Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты защиты гидросферы. Учебное пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ного тока диффузии электродной реакции соответственно, А/м

Величину ΔU

определяют для аппаратов, в которых анодное пространство отде-

лено от катодного диафрагмой или ионообменной мембраной. Для электролизеров с

диафрагмой справедливо выражение

ΔU

= I

где I — сила тока (А), протекающего через электролизер; R

— сопротивление диа-

фрагмы

)],/([

дд

nSR

βδρ

ρ — удельное электросопротивление электролита в порах диафрагмы с учетом газона-

полнения, Ом

м; δ — толщина диафрагмы, м; β — коэффициент извилистости пор, β =

1,2…1,3; S — поверхность диафрагмы, м

; п

— объемная пористость диафрагмы.

Падение напряжения, возникающее при прохождении тока через раствор, для ап-

паратов с плоскопараллельными электродами рассчитывают по закону Ома

ΔU

эл

= j

l ,

где j — плотность тока, А/м

; ρ — удельное сопротивление электролита, Ом

м; l —

расстояние между электродами, м.

Падение напряжения в проводниках ΔU

первого рода рассчитывают по закону

Ома, падение напряжения в контактах определяют с учетом материала контактирую-

щих пар металлов (по справочной литературе).

Электродиализаторы. Электродиализ — процесс сепарации ионов солей, осуще-

ствляемый в мембранном аппарате под действием постоянного электрического тока,

применяемый для опреснения высокоминерализованных сточных вод.

Электродиализатор разделен чередующимися катионитовыми и анионитовыми

мембранами, образующими концентрирующие (рассольные) и обессоливающие (дилю-

атные) камеры. Под воздействием постоянного тока катионы, двигаясь к катоду («—»),

проникают через катионитовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы,

двигаясь в направлении анода («+»), проходят через анионитовые мембраны, но задер-

живаются катионитовыми. В результате этого из одного ряда камер (например, четных)

ионы обоих знаков выводятся в смежный ряд камер.

Мембраны для электродиализатора изготовляют в виде гибких листов прямо-

угольной формы или рулонов из термопластичного полимерного связующего и порош-

ка ионообменных смол.

3.7. Мембранные аппараты для очистки сточных вод.

Методы мембранного разделения, используемые в технологии очистки воды, ус-

ловно делятся на микрофильтрацию, ультрафильтрацию, обратный осмос, испарение

через мембраны, диализ, электродиализ. Наибольшие успехи в отношении эффектив-

ности и технологичности очистки сточных вод от растворенных примесей достигнуты

при использовании обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа.

Обратный осмос (гиперфильтрация) — непрерывный процесс молекулярного

разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые

мембраны, задерживающие полностью или частично молекулы либо ионы растворен-

ного вещества. При приложении давления выше осмотического (равновесного) осуще-

ствляется перенос растворителя в обратном направлении (от раствора к чистому рас-

творителю через мембрану) и обеспечивается достаточная селективность очистки. Не-

обходимое давление, превышающее осмотическое давление растворенного вещества в

111

растворе, составляет при концентрации солей 2…5 г/л 0,1…1 МПа и при концентрации

солей 20…30 г/л — 5…10 МПа.

Ультрафильтрация — мембранный процесс разделения растворов, осмотиче-

ское давление которых мало. Этот метод используется при отделении сравнительно вы-

сокомолекулярных веществ, взвешенных частиц, коллоидов. Ультрафильтрация по

сравнению с обратным осмосом— более высокопроизводительный процесс, так как вы-

сокая проницаемость мембран достигается при давлении 0,2…1 МПа.

Очистка сточных вод предприятий целлюлозно-бумажной, химической, нефтехи-

мической и других отраслей промышленности гиперфильтрационным и ультрафильт-

рационным методами имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными метода-

ми очистки: невысокие энергозатраты, простота и компактность установок, возмож-

ность полной их автоматизации, высокая эффективность очистки, возможность повтор-

ного использования фильтрата и утилизации полученного концентрата. Недостатком

метода является необходимость проведения процесса при высоком давлении в системе.

Обратный осмос и ультрафильтрацию применяют в системах локальной обработ-

ки сточных вод при небольших их расходах для концентрирования и выделения отно-

сительно ценных компонентов и для очистки воды.

Аппараты для мембранных процессов подразделяют на четыре основных типа,

различающихся способом укладки мембран: аппараты с плоскими мембранными эле-

ментами, с трубчатыми мембранными элементами, с мембранными элементами рулон-

ного типа и с мембранами в виде полых волокон. Эти аппараты могут быть корпусны-

ми и бескорпусными. По положению мембранных элементов их делят на горизонталь-

ные и вертикальные; по условиям монтажа - на разборные и неразборные. В зависимо-

сти от конструкции аппаратов и схемы установок аппараты могут работать как в режи-

ме идеального вытеснения, так и в режиме идеального перемешивания.

Аппараты с плоскими мембранными элементами широко применяют для очи-

стки сточных вод. Они просты в изготовлении и сборке, но имеют невысокую удель-

ную производительность. Основой этих аппаратов является мембранный элемент, со-

стоящий из плоских (листовых) мембран, уложенных по обе стороны плоского порис-

того материала-дренажа, либо приготовленных непосредственно на его поверхности.

Расстояние между соседними мембранными элементами (межмембранное пространство

- канал, по которому протекает исходный раствор) невелико, в пределах 0,5…5 мм.

Разделяемый раствор последовательно проходит между всеми мембранными элемента-

ми, концентрируется и удаляется из аппарата. Часть этого раствора, прошедшая через

мембрану в дренаж, образует пермеат (фильтрат).

По форме мембранные элементы изготовляют круглыми (эллиптическими) и пря-

моугольными или квадратными. Форма элементов существенно влияет на организацию

потока разделяемого раствора над поверхностью мембран и на характеристики процес-

са разделения. Схема одного из аппаратов с плоскими мембранными элементами эл-

липтической формы и распределение потоков в нем схематически изображены на рис.

3.21.

112

Рис. 3.21. Схема устройства и распределения потоков в аппарате эллиптической фор-

мы:

1 - мембранные элементы; 2 - фланец; 3 - направляющие штанги; 4 - опорные пластины;

5 - мембраны; 6 - проточное кольцо; 7 - замковое кольцо; 8 - заглушка; 9 - шланг; 10 -

коллектор пермеата (фильтрата).

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами. Устройство аппаратов

этого типа определяется конструкцией комплектующих их мембранных элементов

(рис. 3.22). Эти элементы представляют собой пористые трубы (пластмассовые или ке-

рамические) с мелкопористой подложкой, на которую нанесены мембраны. Возмож-

ность очистки воды, содержащей взвешенные вещества, и удобство механической очи-

стки мембран — основные достоинства таких аппаратов, недостаток — низкая плот-

ность упаковки мембран (до 100 м

/м

). Трубчатый мембранный элемент состоит из

мембраны 2 и дренажного каркаса. Дренажный каркас изготовляют из трубки, являю-

щейся опорой для мембранного элемента и обеспечивающей отвод пермеата, и микро-

пористой подложки 3, исключающей вдавливание мембраны 2 в дренажные каналы

трубки под воздействием рабочего давления разделяемой смеси. Различают трубчатые

мембранные элементы с мембраной 2 внутри (рис. 3.22, а), снаружи (рис. 3.22, б) труб-

ки и с комбинированным (рис. 3.22, в) ее расположением.

113

Рис. 3.22. Трубчатые мембранные элементы:

а – с мембранами внутри трубки; б – с мембранами снаружи трубки; в – комбини-

рованная конструкция; 1 - трубка; 2 - мембрана; 3 - подложка; 4 - корпус.

Из аппаратов с трубчатыми мембранными элементами наибольшее применение

получили аппараты с мембраной внутри трубки. Недостаток аппаратов этого типа - ма-

лая удельная поверхность мембран в аппарате (60…200 м

/м

). При расположении мем-

браны снаружи трубки можно получить трубчатые мембранные элементы малых диа-

метров, что позволяет значительно увеличить удельную поверхность мембран в аппа-

рате. В аппаратах с комбинированным расположением мембран в трубчатых мембран-

ных элементах мембраны помещаются на дренажном каркасе как внутри труб, так и

снаружи их. Аппараты этого типа имеют наибольшую удельную поверхность мембран.

Аппараты с трубчатыми мембранными элементами нашли широкое применение

для разделения ультра- и микрофильтрацией растворов, в которых возможно образова-

ние осадка, а также для опреснения обратным осмосом воды с высокой концентрацией

солей.

Аппараты с рулонными мембранными элементами. Схема устройства аппара-

тов с рулонными мембранными элементами приведена на рис. 3.23.

114

Рис. 3.23. Многослойный аппарат со спиральной рулонной упаковкой мембран:

I — ввод исходной воды; II — вывод концентрата; III — вывод фильтрата (пресной во-

ды); 1 — мембраны; 2 — пористый или сетчатый материал (например, поропласт) для

отвода фильтрата; 3 - поропласт для подвода исходной (например, соленой) воды к

мембранам; 4 — кожух; 5 — водонепроницаемые стенки дренажных слоев; 6 — кол-

лектор фильтра.

Такие аппараты целесообразно применять производительностью до 4 тыс. м

/сут.

Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют высокую удельную поверх-

ность мембран (300…800 м

/м

), малую металлоемкость; многие операции при сборке

мембранных элементов могут быть механизированы. Недостатки аппаратов этого типа

- сложность монтажа пакетов некоторых конструкций, необходимость замены всего па-

кета при повреждении мембраны, высокое гидравлическое сопротивление как межмем-

бранных каналов, так и дренажного листа.

Аппараты с полыми волокнами. Эти аппараты нашли широкое применение для

разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией. Мембраны в виде по-

лых волокон для обратного осмоса обычно имеют наружный диаметр 45…200 мкм и

толщину стенки 10…50 мкм, а для ультрафильтрации - соответственно 200…1000 и

50…200 мкм. При таких размерах обеспечивается необходимая прочность волокон под

действием рабочих давлений, используемых при жидкофазном мембранном разделении

(до 10 МПа) или разделении газов.

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовле-

нии; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие ма-

лых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран -

до 20…30 тыс. м

/м

. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных

химических производствах, в производстве особо чистой воды, в пищевой промышлен-

ности, при очистке и разделении газов и т. д. Однако при эксплуатации этих аппаратов

предъявляют повышенные требования к предварительной очистке разделяемых смесей

от взвесей. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь

пучок волокон.

Аппараты с полыми волокнами можно разделить на следующие группы: с парал-

лельным расположением полых волокон, с цилиндрическими мембранными элемента-

ми, с U-образным расположением полых волокон (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Аппарат с U-образными мембранными полыми волокнами:

115

I — вывод фильтрата; II — вывод концентрированного раствора; III — ввод исходного

раствора; 1 — пористая подложка — дренаж фильтра; 2 — шайба с вмонтированными

концами волокон; 3 — корпус; 4 — полые волокна; 5 — крышка.

Аппараты с U-образным расположением пучка полых волокон длиной 1,5…2,0 м

просты в изготовлении и сборке, удобны в монтаже и эксплуатации, имеют низкую ма-

териалоемкость. Поэтому они нашли широкое практическое применение.

Среди основных недостатков аппаратов с U-образным расположением полых во-

локон следует отметить довольно сложную систему герметизации.

Все системы обратного осмоса требуют предварительной обработки исходных

сточных вод для снижения их мутности, цветности, щелочности и жесткости. Исход-

ную воду с повышенным содержанием железа и марганца не рекомендуется направлять

в системы обратного осмоса. Мембраны со временем все же загрязняются, и их техно-

логические характеристики ухудшаются. Для восстановления практически первона-

чальных свойств мембран используют механические, гидродинамические, физические

и химические методы их очистки.

Чтобы рассчитать необходимую поверхность мембран аппаратов проточно-

непрерывного действия, нужно знать расход исходной воды , концентрацию загряз-

нения и требуемую концентрацию конечного раствора x

(или фильтрата — очищен-

ной воды у

). Расчетная схема представлена на рис. 3.25.

Рабочую поверхность мембран заданного материала и качества можно найти, ис-

ходя из проницаемости , найденной экспериментально на лабораторной ячейке. При

заданном на основании предварительных опытов давлении (т.е., по существу, при за-

данной движущей силе процесса) величина в каждом сечении проектируемого

аппарата определяется гидродинамическим режимом движения раствора и его концен-

трацией

G ii −

в этом сечении:

(

)

QxfG ,

где Q — текущее значение расхода в любом сечении

−

;

G =−=

здесь — элемент поверхности мембраны в сечении

dF ii

−

; — убыль

концентрируемого раствора и соответственно добавка раствора к очищенной воде с

другой стороны мембраны на элементе ;

— текущее значение расхода очищен-

ной воды (фильтрата) в сечении

dWdQ −=

−

116

Рис. 3.25. К расчету проточных мембранных аппаратов.

Таким образом

)(xQf

dF −=−=

. (3.1)

Из баланса массы по растворенному компоненту (загрязнению) получим

−

, (3.2)

где - концентрация загрязнения в частично очищенной воде. ),( Qxgy =

Выразив из (3.2), проинтегрируем функцию (3.1) по поверхности в преде-

лах начальной и конечной концентраций исходного раствора:

dQ F

(

)

()

∫

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−+

−

−=

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−

−−=

кк

xxxcxG

xcxG

cxG

xQF

lnln

000

Таким образом можно определить требуемую рабочую поверхность мембраны

при заданных , , и эмпирически найденных значениях и . Для ацетатцел-

люлозных мембран проницаемость составляет соответственно 1,1*10

x c

-3

, 1,67*10

-3

2,78*10

-3

и 4,17*10

-3

кг/(м

с). Значение можно рассчитать из приближенного равен-

ства .

cxGG −≈

Перепад рабочего давления

на мембране обычно составляет 5…7 МПа для

процессов обратного осмоса и 0,3…0,8 МПа для ультрафильтрации. Эти величины яв-

ляются основными при определении общего развиваемого в насосе (силовом агрегате

мембранной установки) давления

. Составляющие

расходуются также на пре-

одоление гидравлического сопротивления потоку разделяемого раствора в каналах

мембранных аппаратов ( ) и потоку фильтрата в дренажах (

pΔ

дкн

pppp

117

Гидравлическое сопротивление

каналов, в которых часто используют сетки

для интенсификации перемешивания раствора, определяют по формуле

пкк

где , — гидравлическое сопротивление полого канала;

кп

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=Δ

пк

здесь

— коэффициент трения, зависящий от режима движения раствора; и dl

—

длина и эквивалентный диаметр канала;

— плотность раствора; — средняя ско-

рость движения раствора при убывающем расходе в канале;

10...5

— коэффициент

гидравлического сопротивления сетки в канале.

Сопротивление пористых дренажей также принято вычислять через :

кп

пкд

где

200...100

— коэффициент, зависящий от вида и пористости дренажного мате-

риала.

Истинную селективность мембран φ

по отношению к сильным электролитам

можно рассчитать по формуле

lg(1 - ϕ

) = a – b lg(ΔH

с.г.

) , (3.3)

где а и b — константы для данной мембраны при определенных давлении и температу-

ре; ΔН

с..г.

— среднее геометрическое значение теплот гидратации ионов, образующих

соль; Z

— валентность иона с меньшей теплотой гидратации.

В табл. 3.1 представлены характеристики ацетатцеллюлозных мембран для обрат-

ного осмоса, выпускаемых в РФ (характеристики установлены при перепаде рабочего

давления через мембрану Δр = 5 МПа и рабочей температуре t = 25

С, в качестве

удельной производительности по воде указаны средние значения за длительный период

эксплуатации; значения констант а и b отвечают размерности ΔH в кДж/моль).

Таблица 3.1

Характеристики ацетатцеллюлозных мембран

Константы уравнения (3.3)

Марка мембраны Удельная производи-

тельность по воде

кг/(м

с)

a 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

Обратноосмотические и ультрафильтрационные аппараты используют для непре-

рывной и периодической работы в прямоточных, циркуляционных, одноступенчатых и

многоступенчатых схемах потоков исходного раствора (сточной воды) и фильтрата

(очищенной воды).

Циркуляционные установки, обеспечивающие многократную циркуляцию разде-

ляемого раствора, позволяют повысить скорость потока раствора в каналах и снизить

тем самым отрицательный эффект концентрационной поляризации, а также пре-

дотвратить кольматацию (забивку) мембран. Многоступенчатые установки применяют

при очистке «тяжелых» стоков со значительной концентрацией солей или других при-

118

месей. При использовании таких установок уменьшение расхода раствора на каждой

ступени (в результате отвода фильтрата) должно быть в пределах 10…60 % исходного.

Пример 3.7. Спроектировать установку для концентрирования 5,56 кг/с водного

раствора СаСl

от концентрации 0,8 % до 30 % (маcc.). Первичное концентрирование

провести обратным осмосом, окончательное — выпариванием. Потери соли с пермеа-

том не должны превышать 10 % от ее количества, содержащегося в исходном растворе.

Решение. В аппаратах обратного осмоса раствор концентрируется от начальной

концентрации х

1н

= 0,8 % (масс.) до конечной х

1к

= 3,2 % (масс.). Степень концентриро-

вания K = х

1н

/х

1к

= 3,2/0,8 = 4.

В условиях длительной эксплуатации оптимальный перепад давления для поли-

мерных плоских мембран составляет 5…6 МПа, а для мембран в виде полых волокон

— 2…3 МПа.

Выбираем t = 25 °С, Δр = 5 МПа.

По табл. 3.1. выбираем для дальнейших расчетов мембрану МГА-90, имеющую

селективность по СаСl

= 0,945 и удельную производительность по воде G

= 3

-3

кг/(м

с).

Расход пермеата L

найдем по формуле:

= L

(1 – K

-1/ϕ

) ,

где L

— расход исходного раствора, кг/с.

Тогда

= 5,56(1 – 4

-1/0,945

) = 4,28 кг/с.

При концентрациях электролита, не превышающих 0,4 моль/л воды, можно счи-

тать, что удельная производительность по воде G

равна удельной производительности

по пермеату G, доля свободной воды с

= 1, вязкость пермеата равна вязкости воды и

не меняется в процессе концентрирования раствора.

В этих условиях для удельной производительности по пермеату G применимо

уравнение

G = A[Δp – (π

- π

)] , (3.4)

где А = G

/Δp — константа проницаемости мембраны по воде; G

– удельная произво-

дительность по воде, кг/(м

с); Δp – перепад рабочего давления через мембрану; π

–

осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны; π

– осмоти-

ческое давление пермеата.

В первом приближении пренебрегаем влиянием концентрационной поляризации и

будем считать, что осмотическое давление у поверхности мембраны равно осмотиче-

скому давлению π

в объеме разделяемого раствора: π

= π

. Примем также, что осмо-

тическое давление пермеата пренебрежимо мало: π

= 0.

С учетом этих допущений перепишем выражение (3.4) в виде:

G = G

(1 - π

/Δp).

По графику (рис. 3.26) находим π

1н

= 0,46 МПа; π

1к

= 2,0 МПа.

119

Рис. 3.26. Зависимость осмотического давления водного раствора СаСl

от его

концентрации при температуре 25

Удельная производительность на входе разделяемого раствора в аппараты обрат-

ного осмоса и на выходе соответственно равна:

= G

(1 - π

1н

/Δp) = 3

-3

(1 – 0,46/5) = 2,7

-3

кг/(м

с);

= G

(1 - π

1к

/Δp) = 3

-3

(1 – 2/5) = 1,8

-3

кг/(м

с).

В первом приближении принимаем, что средняя удельная производительность

мембран может быть выражена как средняя арифметическая величина:

G = (G

+ G

)/2 = (2,7 + 1,8)10

-3

/2 = 2,25

-3

кг/(м

с).

Тогда рабочая поверхность мембран составит:

F = L

/G = 4,28/(2,25

-3

) = 1900 м

3.8. Ректификационные установки для очистки сточных вод.

Ректификацию как эвапорационный метод применяют для очистки сточных вод

коксохимических, химических заводов, заводов синтетического каучука и др.

Сущность процесса ректификации состоит в выделении из смеси двух или не-

скольких жидкостей с различными температурами кипения одной или нескольких жид-

костей в более или менее чистом состоянии. Это достигается многократным тепло- и

массообменом между жидкой и паровой фазами; в результате часть легколетучего ком-

понента переходит из жидкой фазы в паровую, а часть менее летучего компонента - из

паровой фазы в жидкую.

Азеотропная ректификация основана на свойстве многих химических соединений

образовывать азеотропные, нераздельнокипящие смеси с водой.

Процесс ректификации осуществляется в ректификационной установке (рис. 3.27),

состоящей из ректификационной колонны 2, дефлегматора 3, холодильника 4, подогре-

вателя исходной смеси 1, сборников дистиллята 5 и кубового остатка 6. Дефлегматор,

холодильник и подогреватель представляют собой обычные теплообменники. Основ-

ным узлом установки является ректификационная колонна, в которой пар поднимается

снизу вверх, а сверху вниз стекает жидкость, подаваемая в верхнюю часть аппарата в

виде флегмы. В большинстве случаев конечными продуктами являются дистиллят

(сконденсированный в дефлегматоре пар легколетучего компонента, выходящий из

верхней части колонны) и кубовый остаток (менее летучий компонент в жидком со-

стоянии, вытекающий из нижней части колонны).

120