Исследование абсорбционно-мембранного процесса

УДК 532.71+66.063.94+519.7

В.В. Акимов, Е.А. Дмитриев, А.М. Трушин

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

ИССЛЕДОВАНИЕ АБСОРБЦИОННО-МЕМБРАННОГО ПРОЦЕССА.

In the present study, the process of nano/microbubbles' generation from porous ceramic membrane is considered. The carry out of this process will allow a very large interfacial area between gas and liquid in the gas-liquid contactors to be created. It will allow the mass transfer efficiency to be increased and the sizes of apparatus used to be decreased. In this article, the possibility of application of nanobubbles for the carry out of absorption-membrane process of absorption of CO2 is considered. The scheme of experimental set up used for investigation of this process is shown. The characterization of parameters influencing on the process is given. The nano/microbubbles behavior in the point of view their hydrodynamic and mass transfer is considered. The influence of surfactant on the characteristics of generated nano/microbubbles and on mass transfer's rate is also described.

В данной работе, рассматривается процесс получения нано- и микропузырьков на пористой керамической мембране. Осуществление этого процесса позволит создать высокоразвитую площадь поверхности контакта между газом и жидкостью в аппаратах газо-жидкостного контакта. Это позволит повысить эффективность процесса массопереноса и значительно уменьшить размеры используемых аппаратов. В статье рассматривается возможность использования нанопузырьков для осуществления абсорбционно-мембранного процесса поглощения углекислого газа из воздуха. Приводится схема экспериментальной установки, применяющейся для исследования данного процесса. Дается характеристика параметров, влияющих на процесс. Указываются особенности поведения нано- и микропузырьков с точки зрения гидродинамики и массопереноса. Так же говорится о влиянии ПАВ на характеристики получаемых нано- и микропузырьков и на процесс массопереноса.

При осуществлении процесса абсорбции, одним из ключевых параметров процесса является площадь поверхности контакта взаимодействующих фаз. Чем больше площадь контакта газовой и жидкой фаз, тем более эффективно протекает процесс массопереноса. Действительно, массопередача от газовой фазы к жидкой фазе описывается уравнением:

dM = Kx Ax • dF

где dM — массовый поток абсорбируемого компонента из газовой фазы в жидкую фазу, Ax - движущая сила процесса массопередачи, Кх — коэффициент массопередачи, выраженный по жидкой фазе, а dF — площадь контакта фаз. Из уравнения (1) следует, что увеличивая площадь контакта можно увеличить массовый поток и таким образом повысить эффективность массопереноса. Величина полной площади контакта фаз F непосредственно связана с величиной удельной поверхности контакта фаз — а [м-1], которая соответствует площади поверхности раздела между контактирующими фазами, приходящейся на единицу объема рабочей зоны аппарата. Поэтому, рабочий объем аппарата, а следовательно его размеры и капитальные затраты, зависят от соотношения величин F и а:

Ураб = F/a

Таким образом, из уравнения (2) следует, что чем больше величина а, тем меньше рабочий объем аппарата, требующегося для проведения массообменного процесса с заданной эффективностью.

Во многих аппаратах газо-жидкостного контакта, а именно в тарельчатых абсорберах и ректификационных колоннах, газо-жидкостных реакторах, ферментерах, контакт между газовой и жидкой фазами осуществляется с помощью барботирования газа через слой жидкости. В этом случае пар находится в жидкости в виде пузырьков, которые и формируют поверхность контакта фаз, а величина удельной поверхности контакта фаз а выражается следующим соотношением:

$ $

а = N х—^ = N х-5--

" V б 5 V + N V

раб ж 5 5

где N - общее число пузырьков в аппарате, $5 - площадь поверхности единичного пузырька, Vж - объем жидкости в аппарате, V5 - объем единичного пузырька. Ясно, что пузырьки в аппарате имеют различные размеры (система полидисперсная), поэтому площадь и объем единичного пузырька, в общем случае, должны вычисляться на основе среднего диаметра, полученного на основе распределения пузырьков по размерам. Так как $5 ~ г , а V5 ~ г , то, согласно выражению (3), удельная площадь контакта фаз будет увеличиваться с уменьшением размеров пузырьков. Таким образом, для достижения высокой эффективности процесса массопереноса и уменьшения размеров аппарата необходимо уменьшать размеры газовых пузырей.

В последние годы, появилось множество сообщений о получении, так называемых, нано- и микропузырьков. Как следует из самого названия, нано- и микропузырьки это газовые пузырьки, размеры которых имеют порядок нескольких сотен нанометров и десятков микрометров, соответственно. Благодаря столь малым размерам, нано- и микропузырьки могут позволить получить очень большую площадь поверхности контакта между газом и жидкостью, при осуществлении массообменных процессов. Кроме этого, нано- и микропузырьки могут быть использованы и в ряде других случаев. В частности, имеются сообщения о применении их в процессах мембранной и электрофлотации, для флотирования очень мелких частиц; в медицине нанопузырьки используются для получения ультразвуковых контрастных агентов (применяющихся при проведении ультразвуковых исследований), разрушения тромбов и опухолей; в пищевой промышленности эти пузырьки могут применяться при получении пищевых паст, кремов, желе. Используются нано- и микропузырьки и для очистки сточных вод от органических загрязнений.

Для получения нано- и микропузырьков применяют, как правило, различные пористые подложки или специально созданные единичные микроканалы. Проходящий через пористую подложку газ диспергируется и образует в жидкой фазе мельчайшие пузырьки. Так как диаметр пузырька примерно в девять раз больше диаметра отверстия, на котором он образуется, то соответственно размеры пор подложки должны иметь размеры порядка десятков нанометров. Поэтому в качестве пористой подложки, как правило, используются различные пористые мембраны. В частности, имеется ряд статей, в которых сообщается о получении воздушных нанопузырьков на стеклянных пористых мембранах с диаметрами пор от 50 до 100 нм, при использовании в качестве жидкой фазы 0,5 масс.% раствора додецил сульфата натрия. Следует отметить, что использование растворов ПАВ, по всей видимости, является необходимым условием для получения нанопузырьков, так как иначе высокое поверхностное натяжение, при столь высокой кривизне поверхности, потребует очень высоких давлений газа.

Несмотря на многочисленные сообщения о получении нано- и микропузырьков, в литературе фактически отсутствуют работы посвященные исследованию параметров массопереноса, связанных с присутствием в жидкости нанопузырей. Чтобы заполнить этот пробел, нами было принято решение провести экспериментальные и теоретические исследования абсорбционно-мембранного процесса, в котором газ вводится в жидкость в виде нанопузырьков. Экспериментальная установка, используемая для исследования данного процесса, представлена на рисунке 1. Установка включает в себя: компрессор, имеющий Рмах = 8 бар и ^^ = 240 л/мин; газовый баллон с углекислым газом; центробежный насос для подачи жидкости; измеритель расхода газа с диапазоном измерений Q = 0 ^ 120 л/мин; ротаметр для измерения расхода жидкости с диапазоном измерений Q = 0 ^ 20 л/мин; манометры для измерения давлений газа и жидкости; емкость с исходным раствором ПАВ и сливную

емкость; для определения распределения получаемых пузырей по размерам используется счетчик частиц Coulter Counter ZM. Центральной частью установки является мембранный модуль.

компрессор, Рмах = 8 бар, Qmax = 240 л/мин

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования совмещенного мембранно-абсорбционного процесса.

Мембранный модуль состоит из: трубчатой керамической мембраны с диаметром пор ~ 200 нм, что позволяет ожидать получения пузырьков с размерами ~ 900^1800 нм; керамическая мембрана располагается внутри стеклянного цилиндра, диаметр которого на 20 мм больше наружного диаметра мембраны.

В ходе эксперимента, с помощью компрессора и баллона, создается газовая смесь с определенным содержанием углекислого газа, абсорбция которого и будет изучаться. Газовая смесь поступает внутрь керамической мембраны, при этом контролируются ее давление и расход. Одновременно с этим, в кольцевой канал, образованный внешней поверхностью мембраны и внутренней поверхностью стеклянного цилиндра, подается жидкость. Проникая через поры мембраны, газовая смесь диспергируется и образует нано- и микропузырьки в обтекающей внешнюю поверхность мембраны жидкости. После этого, жидкость, с образовавшимися пузырьками, поступает в Counter ZM, с помощью которого определяются размеры полученных пузырьков. Для определения степени абсорбции углекислого газа предполагается через определенные промежутки времени производить измерение рН жидкой фазы, содержащей нанопузырьки, что позволит определить количество СО2, поглощенного к данному моменту времени

Таким образом, в ходе проводимой работы, планируется достижение следующих результатов:

• С помощью пористой керамической мембраны, при использовании смеси воздуха с СО2 в качестве газовой фазы и водного раствора ПАВ в качестве жидкой фазы, получить нано- и микропузырьки с диаметрами ~ 900^1800 нм.

• Исследовать гидродинамические параметры, связанные с динамикой роста и отрыва пузырьков, а так же с поведением их в жидкой фазе. Следует отметить, что, благодаря своим маленьким размерам, нано- и микропузырьки ведут себя во

многом подобно твердым сферическим частицам. Это позволяет упростить расчеты, связанные с определением некоторых гидродинамических параметров.

• Определить массообменные параметры абсорбционно-мембранного процесса поглощения углекислого газа водным раствором ПАВ и оценить эффективность данного процесса.

• Исследовать влияние типа ПАВ на процесс массопередачи и поведение нанопузырьков. Наличие в системе ПАВ, как правило, снижает эффективность массопередачи. В то же время, как уже отмечалось, наличие ПАВ во многом способствует образованию нанопузырьков, так как, во-первых, снижается поверхностное натяжение и стабилизируется поверхность пузырька, а во-вторых, ПАВ препятствуют коалесценции пузырей. Таким образом, наличие ПАВ производит двусторонний эффект: с одной стороны ПАВ способствуют образованию маленьких, монодисперсных пузырьков, а с другой стороны препятствуют процессу массопереноса. Кроме того, процесс массопереноса из пузырьков в присутствии ПАВ очень мало изучен. Поэтому, очень важно исследовать влияние на этот процесс ПАВ различной природы - катионных, анионных, неионных.

Как уже отмечалось выше, нано- и микропузырьки имеют многочисленные применения в технике и в научных исследованиях. Важным свойством нано- и микропузырьков, полученных с помощью пористых мембран является их монодисперсность. Это отмечалось рядом исследователей. Монодисперсность микропузырьков во многом облегчает расчеты, связанные с их гидродинамикой и массообменном. Таким образом, научное исследование монодисперсных пузырьков имеет большие преимущества перед исследованием полидисперсных пузырьков.

Подводя итоги всему вышесказанному, можно сделать вывод, что благодаря своим уникальным свойствам, нано - и микропузырьки имеют огромные перспективы по их использованию в различных областях научных исследований и технологии.

УДК 66.011

А.А. Александрова, И.К. Кузнецова, Е.А. Дмитриев

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

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПО ТЕХНО-ЭКОНОМИЧЕСКИМ КРИТЕРИЯМ КОНСТРУКЦИИ КОЖУХОТРУБНЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ, ПОЛУЧЕННЫЕ С ПОМОЩЬЮ ГРАФИЧЕСКОГО МЕТОДА.

Designs of shell-and-tube heat exchangers with a triangular arrangement of pipes are investigated. On the basis of a graphic method optimum parities of lengths of pipes and diameters of a shell, and also baffles spacing and quantity of them are found at various number of passes and heat charge. It is shown, that the choice of optimum designs heat exchangers is made on the basis of economic criteria which can be applied as directly, and through technical parameters and constructive characteristics.

Исследованы конструкции кожухотрубных теплообменников с треугольным расположением труб. На основе графического метода найдены оптимальные соотношения длин труб и диаметров кожуха, а также количество межтрубных перегородок и расстояние между ними при различном числе ходов и тепловых нагрузок. Показано, что выбор оптимальных конструкций теплообменников производится на основе экономических критериев, которые могут быть применены как непосредственно, так и через технические параметры и конструктивные характеристики.

Оптимизация оборудования химико-технологических производств в настоящее время основывается, главным образом, на экономических критериях. Однако