Разделение азотно-углекислотной смеси в газожидкостных мембранных аппаратах

• Автор: Усачов, Владислав Валерьевич
• Шифр специальности: 05.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

ГЛАВА 1. Анализ литературных данных по разделению газовых смесей в мембранных аппаратах. Постановка задачи исследования

1.1. Особенности мембранных процессов разделения

1.2. Принцип действия мембранного контактора

1.3. Транспорт в пористых и непористых мембранах

1.4. Организация потоков в мембранных модулях

1.5. Классификация мембранных модулей

1.6. Анализ требований, предъявляемых к мембранным модулям

1.7. Схемы работы мембранного контактора

1.8. Преимущества и недостатки мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными методами разделения

1.9. Жидкие носители для удаления углекислого газа

1.10. Методы моделирования массопереноса в мембранных системах

1.11. Постановка задачи исследования
ГЛАВА 2. Моделирование процесса массопередачи в мембранном контакторе
2.1. Математическая модель массопередачи в мембранном контакторе
2.2. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе на примере удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси
2.3. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе с рециркуляционной схемой на примере
удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса разделения
азотно- углекислотной смеси в мембранном контакторе
3.1. Экспериментальный стенд для исследования процесса массопередачи в мембранном контакторе

« 3.2. Блок подготовки газовой смеси
3.3. Мембранный контакторный блок
3.4. Система измерения, контроля и управления
3.5. Оценка погрешностей измерений
3.6. Мембраны ПВТМС и ПДМС
3.7. Результаты экспериментального исследования дискового мембранного контактора
3.8. Результаты экспериментального исследования рулонного мембранного контактора
3.9. Результаты экспериментального исследования плоскорамного мембранного контактора
3.10. Рекомендации к расчету мембранных контакторов для разделения С02-содержащих газовых смесей
* ВЫВОДЫ
Литература

Промышленное использование технологии мембранного газоразделения началось в 70-х годах прошлого столетия и явилось важным шагом в индустрии разделения газов. Вплоть до сегодняшних дней эта технология активно развивается и получает все большее распространение благодаря своей высокой экономической эффективности.
Развитие мембранных методов разделения газов достигло к настоящему времени высокого уровня: разработаны мембранные установки,
осуществляющие обогащение воздуха кислородом, азотом, удаление избыточной влаги [5, 73, 76], выделение водорода из газовых смесей, регулирование состава газовой среды в процессах хранения сельскохозяйственной продукции [8, 37, 79, 87] и др. Мембранные методы газоразделения применяются в производственных процессах пищевой, химической промышленности, в медицине вследствие их относительной простоты, надежности, высоких параметров разделения и низкого потребления энергии. В западных странах эта технология в некоторых случаях вытеснила альтернативные способы получения газов - криогенный и адсорбционный, когда не требуется газ высокой чистоты при значительных объемах потребления [53]. Так, в случае получения азота, мембранные установки оказываются существенно выгоднее криогенных при требуемой чистоте до 99,9% и производительности до 5000 нм3/ч [61].
Основными требованиями, предъявляемыми к современным мембранным газоразделительным системам, являются высокие параметры разделения, компактность, надежность, экономичность и большой ресурс работы. Однако, при разделении различных газовых смесей с помощью классических мембранных методов не удается достичь высоких значений факторов разделения, что связано с недостаточной величиной селективности полимерных материалов и мембран на их основе. Например, селективность разделения смеси «углекислый газ - азот» для мембран асоит = 2-45, что в ряде случаев не обеспечивает получение газов высокой чистоты [12]

Интегрируя выражение (2.1) в направлении течения газовой смеси между граничным сечением а и рассматриваемым сечением д, объемный расход ^го компонента, передаваемый между а иг
где с,-,г и с(Ж - текущие концентрации 1-го компонента в газовой смеси и жидкости в сечении X.
Поскольку х, а следовательно, и ji:м переменные, из уравнения (2.2) концентраций с1Т и с, ж можно выразить в зависимости от _ДМ- Замечено, что при прямотоке разность концентраций на входе максимальна, а затем уменьшается, тогда как при противотоке по всей длине МК сохраняется небольшая разность концентраций в средах. Если поверхность массообмена (мембраны) достаточно велика, то при одинаковых начальных концентрациях при противотоке передается существенно больше вещества,
Прибавляя к среднему и правому членам уравнения (2.2) выражение ±СЖ(с(:г,вх - С1,г) и решая полученное выражение относительно разности концентраций с, г - находим:
Таким образом, из уравнения баланса массы устанавливается однозначная зависимость разности концентраций между обоими потоками от концентрации одного из них. Аналогично можно определить зависимость между текущей разностью концентраций в газе и жидкости от текущей концентрации в жидкости: с,г - с^ж от с,-ж
Рассмотрим распределение концентрации вдоль канала мембранного модуля, то есть найдем зависимость концентрации 1-го компонента от продольной координаты х. Введем вместо х поверхность массообмена/=пкНх
(2.2)
чем при прямотоке.
(2.3)