Селективный массоперенос в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

На правах рукописи

Окунев Александр Юрьевич

Селективный массоперенос в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах

Специальность 01 04 14 Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2007

003064865

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (государственном университете)

Научный руководитель

кандидат физико-математических наук, доцент Лагунцов Н И

Официальные оппоненты

Доктор физико-математических наук, профессор, Ролдугин В И

доктор химических наук, профессор, Волков В В

Ведущее предприятие Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

Защита диссертации состоится 2.6 .0 Ч.ЮОУ-

в 16 часов 30 минугна заседании диссертационного совета Д 212 130 04 в МИФИ (конференц-зал) по адресу 115409, Москва, Каширское шоссе, 31, тел 323-91-67

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ

Автореферат разослан «24 » сххпмхлмЛк_2007г

Ученый секретарь диссертационного совета

Кудрявцев Е М

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

В настоящее время интенсивно развивается метод мембранной

абсорбции для разделения паро-/газовых смесей Наиболее перспективным

представляется использование метода для очистки газовых смесей от кислых

примесей, осушки воздуха, разделения смесей типа олефин/парафин, а также

для оксигенации, озонирования и обезгаживания жидкостей Процесс

разделения реализуется за счет селективного массообмена через мембрану

между подвижными газовой и жидкой фазами,

Мембранно-абсорбционные аппараты обладают рядом преимуществ

по сравнению с классическими адсорбционными, абсорбционными и

криогенными газоразделительными установками они надежны, просты в

управлении и работают в широком диапазоне изменения рабочих параметров,

что характерно для мембранного метода

Обычно методики расчета процесса мембранной абсорбции основаны

на использовании эмпирически определяемых макроскопических

характеристик массообмена Однако они применимы только в узкой области

изменения параметров, не позволяют заранее определить конструктивные

решения, оптимальный режим работы, выявить влияние тех или иных физико-

химических процессов

В мембранных абсорберах (МА) могут быть использованы как

пористые, так и непористые мембраны В настоящее время математические

модели массопереноса в МА используют предположение локального

равновесия компонент на границах раздела фаз, которое во многих случаях

неадекватно реальному физическому процессу Оказывается, что учет

неравновесного механизма сорбции в ряде случаев приводит к несильному

усложнению математического описания процессов, существенно расширяя

при этом область применимости математических моделей

Для корректного описания процесса массопереноса в МА необходима

математическая модель, включающая взаимосвязанные уравнения

3

массопереноса в газовой, жидкой и мембранной фазах применимая в случае пористых и непористых мембран, любого типа абсорбентов (произвольное число каналов сорбции) в широком диапазоне изменения параметров рабочего режима Применение таких моделей позволяет проводить выбор технологических решений и оптимизацию конструктивных решений мембранно-абсорбционных аппаратов, параметров рабочего режима, состава жидкого носителя без промежуточных экспериментов Однако, возникает необходимость определения всех необходимых коэффициентов переноса для каждой конкретной системы газ-мембрана-жидкость В ряде случаев литературные данные, даже по значениям коэффициентов диффузии газов в жидкостях, плохо согласуются между собой

Применение описанных подходов позволяет проводить исследования общих свойств мембранно-абсорбционных систем Поэтому разработка общих подходов, адекватно описывающих физические процессы, реализующиеся в мембранно-абсорбционных системах, а также исследование их свойств является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес

Цели и задачи исследования:

Целью диссертации является определение закономерностей массопереноса в мембранных газожидкостных системах, поиск и анализ принципиальных технических решений мембранно-абсорбционных газоразделительных устройств В рамках данного исследования ставились следующие задачи

1 Математическое описание процессов неравновесной сорбции в жидкости на свободной поверхности и через пористую или непористую мембрану

2 Создание замкнутой математической модели массопереноса в мембранном абсорбере (МА)

3 Исследование влияния параметров рабочего режима на процесс разделения в проточной и рециркуляционной схемах на основе МА

4 Разработка и реализация конструкции МА, в которой реализуется режим близкий к противоточному

5 Разработка методики определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость

6. Экспериментальная апробация теоретических моделей. Научная новизна и практическая значимость работы:

1 Проведен анализ вклада физических процессов реализующихся при селективном массопереносе газовых смесей в мембранном абсорбере, определены ключевые процессы, математическое описание которых позволяет проводить расчет массопереноса в различных мембранно-абсорбицонных системах в широком, диапазоне параметров режима

2. Разработан новый подход к описанию процесса неравновесной абсорбции газа в конденсированной среде учитывающий поверхностные взаимопревращения вещества Рассмотрены важные частные случаи Показана возможность улучшения процесса сорбции в жидкости за счет введения непористой мембраны на границе раздела фаз

3 Впервые сформулирована последовательная математическая модель переноса в мембранном абсорбере с учетом процессов неравновесной абсорбции на границах раздела фаз, поверхностного и объемного превращения вещества Разработанные подходы применимы не только для описания газопереноса в мембранном абсорбере (МА) но и для таких процессов, как мембранное газоразделение, катализ, фазовые превращения и другие

4 Исследованы разделительные характеристики МА, показано существование режимов работы, в которых достигается одновременно высокая степень насыщения жидкости хорошосорбируемым компонентом и высокая степень очистки от него газовой смеси, выданы рекомендации по выбору режимов работы

5 Впервые показано существование режимов работы рециркуляционной мембранной абсорбционной системы (РМА), в которых

возможно одновременное достижение высокого обогащения и степени извлечения целевого компонента бинарной смеси

6 Проведены экспериментальные исследования процесса удаления С02 из газовой смеси в мембранном абсорбере Полученные результаты хорошо согласуются с расчетами, проведенными по разработанной математической модели

7 На основании предложенной теоретической модели и экспериментальных исследований разработаны и реализованы плоскорамные противоточные мембранно-сорбционные модули, которые позволяющие эффективно проводить процесс мембранной абсорбции

8 Продемонстрирована эффективность процесса осушки газов мембранно-сорбционным методом (точка росы сухого газа -30°С, отношение потоков газ-жидкость более 103) которая может быть достигнута при малых энергозатратах в компактных установках за счет низкой разницы температур между абсорбером и десорбером и отсутствия компрессоров для сжатия газа

9. Разработана методика определения коэффициентов переноса в системе газ - мембрана - физический сорбент, основанная на применении разработанных теоретических подходов к описанию переноса в мембранно-абсорбционных системах к результатам стационарных экспериментов на мембранном абсорбере с двумя независимыми газовыми фазами Основные результаты и положения, выносимые на защиту

1 Математическая модель процесса массопереноса в мембранно-сорбционных газоразделительных системах

2 Подходы к описанию неравновесной абсорбции на межфазных границах.

3 Численные методики расчета технологических схем мембранно-сорбционного разделения

4. Методика определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость

5 Результаты численных исследований и закономерности массопереноса в мембранно-сорбционных газоразделительных системах различного типа

Апробация работы

Основные положения работы докладывались автором на конференциях на научных сессиях МИФИ-2004, 2005, 2006, Москва, на международных симпозиумах Ars Separatona-2004, 2006, Польша, Permea-2005, Польша, Euromembrane 2004, 2006, 8th International Seminar on "Bio-Fuels m Clean Power Production and Transport" 2005, Москва; на всероссийской научной конференции «Мембраны-2004», Москва Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 6 статей в

рецензируемых научных журналах и 14 работ в материалах международных и

общероссийских конференций, получен патент на полезную модель

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка

литературы (116 наименований) Диссертация изложена на 126 страницах

машинописного текста, содержит 6 таблиц и 57 рисунков

Содержание работы

Во введении проведен анализ существующего состояния

исследований в области мембранной абсорбции, как с практической так и

теоретической точки зрения, подчеркивается актуальность проблемы,

формулируются цель и задачи исследований, научная новизна и практическая

ценность данной работы

В первой главе описана физическая модель процесса массопереноса

в мембранном абсорбере, введены критерии подобия и проведены их оценки

Предложена и обоснована математическая модель процессов переноса в

газовой и жидкой фазах, основанная на одномерном приближении баланса

массы в газовой фазе и двумерном в жидкой Для описания массообмена

между газовой и жидкой фазами рассмотрен процесс неравновесной

7

абсорбции газа в конденсированной среде с учетом поверхностных взаимопревращений вещества при достаточно малых концентрациях компонент. Превращения вещества на границах раздела фаз предполагались проходящими через элементарные стадии первого и второго порядка Рассмотрены следующие, практически интересные частные случаи

1. Сорбция без превращения вещества (физическая сорбция) В этом случае влияние неравновесной абсорбции учитывается в виде некоторой постоянной проницаемости границы раздела фаз численно равной константе скорости прямого процесса сорбции

2 Сорбция газа, проходящая по механизму связывания с одним из компонентов среды Показано, что в равновесном случае такой механизм соответствует сорбции по закону Ленгмюра, а в неравновесном учет кинетики сорбции производится с помощью пропорциональной количеству сорбента проницаемости границы раздела фаз

3 Рассмотрен механизм сорбции по обоим перечисленным каналам реализующимся одновременно Показано, что в равновесном случае этот механизм соответствует изотерме двойной сорбции, а эффективная проницаемость границы раздела выражается в виде линейной функции от концентрации сорбента

Получено выражение для давления Р*, определяющее химический потенциал газа в жидкости в зависимости от ее состава для всех трех случаев

Исследован процесс сорбции в жидкости через пористую мембрану, полагая, что вклад мембраны проявляется в виде изменения доступной для сорбции поверхности раздела фаз газ-жидкость Показано, что введение пористой мембраны может приводить как к уменьшению, так и увеличению массопереноса

Рассмотрен процесс переноса через непористую мембрану в условиях неравновесной сорбции на границах раздела фаз Показано, что проницаемость мембраны в данном случае численно совпадает с результатом расчета трехслойной мембраны при неравновесной сорбции, два слоя из

которых имеют проницаемость равную константе кинетики сорбции, третий -диффузионную проницаемость мембраны.

Сформулирована математическая модель сорбции газа в жидкости через не пористую мембрану с учетом химических превращений на поверхности раздела фаз мембрана-жидкость. Показано, что в общем случае введение непористой мембраны может привести к увеличению межфазного массопереноса по сравнению с абсорбцией на свободной поверхности или через пористую мембрану. Получены выражения для ссрбцио«нь/х потоков о обшем случае и в рассмотренных ранее трех частных случаях.

Разработана математическая модель процесса селективного массопереноса в мембранном абсорбере плоскорамного типа, с учетом таких явлений как конвекция, диффузия и потери давления в газовой фазе, неравновесная сорбция в жидкости через непористую мембрану; диффузия в поперечном и конвекция в продольном направлениях вещества в жидком канале в условиях взаимопревращения вещества.

вторая глава посвящена исследованию процесса массопереноса в МА и РМА.

Рассмотрен перенос в жидкой фазе плоского мембранного абсорбера, изображенного на рис. I. Жидкость движется в плоском канале. Ограниченном двумя неиористыми мембранами. Жидкость считается состоящей из растворителя, и растворенного в нем носителя (Л). Толщину жидкостного канала считается малой по сравнению с шириной и длиной, так что гидродинамические пограничные слои во всем канале являются сомкнутыми.

Процесс сорбции газа в жидкости рассмотрен проходящим в три стадии. На первой происходит растворение молекул газа в мембране в

соответствии со следующим процессом:

На второй стадии происходит диффузия газа через мембрану. На

9

Рис. 1. Схема потоков е МК

третьей - экстракция сорбированного газа (£/гоет) из мембраны в жидкость

Для упрощения описания третьей стадии рассмотрен случай, в котором поглощение растворенного в мембране газа Отет с образованием комплекса

В носителем осуществляется только на границе раздела мембрана-жидкость по следующему механизму

0 +

Лтет-11Ч ^теш-Ид

Это означает, что сорбция газа в чистом жидком носителе отсутствует, а сорбированный газ в жидкости может существовать только в виде компонента В, те пренебрежение объемными реакциями Концентрации Л и В в жидком носителе предполагаются малыми, что объемный расход, плотность жидкого носителя, и коэффициенты диффузии компонент А и В являются постоянными, равными их значениям в системе компонент -носитель. Рассмотрен случай постоянного давления газа

Расчетные распределения концентраций показаны на рис 2 Здесь введены следующие обозначения х - продольная координата нормированная на длину канала, у - поперечная координата, нормированная на половину

толщины жидкого зазора, сА — — • безразмерная концентрация сорбента, нормированная на исходную (в отсутствие газа в жидкости) концентрацию,

._ £> (у

св = —- - безразмерная концентрация сорбата (при максимальном

насыщении жидкости исследуемым газом св — 1), у - параметр изотермы V Ь^

Ленгмюра; Ре = тах 1к1 - число Пекле, характеризующее отношение скорости 4 йв1

продольной конвекции к скорости поперечной диффузии сорбированного газа в жидкости, и - безразмерный параметр, равный отношению скорости экстракции из мембраны в жидкость к скорости диффузии поперек канала, о - безразмерное параметр, характеризующий влияние кинетики экстракции из

мембраны в жидкость в сравнении с кинетикой сорбции в мембране и

диффузии через нее

Суммарная безразмерная проницаемость границы раздела фаз газ-жидкость через приведенные параметры записывается в

и

виде

1 + ис.

у=О

у-О

Видно, (рис. 2), что по мере продвижения жидкости в жидкостном канале

распределение концентрации компонента В поперек канала сглаживается и приближается к равновесному уровню св = 1, а

концентрация сорбента падает и приближается к уровню

— , 1

= 1--Эти уровни

Рис 2 Распределение концентращи сорбированного газа (а) и сорбента (б) в жидкой фазе МА (1 - поперек канала, 2 - вдоль

канала) Ц=5, и =1, Ре=1, Свр =0,

У-1

7 + 1

концентраций определяют полное насыщение жидкости сорбированным газом

При высоких значениях у концентрация сорбента А в

носителе близка к

максимальной, что приводит к слабой зависимости переноса сорбированного газа от диффузии сорбента Другими словами, даже если в процессе сорбции газа участвует несколько компонент жидкой фазы, но с

11

концентрациями много большими концентрации сорбированного газа, то

можно рассматривать только перенос сорбированного газа без учета переноса

компонент носителя В рамках сделанных предположений данный случай

приводит к линейной изотерме сорбции

При насыщении жидкости газом, основным параметром,

характеризующим процесс переноса, является степень насыщения жидкости,

которая представляет собой среднюю по потоку безразмерную концентрацию __ _ 8 1

С в 1в = т р1» У) • у( 2

0,01 0,1 1 10 100 1000

Рис 3 Зависимости концентрации сорбированного газа в жидкости от числа Пекле

при различных значениях I! (--Ьв , — С

) о=о, 4=1, с

ВР

=0

Зависимости концентрации газа в жидкости на выходе МА от числа Пекле в случае, когда лимитирующей стадией сорбции в жидкости является экстракция мембрана-жидкость изображены на рис 3 Сплошными линями изображена степень насыщения жидкости газом, а пунктирными концентрация сорбированного газа на выходе в центре зазора Данные кривые можно условно разделить на три зоны В первой, при малых числах Пекле

мало, что означает практически полное

различие между Ьв и св _

х=\,у=\

выравнивание профиля концентрации к выходу из модуля, а при достаточно высокой скорости сорбции (большие V) - практически полное насыщение жидкости Обеспечение высокой степени насыщения жидкости газом важно при реализации рециркуляционных мембранных абсорбционных систем с

Рис 4 Зависимость степени обеднения смеси по ХСК от отношения потоков жидкости и газа при различных проницаемостях ХСК 1-В[=В1=х>,2-25,3-5,4-\,5-й2,

Рв1=Рег=2, КУК^ЗО, £1(=0,4

одновременно высокой степенью очистки газовой смеси от хорошосорбируемого компонента (ХСК) в абсорбере и высокой концентрации этого компонента в десорбере, существование таких режимов будет показано и объяснено ниже. На следующем участке наблюдается снижение

концентрации на выходе и увеличение разницы между Ьв и сь

«-1.3М

В

третьем участке концентрация в центре зазора на выходе из МА много меньше, чем степень насыщения ( Ьв ), что позволяет говорить о том, что перенос газа осуществляется в узком пограничном слое жидкости вблизи

мембраны. При этом значение Ре, при котором св I становится

и»!,?®!

несущественным слабо зависит от скорости сорбции V

Исследован процесс удаления ХСК в одиночном МА С целью снижения числа свободных параметров рассмотрен случай физической сорбции в жидкости Математическое описание процесса разделения газовой смеси связано с добавлением в систему уравнений переноса баланса компонент в газовой фазе и согласования потоков сорбирующихся из газа в мембрану и экстрагирующих из мембраны в жидкость На рис 4 представлены

зависимости степени обеднения g1R равной отношению концентрации ПСК в

потоки ретентата к его концентрации в потоке питания от безразмерного потока жидкости при различных безразмерных проницаемостях мембран В <рг нормирован таким образом, что в случае, если ни диффузия в жидкости, ни перенос через мембрану не ограничивают перенос (Ре=0, В=ж>) при <рх =1 происходит полное удаление ХСК При построении этих зависимостей газовая смесь предполагалась бинарной с константами Генри сорбции в жидкости равными Ki и К2 соответственно, мольные доли компонент в потоке питания Sit и §2i = 1— §ц соответственно, Безразмерные параметров В, и В2

численно равны проницаемостям мембраны в системе газ-мембрана-жидкость отнесенными к проницаемостям половины жидкого зазора при неподвижной жидкости по соответствующим компонентам

При решении разделительных задач интерес представляет также постановка, в которой задана степень разделения, в данном случае - степень обеднения по ХСК Зависимость минимального безразмерного потока жидкости <рх от числа Пекле при различных проницаемостях мембраны для

достижения снижения содержания ХСК в 100 раз представлена на рис 5 Показано, что значения концентраций, а следовательно и минимальных необходимых потоков жидкости слабо зависят от селективности сорбции в жидкости и селективности мембраны Поэтому можно говорить, что на рис 5

ю"

изображены универсальные характеристики МА для очистки газовой смеси с

исходным содержанием ХСК 40% Существование таких зависимостей

приводит к относительно

01

10

100

простому способу

реализации методики

технологического расчета мембранных абсорберов и процесса оптимизации установок на их основе

Исследовано влияние состава разделяемой смеси, на степень очистки газовой смеси от ХСК Оказывается, что в определенных случаях повышение концентрации ХСК на входе МА приводит к снижению его содержания на выходе Это связано с более медленным убыванием концентрации ХСК по мере продвижения по мембранному абсорберу, несмотря на существенные изменения потока, что приводит к более равномерному распределению движущей силы процесса переноса В таких режимах обнаружено наличие циркуляции ПСК в мембранном абсорбере, которое повышает степень извлечения этого компонента Обнаруженное явление справедливо не только для МА но и традиционных газоразделительных модулей, у которых движущей силой является перепад давления на мембране

компонентам,

высокой степени очистки возможно лишь больших потоках

организации течений в МА (прямоточная или противоточная) За счет того, что в случае

прямотока

обеднение потока газа от ХСК соответствует равновесию между выходными газовым и жидкостным потоками по этим

Исследовано влияния

максимальное

достижение

Рис б Детализация компоновки ячеек между фланцами

1 - газовые коллектора

2 - (нсидкостные коллектора 5 - выход газа

4 вход газа

5 - вход жидкости

6 - выход жидкости 7-мембрана

8 - дренаж

9 - прокладки задающие зазор жидкой фазы

жидкости, при этом в случае противотока такого ограничения не возникает, что подтверждено численными исследованиями Другими словами, показано, что в случае противотока, в отличие от

прямотока, возможно одновременное достижение высокой степени очистки газовой смеси от ХСК, и высокая степень насыщения этим компонентом жидкости

Экспериментальная

апробация полученных расчетных

моделей связана с созданием

конструкции MA, в котором

реализуется режим работы близкий

модельному (параллельные плоские

каналы жидкости и газа,

фиксированной толщины,

равномерное распределение потоков

по ним и др ) Для проведения

необходимых экспериментов, и

внедрения результатов на практике разработана, реализована и запатентована

конструкция мембранного абсорбера, позволяющая экспериментально

реализовывать режимы работы близкие к расчетным Особенности

конструкции - отсутствие дренажных сеток в жидкой фазе, возможность

задания тонкого зазора жидкой фазы, мембрана лежит на жесткой подложке,

что позволяет работать в широком диапазоне давлений без разрушения

мембраны, потоки жидкости и газа движутся параллельно друг другу, MA

состоит из мембранных элементов, потоки в которых текут параллельно друг

другу, это приводит к небольшой длине каналов, те к низкому

гидравлическому сопротивлению и простоте масштабирования (рис 6) На

таком мембранном абсорбере с мембранами на основе

поливинилтриметилсилана (ПВТМС), жидкостным зазором 100 мкм и

площадью мембран 0,27 м2 проведено экспериментальное исследование

процесса удаления углекислого газа из смеси с воздухом (рис. 7) Видно

хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных

Проведено численное исследование процесса газоразделения в РМА

на примере удаления углекислого газа из биогаза, содержащего 40% С02 и

16

Рис 7 Зависимости степени обеднения по

СО2 на выходе из плоскорамного мембранного контактора от потока воды при различных значениях потока питания.

&(С02), %

Поток rma, ил/ч

10

100 1000

Поток жидкости. л/ч

Рис S. Зависимость концентрации С.02 на выходе абсорбера от потока жидкости б РМА при различных входных потоках питания

десорбера 2 м2. На рис. 8 представлены зависимости концентрации С02 от

потока жидкости при различных потоках питания.

Видно, что в случае против точного режима работы мембранныч абсорберов (на рис. S. кривые с маркерами) при достаточно малых потоках жидкости реализуется высокая очистки от ХСК. При этом степень извлечения ТСК высока, в связи с ограниченной сорбцтшюй емкостью жидкое га. Это приводит к одновременно высокому обогащению С02 и метана. Возможность одновременного получения высокого обогащения ХСК и ТСК является основным преимуществом гтротивоточного РМА перед обычным газор аз делительным модулем. Следует отметить, что такие, практически интересные режимы принципиально невозможно рассчитать методами,

основанными на

макроскопическом подобии с режимом, в котором перенос в модуле осуществляется в узком пограничном слое.

Третья глава

посвящена исследованию

массопереноса в селективном мембранном вентиле (СМВ).

17

Рис. 9. Схема потоков в СМВ

СМВ представляет собой мембранную систему, состоящую из двух полимерных мембран и слоя жидкого носителя между ними Полимерные мембраны используются для формирования и удерживания слоя жидкости Принцип использования разделительных свойств слоя жидкости тот же, что в иммобилизованных жидких мембранах, но СМВ имеет ряд преимуществ В жидком слое отсутствует пористая структура, которая может оказывать влияние на транспортные свойства Возможность применения в СМВ асимметричных полимерных мембран с непористым селективным слоем со стороны жидкой фазы решает проблему ограничения абсолютного перепада давления между газовой и жидкой фазой (проникновение жидкости в поры мембраны и образование пузырьков в жидкости), скорость течения жидкости может использоваться как дополнительный параметр регулирования процесса разделения

Для численного описания зависимости проницаемости от скорости движения жидкого носителя предложена математическая модель процесса массопереноса при подвижном слое жидкого физического абсорбента применимая для следующего, практически реализуемого случая стационарность процесса, изотермический режим, отсутствие продольной диффузии, параболический профиль скоростей в жидкой фазе, газ идеальный, постоянство парциальных давлений в газовых фазах, концентрационно-независимые коэффициенты диффузии, постоянство потока жидкости вдоль канала Схема исследуемого СМВ представлена на рис 9 Рассмотрен случай РрО и физического механизма сорбции в жидкости тогда поток газа, проникающий через систему, нормированный на значение потока при неподвижном слое жидкости ¡?р является функцией двух безразмерных

параметров В - безразмерной проницаемости мембраны, определенной как проницаемость мембраны в системе газ-мембрана-жидкость поделенная на

проницаемость жидкого слоя и числа Пекле Ре = —^ 1ц , здесь ¥тях

скорость жидкости в центре зазора, Ьх - зазор жидкой фазы, £) -

Рис 10 Зависимость безразмерного потока пермеата в СМВ от числа Пекле и параметра В

коэффициент диффузии газа в жидкости, 1 - длина канала Графически зависимость^, от Ре и б представлена на рис 10

На основании сказанного можно построить экспериментальную методику определения коэффициентов переноса растворимости газа в жидкости, коэффициента диффузии в жидкости, и проницаемости мембраны в системе газ-мембрана-жидкость. Для этого необходимо измерить для начала производительность системы (дР1, др2) при неподвижном слое жидкости при двух известных зазорах жидкой фазы (Ь1щ1, Ь1щ2), и определить

значение проницаемости мембраны и параметра В при одном из зазоров (например при Ь1щХ) по следующим формулам

2 р 2Ь\щМ Р1 Яух) <У , =-2---, Вх =-, здесь Я - ширина

канала

После этого необходимо провести эксперимент на одном из зазоров (например на 1-м) варьируя поток жидкости, и получить зависимость прошедшего через систему потока газа от скорости потока жидкости Яр ехр = Яр ехр (£) • Нахождение коэффициента диффузии можно осуществить,

добиваясь максимального совпадения экспериментальной зависимости от

числа Пекле и теоретической

Зная проницаемость мембраны, параметр Вг и коэффициент

во

диффузии, можно рассчитать константу Генри1 Л11Ч =-

Правильность нахождения коэффициентов переноса можно проверить, сравнив полученное значение константы Генри с табличным, либо измеренным в равновесных условиях значением

Казалось бы, что наличие зависимости от потока жидкости может позволить определить одновременно два параметра, и В и Д но на практике это оказывается затруднено, так как в большинстве случаев существует линия в пространстве этих двух параметров, на которой отклонения экспериментальной и теоретической зависимостей близко к минимальному

С помощью описанной методики измерены коэффициенты диффузии и растворимости в воде и пропиленкарбонате Экспериментально полученные значения коэффициентов диффузии газов в воде совпадают с табличными в пределах разброса литературных данных из различных источников Основные результаты диссертационной работы:

1 Предложена математическая модель неравновесной абсорбции газа в конденсированной среде с учетом поверхностных взаимопревращений вещества Показано, что влияние кинетики сорбции во многих случаях может быть выражено в виде эффективной проницаемости границы раздела фаз Рассмотрены частные случаи неравновесной сорбции в сорбентах физического, лэнгмюровского и подчиняющихся модели двойной сорбции типов на свободной поверхности, а также через пористую и непористую мембрану

2 Разработана математическая модель процесса селективного массопереноса в мембранном абсорбере плоскорамного типа Проведено численное исследование процесса для различных механизмов сорбции газов в

жидком носителе Определены критерии подобия мембранно-сорбционных процессов

3 Проведено численное исследование процесса газоразделения в рециркуляционном мембранно-абсорбционной системе Показано существование режимов, в которых достижимо одновременно высокое обогащение и степени извлечения целевого компонента бинарной смеси

4. Разработана и реализована новая конструкция плоскорамного мембранного абсорбера, в котором реализуется режим близкий к идеальному противотоку Проведены экспериментальные исследования очистки газовой смеси от С02, получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных

5 Экспериментально продемонстрирована высокая эффективность процесса осушки воздуха в рециркуляционной мембранно-абсорбционной системе с триэтиленгликолем в качестве жидкого носителя Высокая эффективность исследованной системы связана с хорошими сорбционными свойствами жидкого носителя - сорбция паров воды в нем подчиняется закону Генри с высокими значениями растворимости и существенного ее изменения при малом варьирования температуры

б. Сформулирована математическая модель переноса в мембранном контакторе с двумя независимыми газовьми фазами (селективном мембранном вентиле) Разработана методика определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость Методика апробирована на экспериментах по определению коэффициентов диффузии и растворимости некоторых газов в воде и пропиленкарбонате

Публикации по теме диссертации

1 А Ю Окунев, Н.И Лагунцов О механизме массопереноса в мембранном контакторе// Научная сессия МИФИ-2004 (январь 2004 г) Сборник научных трудов, том 9, стр. 31, М МИФИ, 2004, 253

2 Usachov V V , Laguntsov NI, Okunev A Y, Teplyakov V V., Glukhov S D Experimental study of the membrane contactor systems for gas dehumidification // Ars Separatoria Acta Poland - 2003 -№2 - P 36-47.

3. Usachov V V , Okunev A Y , Laguntsov N.I, Glukhov S D, Teplyakov V V. Performance of active membrane contactor system for gas dehumidification and biogas separation // Proceedings of XIX-th International Symposium on Physico-Chemical Methods on the Mixtures Separation Ars Separatoria - 2004 -Zloty Potok Poland -P 157-160

4 Laguntsov N, Levm E, Okunev A, Numerical Simulation of MassTransfer Process in Membrane Contactor for Gas/Vapor Separation//"Euromembrane 2004", 28 Sept - 1 Oct, 2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p 184

5 Teplyakov V.V, Gassanova L G, Shalygm M G , Okunev A Yu and Usachov V V Gas/Vapour Separation Contactors Based on Non-porous Membranes- Experience and Application Potential//"Euromembrane 2004", 28 Sept - 1 Oct., 2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p 189

6 Usachov V, Okunev A, Laguntsov N, Teplyakov V, Glukhov S Nonporous Membrane Application for Contactor Air Diymg//"Euromembrane 2004", 28 Sept - 1 Oct, 2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p 190

7 А Ю. Окунев, В В Усачов, Н И Лагунцов, В В Тепляков Мембранные контакторные и гибридные системы для газоразделения// Всероссийская научная конференция "Мембраны-2004" (октябрь 2004 г) Сборник научных трудов, стр 209,2004,266 с

8 Усачов В В , Окунев А Ю , Лагунцов Н И, Глухов С Д, Тепляков В В Применение мембранных контакторных систем для разделения биогаза и осушки воздуха//Мембраны-2004 - Сборник научных трудов - С 210

9 А Ю Окунев, Н И Лагунцов, Е В Левин, Ю Н Сидыганов, Р С Хафизов Контакторная установка для переработки биогазов// Всероссийская научная конференция "Мембраны-2004" (октябрь 2004 г) Сборник научных трудов, стр 213,2004,266 с

10 АЮ Окунев Исследование процесса газоразделения в рециркуляционном мембранном контакторе// Научная сессия МИФИ-2005 (январь 2005 г) Сборник научных трудов, том 9, стр 25, М МИФИ, 2005 244 с

11 Усачов В В , Лагунцов Н И, Тепляков В В , Глухов С Д, Жердев А А, Окунев А Ю Экспериментальное изучение мембранной контакторной системы для осушения газов // Вестник МГТУ - 2005 - Специальный выпуск -С 196-204

12 Okunev А, Laguntsov N , Teplyakov V Computer Design of Recycle Membrane Contactor Systems for Gas Separation// Book of Abstracts of the Membrane Science and Technology Conference of Visegrad Countries "PERMEA 2005", September 18-22, Polanica Zdroj, Poland, pp 137 - 138

13 Okunev A Yu Laguntsov NI, Levm E V , Hafizov R S , Sidyganov YuN. Experimental Plant For Bio-Fuels Manufacturing With Gas Separation Block Based On Membrane Contactor System// Abstracts of Presentation 8th International Seminar on "Bio-Fuels in Clean Power Production and Transport", 29-30 November 2005, Moscow, Russia, pp 42-45

14 А Ю Окунев, H И Лагунцов Массоперенос в конденсированных пленках в условиях неравновесной сорбции// Научная сессия МИФИ-2006 (январь 2006 г ) Сборник научных трудов, том 9, стр 20-21, М МИФИ, 2006, 212 с

15. Кожевников ВЮ, Левин ЕВ, Лагунцов НИ, Окунев АЮ Хафизов Р С Абсорбционно-десорбционное устройство// Патент на полезную модель №51898 по заявке №2005133113/22 от 28 10 2005, бюл №7 отЮ 03 2006

16 М Г. Шалыгин, А Ю Окунев, D Roizard, Е Favre, В В Тепляков Газопроницаемость комбинированных мембранных систем с подвижным жидким носителем// Коллоидный журнал, М , 2006, т 68, №4, с 566-574

17 Окунев А Лагунцов Н Селективный массоперенос в мембранном абсорбере// Инженерно-физический журнал, Минск, т 79 №5, 2006, с 26-35

18 Okunev A Yu, Laguntsov NI Acid Gases Removal Using Membrane Contactor Systems// Proceedings of the XXIth International Symposium on Physico-Chemical Methods of Separation "ARS SEPARATORIA 2006", July 2-5, 2006, Torun, Poland, p 57-59

19 AYu Okunev, V.V Teplyakov, N1 Laguntsov New research and developments in gas/vapor separation by membrane contactor systems// Desalination, Volume 200, Issues 1-3, 20 November 2006, Pages 432-434

20 А Ю Окунев, H И Лагунцов, О влиянии неравновесной абсорбции на газоперенос в гетерофазных системах, Теоретические основы химической технологии, М 2007, т 41, с 272-279

21 AYu Okunev, NI Laguntsov, IM Kurchatov, Fundamental Separation Properties Of Membrane Contactor Systems, Proceedings of the XXIInd International symposium On Physicochemical Methods of Separation "Ars Separatoria 2007", 139-141

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА В МЕМБРАННО-ЖИДКОСТНЫХ 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 ГАЗОПЕРЕНОСА

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.

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.).

Газ/ Жидкость

Газовая смесь (2 компонента)

Жидкий носитель+ сорбированный комгйнент Жидкость/ Жидкость

Жидкос'тная смесь (2 компонента)

Ретентат

Жидкий носитель етентат

Жидкий носитель

Жидкий носитель+ сорбированный компонент

Рис 1.1. Газожидкостные и жидкость-жидкостные мембранные контакторы.

В настоящее время в основном уделяется внимание двум видам мембранных контакторов: системам с подвижными и неподвижными жидкими носителями. В первом случае используются явления облегчённого транспорта газов за счёт применения специфических переносчиков.

Мембранные контакторы жидкость - жидкость (рис. 1.1.) характеризуются двумя потоками жидкости, разделёнными пористой или непористой мембраной. Такие системы широко используются при осуществлении процессов диализа, обратного осмоса, дистилляции, экстракции и др. Подобные контакторы применяются во многих областях: экстракция продуктов брожения, удаление тяжёлых металлов, летучих компонентов, всех видов биопродуктов и т. д.

