PDMS膜分离气体混合物的传质机理及模型化

【摘要】随着现代工业的发展,在工业生产中产生的大量二氧化碳以及挥发性有机蒸汽(VOCs)被排放到环境中。这些废气的排放一方面造成了严重的环境污染,另一方面也浪费了大量的能源。如何回收废气中的二氧化碳和VOCs成为越来越迫切需要解决的问题。膜分离技术具有设备简单,成本低、能耗小、无二次污染等优点,近些年来受到了人们的关注。然而膜分离过程的理论研究工作并没有及时跟上上述工业化快速发展的需要。近二十年来的研究工作主要集中于气体通过玻璃膜的传质过程；或只是测定一些不凝气体在橡胶膜中的渗透系数；对膜分离性能的研究也多集中于组分不凝性气体。本论文针对该领域上述研究工作的不足开展工作,选择最具工业应用前景的PDMS膜为研究对象。首先从热力学上解决气体组分溶解于PDMS膜的热力学问题,探寻活度系数的计算方法；在此基础上进行组分在PDMS膜中传质过程的机理和模型化研究。最后,将传质研究的结果用于分析卷式膜组件的分离性能。论文工作的具体内容包括：1.利用时间延迟法测定了氮气、甲烷和二氧化碳在不同温度和压力下在PDMS膜中的溶解度系数和扩散系数。然后,利用实验得到的溶解度系数和相平衡方程求出在这些组分在PDMS膜中的活度系数。最后,利用非线性拟合的方法得到了这些气体与膜的相互作用参数。2.根据可凝性气体的特性(饱和蒸汽压小于一个大气压,塑化作用明显),综合时间延迟法和溶解平衡法,提出了测定可凝性气体在PDMS膜中的溶解度系数和扩散系数的新方法。通过这种方法,测定了正戊烷、正己烷和正庚烷在PDMS膜中的溶解度系数和扩散系数,并得到了UNIQUAC方程中这些气体与PDMS膜的相互作用参数。3.通过分析气体在膜中的溶解和扩散过程,研究了FICK-HENRY(F-H),FICK-UNIQUAC(F-U)和MS-UNIQUAC(MS-U)三种组合模型用于预测气体透过PDMS膜的过程。通过比较各模型对于不同气体混合物的计算结果,分析了它们在预测结果的差异及原因所在,并确定了三种模型的适用范围。4.利用N-S方程并结合F-H组合模型,建立了适用于具有工业应用前景的卷式膜组件数学模型。通过求解该模型,分析了卷式膜组件结构参数和浓差极化对分离效果的影响。同时,对基于不同溶解扩散方程(MS-U和F-H)的卷式膜组件模型的模拟结果进行了对比,确定了不同模型的适用体系。最后,基于MS-U模型的卷式膜组件模型,对于不同操作条件下气体混合物在卷式组件中的分离效果进行了预测。研究结果表明：对于非可凝性气体,其相同的压力和温度下,组份在PDMS膜中的溶解度系数和渗透系数大小与其临界温度一致；组份的扩散系数相差不大。而同种组份的渗透系数和扩散系数均不随压力变化,而随着温度的上升而上升；溶解度系数随着温度的上升而下降。对于可凝性气体,组份的溶解度系数和渗透系数大小也与其临界温度一致；组份的扩散系数与其临界温度相反。同种组份的渗透系数和溶解度系数均随着压力的上升而上升,随着温度的下降而下降；扩散系数随着压力变化不大,随着温度的上升而上升。对于不同模型组合的模拟结果表明：对于非可凝性气体混合物,三种模型均具有较好的预测效果；对于可凝性气体混合物,MS-U模型具有最好的模拟效果。对于卷式膜组件的模拟结果表明：卷式膜组件结构对于气体分离过程影响不大,浓差极化并不明显。对于可凝性气体混合物只能使用MS-U模型。
【作者】林东杰；
【导师】丁忠伟；
【作者基本信息】北京化工大学，化学工程与技术，2012，博士
【关键词】PDMS；UNIQUAC；MS；卷式膜组件；扩散系数；溶解度系数；

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