5.3. Визначення швидкості початку псевдозрідження

Н

(5.3.1)

айбільш надійно швидкість початку псевдозрідження W_ПС визначається експериментальне на лабораторних або дослідних установках. Розрахунковим шляхом W_ПС знаходять наступним чином. Для частинок шароподібної або близької до неї форми критичне значення критерія Рейнольдса (Rе_опс ), при котрому починається псевдозрідження, можна визначити по наступному рівнянню:

В критерій Архімеда входять всі відомі величини.

Тоді, визначивши за рівнянням (5.3.1).

знаходять відому швидкість W_{пс .}. Знаючи її можна знайти робочу швидкість W₀ потоку, а по ній визначають діаметр апарату, використовуючи рівняння:

,

де – W0 = kn*Wnc ,

kn – число псевдозрідження.

Рівняння для визначення швидкості початку псевдозрідження має вигляд: (5.3.2)

Для визначення висоти псевдозрідженого слою використовують рівняння:

(5.3.3)

попередньо визначивши порізність ε за рівнянням:

(5.3.4)

6. Масообмін через напівпроникні перетинки (мембрани)

Процеси розділення рідких систем відіграють важливу роль практично в усіх сферах людської діяльності. Для здійснення цих процесів давно використовують такі способи, як перегонку і ректифікацію, абсорбцію та адсорбцію, екстракцію та ряд інших фізико - хімічних, хімічних, фізичних і механічних методів. Широко застосовуваним методом розділення є розділення з використанням напівпроникних мембран (мембранні методи). Мембранні методи розділення сумішей використовуються в хімічній і нафтохімічній промисловості, в біотехнології і медичній та харчовій промисловостях, Найбільш широко використовують мембранні процеси при обробці води і водних розчинів, очистці стічних вод.

До основних мембранних процесів, що нині успішно використовуються для розділення рідких систем належать: зворотній осмос, нанофільтрування, ультрафільтрування мікрофільтрування, діаліз, електродіаліз, випаровування через мембрану та ін.

6.1. Найважливіші мембранні методи та межі їх застосування.

Зворотній осмос - це процес фільтрування розчинів під тиском крізь напівпроникні мембрани, які пропускають розчинник і повністю або частково затримують молекули чи йони розчинених речовин. В основі цього мембранного процесу лежить явище осмосу - самовільного проникнення розчинника крізь напівпроникну мембрану в розчин (рис.6.1.1.,а)

Рис.6.1.1. Схема виникнення зворотного осмосу; а - осмос; б - рівновага; в - зворотній осмос.

Гідростатичний тиск, за якого встановлюється динамічна рівновага потоку розчинника крізь мембрану, відповідає осмотичному тиску розчину даної концентрації (рис.6.1.1.,б).

Якщо з боку розчину прикласти тиск, який перевищує осмотичний (рис.6.1.1.,в) то розчинник буде переноситись у зворотному напрямку, що відображено в назві процесу - зворотний осмос. Рушійною силою процесу є різниця робочих тисків з обох боків мембрани.

Ультрафільтрування - це процес баромембранного розділення, а також концентрування і фракціонування розчинів високомолекулярних сполук. Він здійснюється за рахунок різниці тисків з обох боків мембрани. Залежно від цілей ультрафільтрувального процесу мембрани пропускають:

- розчинник і переважно (або тільки) низькомолекулярні сполуки (розділення високо-і низькомолекулярних сполук і концентрування високомолекулярних сполук);

- розчини і фракції високомолекулярних сполук з певними молекулярною масою чи розміром макромолекулярних клубків (фракціонування полімерних сполук). Ультрафільтрування, на відміну від зворотного осмосу, застосовують для розділення систем, в яких молекулярна маса розчинених компонентів набагато більша за молекулярну масу розчинника. На практиці ультрафільтрування використовують тоді, коли хоча б один з компонентів розчину має молекулярну масу понад 500 дальтон.

Рушійною силою процесу ультрафільтрування є різниця тисків з обох боків мембрани.

Нанофільтрування - це баромембранний процес розділення речовин ( за робочих тисків 1 - 2 МПа) з молекулярними масами до 300 - 500 дальтон. У процесі нанофільтрування частково затримуються низькомолекулярні електроліти і практично повністю органічні сполуки.

Застосовують при водоочищенні природних і стічних вод, в фармацевтичній промисловості і біотехнології.

Мікрофільтрування - це баромембранний процес, який застосовують для відокремлення від розчинника завислих та колоїдних частинок розміром 0,1 - 10 мкм. Рушійною силою процесу є різниця тисків з обох боків мембрани, яка становить 0,01 - 0,05 МПа.

Діаліз - це мембранний процес, рушійною силою якого є градієнт концентрації розчинених речовин з обох боків мембрани. Діаліз відбувається з використанням непористих (дифузійних) мембран і застосовується для розділення речовин, що значно відрізняються за молекулярною масою. Недоліком методу є його низька продуктивність і великі об'єми розчинника. Діаліз раціонально використовувати в технологічних процесах після ультра - або мікрофільтрувального концентрування розчинів високомолекулярних сполук чи колоїдів.

Первапарація - це мембранний процес, який відбувається з використанням непористих мембран для вилучення з води невеликих домішок органічних речовин (спиртів, ацетону, бензолу, толуолу тощо), або для видалення домішок води з цих речовин. Необхідною умовою первапараційного розділення є здатність полімерної мембрани набрякати в речовинах, що є домішками. Рушійною силою процесу первапарації є різниця парціальних тисків пари або градієнт концентрації розчиненої речовини з обох боків мембрани, які створюються за рахунок різниці температур або тисків.

Випаровування через мембрану - це процес пропускання певних компонентів через мембрану, коли розчин, що розділяється контактує з мембраною з однієї сторони, а компонент, що дифундує у вигляді пари відводиться з іншої сторони мембрани за допомогою вакууму або потоку інертного газу.

Дифузійне розділення газів - базується на відмінності коефіцієнтів дифузії в непористих полімерних мембранах і здійснюється під дією градієнта концентрацій у відповідності з законами молекулярної дифузії.

У будь-якому з перелічених мембранних процесів розчин, що підлягає розділенню, обов'язково контактує з напівпроникною мембраною з одного її боку. Внаслідок напівпроникності мембрани розчин, що проходить крізь неї, збагачується на один із компонентів. Часом процес відбувається настільки ефективно, що отриманий фільтрат практично не містить домішок. Водночас, використовуючи той чи інший мембранний процес, можна отримати в розчині над мембраною концентрат без домішок речовин, здатних проникати крізь мембрану.

Рушійною силою мембранних процесів є градієнт хімічного (для незаряджених частинок потоку) або електрохімічного (для заряджених частинок потоку) потенціалу. Для технічних розрахунків таких процесів за рушійну силу приймають градієнт фактора, який визначає швидкість даного процесу. Таким чином основною рушійною силою мембранного процесу може бути градієнт тисків - баромембранні процеси (зворотній осмос, нано-, ультра- і мікрофільтрація); градієнт концентрацій - дифузійно - мембранні процеси (діаліз, випаровування через мембрану, мембранне розділення газів та ін.); градієнт електричного потенціалу - електромембранні процеси (електродіаліз, електроосмос та ін.); градієнт температур - термомембранні процеси (мембранна дистиляція та ін.). В деяких мембранних процесах можливо існування двох і навіть трьох рушійних сил.