неравномерность движения разделяемого раствора в поперечном сечении межмембранного канала и возможность образования застойных зон. Эти недостатки устранены в аппаратах с плоскими мембранными элементами прямоугольной формы ( рис. 3 ).

Рис.1. Схема устройства и распределения потоков в аппарате эллиптической формы:

1 - фланец; 2 - мембранные элементы; 3 - направляющие штанги; 4 - опорные пластины; 5 - мембраны; 6 - проточное кольцо; 7 - замковое кольцо; 8 - заглушка; 9 - шланг; 10 - коллектор пермеата.

Аппарат представляет собой пакет мембранных элементов 2 эллиптической формы, находящейся между круглыми фланцами 1. Их соосность обеспечивается двумя направляющими штангами 3. На свободные концы штанг навинчиваются гайки, затягиванием которых обеспечивается опрессовка аппарата.

Мембранные элементы состоят из опорных пластин 4, по обеим сторонам которых уложены мембраны 5. Отверстия в опорных пластинах и мембранах точно совмещаются и герметизируются двумя защелкивающимися кольцами: проточным 6 со стороны входа разделяемого раствора а переточные отверстия и замковым 7 со стороны выхода из него. Для подачи разделяемого раствора из переточного отверстия в межмембранный канал и отвода его в другое переточное отверстие в проточных кольцах имеются прорези в радиальном направлении. Проточное кольцо плотно входит в гнездо, окружающее отверстие, чем достигаются соосность всех совмещаемых отверстий и надежная герметизация переточных отверстий по узким кромкам мембран, расположенных между кольцами 6 и 7.

Для распределения разделяемого раствора по секциям одно из переточных отверстий на соответствующих мембранных элементах перекрывают заглушкой 8. Пермеат отбирают отдельно из каждого мембранного элемента по гибким капиллярным шлангам 9 с последующим выводом в общий коллектор 10.

Конструкция опорной пластины этого аппарата ( рис. 2 ) весьма сложна: два склеенных пластмассовых диска имеют разветвленную сеть внутренних каналов разного сечения для сбора пермеата. В пластине вдоль ее кромки расположен замкнутый, с большим поперечным сечением кольцевой канал 1, предназначенный для сбора пермеата, поступающего из мембранного элемента по другим каналам, самые крупные из которых 2 расходятся лучами из центра опорной пластины. С кольцевым каналом 1 соединяются также расположенные параллельно друг другу каналы 3 меньшего поперечного сечения. Эти каналы имеют многочисленные поперечные полости 4а, которые сообщаются с поверхностью дисков посредством щелей 4б. Эти щели настолько узки. Что при рабочем давлении гарантируется целостность мембраны без применения каких - либо подложек. Малое сопротивление потоку пермеата при использовании даже высокопроницаемых мембран обеспечивается большим числом щелей 4б.

Высота межмембранного канала h ( в этих аппаратах она равна 0,7 мм ) определяется высотой выступов вдоль кромок соседних опорных пластин, по которым одновременно уплотняется пакет мембранных элементов. Для уменьшения усилий обжатия пакета на одной из поверхностей мембранных элементов предусмотрены кольцевые выступы 5. Строгая фиксация заданной высоты каналов над всей поверхностью мембранных элементов обеспечивается ребрами 6, расположенными в направлении от одного переточного отверстия 7 к другому. Высота этих выступов в направлении к переточным отверстиям постепенно сходит на нет. Мембраны 8, достигающие торцов элементов, при рабочем давлении облегают поверхность опорных пластин. При этом между мембранами соседних элементов образуются каналы для протекания разделяемого раствора.

Рис. 2. Опорная пластина аппарата эллиптической формы:

1 - 3 - соответственно кольцевой, радиальные и диагональные каналы; 4а, 4б - соответственно внутренние полости и щели; 5 - кольцевой выступ; 6 - ребра; 7 - переточные отверстия; 8 - мембраны.

диализ аппарат мембранный диффузия

Рис. 3. Аппарат с непрерывной ленточной мембраной:

1 - фланцы; 2 - стягивающий болт; 3 - уплотнительная пластина; 4 - мембрана; 5 - дренажная пластина; 6 - разделительная пластина.

Под фланцами 1, стягиваемыми болтами 2, расположенные две уплотнительные пластины 3, между которыми помещают пакет чередующихся пластин: дренажных 5 и разделительных 6. Отличительной особенностью этого аппарата является то, что мембрана 4 не разрезается на куски по числу мембранных элементов, а последовательно огибает все дренажные пластины.

1.2 Аппараты с полыми волокнами

Основными достоинствами разделительных аппаратов с полыми волокнами, имеющими селективно проницаемые стенки, являются высокая удельная поверхность мембран ( 20 000 мІ / мі ), исключение необходимости применения специальных дренажных систем, простота эксплуатации. Кроме того, аппараты с полыми волокнами выгоднее других аппаратов при эксплуатации с энергетической точки зрения, т. к. для них требуется меньше затраты энергии на турбулизацию потока. Так, для обеспечения стабильной работы трубчатого аппарата на основе динамических мембран рекомендуется значение Рейнольдса 2500 - 3000. для аппарата плоскокамерного типа Re = 180200. а для аппарата с полыми волокнами достаточно значение Re = 2030.

Аппараты с полыми волокнами можно разделить на следующие группы: с параллельным расположением полых волокон; с цилиндрическими мембранными элементами; с U - образным расположением полых волокон; со сферическими мембранными элементами. Аппараты последнего типа не нашли широкого применения.

Аппараты с полыми волокнами имеют много конструктивных вариантов, но несмотря на разнообразие конструкций они могут быть отнесены к двум группам: безопорные аппараты и аппараты с опорно - распределительными трубками. Безопорные аппараты в конструктивном отношении наиболее просты. Аппарат такого типа представляет собой разделительный элемент, помещенный в пластмассовый, стеклянный или металлический корпус, закрытый крышками с уплотнителями ( рис. 4 ).

Разделительным элементом в данном случае является пучок параллельно уложенных полых волокон, концевые части которых закреплены в пластмассовом блоке - коллекторе. Для закрепления концов волокон используют заливочные полимерные составы - компаунды. Операция закрепления волокон с помощью компаундов является весьма ответственной, т. к. именно на этой стадии изготовления разделительных элементов обеспечивается герметичность торцевых частей аппарата.

Рис. 4. Схема безопорного разделительного аппарата на основе полых волокон ( А и Б - варианты подачи и выводы компонентов разделяемой смеси ):

1 - поток разделяемой системы; 2 - крышка аппарата;

3 - корпус аппарата; 4 - полое волокно; 5 - блок - коллектор;

6 - поток, обогащенный малопроникающим компонентом смеси;

7 - поток, обогащенный проникающим компонентом смеси.

Разделительные аппараты безопорного типа в большинстве случаев используют для разделения растворов и коллоидных систем методом ультрафильтрации и диализа. В частности, безопорные разделительные аппараты нашли широкое применение в качестве гемодиализаторов для аппаратов « искусственная почка ». При разделении жидких смесей методом диализа в один из штуцеров корпуса аппарата подают диализующую жидкость ( вариант А, рис. 4 ), разделяемую систему обычно подают в каналы волокон через штуцер крышки аппарата.

При разделении жидких смесей методом ультрафильтрации, а также при разделении газовых смесей разделяемая система может быть подана либо в каналы волокон, либо в межволоконное пространство. В первом случае компонент смеси, проникающий через стенки волокон, выводят через боковые штуцеры корпуса ( вариант Б, рис. 4 ). Смесь, обогащенная малопроникающим компонентом, выводят со стороны, противоположной вводу разделяемой систнмы, через штуцер крышки. Во втором случае разделяемую систему подают в один из боковых штуцеров, а проникающий компонент смеси выводят из торцов аппарата.

Как правило, ультрафильтрационные безопорные аппараты эксплуатируют при небольших рабочих давлениях ( до 0,3 МПа ).

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран - до 20 - 30 тыс. мІ / мі. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах, в производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности, при очистке и разделении газов и т. д. Однако при эксплуатации этих аппаратов предъявляют повышенные требования к предварительной очистке разделяемых смесей от взвесей. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь пучок волокон.

Аппарат с параллельным расположением полых волокон( рис. 5 ).

Рис.5. Схема безопорного аппарата с параллельно расположенными полыми волокнами:

1 - сборники пермеата; 2 - фланцы; 3 - корпус; 4 - волокна; 5 - трубная решетка.

Аппарат заключен в корпус 3 со штуцерами для ввода и вывода разделяемого раствора и с фланцами 2 для крепления сборников пермеата 1 и трубных решеток 5. Полые волокна в виде пучков 4 размещены в корпусе 3 аппарата параллельно его оси, а концы полых волокон с помощью эпоксидной смолы и уплотнений герметично закреплены в трубных решетках 5. Разделяемая смесь ( например, раствор ) движется вдоль наружной поверхности полых волокон 4. Под давлением часть жидкости проходит через стенки волокон и по их внутренним капиллярам отводится в сборник, образуя пермиат. Концентрированный раствор - ретант - непрерывно выводится из аппарата.

Аппараты рассмотренного типа имеют существенные недостатки, например сложность крепления и герметизации пучков волокна, неравномерное распределение разделяемого раствора в пучках волокон и др. Отмеченные недостатки устранены а аппаратах с мембранными элементами в виде полых волокон, образующих один пучок ( рис. 6 ).

Рис. 6. Схема аппарата с одним пучком полых волокон:

1 - корпус; 2 - сборник пермеата; 3 - перемычка; 4 - спиральная нить; 5 - пучок волокон.

В корпус 1 аппарата, снабженного штуцерами для подачи исходного раствора, отвода пермеата и ретанта, установлен пучок полых волокон 5. Волокна собраны в пучок с помощью спирально навитой нити 4, которая одновременно обеспечивает необходимый зазор между отдельными волокнами, что улучшает распределение разделяемого раствора в пучке волокон 5. В аппарате данной конструкции разделяемую жидкость можно прокачивать как вдоль наружной поверхности полых волокон, так и по капиллярным каналам этих волокон.

Для повышения интенсивности перемешивания разделяемого раствора в аппарате монтируют распределительную трубу, в центральной части которой имеются отверстия для подачи разделяемого раствора внутрь пучка волокон.

Аппараты с мембранными элементами в виде полых волокон, образующих один пучок, имеют низкую материалоемкость. Однако недостаточная интенсивность перемешивания разделяемого раствора в аппаратах и жесткое крепление полых волокон в перемычках ( трубных решеток ) не позволяют использовать их для обработки растворов, содержащих взвешенные частицы.

Рис. 7. Схема аппарата с U - образными мембранными элементами в виде полых волокон:

а - с коническим опорным фланцем: 1 - корпус; 2 - пучок полых волокон; 3 - шайба; 4 - кольцевые уплотнения; 5 - сборник пермеата;

б - с пористой опорной подложкой: 1 - пучок полых волокон; 2 - шайба; 3 - пористая подложка; 4 - крышка; 5 - фланцевое соединение; 6 - корпус.

Аппарат этого типа ( рис. 7 а ) имеет корпус 1, сборник пермеата 5 и кольцевые уплотнения 4. Открытые концы U - образного пучка полых волокон 2 длиной 1,5 - 2,0 м склеивают эпоксидной смолой в шайбе 3.

Среди основных недостатков аппаратов с U - образным расположением полых волокон следует отметить довольно сложную систему герметизации и уменьшение ( на 5 - 10 % ) рабочей поверхности волокон при вклеивании их в шайбу 3. Последнее обусловлено тем, что шайба 3 должна выдерживать воздействие высокого давления и поэтому имеет большую толщину.

В аппарате, конструкция которого показана на рис. 7 б, используют шайбы 2 значительно меньшей толщины ( 10 - 20 мм ), так как под ними располагают пористую подложку 3, разгружающую шайбу от механических напряжений при создании рабочего давления в аппарате и служащую для вывода пермеата с торцов полых волокон.

Заключение

Простейший диализатор представляет собой мешочек из коллодия ( полупроницаемого материала ), в котором находится диализируемая жидкость. Мешочек погружают в растворитель ( например воду ). Постепенно концентрация диализирующего вещества в диализируемой жидкости и в растворителе становится одинаковой. Меняя растворитель, можно добиться практически полной очистки от нежелательных примесей. Скорость диализа обычно крайне низка ( недели ). Ускоряют процесс диализа увеличивая площадь мембраны и температуру, непрерывно меняя растворитель. Процесс диализа основан на процессах осмоса и диффузии, что объясняет способы его ускорения.

Диализ применяют для очистки коллоидных растворов от примесей электролитов и низкомолекулярных неэлектролитов. Диализ применяют в промышленности для очистки различных веществ, например в производстве искусственных волокон, при изготовлении лекарственных веществ.

Список литературы

1. Wikipedia.org/wiki/ Диализ.

2. Ю. И. Дытнерский. «Процессы и аппараты химической технологии» Москва 1995г.

Размещено на Allbest.ru