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文檔簡介
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成為越來越迫切需要解決的問題。膜分離技術(shù)具有設(shè)備簡單,成本低、能耗小、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),近些年來受到了人們的關(guān)注。然而膜分離過程的理論研究工作并沒有及時跟上上述工業(yè)化快速發(fā)展的需要。近二十年來的研究工作主要集中于氣體通過玻璃膜的傳質(zhì)過程;或
2、只是測定一些不凝氣體在橡膠膜中的滲透系數(shù);對膜分離性能的研究也多集中于二組分不凝性氣體。
本論文針對該領(lǐng)域上述研究工作的不足開展工作,選擇最具工業(yè)應(yīng)用前景的PDMS膜為研究對象。首先從熱力學(xué)上解決氣體組分溶解于PDMS膜的熱力學(xué)問題,探尋活度系數(shù)的計算方法;在此基礎(chǔ)上進(jìn)行組分在PDMS膜中傳質(zhì)過程的機(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.利用時間延遲法測定了氮?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,利用實驗得到的溶解度系數(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大氣壓,塑化作用明顯),綜合時間延遲法和溶解平衡法,提出了測定可凝性氣體在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)的新方法。通過這種方法,測定了
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.通過分析氣體在膜中的溶解和擴(kuò)散過程,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)測氣體透過PDMS膜的過程。通過比較各模型對于不同氣體混合物的計算結(jié)果,分析了它們在預(yù)測結(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)和濃差極化對分離效果的影響。同時,對基于不同溶解擴(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。
研究結(jié)果表明:對于非可凝性氣體,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。對于不同模
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