Separace plynů a par

V současné době dochází k nárůstu průmyslových aplikací pro separaci plynů a par, které pracují na bázi membránových procesů. Separace plynů se uskutečňuje pomocí porézních anebo neporézních membrán. U porézních membrán je princip separace založen na tzv. sítovém efektu využívajícím různých velikosti pórů membrány a i různých velikostí jednotlivých molekul plynů, které je potřeba dělit (obr. 1). Porézní membrány se používají především ve speciálních aplikacích (např. při separaci radonu).

Obrázek 1.

V případě neporézních membrán je princip separace založen na tzv. rozpustnostně-difuzním mechanismu, pro který platí, že 

 P = D x S,

kde P je koeficient propustnosti, D je difuzní koeficient a S rozpustnostní koeficient.

Separace jednotlivých složek ve směsi je na základě tohoto mechanismu účinná pouze v případě, je-li alespoň v jednom koeficientu (rozpustnostním nebo difuzním) řádový rozdíl mezi jednotlivými složkami (obr. 2).

Obrázek 2.

Celkový transport hmoty membránou je způsoben hnací silou (respektive jejím gradientem). U separace plynů je touto hnací sílou tlakový rozdíl po obou stranách membrány (< 8MPa). Tlakový rozdíl může být vytvořen buď pomocí vakua na druhé (permeátové) straně membrány a nebo pomocí nosného plynu, kde na nástřikové straně membrány je použito přetlaku.

U rozpustnostně-difuzního mechanismu se předpokládá, že nejprve dochází k sorpci molekul na nástřikové straně membrány, poté molekuly difundují skrze membránu a nakonec se desorbují z permeátové strany membrány do nosného plynu či vakua. Řídícím krokem separace je buď difuze nebo sorpce složky, která je v dané membráně nejpomalejší a nebo se sorbuje nejméně.

Permeabilita (propustnost) určitého materiálu pro plyny a páry je charakteristický technologický parametr, který se stanovuje experimentálně na základě různých přímých či nepřímých technik a udává se většinou v jednotkách Barrer, kde  

Účinnost separace směsí plynů a par se vyjadřuje například pomocí tzv. ideálního separačního faktoru,  který je dán podílem koeficientů propustnosti jednotlivých čistých složek směsi:

Poměr difuzních koeficientů D_A/D_B postihuje rozdíly ve velikosti molekul permeujících plynů, poměr koeficientů rozpustnosti S_A/S_B odráží míru interakcí mezi molekulami penetrantů a membránou, respektive rozpustnost jednotlivých složek v membráně.

Dalším možným způsobem vyjadřujícím účinnost separace je separační faktor S_c(AB), definovaný jako:

kde X je molární zlomek složky v permeátu či retentátu.

Poster membránové separace plynů a par