中空纤维膜接触器用于乙醇/水体系精馏性能的研究

摘要

中空纤维膜接触器由于其优异的传质分离性能，在近几十年中发展十分迅速。在各类应用中空纤维膜接触器的分离技术中，膜精馏作为一种新型的化工分离操作，现已成为广大研究者瞩目的焦点。然而，影响其精馏分离效率和气液传质性能的因素较多，并且在理论研究和实验探索方面都不够完善，使得中空纤维膜接触器在精馏分离中的应用受到限制。 本课题以乙醇/水体系的精馏分离为研究对象，对中空纤维膜接触器的分离效果和气液传质性能进行研究。在膜组件的制备过程中，选择最优的膜材料、装填分率并且通过改变膜组件的构型来达到强化传质效果的目的。 研究了膜材料的种类对分离效果和传质性能的影响。分别选取三类膜材料:聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)及聚砜(PS)，制作相同装填分率的膜组件进行对比。结果表明:PVDF膜和PP膜的分离效果比较接近且明显优于PS膜2-3倍;PVDF膜在该精馏体系的传质性能方面更优于PS膜和PP膜;三种膜材料的分离效果和传质性能，都远远优于常规的传统填料，其中PVDF膜更适宜作为乙醇/水体系精馏分离的膜结构填料。 研究了三种膜材料在膜精馏中的溶胀作用，对比PVDF、PP、PS膜材料在溶胀前后的膜形态以及外形尺寸的变化，进一步探讨三种膜材料对于本实验体系的适用性。结果表明:三种中空纤维膜的内部孔道和内、外表面结构都发生了一定程度的形变，会对传质和操作稳定性产生一定影响;PS和PVDF膜的溶胀变化率略高于PP膜;综合比较，PVDF膜受溶胀作用影响更小，具有更好的操作稳定性。 研究了PVDF中空纤维膜接触器装填分率的差异对分离效果和传质性能产生的影响，并探讨各分传质阻力的相对大小。结果表明:不同装填分率的中空纤维膜接触器，随着装填分率的减小，壳程膜丝分布更加均匀，传质阻力减小，传质性能提高;乙醇/水体系的精馏传质过程为液膜控制，可通过控制液相传质来改善总传质效果;当装填分率一定时，随着气相速度的增加，总传质系数增大，传质性能增强，且其实际值与理论值存在差异。 采用缠绕式PVDF中空纤维膜接触器强化精馏传质过程，研究了缠绕角对其分离效果和传质性能的影响，并与平直式膜组件进行对比。结果表明:在相同膜面积的条件下，各种缠绕角的缠绕式膜组件的分离效果和传质性能都优于传统的平直式膜组件;膜组件的精馏分离效果随着缠绕角的减小而逐渐增大;在缠绕角和装填分率的共同作用下，缠绕角为45°的膜组件传质性能最优，缠绕角小于45°的膜组件传质性能优于缠绕角大于45°的膜组件。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 文献综述

1．1 中空纤维膜接触器的研究简史

1．2 中空纤维膜接触器的科研成果

1．2．1 中空纤维膜接触器的理论探索

1．2．2 中空纤维膜接触器的实验探索

1．3 中空纤维膜接触器的实际应用

1．4 强化传质的研究

1．4．1 操作方式

1．4．2 膜组件构型

1．4．3 膜的改性

1．5 膜精馏的研究

1．6 本论文工作的目的和意义

第二章 不同膜材料精馏分离乙醇／水体系的研究

2．1 引言

2．2 理论部分

2．2．1 传质单元数与传质单元高度

2．2．2 实验总传质系数

2．3 实验部分

2．3．1 膜材料、试剂与实验设备

2．3．2 膜组件的制作

2．3．3 乙醇溶液摩尔分数-折光率关系曲线图的标定

2．3．4 泵转速与液体体积流量关系的标定

2．3．5 实验流程

2．3．6 操作步骤

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 塔顶馏出液浓度随气相流速的变化关系

2．4．2 传质单元高度随气相负荷因子的变化关系

2．4．3 实际总传质系数随气速的变化关系

2．5 本章小结

第三章 不同膜材料在精馏分离中的溶胀作用的研究

3．1 引言

3．2 理论部分

3．3 实验部分

3．3．1 主要实验仪器

3．3．2 测量膜溶胀长度

3．3．3 扫描电子显微镜(SEM)分析

3．3．4 测量膜外经和膜厚

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 膜形态变化

3．4．2 膜外形尺寸变化

3．5 本章小结

第四章 平直式PVDF中空纤维膜接触器精馏分离乙醇／水体系的研究

4．1 引言

4．2 理论部分

4．2．1 分传质系数

4．2．2 理论总传质系数与阻力分析

4．3 实验部分

4．3．1 膜组件的制作

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 塔顶馏出液浓度随气相流速的变化关系

4．4．2 传质单元高度随气相负荷因子的变化关系

4．4．3 实际总传质系数随气速的变化关系

4．4．4 分传质阻力对总传质阻力的贡献

4．4．5 总传质系数的理论值与实验值的比较

4．4．6 气液壳程交换

4．5 本章小结

第五章 缠绕式PVDF中空纤维膜接触器精馏分离乙醇／水体系的研究

5．1 引言

5．2 理论部分

5．2．1 缠绕式膜组件管内的Dean二次流

5．2．2 缠绕角

5．3 实验部分

5．3．1 膜组件的制作

5．4 实验结果与讨论

5．4．1 塔顶馏出液浓度随气相流速的变化关系

5．4．2 传质单元高度随气相负荷因子的变化关系

5．4．3 实际总传质系数随气速的变化关系

5．5 本章小结

第六章 结论

6．1 研究结论

6．2 本文工作的主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

致谢

研究成果及发表论文

作者及导师简介