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

Để giải quyết nhược điểm không vượt qua điểm đẳng phí của chưng luyệnngười 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

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

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 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PH Ụ L ỤC 42

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 nhượcđiểm như: hỗn hợp Etylic – Nước có điểm đẳng phí mà quá trình chưng cất thuầntuý 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 phápchưng luyện thuần túy thì phải xây dựng các tháp có chiều cao lớn kéo theo chiphí xây dựng lớn hoặc phải tăng chỉ sô hồi lưu điều này cũng có nghĩa là phảitiêu tốn nhiều năng lượng để làm bay hơi lượng hồi lưu do đó sẽ tăng chi phí vậnhành

Để giải quyết nhược điểm không vượt qua điểm đẳng phí của chưng luyệnngười 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 yêucầu 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 ônhiễm

Ngày nay quá trình bay hơi qua màng đã và đang có những phát hiện mới thểhiện được ưu thế so với các phương pháp trên nên ta có thể kết hợp chưng luyệnvới 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 lựccủa nó là sự chênh lệch giữa nồng độ hoặc áp suất hơi bão hoà của các cấu tử ởhai bên bề mặt màng do đó phân tách được cả các dung dịch đẳng phí Vì vậykhi ta kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng sẽ vượt qua điểm đẳngphí Mặt khác quá trình bay hơi qua màng không cần giai đoạn hoàn nguyên nênkhông tốn chi phí để sử lý các giai đoạn hoàn nguyên như trong các quá trìnhhấp thụ, hấp phụ, trích ly cũng không gây ô nhiễm môi trường Khi kết hợp quá

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 gọnhơn nhiều

Khi kết hợp quá trình chưng luyện với quá trình màng, nồng độ cồn sảnphẩm của quá trình chưng luyện không cần cao quá do đó không tốn nhiều chiphí 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 màngcòn cao

Hiện nay trên thế giới các quá trình màng nói chung và quá trình bay hơi quamàng nói riêng ngày càng có những ứng dụng quan trong trong nhiều lĩnh vựcsản xuất Nhưng ở Việt Nam các quá trình màng vẫn còn mới lạ, các mô hìnhhiện có vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ và kỹ lưỡng Do đó cần xâydựng các mô hình tính toán các quá trình màng để có thể ứng dụng vào thiết kếcác 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 dungdịch Etylic - Nước

- Phần III: Kết luận

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 nhàkhoa 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 đểgiải thích một số thuyết về vật lý và hóa học tuy nhiên chưa mang lại hiệu quảkinh tế như dùng để đo áp suất thẩm thấu của màng bởi Traube và Pfeffer vàonăm 1887 là công cụ để phát triển giới hạn của định luật Van Hoff Một thời giansau khái niệm về độ chọn lọc lý tưởng của một màng bán thấm đã được đưa rabởi Maxwell

Đến năm 1960 khoa học màng đã được phát triển nhưng màng chỉ được sửdụng 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 20triệu USD bởi vì màng còn có bốn hạn chế ngăn cản việc sử dụng chúng trongquá trình phân tách đó là: không đáng tin cậy, quá chậm, không chọn lọc và quáđắt 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 nhiềumao quản hơn so với lớp support(đế) mà tại đó tạo động lực cơ học cho quá trìnhmàng Dòng qua màng thẩm thấu ngược cao hơn gấp mười lần bất kỳ một loạimàng nào trước đó Thời kỳ từ năm 1960 đến 1980 đã tạo ra nhưng thay đổiquan trọng trong công nghệ màng Dựa trên nền tảng của Loeb-Sourirajan vànhững thông tin về các quá trình màng khác bao gồm sự polyme hóa ở bề mặtphân 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

Cùng với sự phát triển những ứng dụng của màng trong công nghiệp là sựphát triển độc lập của màng với sự phân tách trong y học điển hình là thận nhântạo 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 cuộcsống hơn 800.000 người Đến năm 1980 thì các quá trình siêu lọc, vi lọc, thẩmthấu 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 dungmôi ở hai phía của mặt màng và nồng độ ban đầu của dung dịch cần lọc Nóđược thể hiện bằng công thức sau:

 100 %

1

2 1

I.2.2 Độ thẩm thấu (J) hay năng suất thẩm thấu

Là lượng dung môi thu được trên 1m2 bề mặt màng trong thời gian nhấtđịnh là 1h (l/m2h) hay lượng dung dịch lọc được trong một đơn vị thời gian

Động lực được nhận ra bởi

Cấu tử ưu tiên thấm qua

Thẩm thấu

ngược

Các dung dịchnước có khốilượng phân tửthấp

Sự chênh lệch áp suất(<100 bar)

Dung môi

nước hữu cơSiêu lọc Dung dịch khối

lượng phân tửlớn, 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, hỗnhợp hơi nước-khí

Sự chênh lệch ápsuất(< 80 bar)

Cấu tử yêu tiên thấmqua

Pervaporation Các hỗn hợp hữu

cơ, các hỗn hợphữu cơ-nước

Phía thẩm thấu: tỉ sốcủa áp suất riêngphần/áp suất bão hòa

Cấu tử yêu tiên thấmqua

Công nghệ

màng chất

lỏng

Các dung dịchnước có khốilượng phân tửthấp

Các dung dịchnước hữu cơ

Sự chênh lệch vềnồng độ

Dung môi

Sự thẩm thấu Các dung dịch

nước

Sự chênh lệch vềnồng 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  Người ta dùng màng chỉ cho dung môi đi qua và giữ lại các chấttan Khi P <  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 =  Nếu ở phía dungdịch có đặt thêm áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu thì việc vận chuyển dung môi

sẽ đi theo chiều ngược lại nghĩa là từ phía dung dịch vào dung môi Khi đó thựchiện quá trình thẩm thấu ngược.

Quá trình thẩm thấu ngược có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quátrình 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 thẩmthấu 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 biểuthức sau:

V – thể tích mol của nước

ΔP – P – 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 thờigian 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 cácchất có trong dung dịch Sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất thẩmthấu của dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dẫnđến 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

độ xoáy của lớp chất lỏng gần màng bằng cách sử dụng khuấy cơ học, bộ phậntạo rung hay tăng tốc độ dòng chảy.

Bản chất của chất hòa tan có ảnh hưởng tới độ chọn lọc, ở khối lượng nhưnhau 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 trìnhtăng Nhưng ở áp suất cao, vật liệu màng dễ bị nén chặt dẫn đến giảm độthấm qua, do đó phải thiết lập áp suất làm việc cực đại cho từng loạimàng

 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 màngbắt đầu bị co ngót và thắt lại dẫn đến giảm độ thấm qua, đồng thời tốc độthủy 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 caophân tử và các phân tử thấp cũng như chiết tách chúng Quá trình được tiến hànhnhờ chênh lệch áp suất trước và sau màng Siêu lọc khác với thẩm thấu ngược làphân 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 – P và tỉ lệ nghịch với trở lực của màng Rm

Sự phân cực trong siêu lọc thường lớn hơn thẩm thấu ngược vì hằng sốkhuyếch 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 đểtách nước cho bùn

Các ưu điểm nổi bật của thẩm thấu ngược và siêu lọc so với các phương phápkhác là sự đơn giản về công nghệ, chỉ việc tiến hành ở nhiệt độ thường điều nàyrất 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 côngnghiệp hóa chất, thực phẩm,giấy và dệt

 Sự tăng nồng độ của nhũ tương và các dung dịch enzim,và sự phân táchcủa 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 bằngnhau qua màng Tốc độ khuếch tán Fd liên quan đến gradient nồng độ ΔP – C quamàng

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 trongmáu cho bệnh nhân bị tiểu đường, máu sạch được đưa trở lại cho người bệnh,

thẩm tích trong việc chế tạo cao su tổng hợp trong khâu visco hóa Nhiều quátrình điện thẩm tích sử dụng màng ion chọn lọc đã được ứng dụng rộng rãi trongcông nghiệp làm sạch nước sinh hoạt, hoặc tuần hoàn lại nước đã dùng, hoặc làmđặc dung dịch.

