Мембранные элементы

В — ширина рулонного мембранного элемента [c.8]

Состав смеси меняется по степенному или экспоненциальному закону в диффузионных пограничных слоях напорного и дренажного каналов, примерно линейно — в мембране и пористой подложке и скачкообразно — на поверхности раздела. Каждую из областей можно рассматривать как открытую неравновесную подсистему, а мембранный элемент в целом — как открытую систему, состоящую из четырех подсистем, разграниченных поверхностями раздела. На основе представлений о локальном термодинамическом равновесии концентрации компонентов на границах раздела подсистем находят из условия равенства химических потенциалов этих компонентов в каждой из сопрягающихся подсистем. Газовые смеси в напорном и дренажном каналах представляют однородные объемные фазы, поэтому химический потенциал каждого из п компонентов газовой смеси зависит только от давления, температуры и состава смеси [c.11]

Сопоставляя соотношения (2.51), (2.52), (2.54), (2.55) и условие свободномолекулярного течения Xdn>, нетрудно заметить, что с ростом dn плотность эффузионного потока увеличивается до определенного предела (Kn l). В дальнейшем необходимо ограничить давление в напорном канале мембранного элемента. [c.58]

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]

МАССООБМЕН В КАНАЛАХ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ [c.121]

Состояние сплошной движущейся среды описывается системой дифференциальных уравнений (включающей уравнения неразрывности, движения, энергии и диффузии) при определенных начальных и граничных условиях. Для каналов мембранных элементов граничные условия, помимо геометрических факторов, характеризуют входные профили скорости, концентрации и температуры, а также условия массопереноса через мембрану и пористую подложку. Кроме перечисленных соотношений, используют термическое уравнение состояния газовой смеси, а также дополнительные соотношения, позволяющие рассчитать коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии как функции температуры, давления и состава смеси. [c.121]

Кроме граничных условий на проницаемых стенках канала, существенно состояние среды во входных сечениях каналов. Для напорных каналов обычно используют плоские входные профили скорости и концентрации в этом случае гидродинамический и диффузионный пограничные слои формируются совместно. В ряде случаев, когда имеется участок мембранного элемента с непроницаемыми стенками, входной профиль скорости в сечении, где начинается проницание через мембрану, принимают гидродинамически стабилизированным далее в канале происходит деформация исходного распределения скорости и формирование диффузионного пограничного слоя. [c.123]

Изложенные выше закономерности массообмена в каналах с проницаемыми стенками получены на основе аналогии с теплообменом при граничных условиях первого рода [1]. Выше отмечалось, что постоянство скорости отсоса (вдува) и концентрации газа вблизи мембраны является довольно грубым приближением расчетной модели процесса к реальным условиям мембранного элемента. [c.137]

В разд. 4.2 обращалось внимание на возможность возникновения смешанно-конвективного течения в каналах мембранных элементов. Замечено [33—35], что при жидкофазном разделении потоки массы, проникшие через верхнюю и нижнюю стенки мембранного элемента, существенно различны. Джонсон [35], исследуя оптическим методом поле концентраций вблизи вертикальной плоской мембраны, отметил существенное изменение распределения концентраций при возникновении свободной конвекции. [c.138]

РАСЧЕТ И АНАЛИЗ МАССООБМЕНА В НАПОРНЫХ КАНАЛАХ МЕМБРАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ [c.150]

Ниже излагается схема расчета процесса разделения бинарной смеси с учетом внешнедиффузионного сопротивления в напорном канале плоскокамерного мембранного элемента. При этом для простоты принята перекрестная схема движения потоков, пренебрегается также внешнедиффузионными сопротивлениями и градиентами давления в дренажном канале, хотя в принципе эти эффекты могут быть учтены, если использовать информацию об обобщенных законах массообмена для канала с вдувом [ ] [c.150]

Вся процедура расчета массообмена 8 мембранном элементе завершается, в зависимости от поставленной задачи, либо определением длины элемента L, необходимой для обеспечения заданной производительности по целевому компоненту, либо расчетом производительности при заданной длине элемента. [c.153]

Основой мембранных газоразделительных аппаратов является мембранный модуль, представляющий собой пакет однотипных мембранных элементов. Объединенные в модуле мембранные элементы помещены в общий корпус аппарата, имеют общие точки ввода и вывода потоков газа схемы движения потоков в каналах мембранных элементов модуля, как правило, идентичны. По конструктивному признаку мембранные модули можно разделить на четыре типа плоскокамерные, рулонные (спи- [c.156]

