Содержание к диссертации
Введение
2. Модель процесса массопереноса в мембранно-жидкостныхконтакторных системах 24
2.1. Массоперенос в газовой фазе 24
2.2. Газоперенос в жидкой фазе 35
2.3. Неравновесная абсорбция газов 37
2.3.1. Сорбция при отсутствии химических превращений 39
2.3.2. Неравновесная сорбция по Ленгмюру 39
2.3.3. Неравновесная сорбция по модели двойной сорбции 40
2.4. Сорбция через гидрофобную пористую мембрану 41
2.5. Неравновесный газоперенос через непористую мембрану 43
2.6. Неравновесная сорбция в жидкости через непористую мембрану 44
2.6.1. Неравновесная физическая сорбция в жидкости через непористую мембрану 46
2.6.2. Неравновесная сорбция по Ленгмюру в жидкости через непористую мембрану 47
2.6.3. Неравновесная сорбция по модели двойной сорбции в жидкости через непористую мембрану 48
3. Исследование процесса газопереноса в мембранном контакторе 49
3.1. Теоретическое исследование переноса в мембранном контакторе 49
3.2. Исследование процесса очистки газовой смеси в мембранном контакторе с физическим абсорбентом . 59
3.3. Исследование процесса газоразделения в рециркуляционных мембранных контакторных системах 70
3.4. Экспериментальное исследование удаления углекислого газа из газовой смеси 78
3.5. Исследование процесса осушки воздуха 91
4. Газоперенос в селективном мембранном вентиле 102
4.1. Математическая модель процесса 103
4.2. Экспериментальная методика определения коэффициентов переноса 106
Заключение 113
Список обозначений 114
Список литературы 118
- Неравновесная абсорбция газов
- Неравновесная сорбция в жидкости через непористую мембрану
- Исследование процесса очистки газовой смеси в мембранном контакторе с физическим абсорбентом
- Экспериментальное исследование удаления углекислого газа из газовой смеси
Введение к работе
Мембранный абсорбер или мембранный контактор (МК) позволяет реализовать высокую селективность процесса, характерную для абсорбции в широком диапазоне рабочих параметров, что характерно для мембранного метода [1-7].
Первые мембранные контакторы появились в конце 70-ых годов прошлого столетия, и основным их назначением было насыщение крови кислородом, которое достигалось из-за использования мезопористых гидрофобных мембран [1, 3]. В настоящее время мембранные контакторы представляют собой быстро развивающейся способ разделения различных жидкостей и газовых смесей. Они обеспечивают лёгкий селективный перенос компонента или вещества между двумя жидкими фазами или жидкой и газовой фазами. Мембрана выполняет функцию границы раздела фаз.
Существуют различные виды классических методов разделения, в том числе абсорберы, дистилляционные или экстракционные колонны или испарители, но в настоящее время мембранные контакторы создают им серьёзную конкуренцию. Это связано с тем, что мембранные контакторы имеют относительно простой способ увеличения контактной поверхности между фазами без принципиального изменения конструкции.
Есть различные определения мембранных контакторов. Наиболее общее гласит: мембранный контактор - это разделительное устройство, в котором присутствует селективный массоперенос компонентов между двумя или несколькими фазами [8]. Однако это определение так же включает в себя абсорбционные и адсорбционные колонны. В связи с этим далее под мембранными контакторами будем понимать только разделительные устройства, в которых две движущиеся фазы, между которыми происходит массообмен, разделены между собой мембраной.
В соответствии с фазами выделяют различные типы мембранных контакторов: газо-жидкостные, жидкость - жидкостные.
В настоящее время в основном уделяется внимание двум видам мембранных контакторов: системам с подвижными и неподвижными жидкими носителями. В первом случае используются явления облегчённого транспорта газов за счёт применения специфических переносчиков.
Мембранные контакторы жидкость - жидкость характеризуются двумя потоками жидкости, разделёнными пористой или непористой мембраной. Такие системы широко используются при осуществлении процессов диализа, обратного осмоса, дистилляции, экстракции и др. Подобные контакторы применяются во многих областях: экстракция продуктов брожения, удаление тяжёлых металлов, летучих компонентов, всех видов биопродуктов и т. д.
Для жидкость - жидкостных контакторов основным преимуществом является возможность использования довольно больших удельных поверхностей контакта, избегая при этом проблем эмульгирования или засорения. Недостатком таких мембранных контакторов независимо от используемого типа являются технологические ограничения, связанные с необходимостью использования мембран и полимеров, химически устойчивых к растворителям.
Традиционно для разделения в системах газ-жидкость, жидкость-жидкость применяется диспергирование одной фазы в другой в колоннах либо развитие поверхности контакта фаз за счет использования тарелочных и упакованных колонн. Более подробно преимущества мембранных контакторов перед абсорбционными и экстракционными колоннами заключаются в следующем [1,8]:
1. Потоки обоих фаз независимы, в результате их изменения не возникает захлебки и усадки 2. Исключено образование эмульсий и аэрозолей, из-за того, что нет диспергирования одной фазы в другой
3. Для жидкость-жидкостных контакторов необязательно различие плотностей разделяемы смесей.
4. Контакторы относительно легко масштабируются.
5. Постоянство площади контакта фаз упрощает предсказание производительности и расчет устройств в целом, когда в колоннах с дисперсией фаз площадь контакта фаз - величина зависящая от условий работы и свойств жидкости.
6. Потери сорбента малы, что делает возможным применение дорогих носителей.
7. В отличие от колонн с диспергированием путем механического перемешивания в мембранных контакторах нет движущихся частей.
8. В упакованных и тарелочных колоннах площадь контакта фаз (ІО -Ю2 м2/м3), когда в мембранных системах достижима 103 м2/м3. [8]
Данные преимущества, за исключением последнего пункта можно описать как относительную простоту моделирования и использования мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами.
В качестве недостатков контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами можно назвать следующее:
1. Мембрана может оказывать сопротивление массопереносу, но во многих случаях влияние сопротивления мало, и существуют пути для его уменьшения [3,9].
2. При реализации модулей промышленного масштаба возможно образование областей, в которой жидкость будет течь, не взаимодействуя с другой фазой.
3. Мембраны могут менять свойства и растворятся под воздействием жидких смесей, а также подвергаться воздействию высоких температур и давлений. Поэтому при проектировании следует учитывать ее стабильность и затраты на периодическую замену мембран, или модулей.
Эти преимущества и недостатки сформулированы для контакторов, как на пористых, так и непористых мембранах [8].
Классификация мембранных контакторов
По типу мембран
В контакторах находят применение мембраны, изготовленные как из пористого материала, так и непористого [1, 3, 4, 9, 10, 11]. Рассмотрим мембрану, состоящую из пористого материала. В этом случае возможны два состояния границы раздела фаз -жидкость или пар. Если мембрана изготовлена из несмачиваемого по отношению к жидкому носителю материала, такого, например, как политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен (данные полимеры не смачиваются водой), то при наличии жидкой фазы, в рабочем диапазоне давлений поры мембраны будут заполнены газовой фазой. В противном случае внутрипористое пространство будет наполнено жидкостью.
Эксплуатация мембран сталкивается с такими трудностями, как влияние давления и перепада давления. Для их преодоления используют непористые мембраны или нанесение непористого слоя на пористую подложку [3,10-13].
Возможна реализация качественных различий в разделительных характеристиках МК по сравнению с абсорбционным методом при использовании непористых мембран. Примером такого процесса является первапорация [8, 14] в которой, благодаря использованию селективной непористой мембраны удается существенным образом повысить разделительные характеристики по сравнению с дистилляцией. Реализация селективных свойств мембраны возможна в случае использования низкоселективной жидкости по отношению к разделяемым компонентам газовой смеси [15].
