научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ МЕТОДОМ АБСОРБЦИОННОЙ ПЕРВАПОРАЦИИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ МЕТОДОМ АБСОРБЦИОННОЙ ПЕРВАПОРАЦИИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 2, с. 194-198

УДК 544.725.2+66.071.6.081

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ МЕТОДОМ АБСОРБЦИОННОЙ ПЕРВАПОРАЦИИ © 2011 г. В. М. Воротынцев, П. Н. Дроздов, И. В. Воротынцев

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

vlad@vorotyn.nnov.ru Поступила в редакцию 16.12.2009 г.; после доработки 13.07.2010 г.

Предложено теоретическое описание процесса глубокой очистки газов в каскаде, состоявшем из последовательно соединенных мембранных модулей, имеющих в качестве разделительной перегородки совмещенную систему абсорбент—мембрана. Установлено влияние параметров процесса (коэффициента диффузии, температуры, растворимости, размера пузырька газа и скорости газового потока) на глубину очистки газов, что позволяет определить расчетные характеристики мембранных модулей.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время для процессов разделения и глубокой очистки веществ все шире применяются мембранные методы [1—3]. Однако для многих разделяемых газовых смесей отсутствуют мембраны с достаточной селективностью. Для увеличения селективности процесса исследуются комбинированные, так называемые гибридные методы, сочетающие мембранные методы с традиционными химическими, абсорбционными, дистилляционными и кристаллизационными методами разделения [4— 10]. Такое совмещение дает мультипликативное увеличение разделительного эффекта. Так, например, применение мембранных контакторов, сочетающих мембранные и сорбционные процессы, позволило разработать более селективные системы очистки [11], в том числе и для использования в микроэлектронике [10]. Были разработаны гибридные методы, сочетающие мембранные методы с абсорбцией, в виде иммобилизованных жидких мембран [12, 13] и мембранных контакторов [14—16]. Путем варьирования скорости течения жидкого абсорбента и/или газа можно добиться оптимального соотношения между производительностью системы, чистотой конечного продукта и стабильностью процесса газоразделения [16].

Сочетание процессов первапорации с сорбцией реализовано в абсорбционной первапорации, где разделение происходит в структурированном слое мембрана—абсорбент.

Настоящая работа посвящена изучению возможностей совмещенного метода абсорбции и первапорации (испарения компонентов, находящихся в жидкости) [17—19], и реализованного, в отличие от мембранных контакторов, в одном и том же мас-сообменном аппарате, без обменного движения абсорбента. Поступление газа в аппарат происходит путем барботажа, что приводит к постоянному об-

новлению абсорбента у поверхности мембраны. Этот метод может использоваться для очистки хлористого водорода [17, 18] и аммиака [19] от малорастворимых примесей постоянных газов.

В [11, 20—22] рассмотрено теоретическое описание процессов разделения в совмещенных абсорб-ционно-мембранных системах. Установлено влияние неравновесных процессов сорбции и диффузии на массообмен в таких гетерофазных процессах. В [20], используя подход к описанию неравновесного межфазного переноса, установлено, что производительность мембранного контактора с нанопористой мембраной может быть выше, чем в случае пористой, и зависит от соотношения скоростей газопереноса на границах раздела фаз.

В настоящей работе рассмотрено влияние различных параметров процесса сорбции и диффузии (коэффициента диффузии, температуры, растворимости, размера пузырька газа и скорости газового потока) на эффективность абсорбционной перва-порации.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Рассмотрим процесс разделения, протекающий в аппарате, состоящем из отдельных абсорбционно-мембранных модулей, расположенных последовательно. Сам модуль состоит из набора непористых мембран (например, плоских мембран, в виде полых волокон или трубчатых мембран), поверхность которых контактирует с абсорбентом. В мембранном модуле из полых волокон и трубчатых мембран абсорбент находится снаружи этих мембран, в случае плоских мембран абсорбент наливается на поверхность мембраны [17—19]. Растворение и абсорбция газов в абсорбенте происходит за счет барботи-рования газовой смеси, состоящей из очищаемого компонента, имеющего ограниченную растворимость в используемом абсорбенте, и примеси, кото-

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВ

195

рая в нем хорошо растворима. Предполагаем, что при барботировании образуются монодисперсные пузыри, размер которых при движении в слое жидкого абсорбента остается неизменным. Изменение объема пузырька за счет изменения давления при его всплывании в жидком абсорбенте, как правило, небольшое, так как высота слоя жидкости невелика. Примесный компонент растворяется в абсорбенте и переносится к поверхности мембраны, диффундирует через нее и отбирается в полость низкого давления модуля. Считаем, что основной компонент практически не переходит через мембрану, вследствие его малой растворимости и диффузионной подвижности. Газовая смесь, выходящая после очистки из первого модуля, поступает во второй модуль и далее процесс продолжается последовательно на всех модулях каскада.

