Диффузия при газоразделении мембранно

Глава 4 посвящена вопросам внешней диффузии — анализу массопереноса из газового потока к мембране, учету влияния концентрационной поляризации на процесс мембранного газоразделения. [c.7]

Обычно при разделении газовой смеси через мембрану мигрируют все компоненты. Энергетическое сопряжение процессов диффузии и химической реакции позволяет интенсифицировать перенос целевого компонента с одновременным подавлением потоков других компонентов иногда возможна организация активного транспорта нецелевого компонента, проникшего в дренажную полость. Очевидно, реализация принципов энергетического сопряжения позволит резко повысить селективность разделения при сохранении высокой производительности мембран по целевому компоненту, что в конечном счете определяет экономичность мембранного газоразделения. [c.22]

Рассмотрим газоразделение через пористую мембрану. В общем случае для транспортировки компонента разделяемой газовой смеси через пористую мембрану могут быть задействованы одновременно несколько механизмов переноса в зависимости от структуры матрицы мембраны, разделяемой смеси и условий реализации процесса разделения. Так, массоперенос компонентов смеси может быть обусловлен конвективно-диффузионным переносом, различного типа скольжением вдоль поверхности пор, баро-и термодиффузией, кнудсеновской и поверхностной диффузией, пленочным течением, капиллярным переносом конденсированной фазы в анизотропных структурах [72, 73]. Однако не все эти механизмы равнозначны по вкладу в результирующий поток вещества, поэтому при вычислении коэффициента проницаемости необходимо определять механизмы, лимитирующие перенос вещества в пористой мембране. [c.388]

В предыдущей главе были даны термодинамические и кинетические соотношения для описания формирования мембраны с помощью процессов инверсии фаз. Эти соотношения содержат различные параметры, которые оказывают большое влияние на диффузию и процессы фазового разделения и, следовательно, на конечную морфологию мембраны. Показано, что могут быть получены два различных типа мембран, пористые мембраны (микрофильтрационные и ультрафильтрационные) и непористые мембраны (для первапорации и газоразделения), в зависимости от типа механизма формирования, а именно мгновенного фазового разделения или фазового разделения с запаздыванием. [c.139]

Транспорт вещества во многих процессах, в том числе природных, чаще осуществляется за счет диффузии, а не за счет конвекции. Вещества самопроизвольно диффундируют от мест с высоким химическим потенциалом в места с более низким химическим потенциалом. К мембранным процессам, для которых движущей силой является разность концентраций, относятся газоразделение, первапорация, диализ, а также процессы с участием жидких мембран (следует помнить, что в ряде случаев правильнее говорить о разности активностей, а не концентраций). С учетом структурных и функциональных различий процессы можно подразделить по типу применяемых в них мембран. В процессах газоразделения, первапорации и диализа используются синтетические, твердые (полимерные) мембраны. В некоторых [c.307]

В то время как микрофильтрация, ультрафильтрация и обратный осмос — более или менее сходные процессы, газоразделение, первапорация и диализ достаточно сильно отличаются друг от друга. Основное общее свойство последних трех процессов — использование в них непористых мембран. Заметим, что термин непористые не несет информации о проницаемости. В гл. II было показано, что проницаемость газа через высокоэластический или стеклообразный материал может различаться более чем на пять порядков, хотя оба материала относятся к непористым. Такая большая разница связана с особенностями сегментальной подвижности, которая в стеклообразном состоянии чрезвычайно затруднена. Присутствие кристаллитов может дополнительно снижать подвижность сегментов. Присутствие низкомолекулярных пенетрантов, как правило, увеличивает сегментальную подвижность и подвижность цепей. С увеличением концентрации пенетрантов (газа или жидкости) внутри полимерной мембраны растет подвижность цепей и, как следствие, увеличивается проницаемость (или коэффициент диффузии). Концентрация пенетранта внутри полимерной мембраны определяется по большей части сродством между пенетрантом и полимером. [c.308]

