способ организации массообмена и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ осуществления массообмена между двумя несмешивающимися жидкостями, включающий подачу потоков обменивающихся фаз в объем массообменного пространства, состоящего из полимерного материала, заключенного между пористыми мембранами из полимерного материала, не смачиваемого одной из обменивающихся фаз, создание и поддержание в этом объеме повышенного давления несмачивающей жидкости относительно давления другой фазы, отличающийся тем, что поток смачивающей жидкости направляют исключительно по поверхности полимерного материала, имеющего систему только поверхностных открытых капилляров, имеющих минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта.

2. Устройство для осуществления массообмена между двумя несмешивающимися жидкостями, включающее массообменную камеру, выполненную в виде двух мембран, между которыми помещен слой полимерного материала, не смачиваемого той же фазой, которая не смачивает мембраны, отличающееся тем, что полимерный материал имеет систему только поверхностных открытых капилляров, имеющих минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области осуществления массообменных процессов в системах жидкость - жидкость с помощью гидрофобных пористых мембран и применяемых для разделения или избирательного выделения вещества, а также для направленной массопередачи веществ из одной фазы в другую с целью их концентрирования.

Для осуществления массообменных процессов между двумя несмешивающимися жидкостями с использованием гидрофобных пористых мембран известны различные схемы: способы мембранной экстракции (см. С.Ю. Ивахно, А.В. Афанасьев, Г.А. Ягодин. Итоги науки и техники. Неорганическая химия, т. 13., 1985), экстракция с использованием гидрофобных мембран в виде полых волокон (Babcock W.C. , Bakez R.W., Kelly D.J., et gl U.S. governinent research reports. 1980, 7. PB 80-110430 p. 1174).

Во всех рассмотренных случаях эффективность массообмена ограничена диффузией веществ через мембрану к границе раздела обменивающихся фаз и относительно малой площадью поверхности межфазного контакта в единичном объеме массообменного устройства. Снижение диффузионных ограничений с одновременным увеличением поверхности межфазного контакта и обеспечение возможности обновления фазы в массобменном объеме достигается в способе осуществления процесса массобмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями, где поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток газа или смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны. При этом между мембранами помещен пористый полимерный материал с размерами пор 0,003 - 1,00 мкм, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы и несмачиваемый той же фазой, которая не смачивает мембраны. Этот способ межфазного обмена основан на проявлении капиллярных эффектов в пористой среде с двумя преимущественными типами пор, существенно отличающихся по размеру. Наличие двух типов пор дает возможность одновременного пропускания двух несмешивающихся фаз. Полярная фаза - водный раствор заполняет и движется по макропорам пористого гидрофобного материала, а газовая или неполярная жидкая фаза перемещается по микропорам гидрофобного материала. Причем максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживается таким, чтобы разность между его величиной и величиной минимального давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембраны и материала, заполняющего межмембранное пространство (патент России N 2023488, 1994).

Конструкция массообменного аппарата для осуществления рассматриваемого способа включает массообменную камеру с мембранами из пористого полимерного материала, не смачиваемого одной из обменивающихся фаз, средства подачи и вывода потоков обменивающихся фаз, в котором массообменная камера выполнена в виде двух мембран, между которыми помещен слой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов произвольной формы, не смачиваемый одной из фаз.

Реализованные в этом изобретении способ и устройство для осуществления массообмена между двумя несмешивающимися жидкостями по сути наиболее близки к предлагаемому изобретению.

В данном техническом решении эффективность массообмена, которая определяется соотношением площади межфазного контакта обменивающихся фаз к объему смачивающей жидкости, находящейся в массообменном пространстве, ограничена из-за того, что основной объем смачивающей жидкости находится во внутренних капиллярах пористого материала и практически не участвует в процессе массообмена из-за отсутствия поверхности межфазного контакта. Также не исключено наличие в пористом материале закрытых капилляров, которые препятствуют обновлению смачивающей жидкости в массообменной камере. Наличие же в пористом материале капилляров с разными диаметрами от 0,03 до 1,0 мкм приводит к неоднородности потока несмачивающей жидкости в массообменной камере и, соответственно, к существенному различию вымывания ее из массообменной камеры, что ухудшает эффективность массообменного процесса.

2. Таким образом целью изобретения является повышение эффективности массообмена за счет осуществления процесса массообмена только на поверхности полимерного материала, имеющего минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта и уменьшения внутреннего замкнутого объема обменивающихся фаз. Также целью изобретения является разработка устройства, дающего возможность реализовать предлагаемый способ осуществления массообмена в аналитических целях.

Поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны, причем между последними помещают полимерный материал, имеющий систему поверхностных капилляров, не смачиваемых той же фазой, которая не смачивает мембраны, и имеющий систему сквозных каналов произвольной формы, причем максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживается таким, чтобы разность между его величиной и величиной минимального давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембран и материала, заполняющего межмембранное пространство. В предлагаемом способе и устройстве преодолены основные недостатки известных технических решений. Наличие у полимерного материала системы только поверхностных открытых капилляров существенно повышает эффективность массообменного процесса, так как нет капилляров закрытых для массообмена и соответственно увеличивается соотношение площади межфазного контакта к объему смачивающей жидкости в массообменной камере. Минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта улучшает кинетику массообменного процесса, а равномерность потока смачивающей жидкости не приводит к размытию экстрагируемого вещества в массообменной камере. В результате при условии установления равновесия эффективность массообмена, определяемая скоростью подвода и отвода веществ от границы раздела фаз, увеличивается.

На чертеже представлена схема предлагаемого процесса и устройства.

Условия осуществления массообмена следующие. Поток несмачивающей жидкой фазы под давлением P1 (P1>P2) пропускается через систему каналов, образованных в слое гидрофобного полимерного материала, заключенного между гидрофобными пористыми мембранами 2. К внешней стороне одной из мембран подводят поток смачивающей гидрофобные материалы жидкости под давлением P3 (P3>P4). При этом во всем массообменном пространстве поддерживается избыточное давление несмачивающей жидкой фазы, т.е. P2 > P3. Под действием созданной разности давления смачивающая мембрану жидкая фаза последовательно проходит через поровое пространство первой мембраны, капиллярную поверхность контактирующего с мембранами гидрофобного материала, образующего каналы для несмачивающей жидкости, и поровое пространство второй мембраны. Каналы при этом остаются заполненными не смачивающей мембрану жидкой фазой. Процесс массообмена происходит на всей капиллярной поверхности гидрофобного материала. При этом в массообмене участвует вся смачивающая поверхность жидкость.

На чертеже показана также принципиальная схема конструкции предлагаемого устройства. Основным узлом устройства является массообменная камера. В массобменной камере установлены гидрофобные пористые мембраны 2. Межмембранное пространство 1 заполнено гидрофобным материалом, имеющим систему только поверхностных открытых капилляров. В гидрофобном материале выполнены каналы произвольной формы и произвольной конфигурации сечения. Остальные элементы устройства по назначению аналогичны прототипу. Устройство снабжено коллекторами, обеспечивающими равномерное поступление или равномерный отвод потоков фаз. Коллекторы 3 и 4 для не смачивающей гидрофобные материалы жидкости, коллекторы 5 и 6 соответственно для смачивающей жидкости, 7 - средства регулирования давления смачивающей и несмачивающей жидкостей на выходе и входе массообменной камеры. Средства реагирующие на давление смачивающей жидкости и жидкости, не смачивающей мембрану, например манометры 8.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Через коллектор 5 в устройство вводится поток смачивающей жидкости. После заполнения каналов в межмембранном пространстве 1 и свободных объемов входного 5 и выходного 6 коллекторов, контролируемого визуально по отсутствию пузырьков газа в потоке жидкости на выходе из коллектора 6, через коллектор 3 подается поток не смачивающей гидрофобные материалы жидкости под давлением, меньшим величины давления на выходе из коллектора.

Необходимое по условиям осуществления конкретного массообменного процесса соотношение скоростей потоков обменивающихся фаз осуществляется с помощью средств регулирования давления на выходе из массообменной камеры.

По сравнению с прототипом и его аналогами заявляемый способ обладает новой совокупностью существенных признаков. В выбранном в качестве прототипа способе массообмен между несмешивающимися фазами происходит между двумя мембранами в полимерном материале, который имеет средний радиус пор в интервале 0,03-1 мкм, причем поток смачивающей жидкости движется по порам полимерного материала, как имеющим, так и не имеющим поверхность межфазного контакта.

В предлагаемом способе массообмен осуществляется исключительно на поверхности полимерного материала, имеющего систему открытых капилляров. При этом поток смачивающей жидкости движется только по поверхностным капиллярам. Такая схема осуществления массообменного процесса неизвестна и по этому признаку заявляемый способ удовлетворяет критерию "новизна".

Для осуществления процесса материал, заключенный между двумя пористыми мембранами, имеет систему только поверхностных открытых капилляров, имеющих минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта. Данное условие является непременным для осуществления предлагаемого способа. Указанные условия определяют признаки заявляемого способа, удовлетворяющие критерию "существенные отличия".

Новой совокупностью существенных признаков обладает и предлагаемое устройство. В данном устройстве массообменная камера образована гидрофобными пористыми мембранами, между которыми помещен гидрофобный материал, имеющий систему только поверхностных открытых капилляров, имеющих минимальный разброс удельной поверхности межфазного контакта. Причем поток смачивающей жидкости направлен только по поверхностным капиллярам. Подобная конструкция массообменной камеры неизвестна и по этому признаку заявляемое устройство удовлетворяет критерию "новизна".

Пример. Для демонстрации эффективности и стабильности предложенного способа и устройства в системе жидкость - жидкость было осуществлено извлечение растворенных в воде нефтепродуктов в органический растворитель с целью определения их содержания в воде. Решение поставленной задачи непрерывного определения нефтепродуктов в воде возможно как с использованием устройства-прототипа, так и с использованием предлагаемого способа и устройства для его осуществления.

Определение нефтепродуктов осуществлялось на анализаторе " Флюорат-02 " по методике, аттестованной Госстандартом РФ и включенной в Госреестр ПНДФ 14.1:2:4 N 35-95. Опыты проводились с использованием массообменных устройств в виде блоков, изготовленных по предложенному способу и способу, являющемуся прототипом. Блоки были изготовлены с использованием политетрафторэтиленовых мембран со средним радиусом пор 0,3 мкм и толщиной 0,15 мм. В качестве гидрофобного материала, заполняющего межмембранное пространство, в обоих вариантах использовался политетрафторэтилен. В устройстве-прототипе средний размер пор в гранулированном политетрафторэтилене составлял 0,5 мкм, размер гранул при этом составлял в среднем 0,25 мм. В предлагаемом способе и устройстве использовался политетрафторэтилен в виде гранул со средним размером 0,25 мм без внутренних пор. Размер капилляров на шероховатой поверхности составлял в среднем 0,3 мкм.

Экстракция гексаном нефтепродуктов, растворенных в воде, с использованием блоков обоих типов проводилась в одинаковой последовательности с помощью макета, собранного по схеме на чертеже. Через коллектор для подачи смачивающей гидрофобные материалы жидкости осуществлялось заполнение всего объема массообменной камеры гексаном, заполнение заканчивалось с момента прекращения выхода пузырьков газа в потоке гексана. Затем входной и выходной коллекторы для гексана перекрывались электромагнитными клапанами и через коллектор для несмачивающей жидкости подавалась дистиллированная вода. Промывка массообменной камеры заканчивалась с момента отсутствия капель гексана в выходящей воде. По количеству вышедшего из камеры гексана определяется количество гексана, оставшегося в массообменной камере.

В подготовленное массообменное устройство через соответствующие коллекторы в квазинепрерывном режиме в противотоке подаются двумя насосами прибора гексан и вода, содержащая нефтепродукты. После экстракции гексан попадает в проточную микрокювету, а сигнал регистрируется анализатором. Скорость прокачивания воды выбрана такой, чтобы нефтепродукты из водной фазы количественно экстрагировались в органическую фазу - гексан в обоих массообменных блоках.

В табл. 1, 2 представлены полученные результаты, позволяющие провести сравнение эффективности процессов массообмена в системе вода - нефтепродукты - гексан. Критерием сопоставления эффективности проведения процессов обоими способами была выбрана величина аналитического сигнала нефтепродуктов в гексане после экстракции. При одинаковых геометрических параметрах массообменных блоков объем смачивающей жидкости, в данном случае гексана, в предлагаемом устройстве в десять раз меньше, чем в устройстве-прототипе. Уменьшение интенсивности максимума аналитического сигнала (табл. 2) для устройства-прототипа в сравнении с заявляемым связано с разным объемом гексана при вымывании нефтепродуктов из массообменного блока (см. табл. 1). Это сказывается при определении малых концентраций нефтепродуктов в воде, где аналитический сигнал при использовании блока-прототипа находится на уровне шумов. На основании приведенных результатов можно сделать вывод, что эффективность массообменных процессов при использовании предложенного способа и устройства в системе жидкость - жидкость существенно выше, чем у прототипа.