Выпускная квалификационная работа. Тема: Новый термо-мембранный процесс для очистки воды от солей и летучих органических соединений. Направление:010900 – Прикладные математика и физика (стр. 1 )

Московский государственный университет им. Факультет фундаментальной физико-химической инженерии Институт нефтехимического синтеза им. РАН

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Тема: Новый термо-мембранный процесс для очистки воды от солей и летучих органических соединений.

Направление:010900 – Прикладные математика и физика

Выполнил студент гр. 401 ______

Научный руководитель к. х.н ______

Москва 2016

Оглавление:

Введение. 3

Литературный обзор. 3

Термопервапорация. 3

Мембранная дистилляция. 3

Экспериментальная часть. 3

Результаты и их обсуждение. 3

Выводы: 3

Список литературы.. 3

Введение

Бутанол – это важный компонент химической промышленности. Примерно половина производимого сейчас бутанола и его производных (гликолевых эфиров, эфиров с акрилатом и метакрилатом, бутилацетат) используются в качестве растворителей в лакокрасочной промышленности, а также при создании пластиков и резиновых композиций. Мировой рынок синтетического бутанола на данный момент составляет около 5 миллиардов долларов в год и ежегодно возрастает примерно на 4 %. Российская Федерация является крупным производителем и экспортером бутилового спирта. За 2015 год экспорт бутанола оценен на уровне 12,5 тыс. тонн. [1]

Бутиловый спирт может быть получен ферментационным методом на основе возобновляемого сырья (биомассы), так называемый биобутанол. Пик производства биобутанола приходится на 1950-е годы, однако уже в 1960-е его вытеснил синтетический аналог по причине увеличения цен на растительное сырье и развития технологии его производства в нефтехимии.

На данный момент интерес к биологическому методу получения бутилового спирта вновь увеличился, что связано со следующими основными причинами: расширение возможностей использования воспроизводимых ресурсов для сырья, необходимость снизить выбросы вредных веществ в атмосферу. На сегодня во многих развитых странах ведутся интенсивные исследования по созданию наиболее выгодного получения биобутанола с экономической и технической точки зрения, которые снизят себестоимость продукта по сравнению с уже существующими аналоговыми методами получения синтетического бутанола.

Существует несколько способов выделения биобутанола из ферментационных смесей, одним из которых является анаэробная ферментация (брожение) – это процесс, который протекает под действием ферментов. В результате такого брожения образуются органические соединения (спирты, кетоны и др.), водород, углекислый газ и выделяется энергия. Такой процесс обычно протекает в одноклеточных грибах или бактериях. Наряду с молочной, уксуснокислой, этанольной ферментациями существует ацетон-бутанол-этанольная ферментация (АБЭ-ферментация). Последняя является весьма сложным процессом с технологической точки зрения по сравнению с другими ферментациями. В АБЭ-ферментации серьезную проблему составляет ингибирующие воздействие конечного продукта, в связи с этим содержание бутанола в смеси должно быть менее двух массовых процентов

На сегодняшний день существуют два направления в исследованиях по усовершенствованию существующих процессов получения биологического бутилового спирта:

- получение более устойчивых и продуктивных штаммов микроорганизмов к органическим продуктам.

- разработка новых способов непрерывного выделения ингибирующих продуктов из ферментационной смеси.

В этой работе будет рассмотрен только второй подход, так как именно развитие наиболее эффективных методов непрерывного выделения бутанола из ферментационной смеси позволяет значительно понизить затраты на ферментационное получение биологического бутанола. Вывод бутанола в процессе ферментации позволяет увеличить производительность ферментера, снизить ингибирующее воздействие бутилового спирта на бактерии, также одновременно снижаются энергетические затраты на последующее получение конечных продуктов методом дистилляции

.

Мембранная дистилляция (MД) – это гибридный разделительный процесс, протекающий с изменением фазового состояния и с последующим отделением паровой фазы на пористой гидрофобной мембране [2].

Этот процесс применим для многих необходимых на сегодняшний день процессов: очистка сточных вод, опреснение морской воды, разделение летучих соединений и т. п. В отличие от других гибридных процессов разделения MД обладает уникальными особенностями: 100% (теоретическое) удерживание нелетучих компонентов разделяемых смесей, умеренные эксплуатационные параметры, нечувствительностью к концентрационному составу разделяемого потока и химической стойкостью к воздействию примесей-загрязнителей [3]. Этот процесс перспективен для производства высокочистой воды, концентрирования ионных, коллоидных и др. нелетучих водных растворов и для удаления из водных растворов следов летучих органических соединений при очистке сточных вод [4].

Целями данной работы являются: разработка нового универсального разделительного модуля (УРМ), применимого для двух разных процессов(мембранная дистилляция и термопервапорация), в зависимости от применяемой разделительной мембраны; исследование нового гибридного термопервапорационного (ТПВ) метода выделения бутанола из реальных АБЭ ферментационных смесей, с применением промышленных первапорационных мембран и мембран на основе поли(1-триметилсилил-1-пропин)а (рис 1); исследование новой конфигурации МД модуля при разделении растворов хлорида натрия в дистиллированной воде с использованием мембраны на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ)(рис. 2).

Рис.1. Поли(1-триметилсилил-1-пропин) (ПТМСП)

Рис.2. Политетрафторэтилен (ПТФЭ)

Литературный обзор

Мембранные процессы являются достаточно новыми методами разделения. На сегодняшний день мембранная фильтрация используется широко, и сфера ее применения только растет.

Существует множество мембранных процессов (микрофильтрация, обратный осмос, первапорация, мембранная дистилляция и др.), которые базируются на различных принципах разделения. Но все мембранные процессы имеют нечто общее, а именно мембрану. Она представляет собой избирательно-проницаемый барьер между различными фазами (рис.3).

Рис. 3. Общая схема мембранного процесса.

Поток сырья в мембранных процессах разделяется на две части, а именно на проникающий через барьер пермеат и оставшийся после этого ретентат (рис. 4).

Рис. 4. Разделение сырьевого потока на пермеат и ретентат.

Разделение достигается благодаря тому, что один компонент из сырьевой фазы переносится через мембрану с большей скоростью, чем другой компонент или компоненты. Однако, стоит отметить, что в общем случае мембрана не является совершенным или идеальным селективно проницаемым барьером.

Эффективность некоторой мембраны можно определить двумя параметрами, а именно потоком через мембрану и селективностью. Поток, или скорость проницания, определяется как единица массы, протекающий через единицу времени и единицу площади.

Селективные качества мембраны по отношению к разделяемой смеси можно выразить либо задержанием (R), либо фактором разделения (α). Для водных смесей, которые состоят из растворенного вещества и растворителя, селективность будет удобно выразить в терминах задержания R по отношению к растворенному веществу. Молекулы растворенного вещества полностью или частично задерживаются, а растворитель свободно проходят через селективный барьер. Задержание определяется соотношением:

(1)

где с1 – это концентрация растворенного вещества, с2 – это концентрация растворенного вещества в пермеате. Задержание R является безразмерным параметром, следовательно, нет никакой зависимости от единиц, в которых выражается концентрация. Параметр R изменяется от 0% (свободное прохождение растворенного вещества и растворителя через мембрану) до 100% (растворенное вещество полностью задерживается).

Селективные качества некоторой мембраны по отношению к газовым смесям органических жидкостей удобно выразить в терминах фактора разделения α. Фактор разделения для смеси, состоящей из компонентов 1 и 2, выражается соотношением:

(2)

где у1 и у2 – концентрации компонентов 1 и 2 в пермеате, а х1 и х2 – концентрации этих же компонентов в сырьевом потоке. Концентрации могут выражаться как массовые концентрации (сi), так и молярные концентрации (ni).

Фактор разделения α всегда выбирается таким образом, чтобы он был больше единицы. Поэтому, если скорость потока компонента 1 через мембрану больше, чем компонента 2, то фактор разделения определяется как α1/2; если компонент 2 проникает быстрее - определяется как α2/1. Если α1/2 = α2/1, разделения нет[5].

Чтобы описать баланс между проницаемостью и селективностью разделения, вводится критерий качества мембраны – индекс первапорационного разделения (Pervaporation Separation Index (PSI)):

(3)

где J – скорость проницания компонента через мембрану [6].

Термопервапорация

Максимальное количество энергии, которая может понадобиться для производства бутанола, определяется энергией его сгорания (36,2 МДж/кг). При этом стоит отметить, что стадия выделения бутанола из ферментационной смеси вносит весомый вклад в величину энергии, необходимой для производства бутилового спирта. Промышленностью поставлена задача снизить энергию выделения бутанола из ферментационных смесей до 10 % от энергии сгорания, то есть энергия выделения бутанола должна составлять 3,6 МДж/кг.