Выпускная квалификационная работа. Тема: Новый термо-мембранный процесс для очистки воды от солей и летучих органических соединений. Направление:010900 – Прикладные математика и физика (стр. 3 )

·  Относительно малый поток пермеата по сравнению с другими методами разделения (например, обратный осмос).

·  Уменьшение потока пермеата из-за эффектов концентрационной и температурной поляризации, а также постепенной гидрофилизации пор мембраны.

·  Высокое потребление энергии: неопределенность энергетических и

экономических затрат для каждого варианта применения той или иной конфигурации МД модуля прямого контакта.

Конфигурация МД модуля с воздушным зазором является наиболее интересной для дальнейшей оптимизации. Воздушный зазор обеспечивает значительное снижение теплопотерь по сравнению с другими МД модулями, благодаря наличию конденсирующей перегородки и большей разности температур между горячей и охлажденной поверхностями. Но МД модуль с воздушным зазором имеет дополнительное сопротивление тепло - и массопереносу, что является причиной уменьшения потока пермеата. Влияние этого дополнительного сопротивления на величину трансмембранного потока и селективность процесса зависит от ширины воздушного зазора: увеличение ширины зазора влечет за собой снижение эффективности процесса, а также увеличение габаритов модуля. [10]

Еще в восьмидесятые годы прошлого столетия теоретически [11] и экспериментально [12] было показано, что поток пермеата уменьшается с увеличением ширины зазора, оптимальная величина которого должна быть Однако, наличие сплошной охлаждаемой стенки приводит к образованию конденсата и увеличению сопротивления потоку пара.

Фактически конфигурация такого модуля позволяет обеспечить реализацию двух термомембранных процессов в зависимости от применяемой мембраны: мембранная дистилляция с пористой гидрофобной мембраной, термопервапорация с мембраной на основе органофильных материалов, имеющей сплошной (диффузионный) слой.

Такие же проблемы наблюдались и в процессе термопервапорации, реализуемом в аналогичном модуле с воздушным зазором. Единственное отличие в устройстве модуля состояло в том, что в качестве разделительного элемента применялась сплошная мембрана из политриметилсилилпропина [13]. Авторы отмечают, что для увеличения потока пермеата необходимо обеспечить достаточную ширину воздушного зазора, а именно

Экспериментальная часть

Как уже было отмечено, конфигурация МД модуля с воздушным зазором является наиболее интересной для оптимизации. Как видно из принципиальной схемы МД модуля с воздушным зазором (рис. 7), этот вариант конфигурации предопределяет необходимость вертикальной ориентации модуля для вывода конденсата под действием силы тяжести. Это обстоятельство также является недостатком, поскольку ограничивает возможности его эксплуатации.

Рис.7. Конфигурация мембранного дистилляционного модуля с воздушным зазором.

1 – корпус модуля, 2 –напорная камера, 3 – мембрана, 4 – воздушный зазор, 5 – перегородка сплошная, 6 – камера охлаждения сплошной перегородки, 7 – насос, 8 – холодильник. I – входной поток, II – ретентат, III – продукт, IV – пары пермеата, V – циркуляционный контур.

Согласно схеме горячий исходный поток (I) поступает в напорную камеру (2). Пары воды (пермеат IV). проходя через пористую мембрану (3). поступают в воздушный зазор (4), образованный поверхностью мембраны и сплошной охлаждаемой перегородкой(5). Конденсат, образующийся на поверхности перегородке, стекает в сборник конденсата под действием силы тяжести(III). Ретентат(II) выводится из модуля и направляется в блок подготовки исходной воды (на схеме не показан). Камера охлаждения(6), образованная сплошной перегородкой и стенкой корпуса модуля(1), является частью контура охлаждения, включающего также циркуляционный насос(7) и холодильник(8). Для оптимальной и стабильной работы МД модуля такой конфигурации ширина воздушного зазора должна быть не менее 3 мм.

Оптимизация представленной схемы, направленная на устранение указанных выше недостатков, имела целью устранить сопротивление потоку паров пермеата, путем создания воздушного зазора шириной ≤ 1 мм и обеспечить эффективную работу МД модуля при любой ориентации в пространстве. Для достижения этих целей была предложена конфигурация универсального разделительного модуля (УРМ) с воздушным зазором для реализации термоградиентных процессов разделения водных растворов, содержащих как неорганические, так и органические компоненты. В предлагаемой конфигурации УРМ модуля (рис. 8) для образования воздушного зазора применена не сплошная, а пористая перегородка – конденсатор, образующая с мембраной (со стороны пермеата) воздушный зазор(4), а со стенкой корпуса аппарата – камеру конденсации (6).

Рис. 8. Принципиальная схема УРМ для реализации термоградиентных процессов (МД и ТПВ). 1 – корпус модуля, 2 –напорная камера, 3 – мембрана, 4 – воздушный зазор, 5 – перегородка-конденсатор пористая, 6 – камера конденсации, 7 – насос, 8 – холодильник. I – входной поток, II – ретентат, III – продукт, IV – пары пермеата, V – циркуляционный контур.

В соответствии с представленной схемой изготовлен лабораторный аппарат. В аппарате стенки корпуса образованы пластинами из нержавеющей стали толщиной 2 мм. Внутри сборки находятся рамки из капролона, в которых уложены мембраны и пористые перегородки, герметизированные по периферии силиконовыми прокладками. В рамки вмонтированы штуцеры из нержавеющей стали для ввода горячего потока, вывода ретентата и продукта. Общая рабочая площадь мембраны – 96 см2. Модуль подключен к системам циркуляции горячего и холодного потоков. Температуры горячего и холодного контуров поддерживается термостатами с точностью . Скорость циркулирующих потоков определяется расходомерами, количество конденсата – взвешиванием. Скорость прокачки исходного раствора составляла 18 л/ч. [14].

Согласно предложенной конфигурации УРМ воздушный зазор образован поверхностью разделительной мембраны со стороны выхода пермеата(3) и поверхностью охлаждаемой пористой перегородки-конденсатора(5). Замена сплошной охлаждающей перегородки на пористую, принципиально меняет порядок переноса образующихся паров, их конденсацию и вывод из УРМ. Выходящие из мембраны пары пермеата конденсируются в пористой перегородке-конденсаторе и проходят в камеру конденсации Рис.8 (6), образованной наружной (по отношению к воздушному зазору) поверхностью пористой охлаждаемой перегородки и стенкой корпуса модуля. При этом в воздушном зазоре (в этом случае его ширина может составлять ≤1 мм) исключается образование конденсата и блокирование им поверхности мембраны, так как в порах перегородки создается слабое разряжение циркулирующим охлаждающим потоком конденсата. Данная конфигурация УРМ предусматривает принудительный вывод конденсата из камеры конденсации циркулирующим потоком с последующим отбором из циркуляционного контура продукта (при запуске аппарата циркуляционный контур может быть заполнен, например, обычной пресной водой) перед входом потока в циркуляционный насос.

Принудительный вывод конденсата из камеры конденсации исключает необходимость вертикальной ориентации УРМ в пространстве, что также является преимуществом предлагаемой конфигурации.

В МД процессе использовали гидрофобные мембраны на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), которые обладают оптимальными свойствами (в первую очередь устойчивостью к гидрофилизации). В качестве исходных растворов применяли смесь хлорида натрия в дистиллированной воде концентрации (г/л) – 5,0; 10; 20; 40, которые имитировали природные воды в диапазоне от солоноватых до воды Красного моря. Соли кальция и магния не входили в состав исследованных растворов, поскольку в [15] было показано, что они не влияют на эффективность процесса МД морской воды. Концентрацию соли во всех растворах определяли по удельной электропроводности.

При оснащении УРМ органофильными мембранами со сплошным диффузионным (разделительным) слоем протекает другой термомебранный процесс, а именно термоперваполрация.

В настоящее время ТПВ представлена лишь на лабораторном уровне. Конструкция классического ТПВ модуля имеет те же недостатки что и МД модуль с воздушным зазором: блокирование воздушного зазора пермеатом, сложность масштабирования, использование только в вертикальном положении. Блокирование воздушного зазора наблюдается при малых значениях толщины воздушного зазора (<2,5 мм) в модулях классической конфигурации, где пермеат удаляется с поверхности конденсации под действием силы тяжести[13] (рис. 9). Невозможность дальнейшего снижения толщины воздушного зазора (<2,5 мм) приведет к дополнительным затруднениям массопереносу от мембраны к поверхности конденсации, а также к увеличению габаритов ТПВ модуля.

Рис.9. ТПВ модуль классической конфигурации.

Поэтому была предложена и исследована новая концепция ТПВ, которая позволит решить проблему блокирования воздушного зазора жидким пермеатом, при этом достичь максимальной компактности разделительного устройства. Принцип новой концепции ТПВ модуля и самого процесса представлен на рисунке 10. Главным отличием от классической конструкции ТПВ модуля является то, что поверхностью конденсации является не сплошная пластина, а пористая перегородка, как и в случае МД. В качестве хладагента в этом случае используют сконденсированный пермеат.

Рис. 10. Принцип работы ТПВ модуля новой конструкции.

Термопервапорационный модуль - 1; термостатируемая емкость с разделяемой жидкостью - 2; насос для циркуляции разделяемой жидкости - 3; термостатируемая емкость со сконденсированным пермеатом - хладагентом - 4; насос для циркуляции сконденсированного пермеата - хладагента - 5; проточная камера с разделяемой жидкостью - 6, мембрана - 7; камера конденсации – 8; конденсирующая пористая перегородка - 9; проточная камера со сконденсированным пермеатом - хладагентом – 10, поток пермеата через мембрану – 11, поток сконденсированного пермеата через пористую перегородку - 12.