научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО МАССОПЕРЕНОСА В ГИБРИДНЫХ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННЫХ СИСТЕМАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО МАССОПЕРЕНОСА В ГИБРИДНЫХ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННЫХ СИСТЕМАХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 4, с. 378-385

УДК 541.183+621.039.3+621.593.001.24

ОСОБЕННОСТИ СЕЛЕКТИВНОГО МАССОПЕРЕНОСА В ГИБРИДНЫХ МЕМБРАННО-СОРБЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

© 2014 г. А. Н. Кудинов, И. М. Курчатов*, Н. И. Лагунцов*

ОАО "Аквасервис", Москва *Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

aquaserv@mail.ru Поступила в редакцию 10.09.2013 г.

В газоразделительной ступени короткоцикловой адсорбции изучен массоперенос в гибридной мем-бранно-сорбционной системе, состоящей из соединенных последовательно ступени короткоцик-ловой адсорбции и мембранной ступени. В гибридной системе заполнение адсорберов происходит потоком ретентата с мембранной ступени. На основе сравнительного анализа процесса массопере-носа в одиночной ступени короткоцикловой адсорбции и в гибридной системе установлены новые закономерности процесса, среди которых идентичность по значениям параметров внешних условий гибридной системы с заполнением адсорберов потоком ретентата и одиночной ступени корот-коцикловой адсорбции с комбинированным заполнением адсорберов потоками продукта и питания, которая имеет ту же величину потока продукта.

Ключевые слова: массоперенос, короткоцикловая адсорбция, мембрана, гибридная мембранно-сорбционная система, газоразделение, степень извлечения, рециркуляция, линейная сорбция, идеальное вытеснение, относительный отбор.

Б01: 10.7868/80040357114040071

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время процессу разделения газовых смесей с использованием гибридных технологий, сочетающих ступени короткоцикловой адсорбции (КЦА) и мембранные ступени, уделяется все большее внимание. Мембранно-сорбционные гибридные схемы [1—5] отличаются друг от друга способом организации процесса разделения, который в свою очередь определяется характеристиками той или иной ступени. Тем не менее общая методология построения эффективных гибридных схем в настоящее время практически отсутствует. Анализ гибридных мембранно-сорбционных систем с позиций общей теории многомодульных разделительных систем с рециркуляционными связями, в том числе исследование возможных сочетаний мембранного и адсорбционного методов разделения, выполнен в работе [1]. Рассмотренные в работе гибридные мембранно-сорбционные системы разделены на несколько групп: без рецикла (простой каскад), со сжимаемым рециклом, с рециклом без сжатия. В итоге предложено семейство новых гибридных рециркуляционных одноконтурных мембранно-сорбционных систем без дополнительного сжатия рециркуляционного потока, которое позволяет повысить обогащение целевого компонента и/или увеличить его степень обогащения фактически без дополнительных энергетических затрат. Это семейство предназначено

для получения наименее сорбируемого компонента в сорбционной ступени, который одновременно является наиболее проникающим через мембрану в мембранной ступени. В настоящей работе рассматривается один из вариантов этого семейства (рис. 1). Особенность такой системы заключается в том, что заполнение адсорберов осуществляется в отличие от известных вариантов процесса [6—8] не потоками питания и продукта, а потоком ретентата с мембранной ступени. Система может быть использована для обогащения воздуха кислородом.

Целью настоящей работы является изучение мас-сопереноса для установления общих свойств гибридных систем, на основе которых могут быть созданы эффективные газоразделительные установки, в том числе для обогащения воздуха кислородом.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Для исследования общих свойств гибридных систем проанализируем процессы массопереноса в ступенях системы. При этом мы будем пренебрегать эффектами, не оказывающими принципиального влияния на процесс разделения. Другими словами, будем использовать идеализированные модели процесса разделения, как в сорбционной (модель линейной сорбции [9]), так и в мембранной (модель перпендикулярного оттока с идеальным вытеснением [1]) ступенях.

Рис. 1. Схема гибридной системы с рециклом без сжатия.

p х 10-5, Па

pads

Pint

pde:

—- — —

**

i........ /1______________{.... \ 1

Л /

\ / i i / ! ! \ / N /

\/ \ / i ! \ / V

W 1 | 7 1 1 /2

/ \ i i \

/ Is | / ^ J

/ ! """" ■— ___! — у

t5 t6

t, c

Рис. 2. Циклограмма: 1 — первый адсорбер; 2 — второй адсорбер; t-í, — время стадии первоначального заполнения; % t5 — время стадии дозаполнения; tз — время стадии вытеснения; % — время стадии десорбции.

Для сорбционной ступени будем считать, что процесс состоит из следующих последовательных стадий [10]: десорбция за счет сброса давления; первоначальное заполнение потоком продукта до промежуточного давления (в гибридной схеме первоначальное заполнение осуществляется потоком ре-тентата с мембранной ступени); дозаполнение потоком питания; адсорбция и вытеснение потоком питания.

В рамках модели линейной сорбции будем предполагать следующее: 1) изотермы носят линейный характер (изотерма Генри) и не имеют гистерезиса [11], нелинейные эффекты, связанные с объемной сорбцией [12], отсутствуют; 2) кинетические процессы адсорбции и десорбции [13] проходят достаточно быстро и их длительностью можно пренебречь; 3) адсорбция протекает с образованием "острого" стационарного фронта [9], т.е. его протяженностью можно пренебречь; 4) все стадии процесса, кроме стадии адсорбции и вытеснения, проходят равновесно; 5) процесс изотермический; 6) компоненты сорбируются независимо друг от друга с вероятностью, пропорциональной константам Генри; 7) течение газа в адсорбере одномерно, продольный перепад давлений мал [9, 14].

Для определения применимости предположений были проведены экспериментальные исследования, в результате которых было показано, что

для рабочих давлений до 8 атм изотермы кислорода и азота линейны, а длительностью кинетики процессов можно пренебречь.

Рассмотрим стадии процесса разделения, проходящие в отдельно взятой ступени КЦА.

В начальный момент времени происходит стадия десорбции в адсорбере до давления рАе., после чего в адсорбер поступает поток продукта с этой ступени. Заполнение происходит до промежуточного давления рппА. Далее происходит дозаполнение потоком питания до давления раЙ8. Затем протекает стадия адсорбции с последующим вытеснением потоком питания продуктового газа из адсорбера. Вытеснение происходит при давлении раЙ8. Далее процесс повторяется.

Циклограмма процесса для двухадсорберной схемы КЦА представлена на рис. 2 [15].

В качестве начальных условий для расчета

процесса задаются следующие параметры: V, раЙ8, рйе8, рппА. Процессы, происходящие на каждой стадии, можно описать следующим образом.

Десорбция. Материальный баланс вещества на стадии десорбции имеет вид [9]

к&?У = + с^ажр8а. (1)

В левой части уравнения начальное состояние — колонна заполнена смесью питания с давлением

0

t

t2 t3

t

1

4

раЛ. Конечное состояние — после сброса смеси до давления рйек во внешний объем.

Молярные концентрации с^ кислорода (/ = 1) и азота (/ = 2) в равновесии с внешним объемом связаны соотношением

Значение молярной концентрации кислорода

сЩа определяется из (9) подстановкой в него уравнения (10).

Сложив друг с другом уравнения системы (6), получим

psa psa

CW1 +

LW2

psa psa cf1 + cf

P de s Pads

-F1 T <-F2

Из уравнений (1) и (2) получаем [9]

cwi -

F1

—Y 2 1

1 - 1 -

4 a1

PC 1 - k )Y2

psa

psa a1CF1 psa

cw2 - —----cw1 ■

в

Поток отвала 1Урка ступени КЦА:

кл - ^а) _

(2)

(3)

(4)

W —

psa

W1

f

k1V 2 - y

v

(

1 - 1 -

4a1

Л Л

PC 1 - k )YVJ

(5)

(

Y

1 - 1 -

4a1

PC1 - k)YV

k cpsaV + G cpsa = k cpsav

kiCWi V + GpsacPi - ki'cni V ,

psa psa

СП1 + cp

n2

psa psa cW1 + cW2

pint Pdes

(6) (7)

Комбинируя уравнения системы (6) можно получить

psa cn1 -

psa psa psa psa psa

cW1cP2 - kcP1 CcW2 - cn2 )

-P1

С

psa psa psa ■ ---+ cp

n2

- a2(CW1

W2

) - C-

(8)

(9)

Решение системы (8), (9) относительно сП2а имеет вид

Cn2 -

psa^ psa psas psa ] a2CP2 CCW1 + CW2) - CW1C:

psa psa W1cP2 + ^CP1 CW2

(10)

-P2

+ k c

P1

psa psa psa psa

Ck1 C^vi + k2CW2) V + GpsaCСр1 + Cp2 ) —

psa psa

— C k Сп1 + k2cn2) V,

(11)

откуда можно определить поток продукта бр^, идущий на первоначальное заполнение:

G —

psa

V[ C k1CPn1a + k2 О - C k1 CWW1 + k2Cv/2) ]

psa psa CP1 + CP2

(12)

Дозаполнение. Материальный баланс на стадии дозаполнения потоком питания /¿р!!а от давления рппА до давления райк имеет вид

крка -гТ т-Рйа рйа л рйат^

V + К = к,4, V,

psa psa

ср1 + ср2

psa psa Cn1 + Cn2

P ad s

Pint'

(13)

(14)

где для сокращения записей введены обозначения: к = к2/кь к(- = е + ст,(1 - е), а1 = Рйе</Ра&, Р =

= сРГ/(сГ + СР2а), У = 1 + к/(Р(1 - к)) + а1/р.

Первоначальное заполнение. Материальный баланс вещества на стадии заполнения потоком продукта до промежуточного давления рпп1 выглядит следующим образом:

Преобразование системы (13) проводится аналогично (6), в результате которого система уравнений, относительно значений молярных концентраций в потоке отбора ступени КЦА, приобретает вид

psa cP1 —

psa psa psa psa psa

Cn1 CF2 - kCF1 CCn2 - CP2 )

-F2

psa psa psa

CP2 — a3Ccn1 + Cn2 ) - С

psa P1 -

(15)

(16)

Подставив (16) в (15), найдем

л рэа^ рйа рйач рйа рйа , рйа рйа а3кСБ2 (сп1 + сп2 ) + сп1 СБ2 - кс¥1 Сп2

psa cP1

Ср1 —

(17)

F2

+ kc

F1

где введено обозначение а3 = Р^Р^. Значение с

LP2

можно определить из (16). Расход питания /¿р!!а, идущий на дозаполнение, можно определить из (13):

, ТЛ- рйа рйач

к1У(ср1 - Сп1 )

Fpsa —

(18)

F1

Вытеснение. Вытеснение газа из колонки проводится смесью питания при давлении райк. Поскольку давление при вытеснении газа из адсорбера не меняется, справедливо равенство

psa psa psa psa

Ср1 + Срт — + Ср

P2

F1

F2

(19)

где для сокращения записей введено обозначение а2 = Лп/^ек.

Баланс вещества, вошедшего и вышедшего из колонки:

psa psa psa psa psa

k;Cp;- V + F, Cfi — PpsaCpi + kICFI V-

(20)

рва

Преобразуя систему (20), получаем расход питания Дур!!а, идущий на вытеснение:

V(к Ср8а(Ср8а Ср8а) + к Ср8а(Гр8а Ср8а)) Д^а — v V к1 СР2 - Ср1 - СР1 V + к2 СР1 - СР 2 - Ср2 VV (21)

v рьа рьа рьа рьа

СР2 Ср1 + СР1 Ср2

Из (2

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком