ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 6, с. 621-627
УДК 66.048.37
ИССЛЕДОВАНИЕ МАССООБМЕНА ПРИ ХЕМОСОРБЦИИ СО2 В МЕМБРАННОМ МИКРОБАРБОТАЖНОМ АППАРАТЕ © 2011 г. В. В. Акимов, Е. А. Дмитриев, А. М. Трушин
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
torpedo109@rambler.ru Поступила в редакцию 10.05.2011 г.
Представлено теоретическое и экспериментальное исследование межфазного массообмена при хемо-сорбции диоксида углерода растворами щелочи в мембранном микробарботажном аппарате. Приведены основные математические зависимости для описания параметров массообмена при микробар-ботаже. Представлены результаты экспериментального определения межфазного потока, удельной поверхности контакта фаз и коэффициентов массоотдачи в микробарботажном аппарате с микропористыми керамическими мембранами. Дана оценка эффективности межфазного массообмена.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы все большее значение приобретает проблема экономии и рационального использования материальных и энергетических ресурсов. Поэтому перед современной химической технологией встает задача создания высокоэффективных аппаратов, способных с наименьшими затратами энергии и ресурсов получать необходимый продукт. В химической промышленности широко распространены процессы, в основе которых лежит контакт между газом и жидкостью. Однако аппараты, применяемые для осуществления данных процессов, зачастую страдают от ряда недостатков, одними из которых являются невысокая удельная поверхность контакта фаз и наличие ограничений по расходам газа и жидкости. Эти недостатки обусловливают высокую стоимость и значительные размеры данных аппаратов, а также сложность их эксплуатации [1].
В последнее время в литературе появился ряд сообщений о процессе мембранного микробарбо-тажа [2, 3]. 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.
Нами было проведено теоретическое и экспериментальное исследование гидромеханики диспергирования газа на керамических мембранах с размерами пор 0.5 мкм и 2.6 мкм [4]. Результаты исследований показали, что, в зависимости от размеров мембранных пор и скорости жидкости в канале мембраны, образующиеся в данном процессе микропузырьки имеют размеры 20—80 мкм.
Столь малые размеры микропузырьков позволяют создавать большую удельную поверхность контакта между газовой и жидкой фазами. Данный
факт может быть положен в основу 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. Чтобы восполнить этот недостаток, в рамках данной работы было проведено теоретическое и экспериментальное исследование межфазного массообмена при микробарботаже на примере хемосорбции диоксида углерода растворами №ОИ различной концентрации. Данные сведения позволяют дать оценку эффективности процесса и могут послужить базой для дальнейшего, более детального, моделирования мембранных микробарботажных аппаратов.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Исследование межфазного массообмена в данной работе проводилось на основе методики, предложенной Данквертсом и Шармой [5]. Химическая схема рассматриваемого процесса включает две последовательные реакции:
СО2 + ОН- = ИСО-,
исо- + он- = со2- + н2о.
Таким образом, суммарная реакция протекает по уравнению
СО2 + 2ОН- = СО2- + Н2О.
При достаточном избытке щелочи вторая реакция протекает практически мгновенно, поэтому про-
цесс лимитируется первой реакцией, скорость которой определяется выражением
N = кДО^ОН-].
(1)
Поэтому при избытке ионов ОН- данная реакция может рассматриваться в качестве реакции псевдопервого порядка. Согласно основному уравнению массопередачи, мольный поток СО2 из фазы в фазу может быть определен как
М = ку (С0,в - С1в) = К (Са - С^
(2)
где С0 и С,- — концентрации в глубине фазы и на границе раздела, соответственно. При достаточно быстрой химической реакции можно считать, что С0£ = 0 и тогда
ку (С0,0 - С1,0 ) = кхС1,Ь- (3)
Делая допущение, что концентрации на границе раздела связаны равновесием С,0 = тС*, из выражения (3) получаем
С
С* _
¡,1 — т
-0,0
. V
кХ
т + —
V ку)
(4)
Тогда выражение (2) преобразуется к виду М =
С0,вР
Л ^ 1 + т
V ку к'х;
(5)
А,
й 2С
с1у
А _ к С" 2 — крС А,
(6)
с граничными условиями У = 0
у = да
СА = СМ,
СА = 0.
йС
Обозначив —А = д, уравнение (6) можно предста-
йу
вить в виде
д
йд йСА
- = 0. Аа
(7)
Интегрирование этого выражения с учетом второго граничного условия приводит к выражению
йСА
йу
А -.
2
" +1 Аа
кР Г"+1 С А .
(8)
Поскольку ¿Са
йу
йСА I _
отрицательна, то
2
+1
кР С 2
, „ „ А (9)
йу ) + 1 \ Аа
Таким образом, для скорости хемосорбции на границе раздела фаз можно записать
N А = -Аа
йСА йу
у = 0
"+1
2крАА С 2
^ А
" +1
(10)
Далее рассмотрим решение, приводящее к выражению для коэффициента массоотдачи при хе-мосорбции. Рассматривается быстрая необратимая химическая реакция вида
VаА + VЬВ ^ ^¿Ъ
при псевдо я-м порядке по веществу А (соответствующему избытку вещества В). В этом случае константа скорости реакции кР определяется по
выражению кР = кп+тСВ", в котором кп + т — константа скорости реакции порядка п + т. В качестве основного допущения принимается, что зона реакции начинается непосредственно у межфазной поверхности, концентрация вещества А в жидкости у границы раздела фаз принимается постоянной, концентрация в глубине фазы принимается равной нулю. Процесс считается стационарным. Уравнение конвективной диффузии в данном случае можно записать в виде
Из выражения (10) следует, что в случае реакции псевдопервого порядка скорость хемосорбции может быть рассчитана как
N А =^кЖСА1. (11)
Тогда, учитывая, что при достаточно быстрой реакции СА0 = 0, получаем выражение для коэффициента массоотдачи при хемосорбции, сопровождаемой реакцией псевдопервого порядка (считая также, что реакция имеет первый порядок по веществу В):
кХ =
N А
(СА СА 0 )
= 4кА = АСвАА .
(12)
Для соблюдения условия о псевдопервом порядке и выполнении допущения о достаточной скорости реакции выражение (13) рекомендуется использовать в диапазоне
5 <
лМаСв
кх
<
Св
(13)
у^ЬСА у
где кх — коэффициент массоотдачи при физической абсорбции. Подставляя выражение (12) в уравнение (5), и учитывая, что Ш = аУК, получим
М =
СйайУш
V ку
V
(14)
т
л]к2СЪАС02 у
Уравнение (14) можно преобразовать к виду
С0,вК 1
М
куй
■ + ■
т
ф2свас02
(15)
х-
СО2
-9
Манометр
Мембранный модуль
^2
"К"
K Отбор проб
ч
K4
Компрессор Насос
Рис. 1. Схема лабораторной установки для изучения механики диспергирования газов через пористые мембраны.
P
P
P
ж
E
2
f, % 18
16
14
12
10
8
6
4
2
f, % 35
30
25
20
15
10
5
(б)
1.2 1.4 d, мкм
4 6 8 10 12
14 16 d, мкм
Рис. 2. Распределение размеров пор для используемых керамических мембран: (а) — средний диаметр пор 0.5 мкм; (б) — средний диаметр пор 2.6 мкм.
C V
В координатах y = 0,G w
x =
m
урав-
M ' vkAdcc2 нение (15) описывает прямую линию с тангенсом
угла наклона 1 и пересечением оси ординат в точке a
Таким образом, экспериментально исследовав
kya
зависимость y(x) можно определить удельную поверхность контакта фаз в аппарате и коэффициент массоотдачи в газовой фазе, что позволит установить эффективность межфазного массообмена в мембранном микробарботажном аппарате. Однако поскольку применение выражения (12) требует соблюдения условия (13), необходимо провести дополнительные исследования физической абсорбции с целью определения величины кх.
Схема лабораторной установки для экспериментального исследования межфазного массообмена при микробарботаже представлена на рис. 1. Центральной частью установки является мембранный модуль, представляющий собой стальной цилиндрический корпус длиной 250 мм и диаметром 050 х 3 мм, внутри которого устанавливается трубчатая керамическая мембрана. В работе использовались керамические мембраны длиной 800 мм и диаметром 10 х 2 мм с размерами пор 0.5 и 2.6 мкм, распределение размеров пор для данных мембран представлено на рис. 2. 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 составляли от 0.03 до 0.07 кмоль/м3 (на мембране с d0 = 0.5 мкм) и от 0.014 до 0.030 кмоль/м3 (на
0
0
2
„А---"А
А'
2
fi
a, м 31000
26000
21000
16000
11000
6000
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.5 3.5
ю, м/с
Рис. 3. Зависимость удельной поверхности контакта фаз от скорости жидкости: 1 — мембрана с do = = 2.6 мкм; 2 — мембрана с do = 0.5 мкм.
мембране с = 2.6 мкм). С наружной стороны мембраны подавалась смесь углекислого газа с воздухом, содержание С02 во всех случаях составляло 10 об. %. Расход газа поддерживался таким, чтобы газосодержание в рабочем объеме аппарата составляло около 25%. Давление в мембранном модуле составляло 6 бар для мембраны с порами 0.5 мкм и 2 бар для мембраны с порами 2.6 мкм. 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.
Мольный поток поглощенного СО2 в данной работе экспериментально определялся по изменению концентрации щелочи в растворе и рассчитывался по уравнению
M =
(çbh - cbk)Vl
(16)
v b
k2 может быть рассчитана по выражению [6]
lg
r 1 Л ki
V k2,œ
= 0.221/ - 0.01612.
(17)
Величина константы скорости в бесконечно разбавленном растворе определяется как [7]
lg (к^ ) = 11.895 -
2382 T '
(18)
Уравнение (18) применимо в диапазоне темп
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.