Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ литературных данных по разделению газовых смесей в мембранных аппаратах. Постановка задачи исследования 8
1.1. Особенности мембранных процессов разделения 8
1.2. Принцип действия мембранного контактора 11
1.3. Транспорт в пористых и непористых мембранах 13
1.4. Организация потоков в мембранных модулях 17
1.5. Классификация мембранных модулей 18
1.6. Анализ требований, предъявляемых к мембранным модулям 24
1.7. Схемы работы мембранного контактора 26
1.8. Преимущества и недостатки мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными методами разделения 29
1.9. Жидкие носители для удаления углекислого газа 32
1.10. Методы моделирования массопереноса в мембранных системах ... 35
1.11. Постановка задачи исследования 43
ГЛАВА 2. Моделирование процесса массопередачи в мембранном контакторе 45
2.1. Математическая модель массопередачи в мембранном контакторе.. 45
2.2. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе на примере удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси 54
2.3. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе с рециркуляционной схемой на примере
удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси 61
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса разделения азотно- углекислотной смеси в мембранном контакторе 72
3.1. Экспериментальный стенд для исследования процессамассопередачи в мембранном контакторе 72
3.2. Блок подготовки газовой смеси 75
3.3. Мембранный контакторный блок 76
3.4. Система измерения, контроля и управления 78
3.5. Оценка погрешностей измерений 82
3.6. Мембраны ПВТМС и ПДМС 84
3.7. Результаты экспериментального исследования дискового мембранного контактора 88
3.8. Результаты экспериментального исследования рулонного мембранного контактора 96
3.9. Результаты экспериментального исследования плоскорамного мембранного контактора 102
3.10. Рекомендации к расчету мембранных контакторов для разделения СОг-содержащих газовых смесей 110
Выводы 115
Литература 116
- Преимущества и недостатки мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными методами разделения
- Методы моделирования массопереноса в мембранных системах
- Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе на примере удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси
- Результаты экспериментального исследования дискового мембранного контактора
Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие мембранного газоразделения связано с разработкой мембранных аппаратов нового поколения, в частности, мембранных контакторов (МК). Одним из ведущих научно-исследовательских центров, активно занимающихся разработкой новых конструкций мембранных контакторов в России, является ИНХС им. А.В. Топчиева РАН. Мембранный контактор - это разделительный аппарат, в котором реализуется селективный массоперенос компонентов между движущейся газовой смесью и жидкостью-абсорбентом, разделенными мембраной. Движущей силой процесса в МК является градиент химического потенциала по разные стороны мембраны. Принцип действия основан на сочетании мембранного и абсорбционного разделительных процессов, что позволяет достигать высокой селективности процесса разделения.
Возможны две принципиальные рабочие схемы МК. Первая схема состоит из одного или ряда мембранных модулей, выполняющих функцию абсорбера (рис. La). В данной схеме осуществляется проточная подача абсорбента через МК: жидкий носитель поглощает сорбируемый компонент А, селективно проникающий через мембрану, и удаляется без регенерации. Схема экономически выгодна для избирательного выделения из газовой смеси только одного продукта Вр-
Мембранный абсорбер
Продукт
б)
Разделяемая газовая смесь
- —-:-_- Cs
Абсо
Aocqpt ент + сорб if. ованный комп агент Аж
Мембранный десорбер
Чистый абсорбент
Продукт
о)
Мембранный модуль
Продукт
Разделяемая газовая смесь
Чистый абсорбент
Абсорбент + сорбированный компонент Аж
Рис. 1. а) Мембранный контактор (МК); б) МК с рециркуляционной схемой
РОС. НАЦИОНАЛЬНА* |
БИБЛИОТЕКА I
С.П«ге| 09
С точки зрения технико-экономических показателей для непрерывного разделения газовой смеси с одновременным одностадийным получением двух чистых продуктов наиболее оправдано применение МК с рециркуляционной схемой, имеющего замкнутый жидкостный контур, обеспечивающий регенерацию абсорбента (рис. 1.6). Принцип действия основан на селективной сорбции жидкостью компонента в первом модуле (мембранном абсорбере) и последующей ее регенерации во втором (мембранном десорбере). Движущей силой процесса десорбции является градиент парциального давления газа, реализуемый методами вакуумной откачки или сдувки инертным газом-носителем. При этом чистый продукт Вг получают на выходе мембранного абсорбера, а Ар — на выходе мембранного десорбера. Для повышения эффективности процесса регенерации возможен нагрев жидкости в десорбере.
