RU135533U1 - THERMOPERVAPORATION MODULE - Google Patents

THERMOPERVAPORATION MODULE Download PDF

Info

Publication number
RU135533U1
RU135533U1 RU2013115663/05U RU2013115663U RU135533U1 RU 135533 U1 RU135533 U1 RU 135533U1 RU 2013115663/05 U RU2013115663/05 U RU 2013115663/05U RU 2013115663 U RU2013115663 U RU 2013115663U RU 135533 U1 RU135533 U1 RU 135533U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
chamber
separation
temperature
separated
Prior art date
Application number
RU2013115663/05U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Илья Леонидович Борисов
Владимир Васильевич Волков
Владимир Павлович Василевский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
Priority to RU2013115663/05U priority Critical patent/RU135533U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU135533U1 publication Critical patent/RU135533U1/en

Links

Images

Abstract

1. Термопервапорационный модуль для выделения и концентрирования органических веществ из жидких смесей термоградиентным первапорационным разделением, содержащий камеру с разделяемой смесью и камеру с хладагентом, разделенные мембраной, селективной по целевому компоненту и твердой поверхностью, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, камеру конденсации - воздушный зазор, поддерживаемый между указанными мембраной и твердой поверхностью, отличающийся тем, что мембрана представляет собой полимерную пленку, армированную металлической сеткой.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что полимерная пленка выполнена из политриметилсилилпропина, или полидиметилсилоксана, или поливинилиденфторида, или этиленпропиленового каучука, или композиции ПТМСП и полидиметилсилметилена при содержании ПДМСМ в композиции от 0,5-5 мас.%, или полиэфир-блок-полиамида при доле полиэфирных звеньев 40-60%.3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что металлическая сетка выполнена из нержавеющей стали или бронзы, или латуни.4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что диаметр ячеек металлической сетки составляет 30-70 мкм.1. Thermo-evaporation module for the separation and concentration of organic substances from liquid mixtures by thermogradient pervaporation separation, containing a chamber with a separated mixture and a chamber with a refrigerant, separated by a membrane selective for the target component and a solid surface, the temperature of which is lower than the temperature of the separated mixture, the condensation chamber is an air gap supported between the specified membrane and a solid surface, characterized in that the membrane is a polymer film reinforced setkoy.2 metal. The module according to claim 1, characterized in that the polymer film is made of polytrimethylsilylpropine, or polydimethylsiloxane, or polyvinylidene fluoride, or ethylene-propylene rubber, or a PTMSP composition and polydimethylsilmethylene with a PDMSM content of 0.5-5 wt.%, Or a polyester block polyamide with a proportion of polyester units of 40-60%. 3. The module according to claim 1, characterized in that the metal mesh is made of stainless steel or bronze, or brass. The module according to claim 1, characterized in that the diameter of the cells of the metal mesh is 30-70 microns.

Description

Полезная модель относится к области химии, а именно к разделению жидких смесей и может применяться в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. При этом применение мембранной технологии позволяет не только решать технологические задачи, но и предотвращать экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды.The utility model relates to the field of chemistry, namely to the separation of liquid mixtures and can be applied in various industries and agriculture. At the same time, the use of membrane technology allows not only solving technological problems, but also preventing environmental problems associated with environmental pollution.

Одним из мембранных процессов разделения жидких смесей, еще ограниченно применяемым в промышленных масштабах, является первапорация. Процесс первапорации позволяет разделять различные водно-органические смеси (например, осушать органические растворители и проводить очистку сточных вод) и смеси органических веществ. Перспективность первапорации связана как с актуальностью решаемых задач, так и с высокой эффективностью процесса первапорации по сравнению с другими процессами разделения, с возможностью разделения азеотропных смесей, малой энергоемкостью, безреагентностью и компактностью оборудования.One of the membrane processes of separation of liquid mixtures, still limitedly used on an industrial scale, is pervaporation. The pervaporation process allows the separation of various aqueous-organic mixtures (for example, to drain organic solvents and carry out wastewater treatment) and mixtures of organic substances. The prospectivity of pervaporation is related both to the relevance of the tasks being solved and to the high efficiency of the pervaporation process compared to other separation processes, with the possibility of separation of azeotropic mixtures, low energy consumption, non-reactivity and compactness of equipment.

Первапорация представляет собой процесс мембранного разделения жидкостей, при котором жидкая разделяемая смесь (сырье) приводится в контакт с одной стороной селективно проницаемой непористой мембраны, а проникшие через мембрану компоненты (пермеат) удаляются в виде пара с ее обратной стороны, а затем конденсируются при температуре ниже температуры разделяемой смеси.Pervaporation is the process of membrane separation of liquids, in which the liquid separated mixture (feed) is brought into contact with one side of a selectively permeable non-porous membrane, and the components (permeate) penetrated through the membrane are removed as vapor from its reverse side, and then condense at a temperature below temperature of the mixture to be separated.

Чаще всего на практике движущей силой процесса является градиент активности, который достигается понижением давления паров разделяемой жидкой смеси с обратной стороны мембраны одним из методов:Most often in practice, the driving force of the process is the activity gradient, which is achieved by lowering the vapor pressure of the separated liquid mixture from the back of the membrane using one of the methods:

- либо вакуумированием;- either by evacuation;

- либо сдувкой паров проникающей смеси газом;- either by blowing off the vapor of the penetrating mixture with gas;

- либо конденсированием на поверхности охлаждаемого теплообменника расположенного в непосредственной близости от мембраны (около 1 мм).- either by condensation on the surface of the cooled heat exchanger located in the immediate vicinity of the membrane (about 1 mm).

Только первый метод нашел промышленное применение (по экономическим соображениям) в установках для процессов обезвоживания органических растворителей, когда пермеат непрерывно конденсируется в вакуумируемом охлаждаемом теплообменнике и выводится из системы. {Jonquiures A. et. al. Industrial state-of-the-art of pervaporation and vapour permeation in the western countries // J.Membr. Sci. 2002. V.206. P.87-117.) Два других метода чаще используются в лабораторных исследованиях.Only the first method found industrial application (for economic reasons) in plants for the dehydration of organic solvents, when the permeate is continuously condensed in an evacuated cooled heat exchanger and removed from the system. {Jonquiures A. et. al. Industrial state-of-the-art of pervaporation and vapor permeation in the western countries // J.Membr. Sci. 2002. V.206. P.87-117.) Two other methods are more commonly used in laboratory research.

Одним из наиболее перспективных направлений применения первапорации является выделение биоспиртов из ферментационных смесей. Процесс ферментации сопровождается постоянным образованием неконденсирующегося и хорошо проникающего через мембрану углекислого газа (а также водорода в случае АБЭ ферментации).One of the most promising areas of pervaporation application is the isolation of bioalcohols from fermentation mixtures. The fermentation process is accompanied by the constant formation of non-condensing and well penetrating through the membrane carbon dioxide (as well as hydrogen in the case of ABE fermentation).

Важно подчеркнуть, что в случае вакуумной первапорации насосы включаются периодически для откачки неконденсирующихся газов. Все остальное время пониженное давление паров проникающих через мембрану веществ достигается за счет их конденсации в холодильнике, где поддерживается температура ниже 0°С. Поэтому, этот подход оказывается неприемлемым по энергозатратам в случае первапорационного выделения спиртов в процессе ферментации и разделения жидких смесей других содержащих растворенные или барботированные примеси газов.It is important to emphasize that in the case of vacuum pervaporation, the pumps are switched on periodically to pump non-condensable gases. All the rest of the time, a reduced vapor pressure of substances penetrating through the membrane is achieved by condensation in the refrigerator, where the temperature is maintained below 0 ° C. Therefore, this approach is unacceptable in terms of energy consumption in case of pervaporation separation of alcohols during fermentation and separation of liquid mixtures of other gases containing dissolved or sparged impurities.

Стоит также отметить, что для поддержания низкой температуры (менее 0°С), требуется применение специального холодильного оборудования, приводящее к дополнительным капитальным и эксплуатационным затратам на разделение.It is also worth noting that to maintain a low temperature (less than 0 ° C), the use of special refrigeration equipment is required, leading to additional capital and operating costs for separation.

По этим причинам вакуумная первапорация не нашла на данный момент промышленного применения для выделения и концентрирования органических веществ из жидких смесей.For these reasons, vacuum pervaporation has not found industrial use at the moment for the isolation and concentration of organic substances from liquid mixtures.

В этой связи представляет интерес, наименее изученный вариант первапорации, термопервапорация, в котором конденсация пермеата реализуется на холодной стенке непосредственно в мембранном модуле при атмосферном давлении. Конденсация пермеата в процессе термопервапорации происходит, как правило, при температурах больше 10°С, что выгодно его отличает в сравнении с вакуумной первапорацией.In this regard, of interest is the least studied variant of pervaporation, thermo-vaporization, in which the permeate condensation is realized on a cold wall directly in the membrane module at atmospheric pressure. The condensation of permeate in the process of thermal evaporation occurs, as a rule, at temperatures above 10 ° C, which distinguishes it favorably in comparison with vacuum pervaporation.

Известна установка для выделения растворенного компонента с использованием паропроницаемой мембраны и охлаждаемой стенки, на которой происходит конденсация пара, описанная в патенте US 3563860, МПК B01D 1/22, опубл. 16.02.1971. При этом использована мембрана, пропускающая только один компонент разделяемой смеси (вторым обычно являются соли или ПАВ, которые не переходят в газовую фазу). Установка состоит из камеры, закрытой с обеих сторон мембраной. Через нее циркулирует горячий поток жидкости, из которой должен быть выделен желаемый компонент, например водяной пар. Установка содержит также камеру, закрытую с обеих сторон водонепроницаемой теплопроводной стенкой. Через эту камеру циркулирует охлаждающая жидкость, в качестве которой может быть использована также разделяемая жидкая смесь. Между этими камерами размещена камера сбора сконденсированного пермеата, одной стенкой которой является указанная мембрана, пропускающая пар, а другой указанная водонепроницаемая теплопроводная стенка, на которой конденсируется пар. Горячий и холодный потоки жидкости из распределительных трубопроводов, соединенных с теплообменником и насосом соответственно для разделяемой смеси и холодной воды, параллельными потоками подаются в каждую соответствующую камеру и циркулируют в них в противотоке.A known installation for isolating a dissolved component using a vapor-permeable membrane and a cooled wall on which vapor condensation occurs is described in US patent 3563860, IPC B01D 1/22, publ. 02.16.1971. In this case, a membrane is used that allows only one component of the mixture to be separated (the second usually is the salt or surfactant that does not pass into the gas phase). The installation consists of a chamber closed on both sides by a membrane. A hot liquid stream circulates through it, from which the desired component, for example water vapor, must be isolated. The installation also contains a chamber, closed on both sides by a waterproof heat-conducting wall. Coolant circulates through this chamber, which can also be used as a shared liquid mixture. Between these chambers there is a condensed permeate collection chamber, one wall of which is a specified membrane that transmits steam, and the other is a specified waterproof heat-conducting wall on which steam condenses. Hot and cold liquid flows from distribution pipelines connected to the heat exchanger and pump for the mixture to be separated and cold water, respectively, are supplied in parallel flows to each respective chamber and circulate in countercurrent.

Область применения описанного технического решения ограничена, поскольку практически невозможно подобрать мембрану, пропускающую только один компонент раствора. Данная установка применяется в основном для опреснения воды, поскольку растворенные в воде соли не переходят в пар. Однако для выделения и концентрирования органических соединений из водных сред она не применима.The scope of the described technical solution is limited, since it is almost impossible to choose a membrane that passes only one component of the solution. This installation is mainly used for desalination of water, since salts dissolved in water do not pass into steam. However, for the isolation and concentration of organic compounds from aqueous media, it is not applicable.

Известно, что с помощью асимметричной мембраны из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) можно проводить термопервапорационное разделение неорганических веществ, если ПВТМС мембрана модифицирована в плазме низкочастотного тлеющего разряда в атмосфере воздуха (А.Б.Гильман, И.Б.Елкина, В.В.Угров, В.В.Волков «Плазмохимическая модификация поливинилтриметилсилановой мембраны для термопервапорации» Химия высоких энергий, 1998, том 32, №4, с.305-309).It is known that using an asymmetric polyvinyltrimethylsilane (PVTMS) membrane, thermo-vaporization separation of inorganic substances can be carried out if the PVTMS membrane is modified in a plasma of a low-frequency glow discharge in an air atmosphere (A.B.Gilman, I. B. Elkina, V.V. Ugrov, VVVolkov “Plasma-chemical modification of the polyvinyltrimethylsilane membrane for thermo-vaporization” High Energy Chemistry, 1998, Volume 32, No. 4, pp. 305-309).

Но установки с применением такой мембраны не пригодны для выделения и концентрирования органических веществ из жидких смесей, так как поверхность плазменномодифицированной ПВТМС мембраны приобретает гидрофильные свойства и применима только для выделения воды.But installations using such a membrane are not suitable for the isolation and concentration of organic substances from liquid mixtures, since the surface of a plasma-modified PVTMS membrane acquires hydrophilic properties and is applicable only for the isolation of water.

Известен мембранный модуль для термопервапорации с целью эффективного возврата тепла в процессе первапорационного разделения путем использования теплоты конденсации пермеата для прямого нагрева потока разделяемой смеси (сырья), описанный в работе E.S.Fernandez, P.Geerdink, E.L.V.Goether, Desalination, 2010, V.250, PP.1053-1055. Он состоит из камеры с разделяемой смесью, ограниченной с одной стороны непористой мембраной, и камеры с хладагентом, ограниченной с одной стороны непроницаемой пластиной. Мембранная камера и камера конденсации расположены близко друг от друга (расстояние - 2 мм) таким образом, что мембрана находится напротив непроницаемой пластины. Между жидкостными камерами имеется воздушный зазор (камера конденсации), в котором происходит конденсация пермеата на холодной непроницаемой пластине с последующим его удалением из модуля под действием силы тяжести. Разделяемая смесь подается в камеру конденсации и нагревается за счет энтальпии конденсации пермеата. Затем разделяемая смесь нагревается с использованием внешнего источника тепла и подается в мембранную камеру. За счет разницы давления паров с обеих сторон мембраны (со стороны исходного потока и пермеата), пары жидкости проникают через мембрану, и конденсируется на непроницаемой пластине в камере конденсации. Этот принцип был экспериментально исследован для выделения этанола из смесей этанол-вода и показано, что можно получить возврат тепла до 33% и реализовать потоки пермеата через мембрану до 0,5 кг/м2ч при факторе разделения этанол/вода около 3.A known membrane module for thermo-evaporation for the purpose of efficient heat recovery during pervaporation separation by using the condensation heat of permeate to directly heat the flow of the separated mixture (raw material), described in ESFernandez, P. Geerdink, ELV Goether, Desalination, 2010, V.250, PP. 1053-1055. It consists of a chamber with a separable mixture bounded on one side by a non-porous membrane, and a chamber with a refrigerant bounded on one side by an impermeable plate. The membrane chamber and the condensation chamber are located close to each other (distance - 2 mm) so that the membrane is opposite the impermeable plate. Between the liquid chambers there is an air gap (condensation chamber), in which the permeate condenses on a cold impermeable plate and is subsequently removed from the module by gravity. The separated mixture is fed into the condensation chamber and is heated by the enthalpy of condensation of permeate. Then the separated mixture is heated using an external heat source and fed into the membrane chamber. Due to the difference in vapor pressure on both sides of the membrane (from the side of the initial flow and permeate), liquid vapor penetrates through the membrane and condenses on an impermeable plate in the condensation chamber. This principle was experimentally investigated for the separation of ethanol from ethanol-water mixtures and it was shown that it is possible to obtain a heat recovery of up to 33% and realize permeate flows through the membrane up to 0.5 kg / m 2 h with an ethanol / water separation factor of about 3.

С точки зрения задач выделения и концентрирования органических веществ из водных сред, основным недостатком описанного модуля являются низкие значения потока пермеата до 0,5 кг/м2ч и фактор разделения около 3. Кроме того, поток пермеата 0,5 кг/м2ч получен при концентрации более 50% этанола в смеси этанол-вода. Известно, что первапорация используется только в случае, когда через мембрану селективно проникает компонент с низкой концентрацией в разделяемой смеси (N.Winn, Chem. Eng. Prog. 2001, V.97, PP.66-72). Это связано с тем, что при прохождении пермеата через мембрану затрачивается скрытая теплота испарения для перехода пермеата из жидкого в парообразное состояние. Однако при снижении концентрации этанола в смеси этанол-вода до 10%, как указывают авторы работы, поток пермеата снижается до значений ниже 0,2 кг/м2ч.From the point of view of the tasks of separation and concentration of organic substances from aqueous media, the main disadvantage of the described module is the low permeate flux of up to 0.5 kg / m 2 h and a separation factor of about 3. In addition, the permeate flux of 0.5 kg / m 2 h obtained at a concentration of more than 50% ethanol in ethanol-water mixture. It is known that pervaporation is used only when a component with a low concentration in the separated mixture selectively penetrates through the membrane (N. Winn, Chem. Eng. Prog. 2001, V.97, PP.66-72). This is due to the fact that when the permeate passes through the membrane, the latent heat of evaporation is expended to transfer the permeate from a liquid to a vapor state. However, when the ethanol concentration in the ethanol-water mixture is reduced to 10%, as the authors of the work indicate, the permeate flow decreases to values below 0.2 kg / m 2 h.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату является первапорационный модуль для выделения и концентрирования органических веществ, описанный в Патенте России №2432984, МПК B01D 61/00, опубл. 10.11.2011, в котором в качестве материала мембраны используют поли(1-триметилсилил-1-пропин). В собранном состоянии две проточные жидкостные камеры мембранного термопервапорационного модуля - термостатируемой емкости с хладагентом (камеры с хладагентом) и термостатируемой емкости с разделяемой жидкостью (камеры с разделяемой смесью) - разделены мембраной и твердой поверхностью, между которыми находится воздушный зазор (камера конденсации). Хладагент и жидкость циркулируют в отдельных контурах с помощью насосов. Конденсат стекает с твердой поверхности под действием силы тяжести и накапливается в емкости для сбора пермеата.The closest in technical essence and the achieved result is a pervaporation module for the isolation and concentration of organic substances described in Russian Patent No. 2432984, IPC B01D 61/00, publ. November 10, 2011, in which poly (1-trimethylsilyl-1-propine) is used as the membrane material. In the assembled state, two flowing liquid chambers of the membrane thermo-evaporation module - a thermostatic container with a refrigerant (chambers with a refrigerant) and a thermostatic tank with a shared liquid (chambers with a shared mixture) - are separated by a membrane and a solid surface, between which there is an air gap (condensation chamber). Refrigerant and liquid are circulated in separate circuits by pumps. Condensate drains from a solid surface under the influence of gravity and accumulates in a container for collecting permeate.

Недостатком известного модуля является низкие поток пермеата через мембрану и фактор разделения. Кроме того, при небольшой разности температуры разделяемой смеси и температуры конденсации эффективность действия модуля снижается. В процессе термопервапорации возникает проблема подвода тепла к поверхности мембраны и, как следствие, температурная поляризация (понижение температуры в тонком приграничном слое мембрана-газ за счет испарения пермеата с поверхности мембраны). Данный эффект может наиболее сильно проявиться при низкой температуре разделяемой смеси и низкой температуре конденсации, когда температурная поляризация максимальна. Так, например, в условиях ферментации (при температуре 40°С), когда к разделяемой смеси не подводится дополнительное тепло.A disadvantage of the known module is the low permeate flow through the membrane and the separation factor. In addition, with a small difference in the temperature of the separated mixture and the condensation temperature, the efficiency of the module decreases. In the process of thermo-vaporization, the problem arises of supplying heat to the membrane surface and, as a result, temperature polarization (lowering the temperature in a thin membrane-gas boundary layer due to evaporation of permeate from the membrane surface). This effect can be most pronounced at a low temperature of the separated mixture and at a low condensation temperature, when the temperature polarization is maximum. So, for example, under fermentation conditions (at a temperature of 40 ° C), when additional heat is not supplied to the mixture to be separated.

Для внедрения термопервапорационного модуля для выделения и концентрирования органических веществ из водных сред в промышленность требуется дальнейшее его совершенствование, которое приведет к увеличению потока пермеата через мембрану и фактора разделения.The introduction of a thermo-evaporation module for the separation and concentration of organic substances from aqueous media into industry requires further improvement, which will lead to an increase in the flow of permeate through the membrane and the separation factor.

Задача предлагаемой полезной модели заключается в увеличении потока пермеата за счет повышения теплопроводности мембраны и вследствие этого максимального снижения температурной поляризации.The objective of the proposed utility model is to increase the flow of permeate by increasing the thermal conductivity of the membrane and, as a result, maximizing the reduction of temperature polarization.

Поставленная задача решается тем, что предложен термопервапорационный модуль для выделения и концентрирования органических веществ из жидких смесей термоградиентным первапорационным разделением, содержащий камеру с разделяемой смесью и камеру с хладагентом, разделенные мембраной, селективной по целевому компоненту и твердой поверхностью, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, камеру конденсации - воздушный зазор, поддерживаемый между указанными мембраной и твердой поверхностью, в котором мембрана представляет собой полимерную пленку, армированную металлической сеткой.The problem is solved by the fact that a thermo-evaporation module for the separation and concentration of organic substances from liquid mixtures by thermogradient pervaporation separation is proposed, containing a chamber with a separated mixture and a chamber with a refrigerant separated by a membrane selective for the target component and a solid surface whose temperature is lower than the temperature of the separated mixture, condensation chamber — an air gap maintained between said membrane and a solid surface in which the membrane represents Second polymeric film reinforced with metal mesh.

Полимерная пленка предпочтительно выполнена из политриметилсилилпропина (ПТМСП), или полидиметилсилоксана (ПДМС), или поливинилиденфторида (ПВДФ), или этиленпропиленового каучука (ЭПДМ), или композиции ПТМСП и полидиметилсилметилена (ПДМСМ) при содержании ПДМСМ от 0,5-5% масс., или полиэфир-блок-полиамида (ПЭБА) при доле полиэфирных звеньев 40-60%.The polymer film is preferably made of polytrimethylsilylpropine (PTMSP), or polydimethylsiloxane (PDMS), or polyvinylidene fluoride (PVDF), or ethylene propylene rubber (EPDM), or a composition of PTMSP and polydimethylsilmethylene (PDMSM) at a content of 0.5% PDMM. or polyester block polyamide (PEBA) with a proportion of polyester units of 40-60%.

Металлическая сетка предпочтительно выполнена из нержавеющей стали или бронзы, или латуни.The metal mesh is preferably made of stainless steel or bronze, or brass.

Диаметр ячеек металлической сетки предпочтительно составляет 30-70) мкм.The mesh diameter of the mesh is preferably 30-70) microns.

Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемого технического решения, заключается в увеличении потока пермеата при выделении и концентрировании органических веществ из жидких смесей.The technical result that can be obtained from the use of the proposed technical solution is to increase the flow of permeate during the separation and concentration of organic substances from liquid mixtures.

На фигуре представлена схема термопервапорационной установки, содержащей предложенный модуль. Термопервапорационная установка состоит из термопервапорационного модуля (1) и двух контуров различной температуры. В первом контуре хладагент от термостатируемой камеры с хладагентом (2) циркулирует с помощью насоса (3). Во втором контуре осуществляется циркуляция разделяемой жидкости от термостатируемой камеры с разделяемой жидкостью (4) с помощью перистальтического насоса (5). В собранном состоянии термопервапорационный модуль содержит термостатируеую камеру с хладагентом и термостатируемую камеру с разделяемой жидкостью, которые разделены мембраной (6) и твердой поверхностью (7), между которыми поддерживается воздушный зазор 0,5-4,0 мм (8) (камера конденсации). Поддержание требуемой температуры в первом контуре обеспечивается охлаждающим теплообменником (9), во втором - нагревающим теплообменником (10).The figure shows a diagram of a thermal vaporization installation containing the proposed module. The thermo-vaporization unit consists of the thermo-vaporization module (1) and two circuits of different temperatures. In the primary circuit, the refrigerant from the thermostatic chamber with the refrigerant (2) is circulated by the pump (3). In the second circuit, the shared fluid is circulated from a thermostatic chamber with the shared fluid (4) using a peristaltic pump (5). In the assembled state, the thermo-evaporation module contains a thermostatic chamber with a refrigerant and a thermostatic chamber with a shared liquid, which are separated by a membrane (6) and a solid surface (7), between which an air gap of 0.5-4.0 mm (8) is maintained (condensation chamber) . Maintaining the required temperature in the first circuit is provided by the cooling heat exchanger (9), in the second - by the heating heat exchanger (10).

Модуль работает следующим образом. Разделяемая жидкость, нагретая теплообменником (10), с помощью перистальтического насоса (5) поступает в камеру (4). Пары пермеата испаряются с поверхности мембраны (6) и, пройдя в камеру конденсации (8), конденсируются на твердой поверхности (7). Твердая поверхность охлаждается хладагентом из камеры (2), после теплообменника (9) с помощью насоса (3) поступающего в камеру (4). Конденсат стекает с твердой поверхности под действием силы тяжести и накапливается в емкости для сбора пермеата (не показана).The module works as follows. The separated liquid heated by the heat exchanger (10), through a peristaltic pump (5) enters the chamber (4). The permeate vapor evaporates from the surface of the membrane (6) and, passing into the condensation chamber (8), condenses on a solid surface (7). The solid surface is cooled by the refrigerant from the chamber (2), after the heat exchanger (9) by means of a pump (3) entering the chamber (4). Condensate drains from a solid surface under the influence of gravity and accumulates in a container for collecting permeate (not shown).

Концентрации веществ исходной смеси и пермеате определяют рефрактометрически и методом газовой хроматографии и при помощи хроматографа Кристаллюкс 4000М с применением пламенно ионизационного детектора.The concentrations of the substances of the initial mixture and permeate are determined refractometrically and by gas chromatography and using a Crystallux 4000M chromatograph using a flame ionization detector.

Общий поток пермеата определяют весовым методом по формуле:The total permeate flow is determined by the weight method according to the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где m - масса пермеата (кг), проникшего через мембрану площадью S (м2), за время t (ч).where m is the mass of permeate (kg), penetrated through a membrane with an area of S (m 2 ), during time t (h).

Фактор разделения а определяют по формуле:The separation factor a is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где xо и xв - массовые доли органического компонента и воды соответственно в разделяемой смеси, а yо и yв - массовые доли органического компонента и воды соответственно в пермеате.where x о and x в are mass fractions of the organic component and water, respectively, in the mixture to be separated, and y о and y в are mass fractions of the organic component and water, respectively, in permeate.

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое техническое пешение, но никоим образом не ограничивают область его применения.The following examples illustrate the proposed technical pawning, but in no way limit its scope.

