Мембранный пермабсорбер

Мембранный пермабсорбер (МПА) состоит из двух ячеек (абсорбционной и де- сорбционной) и циркулирующей между' ними жидкости, выбранной в качестве экстрагирующего агента (рис. 1). Газовая смесь проходит через полимерную мембрану в абсорбционную ячейку. Интенсивно проникающий компонент селективно диффундирует сквозь иепористуто полимерную мембрану в текущую под ней жидкость, поглощается этой жидкостью и переносится в де- сорбционную ячейку'. Дегазация жидкости происходит в десорбционной мембранной ячейке за счёт диффузии через непористую полимерную мембрану, что приводит к концентрированию газообразных продуктов. Существуют два типа мембранного оборудования: проточная аппаратура, в которой жидкость обезгаживается вне абсорбционного модуля, и циркуляционная аппаратура, в которой жидкость непрерывно циркулирует в системе.

Рассмотрим работу^ мембранного пермабсорбера, состоящего из абсорбционного и десорбционного модуля. Аналитическое решение проблемы для стационарного состояния может быть получено при следующих предположениях: (l) коэффициенты диффузии газа в жидкости много больше, чем в полимерной мембране; (2) распределение концентрации пенетранта по полимерной мембране линейно; (з) профиль скоростей потока жидкости однороден; (4) диффузия жидкого компонента через полимерную мембрану не влияет на коэффициенты переноса диффузанта; (5) абсорбция газа жидкостью подчиняется закону Генри; и (6) мембраны в абсорбере и десорбере прямоугольной формы и площади их поверхностей равны.

Массоперенос в подобном устройстве описывается уравнениями:

ГДе в-С/Со, Ga=SiQlilma/(.SmaDmaha)—SiQ*/Qnia, G(l=SiQ*/Qnid, T]=(^a+/ld)//ld, ?= ij/ha, Co=Sip0, A=hd, где!) - коэффициент диффузии;р0 - парциальное давление пенетранта, Qm=ADS/l,n - производительность (смз(НУ)/[с*атм]), В* - объёмная скорость потока жидкости (смз/с), В - линейная скорость жидкости в мембранном абсорбере (см/с), / - толщина мембраны, h - длина мембраны, d - ширина мембраны, С - концентрация газа, у - координата в направлении движения жидкости, и подстрочные индексы: а - абсорбер; d - десорбер; / - жидкий абсорбент; т - мембрана. Решения системы (1) имеют следующую форму:

где Каи К(1- константы, определяемые из граничных условий.

Можно идентифицировать два основных типа мембранных пермаб- сорберов: проточный и циркуляционный.

В проточном пермабсорбере свежая жидкость поступает в модуль абсорбера. Она подхватывает пенетрант, прошедший через мембрану, уносит его в десорбционный модуль, где и обезгаживается. Граничные условия в этом случае ?=, вь=о и J=i, 0/а=Ом.

Применив эти условия к Ур. 1, полупим

где Со концентрация пенетранта на входе в мембранный абсорбер и С(о) - фоновая концентрация пенетранта в жидкости. Тогда профили концентрации газа в направлении^:

Если С(о)=о и

Ga=Gd=G=Si&ldm/ (S,nD,nh)=Si9* / Qm,

тогда

где C0=SmaPoH 9~=9*liA/h- объёмная скорость потока жидкого абсорбента.

Если Э*—>0, J—»о. При малых значениях т.е. поток газа линейно увеличивается с увеличением объёмной скорости потока жидкости. При больших 9 "величина./—>0.

Рис. 2. Распределение концентрации пенетранта (а) поперёк и (б) вдоль мембранного абсорбера: (а) концентрационные профили в абсорбционной части ячейки в направлении, перпендикулярном поверхности мембраны h/v = о.о (l), o.i (2), 0.2 (3), 0.3 (4)> 0.4 (5). 0-5 (6), 0.6 (7) с; (б) концентрационные профили в абсорбционной части мембранного абсорбера в направлении вдоль поверхности мембраны.