В этом случае можно считать, что организация потоков в напорном и дренажном каналах соответствует перекрестному току. Мембранный элемент такого модуля состоит из двух листов [c.175]

Рнс. 5.10. Развертка рулонного мембранного элемента (перекрестный ток) [c.176]

В элементе рулонного типа на основе высокопроизводительных асимметричных и композиционных мембран давление изменяется и в напорном, и в дренажном каналах как по длине, так и по щирине. Соответственно будут изменяться профили концентраций и скоростей, что очень затрудняет задачу расчета модуля. Поэтому прибегают к допущению [17], что давление в дренажном пространстве элемента изменяется только в направлении потока пермеата, пренебрегая, таким образом, изменением давления по ширине элемента. Это допущение вполне корректно, тем более что в рулонных мембранных элементах, как правило, 1>В (где Ь и А —соответственно длина и ширина элемента). Расчет рулонного модуля можно иллюстрировать рис. 5.9 и 5.10. [c.176]

Мембранный элемент плоскопараллельного (плоскокамерного) модуля состоит из двух асимметричных (или композиционных) мембран и пористого дренажного материала — подложки, придающего элементу необходимую механическую прочность. Организация потоков в элементе (и модуле) такого типа сложна, так как в дренажном пространстве существуют как параллельные, так и перпендикулярные мембране потоки (рис. 5.12). [c.178]

Идеальное перемешивание в дренажном канале. В напорном канале — идеальное вытеснение. Такая организация потоков возможна в аппаратах плоскокамерного типа с отводом пермеата из центра плоскопараллельного двойного мембранного элемента, особенно при работе по вакуумной схеме Рг ниже атмосферного). В этом случае yiA = yip, и расчет модуля при заданных 0 и yif заключается в решении системы дифференциальных уравнений (5.103) с граничными условиями (5.104). Значения yir определяют любым из итерационных методов, а yip — из балансового соотношения (5.107). [c.185]

Этих недостатков лишены аппараты плоскокамерного типа, имеющие, однако, невысокую — от 300 до 700 (по некоторым сведениям до 1000) м /м — плотность упаковки мембран. Типичным примером таких аппаратов являются конструкции НПО Криогенмаш [28—30] на основе двойных мембранных элементов. Каждый элемент состоит из двух мембран с двумя подложками, причем одна нз сторон подложки, на которую укладывается мембрана, имеет гладкую поверхность, а другая — проточки, образующие дренажное пространство. В качестве подложек используют пористые материалы из пластмасс или металлокерамики. Элемент герметизируют с помощью клеевых композиций. Мембранные элементы, имеющие в центре отверстия для выхода газа из дренажного пространства, собирают на коллекторе пермеата (перфорированной трубе) и вставляют в кожух аппарата, выполненный в форме параллелепипеда или цилиндра. [c.193]

Следует иметь в виду, что конструкционные и технологические характеристики мембранных элементов и модулей (независимо от типа) определяют необходимость предварительной обработки газовой смеси перед подачей ее в аппарат. [c.195]

Сравнивая профили концентраций в каскаде и мембранной колонне, можно оптимизировать процесс разделения совмещением двух этих методов в одной комбинированной установке. Частным случаем такой комбинированной схемы является мембранная колонна с дополнительным мембранным элементом (см. рис. 6.17). [c.227]

В табл. 7.1 и 7.2 приведены относительные доли потерь эксергии в процессах трения, диффузии в напорном канале и смешения в дренажной полости мембранного элемента (внешнедиффузионное сопротивление и трение в дренажном канале принятой модели не учитывались). [c.265]

Наименьшей ячейкой мембранного массообменного устройства является мембранный элемент, состоящий из напбрного и дренажного каналов, разделенных селективно-проницаемой перегородкой. Тип элемента определяется геометрией разделяющей поверхности (плоские, рулонные, трубчатые, волоконные) и организацией движения потоков газа (прямо-и противоточные, с перекрестным током, с рециклом разделяемой смеси и т. д.). Напорный канал элемента плоского типа образован селективно-проницаемыми стенками, ориентированными горизонтально или вертикально. В элементах трубчатого типа напорный канал ограничен внутренней поверхностью одной трубки или наружной поверхностью нескольких соседних трубок. Разделительная перегородка обычно состоит из собственно мембраны, пористой подложки и конструктивных деталей, обеспечивающих механическую прочность и жесткость. Массовые потоки в мембране и пористой подложке ориентированы по нормали к разделяющей поверхности. [c.10]

Процесс разделения в мембранном элементе сводится к следующему. Исходная газовая смесь известного состава под давлением поступает в напорный канал, где в результате различной проницаемости компонентов через мембрану происходит изменение состава смеси уменьшается доля легкопроникающих [c.10]

