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聚合物膜中水蒸气渗透行为及脱湿过程研究

作　者: 刘丽
导　师: 邓麦村；陈勇
学　校: 中国科学院大连化学物理研究所
专　业: 化学工程
关键词: 聚合物膜水蒸气渗透气体脱湿
分类号: TQ028.8
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

本论文以天然气及压缩空气等工业气体脱湿为应用背景，针对水蒸气微量、可凝和在聚合物膜中高渗透速率的特性，首先研究了水蒸气在均质聚合物膜（聚砜、聚砜/磺化聚砜共混及硅橡胶）中的渗透行为，两种特殊行为——成簇迁移和溶胀作用的相互竞争使水蒸气在聚合物膜中的溶解、扩散及渗透系数与原料水蒸气压力（活度）、温度等的关系与永久性气体（N₂、H₂等）不同。利用阻力模型对水蒸气在聚砜/硅橡胶非对称复合膜中的渗透速率及阻力分布进行研究，揭示了支撑层阻力对水蒸气通过非对称复合膜渗透的重要影响，并提出通过改变膜结构参数提高水蒸气渗透速率及分离性能的方法。采用微元法建立了中空纤维膜脱湿工艺过程数学模型，考察影响脱湿过程的因素如中空纤维丝内压降、膜几何尺寸、膜性能及操作条件等。同时，建立工业规模天然气膜法脱湿试验装置并进行了现场试验，净化天然气露点及甲烷回收率均达到了工业应用要求。现场试验结果与模拟计算结果具有一致性，同时模拟计算的结论也在试验中得到验证。以上的研究为膜法脱湿技术中膜材料的选择、膜结构的控制、膜分离器的改进及脱湿工艺过程优化等提供理论指导和依据。

全文目录

绪论  10-12
第一章文献综述  12-42
  1．1 引言  12-13
  1．2 气体在膜中的渗透机理  13-20
    1．2．1 气体在均质聚合物膜中渗透  13-16
    1．2．2 气体在多孔膜中渗透  16-17
    1．2．3 气体在复合膜中渗透  17-20
  1．3 水蒸气在膜中的渗透行为  20-24
    1．3．1 成簇迁移  20-22
    1．3．2 塑化和溶胀  22-23
    1．3．3 多层吸附与毛细管凝聚  23-24
  1．4 膜法脱湿技术  24-31
    1．4．1 膜材料  24-26
    1．4．2 膜法脱湿技术工艺  26-29
    1．4．3 工业气体膜法脱湿  29-31
  1．5 论文的选题及主要研究思路  31-42
    参考文献  32-42
第二章实验部分  42-48
  2．1 膜材料、试剂及仪器设备  42
    2．1．1 主要材料和试剂  42
    2．1．2 主要分析仪器、设备  42
  2．2 膜的制备  42-43
    2．2．1 平板均质膜  42-43
    2．2．2 平板非对称及其复合膜  43
    2．2．3 中空纤维膜  43
  2．3 渗透速率测定  43-46
    2．3．1 平板膜  43-45
    2．3．2 中空纤维膜  45-46
  2．4 接触角的测定  46-48
    符号说明  47
    参考文献  47-48
第三章水蒸气在均质聚合物膜中渗透  48-68
  3．1 前言  48
  3．2 气体溶解、扩散和渗透系数的确定  48-49
  3．3 膜性能  49-50
  3．4 水蒸气在均质聚砜膜中的渗透  50-56
    3．4．1 原料水蒸气压力的影响  50-53
    3．4．2 操作温度的影响  53-56
  3．5 水蒸气在亲水性不同的聚合物膜中的渗透  56-63
    3．5．1 水蒸气在聚砜/磺化聚砜共混材料中渗透  56-61
    3．5．2 水蒸气在硅橡胶膜中渗透  61-63
  3．6 水蒸气与永久性气体渗透的比较  63-66
    3．6．1 压力依赖性  63-64
    3．6．2 温度及活化能  64-66
  3．7 小结  66-68
    参考文献  66-68
第四章水蒸气在非对称复合膜中的渗透  68-102
  4．1 前言  68-69
  4．2 阻力模型  69-71
  4．3 膜性能及膜结构参数估算  71-73
    4．3．1 水蒸气渗透系数  71-72
    4．3．2 中空纤维复合膜气体渗透性能  72
    4．3．3 中空纤维复合膜结构参数估算  72-73
  4．4 阻力模型的讨论  73-77
    4．4．1 支撑层毛细管凝聚的探讨  73-75
    4．4．2 阻力模型的比较  75-77
  4．5 支撑层阻力对水蒸气渗透性能的影响  77-90
    4．5．1 三种气体支撑层阻力比较  77-80
    4．5．2 实验验证  80-90
  4．6 膜结构参数对水蒸气渗透性能的影响  90-95
    4．6．1 支撑层孔隙率的影响  90-91
    4．6．2 支撑层孔径的影响  91
    4．6．3 致密层厚度的影响  91-95
  4．7 小结  95-102
    符号说明  96-97
    附录A：膜结构参数估算方法  97-98
    附录B：惠斯通电桥阻力模型  98-99
    附录C：膜两侧平均压力P_m的计算方法  99-100
    参考文献  100-102
第五章膜法脱湿过程的研究  102-136
  5．1 前言  102
  5．2 数学模型  102-107
  5．3 中空纤维丝内气体压降的考察  107-113
    5．3．1 中空纤维丝内压降分布  108
    5．3．2 膜内径及长度的影响  108-112
    5．3．3 膜性能的影响  112-113
    5．3．4 操作条件的影响  113
  5．4 逆流与并流流程的比较  113-116
  5．5 中空纤维丝内浓度分布  116
  5．6 膜法脱湿过程的影响因素  116-132
    5．6．1 膜几何参数的影响  116-121
    5．6．2 膜性能的影响  121-129
    5．6．3 操作条件的影响  129-132
  5．7 小结  132-136
    符号说明  133-134
    参考文献  134-136
第六章天然气膜法脱湿工业应用  136-149
  6．1 前言  136
  6．2 现场试验装置及工艺  136-139
    6．2．1 试验装置  136-139
    6．2．2 技术工艺  139
  6．3 现场试验  139-142
    6．3．1 试验工况条件  139
    6．3．2 运行指标  139-140
    6．3．3 稳定性运行  140-141
    6．3．4 其它辅助技术  141-142
  6．4 工艺实验和讨论  142-148
    6．4．1 实验结果与模拟计算结果比较  142-144
    6．4．2 渗透气压力的影响  144
    6．4．3 中空纤维膜几何参数的影响  144-146
    6．4．4 膜性能的影响  146-148
  6．5 小结  148-149
    符号说明  148
    参考文献  148-149
第七章结论  149-152
作者简介  152-153
致谢  153

聚合物膜中水蒸气渗透行为及脱湿过程研究

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