научная статья по теме О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОВЕСНОЙ АБСОРБЦИИ НА ГАЗОПЕРЕНОС В ГЕТЕРОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОВЕСНОЙ АБСОРБЦИИ НА ГАЗОПЕРЕНОС В ГЕТЕРОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2007, том 41, № 3, с. 272-279

УДК 539.2175

О ВЛИЯНИИ НЕРАВНОВЕСНОЙ АБСОРБЦИИ НА ГАЗОПЕРЕНОС

В ГЕТЕРОФАЗНЫХ СИСТЕМАХ

© 2007 г. А. Ю. Окунев, Н. И. Лагунцов

Московский инженерно-физический институт ОАО "Аквасервис" aquaserv@mail.ru Поступила в редакцию 20.09.2006 г.; после доработки 25.01.2007 г.

Предложена математическая модель неравновесной абсорбции газа в конденсированной среде на свободной поверхности и через мембрану с учетом поверхностных взаимопревращений веществ, которые описываются кинетическими уравнениями первого и второго порядка. В качестве примеров рассмотрены процессы переноса газов через мембраны, а также рассмотрен процесс неравновесной мембранной сорбции газов в жидкостях. Показано, что влияние кинетики сорбции может быть выражено в виде некоторой эффективной проницаемости границы раздела фаз газ-жидкость.

При описании процессов массопереноса в мембранах и абсорбционных системах обычно предполагают локальное равновесие компонентов на границах раздела фаз [1-4]. В этом случае значения концентраций компонентов на границах раздела фаз не зависят от потока, проникающего через границу раздела, и лимитирующей стадией процесса является диффузия через конденсированную пленку. На основе этих предположений разработаны методики определения коэффициентов диффузии газов в полимерных мембранах [1, 2, 4].

Оказывается, что учет неравновесного механизма сорбции в ряде случаев приводит к незначительному усложнению математического описания процессов, расширяя при этом область применимости построенных моделей. Например, в работе [5] показано, что зависимость проницаемости по кислороду сухой полимерной пленки [6] от толщины, достаточно хорошо описывает модель, включающая процессы неравновесной сорбции на границах раздела фаз и диффузии через мембрану.

В работе предложены способы описания неравновесных процессов сорбции газов в конденсированных средах с учетом произвольных превращений веществ на границах раздела фаз.

Неравновесная сорбция с поверхностными взаимопревращениями. Рассмотрим процесс сорбции газа в некоторой конденсированной среде, состоящей из N компонентов (рис. 1). Такой конденсированной средой может быть жидкость (чистая, раствор одного или нескольких компонентов), либо однородная полимерная мембрана. Рассматривать процесс сорбции будем в предположении стационарности потока компонентов через границу раздела фаз.

Процесс сорбции газа А может сопровождаться взаимодействиями на межфазной границе с компонентами жидкости В, с образованием новых веществ в конденсированной среде, которые описывают уравнениями:

(1а)

А + В,

В

- * 3.

(16)

Уравнение (1а) описывает сорбцию газа в жидкости без химических реакций. Превращения по формуле (16) - сорбция, сопровождающаяся взаимодействием с г-м компонентом жидкой фазы.

На границе раздела фаз возможно существование веществ, которые практически отсутствуют в объемах фаз, и между ними также могут быть превращения, элементарные стадии которых можно записать в виде:

Рис. 1. Схема процесса абсорбции газа в конденсированной фазе.

В-

В3, 3 > г,

(1в)

+

+

о влиянии неравновесной абсорбции на газоперенос

273

в, + в.

4ук Ь4ук

вк

у > 7, 7 Ф к, у Ф к.

(1г)

N

Г+ = Р+ Р X ].

(2)

у = 1, 7 ф у

г = в,] + X МВ,-].

(3)

у = 1,7Фу

г = Г - г = Х^(Р - ки[в,])

7 = 1

N

(4)

+ X '+у[вг](р - К

у = 1, Ф у

у

27у[в- ] ),

N

+

X Ь+7„[вг](Р - К

7 = 1,7 Ф т

N

X 'т[вт](Р - К

[ в т]

27т [в] ]

[ вг ]

= 1, Фт т -1

+

[ вт ]

XЬ+т([ в7] - К 37 т[ вт ]) -

7 = 1 N

X'Ь+mг ([ вт ] - К 3т7 [ в^) +

(5)

+

Ь+7т([в7][ву] - К4ут[вт]) -

Этот случай особенно важен для описания каталитических гетерофазных систем.

Получим уравнения для плотностей потоков компонент в жидкости у) вблизи границы раздела фаз и плотности сорбирующегося потока газа Г. В соответствии с уравнениями (1а), (16), плотность сорбирующегося потока газа Г+ записывают в виде [7]:

N

X, 'ЫутУ

7 = 1, у > 7, I Ф т, у Ф т

7 = т, у = N

- X Ь+7' ту([ в7][ вт ] - К47 ту[ ву ]) -

7 = 1, у Ф т

N

- X Ь+mгУ([вт][в7] - К4ту[ву]).

7 = т + 1, у Ф т

Для компонентов, которые существуют только на поверхности, суммарный поток (5) в объем жидкости должен быть равен нулю. Система таких уравнений

Плотность десорбирующегося потока газа Г в соответствии с обратными превращениями по (1а), (16) можно найти из уравнения:

ут = 0

(6)

Разница потоков (2) и (3) определяет плотность потока газа через поверхность раздела фаз в жидкость:

где Ки = Ь17/Ь+7 - константа равновесия реакции

обратной (1а), Къ = Ь^у/Ь+у - константа равновесия реакции обратной (16).

Уравнения потоков компонент жидкой фазы можно записать в виде:

ут = у+т - ут = Ь+7(Р - К1 т[вт]) +

служит для нахождения концентраций компонентов, существующих только на поверхности раздела фаз.

Уравнения (4)-(6) описывают баланс компонентов на поверхности и должны выполняться как в равновесном, так и неравновесном случаях. При этом в равновесии потоки всех компонентов равны нулю, что можно использовать для нахождения изотерм сорбции.

Перейдем к рассмотрению частных случаев механизмов неравновесной абсорбции: сорбция в отсутствие химических превращений, сорбция в жидкости по изотерме Ленгмюра и двойная сорбция.

Сорбция в отсутствие химических превращений. Пусть сорбция газа осуществляется по уравнению (1а) с образованием одного компонента в

в

жидкости: а

В этом случае плотность потока газа через границу раздела фаз (4) запишем в виде:

Г = у = Ь+ (Р - Кс).

(7)

В равновесии поток равен нулю, поэтому Р = Кс, т.е. изотерма сорбции подчиняется закону Генри. Введем обозначение для равновесного давления газа Р* над жидкостью при концентрации сорбированного компонента равной с:

Р* = Кс.

(8)

Тогда выражение для сорбируемого потока (7) переписываем в виде:

Г = Ь+ (Р - Р *).

(9)

В мембранном газоразделении [2] коэффициент Ь+ характеризует проницаемость мембраны, поэтому можно говорить, что возникает некоторая проницаемость границы раздела фаз равная Ь+.

Уравнение (9) применимо для описания массопе-реноса через границу раздела фаз в аппаратах со свободной поверхностью сорбента.

+

N

7 = 1

N

N

7 = 1

N

Л

Рис. 2. Схема процесса абсорбции газа через пористую мембрану.

Неравновесная сорбция по Ленгмюру. Перейдем к рассмотрению случая, когда сорбция происходит по одному каналу - реакция связывания газа:

А + В1

В

(10)

J = [В 1 ]АЛ Р - К

г [ В 2 ]

[В 1]

]в.

]в1,

(11)

жением Р* = К

[ В1 ]•

[ В1 ] + [ В 2 ] = Со

(12)

Р = К -

[ В2 ]

■ - [ В2 ]•

J = [ В1 )

Р-

К1 [ В ] + К2 [ В2 ] + [ В2 ]Х+

(13)

а потоки компонентов в жидкой фазе определяют из выражений:

3в = (Р - К1 [В]),

3в2 = 3 = [В1 ]К \Р - К

[ В2 ]

Обозначив Р* =

[ В1 ]

Х+К1 [ В ] + Х+ К 2 [ В2 ] + [ В1

(14)

,приведем

где Въ В2 - компоненты жидкой фазы. Тогда уравнения (4), (5) можно представить в виде:

уравнение (13) к виду:

J = (Х+ + [В1 )[Р - Р*].

В данном случае, вообще говоря, Р* не является равновесным давлением над жидкостью состава [В], [Вх], [В2]. В случае равновесия между этими концентрациями существует однозначная связь в соответствии с принципом детального равновесия.

Получим равновесную изотерму сорбции в рассматриваемом случае. Полная концентрация сорбированного компонента может быть представлена в виде:

где проницаемость границы раздела фаз (газ-жидкость) цч определяется соотношением бацч = = [Вх]^+, а равновесное давление Р* над жидкостью при концентрациях компонентов [Вх] и [В2] - выра-[ В2 ]

с = [В2 ]

1

К

1

К1 Со- [В2]]

Разрешая полученное уравнение относительно

[В2], получаем:

[ В2 ] = -]

Получим равновесную изотерму сорбции. Уравнение баланса компонентов в жидкой фазе имеет вид:

]К]]]]]2 ]К]]]]]1

К2

- С - Со

К2

К]) +4К "о.

где с0 - концентрация сорбента в жидкой фазе при давлении газа над жидкостью, равном нулю.

Из уравнения (12) при условии J = 0 получим, что изотерма сорбции подчиняется закону Ленгмюра:

Неравновесная сорбция по модели двойной сорбции. В качестве третьего частного случая рассмотрим неравновесную сорбцию в жидкости при существовании обоих рассмотренных каналов сорбции: канала без превращений вещества А В и каналу, в котором происходит реакция связывания газа А + Вх == В2.

В этом случае уравнение (4) приобретает вид:

Подставляя данное соотношение в уравнение (14), приравнивая к нулю потоки компонентов, получим выражение для изотермы по модели двойной сорбции:

Р = 2 [ К1 ( С - С о) - К2 +

+ 7 (К1 ( с - с о) + К2 )2 + 4 К 2 К1 Со ].

Сорбция через гидрофобную пористую мембрану. В случае сорбции газа в жидкости через гидрофобную пористую мембрану (рис. 2), площадь поверхности мембраны (обозначена на рисунке пунктирной линией) отлична от площади свободной поверхности, на которой происходит сорбция. В связи с этим сопротивление границы раздела фаз газ-жидкость в этом случае отлично от сорбции на свободной границе.

В предположениях, что пористая среда представляет собой параллельные, разделенные между собой одинаковые цилиндрические поры радиуса г, а мениски жидкости являются сферическими с радиусом И, (Я > г), получим выражение для кажущейся

г

константы кинетики сорбции, совпадающей с проницаемостью мембраны:

+ _ Л +

¥§, 11я - ЛЕ, 1

1я е

Площадь мениска можно рассматривать как площадь боковой поверхности шарового сегмента

. Учи-

(см. рис. 2) с высотой к = Я 1-^1- ^ тывая, что Smen/Smem = 2лЯке/лг2, получим:

+ _ »+ 2еЯ

11я - 11я 22~

г

'-"-'Я

Рис. 3. Схема процесса переноса газа через мембрану.

Радиус мениска можно найти с использованием уравнения Лапласа, связывающим радиус кривизны

поверхности с перепадом давления: Я - 2а

Я = ЛР •

Таким образом, уравнение для кажущейся константы сорбции можно переписать в виде:

¥ 1 ня - 8е^цч(г|-)

'-''-(ГЛР)

(15)

При ЛР < 0 газ проходит через мембрану и может образовывать пузыри в жидкости, при 2 а

ЛР >--жидкость проходит через мембрану в

газовую фазу. Таким образом, перепад давления ЛР может варьироваться в диапазоне от 0

до —. В этой области кажущаяся константа

скорости сорбции меняется в диапазоне

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