I.3.4 Vi lọc

Quá trình vi lọc là quá trình lọc các phân tử có thể nhìn thấy được bằng mắtthường qua màng Thường dùng để tách dung dịch của các hỗn hợp keo (Caloid)của các hạt lớn hoặc các hạt lơ lửng ( huyền phù) có cỡ hạt khoảng 0.1-10µ km.Quá trình này đôi khi gọi là Microfil Động lực của nó là chênh lệch áp suất giữahai bên bề mặt màng Chúng làm việc ở áp suất cao hơn cỡ 10 – 100 Mpa Nóđược dùng chú yếu trong ngành điện tử, y, dược, y dược và vi khuẩn sinh học.Nhờ có ảnh hưởng của điện trường mà các phần tử nhiễm điện sẽ di chuyển theohướng mà người dùng mong muốn Ngoài ra còn được dùng để cô đặc dung dịchhuyền phù, xử lý nước thải và nước sinh hoạt Nó được lọc dung dịch trước khiđưa sang siêu lọc hoặc thẩm thấu ngược

I.3.5 Tách khí bằng màng

Tách khí bằng màng là một quá trình có ứng dụng rất lớn trong việc làm sạchkhí và có hiệu quả kinh tế cao Nó được biết đến từ hai thập niên trước đây trongmột số thí nghiệm Các màng có lỗ pore và không có lõ pore đều được dùng đểphân tách chọn lọc khí, khí qua màng chủ yếu là do khuếch tán đối lưu Nhữngmàng có kích thước siêu nhỏ hiện nay chưa được sử dụng rộng rãi nhưng đãđược tiến hành trong phòng thí nghiệm như các màng gốm, thủy tinh xốp

Tách khí bằng màng có một số ứng dụng quan trọng như:

a) Tách khí H 2 :

Dùng màng để tách H2 ra khỏi hỗn hợp khí N2, NH3 là một ứng dụng quantrọng Khí H2 nhẹ và có khả năng thấm cao hơn so với các khí khác Trước đây,

người ta thường dùng màng polysulfone hoặc màng xenlulo axetat nhưng hiệnnay chủ yếu sử dụng màng từ vật liệu tổng hợp như polyamid.

b) Tách khí O2 và N2 từ không khí

Màng được sử dụng cho quá trình này thường là: poly4 metyl -1pentan(TPX)

và etyl xenlulo Các vật liệu polime chế tạo có độ chọn lọc  = 1 – 5 nhưng giátrị thực tế thấp hơn Loại màng thứ hai được cải tiến có độ chọn lọc cao hơn  =

6 – 7, cho hiệu quả kinh tế cao hơn, đặc biệt ứng dụng trong xưởng sản xuất nhỏ

c) Tách khí thiên nhiên

Khí thiên hiên có thành phần khác nhau đáng kể Trong đó CH4 là cấu tửchính, thuờng chiếm tới 75 – 90% Ngoài ra khí thiên nhiên còn chứa đáng kểhàm lượng C2H6, một ít C3H8, C4H10, từ 1- 3% các khí CxHy và một số chất khôngmong muốn khác như: H2O, CO2, N2 và H2S Thành phần các khí rất khác nhaunhưng phải xử lý để khống chế thành phần khí trước khi đưa vào đường ống vậnchuyển Khí tự nhiên lấy từ giếng khoan và vận chuyển đến các nhà máy xử lý

để giảm thiểu chi phí nén lại, quá trình phải loại bỏ các tạp chất khỏi dòng bằngcách cho thấm qua chỉ còn lại C2H6, CH4 và CxHy trong dòng khí ra Tùy các chất

mà có các loại màng khác nhau Do H2O có khối lượng nhỏ và dễ ngưng tụthường được tách khỏi CH4 nhờ màng polyme cao su và thủy tinh

Ngoài ra, quá trình tách khí bằng màng còn có ứng dụng trong việc tách CO2,

dehydration, tách hợp chất hữu cơ khỏi dòng trước khi thải ra môi trường,…

I.4 Nguyên lý của quá trình bay hơi qua màng

Bay hơi qua màng (Pervaporation – PV) là một quá trình màng mà ở đó mộthỗn hợp chất lỏng ban đầu tới một bề mặt màng ở áp suất khí quyển, thẩm thấuqua màng và bay hơi ở bề mặt kia ở áp suất chân không

PV là một quá trình phức gồm hai quá trình chuyền khối và chuyển nhiệt giữapha lỏng và pha hơi theo đó xảy ra sự chuyển pha từ hỗn hợp đầu sang hỗn hợpthẩm thấu (permeat) Nhiệt hoá hơi được lấy ra từ nhiệt trong bản thân chất lỏngdẫn tới sự giảm nhiệt độ trên bề mặt màng

Động lực của quá trình bay hơi qua màng là sự chênh lệch thế hoá giữa hai

bề mặt màng, điều này được tạo ra bởi chênh lệch áp suất riêng phần hoặc chênhlệch hoạt độ của các cấu tử giữa hai bên bề mặt màng Chất thấm qua màng vàbay hơi là do áp suất hơi riêng phần của chất thấm qua thấp hơn áp suất hơi bãohoà Động lực này thường được tạo ra bằng bơm hút chân không hoặc sử dụngkhí trơ mang như:hơi nước, không khí làm giảm áp suất hơi riêng phần của chấtthấm qua

I.5 Cơ chế chuyển khối qua màng

Hình 1 Sơ đồ nguyên lý quá trình bay hơi qua màng dùng

bơm chân không và khí mang

Hỗn hợp đầu

Dung dịch loãng

Dung dịch

đặc

Dung dịch loãngHỗn hợp đầu

TB trao đổi

nhiệt

TB trao đổi nhiệtKhí mang

Bơm chân không

Có hai cơ chế vận chuyển qua màng là cơ chế khuếch tán dung dịch và cơchế lỗ (pore-flow) Cả hai cơ chế này đều được đưa ra từ thế kỷ 19, nhưng chỉ

có cơ chế lỗ được chấp nhận Tuy nhiên trong những năm 1940 cơ chế khuếchtán dung dịch được sử dụng để giải thích về quá trình vận chuyển khí qua màngpolyme nhưng không thành công lắm Sau những cuộc tranh luận của các nhàkhoa học về cơ chế của quá trình thẩm thấu ngược thì mãi đến năm 1980 cơchế 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 quamàng 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 phụ và giai đoạn hoá hơi ở bề mặt màng phía dưới

Cơ chế khuếch tán dung dịch cho rằng động lực của quá trình là sự chênhlệch gradient nồng độ giữa hai bề mặt màng Các cấu tử khi tới bề mặt màng

sẽ khuếch tán qua màng do đó cơ chế này tuân theo định luật Fick

Với Di là hệ số khuếch tán, dci/dx là gradient nồng độ

I.5.2 Cơ chế lỗ (pore-flow)

Cơ chế thấm qua pore cho rằng các cấu tử sẽ chui qua các lỗ nhỏ (pore) trên

bề mặt màng, màng đóng vai trò như một vách lọc sẽ cho các cấu tử nhỏ đi qua

và giữ các cấu tử còn lại trên bề mặt màng Động lực của quá trình được biểuthị qua gradient áp suất, dòng qua màng được biểu diễn theo định luật Darcy:

J - Lưu lượng dòng qua màng, kg/m2h

k - Hệ số của định luật Darcy

l - Độ dày của màng, m

I.5.3 So sánh giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ

Đế thấy được sự khác nhau giữa cơ chế khuếch tán dung dịch và cơ chế lỗ talấy ví dụ về quá trình thẩm thấu của dung dịch muối/nước qua màng

Hình2 Sơ đồ giải thích cơ chế khuếch t án qua màng với dung dịch muối/ nước

Ở hình (2a) áp suất thẩm thấu: Δπ=Δp = 0 Vì vậy áp suất thẩm thấu nhỏ hơnhơn chênh lệch hoạt độ giữa hai bên bề mặt màng Δπ < Δ(γc) thế hoá ở phíac) thế hoá ở phíadung môi lớn hơn ở phía dung dịch nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu, nước sẽchuyển qua màng từ phía dung môi sang dung dịch

Ở hình (2b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu bằng chênh lệch hoạt độ

Δπ = Δ(γc) thế hoá ở phíac) thế hoá hai bên bề mặt màng không đổi quá trình thẩm thấu cân bằng

Ở hình (2c) áp suất thẩm thấu lớn hơn chênh lệch hoạt độ, thế hoá phía dung dịch lớn hơn phía dung môi nên sẽ xảy ra quá trình thẩm thấu ngược, nước từ phía dung dịch chuyển sang dung môi

Hình3 Sơ đồ giải thích cơ chế lỗ thẩm thấu dung dịch muối/nước

Ở hình (3a) chênh lệch áp suất giữa hai phía của màng Δp =0 Áp suất thẩmthấu Δπ > Δp thế hoá ở phía dung dịch nhỏ hơn phía dung môi nên quá trìnhthẩm thấu diễn ra nghĩa là dòng nước đi từ phía dung dịch sang phía dung môi.

Ở hình (3b) chênh lệch áp suất bằng áp suất thẩm thấu Δp = Δπ nên thế hoá

ở hai bên bề mặt màng như nhau do đó có sự cân bằng thẩm thấu

Ở hình (3c) chênh lệch áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu Δp > Δπ, thế hoá ởphía dung dịch lớn hơn ở phía dung môi do đó xảy ra quá trình thẩm thấungược nghĩa là dòng nước chuyển từ phía dung môi về dung dịch

I.6 Một số phương pháp nhằm làm giảm áp suất hơi riêng phần ở bề mặt thấm qua

I.6.1 Dùng bơm chân không

Tất cả hơi thấm qua có thể loại bỏ bằng cách sử dụng bơm chân không.Điều này được thực hiện dễ dàng khi thể tích hơi thấm qua là tương đối nhỏ hoặc

áp suất trên bề mặt thấm qua là không quá thấp Tuy nhiên khi sử dụng nhữngbơm chân không có năng suất lớn thì sẽ tiêu tốn một lượng năng lượng rất lớn.Hơi sau khi được hút bởi bơm chân không thì có thể được ngưng tụ ở phía cuốibơm Điều này là cần thiết khi đảm bảo những quy tắc về an toàn cháy nổ

I.6.2 Dùng thiết bị ngưng tụ

Hơi thấm qua màng được ngưng tụ ở nhiệt độ đủ thấp Đây là một cách hiệuquả để duy trì áp suất hơi trên bề mặt thấm qua thấp Nhiệt độ ngưng tụ có thểđạt được bằng nước lạnh hoặc trong một vài trường hợp dùng chất tải lạnh làmnhiệt độ xuống tới – 20oC Ở nhiệt độ tương đối thấp chỉ có một lượng nhỏ hơithấm qua được ngưng tụ Tuy nhiên phương pháp này vẫn được chấp nhận do cóhiệu quả kinh tế cao Bề mặt thiết bị ngưng tụ phải được lắp ở khoảng cách nhấtđịnh so với bề mặt thấm qua của màng, tất cả các khí không ngưng phải đượcloại bỏ để giảm thiểu trở lực cho quá trình vận chuyển hơi thấm qua đến bề mặt

ngưng tụ và mất mát áp suất Nhiệt độ ngưng tụ thấp nhưng không làm quá trìnhđóng băng xảy ra.

