CC BY
23
9
G И в Où to в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
мических мембранных трубок и режимов барботажа. В итоге предлагается использовать для промышленного применения керамические трубки диаметром 10мм с двумя мембранными слоями, а барботаж проводить при турбулентном режиме под избыточным давлением до 3 атмосфер.
4) Предложена новая конструкция аэратора, диспергирующим материалом которой является керамическая трубчатая мембрана.
5) Показана возможность применения керамических трубчатых мембран в качестве диспергирующего материала для аэраторов. Применение данного материала в промышленных масштабах позволит сократить затраты на электроэнергию для воздуходувок, увеличить срок работы аэрационных элементов, аэрировать агрессивные среды.
6) Исследован процесс барботажа под давлением, построены соответствующие зависимости.
7) Проведён экспериментальный поиск оптимальных параметров керамических мембранных трубок и режимов барботажа. В итоге предлагается использовать для промышленного применения керамические трубки диаметром 10мм с двумя мембранными слоями, а барботаж проводить при турбулентном режиме под избыточным давлением до 3 атмосфер.
8) Предложена новая конструкция аэратора, диспергирующим материалом которой является керамическая трубчатая мембрана.
УДК 66.048.37
В.В. Акимов, К.В. Заморский, Е.А. Дмитриев, A.M. Трушин.
Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ХЕМОСОРБЦИИ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В МЕМБРАННОМ МИКРОБАРБОТАЖНОМ КОНТАКТОРЕ
In this work the process of chemo sorption of carbon dioxide by NaOH solution in membrane microbubbling contactor is consider. The experimental data on dependence of mass transfer flux from liquid velocity and concentration of basic is represented. Also the dependence of interfacial area from liquid velocity is shown.
В работе рассматривается процесс хемосорбции углекислого газа растворами NaOH в мембранном микробарботажном контакторе. Представлены экспериментальные данные по зависимости массового потока от скорости жидкости и концентрации щелочи. Также приводятся данные по зависимости удельной поверхности контакта фаз от скорости жидкоВ химической промышленности широко распространены процессы, в основе которых лежит контакт между газом и жидкостью. В настоящее время такие процессы осуществляются, главным образом, в колонных аппаратах тарельчатого и насадочного типов. Несмотря на свою широкую распространенность, данные аппараты имеют ряд недостатков, одними из которых
9
С Яг в X № в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
являются невысокая удельная поверхность контакта фаз и наличие ограничений по расходам газа и жидкости из-за возможности захлебывания. Эти недостатки обуславливают большие размеры и высокую стоимость данных аппаратов, а так же сложность их эксплуатации.
В последнее время в литературе появился ряд сообщений [1] о процессе мембранного микробарботажа. Процесс заключается в диспергировании газа через поры керамических или стеклянных мембран внутрь подвижной или неподвижной жидкой фазы. При этом в жидкости образуются микропузырьки с размерами 1 - 500 мкм. Столь малые размеры микропузырьков позволяют создавать большую удельную поверхность контакта между газовой и жидкой фазами, что может быть использовано для разработки компактных аппаратов газо-жидкостного контакта - абсорберов, химических реакторов, ферментеров и т.п. Такие аппараты проектировались бы по принципу кожухотрубного мембранного модуля, что позволило бы избежать ограничений по расходам жидкости и газа. Однако до настоящего времени не имеется данных по исследованию межфазного массообмена при мембранном диспергировании газа. Эти данные позволили бы сопоставить эффективность тарельчатых и мембранных аппаратов. Исходя из этого, наша работа посвящена экспериментальному исследованию массообмена в мембранном микробарботажном контакторе на примере абсорбции углекислого газа растворами №ОН различной концентрации.
Рассмотрим процесс массообмена между газовой и жидкой фазами при хемосорбции ССЬ. В этом случае для массового потока можно записать:
М = ку(сг -с*г)Р = кх{сж-сж)Р , (1)
где ку , кх - коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах соответственно, Сг - концентрация ССЬ в объеме газовой фазы, с*г - концентрация СОг в газовой фазе на границе раздела, сж - концентрация ССЬ в объеме жидкой фазы, с*ж - концентрация ССЬ в жидкой фазе на границе раздела, /• - площадь поверхности контакта фаза. Если химическая реакция достаточно быстрая, то можно считать что сж = 0 и тогда:
ку(сг -с*г) = кхсж . (2)
Делая допущение, что концентрации на границе раздела связаны равновесием - с*г = тс*ж , из выражения (2) получаем:
* _ сг (3)
ж ~ ( к , Л
т + —
V кх
В случае быстрой химической реакции псевдо первого порядка коэффициент массоотдачи в жидкой фазе может быть определен как [2]:
кх=^крсвО, (4)
где кр - константа реакции псевдо первого порядка, св - концентрация щелочи, Б - коэффициент диффузии углекислого газа в растворе МаОН. Учитывая выражения (3) и (4), а так же что /• = а¥раб получим выражения
9
С 11 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
для массового расхода в случае быстрой химической реакции псевдо первого порядка:
М =_СгаГра6_• (5)
1 т
к
у
л!крсВВ
Это выражение можно преобразовать к виду:
сгУра6 1 т
М к а
(6)
сгУраб т
Ьудучи построено в координатах у -- от х = , , выра-
м 4кРсвв
жение (6) описывает прямую линию с тангенсом угла наклона — и пересе-
а
чением оси ординат в точке ——. Таким образом, экспериментально опрела
делив массовый поток при разных концентрациях щелочи по выражению:
м = (Рв-сКв¥ь ^ (7)
V
где - начальная и конечная концентрация щелочи соответст-
венно, Уь - расход поглотителя, V = 2 - стехиометрический коэффициент в уравнении реакции, можно из выражения (6) определить величины удельной поверхности контакта и коэффициента массоотдачи в газовой фазе.
Для проведения экспериментов была использована установка, центральной частью которой являлся мембранный модуль. Он представляет собой стальной цилиндрический корпус с рабочей длинной 750 мм и диаметром 050x3 мм, внутри которого устанавливается трубчатая керамическая мембрана. В работе использовались трубчатые керамические мембраны с внутренним селективным слоем, имеющие длину 800 мм и диаметр 010x2 мм, при этом одна из мембран имела средний диаметр пор 0.5 мкм, другая 2.6 мкм. В ходе экспериментов внутрь мембраны с помощью центробежного насоса с различной скоростью подавался раствор щелочи. Скорость жидкости изменялась от 0.7 до 3.0 м/с. Концентрации щелочи в экспериментах на мембране с порами 0.5 мкм составляли от 0.03 до 0.07 кмоль/м3; для мембраны 2.6 мкм от 0.01 до 0.03 кмоль/м3. С наружной стороны мембраны подавалась газовая смесь углекислого газа с воздухом, содержание СОг во всех случаях составляло 10 об. %. Расход газа поддерживался таким, чтобы газосодержание в рабочем объеме аппарата составляло около 25%. Внутри мембранного модуля происходил контакт между жидкостью и газом, который был распределен в жидкости в виде микропузырьков. На выходе из модуля производился отбор проб с целью определить конечную концентрацию щелочи. Определение концентрации осуществлялось с помощью электронного рН-метра.
9
С Яг в X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
На рисунках 1 и 2 представлены зависимости массового потока и удельной поверхности контакта фаз от скорости жидкости в канале мембраны. Согласно полученным данным, для мембраны с ¿/о = 0.5 мкм величинам с увеличением скорости фактически линейно возрастает от 20-10"8 до 70-10"8 кмоль/с, для мембраны с ¿/о = 2.6 мкм массовый поток также увеличивается с
ростом скорости, однако как сама величина М, так и скорость ее роста не-
£
сколько меньше по сравнению с предыдущем случаем и составляет от 5-10" до 20-10"8 кмоль/с. Увеличение массового потока с ростом скорости объясняется, во-первых, интенсификацией процесса массоотдачи в следствии тур-булезации потока и, во-вторых, увеличением удельной поверхности контакта фаз, как это видно из рисунка 3. Рост удельной поверхности с увеличением скорости жидкости может быть объяснен уменьшением размеров образующихся микропузырьков, на которые в процессе их отрыва от отверстия мембранной поры действует возрастающая сила сопротивления набегающего потока жидкости. При этом, поскольку на размер образующихся микропузырьков влияет так же и размер мембранных пор, для мембраны с ¿/о = 0.5 мкм удельная поверхность больше чем для мембраны с ¿/о = 2.6 мкм. Это объясняет большую величину массового потока в первом случае.
Рис. 1. Зависимость массового потока от скорости жидкости: 1- мембрана с с10 = 0.5 мкм; 2- мембрана с с10 = 2.6 мкм.
Рис. 2 Зависимость удельной поверхности контакта фаз от скорости жидкости: 1- мембрана с с10 = 0.5 мкм; 2- мембрана с с10 = 2.6 мкм.
Что касается коэффициентов массоотдачи в газовой фазе, то для мембраны с ¿/о = 0.5 мкм их значения в зависимости от скорости жидкости составляют от 2-10"5 до 10-Ю"5 м/с, для мембраны с ¿/о = 2.6 мкм от 8-10"5 до 20-10"5 м/с. Таким образом, коэффициенты массоотдачи в газовой фазе для обеих мембран достаточно близки, хотя во втором случае несколько выше. В обоих случаях наблюдается рост коэффициентов массоотдачи с увеличе-
9
С 11 6 X и в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 2 (107)
нием скорости жидкости, что опять же может быть объяснено интенсификацией процесса.
Рисунок 3 (а, б) представляет зависимость массового потока от концентрации щелочи для двух используемых мембран. Как можно было ожидать, величина массового потока растет с увеличением концентрации №ОН. Таким образом, можно сделать вывод, что увеличение концентрации активной части поглотителя приводит к увеличению эффективности массообмена. В тоже время с увеличением концентрации щелочи будет снижаться растворимость углекислого газа в растворе, это приведет к тому, что выше некоторой концентрации величина М начнет снижаться. Поэтому при выборе концентрации эти факторы следует учитывать.Из анализа представленных результатов можно сделать следующие выводы. С уменьшением размеров мембранных пор и с увеличением скорости жидкости происходит интенсификация процесса массообмена, что приводит к увеличению величины массового потока поглощаемого вещества из фазы в фазу. В тоже время влияние скорости жидкости на величины удельной поверхности контакта и массового потока наблюдается до скоростей жидкости 2.5 - 3 м/с. При дальнейшем увеличении скорости а и М изменяются мало. Поэтому для осуществления процесса хемосорбции в мембранном контакторе можно рекомендовать диапазон скоростей от 1.0 до 2.5 м/с.
Рис. 3 Зависимость массового потока от концентрации щелочи: а- мембрана с с10 = 0.5 мкм; б- мембрана с с10 = 2.6 мкм.
Также следует отметить, что чем меньше диаметр пор мембраны, тем большее давление требуется для осуществления микробарботажа. Так при экспериментах на мембране с ¿/о = 2.6 мкм давление газовой смеси составляло около 2 бар, тогда как для мембраны с ¿/о = 0.5 мкм давление составляло около 6 бар. Высокое давление в ходе процесса вносит дополнительные энергозатраты, из чего следует необходимость искать компромисс между увеличением поверхности контакта в аппарате и увеличением давления при выборе мембраны с более мелкими порами.
9
G tir в X № в химии и химичесгай технологии. Том XXIV. 2010. №2(107)
Сопоставление полученных массообменных характеристик для мембранного контактора с характеристиками аппаратов тарельчатого типа показывает, что величина удельной поверхности контакта фаз в микробарботаж-ном контакторе, которая в зависимости от типа мембраны и скорости жидкости изменялась от 10000 до 30000 м"1, значительно превосходит аналогичную величину для тарельчатых аппаратов, которая составляет обычно не более 1000 м"1. В тоже время полученные коэффициенты массоотдачи имеют порядок сопоставимый с коэффициентами массоотдачи для тарельчатых аппаратов. Таким образом, в соответствии с выражением (5), можно заключить, что при одинаковом рабочем объеме для обоих аппаратов величина массового потока в мембранном микробарботажном контакторе будет примерно в 10 раз выше чем в тарельчатом аппарате.
Библиографические ссылки
1. Size control of nanobubbles generated from Shirasu-porous-glass (SPG) membranes/ Kukizaki M., Goto M. // Journal of membrane science, 2006. № 281. P. 386.
2. Chemical methods of measuring interfacial area and mass transfer coefficient in two-fluids systems /Sharma M.M., Danckwerts P.V. // British Chemical Eng., 1970. 15(4). P. 522.
УДК 66.048.37
В.В. Акимов, JI.H. Крылов, Е.А. Дмитриев, A.M. Трушин.
Российский химико-технологический университет, им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОМЕХАНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ МИКРОПУЗЫРЬКОВ ПРИ ИНЕРЦИОННОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ
The process of microbubbles producing on the porous ceramic membranes is considered. On the basis of balance of forces affecting on microbubbles when they grow on the membrane pores, the mathematical model of dependence of mean bubble diameter from liquid velocity is developed. The comparison of this model with experimental data for microbubbling on tubular ceramic and glass membranes with different mean diameters of pores is presented.
Рассмотрен процесс микробарботажа на пористых керамических мембранах. На основе баланса сил, действующих на микропузырек в момент роста на поверхности мембраны, получена математическая модель, связывающая скорость жидкости в канале мембраны и средний диаметр образующихся микропузырьков. Проведено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными по микробарботажу на трубчатых керамических и стеклянных мембранах с различным размером пор.
Процессы, в основе которых лежит контакт между газом и жидкостью, такие как абсорбционная очистка газов, ректификация, проведение
