WWW.LIT.I-DOCX.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - различные публикации
 

Pages:     | 1 ||

«2. Испарение через мембрану (ИМ) 2.1. История развития процесса ИМ 2.2. Разновидности вариантов осуществления процесса ИМ 2.3. Движущая сила процесса ИМ. Природа селективности процесса ...»

-- [ Страница 2 ] --

Рис. 3.7.11. Зависимость удельной производительности мембран от числа оборотов мешалки (Tржс = 600 C, Tперм = 500 С, концентрация электролита 3% масс.): 1 – CaCl2 – H2O, Ф4; 2 - NaCl – H2O, Ф2; 3 - NaCl – H2O, Ф1 .

Из представленных данных можно сделать вывод, что существует определенное число оборотов, при превышении которого удельная производительность достигает своего максимального значения и дальше не изменяется (плато на зависимостях удельной производительности от числа оборотов мешалки). Следовательно, дальнейшее увеличение числа оборотов мешалки приведет только к дополнительным энергетическим затратам .

В данной главе приведены только общие зависимости параметров мембранной дистилляции от интенсивности перемешивания. Более подробно этот фактор будет рассмотрен в главе 3.9 .

3.7.4. Прочие факторы Помимо подробно рассмотренных технологических параметров на эффективность процесса мембранной дистилляции могут влиять и другие факторы. Например, скорость разделения существенно зависит от ориентации аппарата в поле сил земного тяготения. В режиме с теплой нижней стенкой и в режиме вертикальной ячейки массовый поток в 4-6 раз больше, чем в режиме с теплой верхней стенкой. Увеличение массового потока связано с влиянием свободной конвекции, которая увеличивает скорость теплообмена. в результате чего растет градиент температур через мембрану .

[36, 37] При длительной эксплуатации целесообразно поддерживать со стороны теплого исходного раствора несколько меньшее абсолютное давление, чем со стороны дистиллята. В этом случает при возможном появлении небольших участков смачиваемости или при неплотности пермеат не загрязняется исходным раствором. При этом поток утечки имеет обратное направление и лишь немного снижает поток, проходящий через мембрану .

Абсолютное давление на одной стороне мембраны имеет существенное значение для пермеатного потока, что объясняется следующим образом: при использовании вакуума на одной стороне мембраны, к примеру, на стороне исходного раствора или с обеих сторон, из пор мембраны удаляются неконденсируемые газы (воздух). Благодаря этому снижается диффузионное сопротивление и происходит переход от вышеописанного технологического состояния «диффузионный поток» к режиму «поток через поры» .

Еще существует целый ряд параметров, связанных с отводом пермеата, которые зависят от типа установки мембранной дистилляции. Приведем несколько примеров .

Для мембранной дистилляции с газовым зазором существенное значение имеет ширина зазора. Как видно из зависимостей, приведенных на рисунке 3.7.12, удельная производительность существенно снижается с уменьшением газового зазора [24] .

Рис. 3.7.12. Зависимость удельной производительности от ширины газового зазора:

Тсм=600 С, Тперм = 200 С, толщина мембраны 0,2 мм, диаметр мембраны 0,8 мм .

При использовании мембранной дистилляции с газом-носителем большое значение играет скорость, с которой подается газ-носитель [38]. Из рисунков 3.7.13 и 3.7.14 видно, что на зависимость удельной производительности от скорости подачи газа-носителя наблюдается плато, следовательно существует оптимальная скорость подачи, превышение которой уже не будет оказывать влияния на эффективность процесса .

Рис. 3.7.13. Зависимость удельной производительности от скорости подачи газа носителя при различных температурах разделяемой смеси. Тперм = 200 С .

Рис. 3.7.14. Зависимость удельной производительности от температуры разделяемой смеси при различных скоростях подачи газа-носителя. Тперм = 200 С .





3.8. Пути интенсификации МД. Примеры эффективного разделения смесей МД В предыдущих главах были подробно рассмотрены параметры, влияющие на эффективность процесса мембранной дистилляции. Некоторые из них подбираются на стадии проектирования установки, и в дальнейшем практически недоступны для изменения. К ним относятся собственно параметры установки и характеристики мембраны. Так же выше были рассмотрены непосредственно технологические параметры, которые позволяют выбрать оптимальные условия для разделения конкретной смеси на имеющейся установке .

Коротко их можно сформулировать следующим образом. Установлено [22, 27]:

- при постоянном перепаде температур производительность и селективность возрастают с уменьшением концентрации исходного раствора;

- при постоянной концентрации исходного раствора увеличиваются с повышением перепада температур;

- температурная разность на высоких уровнях более эффективна, чем та же разность на низких уровнях;

- селективность по растворенному веществу не зависит от температурного градиента;

- проницаемость растворенного вещества строго пропорциональна градиенту концентрации .

Данный раздел в свою очередь посвящен способам интенсификации процесса мембранной дистилляции и их практической реализации. Следует отметить, что эти способы определяются, в первую очередь, явлениями, которые имеют место у поверхности мембраны .

3.8.1. Способы интенсификации мембранных процессов 3.8.2. Влияние деаэрации на производительность процесса МД 3.8.3. Примеры эффективного разделения смесей с применением МД

–  –  –

Для интенсификации мембранных процессов используют способы, направленные на «исправление» профиля концентраций (уменьшение концентрации растворенного вещества в пограничном слое) и температур у поверхности мембраны, а также предотвращение появления осадка на мембране или устранение его в процессе образования. На эффективность того или иного способа интенсификации большое (нередко решающее) влияние оказывает качество подготовки разделяемого раствора [41]. Нежелательное влияние концентрационной и температурной поляризации можно уменьшить путем применения турбулизирующих вставок в каналах, по которым движется поток .

Многочисленные описанные в литературе способы по интенсификации мембранных процессов можно разделить следующим образом:

- турбулизации разделяемого раствора; физико-химические (с применением электромагнитных полей, регулированием рН и ионной силы раствора и т. д.);

- механические (промывка и регенерация мембраны, отбор концентрированного раствора из пограничного слоя и т. д.) .

Некоторые из перечисленных выше способов интенсификации оказывают комплексное воздействие на мембранные процессы. Например, при движении в разделяемом растворе твердых частиц наблюдается не только очистка мембранной поверхности, но и перемешивание раствора [42] .

В плоскокамерных аппаратах для интенсификации мембранного разделения в подавляющем большинстве случаев турбулизацию разделяемого раствора осуществляют путем прокачивания его по напорным каналам высотой l-3 мм со скоростью 1-5 м/с и выше [43]. Но и при этом на мембране постепенно образуется осадок, для удаления которого аппараты периодически промывают различными растворами и газожидкостными эмульсиями. Этот способ интенсификации характеризуется большими затратами энергии (высокая производительность циркуляционных насосов и значительные потери напора в пере-точных отверстиях мембранных аппаратов). На циркуляцию разделяемого раствора может приходиться до 40 % всех эксплуатационных затрат .

Перспективным способом интенсификации процесса мембранной дистилляции [44] является также создание возвратно-поступательного движения потока жидкости над мембраной; при этим затраты энергии в несколько раз ниже, чем в циркуляционных установках. Турбулизировать разделяемый раствор также можно путем перемешивания его мешалками [40], а также с помощью коротких напорных каналов в аппарате и турбулизаторов различных конструкций: неподвижных и подвижных, в аппаратах с гофрированными разделительными или опорно-дренажными пластинками, а также при движении мембранного элемента относительно разделяемого раствора (с расположением мембран на вращающихся дисках и цилиндрах). В качестве турбулизаторов в каналах ячейки могут были использованы сетки с различными свободным сечением и конфигурацией (рис. 3.8.1) В случае применения вибрации и ультразвука энергия передается разделяемому раствору как через корпус аппарата, так и через специальные излучатели, погруженные в разделяемый раствор .

Обширный обзор по промышленным типам турбулизаторов представлен в работе [45] .

Предполагают, что в результате применения турбулизаторов «старение» мембран замедляется, однако потери давления в аппарате увеличиваются .

Рис. 3.8.1. Схемы экспериментальных турбулизаторов со свободным сечением 40 (а-г, е), 55 (ж) и 60% (д), а также размером ячейки 3 х 3 (а-в, е), 2 х 2 (г), 1,1 х 1,1 (д) и 0,8 х 1,8 мм (ж) .

–  –  –

Считается, что по обе стороны мембраны устанавливается парожидкостное равновесие [46]. Движение водяного пара затрудняется, когда в порах мембраны скапливается воздух. Это возможно, если исходный разделяемый раствор не деаэрирован .

Принимая во внимание сложность структуры реальных мембран, используемых для мембранной дистилляции, можно предположить возможность существования различных механизмов переноса (подробно см.

3.2) в комбинированном виде, которые могут быть описаны следующем уравнением:

(3.8.1) где Р - разность давления паров; Рср - среднее давление паровоздушной смеси; а константа мембранной проницаемости; с - экспонента для кнудсеновского-пуазейлевского течения переноса; d - диаметр поры .

В работе [47] показано, что уравнение (3.8.1) достаточно точно моделирует процессы аэрации/ деаэрации при мембранной дистилляции .

Воздух в порах мембраны препятствует диффузии водяного пара и снижает его поток через мембрану. Зависимость величины потока от размера пор при различных парциальных давлениях воздуха приведена на рисунке 3.8.2. Видно, что при малых размерах пор, когда преобладает кнудсеновская диффузия, удаление воздуха приводит лишь к незначительному увеличению потока. Для мембран с большими размерами пор деаэрацией можно реально увеличить поток .

Деаэрация может быть достигнута либо деаэрацией исходного раствора (в этом случае воздух, изначально находящийся в порах, будет растворяться в дистилляте без его дальнейшего пополнения, что приведет к возникновению в порах вакуума), либо понижением давления жидкостных потоков, следовательно, контролированием максимального давления газа в порах мембраны [48]. В работе [49] показано, что при проведении процесса мембранной дистилляции посредством деаэрации и уменьшения давления воздуха в порах мембраны поток можно увеличить в 7 раз. Однако на практике этого можно достичь только на 20-50 %, так как увеличение потока ограничивается температурной поляризацией. Это показывает более важное значение интенсификации теплопереноса в процессе мембранной дистилляции, чем улучшение структуры и свойств мембраны .

Следует отметить, что деаэрация приводит к уменьшению теплопереноса через мембрану, который обычно может составлять 20-40% от вводимой энергии, что обусловливает возникновение температурной поляризации. Теплоперенос может быть уменьшен за счет увеличения толщины мембраны; при этом величина потока через мембрану также будет уменьшаться .

Деаэрация является простым и эффективным способом снижения теплопереноса через мембрану. Компьютерная обработка опытных данных показала, что вследствие уменьшения парциального давления воздуха в порах мембраны тепло-перенос (при температуре исходного раствора 90 °С) изменяется от 25 % до менее чем 10 % .

Рис. 3.8.2. Зависимость величины потока от радиуса пор при парциальном давлении воздуха, равном 0,20 и 80 кПа (кривые 1-3 соответственно) .

