郑巨孟[1]2003年在《中空纤维膜及膜接触器传质特性的研究》文中提出膜接触器是一种通过膜作为两相之间的分离界面而实现相间传质的杂化膜过程。本论文主要研究中空纤维膜接触器的传质行为，研究内容包括气体通过微孔膜扩散模型的建立、中空纤维膜均匀分布的平行流组件壳程传质微分方程的解析求解、中空纤维膜不均匀分布组件中流体分布的数学计算、中空纤维膜不均匀分布对壳程传质影响的估算以及CO_2气体吸收实验。同时对聚丙烯微孔膜进行了表征，重点讨论了孔模型的选择对表征结果的影响；并简要地阐述了微孔膜结构与性能的相关性。 首先用扫描电镜、液体置换法等手段对聚丙烯微孔膜进行了结构表征。利用液体置换法表征聚丙烯微孔膜时，孔模型的选择对孔尺寸和分布的确定有重要的影响。计算结果表明当假设孔为椭圆形时，液体置换法表征得到的结果与扫描电镜、比重法分析得到的实验结果比较吻合，也可以较好地反映孔的实际形态结构。 拉伸得到的聚丙烯微孔膜具有近似椭圆形的微裂纹状孔结构并与微孔膜的性能有密切的关系。理论计算表明，相比于同样面积的圆形孔，椭圆形的孔结构有利于保证较大的临界突破压力值，这对提高膜接触器过程的稳定性是有益的。在面积相同时，与圆形孔相比，椭圆形的孔结构会导致通量的大幅度降低。 膜接触器传质性能的研究是本论文的核心内容。首先建立了气体通过微孔膜扩散的理论模型。与气体通过致密膜的溶解—扩散机理不同，通过微孔膜的扩散机制通常为小孔努森扩散、大孔的分子粘性流以及介于二者之间的过渡扩散。本文借鉴叶孔扩散理论，建立了气体通过聚丙烯微孔膜扩散的模型。对于孔形状为近似椭圆形的聚丙烯微孔膜，在研究扩散问题时，其等效孔径可采用叶孔扩散问题中的孔形状校正公式来计算。在膜接触器中，气体通过微孔膜的扩散机理为过渡扩散，其扩散过程包括通过孔道主体的过渡扩散、微孔膜出口处孔道边缘的Stephen扩散以及孔之间的相互作用。尽管由于膜的厚度比孔的尺寸要大很多，Stephen扩散以及孔之间的相互作用对通过膜的总扩散阻力影响很小，但它们存在的结果是使整个膜表面的气体浓度趋于一致。这合理地解释了在膜接触器气／液分离过程中，气／液接触面积等于整个中空纤维膜的表面积而不是孔面积这一实验现象。—— 在建立了气体通过微孔膜扩散模型后，本文重点讨论了平行流组件壳程的传质和流动特性。首先在假设壳程中空纤维膜均匀装填的基础上，采用Happel的自由表面模型来模拟壳程的复杂流动，利用分离变量法对壳程传质微分方程进行了解析求解。研究结果表明，壳程传质的平均Sherwood数是 Graetz数和装填密度的函数。其中，Graetz数的指数随装填密度的增大而稍有增加，而关联式中的系数随装填密度的增大而减小。通过与 Miyatake和 Iwashita数值解结果、以及其它文献中存在的关联式的比较，说明本论文建立的传质模型是合理的，可以用于描述平行流组件壳程的传质问题。 对于实际的中空纤维膜组件，由于中空纤维膜装填的不均匀性，壳程的流动和传质情况更加复杂。对此，首先从Chan等人的研究结果出发，对壳程中空纤维膜的不均匀分布进行了数学模拟。在此基础上，结合随机单元模型和自由表面模型，发展了一种新的、相对简单的计算壳程流体分布的方法。理论计算说明壳程纤维装填的不均匀性会导致壳程流体严重的不均匀分布，在有大约 40％的流体通过仅占流道总截面积 20％的大流道的同时，仅有不到 6％的流体通过同样占流道截面积 20％的小流道。同时发现壳程流动的非均匀性随着组件装填密度的增加而变得更加显着。 在上述研究的基础上，本文进一步研究了中空纤维膜不均匀分布对壳程传质的影响。理论分析表明，相比于均匀装填的组件，壳程中空纤维膜装填的不均匀性会导致传质性能的降低。随着组件装填密度的增加，传质系数降低的幅度增大，它的值在10～15％之间。 建立了壳程传质的理论模型后，为了验证该模型的可靠性，进行了CO。吸收实验。研究发现本论文建立的模型可以较好地预测壳程的传质行为。但由于壳程流动和传质行为的复杂性，模型预测的结果与实验值之间存在不可避免的误差。为了合理的解释造成二者之间差异的原因，进行了壳程压力降实验。实验表明，壳程的流动状况十分复杂。在装填密度较小的时候，紊流倾向十分明显；当装填密度较大的时候，壳程的流动状况与层流相对比较接近。由于紊流对传质的促进作用，对于装填密度较小的组件，实验得到的传质系数要大于模型预测值。而对于装填密度较大的组件，用理论分析得到的不均匀装填组件壳程传质关联式可以较好的预测壳程的传质行为。