Для жидкость - жидкостных контакторов основным преимуществом является возможность использования довольно больших удельных поверхностей контакта, избегая при этом проблем эмульгирования или засорения. Недостатком таких мембранных контакторов независимо от используемого типа являются технологические ограничения, связанные с необходимостью использования мембран и полимеров, химически устойчивых к растворителям.

Традиционно для разделения в системах газ-жидкость, жидкость-жидкость применяется диспергирование одной фазы в другой в колоннах либо развитие поверхности контакта фаз за счет использования тарелочных и упакованных колонн. Более подробно преимущества мембранных контакторов перед абсорбционными и экстракционными колоннами заключаются в следующем [1,8]:

1. Потоки обоих фаз независимы, в результате их изменения не возникает захлебки и усадки

2. Исключено образование эмульсий и аэрозолей, из-за того, что нет диспергирования одной фазы в другой

3. Для жидкость-жидкостных контакторов необязательно различие плотностей разделяемы смесей.

4. Контакторы относительно легко масштабируются.

5. Постоянство площади контакта фаз упрощает предсказание производительности и расчет устройств в целом, когда в колоннах с дисперсией фаз площадь контакта фаз - величина зависящая от условий работы и свойств жидкости.

6. Потери сорбента малы, что делает возможным применение дорогих носителей.

7. В отличие от колонн с диспергированием путем механического перемешивания в мембранных контакторах нет движущихся частей.

8. В упакованных и тарелочных колоннах площадь контакта фаз (10'-102 м2/м3), когда в мембранных системах достижима 10 м

7мл. [8]

Данные преимущества, за исключением последнего пункта можно описать как относительную простоту моделирования и использования мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами.

В качестве недостатков контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами можно назвать следующее:

1. Мембрана может оказывать сопротивление массопереносу, но во многих случаях влияние сопротивления мало, и существуют пути для его уменьшения [3, 9].

2. При реализации модулей промышленного масштаба возможно образование областей, в которой жидкость будет течь, не взаимодействуя с другой фазой.

3. Мембраны могут менять свойства и растворятся под воздействием жидких смесей, а также подвергаться воздействию высоких температур и давлений. Поэтому при проектировании следует учитывать ее стабильность и затраты на периодическую замену мембран, или модулей.

Эти преимущества и недостатки сформулированы для контакторов, как на пористых, так и непористых мембранах [8].

Классификация мембранных контакторов

По типу мембран

В контакторах находят применение мембраны, изготовленные как из пористого материала, так и непористого [1, 3, 4, 9, 10, 11]. Рассмотрим мембрану, состоящую из пористого материала. В этом случае возможны два состояния границы раздела фаз -жидкость или пар. Если мембрана изготовлена из несмачиваемого по отношению к жидкому носителю материала, такого, например, как политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен (данные полимеры не смачиваются водой), то при наличии жидкой фазы, в рабочем диапазоне давлений поры мембраны будут заполнены газовой фазой. В противном случае внутрипористое пространство будет наполнено жидкостью [1].

Эксплуатация мембран сталкивается с такими трудностями, как влияние давления и перепада давления. Для их преодоления используют непористые мембраны или нанесение непористого слоя на пористую подложку [3,10-13].

Возможна реализация качественных различий в разделительных характеристиках МК по сравнению с абсорбционным методом при использовании непористых мембран. Примером такого процесса является первапорация [8, 14] в которой, благодаря использованию селективной непористой мембраны удается существенным образом повысить разделительные характеристики по сравнению с дистилляцией. Реализация селективных свойств мембраны возможна в случае использования низкоселективной жидкости по отношению к разделяемым компонентам газовой смеси [15].

Для исключения попадания жидкого носителя в газовую фазу необходимо, поддерживать правильный режим давлений между фазами. Мембраны, смачиваемые жидким носителем оказывают существенное сопротивление массопереносу [1, 8]. Причем использование смачиваемых мембран связано с тем, что давление газа должно быть больше чем жидкости, а несмачиваемых - меньше чем жидкости в пределах капиллярного давления жидкости в порах. Такие требования становятся трудновыполнимыми при больших потоках и высоких рабочих давлениях системы. Использование непористых мембран упрощает задачу выбора режима давлений, в этом случае, для исключения диспергирования одной фазы в другой достаточно чтобы давление газа было меньшим, чем давление жидкости.

Считается, что основным недостатком непористых мембран перед пористыми в МК является большее сопротивление на массоперенос [1, 16, 17]. Данное утверждение базируется на предположении локального равновесия компонент на границах раздела фаз [8,9,17-21]. В этом случае значения концентраций компонент на границах раздела фаз не зависят от потока, проникающего через границу раздела, и лимитирующей стадией процесса является диффузия через конденсированную пленку. На основе этих предположений развиты методики по определению коэффициентов диффузии газов в полимерных мембранах [8,18-21].

Оказывается, что учет неравновесного механизма сорбции в ряде случаев приводит к несильному усложнению математического описания процессов, расширяя при этом область применимости построенных моделей. Например, в работе [23] показано, что зависимость проницаемости по кислороду сухой полимерной пленки от толщины [24], достаточно хорошо описывается моделью, включающей в себя процессы неравновесной сорбции на границах раздела фаз и диффузии через мембрану.

Одним из преимуществ мембранных контакторов на непористых мембранах является возможность работы при высоких давлениях. Показано, что существуют практически интересные режимы работы контакторов, производительность мембраны слабо влияет на процесс [3, 15]. Существуют также случаи, в которых применение контакторов с пористыми мембранами принципиально недопустимо, в первую очередь это системы связанные с жизнедеятельностью человека, например, при оксигенации крови категорически недопустимо попадание пузырей воздуха в плазму [3].

По организации течений.

Для мембранных контакторов существенным является направление распределения потоков жидкости и газа. Установки и системы мембранного разделения можно классифицировать по способу организации направления потоков разделяемых веществ. Классифицируя по конструктивному признаку, различают следующие виды мембранных контакторов: о прямоточного типа; о противоточного типа; о перекрестноточные (перпендикулярного тока).

Наиболее эффективное разделение получено для систем с противотоком и перпендикулярным током. Wang и Cussler обосновали применение противотока в мембранных модулях в случаях, когда основное сопротивление массопереносу оказывает внутренний слой мембранного волокна [1, 25, 26]. Однако, при применении таких модулей макроскопический коэффициент массопереноса может быть мал, а также в случаях значительного сопротивления внешнего слоя мембранного волокна поток становится неравномерным. В этом случае предпочтительно использовать перекрестноточную систему. Перпендикулярный поток обеспечивает больший коэффициент массопереноса по сравнению с прямотоком. Эффективность перпендикулярного потока повышают за счет использования некоторого количества модулей с перегородками, сочетающими элементы противотока и перпендикулярного тока. Увеличение количества модулей приводит к росту перепада давлений. Wang и Cussler изучили влияние количества секций на массоперенос [25]. Авторами разработана модель для извлечения кислорода с использованием цилиндрических модулей с перегородками. Изучена эффективность таких модулей для нескольких режимов, включая поперечный ток, соток и противоток, поток газа всегда направлялся с внешней стороны волокон. Модули, для которых проводился расчёт, содержали две, пять секций или ни одной. Наивысшие результаты достигнуты при использовании модулей с пятью секциями в режиме противотока, но результаты в работе с двухсекционным модулем практически не отличались. Результаты двухсекционного модуля в режиме прямотока уступали результатам полученным при использовании модуля без перегородок в режиме перекрёстного тока.

Следует отметить, что результаты и рекомендации полученные приведенными и многими другими экспериментальными методами применимы только в узком диапазоне исследуемых параметров, для систем конкретного вида [15], при создании которых зачастую не уделяется даже должного внимания выработке критериев подобия и сравнения мембранно-абсорбционных устройств. Например, в [2] проводится сравнение половолоконных мембранных контакторов с пористыми и непористыми мембранами на модулях с разной геометрией (различные площади мембран, диаметр волокон, плотность упаковки), а в качестве критерия подобия используется число Рейнольдса, которое, как известно, характеризует режим гидродинамического течения жидкости, а не массоперенос в системе. При более внимательном изучении материалов данной работы становится ясным, что выводы, опубликованные авторами, не обоснованы.

Конструкции газоразделительных модулей и мембранных контакторов

Разработка мембранных контакторов, поиск конструкторских решений должны производиться с учетом конкретного применения мембранных контакторов. Так, например, при оксигенации крови необходимо максимизировать количество кислорода, поступающего в единицу объема [3]. Это минимизирует требуемый объем контактора и, как следствие, объем крови, находящийся вне тела человека. Вместе с тем для применения мембранных контакторов в промышленности необходимо максимально уменьшить стоимость единицы перенесенной массы, но из этого не обязательно следует максимальное количество вещества, перенесенного сквозь мембрану в единице объема модуля.

Основной и наиболее очевидной величиной в модуле является площадь мембраны, подлежащая оптимизации, поскольку от нее напрямую зависит производительность модуля. Производительность половолоконных модулей зависит от его длины. Считается, что использование длинных половолоконных модулей повышает эффективность [1], но влечет за собою затраты на создание большого перепада давления. Как будет показано ниже для систем с параллельным течением газа и жидкости существенное значение, на массоперенос играет площадь мембраны, а не длина канала.

При создании мембранных систем важным условием является выбор конструкции самого мембранного модуля. От этого во многом зависит эффективность процесса разделения и другие эксплуатационные характеристики (срок службы, простота эксплуатации, надежность).

По конструктивному признаку аппараты для мембранных процессов подразделяются на четыре основных типа, отличающиеся способом укладки мембран:

- аппараты с плоскими мембранными элементами [4, 16, 27 - 29];

- с трубчатыми мембранными элементами;

- с мембранными элементами рулонного типа;

- с мембранами в виде полых волокон [1, 17, 25,26].

Эти аппараты могут быть:

- корпусные и бескорпусные.

По положению мембранных элементов их делят на:

- горизонтальные и вертикальные

По условиям монтажа на:

- разборные и неразборные.

Таким образом, видно, что существует множество градаций по мембранным контакторам и выбирать по каким-то конкретным нуждам надо в каждом отдельном случае.

Аппараты с плоскими мембранными элементами

Наглядным примером плоскорамного мембранного контактора может служить разработанная в лаборатории физикохимии мембранных процессов ИНХС РАН им. А.В.Топчиева конструкция многослойного плоскорамного мембранного контактора [4, 6, 16, 27] (рис. 8), а также плоскорамный мембранный контактор, разработанный в ОАО «Аквасервис» (рис. 1.3) [28].

Модуль, разработанный в ИНХС РАН им. А. В, Топчиева, представляет собой диффузионную ячейку из нержавеющей стали, которая имеет отверстия для входа и отвода жидкости и газа [4]. Мембранная кассета снабжена турбулизирующей полиамидной сеткой и силиконовой прокладкой, между которыми помещены мембраны из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) [16, 30, 31] или политриметисилииропина (ПТМСП) [14, 32, 33], разделяющие газовую и жидкую фазу. Схема движения потоков через контактор представлена на Рис. 1.2 (б). Общая площадь мембранной кассеты, в которой содержится 15 параллельных каналов для жидкого абсорбента составляет 1,5 кв.м.

Рис. 1.2. Плоскорамный мембранный контактор разработки ИНХС РАН им. Топчиева. а - общий вид; б - схема потоков.

9 - прокладки задающие зазор жидкой фазы

Рис. 1.3. Плоскорамный мембранный контактор разработки ОАО «Аквасервис». а общий вид; б - детализация. Плоскорамные аппараты имеют обладают определенными недостатками:

1. Невысокая удельная (на 1 куб.м объема аппарата) поверхность мембран - 60-300 кв.

2.Сборка аппаратов и замена мембран осуществляются вручную.

Модуль, разработанный в ОАО «Аквасервис», отличается от разработки ИНХС РАН тем, что имеет более долговечный срок службы, за счёт укладки мембраны на твёрдую поверхность, а так же имеет малый жидкостной зазор для обеспечения высокой эффективности процесса абсорбции - десорбции, в котором отсутствует сетка, что приводит к более низкому гидравлическому сопротивлению. Более подробно о конструкции и возможностях конструкции ОАО "Аквасервис" будет рассказано в параграфе 3.4.

Аппараты с полыми волокнами

Несмотря на то, что процесс массопереноса может быть организован с использованием различных конфигураций мембран в модуле, наибольшее распространение получили половолоконные мембранные контакторы [1-3, 5, 17, 25, 26, 34-49]. Такой интерес к половолоконным мембранным контакторам объясняется высокой плотностью упаковки мембран в них, к тому же половолоконные мембранные контакторы более просты в сборке и монтаже, чем плоскорамные аналоги. Другое важное преимущество мембран данного типа заключается в отсутствии необходимости создания поддерживающих устройств. Это выгодно отличает их от тонких плоских мембран, недостаточная механическая прочность которых делает нежелательным повышение величин потоков из-за возможности их разрыва в процессе разделения.

Половолоконные модули были разработаны и нашли широкое применение для процессов разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией, движущей силой которых является градиент давления, а не концентрации [8]. Мембраны в виде полых волокон для обратного осмоса обычно имеют наружный диаметр 45-200 мкм и толщину стенки 10-50 мкм, а для ультрафильтрации соответственно 200-1000 и 50-200 мкм [8]. При таких размерах обеспечивается необходимая прочность волокон под действием рабочих давлений, используемых при жидкофазном мембранном разделении (до 10 МПа) или разделении газов.

Чаще всего в качестве полых волокон для МК используются пористые мембраны с широким диапазоном размеров пор (наиболее используемые мембраны с диапазоном пор 0,02-0,2 мкм). [1].

Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран - до 20-30 тыс. кв.м / куб.м. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах, и производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности, при очистке и разделении газов и т.п. Однако при эксплуатации этих аппаратов предъявляют промышленные требования к предварительной очистке разделяемых смесей от взвесей. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь пучок волокон.

Существующие половолоконные мембранные модули можно классифицировать в зависимости от размеров (диаметров) используемых в нем волокон следующим образом [1,8]:

-трубчатые (диаметр волокон более 5 мм); -половолоконные (диаметр менее 0,5 мм); -капиллярные (диаметр от 0,5-5 мм).

Трубчатые мембраны имеют столь большой диаметр, что они нуждаются в специальном поддерживающем слое, в то время как полые волокна и капилляры являются самоподдерживающимися. Трубчатые мембраны помещают внутрь трубок из пластика или нержавеющей стали, при этом диаметр трубок должен превышать 10 мм. Поток питания подается в центр трубки, а поток пермеата отбирается снаружи, из межтрубного пространства. В такой конфигурации чаще всего используются керамические мембраны.

Различие между половолоконными и капиллярными модулями состоит только в размерах, диаметрах волокна, их составляющих. В итоге они имеют различную плотность упаковки: для капиллярных модулей она составляет 600-1200 м2/ м3, в то время как половолоконные модули имеют плотность упаковки примерно 30000 м / м

Такие модули представляют собой множество волокон собранных в пучки и закрепленных на концах модуля. Свободные концы уплотняют специальными массами, например, эпоксидными смолами или силиконовыми каучуками. Это позволяет получить достаточно прочные мембраны без дополнительных подложек. Применение мембран в виде тонких трубок и полых волокон обеспечивает компактность как диффузионных ячеек, так и конструкции в целом. В этом заключается их большое преимущество по сравнению с другими типами мембран, так как удается получить громадные удельные поверхности в небольшом объеме аппарата.

В зависимости от принципа работы используют ассиметричные/композиционные капиллярные или половолоконные мембраны с рабочим слоем на внутренней или внешней стороне мембраны.

Аппараты с полыми волокнами могут быть как безопорными, так и с опорно-распределительными трубками. Безопорные аппараты проще по устройству, но гидродинамические условия в них и распределение разделяемой смеси по сечению и длине аппарата хуже, чем в аппаратах с опорно-распределительными трубками. Аппарат с параллельным расположением полых волокон изображен на рис. 1.4 [50]. рвт&ор

Рис. 1.4. Схема безопорного аппарата с параллельно расположенными полыми волокнами: 1 - сборники пермеата; 2 - фланцы; 3 - корпус; 4 - волокна;

5 - трубная решетка

Аппарат заключен в корпус 3 со штуцерами для ввода и вывода разделяемого раствора и с фланцами 2 для крепления сборников пермеата 1 и трубных решеток 5. Полые волокна в виде пучков 4 размещены в корпусе 3 нитрата параллельно его оси, а концы полых волокон с помощью эпоксидной смолы и уплотнений герметично закреплены в трубных решетках 5. Разделяемая смесь (например, раствор) движется вдоль наружной поверхности, полых волокон 4. Под давлением часть жидкости проходит через стенки, штоком и по их внутренним капиллярам отводится в сборник, образуя пермеат. Концентрированный раствор непрерывно выводится из аппарата. Режим течения тут реализуется противоточный.

Аппараты рассмотренного типа имеют существенные недостатки, например: сложность крепления и герметизация пучков волокна, неравномерное распределение разделяемого раствора в пучках волокон и др. Отмеченные недостатки устранены в аппаратах с мембранными элементами в виде полых волокон, образующих один пучок намотанный на распределительную трубу, которая имеет отверстия для подачи разделяемого раствора внутрь пучка волокон. В таких модулях реализуется перекрестноточный режим течения газа и жидкости [1].

Аппараты с мембранными элементами в виде полых волокон, образующих один пучок, имеют низкую материалоемкость. Однако недостаточная интенсивность перемешивания разделяемого раствора в аппаратах и жесткое крепление полых волокон в перемычках (трубных решеток) не позволяют использовать их для обработки растворов, содержащих взвешенные частицы.

Третий типа половолоконных контакторов - аппараты с и - образным расположением полых волокон, которые просты в изготовлении и сборке, удобны в монтаже и эксплуатации, имеют низкую материалоемкость. В связи с этим они также нашли широкое практическое применение. Режим течения в таких модулях сложный и по эффективности занимает промежуточное положение между перекрестным током и противотоком.

Следует иметь в виду, что перекрестный ток, о котором здесь идет речь, существенно отличается от режима перекрестного тока в мембранном газоразделении под действием перепада давлений. В данном случае перекрестный ток означает течение во взаимно перпендикулярных направлениях потоков относительно всего мембранного контактора, когда в мембранном газоразделении по перекрестным током подразумевается отток проникшего газа от мембраны конвективным образом, и ориентация течений во всем модуле может быть и параллельной.

В таблице 1 представлены примеры промышленно производимых половолоконных мембранных модулей.

Производитель Материал волокна Диаметр волокна(мм) Площадь поверхности, (м2) Диаметр пор, (мкм) Длина Модуля, (см)

A/G Technology (Needham, MA) Полисульфон 0,25-3 0,0015-28 0,65 18,5120

Koch Membrane Systems (Wilmington, MA) Полисульфон, полиакрилонитрил 0,5-3,2 0,019-69,7 0,2 17,8182,9

Microdyn Technologies (Wuppertal, Germany) Полипропилен, полиэтилен, искусственная целлюлоза 0,2-5,5 0,02-25 0,4 25304,9

Millipore (New Bedford, MA) Полисульфон 0,5-1,1 0,03-5 0,1 63,8109,2

Наиболее известным половолоконным модулем, разработанным для концентрационного массопереноса, является модуль "Liquid-Cell" Extra-Flow module (рис. 1.5), разработанный фирмой CELGARD LLC (Charlotte, NC; formerly Hoechst Celanese) [50-52]. В модуле использованы микропористые полипропиленовые волокна Celgard, с внутренним диаметром волокон 240 мкм и толщина стенки порядка 30 мкм. Волокна, сплетённые в полотно, заполняют модуль более равномерно, что приводит к более высоким коэффициентам массопереноса, по сравнению с одиночными волокнами [50,53]. В середине модуля находится дроссель, который создаёт компоненту скорости, ортогональную к поверхности мембраны, благодаря чему повышается эффективность модуля. Диаметр самых маленьких Extra-Flow module составляет 2,5 дюйма в диаметре, суммарная площадь поверхности мембран - около 1,4 м . Самый большой модуль (10 дюймов и 130) содержит около 225000 волокон. Такой модуль может перерабатывать несколько тысяч литров жидкости в минуту.

Aqueous^ Stream —

Collection

Tube Housing

Aqueous Stream

Hollow Fiber Membrane

Cartridge Distribution „ ч TubeV

Organic Stream

Organic Stream

Рис. 1.5. Половолоконный жидкостной мембранный контактор "Liquid-Cell" Extra-Flow module производства CELGARD LLC

Компанией Membrane Corporation предложен модуль с без пузырьковым массопереносом «газ - жидкость», который используется в медицине, при очистке сточных вод и других областях. Модуль состоит из многочисленных блоков, каждый из которых содержит около 500 полых волокон, один конец которого утоплен в полиуретане, а другой закреплён. Модуль заполняется жидкостью, в которую сквозь мембрану диффундирует газ, подаваемый внутрь волокон. Эффективность процесса увеличивается за счёт того, что блоки выполнены не в форме цилиндров, а плоскими. Плотность упаковки составляет всего 10%, что обеспечивает возможность работы с высоким уровнем массообмена газ - жидкость и низким перепадом давления, но затрудняет достижение высоких степеней насыщения газами жидкости. Волокна состоят из полиуретана толщиной 1 мкм, зажатого между двумя слоями микропористого полиэтилена; внутренний диаметр волокна - 220 мкм, внешний - 270 мкм [53].

Для озонации воды в электронной промышленности фирмой W. L. Gore & Associates (Elkton, MD) так же разработаны газ - жидкостные контакторы "DISS03L-VE". В таком модуле использованы волокна из политетрафлорэтилена, который является химически устойчивым даже по отношению к таким агрессивным компонентам, как озон. Внутренний диаметр каждого волокна - 1,7 мм, толщина стенки мембраны 0,5 мм, размер пор - около 0,003 мкм. Волокна внутри модуля расположены в форме спирали, что позволяет повысить коэффициенты массопереноса, по сравнению с конструкцией с параллельными волокнами [53].

Pall Corporation (East Hills, NY) разработала модуль EFM=530, предназначенный для получения высокочистой воды. В конструкции использовались волокна из непористого полиолефина, сплетённые в полотно и обёрнутые вокруг центрального коллектора. Сквозь волокна либо продувается газ - носитель, обычно, азот, либо поддерживаются под вакуумом. Направление подачи потока воды, введённого через центральный коллектор, перпендикулярно поверхности мембраны. В модуле использована непористая мембрана, селективность которой по отношению к кислороду и другим газам, растворённым в воде, достаточно высока [54].

Половолоконные мембранные контакторы для фильтрации, движущей силой которых является градиент давления, в основном производятся в виде устройств, в которых две жидкости текут параллельно друг другу по противоположным сторонам мембраны. Основным их преимуществом является простота изготовления, а недостатком - невысокая скорость массопереноса.

На начальных этапах развития половолоконных модулей, основным сдерживающим фактором было несовершенство самих мембранных волокон, скорость проникновения сквозь них была маленькой. С тех пор знания о мембранных материалах и методах изготовления мембран значительно расширились, были разработаны мембраны с заметно более низким сопротивлением массопереносу. Этот процесс заставил обратить внимание на другие виды сопротивления массопереносу, которые возникают в половолоконном модуле с параллельным потоком, в частности, на поверхностный слой, возникающий с внешней стороны волокон.

Всё это привело к возникновению и развитию альтернативных геометрий модулей с более высокими коэффициентами массопереноса по сравнению с традиционными половолоконными модулями. Например, \Мскгатазт£Ье [44] сравнил эффективность извлечения кислорода из воды в азот, используя четыре различных конфигурации модулей. В каждом из них азот подавался внутрь волокна из микропористого полипропилена, вода обтекала волокна снаружи. Геометрии, которые он использовал -это цилиндрическая упаковка, волокна, скрученные спиралевидно, прямоугольный ковёр из волокон и гофрированная плоская мембрана. Результаты сравнивались в виде эквивалентных потоков на единицу площади мембраны. Лучшие результаты показал прямоугольный ковёр, удалившего 98% поступившего с водой кислорода. Цилиндрическая упаковка, волокна, скрученные спиралевидно и гофрированная плоская мембрана удалили 82%, 86% и 72% соответственно [44]. Все эти конструкции модулей с противоточной организацией потоков были значительно эффективнее, чем цилиндрические модули с параллельными потоками, которые удаляли только 7% кислорода. Результаты были похожими при сравнении эффективности модулей с точки зрения эквивалентного потока на единицу объёма модуля.

Для газовой абсорбции Jansen [55] предложил прямоугольный дизайн с газом, текущим снаружи перпендикулярно волокнам. Такая конструкция даёт множество преимуществ, включая высокие коэффициенты массопереноса, малые перепады давления, легко контролируемые условия потоков с обеих сторон мембраны, независимость внешнего потока от неравномерного распределения волокон внутри модуля и возможность объединять модули в каскады.

Параметры, которые разработчики модулей могут менять - это диаметр волокон (в случае половолоконных контакторов), толщину их стенок, пористость мембран, извилистость, плотность упаковки, скорости потоков, входные концентрации, коэффициенты распределения и физические свойства жидкости.

Prassad и Sirkar [38], предложили процедуру разработки половолоконных мембранных модулей, которая учитывает все эти факторы и позволяет вычислить требуемое количество волокон, диаметр модуля и его длину для каждой конкретной задачи. Для тех случаев, когда одного модуля недостаточно, они предложили использовать ряды параллельных каскадов, некоторые примеры таких каскадов Reed с соавторами [56].

Мембранно-абсорбционные системы

Выделяют два основных типа установок на базе мембранных контакторов. Первый тип - с использованием одного модуля, в котором жидкость насыщается целевым компонентом и удаляется, без ее регенерации. Схема хороша при использовании дешевого жидкого носителя, например для удаления углекислого газа и сероводорода при добыче природного газа [57-60]. Другое применение такой схемы -изменение состава жидкого носителя, например оксигенация крови [3, 61], дегазация воды [1,35,37, 62,63], обогащение азотом пива [1] и др.

Второй тип установок отличается тем, что помимо мембранного абсорбера используется также и десорбер для регенерации носителя. Десорбер может отличаться по принципу действия от абсорбера. Этим устройством может быть как мембранный контактор, так абсорбционная колонна, электролизер, адсорбционный модуль и др. Рассмотрим случай десорбции в мембранном контакторе, такую систему, состоящую из мембранных абсорбера и десорбера, объединенные в цикл по жидкости называют рециркуляционным мембранным контактором (РМК) [4, 7, 59-63]. Реализация режима работы такой системы возможно лишь в случае существования суммарного градиента химического потенциала по ХСК между абсорбером и десорбером, которая может осуществляться за счет разницы температуры, давлений и концентрации компонент.

Основное применение таких систем - извлечение кислых газов (СОг, N02, НгБ) из газовых смесей [1, 2, 17, 27, 55, 68, 69] и осушка воздуха [1, 7, 70]. Для десорбции газов обычно используется нагрев носителя, но при повышенных температурах возможно изменение свойств мембранного элемента, таких как растворение мембраны, герметиков и т.д. Это обосновывает выбор колонны в качестве десорбера. Существуют также гибридные системы, в которых мембранное газоразделение используется для доочистки или предварительной очистки с дальнейшим разделением с помощью рециркуляционной схемы с использованием абсорбционных колонн или мембранных контакторов [71].

Методики расчета мембранных контакторов

Обычно методики расчета процесса массопереноса в мембранном контакторе основаны на использовании определяемых эмпирически макроскопических характеристик массообмена [1, 2, 5, 71, 72]. Однако они применимы только в узкой области изменения параметров, не позволяют заранее определить конструктивные решения, оптимальный режим работы, выявить влияние тех или иных физико-химических процессов, а в ряде случаев приводят к неверным результатам [2, 15]. Эти методики сводятся к расчету текущего режима работы контакторов по подобию с режимом при большом потоке жидкости, т.е. режима в котором процесс переноса газа осуществляется в узком пограничном слое вблизи мембраны. Как будет показано позднее, таким образом, не возможно определить режим работы рециркуляционного мембранного контактора, в котором за одно стадию достигается одновременно высокое обогащения хорошосорбируемого компонента (ХСК) и плохосорбируемого компонента (ПСК) [64,66,67,69].

Используемые математические модели [1, 2, 5, 71, 72] опираются на расчете суммарного коэффициента переноса по подобию с режимом переноса в узком пограничном слое основываясь на величине числа Рейнольдса, которое характеризует гидродинаическое течение, а не массоперенос в системе. Пример такого подхода -сравнение МК на пористых и непористых мембранах в [2], исследователи здесь сравнивали удаление углекислого газа на двух половолоконных модулях с разным числом волокон, их толщиной, плотностью упаковки и площадью, и проводили сравнение удельной производительности при одинаковых числах Рейнольдса. Столь существенное преимущество первого контактора на непористых мембранах в данном случае скорее обусловлено более высокой плотностью упаковки, и соответственно, выводы сделанные авторами, о преимуществе пористых мембран в рассмотренном случае являются необоснованными.

Более общим, является описание процесса массопереноса на микроскопическом уровне, основанное на использовании локальных уравнений баланса массы, импульса, энергии. Такой подход должен включать описание процессов переноса в газовой, жидкой и мембранной фазах [15].

В настоящее время массоперенос в газовой фазе мембранного модуля изучен достаточно хорошо, и при математическом описании можно учесть все основные эффекты [73-75].

В жидкой фазе МК моделирование процесса массопереноса в настоящее время достаточно развито для частного случая отсутствия концентрационных пограничных слоев в жидкости [76, 77]. В мембранном газоразделении такой режим носит название идеального вытеснения [8, 78]. Однако эти предположения справедливы только в случае малых потоков жидкости, что резко снижает область их использования.

В работах [17, 79-82] рассмотрены модели массопереноса в жидкой фазе, основанные на локальных уравнениях баланса компонент в жидкости. Модели применимы для широкого диапазона изменения гидродинамических параметров течения жидкости. Однако, они сформулированы для частных случаев упрощенных условий на границе раздела фаз при постоянных концентрациях компонент в газовой фазе.

Для корректного описания процесса массопереноса в МК необходима математическая модель, включающая взаимосвязанные уравнения массопереноса в газовой, жидкой и мембранной фазах. В настоящей работе рассмотрена модель массопереноса многокомпонентной смеси в МК, основанная на использовании двумерного приближения уравнений баланса массы компонент в жидкой фазе с учетом взаимопревращений компонентов, одномерного приближения уравнений балансов массы и импульса в газовой фазе, связанных между собой уравнениями переноса в мембране с учетом условий на границах раздела фаз. Модель применима для описания процесса массопереноса в МК с пористыми и непористыми мембранами, любого типа абсорбентами (произвольное число каналов сорбции) в широком диапазоне изменения параметров рабочего режима.

Выбор оптимальных параметров МК и режимов работы для каждой конкретной задачи целесообразно осуществлять на основе численных экспериментов с помощью математических моделей, наиболее полно отражающих процессы, происходящие в МК.

Помимо систем с двумя движущимися фазами существуют контакторы, которые приято называть селективными мембранными вентилями (СМВ) [4, 27, 83-85]. СМВ представляет собой мембранную систему, состоящую из двух полимерных мембран и слоя жидкого носителя между ними. Полимерные мембраны используются для формирования и удерживания слоя жидкости. Возможность применения в СМВ асимметричных полимерных мембран с непористым селективным слоем со стороны жидкой фазы решает проблему ограничения абсолютного перепада давления между газовой и жидкой фазой (проникновение жидкости в поры мембраны и образование пузырьков в жидкости), скорость течения жидкости может использоваться как дополнительный параметр регулирования процесса разделения. Кроме того, СМВ с подвижным жидким слоем может применяться для разделения трехкомпонентных газовых смесей, что принципиально невозможно реализовать в МК.

Другим интересным применением СМВ является исследование свойств системы газ-мембрана-жидкость. Объект удобен тем, что позволяет измерять параметры газового потока проникшего через мембраны и подвижный жидкий слой, который прямом образом зависит от процессов происходящих в системе [84, 85].

Таким образом, можно сформулировать цели данной работы: определение закономерностей массопереноса в мембранных газожидкостных системах, поиск и анализ принципиальных технических решений мембранно-абсорбционных газоразделительных устройств. В рамках данного исследования ставились следующие задачи:

1. Математическое описание процессов неравновесной сорбции в жидкости на свободной поверхности и через пористую или непористую мембрану.

2. Создание замкнутой математической модели массопереноса в мембранном абсорбере (МА).

3. Исследование влияния параметров рабочего режима на процесс разделения в проточной и рециркуляционной схемах на основе МА.

4. Разработка и реализация конструкции МА, в которой реализуется режим близкий к противоточному.

5. Разработка методики определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость.

6. Экспериментальная апробация теоретических моделей.

Работа состоит из трех основных глав:

Первая глава посвящена описанию подходов и формулировке математических моделей массопереноса различных физических стадий процесса мембранной абсорбции. Предложенные подходы и модели являются общими и могут применяться для описания не только мембранно-абсорбционных, а также абсорбционных, каталитических, газодиффузионных систем и др.

Вторая глава посвящена исследованию процессов переноса в МК. Проведены численные исследования переноса в жидкой, газовой фазах, исследовано влияние гидродинамического режима течения на процесс, получены и проанализированы разделительные характеристики одиночных МК и рециркуляционных схем. Проведена экспериментальная апробация на примере удаления углекислого газа из газовых смесей и осушки воздуха. Разработана конструкция МК позволяющая реализовывать процесс мембранной абсорбции в близком к модельному режиме.

Третья глава рассматривает процесс переноса в СМВ. Сформулирована математическая модель процесса. Разработана методика определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость использующая одновременное использование эксперимента и теоретического описания происходящих в СМВ процессов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена математическая модель неравновесной абсорбции газа в конденсированной среде с учетом поверхностных взаимопревращений вещества. Показано, что влияние кинетики сорбции во многих случаях может быть выражено в виде эффективной проницаемости границы раздела фаз. Рассмотрены частные случаи неравновесной сорбции в сорбентах физического, лэнгмюровского и подчиняющихся модели двойной сорбции типов на свободной поверхности, а также через пористую и непористую мембрану.

Разработана математическая модель процесса селективного массопереноса в мембранном абсорбере плоскорамного типа. Проведено численное исследование процесса для различных механизмов сорбции газов в жидком носителе. Определены критерии подобия мембранно-сорбционных процессов.

Проведено численное исследование процесса газоразделения в рециркуляционном мембранно-абсорбционной системе. Показано существование режимов, в которых достижимо одновременно высокое обогащение и степени извлечения целевого компонента бинарной смеси.

Разработана и реализована новая конструкция плоскорамного мембранного абсорбера, в котором реализуется режим близкий к идеальному противотоку. Проведены экспериментальные исследования очистки газовой смеси от СОг, получено хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

Экспериментально продемонстрирована высокая эффективность процесса осушки воздуха в рециркуляционной мембранно-абсорбционной системе с триэтиленгликолем в качестве жидкого носителя. Высокая эффективность исследованной системы связана с хорошими сорбционными свойствами жидкого носителя - сорбция паров воды в нем подчиняется закону Генри с высокими значениями растворимости и существенного ее изменения при малом варьирования температуры.

Сформулирована математическая модель переноса в мембранном контакторе с двумя независимыми газовыми фазами (селективном мембранном вентиле). Разработана методика определения коэффициентов переноса в системе газ-мембрана-жидкость. Методика апробирована на экспериментах по определению коэффициентов диффузии и растворимости некоторых газов в воде и пропилен карбонате.

1. Gabelman A. and Hwang S.-T. Hollow fiber membrane contactors// J. of Mem. Sci. 1999. Vol. 159 Pp. 61-109.

2. Al-Saffar H. В., Ozturk B. and Hughes R. A comparison of Porous and Non-porous GasLiquid Membrane Contactors For Gas Separation//Trans. Inst, of Chem. Eng. 1997. Vol. 75, A, Pp. 685-692

3. Каричев 3. P., Мулдер А. Л. Применение композиционных половолоконных мембран для оксигенации крови//ТОХТ. 2001. Т.35, № 4 С. 403-409

4. Бекман И. Н., Бессарабов Д. Г., Сандерсон Р. Д. Интегрированные мембранные системы с подвижным жидким носителем//Вестн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 1999. Т. 40, №6 С. 408-413

5. Yamagiwa A., Ito К., Tamura М. and Furusawa М. Removal of dissolved oxygen using non-porous hollow-fiber membranes//J. of Mem. Sci. 1998. Vol. 145. Pp. 111-117

6. Teplyakov V. V., Sostina E. G., Beckman I. N. and Netrusov A. I. Integrated membrane systems for gas separation in biotechnology: potential and prospects//World J. of Biotech. 1996. Vol. 12. Pp 1-9.

7. Usachov V., Laguntsov N., Okunev A., Teplyakov V. and Glukhov S. Experimental study of the membrane contactor system for gas dehumidifícation//Ars Separatoria Acta. 2003. №2. Pp. 36-46.

8. M. Mulder Basic Principles of Membrane technology, 1991, Kluwer, Academic Publishers

9. А.Ю. Окунев, Н.И. Лагунцов О влиянии неравновесной абсорбции на газоперенос в гетерофазных системах// Теоретические основы химической технологии, М., 2007, т. 41, с 1-8

10. Т. Ahmed, М. J. Semmens Use of sealed end hollow fibers for bubbleless membrane aeration: experimental studies//! Membr. Sci., 69,1992,1-10.

11. Т. Ahmed, М. J. Semmens The use of independently sealed microporous hollow fiber membranes for oxygenation of water: model development/Л. Membr. Sci., 69, 1992, pp. 1120.

12. Usachov V., Laguntsov N., Teplyakov V., Glukhov S., Okunev A.Yu Nonporous Membrane Application for Contactor Air Drying//"Euromembrane 2004", 28 Sept. 1 Oct., 2004, Hamburg, Germany, Book of Abstracts p. 190.

13. Окунев А.Ю., Лагунцов Н.И. Селективный массоперенос в мембранном абсорбере//ИФЖ 2006 т. 79 №5, стр. 26-35.

14. D. G. Bessarabov, Е. P. Jacobs, R. D. Sanderson, I. N. Beckman Use of nonporous polymeric flat-sheet gas-separation membranes in a membrane-liquid contactor: experimental studies//J. Membr. Sci., v.l 13 (1996) 275-284

15. Lee Y., Noble R., Yeom B.-Y., Park Y.-I. and Lee K-H. Analysis of CO2 removal by hollow fiber membrane contactors//J. of Mem. Sci. 2001. Vol. 194. Pp. 57-67.

16. Ф. Тимашев, Физикохимия мембранных процессов, Москва, "Химия", 1988

17. Vicente Compan, Andreu Andrio, Maria L. Lopez, Cristina Alvarez, Evaristo Riande Effect of time of Annealing on Gas Permeation through Coextuded Linear Low-Density Polyethylene (LLPDE) Films//Macromolecules, 1997, 30, 3317-3322

18. Mitesh R. Shaha, Richard D. Noble, and David E. Clougha Measurement of sorption and diffusion in nonporous membranes by transient permeation experiments/Я. of Mem. Sci., Volume 287, Issue 1, 5 January 2007, Pages 111-118

19. Johannes Carolus Jansena, Marialuigia Macchionea and Enrico Drioli On theunusual solvent retention and the effect on the gas transport in perfluorinated Hyflon AD® membranes// J. of Mem. Sci. Volume 287, Issue 1,5 January 2007, Pages 132-137

20. А.Ю. Окунев, Н.И. Лагунцов О механизме массопереноса в мембранном контакторе// Научная сессия МИФИ-2004 (январь 2004 г.) Сборник научных трудов, том 9, стр. 31, М.: МИФИ, 2004,253 с.

21. М.А. Islam, Н. Buschatz, D. Paul Non-equilibrium surface reactions—a factor in determining steady state diffusion flux//Journal of Membrane Science 204 (2002) 379-384

22. G. Mensitieri, M.A. Del Nobile, T. Monetta, L. Nicodemo, F. Bellucci The effect of film thickness on oxygen sorption and transport in dry and water-saturated Kapton® polyimide//J. Membr. Sci. 89 (1994) 131-141.

23. K. L. Wang, E. L. Cussler Baffled Membrane modules made with hollow fiber fabric//J. Membr. Sci 85 (1993)265-278.

24. E. L. Cussler Hollow fiber contactors//Membrane Processes in Separation and Purification, Kluwer Academic Publishers, Netherlands, 1994, pp. 375-394.

25. А. А. Четвертухин, JI. Г. Гасанова, М. Модигель В. В. Тепляков, Разделение трёхкомпонентных Нг-содержащих газовых смесей с помощью селективного мембранного вентиля//сборник научных трудов, Научная сессия МИФИ-2003, Москва 2003 г.

26. Кожевников В.Ю., Левин Е.В., Лагунцов Н.И., Окунев А.Ю., Хафизов Р.С.

27. Абсорбционно-десорбционное устройство// Патент на полезную модель №51898 по заявке №2005133113/22 от 28.10.2005, бюл. №7 от 10.03.2006.

28. Okunev A.Yu., Laguntsov N.I., Levin E.V., Hafizov R.S., Sidyganov Yu.N.

29. J. D, Le Roux, V. V. Teplyakov and D. R. Paul Gas transport properties of surface fluorinated poly (vinyltrimethylsilane) films and composite membranes//J. of Mem. Sci., v. 90, Issues 1-2,1994, pp. 55-68

30. A. M. Shishatskii, Yu. P. Yampol'skii and К. -V. Peinemann Effects of film thickness on density and gas permeation parameters of glassy polymers//! of Mem. Sci., v. 112, Issue 2,1996, pp. 275-285

31. A.V. Volkov, D.F. Stamatialis, V.S. Khotimsky, V.V. Volkov, M. Wessling and N.A. Plate Polyl-(trimethylsilyl)-l-propyne. as a solvent resistance nanofiltration membrane material//J. of Mem. Sci., v. 281, Issues 1-2,2006, pp. 351-357

32. A.G. Fadeev, S.S. Kelley, J.D. McMillan, Ya.A. Selinskaya, V.S. Khotimsky and V.V. Volkov Effect of yeast fermentation by-products on polyl-(trimethylsilyl)-l-propyne. pervaporative performance//J. of Mem. Sci., v. 214, Issue 2,2003, pp. 229-238

33. A. K. Guba, S. Majumadar, К. K. Sirkar Gas separation modes in a hollow fiber contained liquid membrane permeator//Ind. Eng. Chem. Res., 31 1992,593

34. A. Ito, K. Yamagiwa, M. Tamura, M. Furusawa, Removal of dissolved oxygen using non-porous hollow-fiber membranes//J. of Mem. Sci., 145,1998, 111, Elseveir

35. R. Basu, K. K. Sirkar Citric acid extraction with microporous hollow fibers//Solvent Extraction and Ion Exchange 10(1) (1992) 119-143.

36. R. Basu, K. K. Sirkar Hollow fibers contained liquid membrane separation of citric acid//AIChE J. 37 (1991) 383.

37. R. Prassad, K. K. Sirkar Dispersion-free solvent extraction with microporous hollow-fiber modules//AIChE J. 34(2) (1988) 177-188.

38. R. Prassad, K. K. Sirkar Hollow fiber solvent extraction of pharmaceutical products: a case study//! Membr. Sei. 47 (1989) 235-259.

39. D. Bhaumik, S. Majumdar, K. K. Sirkar Hollow fiber membrane-based rapid pressure swing absorption//AIChE J. 42 (1996) 409-420.

40. M. Coelhoso, P. Silvestre, R. M. C. Viegas, J. P. S. G. Crespo, M. J. T. Carrondo

41. Membrane-based solvent extraction and stripping of lactate in hollow-fiber contactors//J. Membr. Sei. 134(1997) 19-32.

42. D. O. Cooney, M. G. Poufos Liquid-liquid extraction in a hollow-fiber device//Chem. Eng. Commun. 61 (1987) 159-167.

43. L. Dahuron, E. L. Cussler Protein extractions with hollow fibers//AIChE J. 34(1) (1988) 130-136.

44. S. R. Wickramasinghe, M. J. Semmens, E. L. Cussler Mass transfer in various hollow fiber geometries//J. Membr. Sei. 69 (1992) 235-250.

45. V.Y.Dindore, D.W.F.Brilman, P.H.M.Feron, G.F.Versteeg C02 absorption at elevated pressure using a hollow fiber contactor// J. Membr. Sei. 235(2004), p. 99-109.

46. Nishikawa, N.; Ishibashi, M.; Ohta, H., et al. CO2 removal by Hollow fiber gas-liquid contactor//Energy Convers. Manag. 1995,36,415-418.

47. Chun, M.S.; Lee, K.-H. Analysis on a hydrophobic hollow Fiber membrane absorber and experimental observations of CC^-removal enhanced absorption//Sep. Sei. Technol. 1997,15, p.2445-2466.

48. Sun-Hwa Yeon, Bongkuk Sea, You-In Park, Kew-Ho Lee Determination of Mass Transfer Rates in PVDF and PTFE Hollow Fiber Membranes for CO2 Absorption//Separtion Science and technology, V38, N2, p 271-293.

49. A. Sengupta, B. W. Reed, F. Seibert Liquid-liquid extraction studies on semi-commercial scale using recently commercialized large membrane contactors and systems//AIChE Annual Meeting, San Francisco, CA, 16 November 1994.

50. A. Sengupta CELGARD LLC Corporation, personal communication, 5 August 1997.

51. J. T. Whisnant CELGARD LLC Corporation, personal communication, 22 January 1998.

52. K. K. Sirkar Membrane separation technologies: current developments//Chem. Eng. Commun., 157 (1997), p. 145-184.

53. V. Kiygier, Pall Corporation, personal communication, 25 November 1998

54. P. Feron, A. Jansen CO2 separation with polyolefin membrane contactors and dedicated absorption liquids: performances and prospects//Sep. and Purif. Tech., vol 27,2002,231-242

55. B. W. Reed, M. J. Semmens, E. L. Cussler Membrane contactors//Membrane

56. Separation Technology. Principles and Applications, Elsevier, Amsterdam, 1995, p. 474.

57. G. Lozza, P. Chiesa Natural Gas Decarbonization to Reduce C02 Emission From Combined Cycles—Part I: Partial Oxidation//Transactions of the ASME, Vol. 124, 2002, p. 82-88

58. G. Lozza, P. Chiesa Natural Gas Decarbonization to Reduce C02 Emission From Combined Cycles—Part II: Steam-Methane Reforming//Transactions of the ASME, Vol. 124, 2002, p. 89-95

59. Björn Fredriksson Möller, Magnus Genrupa and Mohsen Assadia On the off-design of a natural gas-fired combined cycle with C02 capture//Energy, V. 32, Iss. 4,2007, pp. 353359

60. Joel L. Kaara, Heung-II Oha, Alan J. Russella and William J. Federspiela Towards improved artificial lungs through biocatalysis//Biomat., Vol. 28, Iss. 20,2007, pp. 3131-3139

61. A. Sengupta, P.A. Peterson, B.D. Miller, J. Swchneider, C. W. Fulk, Jr. Large-scale application of membrane contactors for gas transfer from or to ultrapure water//Sep. and Purif. Tech., vol. 14,1998, pp. 189-200

62. A. Yu. Okunev, V.V. Teplyakov and N.I. Laguntsov New research and developments in gas/vapor separation by membrane contactor systems// Desalination, V. 200, Issues 1-3, 2006, pp. 432-434

63. V.V. Teplyakov, A.Yu. Okunev and N.I. Laguntsov Computer design of recycle membrane contactor systems for gas separation// Sep. and Pur. Tech. In press

64. V.V. Usachov, V.V. Teplyakov, A.Yu. Okunev and N.I. Laguntsov Membrane contactor air conditioning system: Experience and prospects// Sep. and Pur. Tech. In press

65. А.Ю. Окунев Исследование процесса газоразделения в рециркуляционном мембранном контакторе// Научная сессия МИФИ-2005 (январь 2005 г.). Сборник научных трудов, том 9, стр. 25, М.: МИФИ, 2005.244 с.

66. А. Ю. Окунев, В.В. Усачов, Н.И. Лагунцов, В.В. Тепляков Мембранные контакторные и гибридные системы для газоразделения//Всеросс. научн. конф. "Мембраны-2004" (октябрь 2004 г.) Сборник научных трудов, стр. 209,2004,266 с.

67. Laguntsov N.I., Okunev A.Yu. Acid Gases Removal Using Membrane Contactor Systems// Proceedings of the XXIth International Symposium on Physico-Chemical Methods of Separation "ARS SEPARATORIA 2006", July 2-5,2006, Torun, Poland, p. 57-59

68. Isetti C., Nannei E. and Magrini A. On the application of membrane air-liquid contactor for air dehumidification//Energy and Buildings. 1997. Vol. 25. Pp. 185-193.

69. V.Y. Dindore, G.F. Versteeg Gas-liquid mass transfer in a cross-flow hollow fiber module: Analytical model and experimental va!idation//Int. J. of Heat and Mass Transfer, 48, 2005, pp. 3352-3362

70. B. D. Bhide, A. Voskericyan S.A Stern Hybrid processes for the removal of acid gases from natural gas//J. of Mem. Sci., 140,1998,27, Elseveir

71. Груздев Е. Б., Ежов В. К., Лагунцов Н. И., Николаев Б. И. О влиянии продольной диффузии на процесс разделения газовых смесей на полупроницаемых мембранах//ИФЖ. 1986. Т. 51, № 6. С. 916-924.

72. Косых Е. В., Борисевич В. Д., Лагунцов Н. И., Николаев Б. И. О влиянии плотности упаковки на разделительные характеристики мембранного элемента//ТОХТ. 1990. Т. 24, № 1.С. 127-131.

73. Борисевич В. Д., Гришаев Н. Н., Лагунцов Н. И., Сулаберидзе Г. А. О влиянии потерь давления в канале волоконного мембранного элемента на его разделительные характеристики//ТОХТ. 1984. Т. 18. № 1. стр. 20-24.

74. Бекман И. Н., Бессарабов Д. Г., Сандерсон Р. Д. Диффузионные процессы в абсорбционном модуле мембранного контактора//Весн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 2000. Т. 41. № 4. С. 266-270.

75. Бекман И. Н., Бессарабов Д. Г., Сандерсон Р. Д. Разделение газовой смеси в абсорбционном модуле мембранного контактора//Весн. Московского ун-та. Сер. 2. Химия. 2001. Т. 42. № 1. С.60-66.

76. Hwang S.-T. and Kammermyer К., Membranes in Separations New York: John Wiley & Sons, 1975.

77. R. Wang, D.F. Li, D.T. Liang Modeling of C02 capture by three typical amine solutions in hollow fiber membrane contactors//Chem. Eng. and Proc., 43,2004, pp. 849-856

78. V.Y. Dindore, D.W.F. Brilman, G.F. Versteeg Modelling of cross-flow membrane contactors: Mass transfer with chemical reactions//J. of Mem. Sci., 255,2005, pp. 275-289

79. V.Y. Dindore, D.W.F. Brilman, G.F. Versteeg Modelling of cross-flow membrane contactors: physical mass transfer processes// J. of Mem. Sci., 251,2005, pp. 209-222

80. W.P.M. van Swaaij and G.F. Versteeg Mass Transfer Accompanied With Complex Reversible Chemical Reactions In Gas-Liquid Systems: An Overview// Chem. Eng. Sci., v. 47, No. 13/14,1992, pp. 3181-3195.

81. D. G. Bessarabov, V. V. Teplyakov I. N. Beckman Selective membrane valve for ternary gas mixture separation: model of mass transfer and experimental test//Ind.Eng.Chem.Res., 32, (1993) 2017-2022.

82. А.Ю. Окунев, Ю.П. Нещименко А.И. Дианов Экспериментальное исследование процесса массопереноса в мембранно-абсорбционных системах с подвижным жидким носителем//Научная сессия МИФИ-2007, Сборник научных трудов, том 9,2007,237 с.

83. А.Ю. Окунев, М.Г. Шалыгин, D. Roizard, Е. Favre, В. В. Тепляков

84. Газопроницаемость комбинированных мембранных систем с подвижным жидким носителем// Коллоидный журнал, М., 2006, т. 68, №4, с. 566-574

85. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теоретическая физика Т. 6 Гидродинамика М.: Наука, 1986.

86. В. S. Massey Mechanics of fluids, 4th ed., 1979, VNR

87. Levin E. V. and Ying C. Diffusion transport vector for multicomponent separation in ultracentrifuge//Sep. Sci. and Tech. 1995. Vol. 30. № 18. Pp. 3441-3454.

88. Laguntsov N. I., Levin E. V. and Tepliakov V. V. Multicomponent Gas Separation in the Channel with Selective Permeable Walls under Back Diffusion Process//Proc. of XlVth Int. Symp. "ARS SEPARATORIA '99" July 5-8. Gniew, Poland, 1999. P. 96.

89. C. F. Curtiss Symmetric Gaseous Diffusion Coefficients//.!. Chem. Phys, 49(7) 1968 стр 2917-2919

90. Сидыганов Ю.Н., Шамшуров Д.Н., Окунев А.Ю. Модель массопереноса многокомпонентной смеси в мембранных контакторах для оптимизации процесса газоразделения// Мех. и Электр, сельского хоз., №12,2006,30-32

91. Дьярмати И. Неравновесная термодинамика. Пер. с англ. М.: Мир, 1974.

92. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. Пер. с англ. М.: Мир, 2002.

93. В. S. Massey Mechanics of fluids, 4th ed., 1979, VNR

94. К. Li, Ivy Chua, W. J. Ng and W. K. Teo Removal of dissolved oxygen in ultrapure water production using a membrane reactor//Chem. Eng. Sci., v. 50,1.22,1995, p. 3547

95. В.И. Ролдугин, B.M. Жданов Влияние поверхностных сил на течение разреженных газов в наноразмерных капиллярах//Коллоидный журнал, 2003, т. 65, №5, с.652

96. В.И. Ролдугин, В.М. Жданов Кинетические явления при течении газовой смеси в наноразмерных капиллярах. Влияние поверхностных сил//ЖТФ, 2006, т. 76,4, с. 45-52

97. A.Yu. Okunev, N.I. Laguntsov, I.M. Kurchatov Fundamental Separation Properties Of Membrane Contactor Systems// Proceedings of the XXIInd International symposium On Physicochemical Methods of Separation "Ars Separatoria 2007", 139-141

98. В. M. Рамм Абсорбция газов, Москва, "Химия", 1976

99. М-В. Hagg//Sep. & Purifie. Methods, 1998,27(1), pp. 51-168.

100. A. Nakamura et al. Water vapor separation by polyimide separation membranes// Kagaku kogaku, 1987, vol.5, №9, pp. 695-698.

101. A. Netrusov, E. Sostina, V. Teplyakov, Multi-gas separation for biotechnology by non-porous membrane with moving liquid carriers//Med. Fac. Landbouww. Univ. Gent 1995, 60/4b, pp. 2287-2294.

102. O. N. Diment, K. S. Kazanskiy, A. M. Miroshnikov, Glycols and others derivative of ethylene oxides and propylene// Moscow 1976.

103. V. V. Teplyakov, P. Meares, Correlation aspects of the selective gas permeabilities of polymeric materials and membranes//Gas Separation & Purification 1990, 4(2), 68-72.

104. V. V. Teplyakov, N.I. Laguntsov, New Research and Developments in Membrane Gas and Vapour Separation//Proceedings of XVIth International Symposium on Physico-chemical Methods on the Mixtures Separation "ARS SEPARATORIA 200 Г, 2001, p.47

105. Masaaki Teramoto, Hideto Matsuyama, Tomokichi Yonehara; Selective facilitated transport of benzene across supported and flowing liquid membranes containing silver nitrate as a carrier//J. Membrane Sci., 50 (3), 1990, pp. 269-284.

106. S. R. Suchdeo, J. S. Shultz The permeability of gases through reacting solutions: the carbon dioxide-bicarbonate membrane system, Chem. Eng. Science, v.29,1974, p 13

107. M. Teramoto. H. Matsuyama, T. Yamashiro Separation of ethylene from ethane by supported liquid membrane containing silver nitrate as carrier//.!. Chem. Eng., 19 (1986) 419.

108. Masaaki Teramoto, Hideto Matsuyama, Takumi Yamashiro, Sueaki Oka m oto; Separation of ethylene from ethane by a flowing liquid membrane using silver nitrate as a carrier//.!. Membrane Sci., 45 (1-2), 1989, pp. 115-136.

109. B.A. Рабинович, З.Я. Хавин Краткий химический справочник 2-е изд., Ленинград, "Химия".

110. Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд, Свойства газов и жидкостей 3-е издание, Ленинград, "Химия", 1982, пер. с англ.

111. F. Murrieta-Guevara, A. Romero-Martinez, A. Trejo Solubilities of Carbon Dioxide and Hydrogen Sulfide in Propylene Carbonate, N-Methylpyrrolidone and Sulfolane//Fluid Phase Equilibria, vol. 44,1988,105-115.