Рассмотрим случай, когда газовые потоки невысоки, и барботаж газа через слой абсорбента в модуле осуществляется в виде единичных пузырьков, не взаимодействующих друг с другом. Поэтому расчет можно провести в предположении, что общий эффект разделения в модуле равен эффекту разделения в каждом пузырьке газа. Будем рассматривать процесс разделения, проходящий в отдельном аб-сорбционно-мембранном модуле, предполагая, что мембрана обеспечивает постоянную концентрацию примеси на границе жидкость—газ. При рассмотрении процесса массообмена в элементарном объеме пузырька, используя пленочную модель массопере-носа, можно получить уравнение для изменения концентрации примеси по высоте слоя абсорбента в виде [23, 24]

йС

йг

(С - Сь),

(1)

где г — координата по высоте слоя абсорбента, Ь0 — скорость подъема пузырька по высоте г, Я0 — радиус пузырьков, Б — коэффициент диффузии примеси в газовой фазе пузырька, С — концентрация примеси в ядре пузырька, Сь — концентрация примеси на границе пузырька с жидкостью, 5 — толщина диффузионного пограничного слоя в газовой фазе.

Переходя от концентрации к парциальному давлению примеси, уравнение (1) получим в виде

Ъо йР = - Ж (Р - д),

0 йг ь

(2)

мембрану. Поток примеси 11 из пузырьков через \ в единице объема жидкости равняется

■1 - б (С Сь

о

(3)

где \ = 4 тслЛ0' где п — количество пузырьков в единице объема жидкости. Считаем, что примесь, прошедшая через границу раздела в жидкость, перемешивается за счет движения газовых пузырьков. В жидкости у поверхности раздела с мембраной находится диффузионный пограничный слой, через который диффундируют компоненты газовой смеси, растворенные в жидкости. В случае, когда давление в полости низкого давления модуля близко к нулю, поток примеси через мембрану в единице объема жидкости J2 равняется [17]

1

1

^Рь I Бъ

БшЪш

Б^Ри

где

А =

АСТ1

БшСТ ш

(4)

(5)

— площадь мембраны в единице объема жидкости, 81 — толщина диффузионного пограничного слоя в жидкости, 8Ш — толщина диффузионного слоя мембраны, Б1, Бш, сть стш — коэффициент диффузии и растворимость примесного компонента в жидкости и мембране, соответственно.

Приравнивая величины потоков 11 и /2, используя величину давления вместо концентрации в (3), получим выражение для определения Рь:

Рь =

БАБь

8ЯТБш + БАБь

Р = ВР,

где

В =

БАБь

дЯТБш + БАБь Из уравнений (6) и (2) получим

йР _ 3Б Р

■(1 - В )йг.

(6)

(7)

(8)

8ДоА

Интегрируя уравнение (8) при граничных условиях Р = Рп при г = 0 (вход в модуль) и Р = Рои при г = г0 (выход из модуля), получим выражение для отношения парциального давления

Р

Ро

— = ехр

3Б(1 - В)

го

(9)

где Р и Рь — парциальное давление примесного компонента в ядре пузырька и на границе с жидкостью, соответственно.

Далее найдем величину Рь, исходя из того, что поток примеси из пузырьков через границу раздела жидкость—газ равняется потоку примеси через

ЬоЪЯо

где г0 — высота слоя абсорбента в модуле.

В случае, когда в рассматриваемом аппарате имеется N одинаковых абсорбционно-мембранных модулей, в которых величина Р0 постоянная, и процесс очистки проводится последовательно, общая степень разделения будет равняться

196

ВОРОТЫНЦЕВ и др.

1п В + 20 14

12

10

8

6

4

2

0

10 1п Эь/Эт

12 + 5

Рис. 1. Зависимость константы В от соотношения площадей поверхности всех пузырьков и мембраны для различных скоростей подъема пузырька по высоте: 1 - Ь0 = 0.05 м/с; 2 - 0.1; 3 - Ь0 = 0.5 м/с.

1п (Ро/Рг„)

350

300 -

250 -

200 -

150 -

100 - >

50 -__

5 N

Рис. 2. Зависимость величины общей степени разделения от количества модулей для различных скоростей подъема пузырька по высоте: 1 - = 0.05 м/с;

2 - 0.1; 3 - Ь0 = 0.5 м/с.

1п ( Р,/^) 700 Г

600 500 400 300 200 100

0

0.5

1.0

1.5

2.0 Я0, мм

Рис. 3. Зависимость величины общей степени разделения от радиуса образующихся пузырьков для различного количества модулей: 1 - N = 5; 2 - N = 3.

1п ( Р,/^)

50

40 30 20 10

0

5

10

15 20, см

Рис. 4. Зависимость величины общей степени разделения от толщины слоя абсорбента в модуле для различного количества модулей: 1 - N = 5; 2 - N = 3.

2

3

0

2

3

4

6

2

4

8

А рг

= ехр

3/)(1 - А)

. ¿оЗЯо

N¿0

(10)

Видно, что эффективность разделения зависит как от ряда физико-химических параметров (Б, 8, Т), так и от конструкционных и технологических параметров (Я^, N, ^о).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Расчет проводился для случая разделения инертного газа и хлористого водорода. В качестве абсорбента был выбран полиэтиленгликоль с молекулярной массой 0.6 кг/моль [17, 18]. Коэффициент диффузии хлористого водорода в используемом абсорбенте составлял величину 9.16 х 10-12 м2/с, растворимость - 3.93 х 105 моль/(м3 Па) [17]. В этом случае толщину диффузионного слоя абсорбента принимали равной 2.6 х 10-4 м при высоте слоя абсорбента выше, более чем на два порядка.

Была рассчитана зависимость константы В от соотношения площадей суммарной поверхности границы раздела фаз, образованной пузырьками, и мембраны для различных скор

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