В последние годы всё большее значение приобретает проблема экономии и рационального использования материальных и энергетических ресурсов.

Поэтому перед современной химической технологией встает задача создания высокоэффективных аппаратов, способных с наименьшими затратами энергии и ресурсов достигать получения необходимого продукта.

Недавно появился ряд публикаций о том, что при диспергировании газа через пористые мембраны образуются микропузырьки, которые приводят к увеличению поверхности массообмена.

Данный процесс может быть положен в основу создания компактных массообменных аппаратов газожидкостного контакта, поэтому исследование основных закономерностей межфазного массообмена при микробарботаже представляет значительный интерес.

Экспериментальная установка

Для экспериментального исследования массообмена при микробарботаже использовалась экспериментальная установка (рис. 1), основным элементом которой является мембранный модуль с трубчатой керамической мембраной.

Рис.1 Схема лабораторной установки для исследования гидродинамических и
массообменных характеристик мембранно-абсорбционного процесса.

В работе использовались две керамические пористые мембраны, с размерами пор 0.5 мкм и 2.6 мкм. Внутрь мембраны, при помощи центробежного насоса, в зависимости от типа исследований, подавались вода или растворы щелочи различной концентрации при скоростях от 0,7 до 3 м/с. С наружной стороны мембраны с помощью баллона и компрессора подавалась газо-воздушная смесь (содержание СО₂ 10 об. %).

Для анализа количества поглощенного СО₂ использовался электронный рН-метр с погрешностью измерений 2%.

Для определения распределения размеров микропузырьков использовалась колонна высотой 0.8 м и сечением 150×150 мм. Определение размеров микропузырьков проводилось путем анализа скорости их всплывания из газожидкостного слоя.

Построение математической модели

В рамках исследования гидромеханики рассматриваемого процесса на основе составления баланса сил, действующих на микропузырек в момент его роста на поверхности мембраны, была получена математическая модель, описывающая зависимость размеров микропузырьков от скорости жидкости в канале мембраны.

Результаты сравнения теоретической зависимости с экспериментальными данными представлены на рисунках 2 и 3.

Рис. 2 Зависимость диаметра микропузырьков от скорости жидкости в канале мембраны:

• Керамическая мембрана с d₀ = 2.6 мкм;
• Стеклянная мембрана с d₀ = 2.23 мкм.

Рис. 3 Зависимость диаметра микропузырьков от скорости жидкости в канале мембраны:

• Керамическая мембрана с d₀ = 0.5 мкм;
• Стеклянная мембрана с d₀ = 0.55 мкм.

Из рисунка видно, что полученная математическая модель достаточно хорошо, (с погрешностью не более 10 %), описывает полученные экспериментальные данные, а так же данные по микробарботажу на стеклянных керамических мембранах, взятые из литературы.

Можно видеть что с увеличением скорости жидкости происходит уменьшение размеров микропузырьков, что объясняется ростом отрывной силы сопротивления жидкости, действующей на пузырек. При этом полученные в работе микропузырьки, в зависимости от условий, имели размеры от 70 до 18 мкм.

Заключение

В целом данные теоретического и экспериментального исследования процесса микробарботажа позволяют сделать вывод о том, что вследствие малых размеров микропузырьков в микробарботажных аппаратах может быть развита значительная удельная поверхность контакта фаз, что приводит к увеличению эффективности межфазного массообмена и может быть использовано для создания аппаратов газожидкостного контакта
нового типа.