УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МАССООБМЕНА МЕЖДУ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗАМИ
DEVICE FOR MASS EXCHANGE BETWEEN LIQUID AND GAS PHASE

Изобретение относится к области осуществления массообменных процессов в системе жидкость-газ с помощью пористых мембран, применяемых для разделения или выделения веществ, а также для направленной массопередачи веществ из одной обменивающейся фазы в другую, например с целью концентрирования этих веществ для их последующего определения.
Известен ряд устройств, предназначенных для осуществления массообмена между жидкой и газовой фазой, в которых обменивающиеся фазы находятся по разные стороны мембран из пористых полимерных материалов, поры которых заполнены газовой фазой [1-10]. Процесс массообмена в известных устройствах осуществляется на стороне мембраны, контактирующей с жидкой фазой, не смачивающей материал мембраны, а интенсивность массообмена определяется скоростью диффузионного массопереноса через поровое пространство мембраны и величиной поверхности раздела обменивающихся фаз, за счет чего снижается эффективность массообмена.
Известны устройства, в которых увеличение поверхности межфазного контакта в единице массообменного пространства достигается за счет использования мембран в виде полых волокон [11-12]. Однако при этом резко усложняется конструкция массообменных устройств. Кроме того, в этих устройствах полостью не исключается возможность попадания одной из обменивающихся фаз в поток другой фазы.
Известно устройство, более эффективное по сравнению с известными устройствами, осуществляющее массообмен, которое является наиболее близким к заявленному изобретению по решаемой задаче и технической реализации и которое выбрано в качестве прототипа [13]. В известном устройстве массообменная камера содержит две мембраны из полимерного не смачиваемого жидкостью материала, между которыми помещен слой не смачиваемого жидкостью пористого полимерного материала с размерами пор 0,003-1,0 мкм, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы. Поток обменивающейся жидкости пропускают непосредственно через пористый слой, а поток газа вводят в пористый слой и выводят из него через мембраны, не проницаемые для жидкой фазы при рабочих давлениях. Наличие в пористом материале двух типов пор, существенно отличающихся по размеру, дает возможность одновременного пропускания через него потоков обменивающихся фаз: газовая фаза заполняет и движется по порам полимерного материала, а жидкая фаза, не смачивающая этот материал, заполняет и движется по системе сквозных каналов. Невозможность попадания одной из обменивающихся фаз в поток другой фазы обеспечивается поддержанием определенных давлений этих фаз. Газовая фаза не может попасть в поток жидкой фазы за счет того, что давление жидкой фазы в пористом слое поддерживают большим, чем давление газовой фазы. С этой целью на линии потока жидкой фазы на выходе из пористого материала устанавливают регулируемый дроссель. Водная же фаза не может попасть в поток газовой фазы за счет того, что ее давление в пористом материале поддерживают меньше, чем сумма давления газовой фазы и капиллярного давления, возникающего в порах материала и мембран. Капиллярное давление регулируют, выбирая материал пористого слоя и мембран и размеры пор в них. За счет увеличения поверхности межфазного контакта и устранения диффузионных ограничений скорости массообмена, которое осуществляется путем конвективного перемешивания каждой из фаз, устройство обеспечивает более высокую эффективность массообмена по сравнению с устройствами, в которых потоки обменивающихся фаз контактируют между собой через мембрану.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокая эффективность массообмена за счет того, что в устройстве-прототипе каналы в пористом полимерном материале, по которым движется поток жидкой фазы, имеют произвольную форму, а следовательно, и произвольную площадь поперечного сечения. Это неизбежно приводит к неравномерности потока жидкости по сечению и длине пористого слоя, а также является причиной неравномерности потока и газовой фазы, поскольку заполненные жидкостью каналы, не проницаемые для потока газовой фазы, распределены по слою неравномерно. Такая неравномерность потоков фаз обуславливает значительное размывание зон выделяемых компонентов и, в конечном счете, существенно снижает эффективность массообмена.
Заявленное изобретение лишено указанного недостатка и его техническим результатом является повышение эффективности массообмена.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство для осуществления массообмена между жидкостью и газом, включающее средства подачи и вывода потоков обменивающихся фаз, массообменную камеру, образованную двумя мембранами из пористого полимерного материала, не смачиваемого обменивающейся жидкой фазой, между которыми помещен слой не смачиваемого жидкой фазой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов, в соответствии с заявленным изобретением сквозные каналы имеют одинаковые размеры, параллельны и равноудалены друг от друга, имеют постоянную конфигурацию и площадь поперечного сечения по всей длине и направлены от системы подачи к системе вывода обменивающейся жидкой фазы.
Эффект повышения массообмена достигается тем, что сквозные каналы в полимерном материале имеют не произвольную форму и не равномерное сечение, как это имеет место в устройстве, принятом в качестве прототипа, а имеют, как указано выше, одинаковые размеры, параллельны и равноудалены друг от друга, а также они имеют постоянную конфигурацию и площадь поперечного сечения по всей длине и направлены от системы подачи к системе вывода жидкой фазы. Идентичность, параллельность и равноудаленность друг от друга каналов, по которым движется жидкая фаза, в комплексе обеспечивают равномерность потоков жидкой и газовой фазы через пористый материал и тем самым существенно увеличивается (по сравнению с прототипом) эффективность массообмена между жидкой и газовой фазой.
Эффективность процесса массообмена в предлагаемом устройстве зависит от размеров и числа каналов в пористом материале. Чем меньше размеры каналов и больше их число, приходящееся на единицу площади сечения пористого материала, тем при прочих равных условиях выше эффективность процесса. Однако при этом падает производительность процесса, поскольку уменьшается проницаемость пористого слоя и соответственно уменьшаются максимально возможные расходы обменивающихся фаз через пористый материал. Оптимальный размер каналов и их число зависят уже от конкретной решаемой утилитарной задачи.
Заявленное устройство поясняется чертежом.
Основным узлом устройства является массообменная камера. В массообменной камере установлены полимерные пористые мембраны 1, 2. В межмембранное пространство 3 помещен слой полимерного пористого материала, в котором выполнены параллельные, имеющие постоянную конфигурацию и площадь поперечного сечения по всей длине, равноудаленные друг от друга каналы 4, которые направлены от коллектора подачи жидкости 5 к коллектору вывода жидкости 6. Остальные элементы устройства по назначению аналогичны устройству, принятому в качестве прототипа. Коллекторы подачи и вывода жидкости 5 и 6, а также коллекторы подачи и вывода газа 7 и 8 служат для равномерного поступления и равномерного отвода потоков, обменивающихся жидкой и газовой фазы. Устройство содержит средства регулирования давления жидкой и газовой фазы 9 на входе в массообменную камеру и выходе из нее, а также средства, измеряющие давления жидкости и газа 10, например манометры.
Предложенное устройство работает следующим образом. Через коллектор 5 вводится поток жидкости. После заполнения жидкостью каналов 4 в межмембранном слое 3 и свободных объемов коллекторов 5 и 6, контролируемого визуально по отсутствию пузырьков газа в потоке жидкости на выходе из коллектора 6, через коллектор 7 подается поток газа под давлением, меньшим величины давления жидкости на выходе из коллектора 6. Необходимое по условиям осуществления конкретного массообменного процесса соотношение скоростей потоков обменивающихся фаз поддерживают с помощью средств регулирования давления на выходе из массообменной камеры.
Работоспособность предложенного устройства, которое было испытано в лабораторных условиях в Санкт-Петербургском государственном университете, а также впоследствии в реальных производственных условиях, иллюстрируется различными примерами осуществления массообменных процессов в системе жидкость-газ: газовой экстракции и жидкостной абсорбции.
Пример 1.
Непрерывная газоэкстракционная очистка воды от растворенного кислорода.
3
2
Поток очищаемой дистиллированной воды, насыщенной кислородом воздуха с концентрацией растворенного кислорода 9 мг/кг, с помощью перистальтического насоса с определенным расходом пропускался через предлагаемое устройство и устройство-прототип, заполненные равными объемами (6 см) пористого полимерного материала (политетрафторэтилен марки 4-ПН) и идентичными мембранами из того же материала. Диаметр каналов в предлагаемом устройстве составлял 1 мм, из длина - 3 см, а число каналов, приходящихся на 1 см поперечного сечения пористого слоя, было равно 10. После заполнения устройств очищаемой водой одновременно с подачей воды через устройства с определенным расходом осуществлялось пропускание потока газа-экстрагента - азота высокой чистоты (содержание кислорода менее 0,001 об.%). Остаточная концентрация растворенного в воде кислорода на выходе из устройств измерялась контрольно и с помощью анализатора кислорода марки АКПМ - 01T. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1
Остаточная концентрация растворенного кислорода с использованием предлагаемого устройства и устройства-прототипа при различных расходах газа-экстрагента (W<sub>G</sub>) и очищаемой воды (W<sub>L</sub>)
W<sub>G</sub>, мл/мин
W<sub>L</sub>, мл/мин
W<sub>G</sub>/W<sub>L</sub>
Остаточная концентрация кислорода, мкг/кг
Предлагаемое устройство
Устройство-прототип
15
30
0,5
240±20
320±20
30
30
1,0
84±7
150±10
60
30
2,0
39±4
62±5
120
30
4,0
15±2
Не функционирует
30
60
0,5
104±8
220±20
60
60
1,0
28±3
59±5
120
60
2,0
11±1
27±2
240
60
4,0
5±1
Не функционирует
Установлено, что максимально возможное соотношение расходов газа-экстрагента и очищаемой воды, от которого при прочих равных условиях зависит степень очистки воды от растворенного кислорода, в случае устройства-прототипа составляет 2:1, в то время как для предлагаемого устройства 4:1. Это обусловлено более равномерным распределением в пористом слое не проницаемых для газовой фазы каналов, по которым перемещается поток жидкости, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом. При одинаковых расходах обменивающихся фаз предлагаемое устройство обеспечивает более высокую степень очистки воды от растворенного кислорода, что свидетельствует о более высокой эффективности массообмена в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом.
Пример 2.
Непрерывное насыщение физиологического раствора кислородом воздуха.
3
Поток предварительно дегазированного длительным кипячением физиологического раствора (1% NaCl+4,5% глюкозы) с концентрацией растворенного кислорода менее 0,1 мг/кг с помощью перистальтического насоса с определенным расходом пропускался через предлагаемое устройство и устройство-прототип, заполненные равными объемами (6 см) пористого полимерного материала (политетрафторэтилен марки 4-ПН) и идентичными мембранами из того же материала. Диаметр, длина и число каналов в предлагаемом устройстве те же, что и в предыдущем примере. После заполнения устройств физиологическим раствором, одновременно с подачей раствора через устройства с определенным расходом, осуществлялось пропускание потока атмосферного воздуха. С помощью анализатора кислорода марки АКПМ - 01T измерялась концентрация растворенного кислорода в физиологическом растворе на выходе из устройств. За степень насыщения физиологического раствора кислородом воздуха принималось выраженное в процентах отношение концентрации кислорода в растворе к предельной растворимости кислорода воздуха в этом растворе. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Степень насыщения физиологического раствора кислородом воздуха с использованием предлагаемого устройства и устройства-прототипа при различных расходах воздуха (W<sub>G</sub>) и физиологического раствора (W<sub>L</sub>)
W<sub>G</sub>, мл/мин
W<sub>L</sub>, мл/мин
W<sub>G</sub>/W<sub>L</sub>
Степень насыщения, %
Предлагаемое устройство
Устройство-прототип
15
30
0,5
61
42
30
30
1,0
88
66
45
30
1,5
96
84
60
30
2,0
100
95
30
60
0,5
55
38
60
60
1,0
81
63
90
60
1,5
94
82
120
60
2,0
99
92
Как видно из табл.2, при одних и тех же расходах обменивающихся фаз предлагаемое устройство обеспечивает более полное насыщение физиологического раствора кислородом воздуха по сравнению с устройством-прототипом. Это свидетельствует о более высокой эффективности массообмена заявленного устройства.
Пример 3.
Жидкостно-абсорбционное выделение паров фенола из потока воздуха в водный раствор с его последующим флуоресцентным определением.
3
3
2
3
С помощью насоса заполняли абсорбирующим водным раствором массообменные камеры равного объема (5 см) предлагаемого устройства и устройства-прототипа, которые содержат одинаковые количества пористого полимерного материала (политетрафторэтилен марки 4-ПН) и идентичные мембраны из того же материала. Объем абсорбирующего раствора в каналах пористого материала в обоих случаях составлял 1,0 см. Диаметр каналов в предлагаемом устройстве составлял 1 мм, их длина - 5 см, а число каналов, приходящихся на 1 см поперечного сечения пористого слоя, было равно 10. После заполнения массообменной камеры абсорбирующим раствором входной и выходной коллекторы жидкой фазы перекрывали. Затем с помощью электроаспиратора пропускали через устройства поток воздуха с известной концентрацией паров фенола (10, 20 и 50 мкг/м) с расходом 1 л/мин в течение 10 минут. После пропускания анализируемого воздуха перекрывали коллекторы газовой фазы, открывали коллекторы жидкой фазы и с помощью насоса дистиллированной водой вытесняли абсорбирующий водный раствор с поглощенным из воздуха фенолом в проточный флуоресцентный детектор (длина волны возбуждения - 254 нм, диапазон длин волн регистрации излучения 320-340 нм). На полученных фрактограммах измеряли высоту и площадь пика фенола. Площадь пика - пропорциональна количеству фенола в абсорбирующем растворе, а высота пика - пропорциональна концентрации фенола в максимуме зоны вытеснения. Полученные результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3
Параметры пиков фенола при использовании предлагаемого устройства и устройства-прототипа для различных концентраций фенола
Концентрация фенола в воздухе, мкг/м<sup>3</sup>
Параметры пиков фенола (относительные единицы)
Площадь пика
Высота пика
Предлагаемое устройство
Устройство-Прототип
Предлагаемое устройство
Устройство-Прототип
10
100±5
74±4
100±4
41±2
20
210±10
138±6
205±8
88±4
50
520±20
360±15
491±16
223±10
Как видно из таблицы 3, в случае предлагаемого устройства площади пиков фенола приблизительно на 30% больше, а высоты пиков в 2-3 раза больше, чем в случае прототипа. Большие значения площадей пиков при использовании предлагаемого устройства свидетельствуют о более высокой степени извлечения фенола из потока анализируемого воздуха абсорбирующим водным раствором, что может быть объяснено более высокой эффективностью массообмена. Значительно более высокие высоты пиков в случае предлагаемого устройства свидетельствуют также и о значительно меньшем размывании зоны фенола при его вытеснении в предлагаемом устройстве. В совокупности эти эффекты позволяют в несколько раз снизить пределы обнаружения фенола в воздухе.
На основании проведенных исследований приведенные выше примеры наглядно подтверждают существенно более высокую (не менее чем в два раза) эффективность массообменных процессов, протекающих в системе жидкость-газ при использовании новой конструкции заявленного изобретения.
Заявленное изобретение востребовано в промышленности, а также в лабораторных и производственных условиях, когда требуется высокоэффективная глубокая и непрерывная очистка воды от растворенного в ней кислорода.
Источники информации
1. Хванг С.Т. Каммермейер К. Мембранные методы разделения. Пер. с англ. М.: Химия, 1981, с.68.
2. Babcoch W.C., Bakez R.W., Kelly D. J. at al. "U. S. government research reports", 1980, 7, PB80-110430, p.1174.
3. Патент США N 345589 (1969).
4. Патент США N 4451562 (1984).
5. Патент ФРГ N 2758546 (1978).
6. Патент ЮАР N 7903581 (1980).
7. Заявка на изобретение ЕП N 0223626(1987).
8. Патент Японии N 63-1860 (1988).
9. Патент Японии N 63-17465 (1988).
10. Патент BБP N 1471308 (1977).
11. Патент Японии N 63-1860 (1988).
12. Патент Японии N 63-17465 (1988).
13. Патент РФ N 2023488 (1991) - прототип.