Технологический расчет баромембранных установок

Содержание

Слайд 2

Задача:

определение рабочей поверхности мембран, всех потоков и концентраций входящих в них веществ

Модель

Задача: определение рабочей поверхности мембран, всех потоков и концентраций входящих в них
Идеального Вытеснения

концентрации и скорости постоянны в любой точке поперечного сечения напорного канала,
продольное перемешивание отсутствует,
концентрация плавно изменяется от входа в аппарате до выхода из него,
пермеат отводится строго перпендикулярно потоку разделяемого раствора.
процесс идёт при постоянном давлении и температуре.

х2

Слайд 3

х2=g(x1); (1)
G=f(x1) (2)

x1— массовая доля растворённого вещества в разделяемом растворе в произвольном сечении аппарата,

х2=g(x1); (1) G=f(x1) (2) x1— массовая доля растворённого вещества в разделяемом растворе

х2 — массовая доля растворённого вещества в пермеате в том же сечении.

Уравнения материального баланса

Lн = Wоб + Lк; (3)

(4)

Lн, Lк — соответственно, массовые расходы исходного раствора и концентрата,
Wоб — массовый расход пермеата со всего аппарата,
— массовая доля растворённого вещества в пермеате,
x1н, x1к — соответственно, массовые доли растворённого вещества в исходном растворе и концентрате.

х2

Слайд 4

Задано:

расход исходного раствора и его концентрация
задаётся x1к

L — массовый расход разделяемого раствора

Задано: расход исходного раствора и его концентрация задаётся x1к L — массовый
в выбранном произвольном сечении,
x — массовая доля растворённого вещества в разделяемом растворе в этом сечении,
W — массовый расход пермеата на участке от входа в аппарат до рассматриваемого сечения,
— массовая доля вещества в пермеате, характеризуемом расходом W, т.е. средняя концентрация на участке от входа в аппарат до рассматриваемого сечения.
Пусть на элементе поверхности dF в рассматриваемом произвольном сечении образуется пермеат с расходом dW и концентрацией x2 растворённого вещества, и за счёт этого изменение его расхода с пермеатом составляет:

х2

(5)

Слайд 5

Образование пермеата сопровождается соответствующей убылью расхода разделяемого раствора:

dW=-dL

Преобразуем выражения (5)

- dL⋅x2 =

Образование пермеата сопровождается соответствующей убылью расхода разделяемого раствора: dW=-dL Преобразуем выражения (5)
- d(L⋅x1)

В соответствии с (1) х2=g(x1)

=g(x1)

(6)

х2

Слайд 6

(7)

(7’)

(8)

(9)

х2

(7) (7’) (8) (9) х2

Слайд 7

Частный случай:

селективность ϕ сохраняется постоянной при изменении концентрации растворённого вещества

x2 = g(x1)

Частный случай: селективность ϕ сохраняется постоянной при изменении концентрации растворённого вещества x2
= x1(1 — ϕ)

(10)

Слайд 8

Частный случай:

Подставим (10) в (7), (8) и (9)

(11!)

(12)

(13)

Домашнее задание:

получить формулу, позволяющую

Частный случай: Подставим (10) в (7), (8) и (9) (11!) (12) (13)
определять селективность мембраны, необходимую для концентрирования раствора от х1н до х1к при условии, чтобы концентрация растворённого вещества в пермеате не превышала некоторой величины

Слайд 9

Рабочая поверхность мембран

х2

Расход пермеата в произвольном сечении dF:

dW=G⋅dF

dW=-dL

(6)

G=f(x1) (2)

Рабочая поверхность мембран х2 Расход пермеата в произвольном сечении dF: dW=G⋅dF dW=-dL (6) G=f(x1) (2)

Слайд 10

L – некая функция

х2

L – некая функция х2

Слайд 11

Проинтегрируем по всей рабочей поверхности:

(14)

Частный случай:

селективность ϕ сохраняется постоянной при изменении концентрации

Проинтегрируем по всей рабочей поверхности: (14) Частный случай: селективность ϕ сохраняется постоянной
растворённого вещества

удельная производительность линейно снижается в соответствии с уравнением: G=G0-cx1

(15)

Слайд 12

Частный случай ϕ≥ 0,9 :

(16)

g(x1н) < < x1н < x1к

Частный случай ϕ≥ 0,9 : (16) g(x1н)

Слайд 13

Учёт в расчётах условий в реальных аппаратах:

1. Постоянство температуры

Оправдано.
Селективность и удельную

Учёт в расчётах условий в реальных аппаратах: 1. Постоянство температуры Оправдано. Селективность
производительность при среднем значении температуры

2. Постоянство давления

Менее оправдано. Гидравлическое сопротивление
Селективность и удельную производительность при среднем значении перепада рабочего давления или при минимальном в выходном сечении аппарата

3. Модель Идеального Вытеснения

Концентрационная поляризация
Корректировка в зависимости G=f(х1) и х2=g(x1)

Слайд 14

Метод последовательных приближений:

Первое приближение КП=1

Выбрать:
тип баромембранного процесса;
вид мембран и аппаратов;
рабочее давление

Метод последовательных приближений: Первое приближение КП=1 Выбрать: тип баромембранного процесса; вид мембран
и температура.
Рассчитать:
величины расходов потоков и их концентраций,
необходимую рабочую поверхность мембран.
Распределить:
аппараты по секциям
Определить гидродинамические условия:
коэффициент массоотдачи растворённого вещества от поверхности мембраны в ядро потока разделяемого раствора с использованием известных критериальных уравнений.
Рассчиттать КП и внести корректировку в зависимости G=f(х1) и х2=g(x1)

Слайд 15

Рис.1. Учёт КП при корректировке зависимостей удельной производительности (а) и концентрации (б)

Рис.1. Учёт КП при корректировке зависимостей удельной производительности (а) и концентрации (б)
пермеата от концентрации разделяемого раствора

(а)

(б)

Слайд 16

Частный случай

G = G0 - сх1

G = G0 — ссрх1

сср= (сн +

Частный случай G = G0 - сх1 G = G0 — ссрх1
ск)/2

Селективность мембраны не зависит от концентрации

β —коэффициент массоотдачи,
G — удельная производительность мембраны,
рассчитанные по уравнениям переноса с учётом КП

Слайд 17

УСТАНОВКИ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ КОНТУРОМ

Рис. 2. Схема установки с циркуляционным контуром

r — кратность

УСТАНОВКИ С ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ КОНТУРОМ Рис. 2. Схема установки с циркуляционным контуром r — кратность циркуляции
циркуляции

Слайд 18

Модель Идеального Вытеснения:

Уравнения материального баланса

Lн = Wоб + Lк; (3)

(4)

три новых переменных: Lвх,

Модель Идеального Вытеснения: Уравнения материального баланса Lн = Wоб + Lк; (3)
Lвых, x1вх
кратность циркуляции r мы считаем заданной

Lн⋅x1н + r⋅Lн⋅х1к = Lвх⋅х1вх (19)

(17)

(18)

Слайд 19

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

Произвести аналогичные МИВ без рециркуляции преобразования и получить расчётные выражения:

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ: Произвести аналогичные МИВ без рециркуляции преобразования и получить расчётные выражения:

Слайд 20

Частный случай:

селективность ϕ сохраняется постоянной при изменении концентрации растворённого вещества

(26)

(25)

(27)

(28)

удельная производительность линейно

Частный случай: селективность ϕ сохраняется постоянной при изменении концентрации растворённого вещества (26)
снижается с увеличением концентрации

(29)

Учитывать КП!!!

Слайд 21

Модель Идеального Смешения:

(теоретически — при r →∞, практически — r превышает несколько

Модель Идеального Смешения: (теоретически — при r →∞, практически — r превышает
десятков)

G = f(x1к) = const;

x2 = g(x1к) = const= ;

Уравнения материального баланса:

Lвх = Lвых = r⋅Lн

(30)

(31)

(32)

(33)

Учитывать КП!!!

G = f(x1к⋅КП) = const

х2=g(x1к⋅КП) = const=