Для исключения попадания жидкого носителя в газовую фазу необходимо, поддерживать правильный режим давлений между фазами. Мембраны, смачиваемые жидким носителем оказывают существенное сопротивление массопереносу [1, 8]. Причем использование смачиваемых мембран связано с тем, что давление газа должно быть больше чем жидкости, а несмачиваемьк - меньше чем жидкости в пределах капиллярного давления жидкости в порах. Такие требования становятся трудновыполнимыми при больших потоках и высоких рабочих давлениях системы. Использование непористых мембран упрощает задачу выбора режима давлений, в этом случае, для исключения диспергирования одной фазы в другой достаточно чтобы давление газа было меньшим, чем давление жидкости.
Считается, что основным недостатком непористых мембран перед пористыми в МК является большее сопротивление на массоперенос [1, 16, 17]. Данное утверждение базируется на предположении локального равновесия компонент на границах раздела фаз [8,9,17-21]. В этом случае значения концентраций компонент 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 развиты методики по определению коэффициентов диффузии газов в полимерных мембранах [8,18-21].
Оказывается, что учет неравновесного механизма сорбции в ряде случаев приводит к несильному усложнению математического описания процессов, расширяя при этом область применимости построенных моделей. Например, в работе [23] показано, что зависимость проницаемости по кислороду сухой полимерной пленки от толщины [24], достаточно хорошо описывается моделью, включающей в себя процессы неравновесной сорбции на границах раздела фаз и диффузии через мембрану.
Одним из преимуществ мембранных контакторов на непористых мембранах является возможность работы при высоких давлениях. Показано, что существуют практически интересные режимы работы контакторов, производительность мембраны слабо влияет на процесс [3, 15]. Существуют также случаи, в которых применение контакторов с пористыми мембранами принципиально недопустимо, в первую очередь это системы связанные с жизнедеятельностью человека, например, при оксигенации крови категорически недопустимо попадание пузырей воздуха в плазму [3].
По организации течений.
Для мембранных контакторов существенным является направление распределения потоков жидкости и газа. Установки и системы мембранного разделения можно классифицировать по способу организации направления потоков разделяемых веществ. Классифицируя по конструктивному признаку, различают следующие виды мембранных контакторов:
о прямоточного типа;
о противоточного типа;
о перекрестноточные (перпендикулярного тока).
Наиболее эффективное разделение получено для систем с противотоком и перпендикулярным током. Wang и Cussler обосновали применение противотока в мембранных модулях в случаях, когда основное сопротивление массопереносу оказывает внутренний слой мембранного волокна [1, 25, 26]. Однако, при применении таких модулей макроскопический коэффициент массопереноса может быть мал, а также в случаях значительного сопротивления внешнего слоя мембранного волокна поток становится неравномерньм. В этом случае предпочтительно использовать перекрестноточную систему. Перпендикулярный поток обеспечивает больший коэффициент массопереноса по сравнению с прямотоком. Эффективность перпендикулярного потока повышают за счет использования некоторого количества модулей с перегородками, сочетающими элементы противотока и перпендикулярного тока. Увеличение количества модулей приводит к росту перепада давлений. Wang и Cussler изучили влияние количества секций на массоперенос [25]. Авторами разработана модель для извлечения кислорода с использованием цилиндрических модулей с перегородками. Изучена эффективность таких модулей для нескольких режимов, включая поперечный ток, соток и противоток, поток газа всегда направлялся с внешней стороны волокон. Модули, для которых проводился расчёт, содержали две, пять секций или ни одной. Наивысшие результаты достигнуты при использовании модулей с пятью секциями в режиме противотока, но результаты в работе с двухсекционным модулем практически не отличались. Результаты двухсекционного модуля в режиме прямотока уступали результатам полученным при использовании модуля без перегородок в режиме перекрёстного тока.
Следует отметить, что результаты и рекомендации полученные приведенными и многими другими экспериментальными методами применимы только в узком диапазоне исследуемых параметров, для систем конкретного вида [15], при создании которых зачастую не уделяется даже должного внимания выработке критериев подобия и сравнения мембранно-абсорбционных устройств. Например, в [2] проводится сравнение половолоконных мембранных контакторов с пористыми и непористыми мембранами на модулях с разной геометрией (различные площади мембран, диаметр волокон, плотность упаковки), а в качестве критерия подобия используется число Рейнольдса, которое, как известно, характеризует режим гидродинамического течения жидкости, а не массоперенос в системе. При более внимательном изучении материалов данной работы становится ясным, что выводы, опубликованные авторами, не обоснованы.
Неравновесная абсорбция газов
Мембранный абсорбер или мембранный контактор (МК) позволяет реализовать высокую селективность процесса, характерную для абсорбции в широком диапазоне рабочих параметров, что характерно для мембранного метода [1-7].
Первые мембранные контакторы появились в конце 70-ых годов прошлого столетия, и основным их назначением было насыщение крови кислородом, которое достигалось из-за использования мезопористых гидрофобных мембран [1, 3]. В настоящее время мембранные контакторы представляют собой быстро развивающейся способ разделения различных жидкостей и газовых смесей. Они обеспечивают лёгкий селективный перенос компонента или вещества между двумя жидкими фазами или жидкой и газовой фазами. Мембрана выполняет функцию границы раздела фаз.
Существуют различные виды классических методов разделения, в том числе абсорберы, дистилляционные или экстракционные колонны или испарители, но в настоящее время мембранные контакторы создают им серьёзную конкуренцию. Это связано с тем, что мембранные контакторы имеют относительно простой способ увеличения контактной поверхности между фазами без принципиального изменения конструкции.
Есть различные определения мембранных контакторов. Наиболее общее гласит: мембранный контактор - это разделительное устройство, в котором присутствует селективный массоперенос компонентов между двумя или несколькими фазами [8]. Однако это определение так же включает в себя абсорбционные и адсорбционные колонны. В связи с этим далее под мембранными контакторами будем понимать только разделительные устройства, в которых две движущиеся фазы, между которыми происходит массообмен, разделены между собой мембраной.
В настоящее время в основном уделяется внимание двум видам мембранных контакторов: системам с подвижными и неподвижными жидкими носителями. В первом случае используются явления облегчённого транспорта газов за счёт применения специфических переносчиков.
Мембранные контакторы жидкость - жидкость (рис. 1.1.) характеризуются двумя потоками жидкости, разделёнными пористой или непористой мембраной. Такие системы широко используются при осуществлении процессов диализа, обратного осмоса, дистилляции, экстракции и др. Подобные контакторы применяются во многих областях: экстракция продуктов брожения, удаление тяжёлых металлов, летучих компонентов, всех видов биопродуктов и т. д.
Для жидкость - жидкостных контакторов основным преимуществом является возможность использования довольно больших удельных поверхностей контакта, избегая при этом проблем эмульгирования или засорения. Недостатком таких мембранных контакторов независимо от используемого типа являются технологические ограничения, связанные с необходимостью использования мембран и полимеров, химически устойчивых к растворителям.
Традиционно для разделения в системах газ-жидкость, жидкость-жидкость применяется диспергирование одной фазы в другой в колоннах либо развитие поверхности контакта фаз за счет использования тарелочных и упакованных колонн. Более подробно преимущества мембранных контакторов перед абсорбционными и экстракционными колоннами заключаются в следующем [1,8]: 1. Потоки обоих фаз независимы, в результате их изменения не возникает захлебки и усадки 2. Исключено образование эмульсий и аэрозолей, из-за того, что нет диспергирования одной фазы в другой 3. Для жидкость-жидкостных контакторов необязательно различие плотностей разделяемы смесей. 4. Контакторы относительно легко масштабируются. 5. Постоянство площади контакта фаз упрощает предсказание производительности и расчет устройств в целом, когда в колоннах с дисперсией фаз площадь контакта фаз - величина зависящая от условий работы и свойств жидкости. 6. Потери сорбента малы, что делает возможным применение дорогих носителей. 7. В отличие от колонн с диспергированием путем механического перемешивания в мембранных контакторах нет движущихся частей. 8. В упакованных и тарелочных колоннах площадь контакта фаз (ІО -Ю2 м2/м3), когда в мембранных системах достижима 103 м2/м3. [8] Данные преимущества, за исключением последнего пункта можно описать как относительную простоту моделирования и использования мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами. В качестве недостатков контакторов по сравнению с абсорбционными колоннами можно назвать следующее: 1. Мембрана может оказывать сопротивление массопереносу, но во многих случаях влияние сопротивления мало, и существуют пути для его уменьшения [3,9]. 2. При реализации модулей промышленного масштаба возможно образование областей, в которой жидкость будет течь, не взаимодействуя с другой фазой. 3. Мембраны могут менять свойства и растворятся под воздействием жидких смесей, а также подвергаться воздействию высоких температур и давлений. Поэтому при проектировании следует учитывать ее стабильность и затраты на периодическую замену мембран, или модулей.
Неравновесная сорбция в жидкости через непористую мембрану
В контакторах находят применение мембраны, изготовленные как из пористого материала, так и непористого [1, 3, 4, 9, 10, 11]. Рассмотрим мембрану, состоящую из пористого материала. В этом случае возможны два состояния границы раздела фаз -жидкость или пар. Если мембрана изготовлена из несмачиваемого по отношению к жидкому носителю материала, такого, например, как политетрафторэтилен, полиэтилен, полипропилен (данные полимеры не смачиваются водой), то при наличии жидкой фазы, в рабочем диапазоне давлений поры мембраны будут заполнены газовой фазой. В противном случае внутрипористое пространство будет наполнено жидкостью [1].
Эксплуатация мембран сталкивается с такими трудностями, как влияние давления и перепада давления. Для их преодоления используют непористые мембраны или нанесение непористого слоя на пористую подложку [3,10-13].
Возможна реализация качественных различий в разделительных характеристиках МК по сравнению с абсорбционным методом при использовании непористых мембран. Примером такого процесса является первапорация [8, 14] в которой, благодаря использованию селективной непористой мембраны удается существенным образом повысить разделительные характеристики по сравнению с дистилляцией. Реализация селективных свойств мембраны возможна в случае использования низкоселективной жидкости по отношению к разделяемым компонентам газовой смеси [15].
Для исключения попадания жидкого носителя в газовую фазу необходимо, поддерживать правильный режим давлений между фазами. Мембраны, смачиваемые жидким носителем оказывают существенное сопротивление массопереносу [1, 8]. Причем использование смачиваемых мембран связано с тем, что давление газа должно быть больше чем жидкости, а несмачиваемьк - меньше чем жидкости в пределах капиллярного давления жидкости в порах. Такие требования становятся трудновыполнимыми при больших потоках и высоких рабочих давлениях системы. Использование непористых мембран упрощает задачу выбора режима давлений, в этом случае, для исключения диспергирования одной фазы в другой достаточно чтобы давление газа было меньшим, чем давление жидкости.
Считается, что основным недостатком непористых мембран перед пористыми в МК является большее сопротивление на массоперенос [1, 16, 17]. Данное утверждение базируется на предположении локального равновесия компонент на границах раздела фаз [8,9,17-21]. В этом случае значения концентраций компонент 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 развиты методики по определению коэффициентов диффузии газов в полимерных мембранах [8,18-21].
Оказывается, что учет неравновесного механизма сорбции в ряде случаев приводит к несильному усложнению математического описания процессов, расширяя при этом область применимости построенных моделей. Например, в работе [23] показано, что зависимость проницаемости по кислороду сухой полимерной пленки от толщины [24], достаточно хорошо описывается моделью, включающей в себя процессы неравновесной сорбции на границах раздела фаз и диффузии через мембрану.
Одним из преимуществ мембранных контакторов на непористых мембранах является возможность работы при высоких давлениях. Показано, что существуют практически интересные режимы работы контакторов, производительность мембраны слабо влияет на процесс [3, 15]. Существуют также случаи, в которых применение контакторов с пористыми мембранами принципиально недопустимо, в первую очередь это системы связанные с жизнедеятельностью человека, например, при оксигенации крови категорически недопустимо попадание пузырей воздуха в плазму [3].
