5. Термомембранні процеси (лекція 6)

Ці процеси обумовлені градієнтом температур по товщині пористої мембрани на основі полімерів або матеріалів з жорсткою структурою. В даний час найповніше розроблений процес мембранної дистиляції.

Суть цього процесу полягає в наступному. Нагрітий до порівняно невисоких температур (порядка 30 – 70 ˚С) початковий розчин (гарячий) подається з одного боку гідрофобної мікропористої мембрани. Уздовж іншої сторони мембрани рухається менш нагрітий (холодний) розчинник (зазвичай вода). Оскільки мембрана гідрофобна, а розміри її пор достатньо малі (порядку одного мікрометра і менш), то рідка фаза в пори мембрани не проникає. Пар, що випаровується з поверхні гарячого розчину (поверхнею випаровування в цьому випадку є ті меніски розчину, що утворюються на вході в пори) проникає в пори мембрани, дифундує через шар повітря в пори і конденсується на поверхні менісків холодної рідини. При цьому в порах утворюється розрідження, що прискорює процес випаровування і, отже, підвищує його ефективність. Оскільки температура початкового розчину невисока, то для проведення процесу мембранної дистиляції можна застосовувати низькопотенціальну теплову енергію – тепло нагрітої після холодильників води, газів (наприклад, вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання та ін.), що відходять, геотермальних вод і, нарешті, сонячну енергію.

Мембранну дистиляцію доцільно використовувати для вирішення наступних основних завдань: концентрації і знесолення водних розчинів електролітів, опріснення морської води, отримання особливо чистої води і апірогенної води для медичних цілей, води для підживлення парових казанів і тому подібне

Процес мембранної дистиляції проводять практично при атмосферному тиску, тому апарати для цього процесу можуть виготовлятися з дешевих полімерних матеріалів. У цих апаратах порівняно легко здійснюється заміна модулів, що вийшли з ладу. Мембрани в апаратах для мембранної дистиляції тривалий час працюють без помітного їх забруднення.

6. Розрахунок мембранних процесів і апаратів (Лекція 7)

Повний розрахунок мембранних установок включає технологічний, гідравлічний і механічний розрахунки. У ряді випадків, коли використовують системи підігріву або охолодження розчинів, необхідний також тепловий розрахунок. В ході технологічного розрахунку визначають необхідну поверхню мембран, рідинні потоки і їх склад. Мета гідравлічного розрахунку – визначення гідравлічного опору апаратів і арматури, механічного, – обґрунтування розмірів елементів апаратів і вибір арматури для роботи установки при відповідному тиску. Тепловий розрахунок дозволяє визначити необхідну поверхню теплопередачі і витрату тепло - і холодоносіїв.

6.1. Матеріальний баланс баромембранних процесів

Зазвичай мембранні процеси проводять при постійних температурі і тиску. Заданими величинами є: кількість початкового розчину (кг/ч) і його склад (кг/кг), концентрація пермеату (кг/кг), а також вихід пермеату а:

, (6)

де W – витрата пермеату, кг/год.

За виходом пермеату а визначають його кількість:

. (7)

Матеріальний баланс по потоках:

, (8)

де L - витрата ретанта (концентрату).

З виразу (8) знаходять витрату ретанта:

. (9)

Матеріальний баланс по компоненту:

. (10)

Тоді з обліком (9) склад ретанта:

(11)

або

. (12)

Отримані рівняння можуть бути використані і для розрахунку інших мембранних процесів.

З урахуванням виразу (6) останнє рівняння прийме наступний вигляд:

. (13)

Після цього визначають селективність φ мембрани:

. (14)

По величині φ з урахуванням властивостей розчину, що розділяється, по довідниках підбирають відповідну марку мембрани. Потім для цієї мембрани знаходять залежність питомої продуктивності мембрани від складу розчину, що розділяється, над мембраною:

. (15)

Знаючи величини G і з урахуванням виразу (7) знаходять поверхню F напівпроникної мембрани:

. (16)