Ученые ТюмГУ представили математическую модель процесса разделения воздуха на азот и кислород внутри и снаружи трубчатой пористой мембраны.
В ТюмГУ представили математическую модель разделения газов и жидкостей / © Getty images
В ряде отраслей промышленности необходимо получать чистые газы и жидкости, которые редко встречаются в природе. Для получения таких веществ широко используются установки, содержащие различные типы мембран. Сегодня большинство мембран — адгезивные (адгезия — прочное прикрепление клеток к субстрату).
Основной недостаток таких мембран — то, что они засоряются после определенного времени эксплуатации. Поэтому важно создать мембрану с длительным сроком службы. Есть большое количество усовершенствованных конструкций мембран, однако определить оптимальные характеристики их невозможно без высокоточного математического моделирования их характеристик. Даже незначительные изменения этих характеристик могут привести к потере чистоты конечного продукта на 2-3 процента.
Статья «Математическое моделирование разделения смеси азота и кислорода с помощью селективной мембраны» физиков ТюмГУ Александра Гильманова, Александра Шевелёва и других вышла в «Инженерно-физическом журнале».
Существует ряд подходов к моделированию процессов, происходящих в мембранных установках. В этой статье представлен анализ применимости существующих подходов к математическому моделированию разделения компонентов газов с использованием селективных мембран.
Кроме того, не существует математической модели пористых трубчатых мембран, которая описывала бы процессы, происходящие внутри и снаружи мембраны в динамике. В связи с чем ученые решили создать такую модель. Проведя вычисления, они разработали математическую модель процесса разделения воздуха на азот и кислород с использованием пористой селективной мембраны, основанной на законах сохранения массы и импульса.
Установлено, что азот является отбираемым газом, фильтруемым через мембрану из-за его меньшей вязкости и более высокой фазовой проницаемости по сравнению с кислородом, концентрация азота в смеси на выходе из мембраны превышает 90 процентов. Анализ поведения модели при варьировании различных параметров установки показал, что проницаемость мембранных трубок оказывает существенное влияние как на качество отбираемого газа, так и на время запуска установки, и чем выше проницаемость мембранных трубок, тем ниже концентрация отбираемого азота и тем быстрее установка переходит в стационарный режим работы.
Представленные зависимости показывают, что при правильном выборе параметров установки качество получаемого очищенного газа может измениться в лучшую сторону. Однако изменения размера выпускного патрубка, его расположения и скорости потока подаваемой смеси не приводят к существенному улучшению ее очистки.
