Физико-химические основы комплексных процессов разделения и глубокой очистки газов

• Автор: Воротынцев, Илья Владимирович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 378 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 Физико-химические основы разделения газов
1.1.1 Дистилляция
1.1.2 Кристаллизация
1.1.3 Фильтрация
1.1.4 Мембранное газоразделение
1.2 Мембранные методы разделения и очистки газов
1.2.1 Мембранные процессы разделения и глубокой очистки газов
1.2.2 Мембранные модули для разделения газов
1.2.3 Гибридные мембранные методы разделения
1.3 Дистилляционные методы глубокой очистки газов
1.4 Кристаллизационные методы разделения и глубокой очистки газов
1.5 Выбор и обоснование направления исследований
ГЛАВА 2. МЕМБРАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВ,
ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С МАТЕРИАЛОМ МЕМБРАНЫ
2.1 Проницаемость аммиака через полимерные газоразделительные мембраны
2.2 Определение сорбционной составляющей в величине проницаемости аммиака и воды через ацетатцеллюлозную мембрану
2.3 Расчет энтальпии сорбции из данных ОГХ и сравнение с экспериментальными калориметрическими измерениями
2.4 ИК-спектрометрические исследования систем аммиак-ацетат целлюлозы и вода-ацетат целлюлозы
ГЛАВА 3. МЕМБРАННЫЕ ГАЗОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ МОДУЛИ
3.1 Мембранный модуль с питающим резервуаром
3.2 Однокомпрессорный многосекционный мембранный аппарат
ГЛАВА 4. ГИБРИДНЫЕ СХЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ И
ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ
4.1 Ректификация при повышенном давлении
4.2 Абсорбционная первапорация
4.3 Низкотемпературная фильтрация
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКСНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТЫХ ГАЗОВ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в науке и технике огромную роль играют технологии разделения и очистки газов [1, 2]. Во многих отраслях химической и нефтехимической промышленности эти технологии необходимы для разделения газовых смесей, как в процессе синтеза и последующей очистки газов, так и при разделении природных воздушных и углеводородных газовых смесей. Следует также отметить важность развития малотоннажной, но играющей огромную роль в развитии высокотехнологичных секторов экономики, отрасли химической промышленности - технологии получения высокочистых веществ, где физико-химические методы разделения и глубокой очистки газов играют доминирующую роль в технологии их получения в высокочистом состоянии для микро- и наноэлектроники.
Для высокотехнологичных отраслей промышленности существенно расширен круг лимитирующих примесей и повышены необходимые уровни чистоты используемых газов [3], что требует разработки более эффективных комплексных технологий [4], сочетающих индивидуальные методы разделения в гибридно-комплексных технологических схемах разделения газовых смесей [5] и очистки газов.
Таким образом, инновационные разработки, направленные на повышение эффективности технологий разделения и глубокой очистки газов, снижение времени процесса и энергозатрат на его осуществление, имеют актуальное значение для развития современных отраслей промышленности.
Большой интерес для практической реализации представляют также методы разделения, обладающие низким уровнем энергопотребления, высокой промышленной и экологической безопасностью. К таким методам можно отнести мембранные методы разделения, которые характеризуются низкой энергоемкостью, простотой аппаратурного оформления, возможностью проведения процесса при комнатной температуре, легкостью изменения

давления равняется нулю (или, что более точно, отношение Р/Р/- 0). В этом случае распределение концентрации и направление потока газовой смеси в полости низкого давления не влияет на проведение процесса и может быть произвольным. Поэтому модели с идеальным вытеснением в этой полости (с противоточной, прямоточной и поперечной схемой организации движения потоков в полостях мембранного модуля) дают одинаковые результаты [70].
Кроме того, для вакуумной схемы реализуется максимальная движущая сила процесса разделения и обеспечивается максимальная эффективность разделения [71].
В рассмотренных моделях считалось, что давление в полостях мембранного модуля постоянное. В ряде случаев необходимо учитывать изменение давления в полостях, особенно когда в качестве 'мембраны используют полые волокна, а также при использовании плоских асимметричных или композиционных высокопроизводительных мембран с большой длиной [30, 72-76].
В случае, когда вдоль поверхности мембраны существует значительный градиент концентрации, возможно его существенное влияние на процесс массопереноса. Данный вопрос был рассмотрен в работе [52]. Расчеты основаны на том, что продольная скорость легкопроникающего компонента в канале с поперечным сечением а определяется конвективной и молекулярной диффузией [30]

ЬС +(-Ор
с111
где С - концентрация легкопропикающего компонента, мол. доля, I - поток газовой смеси, моль/с, О - коэффициент диффузии (или коэффициент продольного перемешивания) газовой смеси, Я - координата по длине мембраны, а- поперечное сечение канала.
Тогда уравнение материального баланса по элементу поверхности мембраны <75,1,/для бинарной смеси и плоской мембраны прямоугольной формы с шириной полости Ьт запишется в виде: