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中空纤维膜及膜接触器传质特性的研究

郑巨孟  
【摘要】: 膜接触器是一种通过膜作为两相之间的分离界面而实现相间传质的杂化膜过程。本论文主要研究中空纤维膜接触器的传质行为,研究内容包括气体通过微孔膜扩散模型的建立、中空纤维膜均匀分布的平行流组件壳程传质微分方程的解析求解、中空纤维膜不均匀分布组件中流体分布的数学计算、中空纤维膜不均匀分布对壳程传质影响的估算以及CO_2气体吸收实验。同时对聚丙烯微孔膜进行了表征,重点讨论了孔模型的选择对表征结果的影响;并简要地阐述了微孔膜结构与性能的相关性。 首先用扫描电镜、液体置换法等手段对聚丙烯微孔膜进行了结构表征。利用液体置换法表征聚丙烯微孔膜时,孔模型的选择对孔尺寸和分布的确定有重要的影响。计算结果表明当假设孔为椭圆形时,液体置换法表征得到的结果与扫描电镜、比重法分析得到的实验结果比较吻合,也可以较好地反映孔的实际形态结构。 拉伸得到的聚丙烯微孔膜具有近似椭圆形的微裂纹状孔结构并与微孔膜的性能有密切的关系。理论计算表明,相比于同样面积的圆形孔,椭圆形的孔结构有利于保证较大的临界突破压力值,这对提高膜接触器过程的稳定性是有益的。在面积相同时,与圆形孔相比,椭圆形的孔结构会导致通量的大幅度降低。 膜接触器传质性能的研究是本论文的核心内容。首先建立了气体通过微孔膜扩散的理论模型。与气体通过致密膜的溶解—扩散机理不同,通过微孔膜的扩散机制通常为小孔努森扩散、大孔的分子粘性流以及介于二者之间的过渡扩散。本文借鉴叶孔扩散理论,建立了气体通过聚丙烯微孔膜扩散的模型。对于孔形状为近似椭圆形的聚丙烯微孔膜,在研究扩散问题时,其等效孔径可采用叶孔扩散问题中的孔形状校正公式来计算。在膜接触器中,气体通过微孔膜的扩散机理为过渡扩散,其扩散过程包括通过孔道主体的过渡扩散、微孔膜出口处孔道边缘的Stephen扩散以及孔之间的相互作用。尽管由于膜的厚度比孔的尺寸要大很多,Stephen扩散以及孔之间的相互作用对通过膜的总扩散阻力影响很小,但它们存在的结果是使整个膜表面的气体浓度趋于一致。这合理地解释了在膜接触器气/液分离过程中,气/液接触面积等于整个中空纤维膜的表面积而不是孔面积这一实验现象。 —— 在建立了气体通过微孔膜扩散模型后,本文重点讨论了平行流组件 壳程的传质和流动特性。首先在假设壳程中空纤维膜均匀装填的基础上, 采用Happel的自由表面模型来模拟壳程的复杂流动,利用分离变量法对 壳程传质微分方程进行了解析求解。研究结果表明,壳程传质的平均 Sherwood数是 Graetz数和装填密度的函数。其中,Graetz数的指数随装 填密度的增大而稍有增加,而关联式中的系数随装填密度的增大而减小。 通过与 Miyatake和 Iwashita数值解结果、以及其它文献中存在的关联式 的比较,说明本论文建立的传质模型是合理的,可以用于描述平行流组 件壳程的传质问题。 对于实际的中空纤维膜组件,由于中空纤维膜装填的不均匀性,壳 程的流动和传质情况更加复杂。对此,首先从Chan等人的研究结果出发, 对壳程中空纤维膜的不均匀分布进行了数学模拟。在此基础上,结合随 机单元模型和自由表面模型,发展了一种新的、相对简单的计算壳程流体 分布的方法。理论计算说明壳程纤维装填的不均匀性会导致壳程流体严 重的不均匀分布,在有大约 40%的流体通过仅占流道总截面积 20%的 大流道的同时,仅有不到 6%的流体通过同样占流道截面积 20%的小流 道。同时发现壳程流动的非均匀性随着组件装填密度的增加而变得更加 显著。 在上述研究的基础上,本文进一步研究了中空纤维膜不均匀分布对 壳程传质的影响。理论分析表明,相比于均匀装填的组件,壳程中空纤 维膜装填的不均匀性会导致传质性能的降低。随着组件装填密度的增加, 传质系数降低的幅度增大,它的值在10~15%之间。 建立了壳程传质的理论模型后,为了验证该模型的可靠性,进行了 CO。吸收实验。研究发现本论文建立的模型可以较好地预测壳程的传质 行为。但由于壳程流动和传质行为的复杂性,模型预测的结果与实验值 之间存在不可避免的误差。为了合理的解释造成二者之间差异的原因, 进行了壳程压力降实验。实验表明,壳程的流动状况十分复杂。在装填 密度较小的时候,紊流倾向十分明显;当装填密度较大的时候,壳程的 流动状况与层流相对比较接近。由于紊流对传质的促进作用,对于装填 密度较小的组件,实验得到的传质系数要大于模型预测值。而对于装填 密度较大的组件,用理论分析得到的不均匀装填组件壳程传质关联式可 以较好的预测壳程的传质行为。


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