Экспериментальная установка для изучения гидродинамики и массообмена в тонких дисперсиях газ-жидкость Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 544.723.3

Куликов М.В.*, Подметенный А.А., Дмитриев Е.А.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

125047, Москва, Миусская площадь, дом 9 *e-mail: [email protected]

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ГИДРОДИНАМИКИ И МАССООБМЕНА В ТОНКИХ ДИСПЕРСИЯХ ГАЗ-ЖИДКОСТЬ

Описана экспериментальная установка очистки газовой смеси от CO2 хемосорбцией раствором Ca(OH)2 с помощью керамических мембран. Проводится поиск оптимальных условий для проведения массообмена с учетом гидромеханики образования и поведения газожидкостных дисперсий.

Ключевые слова: хемосорбция, сепарационная колонна, массообмен, гидромеханика, степень поглощения.

При диспергировании газа через пористые микрофильтрационные мембраны образуются микропузырьки, имеющие размеры от 5 до 120 мкм [1]. Благодаря малым размерам образующихся пузырьков процесс мембранного микробарботажа может быть положен в основу разработки высоко эффективных массообменных аппаратов. Такие аппараты могли бы проектироваться по типу кожухотрубных модулей, в которых в качестве основных элементов использовались бы керамические трубчатые мембраны с активным внутренним покрытием, в том числе и многоканальные.

Разделяемая газовая смесь под давлением подается на наружную поверхность мембран, а абсорбент движется с определенной скоростью внутри каналов. Для увеличения сорбционной емкости абсорбента можно использовать процесс хемосорбции.

Ранее [2] нами были выполнены исследования процессов физической абсорбции и хемосорбции углекислого газа из воздуха в мембранном микробарботажном аппарате. В качестве абсорбента при хемосорбции использовались растворы едкого натра с концентрацией 0,01-0,07 кмоль/м3 для двух различных мембран. Диспергирование газовой фазы проводилось с помощью керамических мембран со средним диаметром пор 0,5 и 2,6 мкм при инерционном воздействии жидкой фазы. Скорость абсорбента в канале мембраны изменялась от 0,5 до 3,0 м/а В силу малых размеров образующихся пузырьков (20-70 мкм), развивалась большая поверхность контакта фаз, и межфазный поток углекислого газа достигал величин (3-11)-10-4 моль/м2с.

Использование растворов гашеной извести в качестве хемосорбента представляется перспективным, как в технологическом, так и в экологическом аспектах. Во-первых, не требуется регенерации абсорбента, а во-вторых, практически отсутствуют проблемы с утилизацией образующегося карбоната кальция.

Объектами исследования являлись: зависимость размеров микропузырьков, образующихся при диспергировании газа на трубчатых керамических мембранах с различным диаметром пор от скорости

протекающей в канале мембраны жидкости, зависимости межфазного мольного потока поглощаемого вещества, коэффициентов массоотдачи и удельной поверхности контакта фаз от содержания диоксида углерода в газовой смеси и от общего газосодержания в системе, а также расчет степени поглощения углекислого газа после модуля и после сепарационной колонки.

Основная часть установки (схема приведена на рис. 1) - это мембранный модуль, в котором располагается керамическая мембрана (используемые в данной работе мембраны имеют средние размеры пор 0,1 мкм и 1,5 мкм). С помощью центробежного насоса жидкость подается в канал мембраны, а снаружи на поверхность мембраны из двух баллонов подается газовая смесь азота и диоксида углерода в различных пропорциях (10-50 об.% СО2). В созданной лабораторной установке в качестве жидкой фазы используется насыщенный раствор гашеной извести. На выходе из емкости с Са(ОН)2 установлен фильтр для очистки раствора от взвешенных частиц СаСО3, образовавшихся в результате реакции с углекислым газом. После смешения газовой и жидкой фазы газожидкостная смесь поступает в сепарационную колонку для разделения фаз и для дополнительного процесса массообмена. В колонке располагается металлическая сетка, предназначенная для организации отделения газа от жидкости. После отделения жидкость возвращается в цикл, предварительно насыщаясь в емкости с раствором гашеной извести, а газ выходит в атмосферу из верхней части колонки. Установка снабжена ротаметрами для контроля расходов газовой и жидкой сред, манометрами и вентилями для отбора проб. Скорость жидкости в канале составляет 2,5 м/с, расход газа от 0,45 л/мин до 2,70 л/мин, рабочее давление 2-4 атм. (для керамической мембраны с диаметром пор ~1,5 мкм). Для мембраны с диаметром пор ~0,1 мкм скорость жидкости находится в диапазоне 1,5-2 м/с, расход газа от 0,10 л/мин до 1,18 л/мин (рабочее давление 4-6 атм). Концентрация диоксида углерода в газовой фазе измеряется на выходе из мембранного модуля и из колонны, разделяющей газовую и жидкую фазы.

манометр ®

мембранный модуль

I—ш

^ I

СО2 Т

V

К К4 Д

отбор

проб

ш

фильтр

Рис. 1. Схема лабораторной установки для очистки биогаза.

Данный реакции:

процесс включает две последовательные

СО2 + ОН = НСО3

НСО3

ОН = СО32 + Н7О

Таким образом, суммарная реакция протекает по уравнению:

СО2 + 2ОН" = СО32" + Н2О

При достаточном избытке извести вторая реакция протекает практически мгновенно, поэтому процесс лимитируется первой реакцией, скорость которой определяется выражением:

= к2

[СО2] • [ОН-]

(1)

Определение распределения размеров

микропузырьков в данной работе основано на анализе скорости всплытия микропузырьков из столба газожидкостной суспензии. При исследовании по данному методу экспериментально получают зависимость снижения уровня газожидкостного слоя от времени - ДН = где величина ДН - равна разности между начальной высотой слоя НО и высотой слоя в произвольный момент времени Н, которая может быть описана функцией вида:

АН = АН „

г

г + г

(2)

экспериментально

в которой ДНШ и г0 определяемые константы.

Исследование межфазного массообмена базировалось на уравнении материального баланса (3). При этом мольный поток поглощенного СО2 в данной работе при избытке щелочи экспериментально определяется

по изменению концентрации гидроксида кальция в растворе и рассчитывается по уравнению:

М

(сН - С в V

Vь

(3)

где С в и С в - начальная и конечная концентрации

гидроксида кальция соответственно;Уь - объем протекающей через мембрану жидкости; V, -стехиометрический коэффициент в реакции:

,VaA + vьB ^ vdD+veE.

Измерение содержания диоксида углерода после мембранного модуля проводится и косвенным методом - с помощью титрования раствора гидроксида кальция раствором соляной кислоты с последующим определением количества

поглощенного углекислого газа по

стехиометрической реакции. После колонки количество углекислого газа измерялось с помощью газового хроматографа «Хроматек Кристалл 5000.1». Были проведены эксперименты с газосодержанием в системе ~4-5 об. %. Анализ газа, отобранного вверху сепарационной колонки, на газовом хроматографе показал, что степень поглощения углекислого газа составляет ~99 об. %, что говорит о высокой эффективности данного процесса. В дальнейшем планируется проведение экспериментов с более высоким газосодержанием.

Цель экспериментов - найти оптимальные условия для реализации массообмена с учетом ранее проведенных исследований в области физико-химической гидромеханики тонких газо-жидкостных дисперсий.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, научный проект № 16-03-00717.

Куликов Михаил Витальевич аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

р

р

р

ж

N

Подметенный Александр Александрович магистр кафедры процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Дмитриев Евгений Александрович д.т.н., профессор, заведующий кафедрой процессов и аппаратов химической технологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. А.М. Трушин, Е.А. Дмитриев, В.В. Акимов. Механика образования микропузырьков при диспергировании через поры микрофильтрационных мембран// Теор. основы хим. технол., 2011, т. 45, №1, с. 28-34.

2. В.В. Акимов, Е.А. Дмитриев, А.М. Трушин. Исследование массообмена при хемосорбции СО2 в мембранном микробарботажном аппарате// Теор. основы хим. технол., 2011, т. 45, №6, с. 621-627.

M.V. Kulikov*, A.A. Podmetennyy, E.A. Dmitriev.

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

* e-mail: [email protected]

DESIGN OF EXPERIMENTIAL UNIT FOR MASS TRANSFER INVESTIGATION IN THE GAS-LIQUID FINE DISPERSIONS

Abstract

The experimental unit for separation of CO2 by the solution of Ca(OH)2 using ceramic membranes is proposed. The optimum conditions for carrying out mass transfer in gas-liquid dispersions is searched

Keywords: chemisorption, absorbent, separation column, mass transfer, hydromechanics, the extent of absorption.