2.4.2.Первапорация (испарение через мембрану)
Если горячую жидкость (или жидкий раствор) поместить с одной стороны сплошной (непористой) мембраны, а с другой стороны создать условия низкого парциального давления паров, то через мембрану под действием градиента парциальных давлений начнется перенос вещества. Оно будет проникать в камеру пермеата в виде паров, а состав паров будет отличаться от состава жидкости. На рисунке 2.20 показана схема процесса первапорации.
Рис. 2.20. Схема разделения двухкомпонентной смеси при первапорации (заштрихованными кружочками показан менее проникающий компонент)
При том, что движущейся силой является разность парциальных давлений по обе стороны мембраны, селективность процесса определяется не различиями в летучести, как в мембранной дистилляции, а следующим комплексом причин:
- различиями в сорбциях (растворимости) компонентов на входной поверхности мембраны;
- различиями в коэффициентах диффузии через мембрану.
Управлять этими различиями можно, подбирая материал мембраны, и тогда селективность процесса может быть изменена с плюса на минус.
Интересная и характерная для процесса первапорации диаграмма представлена на рисунке 2.21. Видно, что при обычной дистилляции смеси этанол – вода пар обогащен этанолом, а в процессе первапорации смеси на полиакрилонитриловой мембране пар резко обогащен водой.
Рис. 2.21. Диаграмма равновесия пар – жидкость (1) для смеси этанол–вода
и состав пара (2) при первапорации этой смеси на мембране из полиакрилонитрила
Перенос i-го компонента через мембрану в процессе первапорации описывается уравнением:
Δpi
Gi=KGi── (2.19)
l
где Δрi– разность парциальных давлений по обе стороны мембраны.
Это уравнение аналогично уравнениям переноса для диффузионных процессов за исключением того, что коэффициент проницаемости любого компонента сильно зависит от состава смеси.
Для повышения движущей силы надо довести парциальное давление в камере пермеата до нуля. Это легко сделать, если пермеатный пар конденсировать в холодильнике. Разные способы осуществления процесса первапорации представлены на рисунке 2.22.
Рис. 2.22. Способы проведения первапорации:
- вакуумированием с конденсацией; - продувкой инертным газом с конденсацией
Со стороны пермеата мембрана находится практически в вакууме, значит, степень ее набухания проникающим компонентом очень сильно меняется по толщине – от максимума до нуля. Так же сильно меняется и коэффициент диффузии. Кроме того, коэффициент диффузии i-го компонента зависит от природы второго вещества в исходной смеси и от его концентрации. Все это вызывает сложности расчета и прогноза результатов первапорации, особенно для смесей органических веществ.
Учитывая такие особенности первапорации, этот процесс разделения стал чрезвычайно эффективным для азеотропных смесей (когда в процессе дистилляции жидкость и пар имеют одинаковый состав). Смеси органических растворителей с водой имеют азеотропы в диапазоне составов, близких к чистым растворителям. Здесь и полезно использовать первапорацию для остаточной дегидратации. Кроме того, процесс часто используют для разделения неводных смесей.