I.6.3 Dùng khí trơ mang

Bề mặt thấm qua của màng được thổi một dòng khí trơ trong đó áp suất hơiriêng phần của thành phần tách ra được giữ thấp hơn so với áp suất trên bề mặtchứa nguyên liệu Dòng khí trơ phải được xử lí sơ bộ trước khi sử dụng và khísau khi cuốn theo hơi thấm qua có thể không thải ra ngoài ngay mà được xử lí vàtuần hoàn lại Quá trình xử lí lại thường là ngưng tụ hơi cùng khí trơ ở nhiệt độ

đủ thấp, tiếp đó là quá trình đun nóng để giảm độ ẩm tương đối và tăng khả năngcuốn theo của khí trơ

Nếu áp suất hơi riêng phần thấp thì khả năng cuốn theo của dòng khí trơ sẽthấp do đó cần phải có lượng khí lớn

I.7 Màng dùng trong quá trình bay hơi qua màng ( Pervapotation )

Màng có thể chia thành màng ưa nước và màng ưa chất hữu cơ Hoặc mànglàm từ vật liệu vô cơ và màng polyme

 Màng ưa nước ( hydrophilic) cho nước đi qua, dùng chủ yếu để loại nướckhỏi các dung môi hữu cơ đặc biệt là hỗn hợp đẳng phí Các màng dùng đểlọc 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 nướccao Những polime này chứa các ion, các nhóm chức chứa O như: -OH, -COO,…và chúng phải được cross-linked để không bị tan trong quá trìnhphủ Một số polime thường dùng là: PVA( polivinyl ancohol), poliemides,các loại polime tự nhiên phủ chitosan, CA(xenlulo axetat), …

 Các màng ưa các chất hữu cơ ưu tiên các hợp chất không phân cực đi qua,dùng để loại các cấu tử hữu cơ dễ bay hơi khỏi dòng khí

Một số màng dùng trong PV:

a Màng PEC ( Màng các polime điện ly bất đối)

Gồm màng chitosan và được hấp phụ bằng PAA ( Poly acrilic acid ) Sựhấp phụ và tạo thành màng PEC bằng cách cho một màng mỏng chitosan tiếpxúc với dung dịch PAA Màng PEC có độ chọn lọc cao khi chỉ có một lượng nhỏPEC được tạo thành ở bề mặt màng chitosan Tiến hành thí nghiệm với hệethanol - nước, độ chọn lọc nước của màng cao đến mức không phát hiện cóethanol trong nước khi phân tích bằng sắc ký khí

b.Màng PVA

Được tổng hợp bằng cách trộn lẫn PPA và poly ( acrylic acid và maleic acid) và muối Na trong đó có mặt của H2SO4 để xúc tác cho phản ứng xảy ra Màngnày cũng có tính chất thấm chọn lọc với nước tốt Tất cả các hệ thốngdehydration trong thực tế đều dùng màng PVA do có hiệu quả kinh tế cao

c.Màng xenlulo axetat

Màng xelulo axetat được tạo ra bởi vi khuẩn Acetobacter và dùng để sửdụng trong quá trình bay hơi qua màng đối với các hợp chất hữu cơ Màng nàycũng có độ chọn lọc cao với nước

d Màng Zeolites

Zeolites là vật liệu tinh thể xốp mịn có nhiều lỗ nhỏ kích thước phân tử.Chúng được hợp thành từ các đơn vị tetrahedral TiO4 (T=Si,Al) tạo thành mộtmạng có 1,2 hoặc 3 phân tử Tính ưa nước hay kỵ nước của màng phụ thuộc vào

tỷ lệ Si/Al

Bảng 3: Liệt kê một số loại màng và đặc tính của nó trong quá trình PV:

Vật liệu màng

Phân tách hỗn

hợp(A/B)

Thành phần của A trong nguyên liệu

Mức độ chọn lọc

/

A B



Dòng thấm qua

Màng polime ưa nước:

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, phân tách hợpchất hữu cơ khỏi nước, phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ

I.8.1 Sự tách nước ( dehydration )

Đây là một ứng dụng thuận lợi của quá trình PV bởi vì hỗn hợp đẳng phíethanol với nước là 95% thể tích, dùng quá trình PV có thể tạo ra sản phẩmethanol có nồng độ cao vượt khỏi điểm đẳng phí là cần thiết mà chưng đơn giảnkhông làm được Khi dùng các loại màng PVA, CTA, Anionic để nâng cao nồng

