滲透汽化-兩級冷凝回收高純度糠醛及吸附擴(kuò)散行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、分離提純是糠醛生產(chǎn)過程中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而從水解液中分離糠醛的傳統(tǒng)技術(shù)一般都是能耗密集型技術(shù)，而且往往會對環(huán)境造成污染。目前，滲透汽化作為一種新興的節(jié)能環(huán)保型技術(shù)受到了越來越多的關(guān)注。為了更高效地分離回收糠醛，我們對滲透汽化進(jìn)行工藝改進(jìn)，將其與兩級冷凝耦合起來。并通過ASPEN工程模擬軟件來分析其熱力學(xué)機(jī)理。由于分子模擬技術(shù)可以更深入的研究膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為滲透汽化實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供微觀分子尺度上的分析。因此，通過分子模擬來研究滲透汽化分離機(jī)

2、理。
　　吸附實(shí)驗(yàn)證實(shí)了實(shí)驗(yàn)所制備的 PEBA-2533膜對水溶液中的糠醛具有超強(qiáng)的吸附選擇性。利用它通過滲透汽化來分離回收水溶液中的糠醛，分別考察了膜厚、原料液糠醛濃度以及原料液溫度的影響。通過所計(jì)算的滲透活化能來判斷，發(fā)現(xiàn)吸附過程是整個(gè)滲透汽化分離過程的控制步驟。相比于糠醛滲透通量，膜厚對水的滲透通量影響更大。隨著原料液溫度的升高，滲透通量呈升高趨勢，分離因子呈下降趨勢，而溫度與滲透通量的關(guān)系遵從阿倫尼烏斯定率。PEBA-25

3、33膜不但具有較高的總滲透通量，而且滲透濃度也很高，體現(xiàn)了良好的滲透汽化分離性能。采用ASPEN ONE V7.1軟件成功地模擬預(yù)測了將膜材料的優(yōu)秀分離性能和后續(xù)分級冷凝工藝耦合到一起的PVFC工藝體系。通過PVFC體系，直接在第一個(gè)冷凝管中回收到了高純度糠醛。發(fā)現(xiàn)第一個(gè)冷凝管的溫度對經(jīng) PEBA-2533膜滲透過來的糠醛蒸汽在兩個(gè)冷凝管中的分布有很大的影響。在70 ℃條件下，當(dāng)原料液濃度為6 wt％的時(shí)候，第一個(gè)冷凝管的最佳溫度為-1

4、2oC。此時(shí)純度為99.98 wt%的糠醛以通量為711g/m2?h的速度被連續(xù)回收。
　　運(yùn)用Materials Studio6.0成功構(gòu)建了PEBA-2533鏈段模型，并通過玻璃化轉(zhuǎn)化溫度和聚合物密度證實(shí)了所建模型和 COMPASS力場的合理性。采用分子動(dòng)力學(xué)法來模擬研究滲透汽化過程中PEBA-2533膜內(nèi)部自由體積形態(tài)以及糠醛分子和水分子在膜中的溶解擴(kuò)散行為。通過吸附模擬發(fā)現(xiàn)原料液中的糠醛分子會向膜表面遷移，而水分子則一直均

5、勻分散在溶液中，說明糠醛與PEBA-2533具有更強(qiáng)的親和力。通過分析FAV曲線，F(xiàn)CV曲線以及MSD曲線來研究原料液濃度和溫度對膜結(jié)構(gòu)的影響。發(fā)現(xiàn)原料液濃度越高，膜鏈段運(yùn)動(dòng)性越強(qiáng)，內(nèi)部有效自由體積分?jǐn)?shù)越高。而且供組分分子擴(kuò)散的孔道由窄變寬，更有利于滲透分子的擴(kuò)散。盡管原料液溫度升高提高了膜鏈段的運(yùn)動(dòng)性，但同時(shí)膜的溶脹度也會降低，因此反而導(dǎo)致了膜中有效自由體積在變少，擴(kuò)散孔道開始由寬變窄。但由于溫度升高的時(shí)候，會大大加劇分子的熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)