膜吸收工艺中膜结构变化及其传质过程研究

摘要

膜基气体吸收法脱除CO2气体是目前最有效的方法之一.本工作以气液传质理论为基础,围绕CO2气体的脱除,以膜吸收工艺中溶液对膜的影响为主线,针对不同性质的吸收剂溶液对膜结构影响及其传质过程进行了研究。本论文主要工作有以下几个方面:
　　 1)本研究选择乙醇胺MEA、氨基乙酸钾GLY和离子液[Bmin]BF4溶液以及水,通过浸渍实验表征分析了不同组分吸收剂对膜表面化学组分、结构和形态的变化。膜溶胀率会随溶液浓度升高、浸渍温度上升及时间的延长而增大:不同性质溶液对聚丙烯膜溶胀的影响程度不同；同时,[Bmin]BF4与MEA溶液对膜表面化学组成产生较大的影响。
　　 2)采用聚丙烯中空纤维膜接触器作为膜吸收反应器,对磷酸盐与硼酸盐活化复合吸收剂捕集CO2的性能进行了评价。氨基酸盐基无机盐活化复合吸收剂对CO2的捕集作用大于单一的氨基酸盐吸收剂,且少量活化剂就能在氨基酸盐溶液中发挥活化作用；建立一个用于描述膜接触器中复合吸收剂传质的数学模型,模型计算值与实验值有良好的一致性。
　　 3)对氨基酸盐复合吸收剂进行物性实验测定。浓度一定时,吸收剂溶液密度和粘度随温度升高而减小；密度随活化剂浓度的增加而减小；粘度在低浓度时的变化率要高于高浓度时,但其在活化剂浓度增高时变化并不大；溶液表面张力随活化剂浓度的增加而成线性减小；以复合吸收剂的物性数据用温度与活化剂浓度作为函数进行了数据拟合。实验值与计算值都有良好的一致性。
　　 4)对二乙醇胺DEA及其复合吸收剂的CO2负载液进行了再生评价。同一溶液在同一操作温度下,其再生效率随气速和液速的增大而增大,且随液速增大的变化要比气速的显著；氨基酸离子液活化复合吸收剂的再生效率要明显高于DEA吸收剂溶液；DEA吸收剂与复合吸收剂的再生效率都随着温度的升高而增大。
　　 5)利用气体渗透法对膜孔隙率进行分析,膜孔隙率在溶液中随浸渍时间和温度的增大而增大；各溶液对膜孔隙率的影响大小与对膜溶胀率的影响不同。膜孔隙率受膜孔形变扩大和溶胀这两种作用共同影响；建立新型的预测数学模型,模型较准确地预测了膜孔隙率在浸渍液中的变化趋势。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 膜基气体吸收技术及其特点

1.3 膜材料

1.4 吸收剂的选择

1.5 膜基气体吸收传质过程

1.6 膜基吸收过程影响因素

1.6.1 两相流速的影响

1.6.2 两相压差△P的影响

1.6.3 膜孔径的影响

1.6.4 膜厚度及曲折因子的影响

1.6.5 膜孔隙率的影响

1.7 膜基气体吸收CO2技术进展

1.8 主要研究内容

第二章 溶液对聚丙烯膜表面结构和形态的影响

2.1 前言

2.2 理论

2.2.1 溶胀原理

2.3 实验部分

2.3.1 试剂与材料

2.3.2 实验方法

2.4 结果与讨论

2.4.1 溶液对疏水性PP膜产生的溶胀影响

2.4.2 温度对膜溶胀率的影响

2.4.3 溶液化学组分对膜表面化学组成的影响

2.5 结论

第三章 氨基酸盐基复合溶液吸收CO2

3.1 前言

3.2 理论

3.2.1 反应机制

3.2.2 膜接触器传质机理

3.2.3 数学模型

3.3 实验部分

3.3.1 实验装置及流程

3.3.3 实验数据处理

3.4.结果与讨论

3.4.1 磷酸盐与硼酸盐作为活化剂对脱除率和传质通量的影响

3.4.2 活化剂浓度对传质通量的影响

3.4.3 数学模型验证传质

3.4.4 气相中CO2浓度对传质的影响

3.4.5 复合吸收剂与膜接触器的兼容性及稳定性考察

3.5 结论

第四章 氨基酸盐基复合溶液密度、粘度和表面张力的测定

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验材料

4.2.2 实验原理、仪器、装置和步骤

4.3 仪器校正及误差分析

4.4 结果与讨论

4.4.1 温度对复合吸收剂密度的影响

4.4.2 温度对复合吸收剂粘度的影响

4.4.3 活化剂浓度对吸收剂表面张力的影响

4.5 结论

第五章 有机醇胺及其复合吸收剂的再生评价

5.1 引言

5.2 理论部分

5.2.1 膜再生法机理

5.3 实验部分

5.3.1 实验原料

5.3.2 实验装置及其操作

5.3.3 分析方法和实验数据处理

5.4 结果与讨论

5.4.1 气相流速对再生的影响

5.4.2 液相流速对再生的影响

5.4.3 不同种类活化剂对再生的影响

5.4.4 加热不同温度对再生的影响

5.5 结论

第六章 多孔膜有效孔隙率预测数学模型

6.1 引言

6.2 理论部分

6.2.1 固体表面湿润原理

6.2.2 双膜理论

6.3 新数学模型的建立

6.4 实验部分

6.4.1 实验材料

6.4.2 实验装置

6.4.3 分析方法

6.5 结果与讨论

6.5.1 溶液对膜表面结构的影响

6.5.2 不同溶液对膜表面结构的影响

6.5.3 浸渍温度对膜孔隙率的影响

6.7 结论

第七章 结论

7.1 本文所得结论

7.2 本文创新点

致谢

参考文献

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