Способ оптимизации баромембранных процессов

(51)01 61/00 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ БАРОМЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Байков Валентин Иванович Глеб Владимир Константинович Зновец Петр Кириллович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ оптимизации баромембранных процессов, заключающийся в том, что создают пульсационный режим движения разделяемых растворов или газовых смесей с учетом их физических свойств и геометрических характеристик мембранных элементов, отличающийся тем, что узел, обеспечивающий пульсационный режим движения, устанавливают на частоту срабатывания, соответствующую оптимальной частоте пульсаций градиента давления опт , определяемой из соотношений 1- коэффициент кинематической вязкости, - трансмембранная скорость, - коэффициент диффузии,- концентрация растворенного вещества на поверхности мембраны,0 - исходная концентрация раствора или газовой смеси, - гидравлический радиус мембранного элемента, - длина мембранного элемента. Изобретение относится к области применения мембраной технологии и может быть использовано при модернизации существующих и создании новых мембранных установок. Известны способы разделения жидких растворов и газовых смесей с помощью полупроницаемых мембран 1. Широкое практическое применение получили баромембранные процессы, прежде всего такие, как ультрафильтрация, обратный осмос и мембранное разделение газов. Большинство установок, работающих по этим методам, представляют собой устройства проточного типа, в которых разделяемые компоненты жидких растворов(мембранному элементу), под действием перепада давления, создаваемого на концах канала. Так как по обе стороны мембраны также существует разность давлений (давление с наружной стороны равно атмосферному), некоторая часть жидкости или газа (низкомолекулярные фракции) просачивается сквозь поры мембраны, образуя фильтрат. Основная часть (концентрат) по замкнутому циклу снова возвращается в исходный раствор для дальнейшего концентрирования. Баромембранные процессы идентичны по своей физической природе и отличаются друг от друга размерами пор используемых мембран и величиной разности давлений жидкости или газа по обе ее стороны. Вследствие постоянного оттока одних фракций через полупроницаемые мембраны концентрация других на поверхности мембраны постепенно нарастает. Это явление получило название концентрационной поляризации и служит одной из главных причин падения производительности мембранных устройств. Кроме того,в случае жидких систем концентрационная поляризация зачастую приводит к образованию на поверхности мембран труднопроницаемого слоя геля 2. В отличие от слоя концентрационной поляризации слой геля оказывает значительно большее сопротивление процессам массопереноса, сравнимое с сопротивлением самой мембраны, и по существу на этом участке мембрана практически полностью закупоривается. Схематически мембранный элемент и происходящие в нем процессы представлены на фиг. 1. Он состоит из пористой структуры 1, определяющей геометрическую форму мембранного элемента, к внутренней стороне которой крепится мембрана 2. Направления потоков на схеме обозначены стрелками. Также показан образующийся слой концентрационной поляризации 3, переходящий, как отмечалось, в некоторых случаях в слой геля 4. Очевидно, что для повышения эффективности рассматриваемых мембранных устройств необходимо найти способы существенного воздействия на возникающий в мембранном элементе в результате разделения слой концентрационной поляризации. Одним из таких способов является организация в межмембранном пространстве пульсирующего 2 8475 1 2006.10.30 потока разделяемых компонентов путем наложения на постоянный градиент давления гармонической составляющей. С технической точки зрения это может быть реализуемо практически для всех существующих аппаратов проточного типа, так как не требует никакого вмешательства в структуру мембранных элементов, конструкция которых, как правило, неразборная. Основной вклад в образование слоя концентрационной поляризации вносит постоянная составляющая градиента давления. Пульсирующая составляющая в свою очередь вызывает возникновение у поверхности мембран сдвиговой вязкой волны 3. В результате этого происходит периодический перенос слоев раствора (газовой смеси) у поверхности мембран из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией и наоборот. Таким образом, действие явления конвективной диффузии, направленное на разрушение слоя концентрационной поляризации, будет происходит более интенсивно. Однако создание пульсирующего режима движения раствора (газовой смеси) еще не решает задачу обеспечения наибольшей производительности установки, так как она зависит как от геометрических характеристик мембранных элементов, трансмембранной скорости и средней скорости движения разделяемой системы в межмембранном пространстве, так и от некоторых физических свойств самой системы (коэффициента кинематической вязкости и коэффициента диффузии) и частоты пульсаций. Влияние последнего параметра определяется глубиной проникновения сдвиговой вязкой волны в слой концентрационной поляризации. Это значит, что наибольший эффект будет наблюдаться тогда, когда толщина слоя концентрационной поляризации и глубина проникновения сдвиговой вязкой волны будут одного порядка. Поэтому для каждого конкретного раствора (газовой смеси) и в зависимости от размеров мембранного элемента до сих пор необходимо было опытным путем подбирать оптимальную частоту пульсаций. Это