РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВОЙ СМЕСИ В АБСОРБЦИОННОМ МОДУЛЕ МЕМБРАННОГО КОНТАКТОРА
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
60 ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1
УДК 539.217.5: 66.077
РАЗДЕЛЕНИЕ ГАЗОВОЙ СМЕСИ В АБСОРБЦИОННОМ МОДУЛЕ
МЕМБРАННОГО КОНТАКТОРА
И. Н. Бекман, Д. Г. Бессарабов*, Р. Д. Сандерсон
(кафедра радиохимии)
В работе рассмотрены процессы диффузии газов в абсорбционном модуле мембранного кон-
тактора, содержащего плоскую непористую полимерную мембрану и движущийся жидкий
носитель. Обсуждены особенности работы мембранного пермабсорбера с функциональными
материалами (мембраной и жидким абсорбентом) неспецифическими с точки зрения разделе-
ния бинарной смеси газов. Проведено компьютерное моделирование процессов разделения в
абсорбционном модуле мембранного контактора проточного типа. Математическое моделиро-
вание включало использование таких переменных, как коэффициенты диффузии газов в по-
лимере, константы растворимости газов в полимере и жидкости, объемные скорости движе-
ния исходной газовой смеси и жидкости. Рассчитаны зависимости от скоростей движения
газовой смеси и жидкости таких параметров, как концентрационные профили обоих газов
вдоль мембранного абсорбера, распределение локального фактора разделения вдоль мембра-
ны, концентрация целевого продукта и фактор разделения на выходе из газовой камеры аб-
сорбционного модуля. Установлено, что предложенная модель может быть эффективно ис-
пользована для моделирования процесса газоразделения в мембранных контакторах лабора-
торного типа. Показано, что взаимопротивоположное течение газов и жидкости (противоток)
более предпочтительно по сравнению с одинаковым направлением течения (соток). Путем
варьирования скорости течения жидкого абсорбента и/или газа можно добиться компромис-
са между производительностью системы, чистотой конечного продукта и стабильностью
процесса газоразделения.
В настоящей работе методами математического мо- костью и уносится ею в десорбционный модуль. Дега-
делирования изучены процессы селективной диффу- зация жидкости проходит в десорбционной мембранной
зии газов в абсорбционном модуле (АМ) мембранно- ячейке через вторую полимерную мембрану. Из десор-
го контактора, использующего в качестве рабочих эле- бера выходит в основном высокопроницаемый компо-
ментов непористую полимерную мембрану и подвиж- нент газовой смеси (десорбат). Плохо проникающий
ный жидкий абсорбент. На примере неселективной компонент газовой смеси удаляется из абсорбционной
мембраны и неселективной жидко сти рассмотрено ячейки (ретентат).
влияние скоростей движения газовой смеси и жидко- В данной работе мы ограничимся анализом про-
сти на форму концентрационного профиля целевого цесса селективной диффузии газов только в первом
газа вдоль абсорбционного модуля, на распределение (абсорбционном) модуле МПА. В качестве рабочего
локального фактора селективности по поверхности элемента используем непористую полимерную мемб-
мембраны, а также на производительность и селектив- рану. Будем полагать, что и в газовой камере, и в
ность абсорбционного модуля мембранного пермаб- жидкости имеет место идеальное перемешивание по
сорбера. Основное внимание уделено проблеме опти- координатам x и z, а по координате y какое-либо пере-
мизации процесса очистки ретентата в двух режимах: мешивание (поршневое течение) отсутствует. Коорди-
одинаковое направление движения газа и жидкости ната y направлена вдоль АМ (по направлению течения
(соток) и противоположно направленное движение жидкости, но не исходной газовой смеси). Распределе-
флюидов (противоток). ние линейных скоростей течения жидкости по толщине
Мембранный пермабсорбер, предназначенный для слоя однородно.
разделения смеси двух газов, состоит из двух модулей Сначала рассмотрим ситуацию, при которой исход-
(абсорбционного и десорбционного), между которыми ная газовая смесь и жидкость движутся в одном на-
циркулирует жидкий носитель (абсорбент). Исходная правлении (соток). Мембранный абсорбер функциони-
смесь газов проходит над непористой (сплошной) по- рует в проточном режиме, т.е. на вход абсорбционного
лимерной мембраной в абсорбционном модуле. Лучше модуля непрерывно подается свежая жидкость.
всего проникающий компонент газовой смеси селек- Введем обозначения: p0 – парциальное давление газа
тивно диффундирует через полимерную мембрану в на входе в абсорбер; С – концентрация газа; D – коэф-
движущуюся под ней жидкость, поглощается этой жид- фициент диффузии газа в материале мембраны; s –
*Стелленбошский университет, ЮАР, химический факультет.ВЕСТН. МОСК.lУН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1 61
растворимость газа (здесь используется безразмерная Задача оптимизации состоит в подборе скоростей дви-
растворимость, т.е. растворимость газа в полимере или жения флюидов (W g и W l ), обеспечивающих компро-
жидко сти нормирована на «растворимо сть газа в мисс между производительностью системы разделения
газе»). P = Ds m – константа проницаемости газа сквозь и чистотой продукта.
мембрану; l – толщина слоя; h – длина мембраны
Перейдем теперь к рассмотрению ситуации противо-
(равна длине АМ); S –площадь поверхности мембраны;
3 положного направления движений жидкости и газа (ре-
W – объемная скорость движения флюида, см /с. Над-
жим противотока). С этой целью поменяем местами
строчные индексы: А – целевой компонент разделяе-
мой газовой смеси; В – второй компонент. Подстроч- вход и выход в газовой камере абсорбционного моду-
ные индексы: g – газ; m – мембрана (полимер), l – ля. Исходная газовая смесь вводится теперь со стороны
жидкость. выхода жидкости. Как и ранее, координата y направлена
Распределение концентрации одного из компонентов по направлению движения жидкости, газ движется в
разделяемой смеси в газовой камере вдоль абсорбци- противоположном направлении.
онного модуля в режиме сотока описывается форму- Распределение концентрации одного из компонентов
лой: разделяемой смеси по абсорбционному модулю в газо-
вой камере в режиме противотока:
C с ,g ( y )=
−
DS W l σ l +W g σ m
⋅ ⋅y
C П ,g ( y )=
Wg σl σm Wl
)= C 0 ( + e
l m ⋅h W g Wl σ l
). (
DS σ m W g − σ l W l )
W l σ l +W g σ m σl Wg − y
hl m W l W g σ l
W g σ m −W l σ l e
Концентрация газа на выходе из мембранного аб- =C h ,
сорбера в режиме сотока (в точке y = h) зависит от (
DS σ m W g − σ l W l )
−
скоростей движения флюидов (Wg и Wl): lmWlW g σ l
W g σ m −W l σ l e
(
C с ,h W g ,W l )=
где Сh – концентрация газа на входе в мембранный аб-
DS W l σ l +W g σ m
− ⋅ ⋅
Wgσl σ Wl lm ⋅ W gWl σl сорбер (в точке y = h).
)= C 0 (
m
+ e ).
Концентрация газа на выходе из абсорбционного
W l σ l +W g σ m σl Wg
модуля (в точке y = 0) в режиме противотока описыва-
Здесь С 0 – концентрация газа на входе в АМ (в точ- ется формулой:
ке y = 0).
Введем понятие локального коэффициента разделе- C П , 0 ( W g ,W l ) =
ния компонентов А и В разделяемой смеси: W g σ m −W l σ l
=Ch .
A/ B
A
C c ,g ( y ;W l ,W g ) (
DS σ m W g −σ l W l )
U ( y ;W l ,W g ) = , −
c
C c ,g
B
( y ,W l ,W g ) W g σ m −W l σ l e l mWl W g σ l
A B
где Сg (y) и Cg (y) – распределения концентрации газов Коэффициент разделения бинарной газовой смеси (в
А и В вдоль мембраны в газовой камере абсорбцион- точке y = 0) в режиме противотока:
ного модуля.
Коэффициент разделения на выходе из мембранного A/B
A
C gc , g ( y ; W l ,W g ) .