Рис. и. Стационарное распределение концентрации н химического потенциала легкопроникающего компонента газовой смеси в сечении плоского мембранного элемента [c.11]

На рис. 1.1 показано примерное стационарное распределение легкопроникающего компонента в поперечном сечении плоского мембранного элемента. [c.11]

Область П на рис. 1.1 представляет комбинацию матрицы исходного материала мембраны и компонентов разделяемой газовой смеси матрица может оказаться однородной или гете-рофазной. Пористая подложка (если таковая имеется в мембранном элементе) всегда гетерофазна. Состояние проникающих компонентов в мембране и подложке в общем случае ха- [c.11]

Мембраны, свободно проницаемые только для одного компонента, принято называть полупроницаемыми, а остальные — селективно-проницаемыми, или просто проницаемыми. При разделении газовых смесей обычно имеют дело с селективно-проницаемыми мембранами, поэтому из напорного канала через стенки разделительного элемента проникают все компоненты смеси, но с различной скоростью. Поскольку движущая сила переноса компонента определяется разностью химических потенциалов в напорном и дренажном каналах, скорость проницания каждого компонента меняется по длине мембранного элемента и зависит (как показано ниже) от термодинамических и гидродинамических параметров процесса. Скорость проницания компонентов через мембрану традиционно определяют, используя понятия и феноменологические соотношения фильтрационного процесса. Плотность потока -го компонента через мембра-ну принимают линейно зависящей от перепада давлений над и под мембраной [c.12]

Процессы разделения в мембранах как правило изотермичны, поэтому термодиффузионный поток и массовый поток за счет теплового скольжения исключаются. Давление в напорном канале мембранного элемента ограничено условием /(п>1, поэтому градиенты давления обычно невелики, следовательно, бародиффузионный поток и гидродинамическое скольжение [9] также несущественны. [c.64]

А и в — напорный и дренажный каналы мембраниого элемента / и 2 — диффузионный н пористый слой мембраны С и — концентрации компонента газовой смеси в напорном и дренажном каналах и — концентрации проникающего газа в матрице мембраны С и — коицевтрацин компонента в каналах подложки [c.85]

Устойчивость ламинарного течения в каналах с селективнопроницаемыми стенками может быть нарушена npi воздействии массовых сил на среду с неоднородным распределением плотности при этом возникает смешанно-конвективное течение. Следует отметить, что основная информация о влиянии свободной конвекции получена при исследовании термической неустойчивости ламинарных течений в каналах с непроницаемыми стенками, поэтому применение этих результатов к анализу концентрационной неустойчивости в каналах мембранных элементов ограничено чисто качественными выводами. [c.132]

В мембранном элементе газоразделительного модуля приходится решать более сложную задачу сопряженного массообмена в напорном и дренажном каналах, когда величина г г=к = = Ur( i) и Сг=п = Ск(х) являются искомыми и не могут быть исходно заданы как граничные условия. В качестве нулевого приближения можно принять ия = onst и r= onst, что аналогично условиям теплообмена в канале с постоянным отсосом (вдувом) при T R = onst [1]. [c.133]

Для газовых смесей числа Рг и 5с невелики (0,6—1), поэтому зоны гидродинамической, тепловой и диффузионной стабилизации вполне соизмеримы и могут занимать значительную часть длнны мембранного элемента. Установлено [1], что зависимости Ыи = Ыи(2, Реу ) и 8Ь = 8Ь(2, Реу) качественно повторяют вид функции на рис. 4.7, где тепловая или диффузионная стабилизация происходит уже в условиях гидродинамически стабилизированного потока. Значения Ыи и ЗЬ при одновременном развитии профилей скорости температуры (концентра ции) несколько выше, но длины зон тепловой и диффузионной стабилизации примерно одинаковы. Обобщенный закон массообмена, представленный на рис. 4.9, сохраняет силу и хорошо описывается уравнением Микли — Сполдинга (4.59). [c.137]

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]

В целом процесс разделения газовой смеси в мембранном элементе описывается системой дифференциальных уравнений баланса массы, количеств движения и энергии, записанных для каждой области мембранного элемента — напорного и дренажного каналов, собственно мембраны и пористой подложки. Начальные и граничные условия процессов в каждой области взаимосвязаны, поэтому расчет модуля представляет сложную сопряженную задачу, которая должна быть решена при соблюдении ряда технологических и энергоэкономических требований. Обычно расчет процесса разделения проводят при допущениях, сильно упрощающих аналитические выкладки или процедуру численного расчета. Иногда это приводит к заметному искажению результатов, особенно при разделении неидеальных га- [c.157]

Если концентрации и давления в напорном и дренажном каналах практически постоянны (рис. 5.2), на практике такой вариант реализуется при небольших значениях коэффициента деления потока (отношение мольных расходов пермеата и исходного потока), невысоких значениях селективности к целевому компоненту, для каналов, в которых длина и ширина соразмерны, причем длина невелика [1, 2]. Например, при разделении воздуха с получением в качестве целевого продукта обогащенного кислородом потока на модулях с плоскопарал яельными и иногда — с рулонными мембранными элементами при разделении изотопов водорода, радиоактивных газов и т.д. [c.160]

В промышленных установках часто используют аппараты с рулонными мембранными элементами. Каждый аппарат состоит из нескольких стандартных рулонных модулей (число н.ч может достигать 6), вставленных последовательно в стальной кожух высокого давления. Основные типоразмеры такого модуля диаметр 0,1 и 0,2 м длина — 0,7 1,0 и 1,2 м поверхность мембран в модуле — от 10 до 30 м . Модуль состоит из нескольких мембранных элементов, каждый из которых, в свою очередь, представляет собой две склеенные с трех сторон между собой мембраны, разделенные пористым дренажным слоем, по которому движется пермеат. С четвертой стороны мембранный элемент крепится к расположенной на оси аппарата полой перфорированной дренажной трубе — коллектору пермеата. Пространство между модулями и внутренней стенкой кожуха заполняют изолирующим составом на основе клеевых композиций или эпоксидной смолы. Суммарная поверхность мембран в аппарате может достигать 180 м , плотность упаковки — 800м /м . [c.194]

По мере истощения смеси исходного состава Х >х и развития диффузионного пограничного слоя по длине мембранного элемента происходит уменьшение доли легкопроникающего компонента и приближение локальных к. п.д. проницания к максимальному значению. При xf<.x заметно смещение функции г]пр = т](д ш) влево от точки максимума (см. рис. 7. ), т. е. ухудшение термодинамического совершенства процесса селективного проницания. [c.262]

На рис. 7.14 показан вид функций т1пр = т1(х ) и т)мд= п(- г). рассчитанных для процесса разделения смеси СО2—N2 в плоскокамерном модуле с мембранными элементами фиксированной длины Ь=1,5 м), высота напорного канала Я = 2 мм, число Рейнольдса на входе Ке = 2000, давление Pf = 0,5 МПа, Рр = = 0,1 МПа. [c.262]

На рис. 7.16 дана зависимость WlWmm от давления Pf при фиксированной длине мембранного элемента прочие условия процесса разделения идентичны указанным в разд. 4.4 при анализе массообменной эффективности. На рис. 7.17 показано, как связаны между собой коэффициент извлечения целевого компонента Kn = QyplXi и удельные затраты эксергии (работы) на моль проникшего потока [c.266]

Процесс концентрир он алия водорода из продувочных газов с использованием мембранных аппаратов плоскокамерного типа реализован в СССР НПО Криогенмаш [14, 37]. Испытания опытной установки (мембрана — асимметричная ПВТМС), обеспечивающей получение 500 м ч водорода концентрацией 97— 98% (о б.) из азотоводородной смеси, находящейся под давлением 2,5 МПа, позволили перейти к проектированию, монтажу и эксплуатации промышленного агрегата. Установка производительностью 9000 м /ч пермеата, содержащего не менее 94% (об.) водорода, состоит из 38 аппаратов с плоскокамерным расположением мембранных элементов. Диаметр кожуха аппарата [c.278]

Следует отметить, что эффективная работа мембранных элементов и модулей (независимо от типа) невозможна без пред-варителвной обработки газовой смеси перед подачей ее непосредственно на мембранную установку очистки. При разработке проекта конкретной установки необходимо учитывать присутствие в исходной смеси газов твердых частиц (пыли, золы, смол), капель насыщенных паров воды и нефти, легкоконденсируемых углеводородов и т. д. Поэтому во всех промышленных системах обычно устанавливают аппараты для осушки газов (например, гликолями), высокоэффективный сепаратор, фильтр. В случае необходимости после фильтра может быть установлен аппарат для очистки газа от тяжелых углеводородов. Иногда для того, чтобы исключить осушку и при этом избежать конденсации паров воды и образования пленки жидкости на мембранах, температуру подаваемого на установку исходного газа поддерживают на 10—12° выше температуры точки росы при условиях работы мембраниого элемента, а корпуса модулей и. трубопроводную арматуру исходного газа теплоизолируют. [c.287]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология