6.2. Stage-cut – permeátumelvételi arány

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Ahhoz, hogy mérnöki pontossággal le tudjuk írni a két- vagy többkomponensű gázelegyek viselkedését a membránszeparáció során, le kell rögzítenünk, hogy a szeparáció egyes munkapontjai állandósult állapotban (steady-state) működnek, így a betáplált gázáram, a permeátum- és retentátum-gázáram nyomása, térfogatárama és összetétele nem változik az adott pontban. A művelet tervezéséhez továbbá be kell vezetnünk egy újabb fogalmat, amit angolul stage-cutnak neveznek (Baker, 2004; Slater, 1991; Asadi, 2016); széles körben elfogadott magyar fordítása még nincs, talán permeátumelvételi aránynak (jelöljük r-rel) lehetne nevezni. Ennek definíciója: a betáplált gáz azon frakciója, amely átmegy a permeátumba. (Weller, 1950; Baker, 2004). Értéke 0 és 1 között változhat, illetve %-ban is kifejezhetjük. Amennyiben értéke 1 (vagyis 100%), a betáplált gázáram teljes mennyiségét átkényszerítjük a permeátumoldalra (elzárjuk a retentátumszelepet). Ha viszont egyáltalán nem engedünk át permeátumot a szekunder oldalra, s a teljes betáplált gázáram a retentátumban marad, a stage-cut értéke 0 lesz. E két határesetben – érthető módon – szeparáció nem fog végbemenni, a betáplált gázáram összetétele megegyezik a kapott gázáraméval.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A gázszeparációs mérés során tehát a kísérletet érdemes a permeátumelvételi arány (stage-cut) egyik végpontjából indítani, majd a stage-cut változtatásával (például a fojtószelep nyitásával) egy munkaponton megvárni, amíg beáll az állandósult állapot, és akkor rögzíteni a mérési adatokat. A következő beállított permeátumelvételi aránynál pedig hasonlóan járunk el.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A permeátumelvételi arány értelmezéséhez vegyünk egy konkrét mérési példát. Gázelegyünk két komponense A és B, kiindulási összetétele 35% A és 65% B (térfogatszázalék). Membránunk a B komponensre szelektív, a szelektivitás elméleti értéke 4. A betáplálási oldal nyomása 3 bar, a permeátumoldalon atmoszférikus. Amennyiben az r = 100% értéktől indulunk el, a teljes betáplált gázáramot átkényszerítjük a permeátumba. Ezt követően, ha a szekunder oldalon a fojtószelepet kissé megnyitjuk, elérhetjük, hogy a retentátumgáz térfogatárama a betáplált áramhoz képest elérje például az 5%-ot. Ez 95%-os permeátumelvételi arányt jelent. A kialakuló viszonyokat a 6.1. ábra mutatja, a szemléltető adatokat a 6.1. táblázatban mutatjuk be. A táblázatban feltüntettük a mért nyomásértékeket (pF), a betáplált (feed, QF), a retentátum- (QR) és a permeátum- (QP) térfogatáramokat – normál körülmények között mérve, STP dm3/min mértékegységben –, illetve a retentátum- és a permeátumáramokban mért A és B komponens koncentrációjának értékét %-ban kifejezve. Kiszámítottuk továbbá a permeátumelvételi arány értékeit is, és ennek függvényében ábrázoltuk az összetétel-változásokat.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

6.1. ábra. A permeátumelvételi arány (r) hatása a gázszeparációs folyamat koncentrációviszonyaira ( – „A” komponens a retentátumban, – „B” komponens a permeátumban)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

6.1. táblázat. A permeátumelvételi arány (r) hatása a gázszeparációra
pF
QP
QR
QF
r
retentátum
permeátum
(bar)
(dm3/min)
(dm3/min)
(dm3/min)
%
A %
B %
A %
B %
2
,94
21
,2
1
,0
22
,2
95
,4
96
,3
3
,7
33
,5
66
,5
3
,01
23
,8
3
,2
27
,1
88
,0
89
,8
10
,8
29
,6
70
,4
3
,01
24
,4
7
,6
32
,0
76
,3
74
,8
25
,2
26
,1
73
,9
2
,93
25
,5
15
,1
40
,6
62
,8
64
,7
35
,3
21
,9
78
,1
3
,11
27
,9
26
,9
54
,8
50
,9
56
,2
43
,8
20
,7
79
,3
2
,71
25
,6
41
,6
67
,2
38
,1
50
,2
49
,8
18
,9
81
,1
2
,40
23
,0
84
,0
107
,0
21
,5
45
,1
54
,9
17
,1
82
,9
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