абсорбера (в точке y = h) в режиме сотока может быть U ( y ; W l ,W g ) =
рассчитан по формуле:
п ,h B
C п ,g ( y ,W l ,W g )
Как известно, основное преимущество мембранных
A/ B
A
C c ,g ( y ;W l ,W g ) устройств с подвижным жидким носителем заключает-
U ( y ;W l ,W g ) = ,.
c B
C c ,g ( y ,W l ,W g ) ся в возможности взаимной компенсации термодина-
Концентрационные профили и фактор разделения слож- мических и/или кинетических недостатков материала
ным образом зависят от скоростей движения исходной мембраны и жидкости. При этом часто обнаруживают-
газовой смеси и жидкого носителя. С точки зрения оп- ся их скрытые (не проявляющиеся в традиционных ме-
тодиках) возможности. Проиллюстрируем это на при-
тимизации, важнейшими параметрами являются кон-
мере использования для целей газоразделения неселек-
центрации газов на выходе из мембранного абсорбера
A B
тивных мембран и неселективных жидкостей.
(в ретентате), т.е в точке y = h, C и C C, h , а также
C, h Пусть необходимо разделить смесь газов А и В, где
A/B
коэффициент разделения в ретентатe U C, h(W g, Wl), оп- А – целевой компонент. В нашем распоряжении имеет-
ределяющий чистоту целевого продукта А в ретентате. ся мембрана, неселективная по отношению к этим62 ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1
А В
газам. Поскольку константы проницаемости Р = Р , то или жидкости, тем эффективнее работает мембранный
фактор селективности Z = 1 и разделение смеси газов абсорбер.
А и В в стационарных условиях традиционного метода Типичные графики зависимости U = C g A (y)/C g B (y)
газопроницаемости невозможно. Имеющаяся в нашем локального коэффициента разделения смеси газов А и
А В
распоряжении мембрана реализует условие Р = Р В в газовой камере АМ МА от расстояния от входа в
А В A B A
следующим способом: Р = Р ; но D m < D m и s m > газовую камеру АМ при различных скоростях движе-
B
s m . Хотя такая мембрана бесполезна в стационарном ния флюидов приведены на рис. 1, б. Видно, что при
варианте метода газопроницаемости, она может быть всех значениях W величина U > 1, т.е. при движении
использована для разделения смеси газов в нестацио- вдоль модуля смесь газов над мембраной обогащается
нарном варианте метода проницаемости и в мембран- «медленным», но хорошо растворимым в полимере га-
ном контакторе с подвижным носителем. зом. В мембранном абсорбере «бесконечной» длины
Пусть далее в нашем распоряжении имеется абсорб- график U с(y) всегда имеет максимум (особенно четко
ционно активная, но неселективная к газам А и В жид- проявляющийся при малых скоростях движения флюи-
кость. Поскольку константы растворимости газов А и В дов, причем чем ниже W, тем ближе ко входу в АМ
A B
в жидкости одинаковы (s l = s l), то эта жидкость не располагается максимум), но при реальных длинах
может быть использована в абсорбере для разделения
этих газов. Однако, как будет продемонстрировано 3
ниже, в мембранном контакторе с подвижным носите- 2
Концентрация САy, отн. ед.
0,98
лем такая жидкость может быть использована с высо-
кой эффективностью.
0,96
Совместим в проточном мембранном абсорбере
а)
выбранную нами мембрану и жидкость. Пусть для оп-
А В А В A 0,94
ределенности Dm = 1, Dm = 10, sm = 10, sm = 10, s l 1
B
= s l = 1.
Задачу будем решать методом математического экс- 0,92
перимента. В ходе моделирования диапазон изменения
скорости движения газовой смеси составил 10 < W g
–3 0,90
0 5 10 15 20
2
< 10 , а диапазон изменения скорости течения жидко-
–3 3
сти 10 < W g < 10 . Рассмотрение ограничим случаем Координата y, см
проточного режима работы МПА.
Расчеты профилей концентраций компонентов А и 2.0
2
Коэффициент разделения U, отн. ед.
В в газовой камере абсорбционного модуля МПА в
А B
режиме сотока, СC,g (y) и CC,g (y) соответственно пока- 1.8 1
зали, что при движении вдоль АМ концентрации обо-
их компонентов смеси в газовой камере над мембра- 1.6
ной падают по параболическому закону. В частном 3
случае при одинаковых скоростях движения флюидов
B 1.4 б)
W g = W l = 0,04 значение концентрации C (y) быстро
диффундирующего компонента В падает от 1 (на вхо-
де в абсорбционный модуль) до ~ 0,5 (на выходе из 1.2
4
абсорбционного модуля). При этом концент рация 5
A 1
C (y) «медленного» компонента А изменяется менее 0 5 10 15 20
чем на 1%. Чем меньше скорость движения флюида
W, тем круче спадает концентрация газа при движении Координата y, см
от входа к выходу АМ МПА (рис. 1, а). Наоборот, в
жидком абсорбенте значение концентрации газа В воз- Рис. 1. Влияние объемной скорости движения флюидов (Wg = Wl = W)
на величины локальных характеристик разделения двухкомпонент-
растает от 0 (на входе) до 0,5 (на выходе), тогда как ной смеси в абсорбционном модуле мембранного пермабсорбера в
концентрация газа А поддерживается практически на режиме одинакового направления движения газовой смеси и жидко-
фоновом уровне. Таким образом, величина коэффи- го носителя: а – распределение концентрации целевого компонента
разделяемой смеси (вещество А) вдоль газовой камеры мембранного
циента диффузии газа в полимере существенным об-
абсорбционного модуля при значении W: 1 – 0,01; 2 – 0,1; 3 – 1,0; б
разом влияет на форму концентрационного профиля, – распределение по длине мембраны локального коэффициента раз-
причем чем меньше скорость движения газовой смеси деления смеси газов А и В при значении W: 1 – 0,001; 2 – 0,01; 3 – 0,1ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1 63
нента А на выходе из газовой камеры МА проходит
CAh а) через минимум при изменении как W g, так и W l. Ана-
B
логичны вышеописанным графики функций C h(W g) и
B
C h(W l). Фактор разделения существенным образом за-
висит от скоростей движения флюидов: графики функ-
0.8 ций UC, h(Wg) и UC, h(Wl) по мере роста скорости движе-
0.6
ния газа или жидкости быстро достигают максимально-
го значения, после чего начинают медленно умень-
0.4
шаться.
0.2 Математическое моделирование позволяет ответить
50
на вопрос: изменение скорости течения какого именно
0 0.1
50
0.1
40
0.08 30
40
0.08 флюида (W g или W l) оказывает наибольшее влияние на
0.06
30
0.06
20
0.04
20
0.04 производительность абсорбционного модуля и на чис-
10 10
0.02 0.02
W! 00 0
0 Wg тоту целевого продукта в ретентате. При малых ско-
Cg ростях движения на концентрацию целевого компонента
1 2
U 0,98
7
Концентрация СA (y), отн. ед.
б)
6
5
0,96
3
4
10
10
0,94
55
0,92 а)
00
0 0.02
10
0
0 0 0.04
20
Wg
10.02
0 30.06
0
W! 0.04
20
0.06
30 0,.8
40
0,90
0 5 10 15 20
0.08
40
50
0.1
50 0.1
U Координата y, см
1,00
Рис. 2. Зависимость производительности и селективности разде-
Концентрация С (y), отн. ед.
