Устройство для осуществления массообмена между жидкой и газовой фазами
Владельцы патента RU 2392038:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет (RU)
Изобретение относится к области осуществления массообменных процессов в системе жидкость-газ с помощью пористых мембран. Сущность изобретения: устройство для осуществления массообмена между жидкостью и газом включает средства подачи и вывода потоков обменивающихся фаз, массообменную камеру, образованную двумя мембранами из пористого полимерного материала, несмачиваемого обменивающейся жидкой фазой, между которыми помещен слой несмачиваемого жидкой фазой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов, причем сквозные каналы выполнены с одинаковыми размерами, расположены параллельно и равноудаленно друг от друга, имеют постоянную конфигурацию и площадь поперечного сечения по всей длине и направлены от системы подачи к системе вывода обменивающейся жидкой фазы. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности массообменных процессов в системе жидкость-газ. 3 табл., 1 ил.
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.
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 см3) 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 см2 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 (WG) и очищаемой воды (WL) | ||||
| WG, мл/мин | WL, мл/мин | WG/WL | 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.
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 см3) 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 (WG) и физиологического раствора (WL) | ||||
| WG, мл/мин | WL, мл/мин | WG/WL | 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.
С помощью насоса заполняли абсорбирующим водным раствором массообменные камеры равного объема (5 см3) 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 см3. Диаметр каналов в предлагаемом устройстве составлял 1 мм, их длина - 5 см, а число каналов, приходящихся на 1 см2 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/м3) 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/м3 | 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.
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, несмачиваемого обменивающейся жидкой фазой, между которыми помещен слой несмачиваемого жидкой фазой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов, отличающееся тем, что сквозные каналы выполнены с одинаковыми размерами, расположены параллельно и равноудаленно друг от друга, имеют постоянную конфигурацию и площадь поперечного сечения по всей длине и направлены от системы подачи к системе вывода обменивающейся жидкой фазы.
