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《南京理工大学》 2010年
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膜吸收净化含苯废气及其传质性能的研究

李睿  
【摘要】: 本文以含苯废气作为研究体系,开展了膜吸收工艺在VOCs净化领域的研究,研究内容主要包括工艺性能研究和传质理论研究。工艺性能研究方向主要围绕工艺参数的优化、膜材质与吸收剂的兼容性研究等方面展开。传质理论方向则以双膜理论为基础,结合传质阻力方程,建立了传质微分模型,模拟膜吸收传质过程,预测传质相关系数。同时,对减压膜蒸馏工艺再生吸收剂性能也进行了初步的研究,建立了膜吸收-减压膜蒸馏新型组合工艺。 首先,根据膜吸收工艺的特点、吸收剂循环利用以及与膜材质的兼容性等因素,结合传统吸收工艺对VOCs吸收剂的要求,对含苯废气吸收剂进行筛选,最终选取工业用于芳烃提纯的N-甲酰吗啉(NFM, n-Formyl morpholine)水溶液作为吸收剂,测定了不同浓度的NFM水溶液的密度、粘度、表面张力和亨利定律常数(苯)等物性参数,通过线性拟合得到不同条件下物性常数的计算公式;采用扫描电镜观察了使用前后膜表面形态的变化,结果表明:NFM水溶液具有较高的表面张力,难以湿润有机高分子膜表面,能与有机高分子膜很好地兼容,有效的避免了因膜孔润湿带来的膜相传质阻力增大对传质过程的影响,该溶液是膜吸收良好的吸收剂。 设计并搭建了膜吸收-减压膜蒸馏组合工艺装置,以亲水性有机溶剂NFM水溶液为吸收剂,疏水性多孔聚丙烯中空纤维膜组件为气、液膜接触器,在实验装置上开展了膜吸收净化含苯废气性能的研究:分析了气、液流量、吸收剂温度、吸收剂浓度和进口气中苯初始浓度等操作条件对去除率和传质系数的影响;采用传质阻力方程对总传质系数进行模拟计算,并将模型值与实验值进行对比;同时计算了传质过程中的传质阻力,研究了气液传质过程的控制因素,结果表明:膜吸收净化含苯废气具有较高的传质效率,在NFM体积分数为40%,吸收剂流量20-100 mL·min-1,进口气流量40-300 mL-min-1,进口气浓度10.2 mg·L-1的条件下,C6H6去除率为65.0%-99.5%,总体积传质系数为0.0157-0.08412 s-1;膜吸收工艺在实验时间内具有较高的稳定性和可操作性;传质阻力模型值与实验值符合较好,能够较好的反映膜吸收传质过程,在实验条件下,实验值与模型计算值之间的平均误差为7.9%,最大误差为20.2%;通过对传质阻力计算发现,在NFM水溶液吸收C6H6的体系中,液相传质阻力占总传质阻力的99%以上,气相阻力与膜相阻力可忽略不计,传质过程主要受液膜控制。 在双膜理论的基础上建立了气相在中空纤维膜管程流动的膜吸收过程的非线性微分方程,提出了微分方程的数值求解方法;在非润湿条件下,模拟了C6H6在膜丝管程及膜孔内的传质过程,求解出组分在管程及膜孔内的浓度分布,预测传质相关系数,并将模拟结果与实验结果进行了对比,结果表明:对不同气、液流量条件下膜吸收净化含苯废气效率进行模拟,模型计算值与实验值平均误差为1.81%;吸收速率模型值与实验值平均误差为1.9%,总传质系数模型值与实验值平均误差为12.16%。模型可以较准确地描述中空纤维膜吸收C6H6的过程,可作为膜吸收技术工业放大的理论依据。 在相同的操作条件下,比较了膜吸收与传统的传质设备填料塔的传质特性和传质性能,结果表明:通过吸收剂流量、进口气流量、进口气浓度及吸收剂NFM体积分数对两种装置的净化效果的影响,膜吸收的吸收效率和总体积传质系数KGa值高于填料塔;膜吸收过程中的传质单元高度HTUG (the height of a transfer units)值明显低于填料塔的HTUG值。膜接触器与传统的传质设备相比具有自身独特的传质特性,这些独特的传质特性使膜接触器具有比传统的传质设备等更好的应用潜力和市场。 最后,采用减压膜蒸馏(VMD, vacuum membrane distillation)工艺再生吸收剂,实现吸收剂的循环利用,疏水性聚丙烯中空纤维膜为再生膜接触器,研究了减压膜蒸馏过程中,各操作参数对吸收剂再生性能的影响。实验结果表明减压膜蒸馏技术对含苯NFM水溶液具有较高的再生效率和传质通量。减压膜蒸馏具有体积小,再生效率高,能耗少和膜通量高等优点。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:X701

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