新型膜材料在滲透汽化過程中的性能測定及其相關(guān)過程計算.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、操作溫度相對較低和操作方便等優(yōu)點,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。滲透汽化實驗裝置是目前實驗研究中最常用的測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)過程機理,從而為膜過程設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)。本文從實驗和模型理論兩方面對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)滲透汽化實驗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,并通過溶脹浸泡實驗得到幾種溶劑在該材料中的平衡吸附量。從滲透汽化實驗結(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為: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散模型結(jié)合自由體積模型計算不同溫度下的各溶劑的滲透通量,模擬計算數(shù)據(jù)與滲透實驗數(shù)據(jù)

4、基本吻合。對比孔流模型和溶解擴散模型,孔流模型物理意義不夠清晰,但計算過程簡潔,結(jié)果精度較高。溶解擴散模型引入自由體積理論計算擴散系數(shù),其參數(shù)物理意義更加明確,但是它的計算過程相對復(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型親有機物薄膜,并結(jié)合吸附溶脹實驗和熱力學(xué)平衡理論計算考察乙酸

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為: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,但計算結(jié)果基本保持一致。
　　 實驗考察不同溫度和進料濃度用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,但是溫度對于滲透側(cè)濃度以及分離因子無影響;而進料濃度對于滲透通量和分離因子都有影響,即進料濃度增大,有機物滲透通量和滲透物濃度增大,但是分離因子反而降低。對于

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

8、的PEBA膜對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)動力學(xué)、滲透汽化傳質(zhì)動力學(xué)和物料守恒原理,推導(dǎo)出一個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式的參數(shù)可以通過回歸擬合文獻中的二元混合物滲透汽化實驗數(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基團貢獻法計算相應(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