Исследование процесса очистки газовой смеси в мембранном контакторе с физическим абсорбентом
Наиболее эффективное разделение получено для систем с противотоком и перпендикулярным током. Wang и Cussler обосновали применение противотока в мембранных модулях в случаях, когда основное сопротивление массопереносу оказывает внутренний слой мембранного волокна [1, 25, 26]. Однако, при применении таких модулей макроскопический коэффициент массопереноса может быть мал, а также в случаях значительного сопротивления внешнего слоя мембранного волокна поток становится неравномерньм. В этом случае предпочтительно использовать перекрестноточную систему. Перпендикулярный поток обеспечивает больший коэффициент массопереноса по сравнению с прямотоком. Эффективность перпендикулярного потока повышают за счет использования некоторого количества модулей с перегородками, сочетающими элементы противотока и перпендикулярного тока. Увеличение количества модулей приводит к росту перепада давлений. Wang и Cussler изучили влияние количества секций на массоперенос [25]. Авторами разработана модель для извлечения кислорода с использованием цилиндрических модулей с перегородками. Изучена эффективность таких модулей для нескольких режимов, включая поперечный ток, соток и противоток, поток газа всегда направлялся с внешней стороны волокон. Модули, для которых проводился расчёт, содержали две, пять секций или ни одной. Наивысшие результаты достигнуты при использовании модулей с пятью секциями в режиме противотока, но результаты в работе с двухсекционным модулем практически не отличались. Результаты двухсекционного модуля в режиме прямотока уступали результатам полученным при использовании модуля без перегородок в режиме перекрёстного тока.
Следует отметить, что результаты и рекомендации полученные приведенными и многими другими экспериментальными методами применимы только в узком диапазоне исследуемых параметров, для систем конкретного вида [15], при создании которых зачастую не уделяется даже должного внимания выработке критериев подобия и сравнения мембранно-абсорбционных устройств. Например, в [2] проводится сравнение половолоконных мембранных контакторов с пористыми и непористыми мембранами на модулях с разной геометрией (различные площади мембран, диаметр волокон, плотность упаковки), а в качестве критерия подобия используется число Рейнольдса, которое, как известно, характеризует режим гидродинамического течения жидкости, а не массоперенос в системе. При более внимательном изучении материалов данной работы становится ясным, что выводы, опубликованные авторами, не обоснованы. Конструкции газоразделительных модулей и мембранных контакторов Разработка мембранных контакторов, поиск конструкторских решений должны производиться с учетом конкретного применения мембранных контакторов. Так, например, при оксигенации крови необходимо максимизировать количество кислорода, поступающего в единицу объема [3]. Это минимизирует требуемый объем контактора и, как следствие, объем крови, находящийся вне тела человека. Вместе с тем для применения мембранных контакторов в промышленности необходимо максимально уменьшить стоимость единицы перенесенной массы, но из этого не обязательно следует максимальное количество вещества, перенесенного сквозь мембрану в единице объема модуля.
Основной и наиболее очевидной величиной в модуле является площадь мембраны, подлежащая оптимизации, поскольку от нее напрямую зависит производительность модуля. Производительность половолоконных модулей зависит от его длины. Считается, что использование длинных половолоконных модулей повышает эффективность [1], но влечет за собою затраты на создание большого перепада давления. Как будет показано ниже для систем с параллельным течением газа и жидкости существенное значение, на массоперенос играет площадь мембраны, а не длина канала.
Экспериментальное исследование удаления углекислого газа из газовой смеси
Модуль, разработанный в ИНХС РАН им. А. В, Топчиева, представляет собой диффузионную ячейку из нержавеющей стали, которая имеет отверстия для входа и отвода жидкости и газа [4]. Мембранная кассета снабжена турбулизирующей полиамидной сеткой и силиконовой прокладкой, между которыми помещены мембраны из поливинилтриметилсилана (ПВТМС) [16, 30, 31] или политриметисилипропина (ПТМСП) [14, 32, 33], разделяющие газовую и жидкую фазу. Схема движения потоков через контактор представлена на Рис. 1.2 (б). Общая площадь мембранной кассеты, в которой содержится 15 параллельных каналов для жидкого абсорбента составляет 1,5 кв.м.
Несмотря на то, что процесс массопереноса может быть организован с использованием различных конфигураций мембран в модуле, наибольшее распространение получили половолоконные мембранные контакторы [1-3, 5, 17, 25, 26, 34-49]. Такой интерес к половолоконным мембранным контакторам объясняется высокой плотностью упаковки мембран в них, к тому же половолоконные мембранные контакторы более просты в сборке и монтаже, чем плоскорамные аналоги. Другое важное преимущество мембран данного типа заключается в отсутствии необходимости создания поддерживающих устройств. Это выгодно отличает их от тонких плоских мембран, недостаточная механическая прочность которых делает нежелательным повышение величин потоков из-за возможности их разрыва в процессе разделения.
Половолоконные модули были разработаны и нашли широкое применение для процессов разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией, движущей силой которых является градиент давления, а не концентрации [8]. Мембраны в виде полых волокон для обратного осмоса обычно имеют наружный диаметр 45-200 мкм и толщину стенки 10-50 мкм, а для ультрафильтрации соответственно 200-1000 и 50-200 мкм [8]. При таких размерах обеспечивается необходимая прочность волокон под действием рабочих давлений, используемых при жидкофазном мембранном разделении (до 10 МПа) или разделении газов.
Чаще всего в качестве полых волокон для МК используются пористые мембраны с широким диапазоном размеров пор (наиболее используемые мембраны с диапазоном пор 0,02-0,2 мкм). [1].
Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая удельная поверхность мембран - до 20-30 тыс. кв.м / куб.м. Поэтому они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах, и производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности, при очистке и разделении газов и т.п. Однако при эксплуатации этих аппаратов предъявляют промышленные требования к предварительной очистке разделяемых смесей от взвесей. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь пучок волокон.
Трубчатые мембраны имеют столь большой диаметр, что они нуждаются в специальном поддерживающем слое, в то время как полые волокна и капилляры являются самоподдерживающимися. Трубчатые мембраны помещают внутрь трубок из пластика или нержавеющей стали, при этом диаметр трубок должен превышать 10 мм. Поток питания подается в центр трубки, а поток пермеата отбирается снаружи, из межтрубного пространства. В такой конфигурации чаще всего используются керамические мембраны.
Различие между половолоконными и капиллярными модулями состоит только в размерах, диаметрах волокна, их составляющих. В итоге они имеют различную плотность упаковки: для капиллярных модулей она составляет 600-1200 м2/ м3, в то время как половолоконные модули имеют плотность упаковки примерно 30000 м / м
Такие модули представляют собой множество волокон собранных в пучки и закрепленных на концах модуля. Свободные концы уплотняют специальными массами, например, эпоксидными смолами или силиконовыми каучуками. Это позволяет получить достаточно прочные мембраны без дополнительных подложек. Применение мембран в виде тонких трубок и полых волокон обеспечивает компактность как диффузионных ячеек, так и конструкции в целом. В этом заключается их большое преимущество по сравнению с другими типами мембран, так как удается получить громадные удельные поверхности в небольшом объеме аппарата.
фланцами 2 для крепления сборников пермеата 1 и трубных решеток 5. Полые волокна в виде пучков 4 размещены в корпусе 3 нитрата параллельно его оси, а концы полых волокон с помощью эпоксидной смолы и уплотнений герметично закреплены в трубных решетках 5. Разделяемая смесь (например, раствор) движется вдоль наружной поверхности, полых волокон 4. Под давлением часть жидкости проходит через стенки, штоком и по их внутренним капиллярам отводится в сборник, образуя пермеат. Концентрированный раствор непрерывно выводится из аппарата. Режим течения тут реализуется противоточный.
Аппараты рассмотренного типа имеют существенные недостатки, например: сложность крепления и герметизация пучков волокна, неравномерное распределение разделяемого раствора в пучках волокон и др. Отмеченные недостатки устранены в аппаратах с мембранными элементами в виде полых волокон, образующих один пучок намотанный на распределительную трубу, которая имеет отверстия для подачи разделяемого раствора внутрь пучка волокон. В таких модулях реализуется перекрестноточный режим течения газа и жидкости [1].