На рисунке 3.9.3 приведена зависимость удельной производительности мембраны от числа Рейнольдса потоков в каналах при длине ячейки l50 мм, Тисх =50 °С и Тпер =20 °С. Данные, полученные в работе [50], позволяют сделать вывод о лимитирующей стадии процесса мембранной дистилляции. Из рисунка 3.8.3 видно, что существует такое число Рейнольдса, при котором дальнейшего увеличения потока через мембрану не наблюдается. Это значение Rе необходимо учитывать при выборе оптимальных параметров процесса. Анализируя данные рисунка 3.8.3, можно сделать вывод о том, что турбулизация исходного раствора более эффективна для интенсификации мембранной дистилляции, чем турбулизация пермеата .

Рис. 3.8.3. Зависимость удельной производительности мембраны от числа Рейнольдса при Reисх = 1500 = const, Reпер = var (кривая 1), Reисх = Reпер = var (кривая 2) и Reпер = 1500 = const, Reисх = var (кривая 3) .

Зависимость удельной производительности мембраны от температуры исходного раствора представлена на рис. 3.8.4, откуда видно, что на удельную производительность процесса мембранной дистилляции влияют скорость и турбулизация как исходного раствора, так и пермеата .

Рис. 3.8.4. Зависимость удельной производительности мембраны от температуры исходного раствора при температуре пермеата 20 и 400С, длине ячейки 150 и 430 мм (кривые 1 и 2 соответственно), а также скорости пермеата 0,36 и 0,18 м/с (х и • соответственно) .

Из литературных данных известно, что на мембранное разделение влияет расположение мембраны в аппарате (вертикальное, горизонтальное, сверху или снизу напорного канала). В связи с этим были проведены эксперименты [50] по исследованию влиянии естественной конвекции на процесс мембранной дистилляции (рис. 3.8.5). При этом мембрану в ячейке располагали горизонтально, а исходный раствор подавали над или под мембраной. Из рисунка 3.8.5 видно, что при прохождении исходного раствора над мембраной удельная производительность заметно ниже, что необходимо учитывать при конструировании мембранного модуля .

Рис. 3.8.5. Зависимость удельной производительности мембраны от Re при использовании ячейки длиной 430 мм в случае подачи исходного раствора под (кривая 1) и над (кривая 2) мембраной .

Зависимости удельной производительности мембраны от средней разности температур при использовании в качестве турбулизаторов в каналах ячейки опорных сеток с различными свободным сечением и конфигурацией (см. рис. 3.8.1) приведены на рисунке 3.8.6, откуда видно, что тип турбулизатора оказывает существенное влияние на процесс мембранной дистилляции. Наиболее перспективными для проведения процесса из испытанных турбулизаторов являются опорные сетки конфигураций в, г и д, изображенные на рисунке 3.8.1 .

Как отмечалось выше, удельная производительность мембраны зависит также от линейных размеров каналов ячейки. Кривые на рисунке 3.8.7, построенные на основе математического моделирования процесса [51], отражают влияние разности температур на удельную производительность процесса мембранной дистилляции при различных высотах каналов ячейки .

Таким образом, анализируя изложенные выше данные, можно отметить, что путем предварительной деаэрации и турбулизации разделяемого раствора, достигаемой с помощью опорных сеток, можно интенсифицировать процесс мембранной дистилляции. Следует также отметить, что турбулизация пермеата (или холодной жидкости) на процесс мембранной дистилляции оказывает существенно меньшее влияние, чем турбулизация исходного раствора .

Рис. 3.8.6. Зависимость удельной производительности мембраны от средней разности температур при использовании в каналах ячейки различных турбулизаторов (см. рис .

3.8.1) .

Рис. 3.8.7. Зависимость отношения j/G от разности температур при высоте каналов, равной 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 и 3,0 мм (кривые 1-6 соответственно) .

Следует отметить, что помимо приведенных выше общих стадий и схем процесса мембранной дистилляции разрабатываются другие варианты процесса. В работе [52] рассмотрен процесс, так называемый термопервапорации, в котором проникающие через гидрофобную мембрану поры конденсируются на охлажденной стенке. Принципиальная схема процесса приведена на рисунке 3.8.8 .

На рисунке 3.8.9 приведена схема лабораторной установки термопервапорации .

Экспериментальным путем установлена оптимальная величина зазора, равная 1,5 – 2,0 мм .

Процесс отличает высокая степень очистки пермеата. При проведении термопервапорации 3,4% раствора хлорида натрия на политетрафторэтиленовой мембране степень очистки составляет 99,99% .

Рис. 3.8.8. Принципиальная схема процесса термопервапорации .

Рис. 3.8.9. Схема экспериментальной установки для изучения процесса термопервапорации: 1- испарительная камера, 2 – охлаждаемая камера; 3 – конденсационное пространство; 4 – гидрофобная мембрана; 5 – стенка .

3.8.3. Примеры эффективного разделения смесей с применением МД Анализ литературы, посвященной процессу мембранной дистилляции, показывает, что этот процесс может быть использован для решения следующих проблем:

- обессоливание морской воды [53-55];

- концентрирование водных растворов солей, щелочей и кислот до высокой концентрации [25, 56];

- концентрирование органических соединений из их водных растворов [25, 57-59];

- получение особо чистой воды [61];

- концентрирование водных растворов с очень высоким осмотическим давлением [61] .

Рассмотрим некоторые примеры эффективного разделения смесей с применением мембранной дистилляции .

Обессоливание морской воды. Вопрос получения пресной воды из морской является крайне актуальным во всем мире. Многие исследователи работают над решением этой проблемы. Создание эффективных опреснительных установок могло бы обеспечить пресной водой засушливые районы, а также целые страны, ресурсы пресной воды которых ограничены .

