Установка обратного осмоса

Задание на проектирование. Спроектировать установку для концентрирования 5,56 кг/с водного раствора CaCl₂ от концентрации 0,8 % до 30 % (масс). Первичное концентрирование провести обратным осмосом, окончательное — выпариванием. Потери соли с пермеатом не должны превышать 10 % от ее количества, содержащегося в исходном растворе.

1. Степень концентрирования на ступени обратного осмоса

С помощью данных, приведенных в Приложении 1.1, находим, что выбранное значение соответствует концентрации 3,2 % (масс). Таким образом, в аппаратах обратного осмоса раствор концентрируется от начальной концентрации x_1н = 0,8 % (масс.) до конечной x_1к = 3,2% (масс). Степень концентрирования К = x_1к/х_1н = =3,2/0,8=4.

2. Выбор рабочей температуры и перепада давления через мембрану

Обратный осмос целесообразно проводить при температуре окружающей среды (обычно 20—25 °С). В тех случаях, когда технологический раствор, подвергаемый разделению, уже имеет повышенную температуру, экономически оправдана работа и при температурах выше 25 °С.

Практика применения обратного осмоса показывает, что в условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для полимерных плоских мембран составляет . 5—6 МПа, а для мембран в виде полых волокон — 2—3 МПа.

Выбираем t ==25 °С, р —5 МПа.

3. Выбор мембраны

Ниже представлены характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обратного осмоса, выпускаемых в СССР (характеристики установлены при перепаде рабочего давления через мембрану Δр = 5 МПа и рабочей температуре t = 25 °C, что соответствует выбранным нами рабочим параметрам; в качестве удельной производительности по воде указаны средние значения за длительный период эксплуатации; значения констант а и b отвечают размерности ΔН в кДж/моль):

Марка мембраны	Удельная производительность по воде G0·103, кг/(м2·с)	Константы уравнения
		а	b
МГА-100	1,4	6,70	3,215
МГА-95	2,3	3,47	1,844
МГА-90	3,0	2,67	1,420
МГА-80	4,9	1,00	0,625

Для рассматриваемого случая ΔH_Ca2+ = 1616 кДж/моль, ΔH_Cl-=352 кДж/моль, Z_M=Z_Cl-= 1. Тогда

кДж/моль.

Рассчитаем истинную селективность для мембраны МГА-100:

;

1-φ_и=0,0066; φ_и=0,993.

Аналогичным образом определим истинную селективность для остальных мембран.

Получим:

Мембрана	МГА-100	МГА-95	МГА-90	МГА-80
φи	0,993	0,977	0,945	0,814

Приняв в первом приближении, что наблюдаемая селективность равна истинной, определим среднюю концентрацию растворенного вещества в пермеате по формуле

.

Расчет начнем с наиболее производительной мембраны МГА-80:

кг соли/кг раствора.

Расход пермеата L_n найдем п π₃о формуле

,

где L_н — расход исходного раствора.

Тогда

кг/с.

Расход соли с исходным раствором

кг/с.

Потери соли с пермеатом

кг/с,

что в процентах от количества, содержащегося в исходном растворе, составит: 0,0128Х X 100/0,0445 = 28,7 %.

Полученное значение больше допустимого (10 %), поэтому рассмотрим следующую по удельной производительности мембрану — МГА-90:

кг соли/кг раствора;

кг/с;

кг/с.

Потери соли в процентах от количества, содержащегося в исходном растворе: 0,00345·100/0,0445 = 7,75 %.

Это значение находится в пределах допустимого, поэтому выбираем для дальнейших расчетов мембрану МГА-90, имеющую селективность по CaCl₂ φ_и = 0,945 и удельную производительность по воде G₀ = 3,O·l0^-3 кг/(м²·с).