СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ МАССООБМЕНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК B01D61/24 B01D63/08 

Изобретение относится к области осуществления массообменных процессов в системах жидкость - жидкость и жидкость - газ с помощью гидрофобных 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, например, при оксигенации крови.

Для осуществления массообменных процессов между жидкостью и газом или двумя жидкостями с использованием гидрофобных пористых мембран известны две различные схемы, каждой из которых соответствует множество конкретных способов и устройств. Первая схема относится к способам мембранной экстракции (С. Ю. Ивахно, А.В.Афанасьев, Г.А.Ягодин). Итоги науки и техники. М.: Неорганическая химия, 1985, т.13. Эта схема обеспечивает массоперенос веществ из одной жидкой фазы, не смачивающей мембрану, в другую фазу, несмачивающую мембрану, через промежуточный слой третьей фазы, смачивающей мембрану и заполняющей ее поровое пространство. При реализации подобной схемы производится предварительное заполнение пор гидрофобной мембраны смачивающей ее фазой. Массообменные процессы между двумя жидкими фазами, не смачивающими мембрану, происходят по обеим границам мембраны. Массоперенос обмениваемых веществ от одной границы раздела фаз к другой происходит в результате диффузии. Эффективность процесса ограничивается площадью поверхности межфазного контакта, замедленностью диффузного массопереноса вещества через поровое пространство мембраны и незначительным временем стационарного протекания процесса межфазного переноса за счет растворения фазы, находящейся в поровом пространстве мембраны, в контактирующих с ней фазах. Увеличение поверхности межфазного контакта в единичном объеме мембранных модулей может достигаться за счет использования гидрофобных мембран в виде полых волокон (Babcock W.C., Bakez R.W., Kelly D.I. et.al. V.S. governinent researoh reports, 1980, 7, PB80-110430, p.1174), но при этом сохраняются диффузионные ограничения и ограничения по времени функционирования мембранных модулей. Кроме того усложняется конструкция самих модулей за счет систем ввода и вывода потоков из пучка полых волокон
Существенное снижение диффузионных ограничений с одновременным увеличением поверхности межфазного контакта и обеспечением возможности обновления фазы в объеме мембраны достигается в способе мембранной экстракции в множественной эмульсии (патент США N 345589, 1969), патент ФРГ N 2758546, 1978, патент ЮАР N 7903581, 1980). Однако возможности способа практически ограничены решением задач, связанных с концентрированием веществ из водных растворов, а схемы его реализации отличаются техническими сложностями, связанными с необходимостью предварительного формирования эмульсии, осуществления процесса межфазного контакта с отдающей фазой, разрушения эмульсии и проведения разделения фаз.

Вторая схема обеспечивает массообмен веществ между жидкой фазой, не смачивающей мембрану, и газовой фазой или жидкой фазой, смачивающей ее. Эта схема осуществления массообменных процессов с использованием гидрофобных мембран предусматривает постоянное заполнение пор мембраны газовой или смачивающей мембрану жидкой фазой. Процесс массообмена осуществляется на стороне мембраны, контактирующей с не смачивающей мембрану фазой. Этот способ реализован, в частности, во многих конструкциях мембранных оксигенаторов (патент США N 4451562, 1984, патент Японии N 62-9343, 1987).

Основными недостатками известного способа и основанных на нем устройств, как и способов и устройств, реализуемых по первой схеме, является относительно небольшая поверхность межфазного контакта и диффузионные ограничения массопереноса в мембране. Использование мембран в форме полых волокон и в этом случае только в определенной степени решает проблему увеличения поверхности межфазного контакта, но резко усложняет конструкцию мембранных модулей (патент Японии N 63-1860, 1988, патент Японии N 63-17465, 1988). Недостатки известных способов и устройств для осуществления массообменных процессов с использованием гидрофобных пористых мембран для осуществления межфазного контакта и разделения потоков обменивающихся фаз проявляются и в нарушениях стабильности процесса, которые связаны с прохождением через мембрану несмачивающей жидкой фазы в газовую или смачивающую жидкую фазу и наоборот.

Чтобы предотвратить попадание несмачивающей жидкой фазы в объем газовой, предложено, например, блокировать поры мембран мелкими гидрофобными частицами (Европейский патент N 0223626, 1987). Но это приводит к существенному усложнению технологии изготовления массообменных устройств и снижению эффективности массообмена между фазами за счет частичного перекрытия пор и уменьшения поверхности межфазного контакта.

Известны различные варианты устранения недостатков, связанных с возможностью попадания газовой или смачивающей мембрану жидкой фазы в объем несмачивающей фазы. Например, известно устройство, позволяющее исключить нежелательные последствия попадания воздушных пузырьков в кровь (патент США N 4451562, 1984). Для удаления воздушных пузырьков из потока крови при оксигенации предложено подавать кровь сверху 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 действия на них подъемной силы. При этом при пропускании крови под давлением, превышающим в достаточной степени давление воздуха, создаются условия, обеспечивающие возможность выхода пузырьков из объема крови в воздушные каналы. При этом не решается проблема повышения эффективности массообмена и не исключается попадание не смачивающей мембрану жидкой фазы в газовую фазу.

Для того, чтобы исключить попадание газовой фазы в не смачивающую мембрану жидкую фазу, предложено осуществлять процесс массообмена в условиях, когда максимальное давление, под которым подается газовая фаза, поддерживается ниже максимального давления в потоке не смачивающей мембрану жидкой фазы [1] . Для реализации такого процесса используются полимерные пористые гидрофобные мембраны. В качестве наиболее подходящего материала мембран рекомендуется пористый политетрафторэтилен с размерами пор менее 0,5 мкм и толщиной мембран 0,127 мм. Другим примером применяемых пористых гидрофобных мембран являются мембраны из полипропилена толщиной 0,0254 мм с размерами пор для порядка 0,1 мкм.

Конструкция массообменного аппарата для осуществления рассматриваемого способа включает массообменную камеру, в которой пористая гидрофобная мембрана разделяет отсеки, образующие путь прохождения потока жидкости и путь прохождения потока газа. Массообменная камера имеет средства раздельного ввода и вывода жидкости и газа. Массообменный аппарат содержит средство для поддержания предварительного заданного минимального давления жидкости, средство ограничения давления газа ниже минимального давления жидкости, средство регулирования давления газа на выходе из массообменной камеры, средство, реагирующее на давление газа и жидкости.

Реализованные в этом изобретении способ и устройство для осуществления массообмена между жидкостью и газом по технической сущности наиболее близки к предлагаемому изобретению. В данном техническом решении эффективность массообмена ограничена диффузионным подводом веществ через мембрану к границе раздела обменивающихся фаз и относительно малой площадью поверхности межфазного контакта в единичном объеме массообменного устройства. Также не исключено попадание не смачивающей мембрану жидкой фазы в поры мембраны и в объем газовой фазы. Частичное блокирование пор мембраны не смачивающей ее жидкой фазой вызывает нарушение массообменного процесса.

Целью изобретения является повышение эффективности массообмена за счет конвективной доставки веществ к границе раздела фаз и отвода от нее и за счет увеличения удельной поверхности межфазного контакта; обеспечение стабильности массообменного процесса во времени за счет исключения попадания несмачивающей фазы в поры мембраны и в объем газовой или смачивающей мембрану жидкой фазы.

Цель достигается тем, что в способе осуществления массообмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями, включающем подачу потоков обменивающихся фаз по разные стороны пористых мембран из полимерного материала, несмачиваемого одной из обменивающихся фаз, создание и поддержание во всем объеме массообменного пространства повышенного давления несмачивающей жидкости относительно давления другой фазы, поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток газа или смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны, причем между последними помещают пористый полимерный материал с размерами пор 0,03-1,00 мкм, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы и несмачиваемый той же фазой, которая не смачивает мембраны, причем максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживают таким, чтобы разность между его величиной и величиной минимального давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембран и материала, заполняющего межмембранное пространство.

На фиг. 1 представлена схема процесса, при котором потоки фаз направлены под прямым углом друг к другу; на фиг. 2 - то же, противоточный процесс; на фиг. 3 - схема предлагаемого устройства.

Поток не смачивающей мембрану жидкой фазы под давлением Р₁' пропускается через систему каналов, образованных в слое гидрофобного пористого полимерного материала с открытыми порами, например, политетрафторэтилена, заполняющем пространство между гидрофобной пористой мембраной 1 и другой мембраной 2. При этом поддерживают избыточное давление несмачивающей жидкой фазы во всем объеме массообменного пространства, минимальная величина которого на выходе соответствует величине Р₁'', т.е. Р₁' > P₁''.

К внешней стороне одной из гидрофобных мембран подводят поток газовой или смачивающей гидрофобные материалы жидкой фазы и создают и поддерживают постоянно или периодически избыточное давление Р₂' по отношению к давлению в объеме пространства со стороны второй гидрофобной мембраны Р₂'', т.е. Р₂' > P₂''. Величина создаваемого максимального давления газовой или смачивающей жидкой фазы Р₂' должна быть меньше величины максимального давления несмачивающей жидкой фазы Р₁'', т.е. Р₂' > P₁''. Под действием созданной разности давления газовая или не смачивающая мембрану жидкая фаза последовательно проходит через поровое пространство первой мембраны, поровое пространство контактирующего с мембраной пористого гидрофобного материала, образующего каналы для несмачивающей жидкости, и поровое пространство второй мембраны. Каналы при этом остаются заполненными не смачивающей мембрану жидкой фазой. Процесс массообмена происходит по всей поверхности стенок каналов. Достигаемая общая площадь поверхности межфазного контакта равна суммарной площади поверхности стенок каналов. При этом обмениваемые вещества подводятся к границе раздела фаз конвективно с обеих сторон: за счет движения несмачивающей жидкости по каналам и за счет движения газа или смачивающей жидкости по поровому пространству. В результате эффективность массообмена, определяемая площадью поверхности межфазного контакта и скоростью подвода и отвода веществ от границы раздела фаз, увеличивается.

Для реализации предлагаемого способа могут быть использованы пористые полимерные мембраны с открытыми порами из гидрофобных материалов, например, из политетрафторэтилена, полипропилена, полиэтилена и других полимерных материалов. Химический состав полимера не имеет принципиального значения. Ограничения по применению того или иного полимера с позиций химического состава определяются устойчивостью к химическому воздействию обеих фаз, участвующих в массообменном процессе. Выбор полимерных материалов для системы жидкость-газ существенно больше, чем для системы жидкость-жидкость.

Определяющим фактором в выборе материалов мембран являются их физические характеристики: общая пористость и размер пор. Ограничения по общей пористости с точки зрения принципиальной возможности осуществления процесса отсутствуют. Эффективность процесса будет тем выше, чем больше общая пористость мембран. Учитывая, что для различных материалов мембран этот параметр может варьировать в достаточно широких пределах, необходимость вводить специальные ограничения по этому параметру отсутствует.

Теоретически размер пор в мембранах не ограничен.

Целесообразно применять мембраны с размером пор в интервале от 0,03 до 1 мкм. Нижняя граница размеров определяется переходом от пористых к микропористым мембранам (С. Т.Хванг, К.Каммермейер. Мембранные методы разделения, пер. с англ. М.:Химия, 1981, с.68). Для последних преимущественной становится диффузионная проницаемость, тогда как для предлагаемого процесса необходима конвективная. При увеличении размеров пор выше 1 мкм гидрофобные материалы становятся легкопроницаемыми для полярных не смачивающих их поверхность жидкостей, что не позволяет реализовать общее с прототипом условие: поддержание повышенного давления несмачивающей жидкости по отношению к давлению второй фазы. Максимальная эффективность процесса обеспечивается при условии однородности пор в мембранах по размерам. Это связано с тем, что скорость потока газовой или смачивающей жидкой фазы, определяемая допустимой величиной создаваемого давления, лимитируется размером пор. Чем больше дисперсия пор по размерам, тем меньше скорость потока соответствующих фаз при одинаковой общей пористости и фиксированной величине давления. Аналогичные требования предъявляются при выборе пористого гидрофобного материала, образующего системы каналов для прохождения не смачивающей его жидкости. Этот материал может быть одинаковым с материалом мембран, может использоваться и другой полимерный материал с размерами пор от 0,03 до 1 мкм.

Обязательным условием является соответствие максимальных размеров пор в материале, образующем систему каналов, определенному соотношению давлений фаз, участвующих в массообменном процессе. Максимальный размер пор должен быть таким, чтобы возникающее в них капиллярное давление препятствовало заполнению пор несмачивающей гидрофобные мембраны жидкостью при поддерживаемой разнице между максимальным давлением несмачивающей жидкости Р₁' и минимальным давлением газа или смачивающей жидкости Р₂''.

Величина капиллярного давления в порах описывается следующим уравнением:
P_k= , где Р_к - капиллярное давление;
σ - поверхностное натяжение;
θ - краевой угол смачивания;
r - радиус пор.

Значения капиллярного давления, соответствующие максимальным радиусам пор мембран и материала, образующего систему каналов, могут быть рассчитаны по справочным данным. Если таковые отсутствуют, соответствующие значения капиллярного давления могут быть найдены экспериментально. Для этого в случае системы жидкость-газ достаточно определить минимальную величину давления, начиная с которой наблюдается уменьшение суммарного объема газовой фазы в пределах массообменного пространства. В случае системы жидкость-жидкость достаточно определить минимальное давление, при котором начинает происходить вытеснение смачивающей жидкости в объем несмачивающей. Из двух величин капиллярного давления, соответствующих материалу мембран и материалу, образующему систему каналов, меньшая является лимитирующей величиной, которая должна быть больше разности между максимальным давлением несмачивающей жидкости и минимальным давлением газа или смачивающей жидкости.

Выполнение этого условия исключает попадание несмачивающей жидкости в поры выбранных мембран и материала, образующего систему каналов и, соответственно, в поток газа или смачивающей жидкости. Поскольку давление несмачивающей жидкой фазы превышает давление газовой или смачивающей жидкой фазы, последние не могут выйти за пределы объема порового пространства мембран и материала с системой каналов. В результате обеспечивается стабильность процесса массообмена во времени.

Каналы в слое пористого гидрофобного материала, предназначенные для прохождения не смачивающей его жидкости, могут иметь произвольную форму и произвольную конфигурацию сечения, могут быть образованы за счет использования для формирования слоя пористого материала в виде гранул. Тогда каналы по площади сечения будут близки площади сечения гранул, могут быть использованы блоки с прямолинейными каналами заданного сечения.

Величина площади сечения каналов может варьировать в диапазоне от 1 ˙10^-3 до 10 мм². Нижняя граница диапазона определяется тем, что при меньших сечениях каналов резко возрастает сопротивление потоку не смачивающей гидрофобные материалы жидкости. Возрастает перепад ее давлений на входе в межмембранный слой и на выходе из него. Становится затруднительным подбор материалов мембран, не проницаемых для несмачивающей их жидкости при давлениях, равных величине Р₁'-P₂''. Увеличение сечения более 10 мм² нецелесообразно из-за снижения эффективности массообмена без каких-либо преимуществ по проницаемости для несмачивающей жидкости.

Цель достигается также тем, что в устройстве для осуществления массообмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями, включающем массообменную камеру с мембранами из пористого полимерного материала, несмачиваемого одной из обменивающихся фаз, средства подачи и вывода потока обменивающихся фаз, массообменная камера выполнена в виде двух мембран, между которыми помещен слой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов произвольной формы, несмачиваемого той же фазой, которая не смачивает мембраны.

В одном из вариантов устройств образующие массообменную камеру мембраны и слой с каналами, заполняющий межмембранное пространство, выполнены из одного пористого гидрофобного материала в виде единого блока.

На фиг. 3 показана принципиальная схема конструкции предлагаемого устройства. Основным узлом устройства является массообменная камера. В массообменной камере установлены гидрофобные пористые мембраны 1,2 таким образом, чтобы они полностью перекрывали вход и выход потока газа или смачивающей гидрофобные материалы жидкости. Межмембранное пространство 3 заполнено гранулами или сплошным слоем пористого гидрофобного материала, в котором выполнены каналы произвольной формы и произвольной конфигурации сечения. В случае заполнения гранулами каналами служит пространство между ними. Для фиксации между мембранами слоя, образованного из гранул, средства ввода и вывода не смачивающей гидрофобные материалы жидкости снабжены сетками или пористыми перегородками 4. В том случае, когда каналы выполнены в сплошном слое гидрофобного материала, необходимость в установке сеток отпадает.

Для раздельного ввода и вывода фаз, участвующих в массообменном процессе, устройство снабжено коллекторами, обеспечивающими равномерное поступление или равномерный отвод потоков фаз, соответственно коллекторы 5 и 6 для несмачивающей гидрофобные материалы жидкости, коллекторы 7 и 8 соответственно для газа или смачивающей жидкости. Чтобы обеспечить минимальное избыточное давление несмачивающей фазы по отношению к давлению газовой или смачивающей фазы во всем объеме массообменной камеры, на выходе из коллектора 6 установлен дроссель или гидрозатвор 9. Аналогичны прототипу по назначению и остальные элементы устройства: средство 10 ограничения давления газа или смачивающей жидкости ниже минимального давления несмачивающей жидкости, выполненное в виде гидравлического затвора или регулируемого клапана, автоматически открываемого при достижении определенного давления; средства 11 регулирования давления газа или смачивающей жидкости на выходе из массообменной камеры, выполненные в виде гидрозатвора или дросселирующего устройства; средства, реагирующие на давление газа или смачивающей жидкости, и жидкости, не смачивающей мембрану, например манометры 12.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Через коллектор 5 в устройство вводится поток не смачивающей гидрофобные материалы жидкости под избыточным давлением, не превышающим величину капиллярного давления, соответствующего материалу мембран и материалу, образующему систему каналов. Определение минимальной величины капиллярного давления производится в соответствии с условиями осуществления предлагаемого способа. После заполнения каналов в межмембранном пространстве 3 и свободных объемов входного 5 и выходного 6 коллекторов, контролируемого визуально по отсутствию пузырьков газовой фазы в потоке жидкости на выходе из коллектора 6, через коллектор 7 подается поток газа или смачивающей гидрофобные материалы жидкости под давлением, меньшим величины давления на выходе из коллектора 5. Ввод устройства в действие может быть осуществлен и в обратном порядке. Сначала создается избыточное давление газа или смачивающей жидкости на входе в коллектор 7, а потом подается несмачивающая жидкость в коллектор 5.

Необходимое по условиям осуществления конкретного массообменного процесса соотношение скоростей потоков обменивающих фаз осуществляется с помощью средств регулирования давления на выходе из массообменных камер, которые одновременно выполняют функции средств регулирования расхода, например регулируемых дросселей. Например, при необходимости уменьшения отношения скорости потока несмачивающей жидкости и скорости потока газа или смачивающей жидкости увеличивается давление на выходе из коллектора 6. Соответственно до этой величины может быть увеличено давление на входе в коллектор 7. При необходимости увеличения этого отношения, уменьшается давление на входе в коллектор 7 и соответственно уменьшается давление на выходе из коллектора 6. В последнем случае, если необходимо поддерживать избыточное давление газа или смачивающей жидкости на выходе из массообменной камеры, уменьшение скорости потока последних достигается с помощью соответствующего средства 11 регулирования давления, установленного на выходе из коллектора 8. При использовании устройства для осуществления одного и того же процесса с постоянными параметрами регулировки не требуется, так как в этом случае устройство снабжается средствами регулирования давления (9 и 11), обеспечивающими постоянное соотношение расходов обменивающихся фаз, например, гидрозатворами или дросселями с постоянным проходным сечением. При регулировании соотношения расходов или при предварительном выборе средств регулирования с заданным расходом обеспечивается выполнение условия, необходимого для осуществления массообменного процесса по предлагаемому способу: разность между максимальным давлением не смачивающей гидрофобные материалы жидкости и минимальным давлением газа или смачивающей жидкости не должна превышать меньшую из двух величин капиллярного давления, соответствующего максимальным радиусам пор материала мембран и материала, образующего систему каналов.

Вывод устройства на стационарный режим работы может осуществляться как с использованием фаз, участвующих в массообменном процессе, так и с использованием близких им по физико-химическим свойствам веществ. В последнем случае потоки обменивающихся фаз направляются в устройство только после вывода его в стационарный режим работы. Необходимость в подобной схеме возникает при нежелательности потерь целевых продуктов массообменного процесса.

В одном из вариантов конструкции устройства, образующие массообменную камеру пористые мембраны и слой с каналами, заполняющий межмембранное пространство, могут быть выполнены из одного пористого гидрофобного материала в виде единого блока. В этом случае уменьшается величина перепада давления газа или смачивающей жидкости между входным и выходным коллекторами для достижения той же скорости потока при прочих равных условиях.

В зависимости от того, какая из схем осуществления предполагаемого массообменного процесса: с пересекающимися потоками или противоточная реализуется в соответствии со схемой на фиг. 1, принципиальная схема конструкции устройства не изменяется. Изменения касаются только геометрической формы массообменной камеры и относительного расположения мембран и входных и выходных коллекторов.

По сравнению с прототипом и его аналогами заявляемый способ обладает новой совокупностью существенных признаков. В выбранном в качестве прототипа способе и его аналогах несмешивающиеся фазы, между которыми осуществляется массообмен, пропускают вдоль разных сторон мембраны. Массообмен осуществляется за счет диффузии перез поры мембраны, заполненные одной из фаз. В предлагаемом способе массообмен осуществляется в слое гидрофобного пористого полимерного материала, образующего систему каналов и помещенного между двумя пористыми гидрофобными мембранами. Причем поток не смачивающей гидрофобные материалы жидкости пропускают через систему каналов, образованных в слое материала, помещенного в межмембранном пространстве, тогда как поток газа или смачивающей жидкости движется по порам мембран и материала, образующего систему каналов. Такая схема осуществления массообменного процесса неизвестна и по этому признаку заявляемый способ удовлетворяет критерию "Новизна".

Для осуществления процесса материалы мембран, а также материал, образующий систему каналов, имеют средний радиус пор в интервале 0,03-1 мкм. При этом максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживают таким, чтобы разность между его величиной и величиной давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембран и материала, заполняющего межмембранное пространство. Данное условие является непременным для осуществления предлагаемого способа. Непременным условием реализации способа является наличие каналов в материале, которым заполняется межмембранное пространство, причем каналы могут иметь произвольную форму и произвольную конфигурацию сечения для прохождения по ним несмачивающей жидкости. Указанные условия определяют признаки заявляемого способа, удовлетворяющие критерию "Существенные отличия".

Новой совокупностью существенных признаков обладает и предлагаемое устройство. В данном устройстве массообменная камера выполнена в виде двух мембран, между которыми помещен слой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов произвольной формы, несмачиваемого той же фазой, которая не смачивает мембраны. Подобная конструкция массообменной камеры неизвестна и по этому признаку заявляемое устройство удовлетворяет критерию "Новизна". Неизвестна и поэтому удовлетворяет критерию "Новизна" конструкция массообменной камеры, в которой образующие массообменную камеру мембраны и слой с каналами, заполняющий межмембранное пространство, выполнены из одного пористого материала в виде единого блока.

В отличие от известных устройств, в том числе взятого в качестве прототипа, в предлагаемом устройстве гидрофобные пористые мембраны расположены не вдоль, а поперек потока газа или смачивающей жидкости. Устройство предполагает использование двух мембран, ограничивающих массообменную камеру и расположенных поперек потока газовой фазы или смачивающей жидкой фазы. В межмембранном пространстве, заполненном гидрофобным пористым материалом, образованы каналы, имеющие существенно большую площадь сечения по сравнению с площадью сечения пор, что обеспечивает возможность создания независимых по направлению движения потоков несмешивающих фаз.

П р и м е р 1. Для проверки эффективности и стабильности предложенного способа и устройства в системе жидкость - газ был осуществлен процесс оксигенации крови. Процесс предусматривает насыщение крови кислородом и удаление из нее избыточного углекислого газа. Эксперименты проводились на массообменных камерах с пористыми политетрафторэтиленовыми мембранами со средним радиусом пор 0,2 мкм. Для образования в мембранном пространстве промежуточного слоя с системой каналов для прохождения крови использовали пористый политетрафторэтилен со средним радиусом пор 0,5 мкм. Промежуточный слой был выполнен в виде единого блока с ограничивающими его мембранами. Система каналов в промежуточном слое была сформирована из гранулированного пористого политетрафторэтилена с размерами гранул в диапазоне 2-3 мм. Это обеспечивает создание каналов с максимальной площадью поперечного сечения до 10 мм². Верхняя граница установленного диапазона сечений каналов выбрана исходя из требования минимальной травмируемости крови при оксигенации. Размеры массообменной камеры: 200х50х20 мм. При этом размеры мембран составили 200х50х0,8 мм, сечение мембранного пространства по направлениям подачи крови 200х18,4 мм. Поскольку по предлагаемому изобретению, в частности по оксигенации крови, предполагается изготовление опытной партии оксигенаторов, авторы присвоили аппарату условное название ВИТЭ.

Стендовые испытания оксигенатора ВИТЭ произведены путем оксигенации в процессе циркуляции по замкнутому контуру цельной крови 20 доноров. Кровь от каждого донора заготовлена на растворе "Глюгицир". Срок ее хранения от момента заготовки до опыта составил 1 сут.

Процесс оксигенации осуществлялся в следующем порядке. Через коллектор для подачи несмачивающей жидкости в систему каналов в гидрофобном материале, заполняющем межмембранное пространство, подавался физиологический раствор для их первичного заполнения и регулирования давления жидкости на входе - выходе массообменной камеры. Одновременно через коллектор подвода газа с помощью компрессора создавалось некоторое избыточное давление газа перед первой мембраной по отношению к атмосферному давлению за второй мембраной. С помощью регулируемого клапана травления устанавливалась предельно создаваемая величина давления газа на входе, меньшая величины давления жидкости на выходе из массообменной камеры. С помощью регулируемого дросселя на выходе потока газа по ротаметру устанавливалась требуемая скорость прокачки газа.

В предварительном эксперименте по величине давления, при которой началось уменьшение объема, занимаемого газовой фазой в массообменной камере, была определена величина капиллярного давления, соответствующего максимальным по размерам порам в гидрофобном материале, образующем каналы при прохождении жидкости. Размер пор в мембранах был меньше исходя из условий их изготовления. Капиллярное давление для максимальных пор в гидрофобном материале составило 0,4 атм, по его величине была установлена предельная величина давления физиологического раствора на входе в массообменную камеру.

После стабилизации заданных параметров процесса подача физиологического раствора была прекращена и в массообменную камеру начала подаваться кровь. Основные параметры процесса оксигенации с использованием предлагаемого способа и устройства для нескольких серий экспериментов приведены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что насыщение крови кислородом до необходимых значений парциального давления (приблизительно 100 мм рт.ст.) достигается с использованием атмосферного воздуха. В случае кислорода проявляется эффект гипероксигенации. Использование воздуха в качестве насыщающего газа обеспечивает снижение парциального давления СО₂ до необходимой величины.

В процессе циркуляции по замкнутому контуру оксигенатор практически не оказывает повреждающего влияния на форменные элементы крови при продолжительной работе (табл.2).

Клинические испытания оксигенатора ВИТЭ были проведены на 12 беспородных собаках с массой тела от 12 до 20 кг. Оксигенацию воздухом со скоростью 300 мл/мин осуществляли по вено-артериальному контуру с объемной скоростью перфузии 100 мл/мин у собак в состоянии полной асфиксии. Изменения газового состава крови на входе и выходе оксигенатора приведены в табл. 3.

Для сравнительной оценки предлагаемого оксигенатора и известных мембранных оксигенаторов в табл. 4 приведены их основные характеристики.

В качестве критерия сравнения эффективности мембранных оксигенаторов используется соотношение величин транспорта кислорода в оксигенатор к объему крови в оксигенаторе, выраженному в процентах (Искусственные органы./Под ред. В. И. Шумакова. - М.: Медицина, 1990, с.270). Критерий эффективности является интегральной величиной следующих объемных критериев оксигенатора: скорости кровотока, транспорта О₂ и СО₂, скорости и сопротивления вентиляции, объема заполнения оксигенатора, площади мембран и т.п.

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 и устройстве для оксигенации воздух, исключающий возможность гипероксигенации, что является существенным преимуществом по сравнению с известными мембранными оксигенаторами. При этом для оксигенации по предлагаемому способу и устройству для заполнения мембранного пространства использовался материал с образованными в нем каналами, площадь сечения которых соответствует верхней границе установленного диапазона. Максимальное сечение каналов соответствует минимальной эффективности массообмена. Сответственно уменьшение площади сечения каналов вплоть до нижней границы диапазона может только увеличить эффективность массообменных процессов.

П р и м е р 2. Примером осуществления процесса массообмена с помощью предлагаемого способа и устройства 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. Решение поставленной задачи непрерывного извлечения нефтепродуктов возможно как с использованием устройства-прототипа, так и с использованием предлагаемого способа и устройства для его осуществления.

Опыты проводились на макетах, воспроизводящих устройство-прототип и изготовленных по предложенному способу и устройству для его осуществления в сопоставимых условиях с использованием политетрафторэтиленовых мембран со средним радиусом пор 0,2 мкм и толщиной 0,15 мм. В качестве гидрофобного материала, заполняющего межмембранное пространство, использовался пористый политетрафторэтилен в виде блока, полученного спеканием пористых гранул с размерами, соответствующими указанным в подписях к табл. 5-7 поперечным сечением каналов. Средний размер пор в гранулированном политетрафторэтилене 0,5 мкм.

Экстракция нефтепродуктов, растворенных в воде, гексаном с использованием макета, изготовленного по предлагаемому способу и устройству, проводилась в следующей последовательности. Через коллектор для подачи смачивающей гидрофобные материалы жидкости осуществлялось заполнение всего объема массообменной камеры гексаном. Заполнение заканчивалось с момента прекращения выхода пузырьков газа в токе гексана. Затем входной и выходной коллекторы для гексана перекрывались запорными клапанами и через коллектор, связанный с системой каналов в гидрофобном материале, заполняющем межмембранное пространство, подавалась дистиллированная вода под давлением 0,2 атм. Промывка массообменной камеры дистиллированной водой заканчивалась с момента отсутствия капелек гексана в выходящей воде.

Рабочие параметры функционирования массообменного устройства выбирались исходя из условия, чтобы величина капиллярного давления, соответствующего максимальным радиусам пор в гидрофобном материале, заполняющем межмембранное пространство, и в мембранах превышала величину разности между максимальным давлением воды в системе каналов и минимальным давлением гексана в пределах всего массообменного пространства. Для изделий из пористого политетрафторэтилена со средним радиусом пор ≈ 0,5 мкм в системе гексан-вода, как показали эксперименты по определению критической величины давления, при котором начинается выдавливание гексана из пор, величина капиллярного давления для пор максимальных размеров составляет 0,25 атм.

На основании проведенных экспериментов и учитывая, что давление гексана на выходе массообменного устройства равнялось атмосферному, за величину рабочего давления водной фазы на входе было принято избыточное давление 0,2 атм. Скорость водной фазы варьировалась изменением падения давления на выходном дросселе. Скорость гексана регулировалась изменением входного давления, величина которого устанавливалась не выше значения давления водной фазы на выходе массообменного устройства.

В подготовленное массообменное устройство через коллектор, связанный с системой каналов в гидрофобном носителе, заполняющем межмембранное пространство, при давлении 0,2 атм подается поток воды, содержащей растворенные нефтепродукты. Одновременно во взаимно перпендикулярном направлении через коллектор для подачи смачивающей гидрофобные материалы жидкости дозируется с заданной скоростью, определяемой входным давлением, гексан. Через определенные промежутки времени (10 и 60 мин) производился отбор проб водной и органической фаз для определения содержания нефтепродуктов по стандартным методикам.

В табл. 5-7 представлены полученные результаты, позволяющие провести сравнение эффективности процессов массообмена в системе вода-гексан на макете, воспроизводящем устройство-прототип и с использованием предлагаемого способа и устройства. Средняя величина поперечного сечения каналов (предлагаемое изобретение) и величина зазора между мембраной и ограничительной стенкой в сериях экспериментов устанавливались одинаковыми и равнялись 30 мкм (нижняя граница диапазона поперечного сечения канала), 300 мкм (средняя величина диапазона поперечного сечения канала) и 3 мм (верхняя граница диапазона поперечного сечения канала). Критерием сопоставления эффективности проведения процессов обоими способами выбрана величина q, характеризующая полноту извлечения нефтепродуктов из воды гексаном, определяемая по формуле
q = · 100 , (1) где С_в^вх и C_в^вых. - соответственно концентрации нефтепродуктов в водной фазе на входе и выходе устройства.

Сопоставление результатов, приведенных в табл. 5-7, показывает, что полнота выделения нефтепродуктов гексаном больше во всем интервале диапазона поперечного сечения канала и диапазона варьирования линейных скоростей водной фазы в случае использования макета, изготовленного по предлагаемому способу и устройству, чем воспроизводящего устройство-прототип. При этом в первом случае эти характеристики практически не изменяются во времени, так как в отличие от прототипа на процесс не влияет эффект растворения гексана в потоке водной фазы. На основании приведенных результатов можно сделать вывод, что эффективность массообменных процессов при использовании предложенного способа и устройства в системе жидкость-жидкость выше, чем у прототипа, причем эффективность осуществления процесса дополняется высокой степенью стабильности его параметров во времени.

П р и м е р 3. Примером осуществления массообмена в системе жидкость - газ по предлагаемому способу и с использованием предлагаемого устройства для решения аналитических задач является непрерывное извлечение бензола и толуола из потока воды в поток газа с целью их газохроматографического 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 парофазного анализа. Использование предложенного способа и устройства позволяет обеспечить достижение межфазного равновесия в потоке. В качестве мембран, ограничивающих массообменную камеру со стороны входа и выхода газового потока, использовали мембраны из пористого политетрафторэтилена толщиной 0,1 мм, средний радиус пор 0,1 мкм. В качестве гидрофобного пористого материала, заполняющего межмембранное пространство, использовали пористый политетрафторэтилен с различным средним радиусом пор и сополимер стирола и дивинилбензола (полисорб-1) с радиусом пор 0,008 мм.

Извлечение бензола и толуола из модельных растворов проводилось в следующей последовательности. Через коллектор для подачи не смачивающей гидрофобные материалы жидкости осуществлялось заполнение каналов в межмембранном пространстве анализируемой водой с помощью перистальтического насоса при закрытых линиях ввода и вывода газа и отключенном дросселе на линии сброса воды. Окончание процесса заполнения фиксировали визуально по отсутствию газовых пузырьков в проходящем через камеру водном потоке. К выходному коллектору воды подсоединялся регулируемый дроссель и с его помощью увеличивалось гидравлическое сопротивление системы по линии прохождения воды через предлагаемое устройство и соответственно возрастало давление воды на входе и в устройство. Положение дросселя фиксировалось при достижении давления на входе, превышающего предыдущую величину давления на 0,1 атм. После 10 мин выдержки при постоянном давлении воды на входе массообменная камера взвешивалась. Фиксировалась величина давления, начиная с которой наблюдалось увеличение веса камеры. Эта величина давления соответствовала капиллярному давлению Р_к и в порах максимального радиуса в материале мембран или в материале, образующем каналы в межмембранном пространстве, учитывая, что давление газа на выходе из массообменной камеры Р₂'' при вводе его в дозирующую петлю газового хроматографа близко к атмосферному, устанавливалась предельная величина давления водной фазы Р₁' для каждой массообменной камеры и соответственно могло быть проверено соответствие используемых материалов требуемым параметрам процесса. Параллельно с определением величины капиллярного давления, соответствующего максимальным радиусам пор в используемых гидрофобных материалах, определялась предельно допустимая величина давления газа на входе в массообменную камеру Р₂' по величине давления воды на выходе из нее Р₁'' при различных положениях дросселя.

Проверка эффективности способа и устройства и выбор оптимальных характеристик материала для заполнения межмембранного пространства осуществлялись по следующим параметрам. Для метода равновесного парофазного анализа обязательным условием при определении является достижение межфазного равновесия. В качестве критерия равновесности q использовалось соотношение:
q = · 100% , где С_факт - измеренное значение концентрации в потоке газовой фазы; С_равн. - значение равновесной концентрации. При условии достижения равновесия определяющим фактором становится гидравлическое и аэродинамическое сопротивление камеры, определяющее перепад давлений на ней водной и газовой фаз и соответственно возможность варьирования скоростей потоков фаз.

Характеристики гидрофобных материалов, используемых для образования системы каналов для прохождения потока воды в межмембранное пространство, и параметры процесса обмена бензола в системе вода - гелий приведены в табл. 8. Как видно из данных, приведенных в табл. 8, равновесие в системе обменивающихся фаз достигается практически во всех случаях. То есть высокая эффективность массообмена обеспечивается во всем выбранном диапазоне размеров пор гидрофобного материала, заполняющего пространство во всем диапазоне сечений каналов для прохождения потока воды. С точки зрения регулирования скоростей обменивающихся фаз и их соотношений наибольшие возможности дает массообменная камера, заполненная политетрафторэтиленом со средним радиусом пор 0,5 мкм и с размером гранул 0,5-1 мм. Результаты, полученные на камере полисорб-1, свидетельствуют о принципиальной работоспособности способа даже при размерах пор, меньших нижней границы установленного диапазона. Но с точки зрения достигаемых скоростей газовой фазы применение материалов с такими размерами пор нельзя признать целесообразным.

Массообменная камера N 6 была использована для проверки методики определения бензола и толуола в воде в режиме непрерывного массообменного процесса с периодическим отбором проб. Концентрация бензола и толуола в воде поддерживалась постоянной (С_бенз. = 4,6 мг/л, С_тол. = =5,2 мг/л). Пробы равновесной газовой фазы отбирали с интервалом 1 ч. Результаты анализов, полученных как среднее из трех параллельных определений, в течение 10 ч непрерывной работы устройства приведены в табл. 9.

Воспроизводимость результатов анализов свидетельствует о стабильности процесса массообмена во времени.

Предлагаемый способ и устройство могут быть использованы для осуществления любого массообменного процесса в системах - полярная жидкость-газ и жидкость-жидкость, соответственно полярная и неполярная. Для системы жидкость - газ такой процесс может быть реализован с целью насыщения неполярных жидкостей, в частности водных растворов, газами или наоборот, для удаления или извлечения растворенных газов из жидкостей. В случае системы жидкость-жидкость предлагаемый способ и устройство позволяют осуществить в непрерывном или периодическом режиме процессы экстракции или реэкстракции при разделении веществ. Приведенные примеры иллюстрируют возможность применения способа в медицине и аналитической химии. Поскольку теоретически масштабы осуществления процесса не имеют видимых ограничений, предлагаемый способ и устройство могут найти применение в химической технологии, гидрометаллургии, для очистки воздуха от примесей токсичных газов и т.п..

Использование: способ и устройство предназначены для осуществления массообменных процессов в системах жидкость - жидкость и жидкость - газ. Сущность изобретения: поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток газа или смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны, причем между последними помещают пористый полимерный материал с размерами пор 0,03 - 1,00 мкм, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы и несмачиваемый той же фазой, которая не смачивает мембраны, при этом максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживают таким, чтобы разность между его величиной и величиной давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембран и материала, заполняющего межмембранное пространство. Устройство для осуществления массообмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями включает массообменную камеру, выполненную в виде двух пористых мембран из полимерного материала, несмачиваемого одной из обменивающихся фаз, между которыми помещен слой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов произвольной формы, несмачиваемого той же фазой, которая не смачивает мембраны. При этом образующие массообменную камеру мембраны и слой, заполняющий межмембранное пространство, могут быть выполнены из одного пористого гидрофобного материала в виде единого блока. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 9 табл.

1. Способ осуществления массообмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями, включающий подачу потоков обменивающихся фаз по разные стороны мембран из полимерного материала, не смачиваемого одной из обменивающихся фаз, создание и поддержание во всем объеме массобменного пространства повышенного давления несмачивающей жидкости относительно давления другой фазы, отличающийся тем, что поток несмачивающей жидкости пропускают между двумя мембранами, а поток газа или смачивающей жидкости пропускают через эти мембраны, причем между последними помещают пористый полимерный материал с размерами пор 0,03 - 1,00 мкм, имеющий систему сквозных каналов произвольной формы и не смачиваемый той же фазой, которая не смачивает мембраны, при этом максимальное давление несмачивающей жидкости в массообменном пространстве поддерживают таким, чтобы разность между его величиной и величиной минимального давления другой фазы не превышала капиллярного давления, возникающего в порах мембран и материала, заполняющего межмембранное пространство. 2. Устройство для осуществления массообмена между жидкостью и газом или двумя несмешивающимися жидкостями, включающее массообменную камеру с мембранами из пористого полимерного материала, не смачиваемого одной из обменивающихся фаз, средства подачи и вывода потоков обменивающихся фаз, отличающееся тем, что массообменная камера выполнена в виде двух мембран, между которыми помещен слой пористого полимерного материала с системой сквозных каналов произвольной формы, не смачиваемого той же фазой, которая не смачивает мембраны. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что образующие массообменную камеру мембраны и слой полимерного материала выполнены в виде единого блока из одного и того же пористого материала.