Так же это бы позволило получать пресную воду на различных автономных объектах, расположенных вдали от берега. К подобным объектам можно отнести исследовательские и прочие суда, нефтедобывающие станции и проч .

В статье [53] описан модуль производительностью 5 м3/сут для опреснения морской воды, который эксплуатируется на предприятиях Швеции. Использованы дешевые конструкционные материалы, в основном, полимерные. На установке возможна замена вышедших из строя секций без останова станций опреснения. Обслуживание установки несложно .

В работе [33] сообщается, что на модуле, работавшем несколько месяцев на отфильтрованной речной воде в качестве исходного потока, не выявлено эффекта загрязнения мембраны. Агрегат, имеющий модуль с площадью рабочей поверхности мембраны 50-100 м2, находится на стадии конструирования .

В статье [54] сообщается об использовании модуля типа фильтр-пресса для обессоливания морской воды (2,5-3,0%) методом мембранной дистилляции. Модуль имеет 60 кассет, содержащих политетрафторэтиленовые мембраны. Площадь поверхности мембраны в одной кассете была 0,3 м2. Рабочее давление в аппарате 1-2 мм. вод.ст., что позволили изготовить тонкостенный аппарат из пластмасс .

В 2006 году в Китае было проведено испытание пилотной установки для обессоливания морской воды, которая располагается на судах дальнего плавания [32]. Данная установка имеет небольшие габариты и высокую надежность. Испытания показали, что в течение 5 месяцев использования установка работала стабильно, при этом удельная производительность и селективность составляли 5,4 кг/м2час и 99,99% соответственно .

Очистка сточных вод. Немаловажное значение также имеет возможность очистки сточных вод при помощи мембранной дистилляции. В работе [55] было проведено разделение промывных вод предприятия, производящего кино- и фотопленку. Исследование трансмембранных потоков, возникающих в результате перепада температур между очищаемым солевым раствором (промывная вода) с одной стороны мембраны, и чистым растворителем с другой, показало практически полное отсутствие в них, загрязняющих компонентов .

В качестве разделительной перегородки использовалась гидрофобная мембрана МФФК-2 со средним размером пор 0,2 мкм. Разделению подвергали промывные воды после стадий фиксирования (А) и отбеливания (Б) стандартного процесса обработки кинопленки ЦП-8Р, которые имели следующий состав (г/л): А - тиосульфата натрия ~ 10; сульфит натрия ~ 3,5;

серебро ~ 0,3; желатин ~ 0,2; Б - гексацианоферраты ~ 0,5; KBr ~ 0,15; желатин ~ 0,15. Потоки Т=200С (удельная производительность наблюдаются уже при разности температур мембраны (Пр) при этом составляет 1,5 л/м ч) и экспоненциально возрастают, достигая Пр=10л/м2ч при Т=500С. На протяжении шести месяцев исследований мембрана показала стабильную работу, даже при значительном увеличении концентрации (до 170 г/л по тиосульфату) .

Так же был проведен ряд опытов с отбеливающе-фиксирующим раствором процесса “Kodak RA100 Royal”(EDTA NH4Fe - 50 г/л, серебро - 0,8 г/л). При ?Т = 500С производительность составила 3,3 л/м2ч, а селективность по всем компонентам не менее 99% .

Таким образом, метод позволяет производить очистку промывных вод различного состава, с последующим возвратом ее в технологический процесс, а также осуществлять концентрирование растворов с возможной последующей их утилизацией .

Концентрирование растворов неорганических соединений. Рассмотренные выше примеры были ориентированы на получение пермеата – обессоленной воды. Наряду с подобными технологиями, существуют технологии для получения концентрированных растворов. Например, в работе [25] описано применение метода мембранной дистилляции для концентрирования неорганических кислот .

Более подробно остановимся на одной из новых разработок, также ориентированной на извлечение неорганических соединений [56]. Предлагаемая технология направлена на создание опытной установки по концентрированию и извлечению ценных элементов и их соединений (галогенов, щелочных и редких металлов) из минерализованных геотермальных вод. Ее новизна состоит в сочетании низкоэнергетических методов концентрирования растворов с методами высокоселективной сорбции извлекаемых компонентов. В основе технологии лежит метод мембранной дистилляции. Определены закономерности процесса мембранной дистилляции растворов, содержащих улетучивающиеся компоненты (йод, бром), их критические концентрации и другие физико-химические параметры систем. Разработаны практические способы селективного выделения ионов щелочных и тяжелых металлов из концентрированных растворов с помощью естественных неорганических сорбентов (силикатов и цеолитов), микроорганизмов и комплексообразующих ионитов синтетического и естественного происхождения. Применение сорбентов позволит извлекать ценные элементы в отдельности от других компонентов с минимальными их потерями. Разработана комплексная технология замкнутого цикла, спроектирована и изготовлена опытная установка для опреснения минерализованных вод и извлечения из концентрированных технологических растворов таких ценных компонентов, как йод, бром, литий, рубидий, цезий, медь, никель, кобальт и прочие. Применение метода мембранной дистилляции позволит обеспечить высокую степень очистки воды, сконцентрировать неорганические электролиты до уровня, достаточного для извлечения из них необходимых веществ. Разработанные технологии и оснащение целесообразно использовать на предприятиях добычи йода и брома, станциях обессоливания морских вод, заводах по переработке рассола, геотермальных станциях и пр .

Концентрирование растворов органических соединений. Помимо концентрирования неорганических соединений мембранная дистилляция широко используется для концентрирования органических соединений. Основными потребителями подобных концентратов является пищевая и фармацевтическая промышленность. Выбор использования установок мембранной дистилляции из большого числа методов концентрирования обусловлен высокой селективностью процесса, приемлемой производительностью, экономичным аппаратурным оформлением. Однако, в данной области основным преимуществом мембранной дистилляции являются низкие температуры разделяемой жидкой смеси, что позволяет сохранить биологически активные органические соединения, и не допустить их термического разложения. В работе [25] рассматриваются установки концентрирования этилового спирта, растворов сахара, ферментов .

В работах [57-59] рассматриваются варианты применения метода мембранной дистилляции для концентрирования соков. В данных работах использовались установки вакуумной мембранной дистилляции, мембранной дистилляции с газовым зазором и прямой контактной мембранной дистилляции. Проведенные эксперименты показали, что при использовании данных установок удалось повысить концентрацию фруктовых соков с 10-12% до 65-75% .

Помимо применения индивидуальных установок мембранной дистилляции в настоящее время разрабатываются схемы установок, включающих в себя как мембранную дистилляцию, так и другие мембранные процессы. Например, НАСА разрабатывает установки, включающие в себя стадии прямого осмоса, осмотической дистилляции и мембранной дистилляции, которые авторы работы [60] планируют использовать для очистки продуктов метаболизма в космических кораблях .

3.9. Технико-экономические аспекты МД. Ограничения МД, преимущества МД

Мембранная дистилляция является одним из высокоэффективных процессов мембранного разделения. В первую очередь применение мембранной дистилляции получило широкое распространение в процессах обессоливания и концентрирования растворов электролитов .

Большой интерес представляет сравнение технико-экономических аспектов мембранной дистилляции с иными методами обессоливания растворов. На данный момент исследователи обладают достаточно ограниченными данными о экономической эффективности мембранной дистилляции, поскольку многие из полученных результатов являются коммерческой тайной, принадлежащей фирмам-производителям. Однако, даже сам факт, что мембранная дистилляция все более и более широко внедряется в самые различные сферы: от засушливых районов нашей планеты до морских судов и космических кораблей, говорит о том, что экономические преимущества мембранной дистилляции несомненно велики .

В частности, в работе [48] была проведена экономическая оценка процесса мембранной дистилляции. Утверждается, что в процессе мембранной дистилляции неэкономично использовать современные тетрафторэтиленовые микрофильтрационные мембраны, так как они имеют высокую стоимость. Авторы работы [48] отметили высокое качество дистиллята и подчеркнули, что для повышения удельной производительности необходима дегазация исходного раствора. Опытный образец с площадью рабочей поверхности мембраны 50 м2имеет производительность 1 т/час [33] .

Существенно снизить экономические затраты на проведение процесса мембранной дистилляции возможно при использовании схемы с рекуперацией теплоты. Компьютерная модель была использована для оптимизации процесса мембранной дистилляции получения 500 кг/час дистиллированной воды по схеме с рекуперацией теплоты (рис. 3.9.1) в работе [62] .

В данном случае исходный раствор с температурой 200 С представлял собой отфильтрованную морскую воду или иную воду, которая поступает в теплообменник 1, где она нагревается до температуры 800 С, после чего поступает во второй теплообменник, где нагревается еще на 100 С. Далее раствор поступает в мембранный аппарат 3. В мембранном аппарате 3 исходный раствор частично испаряется при контакте с микропористой мембраной, при этом охлаждаясь до 500 С. Образующийся поток концентрата ? частично рециркулируется в теплообменник 1. При этом с противоположной стороны мембранного модуля циркулирует поток дистиллята, который при этом нагревается от 45 до 850 С. Проходя через теплообменник 1 дистиллят охлаждается с 850 С до 530 С смешанным потоком концентрата и исходного раствора .

При проведении мембранной дистилляции по этой схеме можно получать 4 кг дистиллята на 1 кг израсходованного пара, таким образом, данная установка по эффективности сравнима с четырехкорпусным выпарным аппаратом. При изучении данной схемы следует учесть, что вышеуказанные температуры приведены для примера и могут варьироваться при оптимизации работы конкретной установки .

Оказалось, что стоимость мембранной дистилляции снижается с ростом температуры исходного раствора и при 900 С достигает минимальной стоимости получения высококачественной воды по традиционной технологии (2 дол/м3) .

Характерными чертами мембранной дистилляции являются малое потребление энергии на циркуляцию потоков, мягкие требования к прочности трубопроводов, а следовательно, возможность изготовления аппаратов из полимерных материалов, что значительно удешевляет стоимость, а так же существенно снижает вес установки. Не менее важным преимуществом процесса мембранной дистилляции перед другими традиционными процессами является нечувствительность мембранной дистилляции к ориентации установки в поле сил тяжести .

Для сравнения в таблице 3.9.1 приведены основные характеристики процесса мембранной дистилляции с газовым зазором и выпарной установки. Из представленных данных видно, что капитальные затраты на процесс мембранной дистилляции для малых и средних производительностей существенно ниже, чем для процесса выпаривания. Однако, следует отметить, что при больших производительностях установок, разница в капитальных затратах существенно снижается .

Таблица 3.9 .

1. Основные характеристики процесса мембранной дистилляции с газовым зазором и выпарной установки .

–  –  –

Проведена также экономическая оценка компактной мембранной дистилляции опресняющей установки производительностью 50 кг/час, использующей солнечную энергию .

Капитальные затраты составили от 10 до15 тыс. дол., стоимость получения 1 л дистиллята 1цента, что выше стоимости опреснения воды обратным осмосом. Однако, такие гелиоопреснительные мембранной дистилляции установки могут быть полезны для удаленных районов пустынь, благодаря высокой степени автономности и необходимости лишь минимальной предварительной подготовки исходной воды .

При использовании опреснительных установок мембранной дистилляции, работающих на традиционных источниках энергии, данные установки могут более уверено соперничать с традиционными методами (табл. 3.9.2) .

Таблица 3.9 .

2. Сравнительные характеристики процессов ионного обмена, обратного осмоса и мембранной дистилляции с газовым зазором при обессоливании воды .

–  –  –

Из представленных данных видно, что мембранная дистилляция более экономически выгодна, чем использование обратного осмоса с ионным обменом, причем несмотря на то, что мембранная дистилляция уступает ионному обмену по сумме приведенных затрат, эксплуатационные затраты при использовании процесса мембранной дистилляции существенно ниже .

Ограничения процесса мембранной дистилляции .

Анализируя материал, изложенный в предыдущих разделах, можно выделить некоторые ограничения процесса мембранной дистилляции .

Нелетучесть разделяемых компонентов. Мембранная дистилляция не является эффективным процессом при разделении смесей неорганических летучих кислот, а также летучих органических соединений .

Отсутствие поверхностно-активных веществ в разделяемой смеси. В присутствии поверхностно-активных веществ значительно изменяются физико-химические характеристики раствора, в частности, поверхностное натяжение, а также улучшается смачивание гидрофобной мембраны жидкой смесью. Эти факторы негативно влияют на процесс разделения .

Диапазон концентраций разделяемой жидкой смеси. При высоких концентрациях разделяемой смеси существенно снижается производительность процесса .

Необходимость интенсивного перемешивания разделяемой смеси и пермеата. При отсутствии перемешивания разделяемой жидкой смеси и пермеата возникают явления концентрационной и температурной поляризации, что существенно снижает эффективность процесса .

Преимущества процесса мембранной дистилляции .

В конце данного раздела коротко выделим преимущества мембранной дистилляции по сравнению с традиционными и/или мембранными процессами .

Небольшая скорость испарения. Работа конвекционной дистилляционной колонны зависит от высокой скорости испарения, которая обеспечивает взаимодействие пар-жидкость .

В свою очередь, в мембранной дистилляции граница раздела пар-жидкость создается при использовании гидрофобной пористой мембраны .

Небольшой объем камеры с газовой фазой. Значительные объемы, заполненные газовой фазой, необходимые для работы конвекционной дистилляционной колонны, в случае мембранной дистилляции заменяются на объем пор в пористой мембране, толщина которой в общем случае не превышает 100-150 мкм .

Компактность и простота аппаратурного оформления. Высокая степень автономности и мобильности. В случае мембранной дистилляции величина рабочей поверхности мембранного модуля высока, поэтому данные установки занимают существенно меньшую площадь .

Установки мембранной дистилляции не требуют большого количества дополнительного оборудования, что позволяет устанавливать их на самых различных объектах .

Низкие рабочие температуры. Рабочие температуры в процессе мембранной дистилляции существенно ниже, чем при проведении иных процессов, так как нет необходимости нагревать смесь до температуры кипения. Обычно, температура разделяемой смеси находится в интервале от 60 до 900 С, однако, при необходимости процесс мембранной дистилляции возможно проводить при 300 С. Данный факт позволяет использовать альтернативные источники энергии, что делает процесс мембранной дистилляции более экономически выгодным .

Низкие тепловые потери. При проведении мембранной дистилляции тепловые потери в окружающую среду крайне невелики по сравнению с другими процессами .

Низкие рабочие давления. Поскольку движущей силой мембранной дистилляции является разность температур, а не давлений, по сравнению с такими мембранными процессами как обратный осмос, то рабочие давления невелики. Это делает процесс мембранной дистилляции более безопасным .

Высокая степень очистки. Селективность процесса мембранной дистилляции достигает 100%, при этом природа растворенных веществ практически не играет значения. Этим процесс мембранной дистилляции выгодно отличается от таких мембранных процессов, как обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и проч .

Высокая производительность. При 100% селективности и при прочих преимуществах процесса удельная производительность мембранной дистилляции около 75 кг/м2час, что сравнимо с производительностью обратного осмоса .

Химическая стабильность мембран. Существенным преимуществом процесса мембранной дистилляции перед такими мембранными процессами как обратный осмос, микрои ультрафильтрация, является минимальная роль мембраны в активном разделении. В процессе мембранной дистилляции мембрана выступает как поддерживающая поверхность для границы раздела пар-жидкость, и практически не контактирует с разделяемыми компонентами, что существенно увеличивает срок ее работоспособности. К тому же мембраны для мембранной дистилляции выполняются из химически стойких полимеров. Длительный срок работы мембран существенно снижает затраты в процессе эксплуатации установок мембранной дистилляции .

–  –  –

Список литературы:

1. Шервуд Т., Пигфорд Р., Уилки Ч. Массопередача. М.: Химия, 1982

2. Hirachfeder J.O., Courties C.F., Bird B.B. Molecular Theory of Gases and Liquids, Wiley, New-York, 1964

3. Bird R.B., Hoopes J.W., Drew T.B. // Advances in Chemical Engineering. 1956. V. 1. P .

155-239

4. Denbigh K.G. // Nature. 1949. V. 163. P. 60

5. Spanner D.C. // Symp. Soc. Exptl. Biol. 1954. V. 8. P. 76 .

6. Rastogi R.P., Blokhra R.L., Apgarwala R.K. // Trans. Faraday Soc. 1964. P. 1386 .

7. Ketchalsky A., Currau P.F. Nonequilibrium Thermodynamics in Biophysics. Harvard University Press. Cambridge,Mass., 1967 .