độ Ethanol thì Ethanol ở phía nguyên liệu sẽ tăng lên đến 99.5% với nguyên liệuđầu vào là 95% V Dòng thấm qua chứa khoảng 50% Ethanol có thể quay ngượclại tháp chưng cất

Nguyên liệu là sản phẩm lên men có hàm lượng Ethanol >5% được đưa vàotháp chưng cất Tháp chưng cất tạo ra sản phẩm ethanol có nồng độ 80-90%được dùng làm nguyên liệu cho hệ thống bay hơi Để tạo chênh lệch áp suất lớnnhất giữa hai bề mặt màng thì nhiệt độ làm việc từ 105 - 130oC và áp suất hơi 2 -

6 at Với điều kiện như vậy thì thời gian hoạt động tốt của màng là 4 năm

Trong thực tế có thể dùng 3 - 4 thiết bị bay hơi được xếp thành 1 dãy và có

sự bổ xung nhiệt giữa các giai đoạn Nhìn chung năng lượng sử dụng cho quátrình thấp khoảng 0.5 kghơi/1kg sản phẩm Ethanol Do đó năng lượng tiêuthụ của quá trình bay hơi là 500 Btu/l sản phẩm ít hơn năng lượng dùng trongchưng luyện đẳng phí là 20%

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 Nếudòng 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 nghiêncứu Thường sử dụng các loại màng được làm từ những polyme hữu cơ như:silicon, Polybutadien, cao su tự nhiên, đồng trùng hợp Polyamide và Polyether.Màng là cao su thì thích hợp với sự phân tách các hợp chất hữu cơ không tan

trong nước ra khỏi nước như: toluen hoặc Tricloethylene (TCE) Sau khi ngưng

tụ thành phần hơi thấm qua màng thu được sản phẩm có nồng độ cao gấp 1.000lần nguyên liệu vào Như vậy chất thấm qua màng chứa hầu hết các chất hữu cơtinh khiết và nước còn lại chứa một lượng nhỏ VOC và có thể tuần hoàn lại Vớicác chất hữu cơ “yêu nước”(hydrophobic) thì hiệu quả phân tách đạt được kémhơn như: Ethyl acetat, Methylene Chloride, Butanol

Hình 2 Sơ đồ kết hợp chưng luyện và bay hơi qua màng để nâng cao nồng độ cồn

Ngoài ra còn ứng dụng PV để loại bỏ các thành phần hữu cơ trong nước thải.Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự bay hơi của các chất hức cơ dễ bay hơi quamàng:

- Bản chất của chất hữu cơ

- Nồng độ

- Tốc độ dòng

- Nhiệt độ

I.8.3 Phân tách hỗn hợp các chất hữu cơ

Trong sự cạnh tranh với chưng cất thì với hỗn hợp các chất hữu cơ ở điểmđẳng phí hoặc hỗn hợp các chất có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì hiệu quả phântách khó có thể đạt được bằng chưng cất PV có thể sử dụng để phân tách nhữnghỗn hợp này

Mức độ phân của hỗn hợp hai cấu tử phụ thuộc vào độ nhớt tương đối, độchọc lọc của màng và điều kiện hoạt động

- Phân tách hỗn hợp Benzen/ Cychlohexane bằng màng Xenlulo acetat.Hỗn hợp đẳng phí chứa 50% Benzen và thành phần thấm qua màng chứahơn 95% Benzen

- Phân tách hỗn hợp các hydrocacbon thơm hoặc chất béo Với nhữnghydrocacbon có có nhiệt độ sôi gần nhau thì tính thấm qua giảm dần theothứ tự sau: các hydrocacbon thơm > hydrocacbon no > hydrocacbon khôngno

- Còn với những chất béo có nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau thì tính thấm quagiảm dần như sau: cấu trúc mạch thẳng > cấu trúc mạch vòng > cấu trúcmạch nhánh