Общий, стационарный, диффе

ренциальный фактор селективности определяется формулой: Его предельные значения:

Теперь коротко обсудим результаты математического моделирования функционирования мембранного абсорбера. Рис.2а показывает профили распределения концентрации пенетранта вдоль направлениях1, рассчитанные для различных значений времен контакта смеси газов с абсорбентом, движущимся с линейной скоростью Эувдольмембраны, Т=у/&„, Dma/l2ma=h и/у/2/а=ю. Видно, что при постоянной концентрационный профиль С(д:)даже в стационарном состоянии нелинеен, и распределение пенетранта по слою жидкости (в направлении .v) неоднородно. Из рис. за также следует, что при увеличения скорости потока жидкости, концентрация пе-

рентранта падает. Заметим, что при расчете кривых, показанных на рис. 2а, мы предполагали Sm=Si. Если Sm*St, тогда при xma=la на границе раздела фаз будет наблюдаться скачок концентрации.

Рис. з. Зависимость фактора разделения в мембранном абсорбере от параметра h/v: DnrA/DmB=io; S/VS/«=o.i

(Рпгл/Р,пв= 1); DA/DiB=i; S^/SiB=l.

Важно подчеркнуть, что в данном примере РАВ, т.е., разделение газов в стационарных условиях невозможно; жидкость также является неспецифической ZV'=.D/B, т.е., разделение этих газов абсорбционным методом невозможно. Однако, разделение такой смеси газов становится возможным в мембранном абсорбере (ввиду7 разности в значениях коэффициентов диффузии для различных газов в полимерной мембране (ввиду7 разности в значениях коэффициента диффузии разных газов в полимерной мембране: Am/VIWO при оптимальном значении

скорости движения экстрагента Эу, 0=1.92.

Зависимость (а) производительности и (б) фактора разделения в мембранном абсорбере от скорости течения жидко- c™(SrVS/=io; Pm/Pm=i)

Рис.4. Зависимость (а) производительности и (б) фактора разделения в мембранном абсорбере от скорости течения жидко- c™(SrVS/B=io; PmA/PmR=i): Кривая 1 - проточный режим; Кривая 2 - циркуляционный режим; газы А (---) и

В(--).

Зависимость нормированной производительности и факторов селективности для газов А и В в мембранном абсорбере от скорости потока жидкости показана на рис. 4. Видно, что максимумы производительности для газов А и В достигаются при различных скоростях потока абсорбента, хотnQmA=QmH. Положение максимума в случае проточного мембранного абсорбера определяется коэффициентом растворимости газа в жидкости. Очевидно, что, варьируя скорость потока жидкости, можно инвертировать фактор селективности в проточном мембранном абсорбере.

В циркуляционном мембранном пермабсорбере экстрагент, после прохождения детектора снова подается на вход абсорбера (рис. 46). Основной особенностью этой модификации является непрерывная циркуляция экстрагента между7 абсорбером и десорбером без его расхода.

В этом случае граничные у7словия имеют вид: 0/а(О=0м(Ои 0/а(о) = 0/d( П)- Тогда

Если Э*-ю, то J-К). При малых значениях JT, 0.5QmPo. Пределы для фактора селективности

В циркуляционном мембранном абсорбере максимальная производительность равна половине производительности мембраны для целевого газа.

Сравнение различных вариантов эксплуатации мембранным абсорбером показывает, что производительность циркуляционного мембранного абсорбера в i/(i-exp(-2/G)) раз больше таковой для проточного. В этом состоит второе преимущество циркуляционного режима.

Стационарный, дифференциальный фактор разделения в циркуляционном мембранном пермабсорбере определяется формулой:

его предельные значения:

lim аА и = Sf /Sj* (селективность абсорбирующей жидкости)

lim аА В = QA /QB (селективность мембраны)

Э* —>QO

Изменяя скорость потока жидкого абсорбента, можно изменить факторы разделения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >