Процессы мембранного разделения смесей презентация

Содержание

Для процессов разделения жидких смесей применяют – перегонку, ректификацию, экстракцию, адсорбцию и др. Метод разделения жидких смесей с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы) является одним из наиболее универсальных.

Слайд 1ЛЕКТОР – К.Х.Н., ДОЦЕНТ КАРЕВ В.Н.
Ваш логотип

Слайд 2Для процессов разделения жидких смесей применяют – перегонку, ректификацию, экстракцию, адсорбцию

и др.

Метод разделения жидких смесей с использованием полупроницаемых мембран (мембранные методы) является одним из наиболее универсальных.

Слайд 3
Обратный осмос – это способ разделения растворов путем их фильтрования под

давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие растворитель и задерживающие молекулы или ионы растворенных веществ.

Слайд 4
Ультрафильтрацией называется процесс разделения, фракционирования и концентрирования растворов с помощью полупроницаемых

мембран. При этом жидкость непрерывно подается в пространство над мембраной под давлением 0,1–1,0 МПа.

Слайд 5Принцип процесса разделения жидких и газообразных сред


Исходный поток
Концентрированный поток
Очищенный поток
Главное свойство

мембран – способность разделять компоненты
смесей

Слайд 6Ультрафильтрация выделяют молочные белки из вторичных продуктов молочной промышленности и ценные

вещества из других пищевых растворов.
Ультрафильтрация сырого сахарного сока позволяет получить чистый, свободный от коллоидов фильтрат, идущий непосредственно на кристаллизацию сахарозы.
Ультрафильтрация заменяет пастеризацию пива. Из пива удаляются бактерии и высокомолекулярные вещества, ухудшающие его качество и снижающие стабильность. Стоимость обработки пива этим методом в 2,5 раза ниже, чем пастеризацией.
Обработка виноградных вин обратным осмосом позволяет решить вопрос их стабилизации.
Обратным осмосом концентрируют яичный белок

Слайд 7Процессы мембранного разделения
Принципиальная схема мембранного разделения: 1 – аппарат; 2

– мембрана


Ретентант – это часть потока жидкости, которая задерживается и не проходит через мембраны. Пермеат – фильтрат.

Слайд 8Основные параметры процесса мембранного разделения
Проницаемость, или удельная производительность, равная массовому расходу

пермеата* через единицу поверхности мембраны, определяет скорость процесса мембранного разделения.

*Фильтрат

Слайд 9Основные параметры процесса мембранного разделения
Селективность процесса мембранного разделения может быть охарактеризована

с помощью фактора разделения:

где хА , хВ – мольные концентрации компонентов А и В в исходной смеси;
уА, уВ – мольные концентрации компонентов А и В в пермеате.
Селективность может быть также выражена коэффициентом








9

Слайд 10Основные параметры процесса мембранного разделения
Для разбавленных растворов, когда хВ =1 и

уВ =1, значение αАВ и ϕ связаны соотношением ϕ=1- αАВ.
Селективность характеризует эффективность процесса мембранного разделения.
К основным мембранным методам разделения относятся обратный осмос, ультрафильтрация, испарение через мембрану (первопарация), диализ, электродиализ, диффузионное разделение газов.




10

Слайд 12Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией
Схемы массопереноса через мембрану:
а

– осмос; б – равновесие; в – обратный осмос (π – осмотическое давление)


11

Слайд 13Теоретические основы разделения обратным осмосом и ультрафильтрацией
В основе метода лежит явление

осмоса – самопроизвольного перехода растворителя через мембрану в раствор (рис. а) до достижения равновесия (рис. б).
Давление, при котором оно устанавливается, называется осмотическим.
Если со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое (рис. в), то перенос растворителя будет происходить в обратном направлении, что нашло отражение в названии процесса «обратный осмос».

Слайд 14Движущая сила обратного осмоса
Движущую силу ∆р обратного осмоса в случае

применения идеально селективной мембраны (т. е. при (φ = 100 %) определяют разностью рабочего давления р и осмотического давления раствора π1, т. е.
Δр = р - π1,
Так как мембраны не обладают идеальной селективностью и наблюдается некоторый переход через них растворенного вещества, при расчете движущей силы учитывают осмотическое давление π2 фильтрата, прошедшего через мембрану:



Слайд 15Разделение обратным осмосом осуществляется без фазовых превращений, поэтому расход энергии процесса

невелик и приближается к минимальной термодинамической работе разделения.
Эта работа L расходуется на создание рабочего давления в аппарате L сж и на продавливание жидкости через мембрану L пр:
L = L сж + L пр.
Работа на сжатие исходного раствора – практически несжимаемой жидкости – мала, и тогда ей можно пренебречь, а работу на продавливание жидкости через мембрану можно рассчитать как
Lпр = Δр·V
где V – объем продавливаемой жидкости.



Слайд 16ПОЛУЧЕНИЕ ЧИСТОЙ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
РАСХОД ЭНЕРГИИ НА ОПРЕСНЕНИЕ МОРСКОЙ ВОДЫ
13 МДж/м3


МЕМБРАННЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ

ДИСТИЛЛЯЦИЯ

230 МДж/м3

СРАВНЕНИЕ МЕМБРАННОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ И ДИСТИЛЛЯЦИИ


15

Слайд 17Ультрафильтрацию в отличие от обратного осмоса используют для разделения систем, в

которых молекулярная масса растворенных компонентов намного больше молекулярной массы растворителя.
Ультрафильтрацию проводят при сравнительно невысоких давлениях (0,2-1,0 МПа).


Слайд 19Нанофильтрация занимает промежуточное положение между обратным осмосом и ультрафильтрацией. Нанофильтрацией можно

разделить и концентрировать вещества с молекулярной массой 300-3000, а также ионы тяжелых металлов.
Испарение через мембрану – процесс разделения жидких смесей с помощью полупроницаемых мембран, когда разделяемая жидкая смесь вводится в соприкосновение с одной стороны мембраны, а проникающий компонент или смесь компонентов в виде паров отводится с другой стороны мембраны в вакуум или поток инертного газа.

18

Слайд 20Испарение через мембрану

Слайд 21
Диализ – процесс самопроизвольного разделения молекул или ионов ВМС и низкомолекулярных

веществ при помощи полупроницаемых мембран, которые пропускают малые молекулы или ионы и задерживают макромолекулы и коллоидные частицы.
Электродиализ. Диализ в электрическом поле в десятки раз ускоряет процесс очистки растворов от электролитов. Электродиализ – это процесс разделения ионов веществ под действием постоянного электрического поля в растворе.

20

Слайд 22
Диффузионное разделение газов через полупроницаемые мембраны основано на различии коэффициентов диффузии

газов в непористых полимерных мембранах под действием градиента концентрации и подчиняется законам молекулярной диффузии.

Слайд 23






Продолжение следует!

Слайд 24Мембраны
Мембрана – полупроницаемая перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей.

Мембраны должны удовлетворять следующим основным требованиям:
обладать высокой разделяющей способностью (селективностью);
обладать высокой удельной производительностью (проницаемостью);
быть химически стойким к действию среды разделяемой системы;
иметь механическою прочностью, достаточную для их сохранности при монтаже, транспортировании и хранении.
не менять свойства в процессе эксплуатации.

23

Слайд 25Мембраны
Мембраны изготавливаются из различных материалов:
полимерных пленок,
стекла,
металлической фольги и

т. д.
Наибольшее распространение получили мембраны из полимерных пленок.


В зависимости от механической прочности используемых материалов мембраны подразделяют на уплотняющиеся (полимерные) и с жесткой структурой, а также на пористые и непористые (диффузионные).

Слайд 26Пористые мембраны
Они имеют как анизотропную, так и изотропную структуру.
Мембраны с

анизотропной структурой имеют поверхностный тонкопористый слой δ= 0,25-0,5 мкм (называемый активным, или селективным), представляющий собой селективный барьер. Компоненты смеси разделяются именно этим слоем. Крупнопористый слой δ ≈ 100-200 мкм, находящийся под активным слоем, является подложкой, повышающей механическую прочность мембраны.
Мембраны с анизотропной структурой имеют высокую удельную производительность, медленнее закупориваются поры в процессе их эксплуатации.

Слайд 27Диффузионные мембраны
Диффузионные мембраны применяют для разделения газов, жидких смесей методами испарения

через мембрану, диализа.
Диффузионные мембраны являются практически непористыми.
Они представляют собой квазигомогенные гели, через которые растворитель и растворенные вещества проникают под действием градиента концентраций (молекулярная диффузия).

25

Слайд 28Диффузионные мембраны
Скорость диффузии молекул через диффузионную мембрану прямо пропорциональна коэффициенту диффузии,

который зависит от размеров молекул и их формы.
Диффузионные мембраны применяются для разделения компонентов с близкими свойствами, но с молекулами различных размеров.
Так как диффузионные мембраны не имеют капилляров, они не забиваются и их проницаемость остается постоянной в процессе разделения.



Слайд 29Диффузионные мембраны
В зависимости от типа используемых мембранных аппаратов как пористые, так

и диффузионные мембраны изготовляют листовыми, трубчатыми либо в виде полых волокон внутренним диаметром 20–100 мкм, при толщине стенки 10–50 мкм.
Мембраны можно изготовлять также на пористых носителях – подложках различной конфигурации (так называемые композитные мембраны).

Слайд 30Основные виды
наноструктурированных мембран
Структура плоской ультра/нанофильтрационной полимерной мембраны
Наноструктурированная мембрана – полупроницаемая

перегородка, пропускающая определенные компоненты жидких или газовых смесей (размер нанопор 1-100 нм)

Структура капилярной ультрафильтрационной полимерной мембраны

Структура трековой полимерной мембраны


Слайд 31Разновидности мембранных модулей
Трубчатые мембранные модули
Рулонный мембранный модуль
Половолоконный мембранный модуль
Плоскопараллельный мембранный модуль

Слайд 32Кинетика процессов мембранного разделения смесей
Теория просеивания предполагает, что в полупроницаемой мембране

существуют поры, размеры которых достаточны для того, чтобы пропускать растворитель, но слишком малы для того, чтобы пропускать молекулы или ионы растворенных веществ.
Теория молекулярной диффузии основана на неодинаковой растворимости и на различии коэффициентов диффузии разделяемых компонентов в полимерных мембранах.

30

Слайд 33Теория каппилярно-фильтрационной проницаемости основана на различии физико-химических свойств граничного слоя жидкости

на поверхности мембраны и раствора в объеме.

Слайд 34Теория каппилярно-фильтрационной проницаемости
Граничный слой жидкости обладает упорядоченной структурой, отличается составом, вязкостью,

растворяющей способностью и др.
На поверхности и внутри пор (капилляров) мембраны, погруженной в раствор электролита, возникает граничный слой связанной воды (рис. ).

Слайд 35
К механизму полупроницаемости мембран с высокой (а)
и низкой (б) селективностью

Под

действием перепада давления эта вода из граничного слоя перетекает по капиллярам через мембрану (рис. а), если размер капилляров в мембране меньше размеров гидратированных ионов соли (20 А0).
Но реальные мембраны имеют поры различного диаметра, в том числе и крупные (больше 20 А0). Поэтому часть гидратированных ионов соли может проникнуть через крупные поры (рис. б). → Селективность мембраны тем выше, чем больше толщина граничного слоя и чем больше размеры гидратированных ионов соли.

Слайд 36Влияние различных факторов на мембранное разделение
Факторы влияющие на скорость и селективность

мембранных процессов разделения:
концентрационная поляризация,
рабочее давление и температура,
гидродинамические условия внутри мембранного аппарата,
природа и концентрация разделяемой смеси.

34

Слайд 37Влияние концентрационной поляризации
Концентрационной поляризацией условно называют повышение концентрации растворенного вещества у

поверхности мембраны вследствие избирательного отвода растворителя через поры этой мембраны, она уменьшает движущую силу процесса.
Для уменьшения используют перемешивание раствора над мембраной, увеличивают скорость протока исходного раствора около мембраны или применяют турбулизирующие вставки.

Слайд 38Влияние давления
Для полимерных мембран на основании опытных данных получены эмпирические зависимости

селективности ϕ и проницаемости G от давления p: ϕ=a1p/(a2p+1)
G=b1+b2 lnp
где – а1, а2, b1, b2 - опытные константы для данной системы мембрана – раствор.




Слайд 39Влияние давления
Повышение давления увеличивает проницаемость, но следует особо отметить, что с

повышением давления полимерные мембраны деформируются, а при снятии давления структура мембраны не возвращается в исходное положение.


