Мембранное эмульгирование

УДК 66.081.6

А.А. Свитцов, В.В. Баранов, С.А. Бредихина, Г.Г. Каграманов.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия МЕМБРАННОЕ ЭМУЛЬГИРОВАНИЕ

The study of “air-in-water” emulsification process using ceramic membranes is presented and analyzed. It was shown that the gas permeability through the membrane pores in water is not influenced by the liquid flow rate, depending only on membrane pores’ dimensions. The size of bubbles is inversely proportional to the flow turbulence level and to the value of cutting tension.

В работе приводятся результаты изучения процесса мембранного эмульгирования с использованием трубчатой керамической мембраны на примере системы «вода-воздух». Показано, что коэффициент газопроницаемости не зависит от режима движения жидкости и является лишь характеристикой мембраны для выбранной системы «газ-жидкость», размеры пузырей обратно пропорциональны уровню турбулентности потока и величине напряжения сдвига.

Применение пористых мембран для получения эмульсий «газ-жидкость» и «жидкость-жидкость» широко обсуждается в научно-технической литературе [1 - 5], и причины этого интереса понятны: создание очень тонких эмульсий необходимо для получения сатурированных напитков, флотации, приготовления СОЖ, процессов абсорбции и т.д. Получить малые размеры капель и пузырей «сверху вниз», т.е. диспергируя большие частицы, энергетически затратно и часто сопряжено с деструкцией диспергируемой фазы. Размер же пор в мембране может быть любым и надо только научиться снимать с нее соответствующего размера частицы.

Формирование пузырей на любом барботере происходит одинаково (рис.1). Сразу после появления над поверхностью мембраны в пузырьке возникает отрывающая сила - сила Архимеда:

4

Fomp = - KR

где R - радиус пузырька, рж и рг - плотности жидкой и газовой фаз.

Сила, удерживающая пузырек на поверхности мембраны, зависит от величины межфазного поверхностного натяжения:

Fyd = 2^га

где r - радиус поры, а - величина межфазного поверхностного натяжения. Пренебрегая плотностью газа, свяжем между собой два радиуса в момент отрыва пузырька:

R3 = 3 r-^

2 Pxg

Для воды и воздуха на мембране с диаметром пор 0,3 мкм пузырьки должны иметь размер 0,14 мм. Из этого следует, что уже на стадии формирования они будут сливаться в крупные пузыри из-за поверхностной плотности пор на мембране. Это и наблюдается в эксперименте, где размер пузырей составляет 3 - 5 мм.

Решить эту проблему можно в проточном мембранном аппарате, обычным образом создавая в нем тангенциальный поток жидкости. Этот поток, обладая кинети-

ческой энергией, создает срезающее действие, отрывающее пузырек от мембраны задолго до наступления равновесия по уравнению (3). Такой процесс и называется мембранным эмульгированием (МЭ) [6].

Схема экспериментальной установки для установления закономерностей мембранного эмульгирования представлена на рис.2. Работа проводилась при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям по гранту №6042 за 2007 год и пред-

ставляла собой исследование первой стадии комплексного процесса обогащения биогаза, т.е. мембранного эмульгирования газовой смеси СО2 - СН4 в жидком носителе, который в дальнейшем подвергается дегазации и десорбции для получения очищенного от СО2 метана.

Рис. 1. Схема процесса формирования пузырей в неподвижной и движущейся жидкости.

Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки.

Основным элементом установки является мембранный аппарат с трубчатой мембраной из керамики, изготовленной НПО «Керамикфильтр». Мембрана имеет длину 150 мм, внутренний диаметр канала 2,5 мм, средний диаметр пор 0,3 мкм и пористость активного слоя на внутренней поверхности трубки 42%.

Эксперименты проводились на системе «вода-воздух». Переменными задаваемыми параметрами были расход воды и давление газа на входе в аппарат. Определяемыми параметрами являлись давление водного потока на входе в аппарат, расход воздуха, размер газовых пузырей, газосодержание. Размер пузырей определялся статистической обработкой микрофотографии газо-жидкостной эмульсии сразу после мембранного аппарата с использованием программы «Microsoft Office Visio 2003».

Движущей силой процесса МЭ является разность между давлением газовой фазы в межтрубном пространстве мембранного аппарата и давлением жидкости в мембранном канале. Если первая величина по длине трубки постоянна и легко контролируется, то вторая линейно изменяется от максимального значения на входе в мембрану до нулевого избыточного давления на выходе. Причиной является гидрав-

в

лическое сопротивление мембранного канала, пропорциональное линейной скорости жидкости и коэффициенту трения жидкости о стенки канала:

I Рж2

АР =Л-

тр й

2

где ^ - коэффициент трения, 1 - длина канала, ^ - диаметр канала, ^ж - плотность жидкости,  - линейная скорость жидкого потока, равная W/S, где W - объемный расход жидкости, S - площадь сечения канала.

В наших экспериментах эти обстоятельства проявлялись следующим образом (рис.3). Давление газа во всех случаях поддерживалось одинаковым - 0,2 ат, а давление жидкости на входе в мембрану росло с увеличением объемного расхода жидкости.

О

"О

0,44 0,40 0,36 0,32 0,28 0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 — 0,04 —

90.0 л/ч

78.1 л/ч 72,3 л/ч 64,5 л/ч

100 120 140

----Длина элемента, мм

Рис. 3. Изменение соотношений давления газа и жидкости на мембране при различных объемных расходах жидкости.

Если при минимальном расходе жидкости рабочей для газопроницаемости была мембранная поверхность по всей длине трубки, то с ростом расхода и, соответственно, гидравлического сопротивления канала, рабочая поверхность уменьшалась, что отмечено вертикальными пунктирными отрезками от точек пересечения линий давления.

Во всех этих случаях движущая сила процесса газопроницаемости была одинаковой и равной 1 Рг, что позволило рассчитать коэффициент газопрониаемости выбранной мембраны по уравнению (5):

К о =

Ог

тр

(

нм

м2 * час * ат

)

Где - объемный расход газа, F - рабочая площадь мембраны, АР - движущая сила газопроницаемости.

Коэффициент газопроницаемости является характеристической величиной и достаточен для расчета мембранного аппарата на заданную производительность.

Главным параметром процесса мембранного эмульгирования является размер газовых пузырей. Из общих представлений о процессе (рис.1) очевидно, что с ростом скорости протекания жидкости над мембраной увеличивается «срезающая» сила Fсрез. и соответствующее этой силе напряжение сдвига ^рез. - размер газовых пузырей уменьшается. Вместе с тем, с ростом скорости усиливается и турбулентность потока, которую объективно характеризует величина критерия Рейнольдса. Не обсуждая механизма возникновения срезающего действия, рассмотрим получившиеся

зависимости размера пузырей и их распределения по размерам от гидродинамических параметров жидкой фазы.

Предварительно надо заметить, что напряжение сдвига может быть количественно оценена по уравнению (6), справедливому для потоков, где число Re > 2500 [5]:

Лтр Рж0

-

N =

срез

8

где ^рез. - напряжение сдвига (Па), рж - плотность жидкости, со - линейная скорость жидкости над мембранной поверхностью, Л - коэффициент гидравлического трения, определяемый в первом приближении по уравнению Блазиуса:

Лтр =0,3164*Яе'

0,25

Полученный результаты представлены в таблице 1 и на рис.4, 5.

Рис. 4. Зависимость среднего диаметра пузырей от критерия Рейнольдса.

Рис. 5. Зависимость среднего диаметра пузырей от напряжения сдвига.

Табл. 1. Экспериментальные и расчетные параметры процесса мембранного эмульгирования в системе вода-воздух на керамической мембране со средним диаметром пор 0,3мкм.

№ п/п Расход воды через мембранный элемент, Ш, л/час Линейная скорость жидкости ю, м/с Яе Коэффициент газопроницаемости мембраны, Ко, м3/м2ч*ат Напряжение сдвигу ^рез0 Па Средний диаметр пузырей, мм

1 61,5 3,48 8640 420 49,8 1,33

2 72,3 4,09 10150 484 66,8 1,24

3 78,1 4,42 10820 454 75,6 1,15

4 90.0 5,09 11600 378 9 0 1,06

Комментируя эти результаты, отметим следующее: 1. Коэффициент газопроницаемости не зависит от режима движения жидкости и является лишь характеристикой мембраны для выбранной системы «газ-жидкость». Он будет изменяться вслед за изменением размера пор мембраны, поверхностного натяжения и вязкости жидкости, химического сродства газа и жидкости. 2. На величину напряжения сдвига резко влияет уровень турбулентности потока жидкости, который можно поднять простым увеличением диаметра канала мембранного элемента. Однако при этом надо сопоставлять достигаемый эффект с неизбежным понижением газосодержания выходящей эмульсии. 3. Как и предполагалось, размер пузырей обратно пропорционален уровню турбулентности потока и величине напряжения сдвига. Эти зависимости носят практически линейный характер (см. рис. 4 и 5), что говорит о потенциальной возможности метода генерировать и более мелкие пузыри.Достаточно интересные результаты были получены и при анализе диаграмм распределения по размерам пузырей, генерированных при изменении гидродинамических условий. На рис.6 представлена совмещенная диаграмма такого распределения, где номер кривой соответствует номеру эксперимента из таблицы 1.

60

0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 1,7

Диаметр пузырей, мм

Рис. 6. Изменение положения кривой распределения пузырей по размеру при различных гидродинамических условиях течения жидкости в мембранном канале.

Во всех случаях распределение достаточно узкое, очевиден сдвиг кривой в область меньших значений диаметра при увеличении турбулентности жидкости, и одновременно некоторое расширение диапазона размеров пузырей. Последнее обстоятельство, по всей вероятности, обьясняется дополнительным диспергирующим действием турбулентных фихрей в жидкостной струе.

Дальнейшие исследования планируется проводить на системах «жидкость-жидкость».

Список литературы

1. Kandori K., Kishi K., Ishikawa T.. Preparation of monodispersed W/O emulsions by Shirasu-porous-glass filter emulsification technique.//Colloids Surf. 55 (1991). 73Р.

2. Трушин А.М., Каграманов Г.Г., Судиловский П.С.. Исследование флотационной очистки при мембранном диспергировании воздуха. // Химическая технология №2. 2005. 39-43 с.

3. Sudilovskjy P.S., Kagramanov G.G., Kolesnikov V.A.. Use of membranes for heavy metal cationic wastewater treatment: flotation and membrane filtration. // Clean Technologies and Environmental Policy. 2007, V.9, №3. 17 - 29 РР.

4. Nakashimi T., Shimizu M., Kukizaki M.. Membrane emulsification by microporous glass. // Key Eng. Mater. 61/62 (1991). 513 Р.

5. Williams R.A., Peng S.J., Wheller D.A., Morley N.C., Taylor D., Whalley M., Houlds-worth D.W.. Controlled production of emulsions using a crossflow membrane, part II. // Trans IChemE. Vol 76, Part A, November 1998.

6. Scherze I., Marzilger K., Muschiolik G.. Emulsification using micro porous membrane.

// J. of Membrane Science. 281 (2006), 386 Р.

7. Kukizaki M., Goto M.. Size control of nanobubbles generated from Shirasu-porous-glass (SPG) membranes. // J. of Membrane science. 281 (2006). 386-396 РР.

УДК 62-278.004.163:66.071.6/.7.001.57 А.С. Воробьёв, В.П. Брыков

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

АНАЛИЗ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ МЕМБРАННОГО РАЗДЕЛЕНИЯ НЕИДЕАЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЙ ОХЛАЖДАЮЩИЙ ЭФФЕКТ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ

The linkage between separation properties of the membrane and its temperature is shown. A scheme of the recuperation of the cold, generated on the membrane is presented with effects of its usage. Also a possibility of scheme’s industrial implementation for the energy and resources savings is demonstrated.

Показана связь разделительных свойств мембраны с температурой. Представлена схема рекуперации генерируемого на мембране холода; продемонстрирован эффект от её использования, а также возможность его реализации в промышленности.

Мембранное разделение активно используется в промышленности по целому ряду причин. Во многих случаях оно оказывается гораздо экономичнее, к тому же, оно куда более компактно, чем другие широко используемые методы разделения. Такое преимущество достигается за счёт того, что мембранное разделение, по сути, является сопряжённым процессом.

Столь широкое использование мембран привело к необходимости разработки обширного математического аппарата, в том числе, и с использованием методов математического моделирования. Однако подавляющее большинство таких моделей содержат допущение об изотермическом характере процесса разделения, что не соответствует реальному положению вещей. Поэтому изначально нами была поставлена задача создать модель, где бы решалась подобная проблема.

Используя методы термодинамики, мы смогли реализовать подобную расчётную программу. Анализ результатов её работы показал, что изменение температуры мембраны в результате теплообмена в модуле изменяет её разделительные свойства, что, в свою очередь, влияет на рассчитанную величину концентрации потока за мембраной за счёт изменения селективности мембраны.