膜吸收凈化含苯廢氣及其傳質(zhì)性能的研究.pdf

1、本文以含苯廢氣作為研究體系，開展了膜吸收工藝在VOCs凈化領(lǐng)域的研究，研究內(nèi)容主要包括工藝性能研究和傳質(zhì)理論研究。工藝性能研究方向主要圍繞工藝參數(shù)的優(yōu)化、膜材質(zhì)與吸收劑的兼容性研究等方面展開。傳質(zhì)理論方向則以雙膜理論為基礎(chǔ)，結(jié)合傳質(zhì)阻力方程，建立了傳質(zhì)微分模型，模擬膜吸收傳質(zhì)過程，預(yù)測傳質(zhì)相關(guān)系數(shù)。同時(shí)，對(duì)減壓膜蒸餾工藝再生吸收劑性能也進(jìn)行了初步的研究，建立了膜吸收-減壓膜蒸餾新型組合工藝。
　　 首先，根據(jù)膜吸收工藝的特點(diǎn)、吸

2、收劑循環(huán)利用以及與膜材質(zhì)的兼容性等因素，結(jié)合傳統(tǒng)吸收工藝對(duì)VOCs吸收劑的要求，對(duì)含苯廢氣吸收劑進(jìn)行篩選，最終選取工業(yè)用于芳烴提純的N-甲酰嗎啉(NFM，n-Formyl morpholine)水溶液作為吸收劑，測定了不同濃度的NFM水溶液的密度、粘度、表面張力和亨利定律常數(shù)(苯)等物性參數(shù)，通過線性擬合得到不同條件下物性常數(shù)的計(jì)算公式；采用掃描電鏡觀察了使用前后膜表面形態(tài)的變化，結(jié)果表明：NFM水溶液具有較高的表面張力，難以濕潤有機(jī)高

3、分子膜表面，能與有機(jī)高分子膜很好地兼容，有效的避免了因膜孔潤濕帶來的膜相傳質(zhì)阻力增大對(duì)傳質(zhì)過程的影響，該溶液是膜吸收良好的吸收劑。
　　 設(shè)計(jì)并搭建了膜吸收-減壓膜蒸餾組合工藝裝置，以親水性有機(jī)溶劑NFM水溶液為吸收劑，疏水性多孔聚丙烯中空纖維膜組件為氣、液膜接觸器，在實(shí)驗(yàn)裝置上開展了膜吸收凈化含苯廢氣性能的研究：分析了氣、液流量、吸收劑溫度、吸收劑濃度和進(jìn)口氣中苯初始濃度等操作條件對(duì)去除率和傳質(zhì)系數(shù)的影響；采用傳質(zhì)阻力方程對(duì)總

4、傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，并將模型值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比；同時(shí)計(jì)算了傳質(zhì)過程中的傳質(zhì)阻力，研究了氣液傳質(zhì)過程的控制因素，結(jié)果表明：膜吸收凈化含苯廢氣具有較高的傳質(zhì)效率，在NFM體積分?jǐn)?shù)為40％，吸收劑流量20-100 mL·min-1，進(jìn)口氣流量40-300 mL·min-1，進(jìn)口氣濃度10.2 mg·L-1的條件下，C6H6去除率為65.0％-99.5％，總體積傳質(zhì)系數(shù)為0.0157-0.08412s-1；膜吸收工藝在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)具有較高的穩(wěn)定

5、性和可操作性；傳質(zhì)阻力模型值與實(shí)驗(yàn)值符合較好，能夠較好的反映膜吸收傳質(zhì)過程，在實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)值與模型計(jì)算值之間的平均誤差為7.9％，最大誤差為20.2％；通過對(duì)傳質(zhì)阻力計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在NFM水溶液吸收C6H6的體系中，液相傳質(zhì)阻力占總傳質(zhì)阻力的99％以上，氣相阻力與膜相阻力可忽略不計(jì)，傳質(zhì)過程主要受液膜控制。
　　 在雙膜理論的基礎(chǔ)上建立了氣相在中空纖維膜管程流動(dòng)的膜吸收過程的非線性微分方程，提出了微分方程的數(shù)值求解方法；在非潤濕

6、條件下，模擬了C6H6在膜絲管程及膜孔內(nèi)的傳質(zhì)過程，求解出組分在管程及膜孔內(nèi)的濃度分布，預(yù)測傳質(zhì)相關(guān)系數(shù)，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：對(duì)不同氣、液流量條件下膜吸收凈化含苯廢氣效率進(jìn)行模擬，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為1.81％；吸收速率模型值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為1.9％，總傳質(zhì)系數(shù)模型值與實(shí)驗(yàn)值平均誤差為12.16％。模型可以較準(zhǔn)確地描述中空纖維膜吸收C6H6的過程，可作為膜吸收技術(shù)工業(yè)放大的理論依據(jù)。
　　 在相

7、同的操作條件下，比較了膜吸收與傳統(tǒng)的傳質(zhì)設(shè)備填料塔的傳質(zhì)特性和傳質(zhì)性能，結(jié)果表明：通過吸收劑流量、進(jìn)口氣流量、進(jìn)口氣濃度及吸收劑NFM體積分?jǐn)?shù)對(duì)兩種裝置的凈化效果的影響，膜吸收的吸收效率和總體積傳質(zhì)系數(shù)KGa值高于填料塔；膜吸收過程中的傳質(zhì)單元高度HTUG(the height of a transfer units)值明顯低于填料塔的HTUG值。膜接觸器與傳統(tǒng)的傳質(zhì)設(shè)備相比具有自身獨(dú)特的傳質(zhì)特性，這些獨(dú)特的傳質(zhì)特性使膜接觸器具有比傳統(tǒng)