95%-os permeátumelvételi aránynál csak kis mennyiségű retentátumunk keletkezik (a 22,2 dm3/min betáplálási térfogatáramhoz képest csak 1 dm3/min), ebben viszont a kevésbé jól permeálódó gázkomponens (A jelű) szinte tisztán visszamarad. Mindeközben a permeátum – amely a betáplálási elegy túlnyomó részét képezi – összetétele alig változott.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Ahogy csökkentjük a permetáumelvételi arány értékét, egyre nagyobb mértékű lesz a retentátum térfogatárama, s arányaiban egyre több B komponens marad benne. A permeátumban viszont a gyorsabban permeálódó B komponens fokozatosan feldúsul, a végén a 82%-ot is meghaladja koncentrációja. Igaz, hogy ekkor (kisebb permeátumelvételi értéknél) a permeátumnak a betáplált térfogatáramhoz képest már csak 20%-os az aránya.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A mérés megbízhatóságát a komponensekre vonatkozó anyagmérleggel ellenőrizhetjük. Ezt kiszámítva megállapítható, hogy az anyagmérleg hibája esetünkben minden pontban 5% alattinak adódott.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Észrevehetjük az adatok értékelése során, hogy a permeátumelvételi arány egyes beállításainál a nyomásértékek kevésbé változtak (így talán egyszerűbb a szemléltetés), viszont a betáplált térfogatáram változása számottevő.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A gázelegyek membrános szeparációja során a fentiekhez hasonló kísérletekkel lehet meghatározni, hogy melyik munkaponton érdemes végezni az elválasztást. A kísérletek kivitelezésénél úgy is el lehet járni, hogy a nyomásértékek (is) nagymértékben változnak. Ilyen esetekben a hajtóerő változásával is számolni kell.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A permeátumelvételi arány mellett a szeparáció hatékonyságát – vagyis a kitermelést – (Y %) is tudnunk kell számolni. Ez megadható az alábbi képlettel:
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

(6.1)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

ahol QR és QF a retentátum- és a betáplált (feed) elegy térfogatárama (normál körülmények között mérve, STP), és az A komponens koncentrációja ezekben a frakciókban.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Hasonlóképpen adható meg a kitermelés a B komponensre, de ott – értelemszerűen – a permeátumban mért koncentrációkat kell figyelembe vennünk:
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

(6.2)
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

A bemutatott példa esetén az egyes munkapontokban számított kitermelési (Y) értékeket a 6.2. táblázatban összesítettük.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

6.2. táblázat. A kitermelési értékek
r
YA
YB
%
%
%
95
,4
12
,6
97
,7
88
,0
30
,8
95
,3
76
,3
50
,4
92
,4
62
,8
68
,8
75
,5
50
,9
78
,8
62
,1
38
,1
88
,8
47
,5
21
,5
100
27
,0
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Látható az adatokból, hogy rendkívül sokat számít, mi a pontos célunk. Ha az A komponenst szeretnénk minél tisztábban kinyerni, akkor a legmagasabb permeátumelvételi arány mellett érdemes dolgozni, hiszen itt lesz a legnagyobb az A koncentrációja. Ezen a ponton azonban a szeparációs hatékonyság igen kicsiny (12,6%), vagyis sok A komponenst veszítünk (transzfer a permeátumba). Amennyiben a hatékonyság a fontos, akkor alacsony r értéknél célszerű működtetni a membránszeparációs modult, itt azonban a retentátumáramban az A komponens koncentrációja csak 45% lesz.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépj be.!

Ha a B komponens a fontosabb számunkra, ami a permeátumban gyűlik fel, akkor is kompromisszumot kell kötnünk. 65% körüli permeátumelvételi arányig igen jó kinyerési hatásfokokat lehet elérni, de pont ez idáig a B komponens koncentrációja meglehetősen kicsi a permeátumban, a kiinduló 65%-hoz képest alig nő. Viszont kisebb, r = 50% körüli értéknél már eléri a koncentrációja a 80%-ot, ám a kitermelési érték már itt is gyengül. Ebben az esetben tehát az 50% körüli permeátumelvételi arány lenne a kompromisszumos, optimális érték.
Tartalomjegyzék navigate_next
Keresés a kiadványban navigate_next

A kereséshez, kérjük, lépj be!
Könyvjelzőim navigate_next
A könyvjelzők használatához
be kell jelentkezned.
Jegyzeteim navigate_next
Jegyzetek létrehozásához
be kell jelentkezned.
    Kiemeléseim navigate_next
    Mutasd a szövegben:
    Szűrés:

    Kiemelések létrehozásához
    MeRSZ+ előfizetés szükséges.
      Útmutató elindítása
      delete
      Kivonat
      fullscreenclose
      printsave