Примеры 1-12Examples 1-12

Проводят термопервапорационное выделение и концентирирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 2,0% масс., изменяя температуру конденсации от 0 до 25°С. В примерах 1-6 (сравнительных) в качестве мембраны используют сплошную пленку политриметилсилилпропина (ПТМСП), в примерах 7-12 используют ПТМСП-мембрану, армированную металлической сеткой из нержавеющей стали с размером ячейки 40 мкм.Thermal pervaporation is carried out and 1-butanol is concentrated from a 1-butanol / water mixture with a concentration of 1-butanol in a separable solution equal to 2.0 wt%, changing the condensation temperature from 0 to 25 ° С. In examples 1-6 (comparative), a continuous film of polytrimethylsilylpropine (PTMSP) is used as a membrane; in examples 7-12, a PTMSP membrane reinforced with a stainless steel metal mesh with a mesh size of 40 μm is used.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 40°С. Толщина селективного ПТМСП - слоя мембран составляет 40 мкм. Толщина воздушного зазора составляет 2,5 мм.The temperature of the shared initial mixture is maintained equal to 40 ° C. The thickness of the selective PTMSP - membrane layer is 40 μm. The thickness of the air gap is 2.5 mm.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 1.The results of the isolation and concentration of 1-butanol are presented in table 1.

Как видно из таблицы 1. поток для армированной ПТМСП-мембраны гораздо выше, чем для неармированной мембраны. Так, например, при температуре конденсации 25°С поток пермеата для армированной мембраны в 7 раз выше. Стоит отметить, что во всех примерах фактор разделения для армированной мембраны выше, чем для неармированной, для которой при 25°С фактор разделения равен 0. Таким образом, армированные ПТМСП-мембраны позволяют проводить термопервапорационное разделение при более высоких температурах конденсации.As can be seen from table 1. the flow for a reinforced PTMSP membrane is much higher than for an unreinforced membrane. So, for example, at a condensation temperature of 25 ° C, the permeate flow for the reinforced membrane is 7 times higher. It is worth noting that in all the examples, the separation factor for the reinforced membrane is higher than for the non-reinforced, for which at 25 ° C the separation factor is 0. Thus, the reinforced PTMSP membranes allow thermo-vaporization separation at higher condensation temperatures.

Таблица 1Table 1 № примераExample No. 1one 22 33 4four 55 66 Температура конденсации, °СCondensation temperature, ° С 00 55 1010 15fifteen 20twenty 2525 ПТМСПPTMSP Поток, кг/м2чFlow kg / m 2 h 0,050.05 0,050.05 0,040.04 0,040.04 0,020.02 0,010.01 Фактор разделенияSeparation factor 4141 4040 4040 20twenty 2,52,5 00

№ примераExample No. 77 88 99 1010 11eleven 1212 ПТМСП/сеткаPTMSP / mesh Поток, кг/м2 чFlow kg / m 2 h 0,210.21 0,200.20 0,170.17 0,140.14 0,10.1 0,070,07 Фактор разделенияSeparation factor 5151 4545 3838 2424 1010 22

Примеры 13-24Examples 13-24

Проводят термопервапорационное выделение и концентирирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 1,0% масс., изменяя размер ячейки сетки из нержавеющей стали в армированной ПТМСП-мембране от 30 до 70 мкм (примеры 13-21). В примерах 22-24 (сравнительных) в качестве мембраны используют сплошную пленку ПТМСП.Thermo-vaporization separation and concentration of 1-butanol from a 1-butanol / water mixture with a concentration of 1-butanol in a shared solution equal to 1.0 wt% is carried out, changing the mesh size of a stainless steel mesh in a reinforced PTMSP membrane from 30 to 70 μm ( examples 13-21). In examples 22-24 (comparative) as a membrane using a continuous film PTMSP.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 40°С. Температура конденсации составляла от 0 до 15°С. Толщина селективного ПТМСП - слоя мембран составляет 16 мкм.The temperature of the shared initial mixture is maintained equal to 40 ° C. The condensation temperature ranged from 0 to 15 ° C. The thickness of the selective PTMSP - membrane layer is 16 μm.

Результаты выделения и концентрирования 1-бутанола представлены в таблице 2.The results of the isolation and concentration of 1-butanol are presented in table 2.

Таблица 2table 2 Температура конденсации, °СCondensation temperature, ° С Поток пермеата, кг/м2чPermeate flow, kg / m 2 h Ячейка 30 мкм (примеры 13-15)Cell 30 μm (examples 13-15) Ячейка 40 мкм (примеры 16-18)Cell 40 μm (examples 16-18) Ячейка 70 мкм (примеры 19-21)Cell 70 μm (examples 19-21) Без сетки (примеры22-24)No mesh (examples 22-24) 00 0,220.22 0,420.42 0,310.31 0,200.20 55 0,200.20 0,370.37 0,290.29 0,190.19 15fifteen 0,160.16 0,300.30 0,250.25 0,130.13

Мембраны, армированные металлическими сетками, демонстрируют повышенные значения потока пермеата по сравнению с пленками ПТМСП, причем максимальный поток пермеата наблюдается для мембраны армированной сеткой с ячейкой 40 мкм.Membranes reinforced with metal meshes exhibit higher permeate fluxes compared to PTMSP films, and the maximum permeate flux is observed for a membrane reinforced with a mesh with a cell of 40 μm.

Примеры 25-40.Examples 25-40.

Проводят термопервапорационное выделение и концентирирование 1-бутанола из смеси 1-бутанол/вода с концентрацией 1-бутанола в разделяемом растворе, равной 1,0% масс., изменяя материал металлической сетки в армированной ПТМСП-мембране от 30 до 70 мкм (примеры 25-36). В примерах 37-40 (сравнительных) в качестве мембраны используют сплошную пленку ПТМСП.Thermal pervaporation isolation and concentration of 1-butanol from a 1-butanol / water mixture with a concentration of 1-butanol in a shared solution equal to 1.0 wt% is carried out, changing the material of the metal mesh in a reinforced PTMSP membrane from 30 to 70 μm (examples 25- 36). In examples 37-40 (comparative) as a membrane using a continuous film PTMSP.