Поперечное сечение мембраны в положении без давления (а) и в рабочем состоянии (б):
1 – поверхностный активный слой;
2 – подложка, обеспечивающая механическую прочность мембраны


Слайд 40Влияние температуры
Повышение температуры исходного раствора улучшает условия проведения процесса разделения,

т. к. понижает вязкость раствора и увеличивает скорость диффузии растворенного вещества.

Слайд 41Влияние природы растворенных веществ и концентрации растворенных веществ
Неорганические вещества задерживаются мембраной

лучше, чем органические; вещества с большей молекулярной массой задерживаются лучше, чем с меньшей.
Повышение концентрации растворенных веществ в исходном растворе приводит к повышению осмотического давления, а также к возрастанию его вязкости. Оба этих фактора снижают проницаемость мембран.

Слайд 42Мембранные аппараты
Четыре основных типа аппаратов, различающихся способом укладки мембран:
аппараты с

плоскокамерными фильтрующими элементами;
с трубчатыми фильтрующими элементами;
со спиральными фильтрующими элементами;
мембранами в виде полых волокон.

Слайд 43Аппараты с плоскокамерными фильтрующими элементами

Схема аппарата с с плоскокамерными фильтрующими элементами

(типа «фильтр-пресс»): 1 – мембраны; 2 – пористые пластины; 3 – камеры; 4,5 – крышки; 6 – шпильки; 7 – коллектор

Слайд 44Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами
Основным узлом является изготовленная из керамики, металлокерамики,

пластмассы или металлической ткани пористая труба, на внутренней поверхности которой расположена полупроницаемая мембрана.

Слайд 45Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами

Схема аппарата с трубчатыми фильтрующими элементами:
1 –

пористая каркасная труба;
2 – сборник фильтрата;
3 – насос;
4 – турбина

Слайд 46Аппараты с трубчатыми фильтрующими элементами

Трубчатый фильтрующий элемент с мембраной внутри пористой

трубки: 1 – полупроницаемая мембрана; 2 – пористая трубка;
3 – дренажная прокладка

Слайд 47Аппараты со спиральными фильтрующими элементами

Конструктивная схема аппарата со спиральным фильтрующим

элементом: 1 – спиральный фильтрующий элемент;
2 – корпус аппарата

Аппараты имеют более высокую, чем предыдущие, плотность упаковки мембран, достигающую 300–800 м2/м3.

Слайд 48Аппараты со спиральными фильтрующими элементам

Схема спиральной укладки полупроницаемых мембран в элементе

аппарата:
1 – мембраны;
2 – дренажный слой для отвода фильтрата;
3 – фильтроотводящая перфорированная труба; 4 – сетка-сепаратор

Слайд 49Аппараты с мембранами в виде полых волокон
Эти аппараты нашли широкое применение

для разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией.
Мембраны в виде полых 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.
Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации

Слайд 50Аппараты с мембранами из полых волокон
Изготавливают следующие группы аппаратов:
с параллельным расположением

полых волокон;
с цилиндрическими мембранными элементами;
с U-образным расположением полых волокон.

Слайд 51Аппараты с мембранами из полых волокон

Конструктивная схема аппарата с мембранами из

U-образных полых волокон: 1 – полупроницаемые мембраны; 2 – шайба; 3 – пористая подложка; 4 – болты; 5 – корпус аппарата; 6 – крышка аппарата

Слайд 52Мировой рынок мембран
Объем потребления, млрд. долларов США*
Региональная структура рынка*
Структура рынка по

типу мембран*

CAGR: 9%

19%

37%

44%

21%

42%

37%

2%

31%

29%

2%

31%

19%

29%

38%

22%

38%

37%

3%

Мировой рынок в 2007 году составил 8 665 млн. долларов США
В 2007 году наибольший объем производства в Северной Америке (38%), однако, к 2017 году лидером рынка станет Азия (38%)
Суммарный объем сегментов мирового рынка продукции проекта (ультра-, нанофильтрационные и обратноосмотические (ОО) мембраны) оценивается в 4,8 млрд. долларов

* Источник: Freedonia Group

Слайд 53
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Похожие презентации

Люминесценция 816
Напівпровідники. Власна провідність напівпровідників 420
Строение и свойства металлов. Аллотропия. Анизотропия. Кристаллизация. Дендрит. Строение стального слитка. Ликвация. (Лекция 1) 414
Internal сombustion engine. Ignition systems 668
техническая система 305
Емкость 853

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика