PDMS膜分離氣體混合物的傳質(zhì)機(jī)理及模型化.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量二氧化碳以及揮發(fā)性有機(jī)蒸汽(VOCs)被排放到環(huán)境中。這些廢氣的排放一方面造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，另一方面也浪費(fèi)了大量的能源。如何回收廢氣中的二氧化碳和VOCs成為越來(lái)越迫切需要解決的問(wèn)題。膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低、能耗小、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，近些年來(lái)受到了人們的關(guān)注。然而膜分離過(guò)程的理論研究工作并沒(méi)有及時(shí)跟上上述工業(yè)化快速發(fā)展的需要。近二十年來(lái)的研究工作主要集中于氣體通過(guò)玻璃膜的傳質(zhì)過(guò)程;或

2、只是測(cè)定一些不凝氣體在橡膠膜中的滲透系數(shù);對(duì)膜分離性能的研究也多集中于二組分不凝性氣體。
　　 本論文針對(duì)該領(lǐng)域上述研究工作的不足開(kāi)展工作，選擇最具工業(yè)應(yīng)用前景的PDMS膜為研究對(duì)象。首先從熱力學(xué)上解決氣體組分溶解于PDMS膜的熱力學(xué)問(wèn)題，探尋活度系數(shù)的計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組分在PDMS膜中傳質(zhì)過(guò)程的機(jī)理和模型化研究。最后，將傳質(zhì)研究的結(jié)果用于分析卷式膜組件的分離性能。
　　 論文工作的具體內(nèi)容包括:
　　

3、1.利用時(shí)間延遲法測(cè)定了氮?dú)?、甲烷和二氧化碳在不同溫度和壓力下在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。然后，利用實(shí)驗(yàn)得到的溶解度系數(shù)和相平衡方程求出在這些組分在PDMS膜中的活度系數(shù)。最后，利用非線性擬合的方法得到了這些氣體與膜的相互作用參數(shù)。
　　 2.根據(jù)可凝性氣體的特性（飽和蒸汽壓小于一個(gè)大氣壓，塑化作用明顯），綜合時(shí)間延遲法和溶解平衡法，提出了測(cè)定可凝性氣體在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的新方法。通過(guò)這種方法，測(cè)定了

4、正戊烷、正己烷和正庚烷在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，并得到了UNIQUAC方程中這些氣體與PDMS膜的相互作用參數(shù)。
　　 3.通過(guò)分析氣體在膜中的溶解和擴(kuò)散過(guò)程，研究了FICK-HENRY(F-H),FICK-UNIQUAC(F-U)和MS-UNIQUAC(MS-U)三種組合模型用于預(yù)測(cè)氣體透過(guò)PDMS膜的過(guò)程。通過(guò)比較各模型對(duì)于不同氣體混合物的計(jì)算結(jié)果，分析了它們?cè)陬A(yù)測(cè)結(jié)果的差異及原因所在，并確定了三種模型的適用范圍

5、。
　　 4.利用N-S方程并結(jié)合F-H組合模型，建立了適用于具有工業(yè)應(yīng)用前景的卷式膜組件數(shù)學(xué)模型。通過(guò)求解該模型，分析了卷式膜組件結(jié)構(gòu)參數(shù)和濃差極化對(duì)分離效果的影響。同時(shí)，對(duì)基于不同溶解擴(kuò)散方程(MS-U和F-H)的卷式膜組件模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，確定了不同模型的適用體系。最后，基于MS-U模型的卷式膜組件模型，對(duì)于不同操作條件下氣體混合物在卷式組件中的分離效果進(jìn)行了預(yù)測(cè)。
　　 研究結(jié)果表明:對(duì)于非可凝性氣體，其

6、相同的壓力和溫度下，組份在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和滲透系數(shù)大小與其臨界溫度一致;組份的擴(kuò)散系數(shù)相差不大。而同種組份的滲透系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)均不隨壓力變化，而隨著溫度的上升而上升;溶解度系數(shù)隨著溫度的上升而下降。對(duì)于可凝性氣體，組份的溶解度系數(shù)和滲透系數(shù)大小也與其臨界溫度一致;組份的擴(kuò)散系數(shù)與其臨界溫度相反。同種組份的滲透系數(shù)和溶解度系數(shù)均隨著壓力的上升而上升，隨著溫度的下降而下降;擴(kuò)散系數(shù)隨著壓力變化不大，隨著溫度的上升而上升。對(duì)于不同模