Температуру разделяемой исходной смеси поддерживают равной 40°С. Толщина селективного ПТМСП - слоя мембран составляет 16 мкм. Температура конденсации составляла от 0 до 15°С. Толщина воздушного зазора составляет 2,5 мм.The temperature of the shared initial mixture is maintained equal to 40 ° C. The thickness of the selective PTMSP - membrane layer is 16 μm. The condensation temperature ranged from 0 to 15 ° C. The thickness of the air gap is 2.5 mm.

Результаты разделения, выделения и концентрации 1-бутанола представлены в таблице 3.The results of the separation, isolation and concentration of 1-butanol are presented in table 3.

Таблица 3Table 3 Температура конденсации, °СCondensation temperature, ° С Поток пермеата, кг/м2 чPermeate flow, kg / m 2 h Нержавеющая сталь(примеры 25-28)Stainless steel (examples 25-28) Бронза (примеры 29-32)Bronze (examples 29-32) Латунь (примеры 33-36)Brass (Examples 33-36) Без сетки (примеры 37-40)Without mesh (examples 37-40) 00 0,240.24 0,270.27 0,330.33 0,200.20 55 0,220.22 0,240.24 0,300.30 0,190.19 1010 0,200.20 0,220.22 0,280.28 0,170.17 15fifteen 0,170.17 0,200.20 0,260.26 0,130.13

С увеличением теплопроводности материала сетки (теплопроводности, Вт/мК: нержавеющая сталь - 15, бронза - 40, латунь - 110) увеличивается поток пермеата. Поток пермеата через армированные ПТМСП-мембраны выше, чем через пленки ПТМСП той же толщины.With an increase in the thermal conductivity of the mesh material (thermal conductivity, W / mK: stainless steel - 15, bronze - 40, brass - 110), the permeate flow increases. The permeate flow through the reinforced PTMSP membranes is higher than through the PTMSP films of the same thickness.

Примеры 41-44.Examples 41-44.

Проводят термоградиентное первапорационное выделение и концентирирование этанола из смеси этанол/вода с концентрацией этанола в разделяемом растворе, равной 5,0% масс., изменяя температуру разделяемой смеси от 40 до 60°С (примеры 43-44). В примерах 41-42 (сравнительных) в качестве мембраны используют сплошную пленку ПТМСП, в примерах 43-44 используют ПТМСП-мембрану, армированную металлической сеткой из нержавеющей стали с размером ячейки 40 мкм.Thermogradient pervaporation separation and concentration of ethanol from ethanol / water mixture with ethanol concentration in the solution to be separated equal to 5.0 wt% were carried out, changing the temperature of the mixture to be separated from 40 to 60 ° С (examples 43-44). In examples 41-42 (comparative), a PTMSP continuous film is used as a membrane; in examples 43-44, a PTMSP membrane reinforced with a stainless steel metal mesh with a mesh size of 40 μm is used.

Толщина селективного ПТМСП - слоя мембран составляет 16 мкм. Температура конденсации составляла 10°С. Толщина воздушного зазора составляет 2,5 мм.The thickness of the selective PTMSP - membrane layer is 16 μm. The condensation temperature was 10 ° C. The thickness of the air gap is 2.5 mm.

Результаты выделения и концентрирования этанола представлены в таблице 4.The results of the separation and concentration of ethanol are presented in table 4.

Таблица 4Table 4 № примераExample No. 4141 4242 Температура разделения, °СThe temperature of separation, ° C 4040 6060 ПТМСПPTMSP Поток, кг/м2 чFlow kg / m 2 h 0,190.19 0,750.75 Фактор разделенияSeparation factor 2,22.2 4.24.2 № примераExample No. 4343 4444 ПТМСП/сеткаPTMSP / mesh Поток, кг/м2 чFlow kg / m 2 h 0,590.59 1,421.42 Фактор разделенияSeparation factor 4,04.0 6,16.1

Как видно из таблицы 4, мембраны, армированные металлическими сетками, демонстрируют большие значения потока пермеата и фактора разделения этанол/вода по сравнению со сплошными пленками ПТМСП, как и в случае разделения водно-бутанольных растворов.As can be seen from table 4, membranes reinforced with metal grids show large values of the permeate flux and the ethanol / water separation factor in comparison with continuous PTMSP films, as in the case of the separation of water-butanol solutions.

Предлагаемое техническое решение также позволяет увеличить значения потока пермеата и фактора разделения по целевому органическому веществу по сравнению с традиционной термопервапорацией (с применением непроницаемой поверхности конденсации).The proposed technical solution also allows you to increase the values of the permeate flow and the separation factor for the target organic matter in comparison with traditional thermal vaporization (using an impermeable condensation surface).

Кроме того, предлагаемый модуль может быть эффективно применен для первапорационного выделения и концентрирования органических веществ в процессах их получения ферментацией биомассы, например, ферментативное получение этанола или ферментативное получение 1-бутанола, так называемой ацетон-1-бутанол-этанольной ферментацией (АБЭ-ферментация). При получении спиртов таким способом образуется большое количество не конденсирующегося газа СО2, который делает неэкономичным использование вакуумной первапорации для этого применения. Это связано с тем, что для удаления проникающего вместе с органическими компонентами через мембрану СО2 из вакуумной части системы необходимо постоянное вакуумирование (работа вакуумного насоса). Предлагаемый модуль лишен этих недостатков.In addition, the proposed module can be effectively used for pervaporation isolation and concentration of organic substances in the processes of their production by biomass fermentation, for example, the enzymatic production of ethanol or the enzymatic production of 1-butanol, the so-called acetone-1-butanol-ethanol fermentation (ABE fermentation) . Upon receipt of alcohols in this way, a large amount of non-condensing CO 2 gas is formed, which makes the use of vacuum pervaporation for this application uneconomical. This is due to the fact that continuous evacuation (operation of a vacuum pump) is necessary to remove penetrating together with organic components through the CO 2 membrane from the vacuum part of the system. The proposed module is devoid of these disadvantages.

Claims (4)

1. Термопервапорационный модуль для выделения и концентрирования органических веществ из жидких смесей термоградиентным первапорационным разделением, содержащий камеру с разделяемой смесью и камеру с хладагентом, разделенные мембраной, селективной по целевому компоненту и твердой поверхностью, температура которой ниже температуры разделяемой смеси, камеру конденсации - воздушный зазор, поддерживаемый между указанными мембраной и твердой поверхностью, отличающийся тем, что мембрана представляет собой полимерную пленку, армированную металлической сеткой.1. Thermo-evaporation module for the separation and concentration of organic substances from liquid mixtures by thermogradient pervaporation separation, containing a chamber with a separated mixture and a chamber with a refrigerant, separated by a membrane selective for the target component and a solid surface, the temperature of which is lower than the temperature of the separated mixture, the condensation chamber is an air gap supported between the specified membrane and a solid surface, characterized in that the membrane is a polymer film reinforced metal mesh. 2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что полимерная пленка выполнена из политриметилсилилпропина, или полидиметилсилоксана, или поливинилиденфторида, или этиленпропиленового каучука, или композиции ПТМСП и полидиметилсилметилена при содержании ПДМСМ в композиции от 0,5-5 мас.%, или полиэфир-блок-полиамида при доле полиэфирных звеньев 40-60%.2. The module according to claim 1, characterized in that the polymer film is made of polytrimethylsilylpropine, or polydimethylsiloxane, or polyvinylidene fluoride, or ethylene-propylene rubber, or a PTMSP composition and polydimethylsilmethylene with a PDMSM content of 0.5-5 wt.%, Or polyester -block polyamide with a proportion of polyester units of 40-60%. 3. Модуль по п.1, отличающийся тем, что металлическая сетка выполнена из нержавеющей стали или бронзы, или латуни.3. The module according to claim 1, characterized in that the metal mesh is made of stainless steel or bronze, or brass. 4. Модуль по п.1, отличающийся тем, что диаметр ячеек металлической сетки составляет 30-70 мкм.
Figure 00000001
4. The module according to claim 1, characterized in that the diameter of the cells of the metal mesh is 30-70 microns.
Figure 00000001
RU2013115663/05U 2013-04-09 2013-04-09 THERMOPERVAPORATION MODULE RU135533U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115663/05U RU135533U1 (en) 2013-04-09 2013-04-09 THERMOPERVAPORATION MODULE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013115663/05U RU135533U1 (en) 2013-04-09 2013-04-09 THERMOPERVAPORATION MODULE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU135533U1 true RU135533U1 (en) 2013-12-20

Family

ID=49785329

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013115663/05U RU135533U1 (en) 2013-04-09 2013-04-09 THERMOPERVAPORATION MODULE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU135533U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU204484U1 (en) * 2020-06-08 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) MODULE FOR THERMOPERVAPORATIVE ISOLATION AND CONCENTRATION OF ORGANIC COMPOUNDS FROM LIQUID MEDIA

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU204484U1 (en) * 2020-06-08 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) MODULE FOR THERMOPERVAPORATIVE ISOLATION AND CONCENTRATION OF ORGANIC COMPOUNDS FROM LIQUID MEDIA

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Meindersma et al. Desalination and water recycling by air gap membrane distillation
Zhang et al. Review of thermal efficiency and heat recycling in membrane distillation processes
AU2012376269B2 (en) A vacuum air gap membrane distillation system for desalination
US9283522B2 (en) Process for separating liquid mixtures
US8613839B2 (en) Water distillation method and apparatus
Volkov et al. Porous condenser for thermally driven membrane processes: Gravity-independent operation
Heinzl et al. Industrialized modules for MED Desalination with polymer surfaces
US10688439B2 (en) Osmotically and thermally isolated forward osmosis-membrane distillation (FO-MD) integrated module for water treatment applications
CN103080013A (en) Vapor compression membrane distillation system and method
US20170361277A1 (en) Vacuumed gap membrane distillation (vagmed) module, multi-stage vagmed systems, and vagmed processes
Matheswaran et al. Factors affecting flux and water separation performance in air gap membrane distillation
Criscuoli Improvement of the Membrane Distillation performance through the integration of different configurations
Hamouda et al. PEBAX membranes for water desalination by pervaporation process
Baghbanzadeh et al. Membrane distillation
RU135533U1 (en) THERMOPERVAPORATION MODULE
RU2532518C2 (en) Method of separation and concentration of organic substances from liquid mixtures and device for its realisation
Pangarkar et al. Flux enhancement of air gap membrane distillation for desalination of groundwater by surface modification of membrane
Li et al. Application of vacuum membrane distillation in water treatment
RU2435629C1 (en) Method of organic substances extraction from water and their concentration
Gao Desalination of high-salinity water by membranes
Yan et al. Experimental study on vacuum membrane distillation based on brine desalination by PVDF
KR101675639B1 (en) Efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination
RU2432984C1 (en) Method of extracting and concentrating organic substances from aqueous media
US20240058761A1 (en) Multi-stage permeate gap membrane distillation system and process
US20240058759A1 (en) Multi-stage air gap membrane distillation system and process

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20140410

NF1K Reinstatement of utility model

Effective date: 20151127

MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20170410

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20180801