POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA INŻYNIERII PROCESOWEJ I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ TECHNOLOGIA CHEMICZNA Zasada najlepszego wykorzystania potencjału: ocena siły napędowej i wpływu zwilżania w destylacji membranowej Gdańsk 2019
1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wykorzystanie procesu destylacji membranowej do odsalania wody. W planowanym ćwiczeniu wykonane zostaną trzy doświadczenia mające na celu zapoznanie się z podstawami procesu oraz możliwościami jego zastosowania. 2. Wprowadzenie Procesy membranowe w swoim najbardziej rozpowszechnionym zastosowaniu należą do dużej grupy technik rozdzielania składników mieszanin ciekłych i gazowych. W zależności od właściwości membrany mogą służyć do rozdzielania cząstek o rozmiarach od dziesiątek µm do dziesiątych części nm. Membrana to faza ciągła oddzielająca dwa roztwory (ciekłe albo gazowe), stwarzająca mniej lub bardziej skuteczne przeszkody dla przepływu poszczególnych składników tych roztworów. Składniki te przepływają z tzw. roztworu zasilającego przez membranę do roztworu odbierającego, inaczej permeatu. Strumień składnika i (przepływ przez jednostkę powierzchni membrany) jest proporcjonalny do wielkości bodźca (siły napędowej) oraz do współczynnika reprezentującego właściwości membrany w kontakcie z określonym składnikiem. Zależność tę można przedstawić w postaci: J i = P i grub.memb. (siła) [mol m 2 s 1, kg m 2 s 1, m 3 m 2 s 1 ] (1) gdzie: P i oznacza współczynnik przenikalności (jego sens fizyczny i nazwy zależą od rodzaju zastosowanego bodźca procesu). Selektywność membrany względem dwóch składników i oraz j jest miarą wskazującą na praktyczne możliwości rozdzielenia tych składników. Wielkość tę określa się zwykle wg następującego równania, definiującego tzw. współczynnik separacji (β ij ): β ij = c i II /c j II c i I /c j II (2) gdzie: c i I oraz c j I oznaczają stężenia albo prężności cząstkowe składników i oraz j w mieszaninach par i gazów w roztworze zasilającym, natomiast c i II oraz c j II dotyczą permeatu.
WAŻNIEJSZE PROCESY SEPARACJI Z ZASTOSOWANIEM MEMBRAN OBOJĘTNYCH: 1. PROCESY SEPARACJI WYWOŁYWANE RÓŻNICĄ CIŚNIEŃ Mikrofiltracja Ultrafiltracja Nanofiltracja. 2. PROCESY DYFUZYJNE Odwrócona osmoza (RO) 3. PROCESY WYWOŁYWANE RÓŻNICĄ STĘŻEŃ ALBO PRĘŻNOŚCI PARCJALNYCH SKŁADNIKÓW Dializa Separacja gazów i par cieczy organicznych Perwaporacja Destylacja membranowa Destylacja membranowa jest procesem zachodzącym pod wpływem różnicy temperatur. Pozwala on na usuwanie albo odzyskiwanie rozpuszczalnika z roztworów (np. soli albo związków organicznych). W procesie są stosowane porowate membrany hydrofobowe (w przypadku roztworów niewodnych - liofobowe). Roztwór zasilający nie może wtedy wnikać do porów membrany a w wejściach do porów istnieją błony powierzchniowe (meniski), w których zachodzą procesy parowania rozpuszczalnika; Powstaje para nasycona o prężności zależnej od temperatury roztworu zasilającego. Przy drugiej powierzchni membrany panuje jednak niższa temperatura, zatem prężność pary rozpuszczalnika jest tam niższa. Wewnątrz porów istnieje więc bodziec do dyfuzji pary do strony zimniejszej, gdzie następuje jej kondensacja. Dla skutecznego procesu separacji wystarcza zaledwie kilkustopniowa różnica temperatur. W praktyce proces MD prowadzi się najczęściej w wodnych roztworach, z zastosowaniem membran hydrofobowych. Hydrofobowość membran uniemożliwia penetrację nadawy w ich pory, dzięki czemu przez membranę dyfunduje jedynie para wodna. Destylacja membranowa jest jedną z najnowszych technik membranowych. W pierwszych badaniach nad procesem MD stosowano go do otrzymywania wody do picia z wody morskiej i wód słonawych. Uzyskana woda charakteryzowała się wysokim stopniem czystości, nie zawierała bakterii i wirusów. Proces MD wykorzystano do zatężania roztworów substancji nielotnych.
Zasadę destylacji membranowej można przedstawić następująco: parowanie na granicy faz ciekłej i gazowej, po stronie nadawy; dyfuzja cząstek pary przez pory membrany; kondensacja pary przy chłodniejszej stronie membrany, na granicy faz gazowej i ciekłej. Warunki panujące w warstwie przymembranowej przedstawiono na rys. 1. Niekorzystny spadek różnicy temperatury Tc Tz do T1 T2, powodujący zmniejszenie natężenia strumienia permeatu, jest wywołany polaryzacją temperaturową. Oprócz przepływu masy w procesie MD występuje także transport ciepła od strony nadawy do destylatu. Odbywa się on za pomocą przewodzenia ciepła przez materiał membrany oraz z przepływającą parą (ciepło kondensacji). Powoduje to wzrost temperatury destylatu, w wyniku czego następuje zmniejszenie siły napędowej procesu. Chcąc temu zapobiec, stosuje się chłodzenie destylatu w wymienniku ciepła za pomocą dodatkowego obiegu chłodzącego lub wykorzystuje się go do podgrzewania nadawy. Rys.1 Schemat procesu destylacji membranowej; 1- porowata membrana W procesie MD jako źródło ciepła można wykorzystać tzw. ciepło odpadowe. Niewielka różnica temperatury (10 20 C) między nadawą a destylatem umożliwia otrzymanie strumienia permeatu o natężeniu wynoszącym 100 200
dm 3 /m 2 na dobę. W krajach o dużym nasłonecznieniu można do tego celu wykorzystać energię słoneczną. Zalety MD: 100 % (teoretycznie) retencja nielotnych substancji rozpuszczonych, niezależna od ich stężenia w nadawie, wysoka czystość permeatu, znacznie niższe ciśnienie w porównaniu z innymi technikami membranowymi, temperatura nadawy znacznie niższa od temperatury wrzenia, co stwarza możliwość wykorzystania odpadowej energii cieplnej, energii słonecznej lub geotermalnej, wysoka odporność chemiczna i stabilność termiczna membran, niewielką przestrzeń w jakiej znajduje się para przed skropleniem (praktycznie grubość membrany) w porównaniu z destylacją konwencjonalną. Wady MD: zwilżalność membran w przypadku długoterminowej eksploatacji, strumień permeatu w MD jest stosunkowo niski w porównaniu z np. odwróconą osmozą, niezbędne jest dostarczenie energii na odparowanie wody. W destylacji membranowej w porach hydrofobowej membrany jest zachowana faza gazowa. Membrana w tym przypadku nie powoduje selektywnego rozdzielania składników nadawy, jedynie zapobiega zetknięciu się roztworów znajdujących się po obu jej stronach. Traktuje się ją niekiedy jako membranę gazową. Mechanizm rozdzielania składników roztworu zasilającego w MD wynika głównie z równowagi: roztwór zasilający/faza gazowa w porach membrany. Skład permeatu, a stąd selektywność MD, zależy od prężności pary poszczególnych składników roztworu zasilającego. Dla wodnych roztworów substancji nielotnych proces MD jest selektywny, ich stopień zatrzymania wynosi praktycznie 100 % i jest niezależny od ich stężenia w nadawie. Retencję rozpuszczonych substancji można obliczyć z następującego wzoru: R = 1 c P c N gdzie c P i c N są stężeniami substancji w permeacie i w nadawie. Membrany do MD powinny charakteryzować się silną hydrofobowością, wysoką porowatością, niskim przewodzeniem ciepła dla ograniczenia jego strat
oraz dużą odpornością chemiczną i stabilnością termiczną. Najczęściej stosowane są membrany formowane z politetrafluoroetylenu (PTFE), poli(fluorku winylidenu) (PVDF) i polipropylenu (PP). Kąt zwilżania powierzchni PTFE zawiera się w granicach 108-115, dla PVDF wynosi 107 a dla PP 120. Korzystnym rozwiązaniem jest stosowanie membran asymetrycznych lub kompozytowych z gęstą warstwą naskórkową. Mniejsze pory w tej warstwie zmniejszają niebezpieczeństwo zwilżenia porów membrany. 3. Aparatura Schemat instalacji: Badania procesu MD można prowadzić w układzie laboratoryjnym do destylacji membranowej, pokazanym na schemacie. W układzie takim dwa strumienie o różniących się temperaturach Tn (temperatura nadawy) i Tp (temperatura permeatu), gdzie Tn > Tp, bezpośrednio kontaktują się z porowatą membraną hydrofobową. Dwa obiegi cieczy, ciepły i zimny, połączone są z modułem membranowym. Przepływy w obiegach są regulowane poprzez zmiany obrotów pomp perystaltycznych, a temperatury mierzone za pomocą termometrów. Termostaty zapewniają regulację i stabilność temperatury nadawy i permeatu.
POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA INZYNIERII PROCESOWEJ I TECHNOLOGII CHEMICZNEJ SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH PODSTAWY TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Zasada najlepszego wykorzystania potencjału: ocena siły napędowej i wpływu zwilżania w destylacji membranowej PROWADZĄCA: NAZWISKA OSÓB WYKONUJĄCYCH ĆWICZENIE: 1. 2. 3. 4. 5. Kierunek studiów: Grupa: Data wykonywania ćwiczenia: Data oddania sprawozdania: mgr inż. Karolina Ollik Technologia Chemiczna