Мембранное образование смесей. Мембранные контакторы

А. А. Свитцов










МЕМБРАННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ СМЕСЕЙ. МЕМБРАННЫЕ КОНТАКТОРЫ













Москва ДеЛи 2025

УДК 66.03
ББК 35.11
     C24
Рецензенты:
научный руководитель АО «НПК МЕДИАНА-ФИЛЬТР», д.ф-м.н., профессор Пантелеев А.А.;
профессор кафедры водоснабжения и водоотведения НИУ МГСУ, д.т.н. Первое А.Г.
     Свитцов А.А.
C24 Мембранное образование смесей. Мембранные контакторы. - М.: ТД ДеЛи, 2025. - 138 с.
     ISBN 978-5-6052870-5-6
         Третья книга из серии учебных пособий по мембранной технологии посвящена всестороннему рассмотрению нового направления развития мембранных процессов - мембранным контакторам. Первоначальное применение этого термина только к гетерогенным массообменным процессам бездисперсионного типа, в которых поверхностью контакта фаз является проницаемая мембрана, теперь расширено до охвата всех процессов образования смесей, где мембрана используется прежде всего как инструмент диспергирования и распределения компонентов в объеме новой смеси.
         Во 2 главе книги представлена информация о проницаемых мембранах для контакторов, о принципах их выбора и изготовления, а также о конструктивных особенностях мембранных аппаратов - контакторов.
         Мембрана может обладать или не обладать селективностью по отношению к компонентам исходных смесей, может быть сплошной или пористой, исходные смеси могут находиться в различных агрегатных состояниях. Эти различия легли в основу классификации мембранных контакторов. В соответствии с этой классификацией они и рассмотрены в 3 главе книги.
         Глава 4 представляет собой обзор процессов практического применения мембранных контакторов в различных производствах с кратким анализом достигаемых преимуществ и потенциала коммерциализации.
         Учебное пособие предназначено для использования в образовательных программах ВУЗов с углубленным изучением процессов мас-сопередачи, а также для специалистов различных отраслей, пожелавших ознакомиться с альтернативными способами осуществления гидродинамических и массообменных процессов.

УДК 66.03
ББК 35.11

ISBN 978-5-6052870-5-6

© Свитцов А.А., 2025
© Оформление. ООО «ТД ДеЛи», 2025

                ВВЕДЕНИЕ




    Практически любая субстанция, с которой мы встречаемся в природе, является смесью, то есть системой, состоящей из двух и более веществ - компонентов смеси.
    Как мы знаем, смеси бывают однородными (гомогенными) - в них компоненты нельзя разделить механическим способом, поскольку вещества распределены в объеме смеси и диспергированы на молекулярном уровне. Такие смеси называются растворами, частицы, то есть молекулы компонентов, распределены в них равномерно, отсутствуют поверхности раздела.
    Смеси бывают неоднородными (гетерогенными), в них компоненты (один, несколько или все) находятся в виде многомолекулярных ассоциатов. Внутри таких частиц обычно существует гомогенность, частицы принципиально можно выделить из смеси, так как существуют поверхности раздела. Частицы (дисперсная фаза) и сплошное вещество смеси (дисперсионная среда) могут находиться в различных состояниях - газовом, жидком или твердом. В зависимости от этого гетерогенные смеси имеют разные названия (табл. 1).
    Смеси всех этих видов существуют в живой и неживой природе, поскольку абсолютно чистых веществ не бывает. При наличии достаточно чувствительных методов анализа, которых сегодня имеется множество, в любом, казалось бы, абсолютно чистом веществе, можно обнаружить примеси.
    Смесями являются и все искусственные, техногенные субстанции, образующиеся в результате производственной деятельности во всех отраслях. Это и конечные реализуемые на рынке продукты, и промежуточные продукты различных технологий, и все отходы про

изводства. Иными словами, образование смесей с заданным составом, с заданными концентрациями компонентов, с заданным фазовым состоянием компонентов является целью большинства производств, социальных служб и очистных сооружений.


Таблица 1. Виды гетерогенных смесей

Дисперсионная                   Дисперсная фаза                     
    среда         Газовая      Жидкая                 Твердая      
Газовая             ---        Туман            Аэрозоль, пыль, дым
Жидкая        Пена, газожид-   Эмульсия         Коллоидная система,
              костная эмульсия                  взвесь, суспензия  
Твердая       Твердая пена     Твердая эмульсия Композит           

    Можно привести сотни примеров таких целевых и промежуточных смесей, но тут важнее рассмотреть методы и оборудование их образования.
    Целевые смеси получают натуральным смешиванием компонентов, когда никаких химических превращений не происходит. Компоненты надо соединить и равномерно распределить в некотором объеме. Понятно, что компоненты должны находиться в текучем состоянии, то есть быть либо газами, либо жидкостями, либо сыпучими веществами, которые надо дозировать и перемешивать. Для образования гомогенных смесей, т.е. для диспергирования до уровня молекул, твердофазные компоненты необходимо либо растворять в дисперсионной среде, либо расплавлять для обеспечения текучести и перемешиваемости.
    Для получения целевых смесей часто надо разделить исходные смеси, достигая в продукте иного соотношения компонентов. Для этого используют все известные гидродинамические и массообменные методы разделения. Часть из них осуществляют без введения дополнительных компонентов: дистилляция и ректификация, отстаивание и центрифугирование, мембранное разделение, фильтрование. Другие массообменные методы требуют введения вспомогательных веществ: экстракция, адсорбция, абсорбция, флотация, коагуляция и флокуляция.
    Целевые смеси можно также получить в результате химических и микробных превращений исходных компонентов смесей, которые вначале надо приготовить одним из вышеперечисленных методов. Разложение или соединение исходных компонентов при ускоряющем воздействии катализаторов, микроорганизмов, высокой темпе

Введение

5

ратуры, электромагнитного излучения приводит к появлению новых компонентов, т.е. к образованию новых смесей.
    В двух предыдущих книгах [1; 2]* были подробно описаны все аспекты использования полупроницаемых мембран для разделения текучих смесей. В данной книге представлена информация о получении смесей с помощью все тех же мембран. Может показаться, что этот материал противоречит первым двум книгам. В действительности же основное используемое свойство мембран - особым образом осуществляемый перенос вещества из одной фазы в другую - кардинально изменяет технологии многих продуктов, представляющих собой смеси нескольких целевых компонентов. Такие устройства называются мембранными контакторами.

* 1. Свитцов А.А. Мембранное разделение смесей. Теория и практика. -М.: ДеЛи, 2020. - 262 с.
2. Свитцов А.А. Мембранное разделение смесей. Проектирование и расчет. - М.: ТД ДеЛи, 2021. - 207 с.

                ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЕ КОНТАКТОРЫ И МЕМБРАННЫЕ КОНТАКТОРЫ

                1.1. Образование смесей в контакторах




    Термин «контактор» непривычен в отечественной научнотехнической литературе, за исключением электротехнической, где так называются устройства для включения-выключения силовых электрических цепей. В зарубежной литературе этот термин используется часто в приложении к устройствам, где происходит смешивание нескольких компонентов в единый поток: жидко-жидкостной, газо-жидкостной, экстракционный, реакционный и т.п. То есть речь идет о приготовлении смесей, имеющих самое широкое назначение.
    Во всех случаях в процессе получения смесей можно выделить две стадии: 1 - соединение текучих компонентов; 2 - распределение компонентов в объеме смеси. Основным объектом исследования практически всегда является вторая стадия, хотя множество разработанных методов и устройств называются обобщающим термином -смесители.
    Смесители обычно классифицируют по принципиальному способу распределения компонентов в объеме. Их всего два: динамический (активный) и статический (пассивный). В смесителях первой группы в некоторый объем аппарата подают потоки компонентов и, независимо от соотношения их расходов, распределяют в объеме с помощью приводных перемешивающих устройств - мешалок, циркуляционных насосов, вибраторов, встряхивателей и т.п. Распределение производится за счет конвективного переноса, создаваемого активным механическим элементом. Естественно, в системе стремятся создать турбулентный режим движения среды, при котором и

Традиционные контакторы и мембранные контакторы

7

обеспечивается диспергирование потоков и гомогенизация смесево-го объема.
    Недостатки такого подхода к распределению компонентов смеси по объему очевидны: 1 - сложность аппаратов, в которых надо размещать активные элементы, обеспечивая при этом герметичность аппарата; 2 - повышенный расход энергии на создание турбулентных вихрей; 3 - значительные массогабаритные параметры аппаратов.
    Смесители второй группы не содержат движущихся элементов и не нуждаются в подводе энергии непосредственно в объем смесителя. Иногда их называют поточными, поскольку все эффекты: диспергирования, распределения и гомогенизации смеси производятся за счет турбулизации потока на специальных вставках в трубопроводе.
    Турбулизирующие вставки выполняются в виде диафрагм со смещенными отверстиями, полуперегородок, винтовых шнеков. При натекании потока на такие неподвижные детали он изменяет направление и скорость. При таком перемешивании используется энергия потока, создаваемая, как правило, перекачивающим насосом (рис. 1.1).


Рис. 1.1. Схема поточного перемешивания

    К этому же типу смесителей относятся и насадочные массообменные аппараты, в основном колонного типа, в которых по высоте слоя насадки смешиваемые потоки многократно перераспределяются, диспергируются, изменяют направление и скорость течения, проходят локальные зоны турбулизации и циркуляции. Этому способствуют и специально разрабатываемые формы насадочных элементов - кольца Рашига, седла, спирали и т.п.
    Методы исследования структуры потоков с использованием индикаторов и отображением кривых отклика позволяют наблюдать за процессом смешивания и оптимизировать конструктивные и парамет

Глава 1

рические факторы. Для таких простейших поточных смесителей известно, что гомогенизация смеси достигается при определенной достаточно большой длине турбулизирующей вставки (высоте насадки). Это связано с нестационарностью поля скоростей в рабочем объеме, т.е. их неравномерностью распределения и разнонаправленностью. Следствием является значительная неравномерность времени пребывания объемных частиц потока в смесителе. Особенно значим этот недостаток при снижениях расхода дисперсионной среды, что является обычной ситуацией в промышленных установках.
    Резко усугубляет эти недостатки одноточечный ввод подмешиваемого компонента В в дисперсионную среду компонента А. Снизить влияние этого фактора на эффективность смешивания можно изменением конструкции узла ввода (рис. 1.2).




   Т-образный ббод


   Y-образный ббод


   Параллельный ббод


   Централизобанный ббод


   Инжекционный ббод


Рис. 1.2. Различные типы ввода диспергируемого компонента В в поток дисперсионной среды А


    В любом случае в рассматриваемых смесителях в точке ввода подмешиваемого компонента локальная его концентрация практически близка к исходной и постепенно понижается по длине смесителя.
    Вся энергия на рассеяние компонента В обеспечивается расходом и давлением потока А, т.е. энергией, сообщенной ему насосом. При колебаниях расхода смеситель работает неэффективно. Особен

Традиционные контакторы и мембранные контакторы

9

но заметно это становится, когда смешиваются вещества с различной плотностью и с низкой взаимной растворимостью при образовании эмульсий и суспензий.
    Процесс рассеяния подмешиваемого компонента может быть заметно интенсифицирован за счет использования распределенного многоточечного ввода его в поток. По сути, такое решение является предварительным диспергированием потока компонента В без затрат энергии потока компонента А. Узлы ввода выполняются в виде перфорированных или щелевых распределителей, многофорсуночных блоков (рис. 1.3).


Рис. 1.3. Распределенный узел ввода компонента смеси форсуночного типа

    Смесителями с распределенным вводом компонентов, по сути, являются барботажные, тарельчатые и пленочные массообменные аппараты.
    Смешивание как стадия любого массообменного процесса, по существу, представляет собой такой же перенос вещества из одной точки пространства в другую. Хотя в некоторых случаях здесь отсутствует поверхность раздела фаз, но и движущая сила переноса -разность концентраций, и механизм переноса - диффузия или вынужденная конвекция - те же самые. Общими являются и подходы к интенсификации процессов, среди которых самый действенный -замена молекулярной диффузии на вынужденную конвекцию. Вынужденная конвекция - это перемещение текучей среды под действием внешних сил, в нашем случае - перемешивание. Но перемешивание - это энергоемкий процесс, в массообменных установках на перемешивание тратится до 90% всей потребляемой энергии.

Глава 1

А диффузия протекает самопроизвольно, но очень медленно. Это как в юмореске М. Жванецкого про раков - вчера больших, но дорогих, а сегодня дешевых, но маленьких.
    Выход из этого круга есть: оставить молекулярную диффузию, но кардинально укоротить диффузионные пути переноса. Идеальный вариант - вводить подмешиваемый компонент сразу в нужное место во всем объеме смеси. Стратегия решения - максимально распределенный ввод совместить с таким же распределенным потоком дисперсионной среды. Это и есть принцип работы мембранного контактора.





                1.2. Массоперенос в контакторах





     Нас интересует не перевозка кирпича на тачке, хотя это тоже массоперенос, а перемещение вещества в микромире. Микромир на уровне химии и химической технологии - это молекулы, ионы, иногда - молекулярные ассоциаты. Наличие разницы концентраций является движущей силой перемещения частиц, и чем больше разница, тем интенсивнее перенос. Как мяч катится с горы, уменьшая свою потенциальную энергию, так и частицы стремятся перейти к более низкому химическому потенциалу, уменьшая свое количество в единичном объеме.
     Интенсивность массопереноса (чаще это называют скоростью) -величина удельная, определяется отношением движущей силы к сопротивлению перемещения:

dM    A C
dF ■ dr R
    В интегральной форме:

(1.1)

М = Kэбщ-А С • F,                   (1.2)
здесь: АC - движущая сила массопереноса; F - площадь, через которую осуществляется перенос; Kобщ - коэффициент массопереноса (массопе-редачи), равный обратной величине суммарного общего сопротивления; М - интенсивность массопередачи (количество вещества, переносимого в единицу времени). Рассмотрим подробно каждый параметр этого уравнения.

     В массопередаче участвуют две смеси (будем по традиции называть их фазами) - отдающая и принимающая. Фазы могут находиться в различном агрегатном состоянии. Они не растворяются друг в друге, одна фаза распределена в другой, т.е. в процессе участвуют дисперсионная фаза (сплошная) и дисперсная фаза (распределенная).