tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch etylic - nước

Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC ĐẶT VẤN ĐỀ 3 I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI QUA MÀNG 5 I.1 Lịch sử của quá trình màng 5 I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng 6 I.2.1 Độ chọn lọc của màng 6 I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu 6 I.3 Một số quá trình màng 6 I.3.1. Thẩm thấu ngược 7 I.3.2. Siêu lọc 9 I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích 10 I.3.4. Vi lọc 11 I.3.5. Tách khí bằng màng 11 I.4. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng 13 I.5. Cơ chế chuyển khối qua màng 14 I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch 14 I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow) 15 I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ 15 I.6. Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt thấm qua 18 I.6.1. Dùng bơm chân không 18 I.6.2. Dùng thiết bị ngưng tụ 18 I.6.3. Dùng khí trơ mang 19 I.7. Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation ) 19 I.8. Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống màng 22 I.8.1. Sự tách nước ( dehydration ) 22 I.8.2. Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước 23 I.8.3. Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ 24 I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - nước 25 II. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BAY HƠI QUA MÀNG 26 II.1 Giới thiệu một số mô hình tính lưu lượng dòng 26 II.1.1.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng vô cơ 26 II.1.2.Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng (J) sử dụng màng polyme. 28 II.1.3 Lựa chọn mô hình bay hơi qua màng cho quá trình tính toán 31 1 Đồ án tốt nghiệp II.2 Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic- Nước 32 II.2.1 Tính thiết bị chính. 32 II.2.2 Tính toán thiết bị phụ 35 III. KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 PH Ụ L ỤC 41 2 Đồ án tốt nghiệp ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay biện pháp để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic – Nước vẫn được sử dụng rộng rãi là chưng cất, tuy nhiên chưng cất thuần túy có những nhược điểm như: hỗn hợp Etylic – Nước có điểm đẳng phí mà quá trình chưng cất thuần tuý sẽ không thể vượt qua được điểm đẳng phí nên không thể thu được dung dịch có nồng độ cao trên điểm đẳng phí. Để nâng cao nồng độ bằng phương pháp chưng luyện thuần túy thì phải xây dựng các tháp có chiều cao lớn kéo theo chi phí xây dựng lớn hoặc phải tăng chỉ sô hồi lưu điều này cũng có nghĩa là phải tiêu tốn nhiều năng lượng để làm bay hơi lượng hồi lưu do đó sẽ tăng chi phí vận hành. Để giải quyết nhược điểm không vượt qua điểm đẳng phí của chưng luyện người ta sẽ kết hợp quá trình chưng luyện với một quá trình khác như hấp thụ, hấp phụ, trích ly vv… Tuy nhiên các quá trình hấp phụ, hấp thụ, trích ly đều yêu cầu có phải có quá trình hoàn nguyên chất hấp phụ, hấp thụ và tái sinh dung môi. Điều này vừa tốn kém chi phí vừa có thể thải ra môi trường các chất có thể gây ô nhiễm Ngày nay quá trình bay hơi qua màng đã và đang có những phát hiện mới thể hiện được ưu thế so với các phương pháp trên nên ta có thể kết hợp chưng luyện với bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn thể hiện ở chỗ: Quá trình bay hơi qua màng không dựa vào cân bằng lỏng – hơi mà động lực của nó là sự chênh lệch giữa nồng độ hoặc áp suất hơi bão hoà của các cấu tử ở hai bên bề mặt màng do đó phân tách được cả các dung dịch đẳng phí. Vì vậy khi ta kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng sẽ vượt qua điểm đẳng phí. Mặt khác quá trình bay hơi qua màng không cần giai đoạn hoàn nguyên nên không tốn chi phí để sử lý các giai đoạn hoàn nguyên như trong các quá trình hấp thụ, hấp phụ, trích ly cũng không gây ô nhiễm môi trường. Khi kết hợp quá 3 Đồ án tốt nghiệp trình chưng luyện với quá trình màng năng lượng cung cấp cho quá trình màng sẽ được tận dụng từ sản phẩm của quá trình chưng luyện sẽ tiết kiệm chi phí. So với các thiết bị hấp phụ, hấp thụ, trích ly thì các thiết bị màng nhỏ gọn hơn nhiều. Khi kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng, nồng độ cồn sản phẩm của quá trình chưng luyện không cần cao quá do đó không tốn nhiều chi phí cho việc chế tạo thiết bị cũng như vận hành quá trình chưng. Nhược điểm của quá trình màng hiện nay chính là giá thành thiết bị màng còn cao. Hiện nay trên thế giới các quá trình màng nói chung và quá trình bay hơi qua màng nói riêng ngày càng có những ứng dụng quan trong trong nhiều lĩnh vực sản xuất. Nhưng ở Việt Nam các quá trình màng vẫn còn mới lạ, các mô hình hiện có vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và kỹ lưỡng. Do đó cần xây dựng các mô hình tính toán các quá trình màng để có thể ứng dụng vào thiết kế các hệ thống công nghệ tối ưu nhằm phục vụ những nhu cầu trong sản xuất. Nội dung bản đồ án này gồm các phần sau: - Phần I: Tổng quan về quá trình màng và bay hơi qua màng - Phần II: Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - Nước - Phần III: Kết luận 4 Đồ án tốt nghiệp I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI QUA MÀNG I.1 Lịch sử của quá trình màng Những hệ thống nghiên cứu về màng đã được đặt nền móng bởi các nhà khoa học từ thế kỷ XVIII như: trong năm 1748 Abbe Nolet là người đầu tiên đưa ra cụm từ “thẩm thấu” để miêu tả sự thấm của nước qua thành ruột. Vào cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX một số màng đã được sử dụng trong phòng thí nghiệm để giải thích một số thuyết về vật lý và hóa học tuy nhiên chưa mang lại hiệu quả kinh tế như dùng để đo áp suất thẩm thấu của màng bởi Traube và Pfeffer vào năm 1887 là công cụ để phát triển giới hạn của định luật Van Hoff. Một thời gian sau khái niệm về độ chọn lọc lý tưởng của một màng bán thấm đã được đưa ra bởi Maxwell. Đến năm 1960 khoa học màng đã được phát triển nhưng màng chỉ được sử dụng trong một vài phòng thí nghiệm và trong những ứng dụng công nhiệp nhỏ. Khi đó màng được dùng cho tất cả các ứng dụng công nghiệp không vượt quá 20 triệu USD bởi vì màng còn có bốn hạn chế ngăn cản việc sử dụng chúng trong quá trình phân tách đó là: không đáng tin cậy, quá chậm, không chọn lọc và quá đắt. Quá trình Loeb-Sourirajan đã tạo ra màng thẩm thấu ngược bất đối xứng. Những màng này có bề mặt chọn lọc của lớp film mỏng hơn nhưng có nhiều mao quản hơn so với lớp support(đế) mà tại đó tạo động lực cơ học cho quá trình màng. Dòng qua màng thẩm thấu ngược cao hơn gấp mười lần bất kỳ một loại màng nào trước đó. Thời kỳ từ năm 1960 đến 1980 đã tạo ra nhưng thay đổi quan trọng trong công nghệ màng. Dựa trên nền tảng của Loeb-Sourirajan và những thông tin về các quá trình màng khác bao gồm sự polyme hóa ở bề mặt phân pha và sự phủ nhiều lớp phức liệu để tạo ra áp suất làm việc cao cho màng. Vì vậy những hạn chế của màng dần được tháo gỡ 5 Đồ án tốt nghiệp Cùng với sự phát triển những ứng dụng của màng trong công nghiệp là sự phát triển độc lập của màng với sự phân tách trong y học điển hình là thận nhân tạo. W.J. Kolf đã có những báo cáo đầu tiên về thận nhân tạo ở Hà Lan vào năm 1954. Sau đó việc sử dụng màng làm thận nhân tạo ngày nay đã kéo dài cuộc sống hơn 800.000 người. Đến năm 1980 thì các quá trình siêu lọc, vi lọc, thẩm thấu ngược, điện thẩm tích với quy mô lớn đã được thiết lập trên thế giới. I.2 Một số khái niệm cơ bản của quá trình màng I.2.1 Độ chọn lọc của màng Độ chọn lọc của màng là tỷ số giữa hiệu số nồng độ của dung dịch và dung môi ở hai phía của mặt màng và nồng độ ban đầu của dung dịch cần lọc. Nó được thể hiện bằng công thức sau: ( ) %100 1 21 X XX − = ϕ (1.1) I.2.2. Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu Là lượng dung môi thu được trên 1m 2 bề mặt màng trong thời gian nhất định là 1h (l/m 2 h) hay lượng dung dịch lọc được trong một đơn vị thời gian. I.3 Một số quá trình màng Bảng 1: Các quá trình màng, phạm vi ứng dụng và động lực thẩm thấu Quá trình màng Khả năng phân tách cho Động lực được nhận ra bởi Cấu tử ưu tiên thấm qua Thẩm thấu ngược Các dung dịch nước có khối lượng phân tử thấp Các dung dịch Sự chênh lệch áp suất (<100 bar) Dung môi 6 Đồ án tốt nghiệp nước hữu cơ Siêu lọc Dung dịch khối lượng phân tử lớn, Nhũ tương Sự chênh lệch áp suất (<10 bar) Dung môi Vi lọc Huyền phù, nhũ tương Sự chênh lệch áp suất (<5 bar) Pha liên tục Thẩm thấu khí Hỗn hợp khí, hỗn hợp hơi nước- khí Sự chênh lệch áp suất(< 80 bar) Cấu tử yêu tiên thấm qua Pervaporation Các hỗn hợp hữu cơ, các hỗn hợp hữu cơ-nước Phía thẩm thấu: tỉ số của áp suất riêng phần/áp suất bão hòa. Cấu tử yêu tiên thấm qua Công nghệ màng chất lỏng Các dung dịch nước có khối lượng phân tử thấp Các dung dịch nước hữu cơ Sự chênh lệch về nồng độ Dung môi Sự thẩm thấu Các dung dịch nước Sự chênh lệch về nồng độ Dung môi I.3.1. Thẩm thấu ngược Là quá trình phân riêng dưới áp suất P cao hơn áp suất thẩm thấu qua màng bán thấm π . Người ta dùng màng chỉ cho dung môi đi qua và giữ lại các chất tan. Khi P < π thì dung môi tự do đi qua màng và vào phía dung dịch; sau đó hình thành trạng thái cân bằng trong thẩm thấu khi có P = π . Nếu ở phía dung dịch có đặt thêm áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu thì việc vận chuyển dung môi 7 Đồ án tốt nghiệp sẽ đi theo chiều ngược lại nghĩa là từ phía dung dịch vào dung môi. Khi đó thực hiện quá trình thẩm thấu ngược. Quá trình thẩm thấu ngược có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quá trình chuyển chất lỏng từ một hỗn hợp qua vách lọc. Tuy nhiên áp suất thẩm thấu là đại lượng rất nhỏ nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong thẩm thấu ngược. Quá trình lọc tách một hỗn hợp dựa vào kích thước hạt, ngược lại màng thẩm thấu ngược chỉ cho phân tử nước đi qua còn giữ lại các chất hòa tan trên bề mặt. Dòng thấm qua F di qua một màng bán thấm có chiều dày được tính theo biểu thức sau: ( ) W W D C V F P RTd = ∆ −Π . (1.2) − Trong đó: D w – hệ số khuếch tán. C w – nồng độ của nước. V – thể tích mol của nước. ΔP – áp suất dẫn động, nghĩa là tạo động lực cho quá trình. Biểu thức này cho thấy lượng nước trong nhận được trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị bề mặt tỉ lệ nghịch với độ dầy của màng. Quá trình phân tách bằng màng phụ thuộc vào áp suất, điều kiện thủy động, kết cấu thiết bị, bản chất và nồng độ của dung dịch, nhiệt độ và hàm lượng các chất có trong dung dịch. Sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất thẩm thấu của dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dẫn đến giảm độ thấm qua và độ chọn lọc. Để giảm ảnh hưởng của phân cực nồng độ, người ta sử dụng thẩm thấu ngược với việc tuần hoàn dung dịch và tăng mức 8 Đồ án tốt nghiệp độ xoáy của lớp chất lỏng gần màng bằng cách sử dụng khuấy cơ học, bộ phận tạo rung hay tăng tốc độ dòng chảy. Bản chất của chất hòa tan có ảnh hưởng tới độ chọn lọc, ở khối lượng như nhau nhưng các chất vô cơ bị giữ lại trên màng tốt hơn các chất hữu cơ. − Khi tăng áp suất, năng suất riêng của màng tăng lên vì động lực quá trình tăng. Nhưng ở áp suất cao, vật liệu màng dễ bị nén chặt dẫn đến giảm độ thấm qua, do đó phải thiết lập áp suất làm việc cực đại cho từng loại màng. − Khi tăng nhiệt độ, độ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm và sẽ làm tăng độ thấm qua. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, mao quản của màng bắt đầu bị co ngót và thắt lại dẫn đến giảm độ thấm qua, đồng thời tốc độ thủy phân cũng tăng làm tuổi thọ của màng giảm. I.3.2. Siêu lọc Là quá trình sử dụng màng để phân tách các dung dịch chứa các chợp chất cao phân tử và các phân tử thấp cũng như chiết tách chúng. Quá trình được tiến hành nhờ chênh lệch áp suất trước và sau màng. Siêu lọc khác với thẩm thấu ngược là phân tử lượng của chất tan lớn hơn nhiều lần so với phân tử lượng của dung môi. Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, lưu lượng chất lỏng đi qua màng lọc phụ thuộc vào áp suất. Khi có chênh lệch áp suất thấp, lưu lượng tỉ lệ thuận với động lực quá trình ΔP và tỉ lệ nghịch với trở lực của màng R m . Sự phân cực trong siêu lọc thường lớn hơn thẩm thấu ngược vì hằng số khuyếch tán với phân tử macro nhỏ hơn 100 đến 1.000 lần so với các muối. Siêu lọc thường được dùng để khử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật và để tách nước cho bùn. 9 Đồ án tốt nghiệp Các ưu điểm nổi bật của thẩm thấu ngược và siêu lọc so với các phương pháp khác là sự đơn giản về công nghệ, chỉ việc tiến hành ở nhiệt độ thường điều này rất quan trong cho việc tách các dung dịch không bền nhiệt. Những ứng dụng tốt được biết tới của siêu lọc và thẩm thấu ngược là: − Sự khử nước biển và nước lợ thành nước ngọt. − Sự xử lí của các dòng chảy của quá trình đặc biệt trong các ngành công nghiệp hóa chất, thực phẩm,giấy và dệt. − Sự tăng nồng độ của nhũ tương và các dung dịch enzim,và sự phân tách của protein từ nước sữa đã tách pho mat. I.3.3. Thẩm tích và điện thẩm tích Thẩm tích là quá trình tách chất rắn bằng sử dụng sự khuếch tán không bằng nhau qua màng. Tốc độ khuếch tán F d liên quan đến gradient nồng độ ΔC qua màng. . d d F K A C= ∆ (1.3) − Trong đó: K d là tổng hệ số thẩm tích. A: là điện tích của màng. ΔC: là gradient nồng độ. Điện thẩm tích được thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Khi đưa dòng điện vào, các cation được gắn điện đi qua màng trao đổi cation về một hướng, còn các anion sẽ đi qua màng trao đổi anion đi về một hướng khác. Quá trình điện thẩm tích thường được dùng để loại bỏ các hạt nhiễm bẩn trong máu cho bệnh nhân bị tiểu đường, máu sạch được đưa trở lại cho người bệnh, 10 [...]... với hệ Etylic -Nước nhất là đối với các loại màng Zeolite 31 Đồ án tốt nghiệp - Các thông số trong mô hình dễ dàng xác định được bằng thực nghiệm II.2 Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic- Nước Trong bản đồ án này ta tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - Nước từ nồng độ 80 % lên 95 % Với năng suất đầu vào là 1000 kg/h II.2.1 Tính. .. dụng phải có độ chọn lọc và tính thấm qua cao I.8.4 Sơ đồ công nghệ hệ thống bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - nước (Xem bản vẽ kèm theo) 25 Đồ án tốt nghiệp II TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BAY HƠI QUA MÀNG II.1 Giới thiệu một số mô hình tính lưu lượng dòng Các mô hình tính lưu lượng dòng qua màng được đưa ra dựa vào cơ chế khuếch tán dung dịch (mô hình khuếch tán dung dịch) hoặc cơ... Nồng độ dòng vào và ra khỏi modules màng của nước, % khối lượng p1, p2 – Áp suất hai bên bề mặt màng, bar psat - Áp suất hơi bão hoà ,bar ωE - Phần khối lượng của Ethanol QE - Độ thấm của Ethanol II.1.3 Lựa chọn mô hình bay hơi qua màng cho quá trình tính toán Qua các mô hình tìm hiểu được ở trên em lựa chọn mô hình (2.5) để tính toán hệ thống bay hơi qua màng vì các lý do sau: - Mô hình (2.5) tính. .. Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng Bay hơi qua màng (Pervaporation – PV) là một quá trình màng mà ở đó một hỗn hợp chất lỏng ban đầu tới một bề mặt màng ở áp suất khí quyển, thẩm thấu qua màng và bay hơi ở bề mặt kia ở áp suất chân không Dung dịch loãng Hỗn hợp đầu Hỗn hợp đầu Dung dịch loãng Màng Màng TB trao đổi nhiệt Dung dịch đặc TB trao đổi nhiệt Bơm chân không Khí mang Dung dịch đặc Hình 1 Sơ... 2,5 Màng polyme kị nước: - Polypropylen - Cao su dẻo - PDMS - PDMS - PEBAX Axeton/ Nước Isopropanol/ Nước Butylaxetat/ Nước MIBE/ Nướ0063 Aniline/ Nước Màng vô cơ: - Zeolite NaA - Zeolite NaY - PERVATECH Ethanol/ nước Methanol/ MTBE Nước/ Acetic 5 acid 21 Đồ án tốt nghiệp I.8 Ứng dụng của quá trình Pervarporation (PV), sơ đồ công nghệ hệ thống màng Có ba hướng ứng dụng của quá trình PV đó là: Sự khử nước, ... chưng luyện và bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn I.8.2 Phân tách chất hữu cơ hoà tan khỏi nước Ứng dụng của PV dùng để loại bỏ các thành phần hữu cơ khỏi nước Nếu dòng nguyên liệu chứa 1-2 % chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) có thể thu lại và tái sử dụng để nâng cao hiệu quả kinh tế Một số loại màng có thể sử dụng để phân tách VOC khỏi nước đã được nghiên cứu Thường sử dụng các loại màng được làm từ... nhiệt độ cao - Theo J.Marriott, E.Sorensen JW  D K2 k D K  p2 = w0 cw γ 1w x1w − sat x 2 w  + w0 cw dw   δm 2δ m pw   2   (γ x ) 2 −  p2 x    sat 2  p   (2.11)  1w 1w  w    JE = QE.ωE(p2 –p1) Trong đó: W, E - Chỉ số cho nước và ethanol Dw0 - Hệ số khuếch tán qua màng của nước ,m2/s Kcw – Hệ số hấp thụ , mol/m3 δm - Độ dày màng ,m γ1w - Hệ số hoạt độ của nước dòng vào x1w, x2w - Nồng. .. Pervapotation ) Màng có thể chia thành màng ưa nước và màng ưa chất hữu cơ Hoặc màng làm từ vật liệu vô cơ và màng polyme − Màng ưa nước ( hydrophilic) cho nước đi qua, dùng chủ yếu để loại nước khỏi các dung môi hữu cơ đặc biệt là hỗn hợp đẳng phí Các màng dùng để lọc các phân tử ancohol, metanol và isopropanol về bản chất cũng là màng ưa nước Các màng này làm từ các polyme khác nhau mà có ái lực với nước cao. .. khuếch tán dung dịch mới được chấp nhận I.5.1 Cơ chế khuếch tán dung dịch Quá trình bay hơi qua một màng không có lỗ mao quản được thực hiện bởi sự khác nhau về độ tan hoặc độ phân tán Chất lượng của quá trình bay hơi qua màng có thể miêu tả giống như một quá trình trong đó gồm có các bước sau: - Sự hấp phụ chọn lọc lên bề mặt màng phía trên của nguyên liệu đầu - Khuếch tán chọn lọc qua màng - Nhả hấp... từ nhiệt độ t 0 đến nhiệt độ tF được tính [II-46]: Q = Cp.GF(tF-t0) ,W (2.24) Trong đó: CP được xác định theo [I-152]: CP = aEt.CP(Et) + (1-aEt).Cp (nước) (2.25) Chọn nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp t0 = 20 oC Hỗn hợp Etylic - Nước vào màng với nhiệt độ tF = 700C Hiệu số nhiệt độ trung bình giữa hai lưu thể: Hơi đốt có áp suất 2at tra bảng [I-314] được nhiệt độ hơi đốt là thd Chênh lệch nhiệt độ đầu vào: . hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - Nước - Phần III: Kết luận 4 Đồ án tốt nghiệp I. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH MÀNG VÀ BAY HƠI QUA MÀNG I.1 Lịch sử của quá trình màng . toán 31 1 Đồ án tốt nghiệp II.2 Tính toán hệ thống bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic- Nước 32 II.2.1 Tính thiết bị chính. 32 II.2.2 Tính toán thiết bị phụ 35 III. KẾT LUẬN. bay hơi qua màng dùng để nâng cao nồng độ dung dịch Etylic - nước 25 II. TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH BAY HƠI QUA MÀNG 26 II.1 Giới thiệu một số mô hình tính lưu lượng dòng 26 II.1.1.Các mô hình tính lưu