При газоразделении любые взаимодействия между молекулами газа и материалом мембраны очень слабо выражены, поэтому концентрации газа в мембране очень невелики. Молекулы газа должны диффундировать сквозь жесткую структуру мембраны, не оказывая на состояние полимера практически никакого влияния. В то же время, даже при очень низком сродстве пенетрантов такого типа, все-таки наблюдается различие, например, для азота и диоксида углерода. В противоположность этому растворимость жидких пенетрантов в мембране может быть значительно выше, вследствие этого цепи приобретают большую подвижность. При диализе может наблюдаться даже более сильное взаимодействие между жидкостью и мембраной, приводящее к более сильному набуханию полимера, и тогда относительно большие молекулы диффундируют сквозь мембрану с таким образом открытой пористой структурой. Рис. VI-14 схематически иллюстрирует изменение коэффициента диффузии низкомолекулярного компонента при увеличении степени набухания мембраны (набухание мембраны определяется отношением массовой доли пенетранта внутри мембраны к массовой доле сухого полимера). Видно, что коэффициент диффузии может изменяться от 10 до 10" м /с это убедительно доказывает, что подвижность полимерных цепей увеличивается в результате набухания и достигнутый коэффициент диффузии [c.308]

VI.4-2.2. Газоразделение с помощью непористых мембран Разделение газов непористыми мембранами определяется различием проницаемостей материала мембраны для этих газов. Простейшим способом описания диффузии газа является первый закон Фика [c.310]

Из приведенного выше описания транспорта вытекает, что стадия десорбции дает незначительный вклад в сопротивление переносу. Транспорт может быть описан с помощью механизма растворения — диффузии, в котором селективность определяется селективной сорбцией и/или селективной диффузией. Действительно, мембраны одного и того же типа или мембранного материала могут быть использованы как для газоразделения, так и для первапорации. Но сродство жидкости к полимеру обычно намного превышает сродство газа к полимеру, что и определяет повышенные растворимости жидкостей в полимере. Такой эффект уже отмечался для органических паров, по отношению к которым наблюдается большая проницаемость высокоэластических полимеров, чем для постоянных газов, например, азота. В случае газоразделения селективность по отношению к смеси можно оценить, исходя из отношения проницаемостей мембраны для чистых газов. Но для жидких смесей характеристики разделения нельзя получить из данных для чистых жидкостей из-за наложения явлений сопряжения (взаимного влияния) и термодинамических вза- [c.327]

Новым перспективным направлением разделения природного газа становится мембранная технология [8], базирующаяся на различной способности компонентов газовой смеси диффундировать через непористую полимерную перегородку - мембрану [9]. В этом случае проникновение газов через мембрану представляет собой сложный процесс, включающий адсорбцию газа на поверхности мембраны растворение газа в мембране активированную диффузию газа в мембрану и через нее выделение газа из мембраны (твердого раствора) на другой ее поверхности десорбцию газа с указанной поверхности мембраны. Особенность мембранной технологии газоразделения состоит в том, что извлечение отдельных компонентов из газовой смеси происходит без фазовых превращений, с минимальными энергетическими затратами. [c.43]

Установленная экспериментально аддитивность диффузии Не, N2, СН4 и Ne через ацетатцеллюлозную мембрану обосновывает возможность расчета с использованием известных математических моделей достаточно крупных аппаратов газоразделения для опытной и опытно-промышленной проверки мембранной технологии на Оренбургском гелиевом заводе и других предприятиях отрасли. [c.57]

Мембранное газоразделение-разделение на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов. При использовании пористых перегородок с преим. размером пор (5-30)-10 мкм разделение газов происходит вследствие т. наз. кнудсеновской диффузии. Для ее осуществления необходимо, чтобы длина своб. пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т. е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул. Поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетич. теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате пермеат обогащается компонентом с меньшей мол. массой, концентрат-с большей. Коэф. разделения смеси = и,/ 2 = (Мз/М,) , где 1 и 2-числа молей компонентов соотв. с мол. массами М1 и М2. В реальных условиях весьма трудно с помощью пористых мембран обеспечить чисто кнудсе-новский механизм разделения компонентов. Это объясняется адсорбцией или конденсацией их на стенках пор перегородки и возникновением дополнительного т. наз. конденсационного либо поверхностного газового потока, наличие к-рого приводит к снижению К . [c.25]

