Мембранное образование смесей. Мембранные контакторы

 
¬ ¬ fkqz|vk  
ÎcÎÈè¬ËËÌc ÌÈè¬dÌƬËÊc fÎcfce 
ÎcÎÈè¬ËËÔc ÇÌËÒ¬ÇÒÌèÔ 
 
Îvxrkj 
bnÉq  
 

 
 
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. Первов 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 массопередачи, 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 
 

 
ÆÆcbcËÊc 
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 
среда 
Дисперсная фаза 
Газовая 
Жидкая 
Твердая 
Газовая 
– 
Туман 
Аэрозоль, пыль, дым 
Жидкая 
Пена, газожидкостная эмульсия 
Эмульсия 
Коллоидная система, 
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

Æknlntqn 
 
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. 

 
-ɬƬ  Òè¬bÊgÊÌËËÔc ÇÌËÒ¬ÇÒÌèÔ  
Ê ÎcÎÈè¬ËËÔc ÇÌËÒ¬ÇÒÌèÔ 
 Ìiéjovkjtqn xunxnp k rvtzjrzvéj}  
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 

Òéjlq|qvtt€n rvtzjrzvé€ q unuiéjtt€n rvtzjrzvé€ 
 
обеспечивается диспергирование потоков и гомогенизация смесевого 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

 
-sjkj  
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).  
 
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

Òéjlq|qvtt€n rvtzjrzvé€ q unuiéjtt€n rvtzjrzvé€ 
 
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. 

 
-sjkj  
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.  
 Îjxxvwnéntvx k rvtzjrzvéj} 
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
C
dF dr
R
'
 
˜
. 
 (1.1) 
В интегральной форме: 
 
М = KобщÂǻСÂF, 
(1.2) 
здесь: ǻC – движущая сила массопереноса; F – площадь, через которую 
осуществляется перенос; Kобщ – коэффициент массопереноса (массопередачи), 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).