Разделение многокомпонентных водно-спиртовых смесей испарением через мембрану тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Палеев, Денис Леонидович

• Палеев, Денис Леонидович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Палеев, Денис Леонидович

Введение.

1. Литературный обзор

1.1 Применение испарения через мембрану.

1.2 Особенности иервапорации.

1.3 Физико-химические основы процесса и его модели.

1.4 Факторы, влияющие на процесс иервапорации.

1.5 Типы мембран и требования к ним.

1.6 Типы мембранных модулей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разделение многокомпонентных водно-спиртовых смесей испарением через мембрану»

Актуальность проблемы. Активное развитие химической, нефтехимической и других отраслей промышленности повышает роль процессов разделения смесей в существующих и новых производствах. Возникает необходимость внедрения новых эффективных, экономичных и экологически чистых способов разделения.

Метод разделения жидких смесей испарением через мембрану (первапорация) позволяет эффективно разделять вещества с близкими химическими свойствами, азеотропные и термоиестабильные смеси. Первапора ционные мембраны не имеют пор и не нуждаются в периодических промывках. Практический опыт промышленного использования метода показал его эффективность для разделения во дно-спиртовых смесей, углеводородов и в других случаях.

Наряду с указанными преимуществами метод перваиорации имеет ряд особенностей, которые препятствуют его более активному использованию. Мембраны имеют относительно низкую производительность, обусловленную малой скоростью диффузии компонентов через селективный слой. Другой особенностью является наличие в процессе стадии испарения исходной смеси, что требует затрат тепловой энергии на нагрев и поддержание рабочей температуры в условиях активной теплоотдачи испарения. В связи с этим возникает потребность в создании нового поколения энергосберегаюгцего технологического оборудования с повышенной производительностью.

Анализ литературных данных показывает недостаточность теоретического изучения процесса, существующие математические модели не являются универсальными. До недавнего времени исследования касались главным образом разделения бинарных смесей. Влияние на процесс различных добавок в бинарных смесях и особенности разделения многокомпонентных растворов исследованы мало, практические методики расчёта таких систем отсутствуют. Поскольку к многокомпонентным относится большинство разделяемых в промышленности смесей, то глубокое изучение этого вопроса является актуальной задачей как в теоретическом плане, так и в целях более широкого практического внедрения метода в промышленности.

Цель и задачи исследования. Настоящая работа посвящена исследованию разделения многокомпонентных жидких смесей испарением через мембрану. Её целью является;

- изучение возможности применения для первапорации отечественных ионообменных мембран и исследование их свойств при разделении трёхкомпонентных водно-спиртовых смесей в зависимости от температуры и состава рабочей смеси;

- создание математической модели процесса разделения трёхком-понентной смеси;

- выявление особенностей многокомпонентной первапорации, её отличий от бинарной и создание методики оптимизации такого процесса;

- разработка конструкций технологического оборудования для проведения первапорации;

- разработка методики инженерного расчёта мембранного аппарата.

Научная новизна:

- представлены экспериментальные данные по разделению методом первапорации бинарных и трёхкомнонеитных водно-спиртовых смесей на ионообменных мембранах при различных температурах и составах рабочей смеси;

- определена оптимальная методика обработки эксперименталь-ных данных;

- получены математические зависимости для определения основных технологических показателей работы мембраны от условий проведения процесса (температуры и состава смеси);

- для графического отображения показателей разделения трёх-компонентных смесей в зависимости от их состава предложено использовать графики в симплексной системе координат;

- предложена конструкция мембранного аппарата для первапорации бинарных и многокомпонентных смесей повышенной производительности и экономичности;

- разработана методика инженерного расчёта предлагаемого мембранного аппарата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения,

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Палеев, Денис Леонидович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. По литературным источникам выполнен обзор исследований процесса, первапорации, изложены фш'ико-хймическне основы, рассмотрены проблемы математического описании метода и предложен новый подход к моделированию процесса;

2. Предложена методика подбора апроксимирующей функции и найдена функциональная зависимость основных характеристик работы мембраны от состава и температуры бинарной смеси.

3. Проведён анализ экспериментальных данных и выбрана рацио» . нальная методика планирования экспериментов по разделению трёхкомпонентных смесей.

4. Определены функциональные зависимости основных характеристик работы мембраны от состава трёхкомгюнентном смеси.

5. Для отображения зависимостей свойств мембраны от состава трёхкомиошшпых смесей предложено использовать трафики в симплексной системе координат.

6. На основании анализа экспериментальных данных сделан вывод о значительном росте межкомпонентного взаимодействий в трёхкомионентных смесях по сравнению с бинарными.

7. Предложен способ влияния на. селективность разд ством введение в рабочую смесь дополнительного компонента.

8. Разработана и запатентована конструкция универсального спирального мембранного аппарата для разделения бинарных и многокомпонентных смесей методом первапорации.

9. Предложена методиха ~ Г * тм * 1 бранного аппарата.

10. Создана ¡триграмма расчёта спирального мембранного аппарата на ЭВМ.

167

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Палеев, Денис Леонидович, 1998 год

1. Дытнерский Ю.И. Мембранные процессы разделения жидких-»•» »лллй- 'К А 1 ОТ С

2. Николаев Н.И. Диффузия в мембранах. -М.: Химия, 1980.

3. Kahlenberg Li. //J.Phys. Chem. 1906. Т. 10. P.14M48.

4. Braschke H.E.A., Tusel G.T., Boddeker K.W. e.a. /Wenzlauff А Proc. 5th Int, Alcohol Fuel Tech. Symp. Auckland New Jcaland. May 13-18. 1982.

5. Götz В. Мембранный процесс- разделение жидкости испарением. // Chemie for Labor und Betrib. 1986.-T.37. № 1.ч 1 A ^ 1

6. Meares Patrik. Промышленное применение мембран. //Cliem.Eiig.-1986. №422. P.38-40.

7. Schneell W.J. Filtr &c Separ. //Technol News. 1988. ¥.25. №9. P.278.

8. Заявка, на изобр. № 1126307 (СССР).

9. Martin Franke. Auslegung und Optimierung von Pervaporationsanlagen zur Entwässerung von Ln,s"ungmittei gemi sehen

10. Fleming H.L. II Int. conf. of Fuel Alcohols and Chemicals. Guadalajara. Mexico. 1989.

11. Mokhtari E.Nejad, Schneider W. //Membrane and Membran Processes. Plenum Press. New Jork. London. 1986. P.537-579.act ИЗиир. J\2 tjuj^-to А ).

12. Zhu Changliio L., Мое X. Wei //Disaiination. 1987. V.62. P.299-313.

13. Испарение через мембрану как альтернатива азеотропиой ректификации. Дытнерский Ю.И., Быков Й.Р. // Хим. пром. ~ 1989." №9. -С.9-15.

14. Дытнерский Ю.И., Быков ПР. Хим. пром. 1995. № 8. С.27.

15. Панков СИ, Ефимова С.Г. О кажу щей плотности поливинилового спирта в плёнках, полученных через стадию студня. Коллоид, ж. 1967. Т.29. С.202-206.

16. Лепилкина Л.А. Исследование структуры механических свойств влажных материалов в процессе сушки. Каыд.дисс. М. МИТ XT им. М.В. Ломоносова. 1955.

17. Волгин В.Д., Дытнерский Ю.И., Плановский AIT. О механизме течения воды через целлофановые мембраны. Колоидн. ж. 1968. Т.30. № 3. С.342-347.

18. Carman P.S.//Ргос. Roy. Soc. 1952, №А211 P.526-538.

19. Лыков A.B. Явления переноса в капилярно-пористых телах. Гостехиздат. 1954.

20. Агеев ETI., Смирнов B.C. Осцилляция проницаемости и селективности асимметричных мембран из поливинил.три.метилсилана II. Механизм процесса. //Журнал физической химии. 1987, Т.60. № 7. С.1903-1906.

21. Агеев Е.П., Вершу бский A.B. Математическая модель колебательного режима работы асимметричной мембраныполиви'аилтриметилсйлана //Высокомолек. сое д. сер.Б. 1987. Т.29. С.344-346.

22. Ageew Y.P., Vershoubsky A.V., Smirnov Y.S. The oscillating mode of operation of asymmetrical polyvmyltrimethylsilane (PVTMS) Membrane //int.Symp. on membranes for gas and vapour separation. 1989. Susdal. USSR.

23. Волгин A.Д. //Теоретич. основы хим. технол. 1978. Т. 12. №3. С.285-287.

24. Stern S.A., Fang S.M., Jobbins R.M. J. MacromoL Sci-Phis. B. 1971. V.5. № 3. P.41-70.

25. Rautenbach R., Albrecht R. //J. Membrane Sei.-1980. 7. P.203-223.

26. Greenlaw F.M., Sheldon R.A., Thompson E.V. //J. Membrane Sei. 1977. V.2P.33.

27. Fovre E., Nguen Q.T., Clement R., Schaetzel P., Neel J. An analysis of sorption of solvents and nou solvents into dense eiastomerie membranes; validity and limitations of Floiy-Huggms theory. ICOM-93. P.5-17.

28. Ling Q., Guo-Lang J., X. Ren-Xian. Sorption, diffusion and pervaporation of organics in siloxsane-polysulfone membrane. ICOM-93. P.5-27.

29. Mulder M.H.Y., et al. //J.Membr. Sei. 1982. V.ll.P.349-363.

30. Barton A.F.M. //Chem. Rev. 1975. Y.75. P.731-753.

31. Paul D.R. //J. Polym. Sei. Polym. Phys. Ed, 1974. V.12. P. 12211230.

32. Aptel P., Cuny J., Jozefovicz G., Morel G., Neel J. //J.Appl. Polym. Sei. 1974. V.18.P.365.

33. Fujita H. //Fortshr. Hochpolym. Fofsch. 1961. V.3. P. 1-47.

34. Felse M. /ZAIClxE Symp. Sep. 1972. V.68. № 120. P.49-57.

35. Felse M.? Huang P.Y.M. HI Macromol. Sei. 1971. У.5. №1 P.89-110.

36. Кениг Е.Я. //Теор. основы хим. технологии-1994. T.28. №3. С.223-242.

37. Кафаров B.B. Основы массопередачи. М.:Выешая школа. 1979.

38. Туревский E.H., Александров И.А. //Инж.-физ. журнал. 1972.1. Т.23. № 6. С, 1012

39. Туревский E.H., Александров И.А., Гореченков В.Г. /./Хим. и технол. топлива и масел. 1973. № 5. С.34.

40. Кафаров В.В. Методы кибирнетики в химии и химической технологии. М.:Химия. 1985.

41. Кениг Е.Я., Холпанов Л.П., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М. /АГеор. основы хим. технол. 1982, Т. 16. № 6. С.729.

42. Холпанов Л.П., Кениг Е.Я., Малюсов В.А., Жаворонков Н.М. //Докл. АН СССР. 1985. Т.280. 3. С.684.

43. Bell С. Gerner F.L Strathmann H. /Д. Membr. Sei. -1988. №36. Р.315-325.

44. Rautenbach R, Welsch K. //ÎVkscliinenmarkt-1993-99. №41. C.18-23.

45. Larcher C., Bulvestre G., Gullou J. //XMembr. Sei. 1984. V. 17.1.« Л ,

46. Schissel P., OrlliR.A. //J.Membr. Sci. 1984. V.17. P. 109-120.

47. Дыт.ПАХТ Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химическом технологии: Учебник для вузов. Часть. 2. Массообменные процессы и аппараты. М.:Химия. 1992,

48. Голиков Б.И., Чалых А.Е. В кн.: Диффузионные явления в полимерах. Тезисы докл. III Всесоюзной конференции. Часть 1. Рига. 1977. С. 122.

49. Mulder M.H.V., Frankerk А.С.М., Smolders С.А. ill. Membr. Sci. 1985. V.23. P.41-58.

50. Лебедев С.P., Манин B.H., Ковалкин M.A. В кн.: Тезисы докл. II Всесоюзной конференции по мембранным методам разделения смеей. Владимир. 1977. С.55

51. Ю.И. Дытнерский. Труды МХ'ГИ им. Д.И. Менделеева. 1966. № 51. С.39-40.

52. Zu Wei, Ji Wanchano, Lin Мое. //Congress on membranes and membrane proc. Tokyo. 1987. P.490-49I.

53. Hennepe H.I.G., Bargeman D.; Mulder M.NH.V., Smolder C.A. //Congress on membranes and membrane proc. Tokyo. 1987. P.484.

54. Uragami Tadashi, Saito Masahara, Tokigawa Katsumi. Исследования синтеза и проницаемости мембран на основе специальных полимеров. //Makrornol. Chem. Rapid. Commun. -1988. V.9. № 5. P.361-365.

55. Mochizuki A., Sato J., Ogawara H,, e.a. Разделение смесей спирт-вода через модифицированные полисахаридные мембраны.5 Q /,164

56. Congress on membranes and membrane proc. Tokyo. -1987. P.4-92493.

57. Bluirie I.? Wijmans J.G., Baker R.W. //J.M.Sci. 1990. Y.49. P.253.

58. Volkov V.V., Fadeev A.G., Comb-shaped polimers: aggregation state molecular mobility and pervaporation properties /ЯСОМ-93. P.5.40.