ления мембранного абсорбционного модуля с подвижным жид-
0,98 1
ким носителем в режиме сотока от скоростей течения газовой
смеси (Wg) и жидкого носителя (Wl): а – концентрация целевого
компонента на выходе из газовой камеры абсорбционного моду- 0,96
ля (в ретентате); б – коэффициент разделения двухкомпонентной
A
2
смеси газов в ретентате
0,94
б)
мембранного абсорбера существуют значения W, при 0,92
превышении которых U с(y) монотонно возрастает при
0,90
движении от входа к выходу АМ МПА. 0 5 10 15 20
В процессе оптимизации работы АМ МПА целевы-
ми параметрами выступают две функции: функция Координата y, см
CAh (W g, W l) – концентрация целевого компонента А на Рис. 3. Распределение концентрации целевого компонента разде-
выходе из газовой камеры абсорбционного модуля (в ляемой смеси (вещество А) вдоль газовой камеры мембранного
абсорбционного модуля: а – концентрационные профили в режи-
точке y = h) и функция U A/B h (W g , W l ) – коэффициент ме противоположного направления движения газовой смеси и жид-
разделения смеси газов А и В, определяющий чистоту кого носителя (противоток) при различных скоростях движения
флюидов при значении W: 1 – 0,02; 2 – 0,1; 3 – 0,2; б – концент-
целевого компонента А. Оба этих параметра в различ-
рационные профили целевого компонента в различных режимах
ной степени зависят от скоростей движения как газо- работы абсорбционного модуля мембранного пермабсорбера:
вой смеси Wg, так и жидкости Wl. Концентрация компо- 1 – соток, 2 – противоток (W = 0,1)64 ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1
на выходе из абсорбера существенно влияет скорость
движения газовой смеси W g , а при больших скоростях 1
– скорость движения жидкого абсорбента W l. Характер
Концентрация СA (y), отн. ед.
0.95
A A
инверсии кривых C h(W l) и C h(W g) можно проиллюст- 3
4
рировать численным примером. При W g = 0,01 график
A A 0.90 а)
C h(W l) достигает минимума C h(W l = 0,01) = 0,972, а
A
при W l = 0,1 график С (W g) проходит через минимум
(имеет вид узкого «отрицательного» пика, несколько 0.85
2
меньшей амплитуды и при существенно меньших ско-
А
ростях движения флюида, чем в первом случае) С (W g
0.80
= 0,001) = 0,91. При скоростях движения флюидов W < 0 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
A A
0,01, C h (W g) £ C l (W l ), а при больших скоростях, на- Скорость флюида Wg или Wl, см /с
3
A A A
оборот, C h (W l ) £ C l (W g ). Например, C h (W l =0,05) = 100
A
0,983, а Ch (Wg = 0,05) = 0,994. Фактор разделения Uh(Wg
б)
или W l) имеет форму пика, тем лучше выраженного,
Концентрация СA (y), отн. ед.
чем меньше скорость движения флюида. Изменение
скоростей движения флюидов W g и W l позволяет в ши-
роких пределах изменять фактор разделения двухкомпо-
10
нентной смеси на выходе из газовой камеры мембран- 3
ного абсорбера. При этом график функции Uh(Wl) име-
ет пик при сравнительно больших скоростях движения
4
жидкости, тогда как график Uh(Wg) имеет вид пика (зна- 2
чительно более высокого и узкого по сравнению с пер- 1
1
вым случаем) при существенно более низких скоростях
0 0,1 0,2 0,3 0,4
движения смеси газов. Например, при W g = 0,01 дости-
3
гается максимум Uh(Wl = 0,031) = 3,54, тогда как при Wl Скорость флюида Wg или Wl, см /с
= 0,01 достигается величина Uh(Wg = 0,001) = 8,71. Рис. 4. Влияние скорости движения флюидов(Wg и Wl)) и взаимного
На рис. 2, а, б приведены трехмерные графики фун- направления их движения на эффективность работы абсорбционного
A A/B
кций Ch (Wg,Wl) и Uh (W g,Wl). При больших скоростях модуля с точки зрения очистки ретентата: а – концентрация целевого
газа А в ретентате; б – фактор разделения двухкомпонентной смеси
течения концентрация целевого газа на выходе из МА газов в ретентате: 1 – соток, (C h A(W l ), W g = 0,01); 2 – противоток
практически постоянна и не зависит ни от W g , ни от (C0A(Wl), Wg = 0,01); 3 – соток (СhA(Wg), Wl = 0,01); 4 – противоток
A
Wl. Однако при малых скоростях движения флюидов си- (С0 (Wg), Wl = 0,01)
стема становится неустойчивой: незначительное изме- скорости какого-либо флюида в диапазоне 0,002 < W <
нение скорости движения газа или жидкости способно 1 концентрация в центре мембраны (в точке y = 10)
А
привести к существенному изменению производитель- достигает минимума при W = 0,2, причем С (y = 10,
ности системы. Коэффициент разделения двухкомпонен- W = 0,2) = 0,975. На выходе из мембранного абсорбера
тной смеси газов при малых значениях W g неустойчив (в ретентате) в точке y = 0 в том же диапазоне скорос-
практически при всех значениях Wl. Очевидно, что под- тей движения флюидов при увеличении W значение
бор скоростей движения флюидов, обеспечивающих од- концентрации газа А монотонно увеличивается от
А А
новременно достижение как максимальной производи- С (y = 0, W = 0,02) = 0,9 до С (y = 0, W = 1) = 0,968.
тельности, так и чистоты целевого продукта в ретента- Как и в случае сотока, в противоточном режиме тече-
те, представляет собой весьма сложную задачу. ние жидкости и газа оказывает большее влияние на
Перейдем теперь к анализу соответствующих зависи- профиль быстрого компонента В, чем на профиль мед-
мостей для режима противотока. ленного компонента А. Режим противотока эффектив-
Влияние скорости движения флюида W (W g = W l = нее режима сотока (см. рис. 3, б, построенный для
W) на характер распределения вдоль мембраны кон- концентрационного профиля целевого компонента А,
центрации компонента А показано на рис. 3, а, где где для удобства сравнения координаты в газовой каме-
(y = 20) – вход в газовую камеру мембранного абсор- ре и в камере для жидкости заданы одинаково направ-
бера, (y = 0) – выход из нее. Видно, что при увеличе- ленными (y = 0 – вход, y = 20 – выход). Видно, что при
нии W имеет место инверсия кривых. При изменении движении вдоль мембраны наблюдается инверсия кри-ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1 65
j
ше скорость движения флюида, тем круче падение. При
a) изменении W в диапазоне 0,01 < W < 10 в центре мемб-
A
Ch
раны U П уменьшается от значения 1,95 до 1,02, а на
выходе из модуля – от значения 36,9 до 1,04.
Как и в сотоке, на производительность МПА по ре-
тентату влияет скорость как движения газовой смеси,
0.8
0.8
так и течения жидкости. Однако в отличие от сотока, в
A
0.6
0.6 противотоке W g и W l влияют на C противоположным
0.4
0.4
образом.
0 При увеличении скорости движения жидкости кон-
0
0.2
0.2
0.02
10 центрация газа А падает (эффект тем сильнее, чем
00 20.04 W!
30.06
0
меньше скорость движения газа). В нашем примере
1.0
40 0
0.075
30
0.08
40
A A
Ch (W l = 0,1, Wg = 0,01) = 0,2, Ch (W l = 0,1, W g = 0,1) =
0.05
20
10
W0.025 00 0.1
50
A
g 0,902 и Ch (Wl = 0,1, Wg = 1) = 0,99..
C gP
При увеличении скорости движения газовой смеси
концентрация А в ретентате монотонно возрастает,
стремясь к постоянному значению, и тем круче, чем
меньше скорость движения жидкости. Например, при
б)
lgU
Wg = 0,1 изменение скорости движения жидкости в диа-
пазоне 0,01 £ W l £ 100 приводит к падению концентра-
ции газа А в ретентате от 0,99 до 0,671. Коэффициент
66 разделения двухкомпонентной смеси UП, h также по-раз-
ному зависит от Wg и Wl.
При увеличении W l U п,h(W l ) – возрастающая функ-
44
ция, причем чем выше значение W g, тем меньше изме-
нение коэффициента разделения. При Wl = 0,1 в диапа-
22 зоне скоростей 0,01 < Wg < 10 коэффициент разделения
0.1
50 падает от 10,15 до 1,01. Функция UП,h(W g) – монотонно
0.08
00
40
ниспадающая, причем чем выше W l, тем больше коэф-
0
0 0.06
30
0.02
10
0.04
20 фициент разделения. Например, значение UП,h возраста-
Wg 0.04
20
10.02
0.06
30 0
ет от 1,1 до 35,8 при изменении скорости течения жид-
0.08 W!
40
00
0.1
50
кости в диапазоне 0,01 £ Wl £ 10 и Wg = 0,1.
Q
На рис. 4 показана высокая эффективность взаимо-
Рис. 5. Зависимость производительности и селективности разделе- противоположного направления движений флюидов по
ния мембранного абсорбционного модуля с подвижным жидким но- сравнению с одинаковыми направлениями течения га-
сителем в режиме противотока от скорости течения газовой смеси
зовой смеси и жидкости с точки зрения как производи-
(Wg) и жидкого носителя (Wl): а – концентрация целевого компонента
на выходе из газовой камеры абсорбционного модуля (в ретентате); тельности (рис. 4, а), так и чистоты целевого продукта
б – коэффициент разделения двукомпонентной смеси газов в ретентате (рис. 4, б). При этом видно, что если зависимости па-
раметров оптимизации от скоростей движения флюидов
вых, описывающих концентрационные профили газов. в режиме сотока имели экстремумы, то в случае про-
Для нашего примера при W = 0,1 в передней части тивотока имеют место монотонные кривые.
модуля концентрация в режиме сотока С с А (y = 5) = На рис. 5 (для наглядности в трехмерном виде) пока-
= 0,993 меньше концентрации в режиме противотока зано влияние скоростей движения флюидов на концент-
СпА(y = 5) = 0,996, в центре модуля эти концентрации рацию газа А и коэффициент разделения бинарной
А А
практически одинаковы С с (y = 10) = 0,985, С п (y = смеси. В связи с большим диапазоном изменения вели-
= 10) = 0,986, но на выходе из АМ концентрация в ре- чины коэффициента разделения ось ординат построена
А
жиме сотока Сс (y = 20) = 0,968 больше концентрации в в логарифмическом масштабе. Видно, что при малых
режиме противотока СпА(y = 20) = 0,902. Локальный ко- значениях Wg и Wl изменение скоростей движения флю-
эффициент разделения смеси U(y) при движении вдоль идов практически не влияет на концентрацию целевого
мембраны монотонно уменьшается, причем чем мень- газа (рис. 5, а).66 ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2001. Т. 42. № 1
При малых значениях W g роль скорости движения Путем варьирования скоростей течения флюидов воз-
жидкости становится весьма существенной. Коэффици- можно управление системой разделения и достижение
ент разделения смеси в ретентате сильно изменяется компромисса между производительностью, чистотой
при малых величинах как Wg, так и Wl (рис. 5, б). продукта и устойчивостью разделительного процесса.
Таким образом, проведенное математическое моде-
лирование показало, что неселективные мембраны и
жидкие абсорбенты, бесперспективные с точки зрения СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
традиционных (стационарных или равновесных) вариан-
1. Beckman I.N., Shelekhin A.B., Teplyakov V.V. // J. Membr. Sci.
тов методов мембранной технологии и абсорбционного 1991. 55. P. 283.
разделения, соответственно при использовании их в 2. Бессарабов Д.Г., Бекман И.Н. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2.
мембранном абсорбере с подвижным жидким носите- Химия. 1993. 34. C. 604.
лем позволяют эффективно разделять двух компонент- 3. Бессарабов Д.Г., Сырцова Д.А., Тепляков В.В., Бекман И.Н. //
ную смесь газов. На производительность абсорбцион- Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 1994. 35. C. 385.
4. Bessarabov D.G., Sanderson R.D., Jacobs E.P., Beckman I.N. //
ного модуля и чистоту продукта в ретентате суще- Ing. Eng. Chem. Res. 1995. 34. C. 1769.
ственное влияние оказывает взаимное направление дви- 5. Bessarabov D.G., Jacobs E.P., Sanderson R.D., Beckman I.N. // J.
жения разделяемой смеси газов и жидкого абсорбента. Membr. Sci. 1996. 113. P. 275.
Поступила в редакцию 10.09.99Вы также можете почитать
