新型膜材料在滲透汽化過程中的性能測(cè)定及其相關(guān)過程計(jì)算.pdf

1、滲透汽化是唯一具有相變化的膜分離過程,它具有節(jié)能、操作溫度相對(duì)較低和操作方便等優(yōu)點(diǎn),特別適用于液相混合物中微量物質(zhì)的脫除以及共沸物體系分離。此外滲透汽化與其它過程集成結(jié)合的技術(shù)也極具應(yīng)用潛力,尤其是與酯化反應(yīng)結(jié)合,通過移除反應(yīng)混合物中的產(chǎn)物,打破熱力學(xué)反應(yīng)平衡的限制,可以提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。滲透汽化實(shí)驗(yàn)裝置是目前實(shí)驗(yàn)研究中最常用的測(cè)試膜材料的滲透率以及分離選擇性的設(shè)備,而滲透汽化傳質(zhì)是熱力學(xué)過程和動(dòng)力學(xué)過程相結(jié)合的復(fù)雜過程,相關(guān)的模型理論能

2、夠更好理解滲透汽化傳質(zhì)過程機(jī)理,從而為膜過程設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。本文從實(shí)驗(yàn)和模型理論兩方面對(duì)單組分體系滲透汽化過程傳質(zhì)、二組分體系滲透汽化分離、膜在溶劑中的吸附溶脹以及滲透汽化與酯化反應(yīng)集成過程做了相關(guān)研究工作。具體工作如下:
　　 將Dupont公司生產(chǎn)的共聚線性低密度聚乙烯(OctenesLLDPE)材料在熱壓機(jī)下熱壓成厚度為122μm的薄膜,采用單組分穩(wěn)態(tài)滲透汽化實(shí)驗(yàn)裝置考察不同溫度下正己烷、正庚烷、環(huán)己烷、丙酮以及甲基

3、吡咯烷酮(NMP)五種常用溶劑在該聚乙烯薄膜中的滲透性能,并通過溶脹浸泡實(shí)驗(yàn)得到幾種溶劑在該材料中的平衡吸附量。從滲透汽化實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,五種溶劑在共聚線性低密度聚乙烯材料中的滲透通量大小依次是:正己烷>正庚烷>環(huán)己烷>丙酮>NMP;從吸附溶脹數(shù)據(jù)來看,五種溶劑在聚合物材料中的吸附量大小順序?yàn)?NMP>環(huán)己烷>正己烷>正庚烷>丙酮。分別采用孔流模型以及溶解擴(kuò)散模型結(jié)合自由體積模型計(jì)算不同溫度下的各溶劑的滲透通量,模擬計(jì)算數(shù)據(jù)與滲透實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4、基本吻合。對(duì)比孔流模型和溶解擴(kuò)散模型,孔流模型物理意義不夠清晰,但計(jì)算過程簡(jiǎn)潔,結(jié)果精度較高。溶解擴(kuò)散模型引入自由體積理論計(jì)算擴(kuò)散系數(shù),其參數(shù)物理意義更加明確,但是它的計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜。并通過求解Fick第二定律的偏微分方程數(shù)值解,得到不同時(shí)刻五種溶劑在膜內(nèi)部的濃度分布曲線,結(jié)果表明LLDPE是一種良好的防滲透材料。
　　 采用聚合物溶液澆鑄刮膜法制備PEBA2533型親有機(jī)物薄膜,并結(jié)合吸附溶脹實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)平衡理論計(jì)算考察乙酸

5、丁酯酯化反應(yīng)體系四種溶劑在PEBA膜材料中的吸附性能,結(jié)果表明四種溶劑在膜中的吸附選擇性順序?yàn)?乙酸正丁酯>正丁醇>乙酸>水。也說明PEBA是一種具有良好選擇性的疏水性膜材料,可以用于分離乙酸丁酯反應(yīng)體系中的有機(jī)物。Flory-Huggins和UNIQUAC兩種熱力學(xué)模型都可以用于描述吸附平衡時(shí)溶劑和膜之間的非理想相互作用,盡管兩種模型的相互作用參數(shù)求取方法不同,但計(jì)算結(jié)果基本保持一致。
　　 實(shí)驗(yàn)考察不同溫度和進(jìn)料濃度用PEB

6、A2533膜分離丁酸硫代甲酯/水和2,3-丁二酮/水兩種的二元體系中微量香味有機(jī)物的性能。作為空白參照組分的純水在PEBA膜材料的滲透通量隨溫度升高而增大,其滲透通量范圍在200～1000g·m-2·h-1之間?？傮w來看溫度對(duì)于兩種二元體系的滲透通量有影響,即溫度越高滲透通量越大,但是溫度對(duì)于滲透?jìng)?cè)濃度以及分離因子無影響;而進(jìn)料濃度對(duì)于滲透通量和分離因子都有影響,即進(jìn)料濃度增大,有機(jī)物滲透通量和滲透物濃度增大,但是分離因子反而降低。對(duì)于

7、丁酸硫代甲酯/水二元體系,當(dāng)溫度范圍30～60℃,進(jìn)料濃度范圍在12～90ppm,有機(jī)物滲透通量為0.25～3.20g·m-2·h-1之間,滲透?jìng)?cè)濃度范圍在1000～4000ppm,分離因子在40～110之間。對(duì)于2,3-丁二酮/水二元體系,當(dāng)溫度范圍在30～60℃,進(jìn)料濃度范圍在25～190ppm,有機(jī)物滲透通量在0.1～0.98g·m-2·h-1之間,滲透?jìng)?cè)濃度范圍在800ppm～1900ppm之間,分離因子在8～40之間。親有機(jī)物

8、的PEBA膜對(duì)于丁酸硫代甲酯的選擇性大于2,3-丁二酮。
　　 根據(jù)酯化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、滲透汽化傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)和物料守恒原理,推導(dǎo)出一個(gè)描述乙酸正丁酯酯化間歇反應(yīng)與滲透汽化集成過程的模型。四元體系中各組分的滲透通量表達(dá)式的參數(shù)可以通過回歸擬合文獻(xiàn)中的二元混合物滲透汽化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。為考察四元混合物的非理想熱力學(xué)效應(yīng),用UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法計(jì)算相應(yīng)的活度系數(shù),結(jié)果表明該反應(yīng)物四元體系相對(duì)于理想混合體系來說屬于正偏差體系。根據(jù)無因次變量即