张国亮[2]2007年在《新型疏水性中空纤维膜结构填料及其精馏分离机理与特性的研究》文中指出针对精馏分离中的新型中空纤维膜结构填料，本文从材料化学、结构以及对不同有机物体系的操作运行参数等多种因素出发，探讨了适用于精馏分离膜结构填料制备的成膜聚合物材料、成膜方式和改性方法，制作了四种不同性能的中空纤维PES和PS膜，进行了溶剂和温度双重作用对膜接触器材料影响的分析。选择了两种微孔PES和PS膜进行实际精馏实验，并将所确定的最佳PES中空纤维膜结构填料用于甲醇、乙醇和异丙醇叁种不同的有机物／水体系的分离纯化，考察了其操作弹性、工作性能和分离效率的变化规律。此外，为更好地提高新型中空纤维膜结构填料的分离效率，研究了膜接触器中流体的流动方式和填充密度对精馏分离性能的影响，确定了壳层挡板对现有平流运行方式的改善作用，并进行了有效的挡板设计和试运行。在以上实验的基础上，进一步从理论上分析了精馏分离中中空纤维膜结构填料的传递特点，探讨了气、液、膜叁相阻力的分布和变化规律，并比较了总传质系数的实验值与理论计算值之间所存在的差异。首先进行了中空纤维膜材料化学因素的研究，分析比较了具体的成膜聚合物材料、成膜方式和改性方法。研究结果表明，用热稳定性优良的成膜聚合物PES和PS经溶液相转化法纺丝所制备的四种中空纤维膜中，两种孔径较大的微孔滤膜PES-2和PS-1与孔径较小的超滤膜PES-1和PS-2相比，膜亚层的指状大孔能充分发展，孔的贯通性和渗透性能更好，更适宜于制备用于本实验精馏分离中所需的膜结构填料。实验中选择了透气率高、但选择透过性低的PDMS对微孔PES-2和PS-1中空纤维膜进行了有效的表面改性涂敷，处理后不仅可以加大膜的疏水性，还可对PES和PS膜制备过程中可能存在的不对称膜的皮层小孔起填补堵孔作用。精馏分离实验中发现，溶剂和温度作用会导致上述四种中空纤维膜发生指状孔、膜面及亚层材料溶胀等结构方面的变化，对过程传递会有所影响，其中，大孔的微滤膜PS-1和PES-2较孔径较小的超滤膜PES-1和PS-2膜的亚层结构变化更均匀，纤维外壁所承受的溶剂效应更大，纤维外壁厚度和指状孔壁的肿胀变大现象更为明显。孔径较小的超滤膜PES-1和PS-2的孔隙率在实验以后趋于增加，而孔径较大、疏松的PES-2和PS-1微滤膜的孔隙率在实验以后趋于减小，两者的溶剂和温度效应存在一定的差异。其次，对不同PES和PS成膜材料以及同一PES膜结构填料在不同醇／水体系下的分离效果进行了实验研究。实验中发现，PES和PS膜接触器在塔顶均可获得摩尔分数不低于0.55的高浓度馏出液，且蒸汽流速升高时，塔顶馏出液中醇的浓度都趋于降低，但PES膜所降低的幅度要比PS膜大。在不同气相负荷因子F和气速下，PES膜接触器的NTU值始终高于PS中空纤维膜接触器，HTU值则始终低于PS中空纤维膜接触器，尤其是在低气体流速和高气体流速时，两者的差距比较明显，说明在强溶剂的异丙醇溶液体系中，疏水性更强的PES膜所制备的中空膜接触器得到的分离效率更高。因此，PES膜接触器更适用于实际精馏分离过程。实验继续选用了PES膜接触器对甲醇、乙醇、异丙醇叁种醇／水体系进行精馏分离，结果表明，叁种醇浓度随加热功率增加而减小的变化速度随醇分子量的增加而减小，其敏感程度按甲醇＞乙醇＞异丙醇顺序变化，即醇的分子量越大，该醇塔顶浓度随之变小的程度越轻。膜填料对叁种醇／水体系的最大操作气速均可达常规液泛气速的数倍以上，随着分子量的逐渐加大，由于气体密度σ_G差异明显，其不发生液泛的趋势按异丙醇＞乙醇＞甲醇顺序排列。常压全回流条件下对叁种醇／水体系分离的实验进一步表明，仅有25根中空纤维的直列式膜结构填料的分离效率要比25mm和38mm两种尺寸的工业化瓷矩鞍填料高得多，在一定的气体通量因子F范围内，其平均效率可达38mm瓷矩鞍的2-6倍。这意味着中空纤维结构和几何学上的优势使膜接触器作为精馏填料具有普通填料所不容易具备的良好操作弹性和较宽的使用范围。与材料化学一样，膜接触器运行方式和结构参数的选择对精馏分离效能的提高也非常重要。由于平流模式可提供比错流更大的平均浓度推动力，优先选择了平流中的逆流流动方式。实验中发现，在液相传质阻力为主的膜结构填料精馏这样一个气／液膜接触器的分离过程中，液体走管程、气体走壳程的操作方式较其它运行方式有优越性。在膜接触器壳程增设两块月牙形的档板，可以达到对平流模式性能改进的效果。档板使气体流向发生改变，产生局部运行的错流状态，从而可以有效地减少目前实验中经常发现的壳程沟流现象，并促进管内液相流动以及两相沿膜的传质，提高膜填料的分离效果。有挡板膜接触器的HTU值最低可达5.4cm，无档板膜接触器的HTU值范围与Sulzer公司性能较好的Gauze BX相当，而有档板膜接触器的分离效果则始终优于Gauze BX。在膜结构参数方面，实验结果表明，对大多数气／液膜接触器而言，总传质系数K随中空纤维膜填充密度加大而变小。据此可作为膜接触器结构设计的判据，即当膜接触器填充密度较低时，其传质性能主要受中空纤维膜分布不均匀度影响；而当填充密度高时，组器结构对传质的主要影响因素应为沟流和死区。实验还发现，与其它同类型的液／液膜萃取接触器相比，膜填料精馏过程的总传质系数值要高出约5-10倍。在以上具体分离实验的基础上，本文进一步探讨了新型膜结构填料在精馏分离中的传递学内容。结果表明，在膜接触器气、液、膜叁相传质阻力中，液相分传质阻力在不同操作条件下变化很小，叁种醇的液相分传质阻力均占总传质阻力的50％左右；膜相分传质阻力随着F因子的增加而增大，气相分传质阻力则随着气相负荷因子的增大而减小。对总传质系数K值而言，虽然实验值和根据现有理论所预测的K值都随着气速增大而增大，但两者之间存在着一定的差距，实验值约为理论值的2倍左右。同样地，按现有理论预测，档板的增设与否对传质系数变化不大，但实验结果却清楚表明挡板对壳层传质和分离效率提高有明显的作用。因此，现有经验理论不能很好地解释精馏分离实验的结果。将实验中的Sherwood数与Graetz数进行关联后发现，所有从液相侧传质方程计算所得的实验Sherwood数均高于基于Lévěque传热关联式所得出的理论值，但当Graetz数较低时，两者之间差距趋于缩小。尽管目前普遍认为Lévěque传热关联式对于管程流动的有效性，但和其他研究所得到的结论一样，本实验的数据也表明，只有关联式中系数1.62适当变大，才能使实验值与理论值更接近。由于在精馏分离过程受到溶剂和温度效应的双重作用，有机高分子膜填料材料结构的变化对壳程和管程传质的影响可能会比较大，因此，对传递理论的修进，需要在进一步研究工作中加以继续验证并量化分析。
王建黎[3]2001年在《聚烯烃中空纤维膜结构及其气体分离性能的研究》文中进行了进一步梳理本文在前人工作的基础上进一步探讨并改进PP中空纤维膜的制膜工艺，提高国产PP中空纤维膜的综合性能(透气、透水性能)，增强国产PP中空纤维膜在水处理领域的竞争优势和降低水处理技术成本。同时尝试采用MS-S法制备了聚4-甲基-1-戊烯(PMP)中空纤维膜，并对其结构和性能进行了表征。进行了PP中空纤维微孔膜(G／L、L／L)接触器分离NH_3／mixedgas(或NH_3／H_2O或CO_2／N_2)的性能研究。 首先建立了熔融挤出纺丝模型，采用数值计算的方法对聚烯烃中空纤维的纺丝过程进行了模拟。通过模拟计算获得了相关数据，对制膜工艺的优化有较强的指导意义。在纺程0.5m以内，中空纤维的形态基本形成，挤出熔体所受的应力也达到最大植，因此，对这段纺程的环境温度(即纤维的冷却方式)控制对初生纤维的性能有很大的影响。提出了低纺丝温度、高牵伸比和热拉伸的高透气率聚丙烯中空纤维膜制备新工艺。低温纺丝和高牵伸比能增加熔融状态下高分子链的应力取向，从而有利于拉伸法制膜的材料基础——垂直于挤出牵伸方向的片晶形成。在较低的纺丝温度下，聚合物熔体的粘度较低，在相同的牵伸比下熔体能获得更大的拉伸应力，也就更有利于高分子链取向和线性成核过程，规则的分子间排列有利于平行排列片晶结构的形成。同时指出，低温纺丝使得聚合物在挤出—拉伸过程中纤维内外温差小，不易形成皮层结构，因此，对获得表面均匀的中空纤维微孔膜是至关重要的。通过比较不同透气性能的PP中空纤维微孔膜在压力下过滤低浊度水阻力的分析，认为低浊度水体系对膜的污染可以用滤饼理论加以描述。滤饼的阻力及其随着过滤液总量的增长程度，不仅与滤饼本身的性质有关系，而且还与滤饼附着的膜材料的结构有关。通过控制纺丝和改进后拉伸工艺，在保持孔结构和性能的前提下，使PP中空纤维微孔膜的透气率从3.4×10-~2cm~3.s.cmHg提高到9.0×10~(-2)cm~3.s.cmHg；水通量从48.0 L.m~(-2).hr~(-1)提高到86.0L.m~(-2).hr~(-1)。改进工艺得到的PP中空纤维微孔膜的综合性能达到和接近国外同类产品的水平，这将增强国产微滤膜的市场竞争力和占有率。高透气和高透水率PP中空纤维微孔膜的开发成功将进一步降低膜设备的成本，并推动微滤膜在高浊度液体处理技术、膜—生物反应器污水处理和回用技术、反渗透前处理技术等领域的应用。 利用疏水透气性中空纤维微孔膜进行了分离、回收氨的工艺与膜器件研究表明，膜接触器法脱氨过程的传质阻力主要由气相阻力和膜阻力控制，膜法酸吸收氨工艺在较宽的氨浙江人学博士论丈 摘要浓度范围内和较高的氨浓度下，均有很好的分离脱除作用。当吸收液（硫酸溶液）的浓度较高时，传质过程由气相和膜的阻力控制c在合肥四方合成氨厂和甘肃金化合成氨厂进行了从“铜洗再生气”分离回收氨的现场试验，结果表明，氨的分离、回收率可达到99．9％，氨的含量由可原来的18．4％降到0刀1％以下；铜洗再生气中有用组分（CO、HZ）没有明显损失且得到了富集，CO的含量由原来的70…灯）％提高到84％，该结果与氨被吸收后而计算得到的CO浓度（86刀％）基本一致，处理后的气体成分满足返回工艺使用的要求。同时指出该过程不宜采用较高浓度盐酸作为吸收液时，气体（NH3和 HCI）在微孔膜中的双向扩散并在膜微孔内形成氯化镣晶体，晶体的桥联作用能疏水性微孔膜亲水化，造成液体渗漏。 研究了各种条件下PP中空纤维微孔膜接触器分离氨／水的性能。研究表明，膜接触器氨水分离传质过程由氨水相控制；微孔膜的阻力对传质总阻力贡献很小，采用不同结构和性能的微孔膜对分离过程总传质系数影响不大，与模型计算的结果一致：当进料氨氮浓度不是太高时（小于5000mg／l）并且吸收液浓度大于临界浓度（与吸收增强因子有关）时，氨的平均脱除率可达93刀％：当吸收液浓度低于临界浓度时，将对脱除效果产生较大影响。由于传质由氨水侧控制，总传质系数可用S1公式描述，即与氨水流速（管程）的叁分之一次方呈正比。因此，可适当提高氨水流速来获得较大的传质系数。当吸收液浓度高于临界浓度时，稀氨水的浓度对组件的吸收效果影响不大，过程为动力学一级过程。最后提出膜接触器法分离氨技术的工业化应用时，应注意以下几点：（1）优化传质系数与脱除率之间的关系八n注意临界操作条件；①反应热的及时移走。为今后膜接触器的产业化提供理论依据。 研究了各种条件下PP 中空纤维微孔膜接触器对二氧化碳／氮气混合气分离性能的影响。在管内流程中气相被约束在纤维管中流动，没有在壳层流动的反混、沟流和短路现象，因此，壳程吸收流程的吸收效果要好于管内吸收流程；在叁种吸收液的吸收效果比较中，单乙醇胺（MEA）的吸收效果要明显好于二乙醇胺（DEA）和氢氧化钠（NaOH），吸收效果依次为＊＊A＞N＞OH＞＊＊A；在氢氧化钠溶液中，随着吸收剂浓度的降低，吸收效果逐渐变差。当吸收液浓度较高时，在液体流量和气体流速改变对吸收效果影响并不明显；传质过程由液相传质阻力控制。建立了用于膜接触器的总传质系数方程?
林兰[4]2007年在《新型中空纤维膜接触器分离甲醇/水体系的实验研究》文中认为膜接触器是一种通过膜作为两相之间分离界面而实现相间传质的杂化膜过程，是一种全新的、更加有效、更加环保的接触传质方法。本论文主要研究新型中空纤维膜接触器分离醇／水体系的可行性以及其传质行为。操作时，液体在中空纤维膜管内流动，蒸汽通过壳程与液体逆向流动，实验采用全回流操作。研究内容包括中空纤维膜分离醇／水体系的操作和分离性能的研究、气液通过微孔膜的传质模型的建立、分离的传质数学计算以及分析和中空纤维膜壳程结构改变对传质和操作性能的影响，并对该中空纤维膜接触器的应用进行展望。实验考察了甲醇／水体系在膜接触器中的分离效果。结果表明：中空纤维膜作为填料的分离效率较高，最小HETP可达5cm以下；操作气速在常规填料液泛线以上时，膜接触器也能正常运行，不受常规填料的操作弹性限制；而且中空纤维膜的水力学特性和传质效率较常规填料优势明显。通过比较壳程装上两块挡板与未装挡板的两组膜接触器分离实验的分析，得出：挡板的存在能提高该膜接触器的操作性能，使操作更加的稳定；挡板还能有效提高膜接触器的传质效率。最后通过对传质系数的进一步计算和理论分析，得出本实验中液相传质阻力约占总传质阻力50％。
张秀莉, 张泽廷[5]2005年在《膜接触器传质性能研究现状和进展》文中研究说明评述了微孔膜基分离过程的传质性能、影响因素和数学模型研究的现状;介绍了中空纤维膜内传质特性和数学模型,中空纤维膜接触器壳程传质特性与数学模型以及微孔膜孔隙率对流动相传质性能的影响,并探讨了今后研究工作的发展方向。
李云鹏[6]2013年在《中空纤维膜吸收CO_2过程膜浸润研究》文中指出C02等温室气体导致全球气候变暖,已经引起了全世界各国的关注。在多种捕集CO2的技术中,膜技术以其操作灵活、更经济、能耗低、模块化结构易放大等优点被认为是代替传统吸收方式的有效方法。然而,随着操作的进行,疏水膜孔会被醇胺类溶液浸润,导致膜相阻力随着时间会持续增大,逐渐成为传质过程中的控制阻力,对其吸收C02的效率有极大影响。因此,研究如何延缓、抑制膜浸润现象,对提高该技术的运行效率具有重要的实际意义。本文首先采用PVDF中空纤维膜组件吸收CO2,研究二乙醇胺(DEA)水溶液对疏水微孔膜的浸润和传质的影响。CO2气体在膜组件壳程流动,吸收液在膜丝内(管程)流动,气相和液相在膜组件中均呈层流流动,逆流接触进行传质。实验分别考察不同的吸收液浓度、温度、流速以及气体流速对膜润湿的影响,结果表明：膜孔道逐渐被吸收液浸润,膜相传质阻力占总传质阻力的百分比最高升至68%,膜浸润使膜相阻力迅速增大,并逐渐成为主要传质阻力,导致总传质系数逐渐降低。随着吸收过程的进行,膜孔的平均相对浸润深度η逐渐增加,导致膜相传质系数Km随时间逐渐下降,虽然η增加缓慢且幅度很小,但由此引起的Km下降却非常明显。DEA浓度由1mol/L增至2mol/L,膜孔的相对浸润深度η值平均降低7.7%,这是由于DEA浓度增加而引起吸收液黏度变大,从而使膜孔被浸润变得困难；吸收剂温度由15℃升高至25℃,η值平均升高11.4%,液相流速由u=O.113m/s提高到u=0.183m/s,η值平均升高5.8%,升高温度或提高液相流速都会使膜浸润程度增加,但温度对膜浸润的影响更加明显；在气相阻力可以忽略的条件下,改变气相流速对膜浸润的影响不大。其次,初步考察了吸收剂再生后循环使用对PVDF中空纤维膜膜浸润程度的影响,得到结论如下,采用再生液实验所得的膜孔相对浸润深度η是原吸收液的1.38倍,这说明可能是再生过程中吸收液里生成了热稳定盐等杂质,使膜浸润程度加剧,并导致了C02传质通量和总传质系数的下降。此外,通过Washburn法静态膜浸润实验测量膜重量的变化,掌握浸润量随时间的变化规律,结合膜的结构特征,建立了半经验半理论的膜浸润模型,并以此预测了总传质系数变化的基本趋势。
张卫风[7]2006年在《中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究》文中认为全球变暖是由于温室气体的大量排放所导致的温室效应的加剧引起的，是目前世界上最主要的环境问题之一，CO_2是对温室效应贡献最大的温室气体。以矿物燃料为主要能源的电力生产是CO_2的一个集中排放源，随着社会经济的迅速发展，对电力需求逐渐增大，导致CO_2排放量的不断增大，因此研究火电厂CO_2的排放控制和分离回收技术对于应对全球变暖、温室效应问题具有重要的意义。膜吸收法是近年来发展起来的分离回收CO_2的工艺，该工艺结合了化学吸收法的选择性和膜分离法的紧凑性，是一种很有前景的CO_2脱除工艺。 本研究首先进行了吸收液对CO_2的吸收机理试验，试验中选择不同吸收液浓度，分别比较了MEA(一乙醇胺)、MDEA(甲基二乙醇胺)和AAAP(氨基乙酸钾)叁种单一吸收液对CO_2吸收和解吸的效果，结果发现在对CO_2进行吸收时，MEA溶液和AAAP溶液的吸收能力要好于MDEA溶液，而在解吸时，这两种溶液的解吸能力要弱于MDEA溶液。在此基础上选择不同浓度MDEA溶液，将MEA和AAAP作为添加剂添加到MDEA溶液中组成混合吸收液，针对不同添加剂浓度的混合吸收液对CO_2的吸收和解吸进行研究，结果表明在添加MEA和AAAP后，基于MDEA的混合吸收液的吸收能力比单一的MDEA溶液有了很大的提高。 设计并搭建了中型中空纤维膜接触器分离烟气中CO_2的试验台，采用具有中心分配管的膜接触器，以AAAP、MEA和MDEA的单一水溶液为吸收液，在试验台上进行了模拟烟气中CO_2的分离回收试验，分析了吸收液温度、气液流速、吸收液浓度、烟气中CO_2浓度等条件对传质速率和脱除效率的影响，同时进行了膜接触器对实际烟气中CO_2的脱除试验，并和模拟烟气进行了比较，最后进行了连续循环吸收试验。结果表明，叁种吸收液的吸收效果为AAAP溶液＞MEA溶液＞MDEA溶液，另外MDEA溶液吸收容量大，解吸容易，MEA溶液比AAAP溶液解吸效果好，但润湿性略逊于AAAP溶液；在试验范围内，传质速率随烟气CO_2浓度逐渐增加。 在搭建的小型和中型试验台上采用不同中空纤维膜接触器，考察MDEA+MEA和MDEA+AAAP这两种混合吸收液对CO_2的吸收状况，并就叁种膜接触器对CO_2的吸收情况进行了比较，结果表明膜吸收法中在MDEA溶液中添加MEA或AAAP作为添加剂可以有效的提高MDEA溶液对CO_2的吸收；当添加剂的浓度一定时，提高MDEA溶液的浓度并不能够提高其对CO_2的吸收，高浓度MDEA混合溶液的吸收能力反而有所下降；另外通过对叁种膜接触器的
崔丽云[8]2014年在《膜气体吸收过程中疏水性微孔膜的润湿机理及过程研究》文中研究说明由于传统塔吸收技术设备投资高,操作稳定性差,易造成二次污染,所以近年来以经济、节能、平稳、安全、高效率为目标的膜接触器吸收技术引起了广大研究者的关注。该过程是传统吸收技术与膜分离的耦合技术。以微孔疏水膜作为气—液相界面的支撑,使气—液两相能有效接触而互不参混。膜接触器的引入显着地增加了单位体积气液接触面积,避免了经常发生在传统化学吸收过程中的不正常操作现象,过程易放大,且其传质效率是传统塔设备的30倍。然而,膜的存在不仅增加了膜相阻力,而且由于膜润湿的存在膜相阻力随着吸收时间的延长不断增大。研究表明,即使仅有一小部分的膜孔被浸润了,传质通量和总传质系数也会急剧下降,当膜孔完全被液体充满时,膜相的传质阻力将成为传质控制阻力。膜润湿的发生不仅包括由于膜两侧压差导致的瞬间浸润,还包括由于凹液面处溶质分子吸附扩散导致的缓慢浸润过程。本文通过考察膜孔内凹液面处分子的吸附和扩散,主要研究了疏水性微孔膜在表面活性剂溶液和二氧化碳吸收剂溶液中的缓慢浸润过程。本文的主要研究内容和结果包括：1.将疏水性微孔膜浸泡在不同浓度和温度的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)水溶液中,采用在线测量软件通过高精度电子天平实时测量记录膜重量的变化,得出微孔膜润湿量随时间的变化关系曲线,同时考察了溶液温度,浓度以及膜材料结构对膜润湿的影响。与SDBS溶液相似,本文还研究了疏水性微孔膜在二乙醇胺(DEA)和甘氨酸钾(PG)水溶液(二氧化碳吸收剂)中的浸润过程及其影响因素。与SDBS溶液的浸润现象相同,疏水性强的微孔膜润湿速率小,且温度的升高加快了膜的润湿；然而,与其相反,随着DEA溶液浓度的增大,微孔膜的润湿速率是下降的,这是由于DEA溶液的粘度随浓度的升高而迅速增大,这大大减慢了液体在膜孔内的渗入速率。因此,溶液种类,浓度和温度对膜润湿的影响响主要归结于溶液表面张力和粘度的相对大小对膜润湿的影响。2.基于毛细管渗入机理,考察膜孔径大小、结构和分布,本文提出了一个微孔膜润湿百分率与时间的动力学方程,并分别对微孔膜在SDBS和DEA溶液中的润湿实验数据进行了拟合,得到与实验数据吻合性非常好的拟合结果。由计算得到的模型参数ψ值可以看出,液体在膜孔内的前进接触角非常接近于(但小于)90°,因此渗入速率非常缓慢,与润湿实验结果相吻合。同时采用该润湿动力学模型从理论上分析了微孔膜结构参数对膜浸润的影响。3.采用疏水性中空纤维膜(PVDF, PP和PTFE)接触器进行二氧化碳气体吸收实验,通过考察膜相传质系数随吸收时间的降低来研究微孔膜润湿程度随吸收时间的变化。与此同时,本文还考察了吸收剂浓度、温度、微孔膜材料结构以及操作条件(液相／气相流速)对膜润湿的影响。升高温度或增大液相流速均可加速膜的润湿；而增大溶液浓度则将减慢膜的润湿；在一定的实验范围内,改变气体流速对微孔膜润湿没有明显的影响。4.膜孔内运动液体同时受到毛细管压力、膜两侧压差以及分子内部粘性阻力叁个作用力,由于液体在膜孔内的渗入速率非常小,所以假定此时液体受力达到平衡。通过该力学平衡方程,加入膜孔径分布因素,推导得出了膜吸收过程中的膜润湿动力学方程。由方程可知,膜润湿百分率是吸收时间和膜组件轴向分布的函数,理论计算可知膜润湿百分率沿膜组件轴向由液体进口到出口是不断减小的。为了能更好的对比实验数据,积分计算得到了不同吸收时间膜组件的平均膜润湿百分率,并对吸收实验的润湿数据进行了拟合得到了较好的拟合效果。由模型计算可知,当平均膜润湿百分率达到20%时,膜相阻力在总传质阻力中所占比例增加了近80%。
陈迁乔, 钟秦[9]2010年在《微孔中空纤维膜接触器烟气脱硫性能的研究》文中指出对中空纤维膜接触器用于烟气脱硫的工艺进行了实验研究并建立了脱硫率计算模型。采用疏水性聚丙烯中空纤维膜组装膜组件,用SO2钢瓶气与空气配制模拟烟气,气相走中空纤维膜内侧,以Na2SO3溶液为吸收剂进行脱硫实验研究。实验结果表明,该脱硫工艺脱硫率高且稳定。当Na2SO3吸收液浓度大于5%,液相阻力可以忽略;脱硫率随气速的增大而减小,而随膜组件有效长度、膜传质系数的增大而增大。忽略液相传质阻力,用传质速率与物料衡算方法及传质经验关联式,建立微孔中空纤维膜接触器烟气脱硫率计算模型,模型计算值与实验值误差小于9.5%,模型能比较可靠地模拟烟气脱硫过程,通过该模型可以快捷计算脱硫率。
杨志宏[10]2013年在《用于精馏的中空纤维膜填料的疏水改性及分离传质性能分析》文中提出膜接触器是以非选择性微孔膜作为两相接触界面实现相间传质的高效分离过程。由于中空纤维膜接触器具有比表面积巨大和气液相彼此独立的显着优势,由其构成的膜结构填料可以较常规填料获得更好的分离效果和更宽的操作弹性。在膜填料精馏过程中,膜接触器中分离膜的物化特性至关重要。理想的精馏膜填料应该具有良好的疏水性,同时还应具有较好的化学和热稳定性。为满足精馏过程对膜填料的要求,在复合膜填料的制备上对关键制备参数(PDMS浓度、交联剂、催化剂用量、浸渍时间)进行了探索。通过PDMS/PAN中空纤维复合膜透气性能和疏水性测试分析,以获得较优的制备参数用于制备疏水性好且透气率高的复合膜填料。其次,选用了叁种不同材料的膜填料(PAN, PS和PVDF),采用以上优化配方对其进行了PDMS涂覆,并将制得的PDMS复合膜用于叁种醇(甲醇、乙醇和异丙醇)／水体系的分离,通过对分离效果和传递性能的分析,研究了PDMS涂覆对不同精馏膜填料和精馏体系的影响。最后,首次制备了一种具有良好溶剂和热稳定性的新型膜填料,研究了热处理条件等因素对该新型PAN膜填料的影响,还对该新型填料进行了溶剂化测试和对IPA/水的精馏分离试验。在对复合膜填料制备条件的探索中,PDMS/PAN中空纤维复合膜透气率随PDMS、交联剂和催化剂浓度的增加首先呈上升趋势,然后呈逐渐减小趋势。当PDMS含量从0.5wt%上升至5wt%,其N2通量首先从0.00034上升至0.0009cm3(STP)cmHg-1cm-2s-1左右；当PDMS含量超过2wt%后,N2通量会逐渐减低至0.0007 cm3(STP)cmHg-1cm-2s-1左右。钛酸丁酯和二丁基二月桂酸锡含量对N2通量变化呈类似趋势,在交联剂和催化剂浓度分别为1 wt%和0.5 wt%时达到最大通量。浸渍时间的影响有所不同,当其从2min延长至30min,N2通量会从0.0034逐步下降至0.0001cm3(STP)cmHg-1cm-2s-1左右。PDMS、交联剂和催化剂浓度对接触角的影响与对N2通量影响类似,呈逐渐增加而后减小的趋势；与对N2通量的影响相反,接触角会随浸渍时间延长而逐渐增加。综合以上,最优制备参数为：PDMS浓度(2 wt%)、交联剂含量(1 wt%)、催化剂含量(0.5 wt%)和浸渍时间(8 min)。该优化参数下制备所得的PDMS/PAN复合膜的N2通量约为10'3cm3(STP)cmHg-1cm-2s-1左右,该值是文献中用于乙醇／水渗透气化过程复合膜的通量的2-40倍。经PDMS涂覆,一般可将表面接触角提高至90°至105°,但为了兼顾复合膜填料的气体通量,涂覆后的表面接触角从75.6°增大至99.1°。SEM, EDS和FT-IR对该优化组成下制得复合膜的表征表明：涂覆后的PAN表面更为光滑,断面特征显示覆盖PDMS涂层约为1-2μm厚。1100 cm-1左右的FT-IR特征峰显示了交联Si-O-Si键的存在。EDS分析结果显示,Si元素的存在主要集中于膜表面,而基膜内部含量极少,这表明仅有极少PDMS侵入基膜内部。通过利用以上优化参数制备了叁种高性能复合膜填料(PAN/PDMS,PS/PDMS和PVDF/PDMS)。在对醇／水体系的精馏分离中,所有膜填料均可在液泛气速以上正常操作。PDMS涂覆因原膜填料的不同对分离的影响不同：PAN和PVDF经涂覆后分离性能得到提高,而PS则相反。在所有膜填料中,PDMS/PAN复合膜的分离效果最好,有效长度为20cm的膜组件最终可获得摩尔分数为92%、72%和65%左右的甲醇、乙醇和异丙醇产物。在F因子为0.2-1.4 m/s(kg/m3)0.5范围内,其HETP值对醇／水体系的分离稳定保持在0.07-0.12m范围内,这一效率甚至优于高效的Mellapak752Y规整填料。结合干膜、完全润湿模型和阻力串联模型关联了膜相传质系数与膜相润湿比例。利用该理论模型发现：即使轻微润湿(<10%)也造成传质系数(>50%)显着下降。模相传质系数的下降趋势(Km/Km')受膜填料和待分离组分物性特征的综合影响,下降速度与rm/rm,wet比值成反比。基于PDMS优势厚度的概念,疏水复合膜填料制备的原则在于尽可能将PDMS涂层控制于优势厚度以下,对膜厚小于30微米或强疏水致密膜填料不宜进行涂覆。基于干膜、湿膜和复合膜分相阻力比模型发现,疏水复合膜填料的优势在于与润湿膜相比,其带来的额外传质阻力仅为前者的1/4-1/3。其合理性得到了实验传质系数的验证。以分相阻力比模型为基础,通过对不同膜填料在精馏过程中的传递路径的分析,在结合了DL,DpDMS,1/Δi-m等因素后,首次构建了参数(?)。(?)参数可以较好地预测多种膜填料在针对不同醇／水精馏分离体系时传质系数的相对大小。预测结果与多数实验结果相符合。通过结合Happel自由表面模型和高斯分布函数分别对壳程和管程流体进行了修正,修正后的理论将大部分数据的误差范围从2-3倍缩小至1倍误差范围以内。在实验Sh数与Gz数拟合中发现,Sh随Gz数的变化远快于Leveque中Gz数的0.33次方形式,这表明可能有局部湍流存在。在制备环化PAN膜填料这样一种具有强疏水,优异热和化学稳定性的新型膜填料的研究中发现,与其它商用PES, PS和PVDF的膜结构在热处理过程中(200-300℃)熔融致密化的现象相比,PAN因热环化作用生成的碳氮六元环结构,使其在高温条件下可以稳定保持其中空和大孔结构。具体分析了加热温度和加热时间的变化对其膜结构和化学特征的影响,发现在温度变化为200-350℃、加热时间为0.5-12h的变化范围内,膜的尺寸和质量将逐渐减小。膜的断裂拉伸强度从原膜的5.5 MPa左右最低下降至2.6MPa,断裂伸长率从13.9%下降至3.5%左右,但仍具备一定的自支撑性以构建膜接触器。因膜表面皮层纳孔和微孔结构的消失,膜的孔隙率从73%下降至50%左右。FTIR测试表明,膜的环化反应主要发生于250℃以下,当超过250℃后,膜的环化反应会快速进行,此时温度和时间的影响对化学结构的影响较小。热处理会使极性基团腈基(-CN)消失,膜的疏水性因此得到明显增强。相较于PAN原膜,制备所得的膜填料S2(250℃,6h)可以稳定存在广泛的溶剂体系中(丙酮(57℃)、甲苯(110.6℃)、环已烷(81℃)、二甲基乙酰胺(166.1℃),等),其长度和质量变化范围仅为-4.5%至2%和-1%至2.5%,而PAN原膜的变化则分别达-29.5%到0.3%和-12.5%到2.2%。在新型膜填料(S2)制备完成后,构建了相应的膜接触器用于IPA/水的精馏分离。在10天的精馏操作中发现,当气相流速为100-220 cm/s时,产物摩尔分率和HTU分别为49%-53%和0.1-0.18m。其分离效果略低于原膜。但膜填料S2的实验总传质系数反而略大于原膜,这主要得益于S2组件较小的比表面积和其疏水性能的提高。从模型估算分析可知,润湿后膜阻所占总阻力的比例将从18.8-30.2%上升至69.6-81%,从而导致总传质阻力产生1.67-2.68倍的增加。
参考文献：
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[2]. 新型疏水性中空纤维膜结构填料及其精馏分离机理与特性的研究[D]. 张国亮. 浙江大学. 2007
[3]. 聚烯烃中空纤维膜结构及其气体分离性能的研究[D]. 王建黎. 浙江大学. 2001
[4]. 新型中空纤维膜接触器分离甲醇/水体系的实验研究[D]. 林兰. 浙江工业大学. 2007
[5]. 膜接触器传质性能研究现状和进展[J]. 张秀莉, 张泽廷. 化工进展. 2005
[6]. 中空纤维膜吸收CO_2过程膜浸润研究[D]. 李云鹏. 北京化工大学. 2013
[7]. 中空纤维膜接触器分离燃煤烟气中二氧化碳的试验研究[D]. 张卫风. 浙江大学. 2006
[8]. 膜气体吸收过程中疏水性微孔膜的润湿机理及过程研究[D]. 崔丽云. 北京化工大学. 2014
[9]. 微孔中空纤维膜接触器烟气脱硫性能的研究[J]. 陈迁乔, 钟秦. 高校化学工程学报. 2010
[10]. 用于精馏的中空纤维膜填料的疏水改性及分离传质性能分析[D]. 杨志宏. 浙江工业大学. 2013
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