Мембранное газоразделение. Это процесс разделения на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов. При использовании пористых мембран с преимущественным размером пор 0,005-0,03 мкм разделение газов происходит вследствие так называемой кнудсеновской диффузии. Для ее осуществления необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т.е. чтобы частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул. Поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетической теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате пермеат обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, ретант (концентрат) - с большей. Коэффициент разделения смеси Кр = / 2 = где и 2 число молей компонен- [c.331]

Механизмом переноса веществ через неаористые полимерные мембраны в процессах испарения через мембрану так же, как и в процессах газоразделения, является сорбционно-диффузионный механизм. Перенос через мембрану осуществляется в три стадии растворение проникающих через мембрану веществ со стороны жидкости в полимерном материале диффузия этих веществ через мембрану их испарение с другой стороны мембраны. Селективность процесса определяется селективной сорбцией и (или) селективной диффузией. В отличие от газоразделения сильное сродство компонентов жидкой смеси к полимерному материалу мембраны вызывает повыщенную растворимость жидкости в полимере. В процессе первапорации ироисходит значительное анизотропное набухание материала мембраны. Со стороны паровой фазы мембрана остается практически сухой, а со стороны жидкости устанавливается равновесное состояние и степень набухания велика. Перенос компонентов смеси через неравномерно набухшую мембрану определяется величинами локальных коэффициентов диффузии компонентов, зависящими от их концентраций. В результате профиль концентрации каждого из компонентов в направлении, перпендикулярном к поверхности мембраны, оказывается существенно нелинейным. Тогда и коэффициент проницаемости не будет постоянной величиной, а будет существенно зависеть от состава смеси. Например [4], если для разделения системы этанол—вода в качестве полимера использовать поливиниловый спирт, то при низких концентрациях спирта мембрана сильно набухает и селективность равна нулю. При низких концентрациях воды поливиниловый спирт имеет высокую селективность по отношению к воде и достаточно большую проницаемость. [c.431]

В газодиффузионных мембранах массоперенос обычно обусловлен тремя механизмами объемной диффузией, кнудсеновской диффузией и вязкостным течением. Поскольку известно, что объемная диффузия и вязкостное течение ухудшают процесс разделения, то процесс газоразделения следует проводить в режиме свободномолекулярного (кнудсеновского) течения, реализующегося при низких давлениях, когда средняя длина свободного пробега молекулы Л 2(1р т. е. параметр Кнудсена Кп = Х/ёр 1, где р = 2г — характерный размер пористой системы, (г — радиус поры для мембраны с одинаковыми параллельными капиллярами) или с1р = АП/З, где и — пористость, 3 — площадь поверхности пор в единице объема тепа. При этом поток вещества [c.389]

Процесс газоразделения также уже достиг промышленной стадии развития. В этом процессе могут использоваться два различных типа мембран (хотя и в различных режимах применения) плотные мембраны, в которых транспорт реализуется как молекулярная диффузия, и пористые мембраны, в которых действует поток Кнудсена. Промышленное применение газоразделение нашло в процессах извлечения водорода другие примеры — процессы разделения кислорода и азота, а также метана и углекислого газа. [c.34]

В предыдущих разделах была сделана попытка сформулировать существенные различия принципов, лежащих в основе различных мембранных процессов, и то, как они реализуются в разных макроскопических моделях. Предельными случаями при этом являются процессы, в которых используются пористые (ультрафильтрация и микрофильтрация) и непористые мембраны (газоразделение и первапорация). Существующие модели можно классифицировать по тому, используется ли в них феноменологический подход или термодинамика необратимых процессов, с одной стороны, или подход, основаный на модели пор и механизме растворения и диффузии, с другой стороны. Во всех феноменологических моделях реализуется принцип черного ящика , т. е. они не дают информации о том, как в действительности протекает процесс разделения. В механистических моделях пытаются связать параметры процессов разделения со структурными параметрами мембран и описать на этой основе поведение смесей. Этот тип моделей уже дает определенную информацию о реальном процессе разделения и о факторах, которые на него влияют. [c.259]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология