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《浙江大学》 2002年
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超临界流体辅助的聚合物系脱挥基础研究

吴家龙  
【摘要】: 本文对溶质(挥份)-超临界流体-聚合物三元体系的相行为及质量传递动力学基础进行了研究,旨在为超临界流体辅助的聚合物技术,尤其是聚合物系脱挥技术的开发,提供基础数据。 在文献综述部分,对超临界流体的特性及超临界流体技术的研究现状作了深入的分析,指出了当前研究的难点与不足。阐述了超临界流体脱挥热力学(相平衡)与质量传递研究中的复杂性,并对溶质(挥份)-超临界流体-聚合物三元体系的相平衡及质量传递的实验方法及模型化作了分析和评价。 作为本论文的重要研究内容之一,对溶质(挥份)-超临界流体-聚合物三元体系相平衡及溶质在流体相与聚合物相的分配系数进行了实验研究和模型分析。在分析各种实验方法的基础上,采用拟静态的实验方法测定了温度为318和328K时、压力为12-20MPa范围内的苯乙烯-CO_2-聚苯乙烯三元体系中超临界流体相的组成,并将Sanchez-Lacombe模型应用于该体系,根据实验结果优化得到该模型中的未知参数,由此计算得到了溶质在两相中的分配系数。同时利用Sanchez-Lacombe模型在更广的温度、压力、浓度范围对溶质(挥份)-超临界流体-聚合物三元体系的相平衡行为进行预测,模拟的结果展示了温度、压力及模型参数对于体系三角形相图及溶质分配系数的影响,加深了对于超临界流体脱挥中热力学方面的理解。 本论文的重要创新之一是定义了一个新的坐标系,从而使对复杂的超临界流体-聚合物溶胀体系中质量传递的定量分析成为可能。超临界流体分子具有很强的渗透能力,会对聚合物进行溶胀,聚合物的体积会发生变化,同时小分子在聚合物相中扩散系数对于浓度具有强烈的依赖性,这给扩散模型的建立带来了很大的困难。本文以纯聚合物粒子的尺寸作为长度变量,建立了膨胀坐标系,推导出了球形粒子中溶质及超临界流体分子扩散的模型 11 浙江大学博士学位论文 。lp;·p]。l。/_\oP;1’PZUZI *l;----------l 8ljto J六回:r:’u-I /,左* 戊 \l一P。心J 厂 *“”sd 少J Jq一 一1,广 U=——·3[M--dal 0,;6of L“l*P。U:’j ,_/1。\H 干 4f(P。九三厂十【31了一工一一下d4】生二乙二) “‘””“”6一 L 力 IP。U; ) 在新的坐标体系下,有效解决了由于聚合物粒子体积膨胀而带来的对流项的问 题。通过模拟计算,结果显示出COZ在聚合物中的饱和浓度大小及在浓度无限 稀时CO。与溶质扩散系数差别(D0/D。I)对粒子中浓度分布及积分曲线的影响,为 超临界流体过程的开发和设计提供参考。 基于本文建立的新坐标系和膨胀粒子模型,对超临界流体辅助的脱挥进行了 模型和仿真分析。脱挥速率受到两个因素的影响,一是溶质传递速率的限制,一 是热力学平衡条件的限制。由于溶质在超临界流体中的扩散系数远大于其在聚合 物相的扩散系数,因此脱挥过程中传质阻力主要集中在聚合物粒子内。本文在粒 子模型的基础上,辅以脱挥釜内的物料平衡 y 厂_。/oh_尸\ — —一一J、——T;ID,。111—D,。U,卜二”“·;——l 口了、1一八二t 0o 厂 。(0。、R hi) ’尸[叫了厂7厂一百二下一了一一二一”二十一I to,-《1一R二11一R二a了,J 建立了脱挥釜模型。在通常的操作条件下,传质阻力与相平衡两个控制因素的强 弱均依赖于超临界流体的流速。模型计算的结果显示出脱挥釜内聚合物加料量及 CO。流速对于粒子内浓度分布、脱挥积分曲线及流体相中的溶质浓度的影响,并 提出了操作参数的优化方法。 研究结果表明超临界流体辅助聚合物脱挥方法与传统的真空脱除方法相比, 无论是在相平衡方面还是在质量传递方面均具有一定的优势,值得作更加深入的 探讨。最后,对进一步的研究方向作了建议。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:O631

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