TKP4105/TKP4110 Air Separation by membrane Arbeidplan Audun F. Buene audunfor@tud.ntnu.no Elie Landem eliel@tud.ntnu.no Gruppe B19 Veileder: Karen Neler Seglem Laboratorie: K4213 Utføre: 12. eptember 2012
Innhold 1 Innledning 1 2 Teori 2 2.1 Membraner............................... 2 2.2 Separajon................................ 2 3 Ekperimentelt 3 3.1 Fremgangmåte............................. 3 3.2 Apparatur................................ 4 A Utregninger 6 A.1 Ekempelutregning........................... 6 B Riikovurdering og kjemikaliekort 7 C Konfigurajonoverikter 9 1 Innledning I dette ekperimentet kal det eparare yntetik luft ved hjelp av en okygenelektiv membran laget av polyulfon. Flere forkjellige konfigurajoner av moduler kal tete, for å blant annet underøke ammenhengen mellom recovery og renhet av produkttrømmene. 1
2 Teori 2.1 Membraner Membraner kan ee på om et kjemikaliepeifikt filter. I dette forøket kal det bruke en membran om eparerer okygen og nitrogen fra en lufttrøm. I indutrien bruke die membranene til å oppnå høy renhet av nitrogen. De hule membranene om benytte, pakke i åkalte hollow fiber module, om er den met effektive pakkemåten for membraner med tanke på membranareal per volum. Strømmen om kal eparere kalle for feed (fødetrøm). Strømmen av ga om har gått gjennom membranen kalle for permeate (permeat) men trømmen om bare paerer kalle retentate (retentat). 2.2 Separajon Separajonen i membranen kjer om følge av okygen og nitrogen forkjellige permeabiliteter i membranmaterialet, polyulfon. Permeabiliteten for en ga, P i, gjennom en membran kan betemme fra: P i = D i S i (2.1) hvor D i er diffuiviteten av gaen og S i er løeligheten av gaen i membranmaterialet. Membranen er O 2 elektiv, om betyr at okygen har høyere permeabilitet enn nitrogen i den betemte membranen. Selektiviteten, α, kan beregne om et forholdtall mellom de aktuelle gaene permeabiliteter: α = P O 2 P N2 (2.2) For at luften kal eparere, er det nødvendig at fødetrømmen har et vit overtrykk. Dette kape ved at ventiler i bakkant av membranen tenge delvi. En endring av trykket vil ogå kunne påvirke proentandel av fødetrømmen utkilt 2
gjennom membranen. Dette kalle for cut rate, θ, og beregne fra følgende formel: θ = P F (2.3) hvor P og F er henholdvi trømningraten til permeat og fødetrøm. For å kunne i noe om hvor effektiv en membran er under gitte forutetninger er recovery definert. Dette er et mål på hvor mye av ønket komponent om befinner eg i produkttrømmen i forhold til i fødetrømmen. R i = molfrakjon av komp. i i produkttrømmen volumtrøm produkttrøm molfrakjon av komp. i i fødetrømmen volumtrøm fødetrøm 3 Ekperimentelt 3.1 Fremgangmåte Forøket er bekrevet i utdelt dokument Air eparation by membrane [1]. For hver konfigurajon kal en gitt fremgangmåte følge: Ført jekke det at forbindelen mellom gaylinder og oppettet er tett, før ventilen på gaflaken åpne. Trykket på fødetrømmen kal holde kontant for alle tetene, og kal være 5 bar ut av flaken. Deretter kan hovedfødeventilen åpne. Ut fra hvilken konfigurajon om kal tete, åpne de repektive ventilene for føde, retentat og permeattrømmene, om angitt i Tabell 3.1 og vit i trømningkjemaene i Appendix C. Strømningratene for de forkjellige trømningene jekke ved hjelp av et flowmeter, og okygenkonentrajonen i permeattrømmen avlee fra oxygen analyzer. Trykkendringer kal ogå notere. Cut rate kal variere for konfigurajon 1, amt for de egenbetemte konfigurajonene. Etter forøkene er ferdig kru hovedventilen på gaflaken igjen, og reten av ventilene tenge. 3
3.2 Apparatur Fire forkjellige konfigurajoner er oppgitt i oppgaven. I tillegg kal det, undervei i forøket, forelå to konfigurajoner med henikt å optimere renheten av nitrogenga i retentattrømmen, amt renheten av okygen i permeattrømmen. De fire førte konfigurajonene er vit i Tabell 3.1, og det er gjort pla til å fylle inn de to ie på laboratoriet: K1: En enkelt modul K2: To parallelle moduler mtp. retentat K3: To moduler i erie mtp. retentat K4: To moduler i parallell, om igjen er i erie med en tredje, mtp. retentat K5: Optimaliert for renet mulig N 2 ga. K6: Optimaliert for renet mulig O 2 ga. Tabell 3.1: Detajlert overikt over konfigurajoner med nummererte ventiler fra 1 til 19. X betyr at ventilen er lukket, O betyr at den er åpen. Od betyr åpen nedover, Ol betyr åpen for trøm fra ventre og Or betyr åpen for trøm fra høyre. Konfig. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 K1 X O X X X X X Od O Ol K2 X O O X O O O X X O X X Od O X X X K3 X O X O X O O X X O X X Od O X X X K4 X O O X O O O X O X O X X Od O X O X Or K5 K6 4
Trondheim, 12. eptember 2012 Elie Landem Audun F. Buene Referaner [1] IKP Fellelab; Air eparation by membrane, laboratorieoppgave. 5
A Utregninger For dette forøket anta det at fødetrømmen kun betår av nitrogen og okygen. Videre anta det at nitrogen og okygen er ideelle gaer. A.1 Ekempelutregning Oppgitt i oppgavebekrivelen er følgende data: Volumtrøm av retentatet: R = 472 ml/ Volumtrøm av permeatet: P = 80 ml/ Molfrakjon av okygen i fødetrømmen: x F (O 2 ) = 0.21 Molfrakjon av okygen i permeattrømmen: x P (O 2 ) = 0.269 Fødetrømmen kan beregne fra: F = R + P = 472 ml + 80ml = 552ml (A.1) Molfrakjon av nitrogen i fødetrømmen er gitt ved: x F (N 2 ) = 1 x F (O 2 ) = 1 0.21 = 0.79 (A.2) Volumtrømmen av nitrogen i permeattrømmen kan betemme lik: P (N 2 ) = [1 x P (O 2 )] P = 0.731 80 ml = 58.48ml (A.3) men volumtrømmen av nitrogen i fødetrømmen kan betemme fra molfrakjonen: F (N 2 ) = F x F (N 2 ) = 436.08 ml (A.4) Volumtrømmen av nitrogen i retentattrømmen kan betemme fra en maebalane for N 2 over hele ytemet: R(N 2 ) = F (N 2 ) P (N 2 ) = 436.08 58.48 = 377.6 ml (A.5) 6
Molfrakjonen av N 2 i retentattrømmen betemme lik: x R (N 2 ) = R(N 2) R Til lutt kan recovery av N 2 betemme: ml 377.6 = 472 ml = 0.8 (A.6) R N2 = x R(N 2 ) R x F (N 2 ) F ml 0.8 472 = 0.79 552 ml = 0.8659 = 86.59% (A.7) Cut rate, θ, for ytemet i ekempelet er gitt ved: θ = P F ml 80 = 552 ml = 0.1449 = 14.49% (A.8) B Riikovurdering og kjemikaliekort 7
NTNU Norge tekniknaturvitenkapelige univeritet STOFFNAVN Syntetik luft Kjemikaliekort FORMEL O 2 + N 2 HELSEFARE Ingen kjente betydelige virkninger eller kritike farer. FYSIKALSKE DATA Smelte.pkt Kritik temp for N 2 Tetthet N 2 BRANNFARE Ikke brannfarlig 189ºC 146.9ºC 0.00125 g/cm 3 REAKSJONSFARE VERNETILTAK ADMINISTRATIV NORM HELSEFARE Innånding Svelging Hud Øyne Ingen generelle helefarer Bruk av øyevern er anbefalt. BRANNSLUKKING Ikke brannfarlig, e an andre kjemikalier involvert. MERKNADER FØRSTEHJELP ØYNE HUD SVELGING INNÅNDING SPESIELLE MERKNADER R8 Brannfarlig ved kontakt med brennbare toffer. SPILL/ RESTER LAGRING Ikke miljøfarlig. Beholderen må ikke punktere eller brenne. Avhende i henhold til gjeldende lokale og najonale lovverk. Oppbevare i originale kontainere bekyttet mot fall. Emballajen kal holde tett lukket. Oppbevar beholderen på et kjølig, godt ventilert ted. Holde atkilt fra yrer, baer, redukjonmidler og brennbart materiale.
C Konfigurajonoverikter 9