Мембранные дегазаторы. Технология мембранной дегазации

      Представленный ниже материал посвящен важному направлению мембранных гетерофазных процессов, обеспечивающих  массообмен между газами и жидкостями.

     Технология мембранной дегазации основана на использовании мембранных контакторов   специальных устройств, обеспечивающих исключительно высокоэффективный массоперенос между газовой и жидкой фазами (см. рис. 2 и 3). В зависимости от рабочих условий, создаваемых в мембранном контакторе при помощи данной технологии можно как эффективно удалять газы из жидкостей, так и напротив, насыщать жидкости различными газами и их смесями или насыщать парами жидкости контактирующие газы. Движущая сила массопереноса обусловлена разностью давления паров компонента над поверхностью жидкости поотношению к равновесным концентрациям компонента в газовой фазе (при заданных условиях), а равновесная концентрация газов в жидкости прямо пропорциональна их парциальному давлению. К примеру, если равновесная концентрация кислорода в воде в атмосфере воздуха (при давлении воздуха  1 ата, и температуре воды  10 °С) составляет около 12 мг/л, то при снижении парциального давления кислорода над раствором в десять раз равновесная концентрация в  воде снизится до ~ 1,2 мг/л.

    Методы изменения равновесных концентраций газов в жидкостях просты -создание вакуума, повышение давления, атмосфера других газов, изменение температуры.

    Основа мембранных контакторов - микропористые половолоконные гидрофобные мембраны. Именно за счет гидрофобных свойств мембран достигается эффект, когда через поры мембраны может проникать только газовая фаза, а жидкость не смачивает поверхность пор и не проходит через них. Отсюда следуют преимущества мембранных контакторов-  при чрезвычайно высокой поверхности  массопереноса - отсутствие конвективного смешения фаз и необходимости их дальнейшего разделения (фазы уже разделены мембраной). Именно благодаря этим преимуществам технология мембранной дегазации получила очень широкое распространение в системах удаления растворенного кислорода и углекислоты при получении «особо чистой воды».

     При производстве половолоконных мембранных аппаратов (как контакторов для мембранной дегазации, так и, например ультра- или микро-фильтрационных модулей) существует множество способов компактного размещения пучков волокон и сборки их в аппарате. Одним из таких способов является связывание волокон в «направленные листы» (рис.1), которые затем скручиваются вокруг перфорированной центральной распределительной трубы.

    После того, как волокна оказываются, таким образом, «закрученными» вокруг распределительной трубы, концы волокон зажимают, отрезают по длине и фиксируют в концевом картридже. Особая конструкция концевых картриджей и создает пучок волокон, располагающийся параллельно центральной распределительной трубе.

     Картридж, затем, вставляется в напорный корпус и производится герметизация каналов. Полученная таким образом конструкция по своему устройству аналогична кожухотрубному теплообменнику (см. рис. 2). Жидкая фаза (обрабатываемая вода) протекает в таком аппарате снаружи полых волокон («межтрубное пространство»), а газовая фаза  внутри микропористых полых волокон («трубное пространство»).

     Оптимизированная конструкция мембранного контактора должна решать одновременно несколько задач обеспечить максимально возможную поверхность мембран (поверхность массопереноса) в минимальном объеме аппарата, создавать оптимальные гидро/аэродинамические условия движения каждой из фаз внутри аппарата, обеспечивать необходимые прочностные и коррозионностойкие характеристики устройства. При этом стоимость комплектной системы мембранной дегазации, созданной на базе таких контакторов,должна обеспечивать ему конкурен тоспособность по сравнению с альтернативными процессами дегазации.

Рис.1

Рис.2

Рис. 3.2.000_кратное увеличение

мембран «SuperPhobic®» (микрофо_

тография)

    Мембранные контакторы «Extra Flow» имеют среднюю перегородку  (перегородки), которая заставляет воду «вытекать» радиально через перфорацию центральной распределительной трубы, омывать тангенциально волокна снаружи и, лишь затем, пройдя через периферические отверстия в перегородке в другой отсек, собираться в перфорированной сборной трубе. Длина пути жидкости равна двум радиусам перегородки. Контакторы «Extra Flow» применяются в системах, которые используют подсос (как правило  в противотоке) газовой фазы через аппарат. При этом, в зависимости от природы извлекаемых газов, их содержания в исходной воде и необходимой глубины дегазации могут применяться схемы с прокачкой воздуха внутри мембранных

волокон, с прокачкой инертных газов (например, азота) внутри мембранных волокон, с прокачкой воздуха или инертных газов и дополнительным созданием вакуума в газовой фазе внутри аппарата.

     Мембранные контакторы «NB» не имеют средней перегородки (перегородок), вместо этого один из торцевых концов контактора заглушен концевой крышкой. Подвод жидкости осуществляется также через центральную перфорированную трубу. Отвод жидкости расположен в центре контактора на боковой поверхности. Вода омывает волокна практически в тангенциальном направлении по отношению к волокнам. Контакторы «NB» прекрасно зарекомендовали себя в системах, которые не используют подсос газовой фазы через аппарат, а работают только с применением вакуума.

     Помимо различия в конструкции аппаратов, в контакторах могут использоваться различные типы половолоконных мембран. На сегодняшний день, в промышленно выпускаемых контакторах используется четыре различных типа гидрофобных волокон на полиолефиновой основе. Более того, для дегазации жидкостей с малым значением коэффициента поверхностного натяжения разработан специальный класс мембранных контакторов  «SuperPhobic». Наружная поверхность волокон в этих кон_такторах покрыта непористым, но газопроницаемым слоем (см. рис. 3).