RU2077937C1

RU2077937C1 - Method of performing mass exchange

Info

Publication number: RU2077937C1
Authority: RU
Inventors: Марат Фатыхович Гумеров
Original assignee: Марат Фатыхович Гумеров
Priority date: 1992-07-09
Filing date: 1992-07-09
Publication date: 1997-04-27

Abstract

FIELD: mass exchange processes. SUBSTANCE: mass exchange between two immiscible phases by the aid of polymer porous membranes and polymer porous filler located between the two membranes consists in the following. The first phase is passed through filler and the second one, cross-like, through filler and membranes, pressure in the first phase exceeding that in the second phase all over the mass-exchange space. As the first phase, a liquid not drenching filler and membranes is used, and as the second phase, gas or a drenching liquid, or likewise, respectively, gas and drenching liquid may be used. Process is carried out so that pressure difference between exchanging phases were larger than minimum capillary pressure in filler pores but lower than the same quantity in membrane pores. EFFECT: enhanced mass exchange process. 2 dwg, 5 tbl

Description

Изобретение относится к области осуществления массообменных процессов в системах жидкость-газ и жидкость-жидкость с помощью пористых мембран, применяемых для разделения или избирательного выделения веществ, а также для направленной массопередачи веществ из одной фазы в другую с целью их концентрирования, например для последующего определения содержания или регулирования их концентрации в одной из фаз при оксигенации крови. The invention relates to the field of mass transfer processes in liquid-gas and liquid-liquid systems using porous membranes used for separation or selective separation of substances, as well as for directed mass transfer of substances from one phase to another for the purpose of concentration, for example, for subsequent determination of the content or regulation of their concentration in one of the phases during blood oxygenation.

Известен ряд способов осуществления массообмена в названных выше системах обменивающихся фаз с использованием пористых мембран. (Ивахно С.Ю. Афанасьев А. В. Ягодин Г.А. Итоги науки и техники. Неорганическая химия, т. 13. М. 1985; Badcoch W.E. Baker R.W. Kelly at al. "U.S. Coverment research reports", 1980, 7, PB80-110430, p 1174; патент США N 345589 (1969); патент США N 4451562 (1984); патент ФРГ N 2758546 (1978); патент ЮАР N 7903581 (1980); ЕП N N 0223626 (1987); патент Японии N 63-1860 (1988); патент Японии N 63-17465 (1988); патент ВБР N 1471308 (1977)). A number of methods for the implementation of mass transfer in the above-mentioned systems of exchanging phases using porous membranes are known. (Ivakhno S.Yu. Afanasyev A.V. Yagodin G.A. Results of science and technology. Inorganic chemistry, vol. 13. M. 1985; Badcoch WE Baker RW Kelly at al. "US Coverment research reports", 1980, 7 , PB80-110430, p 1174; US patent N 345589 (1969); US patent N 4451562 (1984); German patent N 2758546 (1978); South African patent N 7903581 (1980); EP NN 0223626 (1987); Japan patent N 63-1860 (1988); Japanese patent N 63-17465 (1988); FBG patent N 1471308 (1977)).

Данные способы предусматривают подачу потоков обменивающихся фаз по разные стороны мембран из пористых полимерных материалов, поры которых при этом постоянно заполнены газовой фазой или смачивающей мембрану жидкой фазой. Процесс массообмена осуществляется на стороне мембраны, контактирующей с несмачивающей мембрану фазой. Интенсивность массообмена определяется скоростью диффузного массопереноса вещества через поровое пространство мембран и величиной поверхности раздела обменивающихся фаз. Увеличение поверхности межфазного контакта в единичном объеме массообменного пространства может достигаться за счет использования мембран в виде полых волокон ([2] [8] [9] ). При этом однако резко усложняется конструкция массообменных устройств. К недостаткам данных способов относится и то, что при их реализации не исключается возможность попадания одной из обменивающихся фаз в поток другой. These methods provide for the flow of exchanging phases on opposite sides of membranes made of porous polymeric materials, the pores of which are constantly filled with a gas phase or a liquid phase wetting the membrane. The mass transfer process is carried out on the side of the membrane in contact with the non-wetting membrane phase. The intensity of mass transfer is determined by the rate of diffuse mass transfer of the substance through the pore space of the membranes and the size of the interface between the exchanging phases. An increase in the interface surface in a single volume of the mass transfer space can be achieved by using membranes in the form of hollow fibers ([2] [8] [9]). However, however, the design of mass transfer devices is greatly complicated. The disadvantages of these methods include the fact that during their implementation does not exclude the possibility of one of the exchanging phases in the flow of the other.

Чтобы предотвратить попадание несмачивающей фазы в поток газовой фазы предложено блокировать поры мембран мелкими гидрофобными частицами [7] что приводит к резкому усложнению технологии изготовления подобных мембран. Кроме того, данный способ не исключает возможности попадания газа в поток жидкой фазы. И, наконец, способ не может быть реализован в случае, если обменивающаяся с газом жидкость смачивает материал мембран. To prevent the non-wetting phase from entering the gas phase stream, it was proposed to block the pores of the membranes with small hydrophobic particles [7], which leads to a sharp complication of the technology for manufacturing such membranes. In addition, this method does not exclude the possibility of gas entering the liquid phase stream. And finally, the method cannot be implemented if the fluid exchanged with the gas moistens the membrane material.

Для удаления воздушных пузырьков из потока крови при ее оксигенации предложено подавать поток крови вниз по каналам, отделенным пористой гидрофобной мембраной от каналов подачи воздуха таким образом, чтобы любые воздушные пузырьки, случайно попавшие в кровь, имели повышенное время пребывания в ней вследствие воздействия на них подъемной силы [4] При пропускании крови под давлением, превышающем в достаточной степени давление воздуха, создаются условия, обеспечивающие возможность выхода пузырьков из объема крови в воздушное пространство. To remove air bubbles from the blood stream during its oxygenation, it is proposed to supply the blood stream down the channels separated by a porous hydrophobic membrane from the air supply channels so that any air bubbles that accidentally enter the blood have an increased residence time due to exposure to them forces [4] When passing blood under a pressure that exceeds the air pressure sufficiently, conditions are created that allow bubbles to escape from the blood volume into the airspace .

Для того, чтобы исключить попадание газовой фазы в поток жидкости, например в поток крови при ее оксигенации, предложено осуществлять процесс массообмена в условиях, когда максимальное давление газовой фазы поддерживается ниже максимального давления потока омывающей мембрану жидкой фазы [10] В качестве наиболее подходящего материала мембран рекомендуется пористый политетрафторэтилен с размерами пор менее 0,5 мм и толщиной мембран 0,127 мм. Предложено также использовать мембраны из пористого полипропилена толщиной 0,0254 мм и с размерами пор порядка 0,1 мкм. В данном способе однако не указано ни соотношение давлений потоков обменивающихся фаз, ни диапазон изменения давлений. Соответственно, не оговорены условия, при которых предотвращается попадание жидкости в поток газа, и, наконец, данный способ, как и все ранее рассмотренные, не позволяет осуществить массообмен между газом и жидкостью, смачивающей материал мембран. Этот способ является наиболее близким аналогом заявленного технического решения. In order to prevent the gas phase from entering the liquid stream, for example, into the blood stream during oxygenation, it is proposed to carry out a mass transfer process under conditions when the maximum pressure of the gas phase is kept below the maximum pressure of the liquid washing the membrane of the liquid phase [10] As the most suitable membrane material Porous polytetrafluoroethylene with pore sizes less than 0.5 mm and a membrane thickness of 0.127 mm is recommended. It is also proposed to use membranes made of porous polypropylene with a thickness of 0.0254 mm and with pore sizes of the order of 0.1 μm. In this method, however, neither the ratio of the pressure of the flows of the exchanging phases, nor the range of pressure changes are indicated. Accordingly, the conditions under which the ingress of liquid into the gas stream is prevented are not specified, and finally, this method, like all previously considered, does not allow mass transfer between the gas and the liquid that moistens the membrane material. This method is the closest analogue of the claimed technical solution.

Целью изобретения является расширение возможности способа за счет реализации массообменного процесса между газом и жидкостью, смачивающей материалы мембраны и наполнителя. Еще одной целью изобретения является обеспечение стабильности массообменного процесса, при котором исключается попадание одной из обменивающихся фаз в поток другой. The aim of the invention is to expand the capabilities of the method due to the implementation of the mass transfer process between gas and liquid, wetting the membrane and filler materials. Another objective of the invention is to ensure the stability of the mass transfer process, which eliminates the ingress of one of the exchanging phases into the flow of the other.

Указанные цели достигаются тем, что поток смачивающей жидкости пропускают через мембраны и наполнитель, поток несмачивающей жидкости пропускают только через наполнитель, а поток газа в зависимости от того, смачивает или не смачивает обменивающаяся с ним жидкость материалы мембран и наполнителя, процесс ведут так, чтобы разность давлений обменивающихся фаз была больше минимального капиллярного давления в порах наполнителя, но меньше минимального капиллярного давления в порах мембран, причем материалы мембран и наполнителя выбирают так, чтобы минимальное капиллярное давление в порах наполнителя было меньше аналогичной величины для мембран. These goals are achieved by the fact that the flow of wetting fluid is passed through the membranes and the filler, the flow of non-wetting fluid is passed only through the filler, and the gas flow, depending on whether or not the fluid exchanged with it, moistens the materials of the membranes and filler, the process is carried out so that the difference the pressure of the exchanging phases was greater than the minimum capillary pressure in the pores of the filler, but less than the minimum capillary pressure in the pores of the membranes, and the materials of the membranes and filler are chosen To minimum capillary pressure in pores of the filler was less than that for the membrane.