59. Коган В.Б. Азеотропная к экстрактивная ректификация. Л.: Химия. 1971.

60. Людмирская Г.С. Равновесие жидкость-пар. Справочник. Л. :Химия. 1987. С.5.

61. Zhang S.s Drioli Е. //Separation Sci. Tech. 1995. V.30. № 1. P. l.

62. Mulder M.H.V., Franken I., Smolders C.A. //J. Member. Sci. 1985. V.22. P. 135.

63. Муштаев В.И., Трифонов С.А., Тырин И.В. //Инж. физ. ж. 1997.1. Т.70. № 1.С.55.

64. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М., «Наука», 1976, 390 с.

65. Исследование свойств мембран при разделении смеси изопропанол- вода методом первапорации. Палеев Д. Л.,

66. Трифонов С,А., Муштаев В.И. Труды. МГАХМ: Состояние ж перспективы научных работ в химическом машиностроении. -М: МГАХМ. 1997." Вып. 1. с. 79-80.

67. Разделения многокомпонентных смесей методом первапорации. Пале ее Д. Л, Трифонов СЛ., Тырип Н.В, Муштаев В.И / Труды МГАХМ.-М: МГАХМ. 1997,- Вып. 2. с, 15-18. МГАХМ.~М: МГАХМ. 1991,-Вып. 2. с. 7-10.

68. Подход к разделению многокомпонентных смесей за счёт первапорации. Трифонов С,А., Палеев Д.Л., Тырин Н.В, Муштаев В.И. /Хим. пром. № 8. 1997. с. 546-551.

69. Разделение бинарных смесей испарением через мембрану. Трифонов С.А., Палеев Д.Л., Муштаев В.И. / Хим. и нефтегазовое машиностроение №7. 1998. с. 3-6.

70. Смирнов Н.В., Дунин-Барковский И.В. Курс тории вероятностей и математической статистики для технических приложений. М.: Наука. 1969. 512 С,

71. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений . Л. Наука. 1974. "108 С.

72. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов надюдений. М.; Наука. 1970. 104 С.

73. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. Теория и расчёт. -М.: Химия. 1976.-271с.

74. Барановский Н.В., Коваленко Л.М., Яетребенецкий А.Р. Пластинчатые м спиральные теплообменники. -М.: Машиностроение. 1973. -288с.

75. Выгодский М.Я. Справочник но высшей математике. 6-е изд. перераб и доп. -М: Из-во физ-мат. литер. 1962,- 870 с.

76. Теплопередача: Учеб. для вузов / Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. 4-е изд., перераб. и доп. -М: Энергоиздат. 1981.416 с.

77. Заявка на изобр. № 2010592 (ФРГ)

78. Плановский А.Н., Нтйгаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учеб. для вузов. 3-е изд., пеераб. и дон. -М: Химия. 1987. --496.

79. Расчёт спиральною мембранного аппарата. Палеев Д.Л, Трифонов С. А., Муштаев В.Й. Мат. моделированиересурсосберегающих и экологически безопасных технологий: Сборник научных статей. -М: .МГУИЭ, 1998, с. 109-119.

80. Разделение многокомпонентных смесей испарением через мембрану. Палеев Д.Л, Трифонов С.А., Муштаев В.И / Труды МГУИЭ: Процессы и аппараты хим. и биологической технологии. М.:МГУИЭ. 1998. -вылЛ. С.84-88.

81. Shaban H.I. //Chem. Eng. and Process. 1996. ¥.35. №6, P.429.

82. Хванг C.T., Каммермейер К. Мембранные процессы разделения.1. Химия. 1981.

83. Заявка на изобр. № 1286097 (США)

84. Заявка на изобр. № 2010592 (ФРГ)

85. Заявка на изобр. № 3841716 (ФРГ)

86. Заявка на изобр. № 3905924 (ФРГ)

87. Заявка на изобр. № 3927787 (ФРГ)

88. Быков И.Р. Разработка процесса разделения азеотрошшх водноспиртовых смесей испарением через мембрану. Канд. дисс. М. 1995. -158 с.

89. Андрюхова М.В. Разработка технологии разделения водных смесей С2-С4 сочетанием ректификации и первапорапии. (на примере смеси изоиропанол- вода). Канд. дисс. Барнаул. 1994.» 155 с.100 Патент № 2113892 (Россия)101 Патент № 2114688 (Россия)

90. Чалых А.Е. -выс&омолек. сое д. 19,75. Т.17Б. № 3. С.215-21.9.