Селективный массоперенос в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах

• Автор: Окунев, Александр Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил.

РЕФЕРАТ
126 с., 57 рис., 6 табл., 116 библ.
Селективный массоперенос в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах
Ключевые слова: ГАЗОРАЗДЕЛЕНИЕ, АБСОРБЦИЯ, МЕМБРАННЫЙ
КОНТАКТОР, МЕЖФАЗНЫЙ ТРАНСПОРТ, АБСОРБЦИЯ, НЕРАВНОВЕСНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ДИФФУЗИЯ, МЕМБРАНА, ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ.
Цели работы
1. Разработка теоретических основ мембранно-сорбционных процессов, формулировка математических моделей, исследования систем газ-мембрана-жидкость с использованием пористых и непористых мембран.
2. Исследование газоразделения в мембранных одномодульных и рециркуляционных контакторных схемах.
3. Создание экспериментальной методики и исследования процесса переноса в системе газ - мембрана - жидкость и численной методики обработки результатов измерений с целью получения сорбционных и диффузионных и других параметров транспорта газов в исследуемых фазах и межфазных границах.
Предложена математическая модель неравновесной абсорбции газа в конденсированной среде с учетом поверхностных и объемных взаимопревращений вещества. Показано, что влияние кинетики сорбции во многих случаях может быть выражено в виде некоторой эффективной проницаемости границы раздела фаз.
Исследован процесс газопереноса в мембранных контакторах и мембранных рециркуляционных контакторах. Проведено экспериментальное исследование удаления СОг из газовой смеси и осушки воздуха.
Разработана методика получения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость с помощью селективного мембранного вентиля.

1. ВВЕДЕНИЕ
2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА В МЕМБРАННОЖИДКОСТНЫХ КОНТАКТОРНЫХ СИСТЕМАХ
2.1. Массоперенос в газовой фазе
2.2. Газоперенос в жидкой фазе
2.3. Неравновесная абсорбция газов
2.3.1. Сорбция при отсутствии химических превращений
2.3.2. Неравновесная сорбция по Ленгмюру
2.3.3. Неравновесная сорбция по модели двойной сорбции
2.4. Сорбция через гидрофобную пористую мембрану
2.5. Неравновесный газоперенос через непористую мембрану
2.6. Неравновесная сорбция в жидкости через непористую мембрану
2.6.1. Неравновесная физическая сорбция
в жидкости через непористую мембрану
2.6.2. Неравновесная сорбция по Ленгмюру в жидкости
через непористую мембрану
2.6.3. Неравновесная сорбция по модели двойной сорбции в жидкости
через непористую мембрану
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗОПЕРЕНОС А
В МЕМБРАННОМ КОНТАКТОРЕ
3.1. Теоретическое исследование переноса в мембранном контакторе
3.2. Исследование процесса очистки газовой смеси
в мембранном контакторе с физическим абсорбентом
3.3. Исследование процесса газоразделения
в рециркуляционных мембранных контакторных системах
3.4. Экспериментальное исследование удаления углекислого газа
из газовой смеси
3.5. Исследование процесса осушки воздуха
4. ГАЗОПЕРЕНОС В СЕЛЕКТИВНОМ МЕМБРАННОМ ВЕНТИЛЕ
4.1. Математическая модель процесса
4.2. Экспериментальная методика определения коэффициентов переноса
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ВВЕДЕНИЕ
Мембранный абсорбер или мембранный контактор (МК) позволяет реализовать высокую селективность процесса, характерную для абсорбции в широком диапазоне рабочих параметров, что характерно для мембранного метода [1-7].
Первые мембранные контакторы появились в конце 70-ых годов прошлого столетия, и основным их назначением было насыщение крови кислородом, которое достигалось из-за использования мезопористых гидрофобных мембран [1, 3]. В настоящее время мембранные контакторы представляют собой быстро развивающейся способ разделения различных жидкостей и газовых смесей. Они обеспечивают лёгкий селективный перенос компонента или вещества между двумя жидкими фазами или жидкой и газовой фазами. Мембрана выполняет функцию границы раздела фаз.
Существуют различные виды классических методов разделения, в том числе абсорберы, дистилляционные или экстракционные колонны или испарители, но в настоящее время мембранные контакторы создают им серьёзную конкуренцию. Это связано с тем, что мембранные контакторы имеют относительно простой способ увеличения контактной поверхности между фазами без принципиального изменения конструкции.
Есть различные определения мембранных контакторов. Наиболее общее гласит: мембранный контактор - это разделительное устройство, в котором присутствует селективный массоперенос компонентов между двумя или несколькими фазами [8]. Однако это определение так же включает в себя абсорбционные и адсорбционные колонны. В связи с этим далее под мембранными контакторами будем понимать только разделительные устройства, в которых две движущиеся фазы, между которыми происходит массообмен, разделены между собой мембраной.
В соответствии с фазами выделяют различные типы мембранных контакторов: газо-жидкостные, жидкость - жидкостные (рис 1.1.).

объемных реакций. Концентрации А и В в жидком носителе будем предполагать малыми, что объемный расход, плотность жидкого носителя, и коэффициенты диффузии компонент А и В являются постоянными, равными их значениям в системе компонент - носитель. Тогда уравнения неразрывности массы компонент А и В в объеме жидкости записываются в виде [92]:
дс.

■'=влв-^
А „

д2св ду2
(3.3)
4К„
здесь V = —т*-у(Ь-у) - скорость потока жидкого носителя;

Уюш - скорость потока жидкого носителя в центре зазора.
В уравнениях (3.2) продольной диффузией компонент в жидкой фазе пренебрегаем по сравнению с конвективным переносом, а диффузионный поток в поперечном направлении считаем сравнимыми с конвективной составляющей.
Из симметрии задачи можно записать одну пару граничных условий для системы (3.3) в виде:
дс.

у=Ы2

(3.4)

у=ыг
Одно граничное условие на границе раздела фаз мембрана-жидкость, в соответствии с балансом массы носителя записывается в виде:

у=о
Ра дсл
Рн ду
(3.5)
у-О
Для описания транспорта газа из газовой фазы в жидкую фазу будем предполагать, что концентрация газа в мембране мала, при этом в мембране существует лишь один компонент (сорбированный газ), так что перенос осуществляется с постоянным коэффициентом диффузии, изменения свойств мембраны не происходит, а в равновесии реализуется закон Генри сорбции газа в мембране.
Плотность сорбированного потока в мембране записывается в виде:
л+-=л;госпл (з.б)
плотность десорбированного потока при этом: