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PES/PS/PP中空纤维膜接触器的物化特性对IPA/水体系精馏分离性能的影响及分析

作　者: 杨志宏
导　师: 张国亮
学　校: 浙江工业大学
专　业: 环境工程
关键词: PES/PS/PP中空纤维膜接触器物化特性异丙醇/水体系精馏分离
分类号: TQ028.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

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。本文主要采用了聚醚砜PES、聚砜PS和聚丙烯PP三种中空纤维膜构建的新型膜接触器进行异丙醇/水体系的精馏分离研究。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著优势,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。在分离过程中,膜接触器中分离膜的物化特性至关重要。在前期工作基础上,实验采用全回流操作,冷凝液在中空纤维膜管内流动,蒸汽通过壳程与液相逆向流动。实验考察了不同膜接触器对异丙醇/水体系的分离效果,详细比较了不同材料的新型膜接触器在传质单元高度(HTU)、塔项产物浓度以及膜的物化特性和总传质系数K值等方面的异同。结果表明,与异丙醇相容性好,且在液相侧具有致密层的非对称结构微孔疏水膜表现出更好的操作稳定性和分离效果。在相近膜组器空间结构下,PES膜接触器的性能整体上要优于PP和PS。实验还进一步讨论了润湿对分离过程中传质的影响,发现即使只发生轻微润湿(<20%),也会造成膜相传质系数的剧烈下降(约70%)。理论总传质系数(K_L)与实验总传质系数(K′_L)产生差异的原因可能与三相阻力结构、膜润湿以及流体特征有较大关联。在以上试验中,所有的膜组件在稳定运行时均显示出优异的分离效率,其HTU<0.1m。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章文献综述  10-32
  引言  10
  1.1 异丙醇  10-11
  1.2 异丙醇常规生产工艺  11-13
  1.3 分离技术及分离设备  13-25
    1.3.1 传统分离技术  13-14
      1.3.1.1 恒沸精馏  13
      1.3.1.2 萃取精馏  13-14
    1.3.2 传统分离设备与精馏填料  14-16
      1.3.2.1 散堆填料  14-16
      1.3.2.2 结构填料  16
    1.3.3 膜分离技术  16-25
      1.3.3.1 渗透气化  17-18
      1.3.3.2 膜蒸馏  18-19
      1.3.3.3 膜接触器用于精馏的研究  19-21
      1.3.3.4 膜接触器的结构分析及研究  21-25
  1.4 膜材料及其制备方法  25-30
    1.4.1 膜的分类及分离机理  25-26
    1.4.2 膜材料  26-28
      1.4.2.1 聚丙烯  27
      1.4.2.2 聚砜  27-28
      1.4.2.3 聚醚砜(PES)  28
    1.4.3 膜的制备方法  28-30
      1.4.3.1 烧结法  28
      1.4.3.2 拉伸法  28-29
      1.4.3.3 径迹蚀刻法  29
      1.4.3.4 相转化法  29-30
  1.5 研究思路和创新点  30-32
    1.5.1 研究思路  30-31
    1.5.2 创新点  31-32
第二章实验材料及方法  32-37
  2.1 膜材料及实验试剂  32
  2.2 主要实验仪器  32-33
  2.3 实验流程及装置  33-34
  2.4 取样与测试分析  34-37
    2.4.1 样品的色谱分析  34-35
    2.4.2 膜的测试表征  35-37
      2.4.2.1 中空纤维的膜长膜厚及内外径  35-36
      2.4.2.2 SEM和压汞仪分析  36-37
第三章理论基础  37-48
  3.1 实验传质系数的计算  37-38
  3.2 理论传质系数  38-45
    3.2.1 管程传质  39-41
    3.2.2 壳程传质  41-42
    3.2.3 膜相传质  42-45
      3.2.3.1 膜孔完全干燥  43
      3.2.3.2 膜孔部分润湿  43-45
      3.2.3.3 膜孔完全润湿  45
  3.3 Hansen溶解度参数  45-48
第四章实验分析与讨论  48-63
  4.1 膜接触器的操作弹性  48-49
  4.2 膜接触器优异的HTU  49-51
  4.3 不同膜组件对同一分离体系的影响  51-52
  4.4 膜组件的物化特性分析  52-55
  4.5 传质分析  55-59
    4.5.1 阻力构成及润湿模型  55-58
    4.5.2 理论预测与实验传质系数分析  58-59
  4.6 膜组件的分离效果  59-62
    4.6.1 塔顶摩尔浓度随时间的变化规律  59-60
    4.6.2 塔顶质量浓度随气相负荷的变化规律  60-62
  本章小结  62-63
第五章结论与展望  63-65
参考文献  65-71
致谢  71-72
攻读硕士期间发表的学术论文  72

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