8. Carr C.W., Solliner K. // J. Electrochem. Soc. 1962. V. 109. P. 616 .

9. Rastogi R.P., Blokhira R.L., Apgarwala R.K. // Trans. Faraday Soc. 1966. V. 62. P. 535 .

10. Rastogi R.P., Singh K. // Trans. Faraday Soc. 1966. V. 62. P. 1754 .

11. Haase R., Steinert C. // Zeitschrift Phys. Chem. N. F. 1958. V. 21. P. 270 .

12. Haase R., De Creiff H.J.. // Zeitschrift Phys. Chem. N. F. 1965. V. 44. P. 301 .

13. Haase R., De Creiff H.J.. // Zeitschrift Naturforsch. A. 1971. N. 26a. P. 1773 .

14. Vink H., Chishti S.A.A. // J. Membrane Sci. 1976. V. 1. P. 149 .

Mengual J.I., Aguilar J., Fernandez C. – Pineda // J. Membrane Sci. 1978. V. 4. P .

15 .

209 .

16. Dariel M.S., Kedem O. // J. Phys. Chem. 1971. V. 79. P. 1773 .

17. Bellucci F., Gaeta F.S., Paglinca N., Mita D.G., Tomadacis D. Developmente in Biophysical Research. Plenum Press. 1980 .

18. Gaeta F.S., Mita D.G. // J. Phys. Chem. 1979. V. 83. P. 2276 .

19. Gaeta F.S., Mita D.G. // J. Membrane Sci. 1978. V. 3. P. 191 .

20. Bellucci F., Drioli E., Summa F.C., Gaeta F.S., Mita D.G., Feglinka N. // Trans .

Faraday Soc. 1979. V. 75. P. 247 .

21. Haase R. Termodinamics of irreversible processes. Addison-Wesley Publ. Comp., Reading Mass. 1969 .

22. Menesberger H.R. (Ed.). Textile Fibers. Wiley, New-York, 1954. P. 886 .

23. Sarti G.C., Gostoli C. Membranes and Membrane Processes. Plenum Press, NewYork – London, 1986 .

24. Ashiq Moinul Islam Membrane Distillation Process for Pure Water and Removal of Arsenic // M. Sc. thesis for the Int. Master’s Program in Appl. Env. Measurement Techniques, Chalmers University of Technology, Gothenburg,Sweden, 2005 .

25. M. Tomaszewska Membrane Distillation - Examples of Applications in Technology and Environmental Protection //Polish Journal of Environmental Studies Vol. 9, No. 1 (2000), 27-36 .

26. NOVEL MEMBRANE AND DEVICE FOR DIRECT CONTACT MEMBRANE

DISTILLATION BASED DESALINATION PROCESS // New Jersey Institute of Technology, Newark NJ, Program Report No. 87, March 2001, p. 64 .

27. Drioli E., Yonglie Wu // Desalination. 1985. V. 53. P. 339-346 .

Drioli E., Chlubek N., Punzo A. // La Chimica l’Industria. 1984. V. 66. P. 3 .

28 .

Drioli E., Chlubek N., Punzo A. // La Chimica l’Industria. 1984. V. 66. P. 147 .

29 .

30. Bird R.B. Steward W.E., Lighfoot E.N. Transport Phenomena. Wiley, New-York, 1960 .

31. E. Drioli, V. Calabrd, and Y. Wu Microporous membranes in membrane distillation // Pure & Appl. Chem., 1986. V. 58. N. 12, P. 1657—1662 .

32. Ying Xu, Bao-ku Zhu, You-yi Xu Pilot Test Of Vacuum Membrane Distillation For Seawater Desalination On A Ship // Desalination, 186 (2006), p. 165-169 .

33. Scheneider K., Jonhanes T. van G. // Chem. Eng. Techn. 1984. V. 56. N 7. P. 514Jonhanes T. van G., Scheneider K. Membranes and Membrane Processes Plenum Prese. New-York – London, 1986 .

35. Scheneider K. // Kunststoffe. 1981. V. 71. P. 183 .

36. SCHNEIDER K., HOLZ W., WOLLBECK R., RIPPER GER S., Membranes and modules for transmembrane distillation // J. Membrane Sci. 1988. V. 39. P. 25 .

37. Costoli C., sarti G.C. // Separ. Sci. and Technol. 1987. V. 22. N 2-3, P. 855-872 .

38. Bellucci F., Bobik M., Driolly E. // Can. J. Chem. Eng. 1978. V. 56. P. 698 .

39. Khayet M., Godino M.P., Mengual J.I. Theoretical and Experimental Studies on Desalination Using the Sweeping Gas Membrane Distillation Method // Desalination. 2003. V .

157. P. 297-305 .

Дытнерский Ю. И., Акобян А. А.// Хим. пром. 1990. № 8. С. 465/ 40 .

Хванг С. Т., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения / Пер. с англ .

41 .

Под ред. Ю. И. Дытнерского. М.: Химия, 1981 .

Пат. 3541006 США .

42 .

43. Bruin S., Kikkert A., Weidring J.A., Hiddink J. // Desalination. 1980, V.35, P. 223 .

Заявка 278129 ФРГ .

44 .

Belford G., Giter G.A. // Desalination. 1972, V. 10, Р. 221 .

45 .

Дытнерский Ю. И., Быков И. Р., Акобян А. А. и др. Разделение жидких 46 .

смесей испарением через мембрану и мембранной дистилляцией. М.: НИИТЭХим, 1989 .

Schofield R. W., Fane А. G., Fеll С. J. D., Macoun R. // Desalinalion. 1990. V. 77 .

47 .

Р. 279 .

Fanе А. G., Schofield R. W., Fеll С. J. D. // Desalinalion. 1987. V. 64. Р. 241 .

48 .

Fаnе А. G., Schofield R. W., Fеll С. J. D. // IСОМ - 90. CHICAGO - USA. 1990 .

49 .

V. 1 .

Ю.И.Дытнерский, Г.Г.Фалилеева Интенсификация процесса мембранной 50 .

дистилляции // Хим. Пром-ть, 1992. N 8. C. 34-38 .

Dytnersky Yu., Agashichev S. Р., Romanenko Yu. К. // Desalinalion. 1991. V. 81, 51 .

Р. 265 .

52. Carlesson L. // Desalination. 1982. V.45. P. 222 .

53. Anderson S.I., Kjellander N., Rodesjo // Desalination. 1985. V. 56. P.345-354 .

54. Hanbury W.T., Hodgkless T. // Desalination. 1985. V. 56. P. 287-297 .

Сенаторов В.Е., Греков К.Б. ОЧИСТКА И КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ 55 .

ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОКОВ И ПРОМЫВНЫХ ВОД МЕТОДОМ МЕМБРАННОЙ

ДИСТИЛЛЯЦИИ // ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, Санкт-Петербург, 2005, С. 81 .

Брык М.Т., Бурбан Х.В., Хворов М.М. Мембранная технология извлечения 56 .

ценных минеральных составляющих из геотермальных вод // Международная конференция «Извлечение минеральных компонентов из геотермальных растворов», ПетропавловскКамчатский, 12-16 сентября 2005. С. 15 .

57. V. Soni, S J. Abildskov, C G.E. Jonsson, and R. Gani Model and Analysis of Vacuum Membrane Distillation for the Recovery of Volatile Aroma Compounds from Black Currant Juice // Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, CAPEC, Lyngby, Denmark 58. Rico Bagger-Jorgensen and Gunnar Jonsson Recovery of volatile fruit juice aroma compounds by membrane distillation //Membrane Group/Computer Aided Process Engineering Center, Department of Chemical Engineering, Technical University of Denmark, DK-2800 Lyngby, Denmark 59. Vincenza Calabrb,' Bi Lin Jiao,t and Enrico Drioli Theoretical and Experimental Study on Membrane Distillation in the Concentration of Orange Juice // Ind. Eng. Chem. Res .

1994,33, 1803-1808 .

60. Tzahi Y. Cath, Dean Adams, Amy E. Childress Membrane contactor processes for wastewater reclamation in space II. Combined direct osmosis, osmotic distillation, and membrane distillation for treatment of metabolic wastewater // Journal of Membrane Science 257 (2005) 111–119 .

Дытнерский Ю.И., Быков И.Р., Акобян А.А., Смекалов В.Т., Цоколаев Б.Р .

61 .

Разделение жидких смесей испарением через мембрану и мембранной дистилляцией .

НИИТЭХИМ. Москва. 1989. С. 50 .

62. Kurokawa H., Yamada A., Takahashi S. // Congress of Membranes and Membrane

Pages:     | 1 ||

Похожие работы:

«Москва УДК 821.161.1-312.9 ББК 84(2Рос=Рус)6-445 П62 Серия "Историческая фантастика" Выпуск 3 Оформление обложки Владимира Гуркова Выпуск произведения без разрешения издательства считается противоправным и преследуется по закону П62 Посняков, Андрей Анатольевич Довмонт: Князь-меч: роман / Андрей Посняков. — Москва: Издательст...»

«Николас Спаркс Последняя песня Текст предоставлен правообладателем http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=7973357 Последняя песня : [роман] / Николас Спаркc; [перевод c английского Т.А. Перцевой.] : АСТ; Москва; 2015 ISBN 978-5-17-087108-7 Аннотация Роман, изд...»

«ОТВЕТЫ НА ЗАДАНИЯ ВТОРОГО (ПРАКТИЧЕСКОГО) ТУРА Ответы выделены жирным шрифтом. ТОЧКА 1 Вы находитесь в центральной части села Медное Калининского района Тверской области. Это село — одно из крупнейших в области. Период его бурного развития пришёлся на XVIII—XIX века, чему способствовало выгодное транспортногеографическое положение. Перед вами н...»

«УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКТЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ "РЕГИГИОВЕДЕНИЕ" Пояснительная записка Содержание курса определяется совокупностью взаимосвязанных тем, комплексно раскрывающих знания о религии как предмете религиоведческой науки, принципы и методы ее исследования и включает:рассмот...»

«Vвол И* ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ РАСТИТЕЛЬНОСТИ СЕВЕРНОЙ АЗИИ В АНТРОПОГЕНЕ A C AD E MY OF S C I E N C E S OF T H E U S S R GEOLOGICAL INSTITUTE R. E. GITERMAN, L. V . GOLUBEVA, E. D. ZAKLINSKAYA, E. V. KORENEVA, О. V. MATVEEVA, L. A. SKIBA THE MAIN DEVELOPMENT STAGES OF THE VAGETATI...»

«В 2016 ГОДУ УДК 378.4(082) ББК 74.48 М54 Изготовлено согласно приказу № 340 от 31.03.2016 г. проректора по воспитательной работе В. В. Сенько Под редакцией начальника Управления воспитательной работы с молодёжью О. В. Котовой, методиста 2 кате...»

«Что делает какое-то место на земле прославленным? Знаменательное событие? Замечательный человек? История показывает — не только это: нужен Миф! Сегодняшняя жизнь убеждает: для известности он иногда даже важнее, ибо мо...»

«"Новая и новейшая история".-2010.-№5.-С.64-83.P. РЕЙГАН M. КАДДАФИ: АМЕРИКАНО-ЛИВИЙСКОЕ ПРОТИВОСТОЯНИЕ В 1980-х годах В.И. БАРТЕНЕВ Рассматриваемая тема относится к числу тех сюжетов истории холодной войны, интерес к которым не угаса...»




















 
2018 www.lit.i-docx.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.