甲醇与异丙醇精馏分离中中空纤维膜结构填料及其传质的研究

发布时间：2017-10-29 14:32

  本文关键词：甲醇与异丙醇精馏分离中中空纤维膜结构填料及其传质的研究

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【摘要】：中空纤维膜接触器由于比表面积大和气相、液相相对独立运行无液泛限制等优点,被应用于传质分离中。中空纤维膜作为结构填料用于精馏分离过程中,比常规填料具有更高的效率。本论文采用中空纤维膜接触器进行甲醇/异丙醇混合液的精馏分离,这对于中空纤维膜接触器在醇类体系中的应用具有指导意义。首先从精馏塔顶馏出液浓度χD、等板高度HETP和总传质系数KG三个方面比较了聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚砜(PS)和聚四氟乙烯(PTFE)四种中空纤维膜膜结构填料精馏分离甲醇与异丙醇溶液,实验结果表明：在相同的进料浓度条件下,PVDF的塔顶馏出液浓度比其他的高,分离效果最好；等板高度HTEP的大小顺序为PVDFPPPSPTFE,且均小于常规填料的HETP值,说明膜结构填料比传统填料的效能更高；就总传质系数KG来看,PVDF,PTFE和PS的相近,且均大于PP的。综上,PVDF膜结构填料比较适合精馏分离甲醇与异丙醇溶液。其次,研究了四种中空纤维膜的材料与被分离体系的兼容性以及其微观结构对精馏分离甲醇与异丙醇体系效果的影响,实验结果表明：PVDF膜与甲醇／异丙醇体系相容性最好,操作和传质更稳定；除了PVDF和PTFE膜,其他膜的微观结构都发生了一定的改变,PTFE中空纤维膜的溶胀度最小,PVDF的溶胀度其次,其溶胀行为会影响精馏的传质过程。再次,研究了四种填充分率的PVDF中空纤维膜接触器精馏分离甲醇与异丙醇溶液体系,实验结果表明：各种填充分率的膜接触器塔顶馏出液浓度均随着气速的增大而降低,且填充分率大的膜接触器的塔顶馏出液浓度高于填充分率小的；在实验范围内,传质单元高度HTU随着填充分率的增大而减小,传质效率提高；四种填充分率的壳程气相传质阻力均随气相负荷因子凡增大而减小,且填充分率高的壳程气相传质阻力较大；四种填充分率的管程液相传质阻力均随FG增大而减小,四种填充分率的管程液相阻力基本一致。四种填充分率的膜接触器气相传质阻力百分数随着FG的增大而减小,液相传质阻力的百分数随着FG的增大基本不变,膜相传质阻力的百分数随着FG的增大而增大；四种填充分率的总传质系数均随壳程气相速度的增大而增大,总传质系数的理论值与实验值基本接近。最后考察了PVDF中空纤维膜在70℃温度下甲醇／异丙醇溶液中的耐用稳定性,用扫描电子显微镜(SEM)、热重分析(TGA)、示差扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(FT-IR)和动态力学分析(DMA)进行了测试分析,实验结果表明：PVDF经过70℃下不同时间甲醇与异丙醇溶液中的浸泡,其精馏分离性能、微观结构、结晶类型和机械性能没有明显变化。
【关键词】：膜材料 甲醇/异丙醇 膜结构填料 溶胀 填充分率 老化
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ051.893
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-20
• 第一章 文献综述20-32
• 1.1 膜分离技术概述20
• 1.2 中空纤维膜接触器20
• 1.3 中空纤维膜接触器增强传质的探索20-23
• 1.4 填充分率对传质过程的影响研究23
• 1.5 膜材料与分离体系23-25
• 1.6 填料25-26
• 1.7 中空纤维膜膜结构填料的研究应用26
• 1.8 中空纤维膜结构填料基本原理26-29
• 1.8.1 质量平衡和传质方程27-28
• 1.8.2 气相和液相负荷28-29
• 1.8.3 临界穿透压力29
• 1.9 醇/醇分离技术29-30
• 1.9.1 甲醇/异丙醇分离常规工艺29-30
• 1.9.2 利用膜接触器的精馏操作30
• 1.10 本论文研究意义30-32
• 第二章 四种中空纤维膜膜结构填料精馏分离甲醇与异丙醇体系的研究32-48
• 2.1 引言32
• 2.2 理论部分32-35
• 2.2.1 气液相平衡32-33
• 2.2.2 传质单元高度33-34
• 2.2.3 气相总传质系数34-35
• 2.2.4 气相总传质系数35
• 2.3 实验部分35-43
• 2.3.1 实验试剂35-36
• 2.3.2 实验材料36
• 2.3.3 实验仪器36-37
• 2.3.4 气相色谱的校正因子37-38
• 2.3.5 恒流蠕动泵的体积流量的标定38-39
• 2.3.6 中空纤维膜接触器的制作39-41
• 2.3.7 实验流程41-42
• 2.3.8 实验操作步骤42-43
• 2.4 实验结果与分析43-46
• 2.4.1 塔顶馏出液浓度随壳程气相速度的变化关系43-44
• 2.4.2 等板高度随气体速度的变化44-45
• 2.4.3 总传质系数随气体速度的变化45-46
• 2.5 本章小结46-48
• 第三章 中空纤维膜的材料特性和微观结构对甲醇和异丙醇精馏分离的影响48-60
• 3.1 引言48
• 3.2 理论部分48-49
• 3.2.1 Hildebrand溶解度参数理论48-49
• 3.2.2 溶胀度49
• 3.3 实验部分49-51
• 3.3.1 实验试剂49
• 3.3.2 实验材料49
• 3.3.3 实验仪器49-50
• 3.3.4 扫描电镜(SEM)测定横截面和表面结构50
• 3.3.5 溶胀的测定50-51
• 3.4 实验结果与讨论51-58
• 3.4.1 中空纤维膜的材料特性对甲醇和异丙醇精馏分离的影响51
• 3.4.2 中空纤维膜的微观结构对甲醇和异丙醇精馏分离的影响51-57
• 3.4.3 中空纤维膜在甲醇和异丙醇精馏分离中溶胀的影响57-58
• 3.5 本章小结58-60
• 第四章 填充分率对精馏分离甲醇/异丙醇体系的影响研究60-72
• 4.1 引言60
• 4.2 传质理论60-63
• 4.2.1 管程传质61-62
• 4.2.2 壳程传质62-63
• 4.2.3 膜相传质63
• 4.3 实验研究63-64
• 4.4 实验结果与讨论64-70
• 4.4.1 填充分率对中空纤维膜接触器的精馏分离效果的影响64-65
• 4.4.2 填充分率对中空纤维膜结构填料的精馏过程质量传递的影响65-70
• 4.5 本章小结70-72
• 第五章 PVDF在精馏分离甲醇与异丙醇体系中的老化研究72-86
• 5.1 引言72
• 5.2 理论部分72-73
• 5.3 实验部分73-74
• 5.3.1 主要实验仪器73-74
• 5.3.2 实验材料74
• 5.4 实验结果分析74-84
• 5.4.1 精馏分离性能74-76
• 5.4.2 微观结构表征分析(SEM)76-79
• 5.4.3 示差扫描量热(DSC)分析79-80
• 5.4.4 热重分析(TGA)分析80
• 5.4.5 X射线衍射(XRD)分析80-81
• 5.4.6 红外光谱(FT-IR)分析81-82
• 5.4.7 动态力学分析(DMA)分析82-84
• 5.5 本章小结84-86
• 第六章 结论86-88
• 6.1 研究结论86-87
• 6.2 本研究的创新点87-88
• 参考文献88-92
• 致谢92-94
• 研究成果及发表论文94-96
• 作者及导师简介96-98
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书98-99

【参考文献】

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本文编号：1113418