связано с большими затратами времени на проведение соответствующих экспериментов. Такой способ оптимизации баромембранных процессов принят нами за прототип. Авторами 4-6 проведены эксперименты с использованием пульсирующего режима движения растворов, однако обобщающей закономерности, учитывающей влияние всех факторов, выявлено не было. Целью настоящего изобретения является определение оптимальной частоты пульсаций градиента давления опт, при которой обеспечивается наибольшая производительность мембранных устройств. Для достижения названного технического результата в известном способе оптимизации баромембранных процессов, заключающемся в создании пульсационного режима движения разделяемых растворов или газовых смесей с учетом их физических свойств и геометрических характеристик мембранных элементов, согласно предлагаемому способу, узел, обеспечивающий пульсационный режим движения, устанавливают на частоту срабатывания, соответствующую оптимальной частоте пульсаций градиента опт, определяемой из соотношений 1 где- коэффициент кинематической вязкости, - коэффициент диффузии,0 - средняя скорость основного потока, - трансмембранная скорость,С 0 - исходная концентрация раствора или газовой смеси, - концентрация растворенного вещества на поверхности мембраны, - гидравлический радиус мембранного элемента, - длина мембранного элемента. 8475 1 2006.10.30 Данные формулы получены из решения системы уравнений движения, неразрывности и конвективной диффузии (для плоского канала 7, 8, для цилиндрического канала 9,для плоского канала с одной проницаемой поверхностью 10) и представлений о физической картине происходящих в межмембранном канале процессов, которая кратко изложена выше. Результаты, получаемые с помощью предложенных формул, хорошо согласуются с экспериментальными данными, имеющимися в работах 4-6. Согласно предлагаемому изобретению способ оптимизации баромембранных процессов осуществляется, например, на установке, схема которой приведена на фиг. 2. Установка состоит из следующих основных узлов насоса 5, бака для разделяемого раствора 6, бака для сбора фильтрата 7, мембранного модуля 8, состоящего из множества мембранных элементов, узла, обеспечивающего пульсационный режим движения (например электромагнитного клапана) 9 и трубопроводов 10. Установка работает следующим образом исходный раствор из бака 6 поступает в насос 5, который подает его в мембранный модуль 8. После отделения фильтрата, который собирается в баке 7, основная часть раствора возвращается в бак 6 для дальнейшего разделения. Оптимальную частоту пульсации градиента давления, подсчитанную заранее по предлагаемым формулам, устанавливают при помощи электромагнитного клапана 9, периодически частично перекрывающего трубопровод 10 перед мембранным модулем 8. Таким образом, зная геометрические параметры мембранных элементов, а также физические свойства разделяемых жидких растворов или газовых смесей, можно найти оптимальную частоту пульсаций градиента давления, при которой производительность установки будет наибольшей. Пример. С помощью предлагаемых формул определим оптимальную частоту проведения процесса ультрафильтрации водного раствора сахарозы в экспериментальной установке, описанной в 6. Согласно 6, раствор сахарозы с коэффициентом кинематической вязкости 10-6 м 2/с и коэффициентом диффузии 0,4510-9 м 2/с движется в пульсирующем режиме по каналу длиной 2,20 м и гидравлическим радиусом 3,2310-3 м со средней скоростью 01,4810-1 м/с. Величина трансмембранной скорости 2,2210-6 м/с. Подставляя данные значения в предлагаемые 1 формулы, находим 21,53 . Отсюда методом итераций получаем 0 0 2 0 21,70 . Учитывая найденное значение, вычисляем оптимальную частоту процесса 0 опт 3 Гц, что соответствует данным эксперимента 6. Предлагаемый способ оптимизации баромембранных процессов может найти широкое применение в различных отраслях промышленности как при модернизации существующих, так и при разработке новых баромембранных устройств. Об эффективности использования пульсаций градиента давления определенной частоты в баромембранных процессах можно судить по экспериментальным данным, приведенным в работе 5. Из них, в частности, следует, что при ультрафильтрации виноградного сока в пульсирующем режиме производительность процесса при оптимальной частоте пульсаций увеличилась примерно в 1,35-1,40 раза по сравнению с режимом без пульсаций. Источники информации 1. Брок Т. Мембранная фильтрация. - М., 1987. 2. Дытнерский Ю.И. Баромембранные процессы. - М., 1986. 3. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. - М., 1974. 8475 1 2006.10.30 4.,,В.Т.// . . . - 1974. - . 29. -9. - . 1927-1931. 5. Васин С.И., Рухадзе Ш.Ш., Старов В.М. Влияние пульсаций давления в межмембранном канале на мембранные процессы // Коллоидный журнал. - 1997. - Т. 59. -3. С. 304-308. 6.,,// . . . . - 1971. - . 49. -2. - . 85-94. 7. Байков В.И., Бильдюкевич А.В., Лучко Н.Н., Сидорович Т.В. Концентрационная поляризация в плоском канале // ИФЖ. - 1994. - Т. 67. -3-4. - С. 235-239. 8. Байков В.И., Бильдюкевич А.В. Нестационарная концентрационная поляризация при ламинарной ультрафильтрации в плоском канале // ИФЖ. - 1994. - Т. 67. -1-2. С. 103-107. 9. Байков В.И., Каратай О.М. Ультрафильтрация в трубчатом фильтре с гелеобразованием // ИФЖ. - 1998. - Т. 71/ -3. - С. 503-508. 10. Байков В.И., Зновец П. К. Ультрафильтрация в плоском канале с одной проницаемой поверхностью // ИФЖ. - 1999. - Т. 72. -1. - С. 32-37. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5