Мембранные контакторы обладают рядом особенностей по сравнению с классическими адсорбционными газоразделительными установками. Подобно абсорбционным колоннам или адсорберам с движущимся слоем сорбента, МК обеспечивают непрерывность процесса массообмена между средами. Характерным преимуществом МК с рециркуляционной схемой является одновременное получение двух продуктов разделения газовой смеси при неизменном количестве абсорбента. Они надежны, работают в широком диапазоне изменения концентраций, расходов, давлений, обладают малой удельной массой. МК с рециркуляционной схемой, работающий в изотермическом режиме, обладает относительно низким потреблением энергии, так как не требует сжатия газовой смеси и нагрева абсорбента, что делает МК в некоторых случаях конкурентоспособным с традиционными разделительными аппаратами. МК используются при насыщении питьевых напитков углекислотой, озонации сточных вод, удалении углекислого газа и кислорода из потоков питания для электрохимических систем, осушке воздуха и др.
МК представляется перспективным направлением в технологических процессах разделения бинарных газовых смесей, в том числе смеси СОг-N2. Необходимость получения чистых N2 и СОг обусловлена растущим спросом на эти газы в нефтегазовом комплексе, на предприятиях химии, медицины, металлургии, пищевой промышленности и др.
Цель работы. Теоретическое и экспериментальное исследование процесса массообмена в системе «газ-мембрана-жидкость» при разделении смеси CO2-N2 и определение критериальной зависимости для расчета коэффициента массопередачи в МК.
Для достижения данной цели:
-
Проведен анализ существующих конструкций мембранных газоразделительных модулей и их применимости в схемах МК.
-
Выполнено теоретическое исследование процесса массопередачи в МК по изучению влияния расходов абсорбента, газовой смеси, площади
мембраны и организации потоков на эффективность разделения смеси CO2-N2 в различных схемах МК.
-
Создан экспериментальный стенд МК с рециркуляционной схемой и проведено экспериментальное исследование процесса массообмена в модулях различной конструкции.
-
Предложена методика проектировочного и поверочного расчетов МК с плоскими мембранами с учетом результатов теоретического и экспериментального исследования процесса разделения.
Научная новизна.
Получены новые результаты экспериментального и теоретического исследований процесса разделения смеси C02-N2 с высокой (5-40 об.%) концентрацией С02 в различных схемах МК с непористыми полимерными мембранами: ПВТМС (поливинилтриметилсилан) и «Лестосил».
Предложена критериальная зависимость для определения коэффициента массоотдачи в плоскорамном МК при абсорбции СОг водой в процессе разделения смеси C02-N2.
Практическая значимость работы.
Создана экспериментальная мембранная контакторная установка (МК с рециркуляционной схемой) для разделения ССЬ-содержащих газовых смесей, исследованы ее характеристики.
Определен диапазон работы мембранных контакторов с различными схемами, обеспечивающий наибольшую селективность процесса разделения смеси C02-N2.
Предложена методика расчета МК для разделения С02-содержащих газовых смесей.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались: на научной сессии МИФИ (Москва, 2004); международном симпозиуме «Ars Separatoria» (Злотый Поток, Польша, 2003, 2004); всероссийской научной конференции «Мембраны» (Клязьма, Россия, 2004), международном симпозиуме «Образование через науку» (МГТУ им Н.Э. Баумана, Москва, 2005); на международной конференции «Permea» (Поланица Здрой, Польша, 2005), научных семинарах в ИНХС им. А.В. Топчиева РАН в течение 2002-2005 гг.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано две статьи в научных журналах, а также тезисы докладов на научных конференциях.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (102 наименований). Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц и 45 рисунков.
Преимущества и недостатки мембранных контакторов по сравнению с абсорбционными методами разделения
При расположении мембраны снаружи трубки можно получить трубчатые МЭ малых диаметров, что позволяет значительно увеличить удельную поверхность мембран в аппарате. Кроме того, не требуется высокой точности выработки дренажного каркаса аппарата и возможен контроль процесса формования мембраны. Однако эти аппараты по сравнению с аппаратами, в которых мембрану располагают внутри трубки, отличаются большой материалоемкостью (необходим корпус, выдерживающий рабочее давление), плохими гидродинамическими условиями; их сложнее очищать от осадка, а при замене трубчатых мембранных элементов легко повредить селективный слой мембран. В аппаратах с комбинированным расположением трубчатых мембранных элементов мембраны помещаются на дренажном каркасе как внутри труб, так и снаружи их. Аппараты этого типа имеют наибольшую удельную поверхность мембран. Помимо недостатков, характерных для аппаратов с трубчатыми мембранными элементами, в которых мембраны расположены внутри или снаружи труб, аппараты этого типа имеют значительное гидравлическое сопротивление из-за большой протяженности канала. Трубчатые мембранные элементы различаются также конструкцией дренажного каркаса и способом крепления на нем мембраны. Аппараты с трубчатыми мембранными элементами нашли широкое применение для разделения ультра- и микрофильтрацией растворов, в которых возможно образование осадка, а также для опреснения обратным осмосом воды с высокой концентрацией солей. Рулонные мембранные модули по геометрии используемых в нем мембран являются тоже плоскими, только мембраны в нем свернуты вокруг центральной коллекторной трубки. Аппараты с рулонными мембранными элементами имеют очень невысокую удельную поверхность мембран (1(Н50 м2/м3). Недостатки аппаратов этого типа — сложность монтажа пакетов некоторых конструкций, необходимость замены всего пакета при повреждении мембраны, высокое гидравлическое сопротивление, как межмембранных каналов, так и дренажного листа. Сложность течения в аппарате подобной конструкции осложняет моделирование и масштабирование происходящих в нем процессов. Несмотря на то, что процесс массопереноса может быть организован с использованием различных конфигураций мембран в модуле, наибольшее распространение получили половолоконные МК [100]. Аппараты с полыми волокнами просты по устройству, технологичны в изготовлении; они легко собираются и удобны в эксплуатации. В этих аппаратах вследствие малых диаметров волокон обеспечивается очень высокая плотность упаковки мембран (до 300000 м2/м3), за счет чего достигаются более высокие значения производительности при низкой материалоемкости и компактных размерах таких устройств [113]. Другое важное преимущество мембран данного типа заключается в отсутствии необходимости создания поддерживающих устройств, поскольку тонкие волокна почти всегда способны выдержать без деформации необходимый рабочий перепад давлений. Это выгодно отличает их от тонких плоских мембран, недостаточная механическая прочность которых делает нежелательным повышение величин расходов потоков из-за возможности их разрыва в процессе разделения [93].
Половолоконные модули были разработаны и нашли широкое применение для процессов разделения растворов обратным осмосом и ультрафильтрацией, движущей силой которых является градиент давления, а не концентрации. Они нашли широкое применение в крупнотоннажных химических производствах и производстве особо чистой воды, в пищевой промышленности, при очистке и разделении газов и т. д. [47, 80, 96]. На начальных этапах развития половолоконных модулей, основным сдерживающим фактором являлось несовершенство самих мембранных волокон, прежде всего, потому что мембрана была тонкой, а скорость
проникновения сквозь нее - низкой. Использование полых волокон в мембранных контакторах часто приводило к возникновению ламинарного режима течения и, как следствие, относительно малым величинам коэффициентов переноса. Позднее были разработаны мембраны с более низким сопротивлением массопереносу. Это процесс заставил обратить внимание на другие виды сопротивления массопереносу, которые возникают в половолоконном модуле с параллельным потоком, в частности, на приповерхностный слой, возникающий с внешней стороны волокон. Это привело к возникновению и развитию альтернативных геометрий модулей с более высокими коэффициентами массопереноса по сравнению с традиционными половолоконными модулями. Было показано, что прямоугольный ковер из волокон до 20% эффективнее цилиндрической упаковки волокон, скрученных спиралевидно волокон, и гофрированной плоской мембраны [95]. Конструкция модуля с противоточной организацией потоков была значительно эффективнее, чем цилиндрический модуль с параллельными потоками. Для газовой абсорбции был предложен прямоугольный дизайн модулей с газом, текущим снаружи перпендикулярно волокнам [52]. Такая конструкция дает множество преимуществ, включая высокие коэффициенты массопереноса, малые перепады давления, легко контролируемые условия потоков с обеих сторон мембраны, независимость внешнего потока от неравномерного распределения волокон внутри модуля и возможность объединения модулей в каскады. Предварительная оценка показала, что эффективность модуля выше, если мембранный ковер лежит параллельно потоку, а не волнообразно. Предложена методика расчета половолоконных мембранных модулей, которая учитывает все эти факторы и позволяет вычислить требуемое количество волокон, диаметр модуля и его длину для каждой конкретной задачи [88]. Для тех случаев, когда одного модуля недостаточно, используются ряды параллельных каскадов. Однако, несмотря -24-на развитие расчетов и производства половолоконных модулей эксплуатация этих аппаратов предъявляет повышенные требования к предварительной очистке разделяемых смесей [75]. В случае выхода из строя части полых волокон приходится заменять весь пучок волокон. К недостаткам половолоконных аппаратов можно отнести недостаточную интенсивность перемешивания разделяемого вещества и относительно невысокую скорость массопереноса. Обзор литературных данных и рекомендаций показывает, что для каждого мембранного процесса с наибольшей вероятностью применим определенный тип мембранных модулей и мембран. Для одной и той же задачи в различных условиях могут быть эффективно применены различные конструкции, что обусловливается целью и рабочими параметрами процесса, такими как расходы газовой смеси и жидкости, температура, давление, концентрации и др. Таким образом, выбор конструкции и применение мембранных модулей для мембранных контакторов определяется совокупностью требований, предъявляемых к мембранным газоразделительным системам на их основе.
Методы моделирования массопереноса в мембранных системах
Также предложено использование дибутиламиноэтанола (ДБАЭ), диэтиламиноэтанола (ДЭАЭ) и диметиламинэтанола (ДМАЭ). Показано, что наивысшие значения проницаемости СОг получены для ДБАЭ, ДЭАЭ и ДМАЭ. ДБАЭ является наиболее эффективным для извлечения и обогащения СОг в мембранных контакторах. С помощью раствора этого амина удается добиться очень высоких значений селективностей (ctco2/N2 .5000), а концентрация получаемого продукта порядка сСо2,вых=99,8 % [67]. Одной из наиболее широко используемых и стабильных систем является использование в качестве носителей для СОг водных растворов бикарбонатов щелочных металлов. Для увеличения скорости реакции в раствор могут быть добавлены в качестве катализаторов анионы слабых кислот: селениты, арсениты, телуриты и др. Показано, что производительность такой системы по углекислому газу возрастает более чем в 4000 раз по сравнению с азотом. Помимо физических и химических абсорбентов для задачи удаления СОг в контакторах применимы комбинированные абсорбенты. Они производятся с целью объединения действия физической и химической абсорбции, что дает упрощение процесса очистки. Такие носители или их смеси обладают химическим механизмом связывания примесей, но с малыми энергиями связи, обеспечивая при этом высокую степень очистки одновременно с мягкими условиями процесса десорбции. Такие жидкости имеют схожие характеристики с водными растворами алканоаминов, имеют лучшие свойства по распаду и, кроме всего, не смачивают мембраны. Примером является основанный на аминокислотах абсорбент «CORAL» (СО2 Removal Absorption Liquid) [40]. Многообразие абсорбентов для СОг позволяет проводить исследования, направленные на поиск оптимальных жидких носителей для использования в МК, что позволит значительно расширить сферу их применения. Однако большинство данных работ связано с исследованием удаления углекислого газа в МК с проточной схемой и половолоконными пористыми мембранами. Свойства МК с рециркуляционной схемой и непористыми мембранами являются менее изученными, несмотря на их возможные преимущества. В настоящее время разработаны модели массообмена в газофазных мембранных системах, предложено теоретическое описание процессов разделения многокомпонентных газовых смесей в каскадных и рециркуляционных мембранных процессах, описаны жидкостные мембранные контакторные системы. Нерешенной проблемой является описание молекулярно-селективного переноса газов и паров в газожидкостных МК. Специфической особенностью данной задачи является то, что движущая сила процесса разделения определяется не бародиффузионными явлениями, а градиентом химического потенциала между газовой и жидкостной фазами. Движущая сила в таком аппарате определяется силами адсорбционного взаимодействия между газом и мембраной и абсорбционным взаимодействием между мембраной и жидкостью [41]. Процесс массоотдачи в газовой фазе мембранного модуля с учетом факторов потери давления в канале и продольной диффузии изучен достаточно, однако моделирование разделения с переносом в жидкой фазе в мембранных контакторах в настоящее время находится в стадии развития.
Исследования в данной области идут по двум основным направлениям: первое связано с моделированием процессов массообмена в условиях химических реакций, расчетом концентраций и активностей в жидком носителе, получение сорбционных характеристик, т.е. исследование свойств системы «газ-жидкость». Такие системы исследовались в применении к абсорбционным колоннам и активированной диффузии в жидких мембранах с образованием мономолекулярного слоя. Второе направление в моделировании - учет диффузии компонентов в движущейся жидкой фазе [100]. Одним из допущений при таком моделировании является допущение, согласно которому поперек жидкостного канала диффузия проходит полностью, что приводит к отсутствию концентрационных пограничных слоев, а влияние диффузии вдоль канала модуля по сравнению с конвективным переносом пренебрежимо мало. В применении к мембранному газоразделению такой режим носит название «идеального вытеснения». Такой подход резко снижает область его применения, но позволяет выявить некоторые основные закономерности. В МК возможно обеспечение условий, когда это предположение допустимо.
Процесс транспорта газа в мембранной системе состоит из двух стадий: периода достижения стационарного состояния (нестационарный процесс) и собственно самого стационарного процесса, который и будет в дальнейшем предметом исследования. На рис. 1.5. показано примерное стационарное распределение легкопроникающего компонента в поперечном сечении половолоконного мембранного элемента [12].
Состав смеси меняется по степенному или экспоненциальному закону в диффузионных пограничных слоях напорного и дренажного каналов, примерно линейно - в мембране и пористой подложке и скачкообразно - на поверхности раздела. Каждую из областей можно рассматривать как открытую неравновесную подсистему, а мембранный элемент в целом - как открытую систему, состоящую из четырех подсистем, разграниченных поверхностями раздела. На основе представлений о локальном термодинамическом равновесии концентрации компонентов на границах раздела подсистем находят из условия равенства химических потенциалов этих компонентов в каждой из сопрягающихся подсистем.
Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе на примере удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси
Вследствие понижения концентрации СОг в газовой фазе МК концентрация СОг в жидкости возрастает. На рис. 2.6 представлено изменение относительной концентрации СОг в жидкости по длине канала в противоточном МК, которое отображает распределение концентрации сорбированного компонента (СОг) в жидкости. Предельная концентрация в абсорбенте, равная равновесной концентрации в системе с С02 с парциальным давлением рсо2,г=А атм, равная парциальному давлению С02 на входе в модуль, составляет ссо2,ж,тах 0,067 моль/л. Видно, что абсорбент поглощает практически весь С02 из газовой смеси CO2-N2 во входных сечениях аппарата, а далее его концентрация по длине канала изменяется слабо. Максимальное извлечение СОг из газовой смеси достижимо при максимальной степени насыщения абсорбента, поэтому при высокой селективности сорбции компонентов жидкостью целесообразно выбирать режимы, в которых перенос компонента (СОг) к выходу модуля проходит практически полностью. Данное условие необходимо для высокой селективности разделения смеси в рециркуляционном МК, когда требуется одновременное получение двух продуктов разделения. Чем больше насыщается абсорбент СО2 в мембранном абсорбере, тем лучше происходит его извлечение из жидкости в десорбере. При этом достигается основная задача МК с рециркуляционной схемой: получение чистого продукта (N2) на выходе абсорбера и чистого СОг в десорбере. На практике ограниченная проницаемость мембраны и ограниченная диффузия сорбируемого компонента в жидкости влияют на массоперенос в системе «газ-мембрана-жидкость», приводя к неравномерному насыщению жидкости по длине канала и, как следствие, неполному ее насыщению на выходе из модуля. Основным расчетным параметром МК, определяющим его возможности и стоимость, является площадь мембраны. Для оценки требуемой площади мембраны в МК с проточной схемой на рис. 2.7 построена теоретическая зависимость относительной выходной концентрации ССЬ в газовой смеси от расхода абсорбента при различных площадях мембраны при противотоке. Расчет произведен для газовой смеси Gr=100 л/ч при Р/ с=1 атм. для противоточного плоскорамного мембранного модуля с мембраной ПВТМС и высотой жидкостного канала 6 -=100 мкм. Показано, что для удаления СОг из газовой смеси (ссо2,г,вых=1 об.%) с заданным расходом (7/=100 л/ч требуется FnBTMC=2 м2 и расход абсорбента Єж=270 л/ч (Яеж=15). При дальнейшем увеличении площади мембраны концентрация С02 в газовой смеси на выходе МК меняется незначительно. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе с рециркуляционной схемой представлено в следующем параграфе. Теоретическое исследование процесса массопередачи в мембранном контакторе с рециркуляционной схемой на примере удаления углекислого газа из азотно- углекислотной смеси В данной части работы исследовались параметры процесса массопередачи в МК с рециркуляционной схемой на примере разделения смеси CO2-N2 с водой в качестве абсорбента (рис. 2.8). Мембранный абсорбер В отличие от МК с проточной схемой, когда требуется получить один чистый продукт на выходе модуля, в МК с рециркуляционной схемой получают два продукта разделения газовой смеси. Необходимым условием выделения максимального количества С02 в мембранном десорбере такого является максимальное насыщение жидкости в абсорбере, что легко достигается при малых расходах абсорбента. Однако существенное понижение расхода жидкости может привести к снижению доли отбора компонента в абсорбере (рис. 2.4). При теоретическом исследовании введен безразмерный критерий Пекле в жидкости, характеризующий связь между скоростью изменения концентраций в жидкости, физическими характеристиками абсорбента, размерами аппарата и является мерой отношения молекулярного диффузионного потока компонента поперек канала к конвективному переносу массы в потоке вдоль канала [56, 101]:
Результаты экспериментального исследования дискового мембранного контактора
Как видно, для каучуков типична повышенная проницаемость углеводородов по сравнению с неорганическими газами (включая Не); для полимерных стекол повышена проницаемость легких (Не, Нг) и кислых газов (СОг). Данные полимерные мембраны обладают высокими параметрами газопроницаемости, хорошими пленкообразующими свойствами и являются промышленно доступными материалами. Однако наблюдаются существенные различия в газопереносе через каучукоподобные и стеклообразные мембраны.
Каучукоподобные состояния отличаются высокой степенью макромолекулярной подвижности, вследствие чего каучукоподобные полимеры быстро реагируют на присутствие растворенного вещества, диффундирующего в них. Быстрое наступление равновесия в растворе между газом и полимером позволяет считать линейной зависимость между концентрацией газа в полимере и парциальным давлением газа, согласно закону Генри. С понижением температуры каучукообразного полимера ниже характерной температуры стеклования, подвижность макроцепей резко уменьшается, и полимер отвердевает без образования кристаллической решетки. В таком полимере появляются участки (микропустоты), оказывающие специфическое воздействие на процесс проникновения газа. Описание процесса переноса газа через каучукоподобный полимер проводится согласно модели «растворение-диффузия».
Для данных мембран было проведено исследование на физико-химическую стойкость и изменение массы, набухание по отношению к жидким абсорбентам. Первым этапом исследования была проверка изменения массы образца при нахождении в жидком абсорбенте, для чего образцы помещали в жидкий носитель и выдерживали в течение 80 мин. Получено, что по прошествии этого времени изменения массы образца не происходит. Например, до эксперимента масса образца ПВТМС составляла т/=1,560 г, после измеренная масса составила т2=\,569 г. Вторым этапом была проверка на изменение величины проницаемости мембраны. Для этого в течение 30 календарных днеймембранные образцы выдерживались в растворах жидких носителей рабочей концентрации с целью полного моделирования условий эксперимента.
Проведено измерение проницаемости данных образцов на газохроматографической установке, которое показало, что полученные коэффициенты проницаемости азота и углекислого газа совпадают с табличными значениями в пределах погрешности измерений (12%).
Показано, что полимерные ассиметричные мембраны на основе ПВТМС и ПДМС не только имеют высокую газопроницаемость по исследуемым газам (N2, С02, Н2, и 02), но так же обладают физико-химической стабильностью по отношению к применяемым жидким носителям (вода, водные растворы карбоната калия различных концентраций и пропиленкарбонат).
В основу конструкции положена новая композиционная полупроницаемая мембрана, представляющая собой тонкую жесткую пластину из пористой (размер пор 1-КЗ мкм) никелевой керамики, на внешнюю поверхность которой, контактирующей с кровью, нанесен слой полимера ПДМС (полидиметилсилаксан) толщиной 5 мкм модифицированного полиарилатом. Основной элемент модуля - это газовая камера, образованная из двух плоских кольцевых мембран, герметично соединенных друг с другом по внешней и внутренней окружностям и разделенных внутри газовым сепаратором. Внутри камеры осуществляется циркуляция кислорода, который входит и выходит через два диаметрально расположенные отверстия. Несколько десятков таких камер образуют необходимую газообменную поверхность. Сборка камер осуществляется таким образом, что отверстия в них образуют два газовых коллектора, через которые осуществляется подача и отбор кислорода в модуле. Герметичность коллекторов обеспечивается уплотнительными кольцевыми прокладками, расположенными между камерами. Газовый поток подается в один из коллекторов и параллельно поступает во все газовые полости камер, проходит над мембранами и выводится из другого коллектора. При работе с кровью градиент парциального давления для углекислого газа направлен из жидкости в поток газа, в то время как градиент парциального давления для кислорода - из газовой камеры в поток жидкости. Потоки кислорода и углекислого газа совпадают с направлением градиентов парциальных давлений соответствующих газов, что обеспечивает необходимый газообмен. Камеры устанавливают в пластиковый корпус, имеющий входной коллектор, и закрывают крышкой с выходным коллектором для циркуляции жидкости (крови). Жидкостная полость модуля образуется благодаря фиксированному расстоянию между газовыми камерами и зазору между сборкой и внутренней поверхностью корпуса. Однородное распределение крови и кислорода по всей рабочей поверхности мембранного оксигенатора обеспечивается высокой точностью изготовления камер и крышки корпуса, имеющей коническую форму. Технические данные и размеры дискового мембранного модуля приведены в табл. 10.