Таким образом при реализации предлагаемого способа массообмена в системе газ-жидкость выбор материалов мембран и наполнителя не зависит от того, являются ли указанные материалы смачиваемыми по отношению к участвующей в массообмене жидкости или не являются. Для системы жидкость-жидкость необходимо, чтобы одна из обменивающихся фаз не смачивала материалы мембран и наполнителя. Ограничения по общей пористости с точки зрения принципиальной возможности осуществления процесса отсутствуют. Так же, как в случае прототипа и его аналогов, эффективность процесса будет тем выше, чем больше общая пористость мембран и наполнителя. Общая пористость мембран и наполнителя обуславливает рабочие давления потоков обменивающихся фаз и диапазон возможного изменения рабочих давлений при условии обеспечения стабильности процесса во времени. И, наоборот, ограничения по диапазону рабочего давления потока одной из фаз, как, например при оксигенации крови, в свою очередь определяют выбор того или иного материала по признаку его общей пористости. Одним из основных критериев в выборе материала мембран и материала наполнителя является величина минимального капиллярного давления в их парах. Как известно, величина капиллярного давления в порах описывается следующим уравнением

где P_к капиллярное давление, σ поверхностное натяжение, q краевой угол смачивания, r радиус пор.Thus, when implementing the proposed method of mass transfer in a gas-liquid system, the choice of membrane materials and filler does not depend on whether these materials are wettable with respect to the liquid involved in mass transfer or not. For a liquid-liquid system, it is necessary that one of the exchanging phases does not wet the membrane and filler materials. There are no restrictions on the total porosity from the point of view of the fundamental possibility of the process. Just as in the case of the prototype and its analogues, the efficiency of the process will be the higher, the greater the total porosity of the membranes and filler. The total porosity of the membranes and the filler determines the working pressures of the flows of exchanging phases and the range of possible changes in working pressures, provided that the process is stable over time. And, conversely, restrictions on the range of the working pressure of the flow of one of the phases, as, for example, during blood oxygenation, in turn determine the choice of a material based on its general porosity. One of the main criteria in the choice of membrane material and filler material is the value of the minimum capillary pressure in their vapor. As is known, the capillary pressure in the pores is described by the following equation

where P _to capillary pressure, σ surface tension, q the contact angle, r pore radius.

Следовательно, минимальное рабочее давление потока фазы, пропускаемой только через наполнитель, должно быть выше минимального капиллярного давления в порах наполнителя. Это необходимо для того, чтобы, например вытеснить по крайней мере из наиболее крупных пор наполнителя смачивающую жидкость другой жидкостью или газом, создав тем самым условия для протекания газа или несмачивающей жидкости через пространство, занятое наполнителем. Причем в качестве крупных пор необходимо рассматривать также и пространство между отдельными группами гранул наполнителя. В случае массообмена в системе газ - несмачивающая жидкость, давление жидкости должно преодолеть капиллярное давление в наиболее крупных порах, препятствующее проникновению туда несмачивающей жидкости. При осуществлении массообмена в системе газ - смачивающая жидкость, давление ее в порах мембран является суммой рабочего и капиллярного давлений. В наиболее крупных порах суммарное давление жидкости будет минимальным, следовательно, рабочее давление газа должно быть меньше данной величины, чтобы газ не выдавливал жидкость из самых крупных пор мембран. При этом условии исключается механическое попадание газа в поток жидкости. Если же обменивающаяся с газом жидкость является несмачивающей, ее проникновению в поры мембран будет препятствовать капиллярное давление и давление газа, проходящего через эти поры. Therefore, the minimum working pressure of the phase flow, passed only through the filler, should be higher than the minimum capillary pressure in the pores of the filler. This is necessary, for example, to displace, at least from the largest pores of the filler, a wetting liquid with another liquid or gas, thereby creating conditions for the gas or non-wetting liquid to flow through the space occupied by the filler. Moreover, as large pores, it is also necessary to consider the space between the individual groups of granules of the filler. In the case of mass transfer in the gas-non-wetting fluid system, the fluid pressure must overcome the capillary pressure in the largest pores, preventing the penetration of non-wetting fluid there. During mass transfer in a gas-wetting liquid system, its pressure in the pores of the membranes is the sum of the working and capillary pressures. In the largest pores, the total fluid pressure will be minimal, therefore, the working gas pressure should be less than this value so that the gas does not squeeze out the fluid from the largest pores of the membranes. Under this condition, mechanical ingress of gas into the fluid flow is excluded. If the fluid exchanged with the gas is non-wetting, capillary pressure and the pressure of the gas passing through these pores will impede its penetration into the pores of the membranes.

На фиг.1 приведена схема осуществления массообмена между газом и жидкостью, смачивающей материалы мембран и наполнителя; на фиг.2 схема осуществления массообмена между газом и жидкостью, которая не смачивает материалы мембран и наполнителя. Figure 1 shows a diagram of the implementation of mass transfer between gas and liquid, wetting the materials of the membranes and the filler; figure 2 diagram of the implementation of mass transfer between gas and liquid, which does not wet the materials of the membranes and filler.

Данная схема используется также и при осуществлении процесса массообмена в системе жидкость-жидкость. This scheme is also used in the process of mass transfer in a liquid-liquid system.

Для осуществления массообмена по предлагаемому способу используют систему из двух пористых мембран 1 и 2 (фиг.1 и 2), между которыми расположен слой пористого наполнителя 3. Поток жидкости, смачивающей материалы мембран и наполнителя, пропускают последовательно через мембрану 1, наполнитель 3 и мембрану 2. Поток несмачивающей жидкости (фиг. 2) пропускают только через слой наполнителя. Если же одной из обменивающихся фаз является газ, то в случае смачивающей жидкости поток газа пропускают только через наполнитель (фиг. 1), а в случае несмачивающей жидкости поток газа пропускают последовательно через мембрану 1, наполнитель 3 и мембрану 2 (фиг. 2). For the implementation of mass transfer according to the proposed method, a system of two porous membranes 1 and 2 (FIGS. 1 and 2) is used, between which a layer of porous filler 3 is located. The flow of liquid wetting the materials of the membranes and filler is passed sequentially through the membrane 1, filler 3 and the membrane 2. The flow of non-wetting fluid (Fig. 2) is passed only through the filler layer. If one of the exchanging phases is gas, then in the case of a wetting liquid, the gas flow is passed only through the filler (Fig. 1), and in the case of a non-wetting liquid, the gas flow is passed sequentially through the membrane 1, filler 3 and membrane 2 (Fig. 2).

Предлагаемый способ можно проиллюстрировать следующими примерами. The proposed method can be illustrated by the following examples.

Пример 1. Для проверки эффективности и стабильности предлагаемого способа осуществления массообмена в системе газ-жидкость был проведен процесс оксигенации крови, предусматривающий насыщение крови кислородом и удаление из нее избыточного количества двуокиси углерода. Эксперименты проводились с использованием трехслойных блоков из политетрафторэтилена различной пористости и плотности. Трехслойные блоки изготовлены по известной методике (см. 11. Лейбинц Е. Штруппе Х.Г. Руководство по газовой хроматографии. Перевод с немецкого под редакцией А. А. Жуховицкого, М. Мир, 1988, с. 205). Крайние слои блока изготовлены так, чтобы минимальное капиллярное давление в порах для воды было не ниже 0,005 МПа. Для изготовления среднего слоя использовалась фракция частиц 1,5 2,0 мм, полученная путем размола и фракционирования однажды отожженной шихты порошка политетрафторэтилена-сырца. Такая фракция частиц выбрана, исходя из требования минимальной травмируемости крови при прохождении ее через пористую массу. Габариты блока и соответствующие сечения среднего слоя по направлению потока крови и воздуха могут быть выбраны, исходя из величины потока направляемой на оксигенацию крови, в том числе и при экстракорпоральных операциях. В процессе стендовых испытаний использовался уменьшенный модуль оксигенатора, рассчитанный на поток крови в пределах 50 см³/мин, что было обусловлено соображениями экономии донорской крови. Последняя заготовлена на растворе "Глюгицир", срок хранения ее от момента заготовки до проведения опыта составил 1 сут. В работе были использованы два одинаковых модуля. Первый использовали для оксигенации крови, а второй, расположенный последовательно по ходу потока крови, использовали для удаления кислорода из крови с помощью потока смеси азота (95 об.) и двуокиси углерода (5 об.). Такая схема давала возможность проведения многократной циркуляции крови по замкнутому контуру.Example 1. To verify the effectiveness and stability of the proposed method for the implementation of mass transfer in a gas-liquid system, a blood oxygenation process was carried out, which enriched the blood with oxygen and removed excess carbon dioxide from it. The experiments were carried out using three-layer blocks of polytetrafluoroethylene of different porosity and density. Three-layer blocks are made according to a well-known technique (see 11. Leibints, E. Struppe, HG, Manual for Gas Chromatography. Translation from German, edited by A. A. Zhukhovitsky, M. Mir, 1988, p. 205). The extreme layers of the block are made so that the minimum capillary pressure in the pores for water is not lower than 0.005 MPa. For the manufacture of the middle layer, a particle fraction of 1.5 to 2.0 mm was used, obtained by grinding and fractionating the once annealed mixture of raw polytetrafluoroethylene powder. Such a fraction of particles is selected based on the requirement of minimum blood damage when passing through a porous mass. The dimensions of the block and the corresponding sections of the middle layer in the direction of blood and air flow can be selected based on the magnitude of the flow directed to oxygenation of the blood, including during extracorporeal operations. In the process of bench tests, a reduced oxygenator module was used, designed for a blood flow in the range of 50 cm ³ / min, which was due to considerations of saving donor blood. The latter was prepared on a solution of "Glyugitsir", its shelf life from the time of preparation to the experiment was 1 day. Two identical modules were used in the work. The first was used to oxygenate the blood, and the second, located sequentially along the blood stream, was used to remove oxygen from the blood using a stream of a mixture of nitrogen (95 vol.) And carbon dioxide (5 vol.). This scheme made it possible to conduct multiple blood circulation in a closed loop.

Процесс оксигенации крови осуществлялся в следующем порядке. Через коллекторы для подачи обменивающейся фазы непосредственно на слой наполнителя подавали физиологический раствор до установления заданной величины потока, что регулировалось изменением входного и выходного давления жидкости. The process of blood oxygenation was carried out in the following order. Saline solution was supplied through the collectors to supply the exchanging phase directly to the filler layer until a predetermined flow value was established, which was controlled by a change in the inlet and outlet pressure of the liquid.

Одновременно к внешней стороне одного из крайних слоев блока подавали воздух под некоторым избыточным давлением по отношению к атмосферному давлению на выходе из массообменной камеры. Изменяя давление газа так, чтобы разность давлений воды и газа не превышала минимального капиллярного давления в порах крайних слоев (мембран) блока, добивались установления заданного соотношения потоков жидкости и воздуха через массообменное пространство. At the same time, air was supplied to the outer side of one of the extreme layers of the block under a certain excess pressure with respect to atmospheric pressure at the outlet of the mass transfer chamber. By changing the gas pressure so that the pressure difference between water and gas does not exceed the minimum capillary pressure in the pores of the extreme layers (membranes) of the block, we sought to establish a given ratio of liquid and air flows through the mass transfer space.

Аналогичные операции производили и с вторым модулем, только вместо воздуха использовали газовую смесь на основе азота. После стабилизации заданных параметров процесса к системе вместо источника физиологического раствора подсоединяли источник донорской крови. Основные параметры процесса оксигенации по предлагаемому способу приведены в табл. 1. Similar operations were performed with the second module, but instead of air, a nitrogen-based gas mixture was used. After stabilization of the set process parameters, a source of donor blood was connected to the system instead of a source of physiological saline. The main parameters of the oxygenation process according to the proposed method are given in table. one.

Как видно из таблицы 1, насыщение крови кислородом до необходимых значений парциального давления кислорода (примерно 100 мм рт.ст.) достигается с использованием атмосферного воздуха. При этом обеспечивается также и снижение парциального давления двуокиси углерода до необходимой величины. В случае использования кислорода наблюдается эффект гипероксигенации. As can be seen from table 1, the saturation of blood with oxygen to the required values of the partial pressure of oxygen (approximately 100 mm Hg) is achieved using atmospheric air. At the same time, the partial pressure of carbon dioxide is also reduced to the required value. In the case of using oxygen, the effect of hyperoxygenation is observed.

В процессе циркуляции крови по замкнутому контуру оксигенатор практически не оказывает повреждающего влияния на форменные элементы крови при продолжительной работе (табл. 2). In the process of blood circulation in a closed circuit, the oxygenator practically does not have a damaging effect on the formed elements of the blood during prolonged use (Table 2).

Для сравнительной оценки предлагаемого способа оксигенации в табл. 3 приведены основные характеристики известных оксигенаторов и устройства, в котором реализуется предлагаемый способ. В качестве критерия сравнения эффективности мембранных оксигенаторов используется соотношение величин транспорта кислорода в оксигенатор к объему крови в оксигенаторе, выраженному в процентах (см. 12 Искусственные органы, Под ред. В.И. Шумакова, М. Медицина, 1990, 270 с). Критерий эффективности является интегральной величиной следующих объективных критериев оксигенатора: скорости кровотока, транспорта O₂ и CO₂, скорости и сопротивления вентиляции, объема заполнения оксигенатора, площади мембран и т.п. Результаты показаны в табл. 1, 2, 3.For a comparative assessment of the proposed method of oxygenation in table. 3 shows the main characteristics of known oxygenators and the device in which the proposed method is implemented. As a criterion for comparing the effectiveness of membrane oxygenators, the ratio of oxygen transport to the oxygenator to the blood volume in the oxygenator, expressed as a percentage, is used (see 12 Artificial organs, Ed. By V.I. Shumakov, M. Medicine, 1990, 270 s). The efficiency criterion is an integral quantity of the following objective oxygenator criteria: blood flow velocity, O ₂ and CO ₂ transport, ventilation speed and resistance, oxygenator filling volume, membrane area, etc. The results are shown in table. 1, 2, 3.

Можно видеть, что по коэффициенту эффективности оксигенатор, функционирующий по предлагаемому способу, превосходит известные технические решения. Высокий коэффициент эффективности, свидетельствующий о быстром насыщении крови кислородом, позволяет использовать в предлагаемом способе воздух для оксигенации, в результате чего исключается возможность гипероксигенации. Это свидетельствует о существенном преимуществе предлагаемого способа оксигенации по сравнению с известными способами и соответствующими устройствами. It can be seen that in terms of the efficiency factor, the oxygenator functioning according to the proposed method is superior to the known technical solutions. A high efficiency coefficient, indicating a rapid saturation of blood with oxygen, allows the use of oxygen for oxygenation in the proposed method, as a result of which the possibility of hyperoxygenation is excluded. This indicates a significant advantage of the proposed method of oxygenation in comparison with known methods and corresponding devices.

Пример 2. Примером осуществления массообмена в системе газ-жидкость (несмачивающая материал мембран и наполнителя) для решения аналитических задач является непрерывное извлечение бензола и толуола из потока воды в поток газа с целью их хроматографического определения. Одна из наиболее распространенных схем решения подобных задач в дискретном варианте основана на газохроматографическом анализе газовой фазы, находящейся в состоянии равновесия с анализируемой жидкостью, так называемом методе "анализ равновесного пара" (АРП). Использование предлагаемого способа позволяет обеспечить достижение межфазного равновесия в потоке. В качестве мембран, ограничивающих массообменное пространство, использовали мембраны из пористого политетрафторэтилена толщиной 0,1 мм, средний радиус пор 0,1 мкм. В качестве наполнителя межмембранного пространства использовали пористый политетрафторэтилен с различным средним радиусом пор и сополимер стирола и дивинилбензола (полисорб-1) с радиусом пор 0,008 мм. В связи с отсутствием информации о распределении пор по радиусам в используемых мембранах были проведены предварительные эксперименты по оценке скорости протекания воды через мембраны в зависимости от приложенного давления. По этим данным установлено, что минимальное капиллярное давление в порах мембран составляет 0,04 МПа. Следовательно, разность давлений обменивающихся фаз в пространстве наполнителя не должно превышать 0,04 МПа, чтобы не было проскока воды через поры мембран, хотя абсолютные значения рабочих давлений могут быть выбраны произвольно. Example 2. An example of the implementation of mass transfer in a gas-liquid system (non-wetting material of membranes and filler) for solving analytical problems is the continuous extraction of benzene and toluene from a water stream into a gas stream for the purpose of chromatographic determination. One of the most common schemes for solving such problems in a discrete version is based on a gas chromatographic analysis of the gas phase in equilibrium with the analyzed liquid, the so-called "equilibrium vapor analysis" (ARP) method. Using the proposed method allows to achieve interfacial equilibrium in the stream. As membranes that limit the mass transfer space, we used membranes made of porous polytetrafluoroethylene with a thickness of 0.1 mm and an average pore radius of 0.1 μm. Porous polytetrafluoroethylene with a different average pore radius and a styrene-divinylbenzene copolymer (polysorb-1) with a pore radius of 0.008 mm were used as a filler of the intermembrane space. Due to the lack of information on the pore radius distribution in the membranes used, preliminary experiments were carried out to evaluate the rate of water flow through the membranes depending on the applied pressure. According to these data, it was found that the minimum capillary pressure in the pores of the membranes is 0.04 MPa. Therefore, the pressure difference of the exchanging phases in the space of the filler should not exceed 0.04 MPa, so that there is no leakage of water through the pores of the membranes, although the absolute values of the working pressures can be chosen arbitrarily.

Проверка эффективности предлагаемого способа осуществления массообмена осуществлялась по следующим параметрам. Для метода АРП обязательным условием является достижение межфазного равновесия. И в качестве критерия достигаемой степени равновесности распределения используется соотношение

где С_факт. измеренное значение концентрации компонента в потоке газовой фазы;
С_равн. значение равновесной концентрации компонента в газовой фазе.Checking the effectiveness of the proposed method for the implementation of mass transfer was carried out according to the following parameters. For the ARP method, the achievement of interphase equilibrium is a prerequisite. And as a criterion for the degree of distribution equilibrium achieved, the relation

where C is a _fact. the measured value of the concentration of the component in the gas phase stream;
With _equal the value of the equilibrium concentration of the component in the gas phase.

Характеристики материалов, использованных в качестве наполнителя межмембранного пространства, приведены в табл. 4. Кроме того, в табл. 4 даны величины соотношения потоков обменивающихся фаз через единицу площади сечения и полученные при этом значения коэффициентов, характеризующих степень равновесности протекающего процесса массообмена. The characteristics of the materials used as a filler of the intermembrane space are given in table. 4. In addition, in table. Figure 4 gives the ratio of the flows of exchanging phases through a unit of cross-sectional area and the resulting values of the coefficients characterizing the degree of equilibrium of the ongoing mass transfer process.

Как видно из табл. 4, даже при значительном изменении соотношения потоков обменивающихся фаз процесс массообмена протекает в условиях равновесного распределения веществ. As can be seen from the table. 4, even with a significant change in the ratio of flows of exchanging phases, the process of mass transfer proceeds under conditions of equilibrium distribution of substances.

Пример 3. Определение газообразных продуктов разложения в трансформаторном масле путем их предварительного извлечения в поток газа, пропускаемого через дозирующую петлю газового хроматографа. В данном случае реализуется массообмен в системе газ-жидкость, смачивающая материалы мембран и наполнителя. Для этого также использовали трехслойный блок с различной пористостью среднего и крайних слоев, полученный так же, как и в первом примере, по известной методике. Плотность и пористость крайних слоев таковы, что будучи пропитаны трансформаторным маслом, они практически не проницаемым для газового потока при давлениях до 0,3 МПа, при температуре до 60^oC. В то же время они обладают пропускной способностью потока трансформаторного масла в пределах до 30 см³/мин при перепаде давления порядка 0,03 МПа. При этом плотность и пористость среднего слоя выбрана так, что он практически не оказывает гидравлического сопротивления потоку жидкости. При входном давлении газа порядка 0,20 МПа, величина его потока составляет 6-9 см³/мин.Example 3. Determination of gaseous decomposition products in transformer oil by preliminary extraction into a gas stream passing through a metering loop of a gas chromatograph. In this case, mass transfer is realized in a gas-liquid system that wetts the materials of the membranes and the filler. For this, we also used a three-layer block with different porosity of the middle and extreme layers, obtained in the same way as in the first example, by a known method. The density and porosity of the outer layers are such that when impregnated with transformer oil, they are practically impermeable to the gas stream at pressures up to 0.3 MPa, at temperatures up to 60 ^o C. At the same time, they have a flow capacity of the transformer oil in the range up to 30 cm ³ / min at a pressure drop of the order of 0.03 MPa. Moreover, the density and porosity of the middle layer is chosen so that it practically does not exert hydraulic resistance to the fluid flow. At an inlet gas pressure of the order of 0.20 MPa, its flow rate is 6–9 cm ³ / min.

Процесс извлечения осуществлялся следующим образом. The extraction process was carried out as follows.

Поскольку трансформаторное масло смачивает используемые материалы, поток его пропускали последовательно через первый плотный, средний и второй плотный слои блока, тогда как поток газа только через средний слой. При закрытых коллекторах подачи и вывода газа через массообменное устройство, последнее подключали к источнику контролируемого масла. После установления равномерного потока жидкости устройство подключили к источнику газа, одновременно используемого в качестве газа-носителя. Поток газа проходил через средний слой снизу вверх. Постепенно повышая давление газа на входе в средний слой, добивалась установление заданной величины его потока и соответствующего соотношения объемных скоростей обменивающихся фаз. Газ, выходящий из массообменного устройства, проходил через дозирующую петлю кран-дозатора газового хроматографа. Периодически вводили пробу газа в хроматограф и определяли концентрацию в масле таких газообразных веществ, как водород, метан, окись и двуокись углерода, азот и кислород. Данные результаты сверяли с аналогичными, полученными с помощью входящей в комплект хроматографа специальной приставки для извлечения газов из жидкостей. Результаты приведены в табл. 5. Как видно из таблицы, при определенных соотношениях объемных скоростей потоков обменивающихся фаз концентрация компонентов в газовом потоке практически не отличаются от равновесных величин. Since transformer oil moistens the materials used, its flow was passed sequentially through the first dense, middle and second dense layers of the block, while the gas flow only through the middle layer. With closed gas supply and exhaust manifolds through a mass transfer device, the latter was connected to a source of controlled oil. After establishing a uniform flow of liquid, the device was connected to a gas source, simultaneously used as a carrier gas. The flow of gas passed through the middle layer from the bottom up. Gradually increasing the gas pressure at the inlet to the middle layer, we sought to establish a given value of its flow and the corresponding ratio of the volume velocities of the exchanging phases. The gas leaving the mass transfer device passed through the metering loop of the metering valve of the gas chromatograph. A gas sample was periodically introduced into the chromatograph and the concentration of gaseous substances such as hydrogen, methane, carbon monoxide and dioxide, nitrogen and oxygen in the oil was determined. These results were checked against those obtained using the special set-top box included in the chromatograph kit for extracting gases from liquids. The results are shown in table. 5. As can be seen from the table, at certain ratios of the volumetric flow rates of the exchanging phases, the concentration of components in the gas stream practically does not differ from the equilibrium values.

Пример 4. Примером реализации предлагаемого способа массообмена в системе жидкость-жидкость является непрерывное извлечение растворенных в воде нефтепродуктов в органический растворитель с целью определения их содержания в воде. Для люминесцентного определения нефтепродуктов предварительно проводят их экстракцию в гексан в статических условиях. Опыты проводились с использованием пористых политетрафторэтиленовых мембран со средним радиусом пор 0,2 мкм и толщиной 0,15 мм. В качестве наполнителя межмембранного пространства использовался пористый политетрафторэтилен в виде блока длиной (расстояние между параллельными мембранами) 5 см. Средний радиус пор наполнителя 0,5 мкм. Example 4. An example of the implementation of the proposed method of mass transfer in a liquid-liquid system is the continuous extraction of oil products dissolved in water into an organic solvent in order to determine their content in water. For luminescent determination of petroleum products, they are preliminarily extracted in hexane under static conditions. The experiments were carried out using porous polytetrafluoroethylene membranes with an average pore radius of 0.2 μm and a thickness of 0.15 mm. Porous polytetrafluoroethylene in the form of a block with a length (distance between parallel membranes) of 5 cm was used as a filler in the intermembrane space. The average radius of the pores of the filler was 0.5 μm.

В соответствии с предлагаемым способом осуществления массообмена поток воды необходимо пропускать только через слой наполнителя, поток гексана пропускать последовательно через первую мембрану, слой наполнителя и затем через вторую мембрану. Давление обменивающихся фаз в массообменном пространстве может быть любым, однако, для предотвращения проскока водной фазы через мембраны необходимо поддерживать разность давлений в пределах, не превышающих величину

либо

где P_в и P_г давление воды и гексана, соответственно.In accordance with the proposed method of mass transfer, a water stream needs to be passed only through the filler layer, a hexane stream is passed sequentially through the first membrane, the filler layer and then through the second membrane. The pressure of the exchanging phases in the mass transfer space can be any, however, to prevent the leakage of the aqueous phase through the membranes, it is necessary to maintain the pressure difference in the range not exceeding the value

or

where P _in and P _{g the} pressure of water and hexane, respectively.

Дробное выражение получено из отношения капиллярных давлений для воды и гексана в порах политетрафторэтилена. The fractional expression is obtained from the ratio of capillary pressures for water and hexane in the pores of polytetrafluoroethylene.

Экстракцию нефтепродуктов из воды в гексан производили следующим образом. The extraction of petroleum products from water to hexane was carried out as follows.

Поток гексана последовательно пропускали через первую мембрану, слой наполнителя и через вторую мембрану и заполняли гексаном все массообменное пространство. Процесс заполнения указанного пространства считали законченным при отсутствии пузырьков газа в выходящем потоке гексана. Затем входной и выходной коллекторы по линии гексана перекрывали, а слой наполнителя подключали к источнику дистиллированной воды. Промывка массообменной камеры дистиллированной водой заканчивалась при отсутствии капелек гексана в выходящей воде. После этого камеру подключали к источнику гексана и к источнику воды, содержащей нефтепродукты, поддерживая необходимую разность давлений обменивающихся фаз, добивались установления требуемых величин потоков обменивающихся фаз. Через определенные промежутки времени отбирали пробы водной и органической фаз для определения содержания нефтепродуктов по стандартным методикам. Критерием эффективности процесса служила величина, характеризующая полноту извлечения нефтепродуктов из воды гексаном

где

соответственно концентрации нефтепродуктов в водной фазе на входе и выходе массообменного устройства.The hexane stream was successively passed through the first membrane, the filler layer and through the second membrane, and the entire mass transfer space was filled with hexane. The process of filling this space was considered complete in the absence of gas bubbles in the effluent of hexane. Then, the input and output collectors along the hexane line were blocked, and the filler layer was connected to a source of distilled water. The washing of the mass transfer chamber with distilled water was completed in the absence of hexane droplets in the outlet water. After that, the chamber was connected to a source of hexane and to a source of water containing oil products, maintaining the necessary pressure difference of the exchanging phases, and they sought to establish the required flow values of the exchanging phases. At certain time intervals, samples of the aqueous and organic phases were taken to determine the content of petroleum products according to standard methods. The criterion for the effectiveness of the process was a value characterizing the completeness of the extraction of oil from water with hexane.

Where

respectively, the concentration of petroleum products in the aqueous phase at the inlet and outlet of the mass transfer device.

В процессе непрерывной работы в течение 12 ч полнота извлечения оставалась равной 100% для различных фиксированных соотношений потоков обменивающихся фаз (0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 4,0). During continuous operation for 12 hours, the completeness of extraction remained equal to 100% for various fixed ratios of the flows of exchanging phases (0.1; 0.5; 1.0; 1.5; 2.0; 4.0).

Предлагаемый способ может быть использован для осуществления любого массообменного процесса в системах фаз газ- полярная жидкость, газ-неполярная жидкость и жидкость-жидкость, соответственно полярная и неполярная. The proposed method can be used to carry out any mass transfer process in phase systems gas-polar liquid, gas-non-polar liquid and liquid-liquid, respectively, polar and non-polar.

Для систем газ-жидкость такой процесс может быть реализован с целью насыщения жидкостей газами или наоборот для удаления или извлечения газов из жидкостей. В случае системы жидкость-жидкость предлагаемый способ позволяет осуществить в непрерывном или периодическом режиме процессы экстракции или реэкстракции при разделении веществ. Приведенные примеры иллюстрируют возможность применения способа в медицине и аналитической химии. Предлагаемый способ может найти применение в химической технологии, гидрометаллургии, для очистки воздуха от примесей токсичных газов. For gas-liquid systems, such a process can be implemented to saturate liquids with gases, or vice versa, to remove or extract gases from liquids. In the case of a liquid-liquid system, the proposed method allows for continuous or batch operation of extraction or re-extraction processes during the separation of substances. The above examples illustrate the possibility of applying the method in medicine and analytical chemistry. The proposed method can find application in chemical technology, hydrometallurgy, for air purification from impurities of toxic gases.

Claims

A method of mass transfer between two immiscible phases using membranes of a porous polymeric material that is not wetted by one of the phases, comprising supplying one of the exchanging phases at an overpressure relative to the pressure of the other phase and maintaining excess pressure in the entire mass transfer space, characterized in that the porous filler made of a polymeric material that is not wetted by the same phase that does not wet the membranes; the first of the exchanged phases is passed only through h the filler, and the second is passed through the membranes and the filler so that the pressure difference of the exchanging phases is greater than the minimum capillary pressure in the pores of the filler, but less than the minimum capillary pressure in the pores of the membranes, and the liquid not wetting the filler and membranes is used as the first phase, but gas or a wetting liquid are used as the second phase, or gas is used as the first phase, and a wetting liquid as the second phase.