جداسازی غشایی گازها
فهرست مطالب
بخش اول:کلیات کلیات
بخش دوم : غشاها
طبقه بندی غشاها
تقسیم بندی براساس ماهیت
تقسیم بندی بر اساس مورفولوژی و ساختار
بخش سوم: جدا سازی غشایی گازها
جداسازی گازها توسط غشاهای متخلخل جدا سازی گازی توسط غشاهای غیر متخلخل
مراجع
بخش اول
کلیات
1-1- کلیات
فرایند غشایی از دهه 1960 کاربردهای صنعتی یافته و برخی از آنها مانند جدا سازی غشایی گازها عمری کمتر و حدود 25 سال دارند. عمده ترین مزایای فرایند غشایی را می توان در موارد زیر خلاصه نمود.
1- مصرف انرژی کمتر برای انجام جداسازی
2- امکان انجام عملیات جداسازی در دمای محیط
3- سهولت دستیابی به کلیه فازهای جدا شده
4- انجام عملیات جداسازی توسط تجهیزاتی با وزن و حجم کم
5- نصب و عملیات ساده
6- حداقل نیاز به کنترل، بازرسی، تعمیر و نگهداری
7- طبیعت مدو لار بودن فرایند و بنابراین انعطاف پذیری بالای فرایند برای پاسخ گویی به انواع نیازهای جداسازی
8- عدم نیاز به استفاده از مواد شیمیایی برای جداسازی و بنابراین عدم وجود مسائل زیست محیطی ناشی از مصرف مواد شیمیایی
9- ایده آل برای مناطقی دور دست و موقعیت هایی که امکان فراهم آوردن تسهیلات جانبی فرایندها موجود نباشد.
10- قابلیت اتصال آن به سایر فرایندهای جداسازی
Amine section
Membrane unit
این فرایند در زمینه نفت، گاز و پتروشیمی کاربرد زیادی دارد، علاوه بر استفاده از این فناوری درتصفیه آب و چاپ این صنایع در تولید و پالایش نیز کاربردهای زیادی پیدا کزده و قابل رقابت با فرایندهای کلاسیک جداسازی می باشد.
مهمترین زمینه های رقابت فناوری فشایی با فرایند کلاسیک در صنعت نفت عبارتنداز:
1- شیرین سازی گاز ترش (طرف CO2 وH2 S از گاز طبیعی )
2- بازیافت و خالص سازی هیدروژن از جریان های گازی نظیر بازیافت هیدروژن از گازهای خروجی واحدهای پالایشگاهی هیدرو کراکر،هیدروتریتر، fec و…
3- بازیافت هیدروژن از گازهای خروجی واحدهای تولید آمونیاک
4- تنظیم نسبت H2/CO در گاز سنتز به منظور استفاده در انواع فرایندهای تبدیلات گازی
5- فرض بخار آب از گاز طبیعی و سایر جریانهای گازی
6- بازیافت و جداسازی هیدروکربنهای سنگینی از جریان گازی و سایر جریانهای گازی
7- تولید نیتروژن از هوا
8- تولید هوای غنی از اکسیژن
ویژگیهای قابل ملاحظه فرایند جداسازی غشایی، جداسازی بدون تغییر فاز می باشد لذا از تشکیل فاز دوم اجتناب شده و صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی به عمل می آید.
مکانیزم عمل بدین صورت می باشد که غشاﺀ برخی از مولکولهای خوراک را اجازه عبور می دهد و باقی مولکولها را نگاه می دارد.
این غشاها برای استفاده در مقیاس صنعتی در بسته های خاصی مورد استفده قرار می گیرند که مدول نامیده می شوند،هر مدول محتوی مقدار معینی غشاﺀ می باشدکه با آرایش خاصی قرار گرفته و کانالهای خاصی برای عبور خوراک و خروج اجزای باقیمانده دارد.
شکل 1-3 طرح شماتیک یک مدول
انواع فرایندهای غشایی:
فرایندهای غشایی به سه دسته تقسیم میشوند:
فرایند گاز- گاز : فرایند تراوش گاز
فرایند مایع- گاز: تراوش تبخیری
فرایند مایع- مایع: دیالیز- الکترو دیالیز- اسمز معکوس- نانوفیلتراسیون- اولترافیلتراسیون و میکروفیلتراسیون
بخش دوم:
غشاﺀ ها
غشاﺀ را می توان یک حایل انتخابگر بین دو فاز تعریف کرد که انتخابگری جزﺀ خصوصیات ذاتی غشاﺀ می باشد.
1-2- طبقه بندی غشاﺀها :
1-2-1- تقسیم بندی بر اساس ماهیت:
غشاﺀها از لحاظ ماهیت به دو گروه بیولوژیکی
و سنتز شده تقسیم میشوند،این تقسیم بندی واضح ترین تمایز ممکن بین غشاﺀهاست چرا که این دو گروه کاملا از لحاظ ساختار و خصوصیات تابعی با هم متفاوتند: به دلیل کاربردهای صنعتی غشاﺀهای سنتز شده به توضیح این گروه می پردازیم.
[1] – biological
[2] – synthetic
غشایپلیمری
غشای آلی
غشای مایع
غشاﺀهای سنتز شده
فلزی
غشای غیر آلی سرامیکی
شیشه ای
زئولیتی
Ι) غشاهای آلی:
غشاﺀ مایع:
این نوع غشاﺀ شامل یک فیلم نازک مایع می باشد که اجزای مخلوط درآن حل شده وتوسط نفوذ منتقل میشود البته بهتر است که از عامل استفاده شود چرا که انتقال یک جز را تسهیل میکند.
غشای پلیمری :
مهمترین گروه غشاهای آلی و پلیمری می باشد که خاصیت جداسازی مواد مختلف را دارند و استفاده گسترده ای در صنعت از آنها می شود.
Ι Ι) غشاهای غیرآلی:
مواد غیر آلی دارای مقاومت حرارتی و شیمیایی بالاتری نسبت به گروه قبل میباشند. مهمترین استفاده آنها در زمینه میکرواولترافیلتراسیون میباشد.
غشای سرامیکی:
مهمترین گروه غشاهای غیر آلی می باشد که توسط ترکیب فلزات مثل آلومینیوم،تیتانیوم وسیلیسیوم و… با یک غیرفلز در فرم اکسید نیتریت یا کربید ساخته میشود.
غشای شیشه ای:
از این دسته از غشاها میتوان به اکسید سیلیکون اشاره کرد.
غشای فلزی:
از به هم فشردن پودر فلزات تولید میشود.
غشای زئولیتی:
این نوع غشاها دارای حفره هایی ریز میباشند که بیشتر در زمینه جداسازی گازو تراوش تبخیری استفاده می شود.
2-2-1- تقسیم بندی بر اساس مورفولوژی و ساختار:
در یک تقسیم بندی دیگر غشاها بر اساس شکل و ساختار آنها طبقه بندی می کنند، این تقسیم بندی می تواند تقسیم بندی مفیدی باشد به علت اینکه ساختار غشا مکانیسم جداسازی ولذا کاربرد آن رامشخص میکند.اگر توجه خود را فقط به غشاهای سنتز شده جامد محدود نماییم دو نوع غشا قابل تشخیص خواهد بود:
الف – غشای متقارن:
دارای ضخامتµm 20-10 بوده و مقاومت در برابرانتقال جرم توسط کل غشاﺀ مشخص میگردد و کاهش ضخامت غشاﺀ میزان رسوخ را افزایش میدهد.
ب – غشاهای نا متقارن:
شامل یک لایه بالایی با ضخامت µm 0.5 – 0.1 که توسط لایه متخلخل با ضخامتی در حدود µm 50 -150 محافظت میشود در واقع انتخابگری بالا غشاﺀهای متراکم را با سرعت بالا رسوخ غشاهای نازک را ترکیب کرده است.
برای انتخاب مواد در یک کاربرد خاص به عنوان غشاﺀ معیار های زیر مد نظر میباشد:
1- انتخابگری
2- حالت غشاﺀ
3- شار
4- پایداری حرارتی و مکانیکی
جداسازی غشایی گازها
بخش سوم :
در میان فرایندهای جدا سازی گازها دارای کاربردهای زیاد در فرایندهایی مثل جدا سازی 2/N2O جدا سازی2 CO و H2s از گازهای طبیعی و یا جداسازی voc با ارزش یا سم از جریان هوا و …… می باشد. فرایند های جداسازی گازهای توسط غشاﺀ های متخلخل و غیر متخلخل امکان پذیر است با این حال مکانیسم های انتقال و جداسازی از طریق این دو نوع غشاﺀ کاملاً متفاوت بوده و انتخابگری وشار در هر یک از دو حالت تابع پارامتر های خاص می باشد.
І) غشاﺀ متخلخل: انتقال در این نوع غشاﺀ از طریق منافذ صورت می گیرد و پارامتر های ساختاری مانند اندازه منافذ، توزیع اندازه منافذ، تخلخل و …. مهم میباشند.انتخابگری چنین غشاﺀهای عموما بر پایه اختلاف بین اندازه ذرات و منافذ می باشد.
3-1- جداسازی گازهای توسط غشاﺀ های متخلخل:
بر حسب اندازه منافذ و ذرات چند نوع جریان مشخص در داخل غشاﺀ ممکن است شکل گیرد.
جریان viscous: در غشاﺀهای ریز منفذ (اندازه منافذ nm 200-300)اتفاق می افتد.
در این حالت جداسازی صورت نمیگیرد چرا که تمام مولکول های با یکدیگر مجتمع شده و با یک سرعت
توده متوسط مستقل از اندازه، شکل و جرم مولکول ها از منافذ عبور می کنند.
جریان Knudsen:در صورتی اتفاق میافتد که منافذ غشا کوچکتر از متوسط پویش آزاد مولکول هایی که می خواهیم از هم جدا کنیم باشد در این حالت برخورد مولکول های گازاز برخورد انها با دیواره منافذ کمتر است.
شکل 3-1 طرح شماتیک جریان Viscous و جریان Knudsen در عبور از منافذ
چون متوسط پویش آزاد مولکولها در حدود چند 0 Aاست.لذا نفوذ Knudsen در مایعات قابل صرف نظر است.
غربال مولکولی: برای اندازه منافذ زیر nm5 جداسازی به وسیله موانع steric در ورودی منافذ و به وسیله مقاومت اصطکاکی در منافذ صورت میگیرد.
نفوذ سطحی : اگر نسبت سطح به حخم منافذ در غشا های زیر منفذ(nm3- (7A. به اندازه کافی بزرگ باشد زمانی اقامت مولکول ها در دیواره منافذ قابل توجه می باشد و در نهایت قسمتی از انتقال در امتداد دیواره منافذ اتفاق می افتد. چنین مکانیسمی نفوذ سطحی نامیده میشود.
І І )غشا غیر متخلخل[(متراکم):
در این نوع غشا یک مولکول تنها در صورتی میتواند نفوذ کند که در غشا حل شود که میزان حلالیت توسط میزان تمایل ترکیبی بین غشا و اجزا مشخص میگردد ، به علت وجود نیروی رانش بین دو طرف غشا یک جز از یک طرف غشا به طرف دیگر غشا توسط نفوذ منتقل میشود.در این حالت پارامتر های
مهم انتقال انهایی هستند که اطلاعاتی در مورد تعامل ترمودینامیکی یا میل ترکیبی بین غشا و ماده نفوذ کننده میدهند. انتخابگری عموما به علت اختلاف حلالیت و اختلاف در نفوذ اجزا مشخص میگردد .
3-2-جداسازی گازها توسط غشا های غیر متخلخل:
این جدا سازی به اختلاف رسوخ گازهای مختلف از یک غشا بستگی دارد . غشا های غیر متخلخل منافذ پیوسته ای ندارند اما حرکت زیر بخش های پلیمر باعث به وجود امدن حفره های نا پایدار هم اندازه ماده نفوذ کننده میگردد که در نتیجه آن امکان نفوذ از غشا فراهم میگردد.
مراجع:
1:م.مهدویان،جداسازی گاز ها توسط غشا های پلیمری ، پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه مازندران 1383
2:م.مهدیارفر:چالشهای تحقیقات کشور در زمینه فناوری جداسازی غشایی گازها ، پژوهشکده گاز پژوهشگاه صنعت نفت،1385
3-ع.سالم . مدل سازی فرایند آب زدایی از گازهای طبیعی و بخارات آلی با استفاده از غشاء ، پایان نامه کارشناسی ارشد دانشگاه مازندران 1383
4-ع.حسینی.تهیه نرم افزار شبیه سازی فرایند های غشایی گازها ، پایان نامه کار شناسی ارشد دانشگاه مازندران 1383
5-r.taylor , r.krishna, "multi component mass tlansfe",john wily &sonc,inc 1993
6-r.c.reid,j.m.plausnits,"the properties of gases snd liquids",4th edition.mcgrew hill,new york,1987
7-s.s Dhingra, e, marand,"mixed gas transport study through polymeric membranc"j of memblane sci.141(1998)45-63
پایان