Коэффициенты в мембранных процессах

Рассмотрим влияние энергетического сопряжения на результирующий перенос массы и селективность мембранного процесса в стационарных условиях [1]. Для анализа введем следующие комплексы феноменологических коэффициентов из уравнения (1.7) [c.18]

Поверхностные явления играют ключевую роль в мембранных процессах и существенны для всех типов мембран, кроме газодиффузионных. Абсолютные значения коэффициента проницаемости и селективности мембран, температурная и барическая зависимость этих характеристик, во многом определяются закономерностями сорбционного процесса на поверхности и в матрице мембраны. Обычно допускается, что скорость сорбции намного превышает скорость переноса массы и распределение вещества между сорбированной и объемной фазами равновесно. Поэтому ограничимся анализом условий сорбционного равновесия и разделительных характеристик равновесного сорбционного процесса. [c.42]

Таким образом, при известных характеристиках мембраны и заданном давлении и Рр можно подбором состава исходной смеси добиться оптимальных энергетических характеристик мембранного процесса в модуле. Такая возможность направленного изменения состава Xf- Xf ) появляется в схемах мембранных ступеней разделения с рециклом проникшего или сбросного потоков, при этом условие т]мд(л )->тах следует учесть при выборе коэффициента рециркуляции. [c.263]

Однако при определении коэффициентов протекаемости процесс сорбции воды мембраной к началу измерений уже закончен, поскольку обе поверхности мембраны контактируют с исходным раствором (см. методику измерений). Поэтому на гидравлическую протекаемость изменение вязкости исходного раствора с изменением содержания О2О оказывает большее влияние, чем на проницаемость по отношению к парам [c.67]

При диффузионно-мембранном процессе испарения через мембрану отводятся пары растворителя, которые затем конденсируются в отдельном конденсаторе. Процесс переноса паров растворителя поперек мембраны описывается законом диффузии Фика (уравнение (5.5)), в котором коэффициент диффузии имеет смысл коэффициента эквивалентного квазидиффузионного переноса целевого компонента в пористой структуре мембраны и определяется опытным путем для каждой конкретной пары компонент - мембрана. [c.468]

Поскольку коэффициенты проницаемости даже для наиболее хорошо проникающих газов, таких как Нг и Не, низки, в разделении газов долгое время превалировали процессы, отличные от мембранных. Однако в последнее время возможности использования мембранных процессов заметно возросли из-за применения высокого давления исходного газа, уменьшения эффективной толщины мембраны и увеличения площади мембраны. [c.33]

Неравновесную термодинамику применяли ко всем типам мембранных процессов, а также к разбавленным растворам, содержащим растворитель (обычно воду) и растворенное вещество [5, 6]. Характеристики мембраны в таких системах могут быть описаны с помощью трех коэффициентов, или транспортных параметров проницаемость для растворителя проницаемость для растворенного вещества и и коэффициент отражения а. При использовании воды в качестве растворителя (индекс IV) для данного растворенного вещества (индекс б) диссипативная функция (рост энтропии) в разбавленном растворе является суммой потока растворителя и потока растворенного вещества, умноженных на сопряженные им движущие силы [c.219]

Для пористых мембран процесс массопереноса газа в жидкость более сложный. Если давление газа поддерживается меньшим, чем давление образования первого пузырька на пористой мембране, то не возникает суш ественного перепада давления мембраны и массоперенос происходит посредством диффузии в порах мембраны. Если мембрана выполнена из гидрофильного материала, то пузырьки образуются на стороне газовой фазы и поры наполнены водой. Этой ситуации следует избегать, поскольку коэффициенты диффузии в воде существенно меньше, что увеличивает сопротивление массопереносу на мембране. Если мембрана выполнена из гидрофобного материала, пузырьки образуются на мембране со стороны водной фазы, а поры заполнены газом. В этом случае массоперенос через поры (в газодинамическом или кнудсеновском режиме) зависит от структуры мембраны, свойств газа и общего давления. При этом сопротивление массопереносу самой мембраны меньше, чем сопротивление массопереносу жидкости вблизи мембраны. [c.175]

Если сравниваются коэффициенты проницаемости чистых газов Л и А°], то относительную величину а г - называют идеальным фактором разделения мембраны. В общем случае и различны, так как процессы проницания отдельных компонентов смеси через мембрану взаимозависимы. Скорость проницания отдельных компонентов через мембрану зависит от общего [c.12]

Аналогично в мембранах со сплошной матрицей возможно сопряжение диффузионных потоков двух компонентов газовой смеси при высокой растворимости газов в мембране или их сильном межмолекулярном взаимодействии. При векторно-скалярном сопряжении процессов диффузии и химической реакции скорость второго процесса не имеет пространственной фиксации, но знак сопряжения обеспечивается векторной природой перекрестного коэффициента 12. [c.20]

Следовательно, в таких мембранах интенсификация массопереноса за счет сопряжения с химической реакцией оправдана, если т. е. эффект особенно заметен при малой внешней движущей силе процесса диффузии (например в случае извлечения небольших, но токсичных примесей в исходной газовой смеси ЗОг, КОг и др.) или при низких значениях коэффициента диффузии компонента в мембране Я п- оо). [c.22]

Рассмотрим влияние степени сопряжения на селективность мембранного разделения смеси. Ограничившись допущением о векторно-скалярном сопряжении процессов проницания каждого компонента, примем потоки их в мембране взаимно независимыми. Тогда эффективность разделения определится отношением потоков, которое с учетом коэффициентов ускорения можно представить в виде [c.24]

Кроме П, и (гп ), заметное влияние на процессы массопереноса оказывает доля других пор и степень извилистости каналов, которую можно рассматривать как отношение среднего пути макрочастицы газа в пористом теле к линейному размеру в направлении потока I. Корпускулярные модельные структуры, составленные из сферических частиц одинакового размера, имеют при кубической укладке пористость Пу = 0,47 и коэффициент извилистости (/>//— 2 [9]. Для мембран с губчатой структурой оценка величин ( )/1 возможна на основе опытных данных по проницаемости, в частности, для пористого стекла Викор (Пу = 0,3), ( = 50 А) коэффициент извилистости пути с учетом локальных сужений капилляров достигает 5,9 [10, 11]. Для мембран (типа ядерных фильтров) с порами в форме прямых каналов отношение //= 1. [c.41]

Величины г и замедляют диффузионный процесс за счет извилистости и периодического сужения капилляров, их произведение имеет смысл коэффициента сопротивления кнудсеновской диффузии 1 . Для мембран корпускулярной структуры, созданной из сферических частиц, может быть использовано соотношение [14 [c.56]

Таким образом, вторые члены уравнений (2.73) — (2.75) представляют собой отношения коэффициентов проводимости собственно процессов поверхностной и кнудсеновской диффузии 88 и кк, в этом случае коэффициент ускорения массопереноса в мембране есть функция только феноменологической стехиометрии Ф = 1+22 (см. гл. I). [c.69]

Расчетные соотношения для коэффициентов диффузии получены на основе представлений об аналогии этих -процессов в пористых и непористых двухфазных мембранах [6]. Дисперсная фаза в виде кристаллитов и других плотных структурных образований играет ту же роль, что непроницаемый скелет пористой мембраны — на межфазной поверхности возможна сорбция растворенного газа из дисперсионной среды форма и распределение плотных включений в матрице оказывают влияние на скорость переноса массы. [c.80]

Повышение давления в напорном канале мембранного аппарата приводит к увеличению движущей силы процесса. ВажнО выяснить, как при этом меняются растворимость, коэффициент диффузии и проницаемость компонентов газовой смеси. [c.93]

Для всех мембран, исследованных в [16], влияние давления на селективность процесса наиболее существенно при низких температурах, где отмечены большие значения коэффициента растворимости. [c.111]

Малая доля свободного объема и весьма незначительная подвижность структурных элементов силикатных стекол должны приводить к неудовлетворительным сорбционным н диффузионным характеристикам для большинства газов, с и в металлических мембранах возможен процесс диссоциации двухатомных молекул и их диффузия в атомарной или даже протонной, как у водорода, формах, то в стеклах происходит миграция молекул растворенных газов. В результате проницаемость стекла с увеличением молекулярных характеристик диффундирующего газа резко падает, в частности для кварца при 400 °С коэффициенты проницаемости метана и азота равны 6-10-2 моль-м/(м2-с-Па), т. е. примерно на шесть порядков ниже, чем проницаемость гелия. Высокая селективность мембран из силикатных стекол наряду с удовлетворительной проницаемостью по гелию является главным технологическим преимуществом этих систем при выделении гелия. Основные проблемы внедрения связаны с хрупкостью стеклянных трубчатых мембранных элементов. [c.120]

Очевидно, мембранный модуль должен обеспечить необходимую производительность по целевому компоненту при заданных технологических условиях. Обычно заданы составы питающей смеси и пермеата (или коэффициент извлечения) и производительность модуля по целевому компоненту ( pt/J нужно определить тип и площадь поверхности мембраны, давления в каналах, температуру процесса и ряд конструктивных параметров. Разумеется, результаты расчета должны соответствовать критерию оптимизации — обычно минимуму приведенных затрат, включающих капитальные вложения и эксплуатационные расходы. Последние определяются прежде всего расходом энергии и учитываются эксергетическим к. п. д. процесса. Капитальные затраты зависят, в первую очередь, от стоимости мембраны. [c.158]

Результаты расчетов мембранных многоступенчатых установок с рециркуляцией (идеальные каскады) для разделения бинарной смеси (воздух) приведены в табл. 6.1 [3]. В качестве мембраны использовали силоксановую пленку толщиной б = = 10 м коэффициенты газопроницаемости кислорода и азота через мембрану соответственно равны Лоз = 113,8-10 моль- м/(м -с-Па) и ЛN2 =51,9-10- 5 моль-м/(м2-с-Па). Давления в напорных и дренажном каналах мембранных модулей поддерживали равными Р1=0,6 МПа, Рг = 0,1 МПа. Цель процесса — получение 1 м /с обогащенного до 91—92% (об.) О2 газового потока, поэтому установка представляет собой только укрепляющую часть каскада. [c.209]

Расчет процесса разделения многокомпонентной газовой смеси в мембранной колонне с ДММ обычно проводят при заданных потоке питания и концентрации исходной смеси qf и уц коэффициентах деления потоков 01, 02, 03 и 04 [c.225]

При анализе следует учесть, что коэффициент ускорения Фг является сильной функцией движущей силы гХу/Аг, поэтому изменение состава разделяемой смеси и отношения давлений е резко меняет а и Л, следовательно и все прочие характеристики разделения. Напомним, что результаты анализа проницания, представленные на рис. 7.6—7.9, получены при условии а12 = соп51 и Л1 = С0 П51 и поэтому непригодны для сопряженного мембранного процесса. Можно лишь утверждать, что увеличение степени сопряжения диффузии -го компонента с химической реакцией (Ф/>Ф,) будет всегда приводить к росту фактора разделения а,, и эксергетического к. п. д. т пр, причем этот эффект наиболее заметен при малых значениях 1X1 Ат, т. е. при и 1. При Ф,>Ф/ и а,7>1 область значений х , [c.249]

На концентрационную зависимость ИСЭ в разной степени могут оказывать влияние следующие факторы колебания диффузионного потенциала и температуры наличие компонентов пробы, влияющих на мембранные процессы и коэффициент активности анализируемого иона инструментальные ошибки ошибки при приготовлении растворов и построении градуировочного графика. В некоторых случаях влияние отдельных факторов можно элиминировать термостатированием, изменением конструкции электролитического ключа, постоянством ионной силы и т. д. Кроме того, величина погрешности будет зависеть и от выбора методики анализа. Как будет показано ниже, наибольшие погрешности накапливаются при использовании прямой ионометрии, наименьшие — мультиэлектродных систем. [c.102]

Цель работы — практическое ознакомление с мембранным процессом — ультрафильтрацией экспериментальное определение проницаемости, коэффициента разделения и времени достижения заданной степени концентрирования компонента сравнение опытной продолжительности процесса (топ) с рассчитанной (Трасч). [c.239]

Концентрационные мембранные процессы. Для описания процесса газопереноса через непористую полимерную мембрану обычно исходят из модели растворение—диффузия. При условии, что изотерма сорбции линейна (изотерма Генри) и коэффициенты диффузии разделяемых веществ не зависят от концентрации компонентов смеси, поток г-го компонента газовой смеси описывается формулой [c.387]

Термодинамика цепей, комбинированная с теорией графов, появилась как метод, облегчающий моделирование сложных мембранных процессов [110-120]. Достигается это благодаря достаточно формализованной процедуре построения модели, позволяющей учесть концентрационную зависимость коэффициентов проводимости мембраны, влияние концентрационной поляризации, возможное наличие нескольких слоев в структуре мембраны и другие особенности мембранных систем. Моделирование системы облегчается благодаря использованию графического представления и математического аппарата, разработанных в теории электрических цепей. В частности, для решения получаемых математических задач используется программный пакет SPI E [118, 120]. [c.128]

При положительном сопряжении (и>0) наиболее быстрый рост относительной скорости массопереноса наблюдается при высокой степени сопряжения в области отрицательных значений приведенной движущей силы 2 Х]1Х2). Согларно (1.11) и (1.10) знак сопряжения определяется только знаком перекрестного коэффициента Ь12- При положительном сопряжении двух векторных процессов, например фазового переноса и поверхностной или кнудсеновской диффузии в пористых мембранах, один поток увлекается вторым в том же направлении ( 12>0, [c.20]

В табл. 2.3 в качестве примера приведены значения коэффициента проницаемости и фактора разделения для пористой мембраны ( Кис1ероге ) с эффективным диаметром пор <( п>=0,03 мкм [20]. Селективностью процесса разделения в пористых мембранах можно управлять не только изменением поровой структуры и режимных параметров процесса Р и Т. В работе [21] исследована проницаемость селективность пористых стекол с модифицированной поверхностью пор. Изменение состояния поверхности проводили этерификацией силанольных групп спиртами (метанолом, этанолом и 1-пропанолом) [c.67]

Модификация поверхности приводила к различному изменению константы Генри и коэффициента поверхностной диффузии для полярных и неполярных газов, в результате существенно изменялась проницаемость и фактор разделения. На рис. 2.9 показан характер изменения коэффициента проницаемости диоксида углерода, пропана, дифторхлорметана СНС1Рг (Н-22)) и 1,2-дихлортетрафторэтана С2С1гр4 (К-114) при полной модифшсации поверхности пористого стекла спиртами (п = = 1—3). Исходное состояние поверхности пористой мембраны (п = 0) принято считать гидрофильным. Селективность процесса извлечения СО2 и СзНе из смеси с фреонами существенно улучшается в мембранах с модифицированной поверхностью. [c.67]

Изменение характера температурной зависимости Л, (7, Р- 0) происходит в тех полимерных мембранах, где коэффициенты диффузии СзНв малы и лимитируют процесс проницания через мембрану (см. табл. 3.3). [c.90]

Таким образом, система одномерных дифференциальных уравнений (4.73), дополненная граничным условием и обобщенными уравнениями для расчета массопереноса внутри мембраны Л,=Л (Г, Р, r) и массообмена в напорном канале Sh = = Sho4 (Rev, Gz, Ra ), образует математическую модель процесса разделения. Обычно заданы состав питающей смеси i = m(x = 0), необходимый состав проникшего потока Ср на выходе из мембранного модуля, коэффициент или степень извлечения целевого компонента. В зависимости от цели расчета определяется производительность по целевому компоненту или необходимая площадь поверхности мембраны. Давление, температура и скорость газа в входном сечении напорного канала II давление в дренажном канале являются параметрами, значение которых можно варьировать для поиска оптимального решения. Подробнее эти вопросы будут освещены далее в главе V, здесь же ограничимся только схемой расчета массообмена в отдельном мембранном элементе, полагая параметры исходной смеси и давление в дренаже известными. [c.153]

Рис. 4.27 дает представление о характере изменения коэффициента извлечения /Си с ростом давления в напорном канале, при этом имеется возможность сравнить процессы при одностороннем и двустороннем проницании, при вынужденном и смешанноконвективном движении газа с моделью идеального вытеснения (кривая 1). Видно, что внешнедиффузионное сопротивление резко снижает массообменную эффективность мембранного разделения, причем наблюдается максимум зависимости К = Р ). Положение максимума смещается в сторону больших давлений при интенсификации процесса массообмена в результате свободной конвекции, а также при двустороннем расположении мембраны в канале. С ростом коэффициента деления 0 смещение максимума зависимости Ka f Pf) имеет более сложный характер при увеличении 0 от О до 0,5 оптимум смещается в сторону более низких давлений — это область нарастания внешнедиффузионных сопротивлений (см. рис. 4.26). Далее, с ростом 0, оптимальное значение давления Р смещается в сторону больших значений — здесь влияние массообмена в газовой фазе падает вследствие истощения смеси. В гл. 7 дан анализ влияния массообменных процессов в каналах на энергетику мембранного разделения газов, который, позволит дать рекомендации по выбору оптимального давления в аппаратах. [c.156]

Данный вариант расчета проводят в случае, когда велики скорость потока, соотношение длины и ширины напорного канала, фактор разделения мембраны и коэффициент деления потока 6. Проникший через мембрану поток отводится с помощью вакуум-насоса, значение Рг = Р21Р мало [1, 2]. При этом перенос в напорном и дренажном каналах осуществляется преимущественно конвекцией (рис. 5.3). Пример такого процесса — получение обогащенного азотом потока из воздуха. [c.161]

Влияние способа организации потоков в напорном и дренажном каналах мембранного модуля многими исследователями изучалось на примере разделения воздуха [5—7]. Так, проведен [5] расчет процесса разделения воздуха ( 1 м /с) на мембране толщиной 25 мкм, коэффициент проницаемости которой по кислороду принят равным 169-10 моль-м/(м -с-Па). В расчетах коэффициент проницаемости азота через мембрану изменяли таким образом, чтобы идеальный фактор разделения составлял 2, 5 и 10. Величина Рг=Р21Р составляла 0,2, причем Рг и Р принимали равными соответственно 0,1 и 0,5 МПа. Результаты расчетов представлены на рис. 5.7 и 5.8. Как и следовало ожидать, наиболее полное разделение газовой смеси можно получить, применяя противоточную схему [c.170]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология