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疏水性多孔膜和膜组件气体吸收传质性能及其数学模型的研究

张秀莉

  膜基分离过程是将膜分离与传统的分离技术相结合的一种新型分离过程。它包括膜溶剂萃取、膜气体吸收和膜蒸馏。膜基分离过程克服了传统塔式分离设备的液泛、夹带、负荷限等缺点,具有单位体积接触面积大、通量大、可任意改变接触两相的流量等优点。该过程所使用的膜多是固体多孔膜。多孔膜不具有分离作用,只起到分隔两相和固定相界面的作用。随着膜基分离过程应用范围的不断扩大,需要深入研究膜过程的传质机理和建立能准确描述其传质性能的数学模型,以用于实际膜组件的设计和新膜组件传质性能的预测。所以,开展多孔膜及膜组件的传质性能及其数学模型的研究,具有重要的理论意义和实用价值。本论文主要从三个方面对多孔膜及膜组件的传质性能进行了实验和理论研究:(1)对He、N2、O2、CO2和水蒸气通过六种聚四氟乙烯疏水性多孔平板膜的渗透传质性能进行了实验研究,深刻认识了气体通过多孔膜的渗透性能以及渗透气体物性和多孔膜结构对传质性能的影响,表明膜的孔隙率越大,孔径越大,厚度越薄,曲折因子越小,越有利于传质。在实验研究的基础上,根据气体动力学理论建立了描述气体通过多孔膜的传质模型。该模型考虑了膜结构参数和气体性质对传质的影响。气体渗透系数的模型预测值与实验数据具有很好的一致性。同时也提供一种确定多孔膜结构参数的简便方法——气体渗透模型拟合法。提出了一个多孔膜结构综合参数的概念。用此综合参数来表征多孔膜结构对气体渗透传质性能的影响更合理、更有效和更直观。多孔膜的综合参数越大,气体渗透系数越大。得到膜基气体吸收过程中,膜阻与膜结构参数和渗透气体的性质有关。(2)在平板膜组件中,采用不同孔隙率的膜,对多孔膜孔隙率对膜基气体吸收过程中流动相的传质系数的影响进行了实验研究。进行了去离子水和NaOH水溶液吸收CO2的不稳态渗透传质和稳态流动传质两种实验。发现多孔膜的孔隙率对传质系数较小的物理吸收的传质性能没有影响;对传质系数较大的化学吸收的传质性能有影响;同一传质体系,在相同流动条件下孔隙率大的膜的传质系数大于孔隙率小的膜的传质系数。以双膜理论为指导,推导和建立了描述膜基分离过程中流动相传质性能的数学模型,模型预测值与实验数据具有良好的一致性。提出了一个孔隙率影响因子的概念。孔隙率影响因子越大,表明多孔膜孔隙率对传质系数的影响越小。(3)在两种任意填充的中空纤维膜组件中,对CO2—空气—水和CO2—空气—NaOH水溶液两种体系的膜基气体吸收的传质性能进行了实验研究。结果表明去离子水作为吸收剂时,总传质阻力由液相控制;液相流速增大可使传质系数增大。传质系数实验数据接近Wu的传质系数关联式的计算值。NaOH水溶液作为吸收剂时,总传质阻力受气相和液相共同控制,总传质系数分别随气速的增加和液速的增加而增大。在实验研究的基础上,对中空纤维膜组件壳程流体流动和传质过程进行了分析和模拟计算。运用不稳态渗透传质理论推导和建立了膜壁面浓度恒定、膜壁面浓度变化以及液相存在化学反应的壳程传质模型。模型预测值与实验数据具有良好的一致性。将本论文建立的模型与文献已有的关联式进行了比较,模型预测值介于Costello和Wu关联式之间。说明本模型具有合理性和准确性。本模型将传质系数与流体的停留时间分布结合在一起,克服了以往的随机模型中流体在膜组件的停留时间分布只表征流体的不均匀分布,而仍需采用其它的关联式来计算传质系数的弱点。以上研究结果可用于指导实际膜组件的设计和多孔膜的开发和改进。……   
[关键词]:传质;数学模型;气体吸收;多孔膜;孔隙率
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:北京化工大学2004年