Experimentální a numerické studium toku par isobutanu v blízkosti nasycení přes vícevrstvé keramické membrány

Kapilární kondenzace par v malých pórech může významně ovlivnit účinnost separace plynů porézní membránou. Nastává za tlakových podmínek blízkých tlaku nasycených par kondenzujícího plynu. Při kondenzaci jedné složky dělené směsi dochází ke změně transportu nejen této složky (zkapalněného plynu), ale významně je ovlivněn i tok permanentního (nezkapalněného) plynu póry membrány. Tento mechanismus separace však není dosud zcela pochopen a v literatuře lze nalézt jen vzácně nedokonalé popisy. Tento proces je zajímavý nejen z teoretického hlediska, ale může mít i praktické využití. Směr transportu kondenzujícího plynu přes vícevrstvý materiál (směr od větších pórů k menším či naopak) může totiž významně ovlivnit velikost toku látek porézní membránou. Tento efekt poprvé popsal v roce 1994 ve své práci Dr. Uchytil (https://doi.org/10.1016/0376-7388(94)00157-T).

Dr. Uchytil a jeho kolegové se zabývají kondenzací plynných látek při průchodu vícevrstvým porézním prostředím dlouhodobě. Od roku 2006 spolupracují na této problematice s Dr. Loimerem z Technické university ve Vídni, s nímž publikovali několik publikací v prestižních mezinárodních časopisech. Poslední práce otištěná v renomovaném vědeckém časopise Separation and Purification Technology studuje experimentálně a teoreticky transport par isobutanu v blízkosti tlaku nasycených par při permeaci přes vícevrstvé asymetrické membrány (3 až 5 vrstev o velikosti pórů 3 mm až 20 nm). Byl zkoumán vliv stavu páry před nasycením, ať už daleko nebo blízko tlaku nasycených par, a orientace membrány, na látkový tok. U membrány s pěti vrstvami se pro páru blízkou nasycení zvýšil hmotnostní tok zhruba o 80 % a ve směru toku od separační vrstvy k nosiči byl až o 50 % vyšší než v opačném směru. V práci jsou rovněž uvedeny tři teoretické popisy procesu toku plynu asymetrickými membránami za předpokladu, že může docházet ke kondenzaci, s ohledem na přenos tepla z okolí. U jednoho popisu je jakýkoli přenos tepla zanedbán a předpokládá se, že tok je izotermický, zatímco u dvou dalších popisů je uvažován přenos tepla a změny teploty v důsledku kondenzace a vypařování. Přestože experimenty byly prováděny pouze s isobutanem, teoretický popis a některá zjištění z této studie jsou aplikovatelné i na jiné tekutiny a asymetrické membrány.

Schematický diagram dynamiky kapilární kondenzace v pórech pro jednosložkovou páru s rostoucím tlakem. Nejprve probíhá adsorpce na stěnách pórů, při zvyšování relativního tlaku dochází k adsorpci ve více vrstvách, až se vrstvy spojí a vytvoří se meniskus kondenzované páry

• Setničková K.,* Petričkovič R., Uchytil P., Loimer T.: Experimental and numerical study of the flux of isobutane vapors near saturation through multi-layered ceramic membranes. Separation and Purification Technology 2023, 306, 122604. doi: 10.1016/j.seppur.2022.122604