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《天津大学》 2004年 博士论文
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分离丙烯中微量水分复合膜的制备及渗透行为研究

王洪军  
【摘要】:聚合级丙烯对其水含量有苛刻的要求。传统的丙烯脱水技术是分子筛吸附 法,存在着设备复杂、能耗高、污染环境等弊病。开展蒸气渗透膜法丙烯脱水的 基础研究不但在研制蒸气渗透脱水膜和探讨渗透机理等方面有所进展,而且为开 辟丙烯脱水工业应用的新途径奠定了基础。 本论文以采用蒸气渗透法脱除丙烯中微量水分为目标,制备了 PVA/PS、 CS/PS、PVA-CS/PS 中空纤维复合膜;研究了可凝性轻烃蒸气中的微量水分在复 合膜、非对称膜中的渗透行为,建立了描述丙烯气相脱水的数学模型,并进行了 模拟计算;深入探讨了水蒸气在交联 PVA 致密膜中的渗透机理。 选用聚砜中空纤维超滤膜作为复合膜的基膜,基膜的热处理温度应小于 120 ℃,在丙烯脱水过程中,基膜只起支撑作用,其本身几乎没有分离效果,起分离 作用的是基膜表面的活性层。电镜分析结果表明活性层与多孔支撑层的结合紧 密,活性层的厚度均匀,在 10μm 以内。 考察了制膜液浓度,交联剂种类和用量,热交联温度和交联时间等因素对复 合膜蒸汽渗透性能的影响,通过大量实验得到了较适宜的制膜配方和制膜条件。 还考察了原料气的湿含量,压力,流速,温度,吹扫气流速等操作参数对PVA/PS、 CS/PS、PVA-CS/PS复合膜和PI不对称膜蒸气渗透性能的影响。通过比较三种自 制的复合膜和商用PI不对称空气脱湿膜的丙烯脱水膜分离性能认为:PVA-CS/PS 共混中空纤维复合膜具有最好的蒸气渗透性能,其分离因子为 1.18×105,水的 渗透通量为 34.8g/m2h,是较适宜的丙烯脱水蒸气渗透分离膜。 采用重量吸收法测定了不同活度下水蒸气在交联 PVA 膜中的动态吸附数据, 建立了描述水蒸气在交联 PVA 膜中的渗透机理模型。探讨了水分子在膜内的成簇 迁移现象,验证了团簇的存在并计算出团簇的尺寸。将模型计算值与蒸气渗透实 验值进行比较,两者具有相同的数量级,说明建立在动态吸附实验数据基础上的 渗透机理模型能够较好地描述水蒸气在亲水性 PVA 致密膜的渗透行为。 对采用自制 PVA-CS/PS 中空纤维膜组件的蒸气渗透法脱除丙烯中微量水分 的工艺过程,建立了逆流设计型数学模型。考察了不同操作条件和分离要求下所 需的膜面积,优化了操作因素,为工业蒸气渗透装置的设计参数和操作参数的优 选提供理论依据。并提出了该工艺实施工业应用的设想。


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