（化学工程与技术专业论文）膜吸收过程传质强化研究.pdf

学位论文数据集删鹇 中图分类号 t q 0 2 1 4 学科分类号 5 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 8密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 李江 学号 2 0 0 6 0 8 0 0 0 8 获学位专业名称化学工程与技术获学位专业代码 0 8 1 7 课题来源国家自然科学基金 研究方向传质与分离 论文题目膜吸收过程传质强化研究 关键词膜吸收，传质强化，传质模型，二氧化碳 论文答辩日期 2 0 1 0 0 6 3 0 宰论文类型基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师 张卫东 教授北京化工大学传质与分离 评阅人l2 0 1 0 0 0 2 8 0 a 评阅人22 0 1 0 0 0 2 8 1 a 评阅人32 0 10 0 0 2 8 2 a 评阅人4骆广生教授清华大学传质与分离 评阅人5孙宏伟研究员国家自然科学基金委员会化学工程 答辩委员会主席张泽廷教授北京化工大学传质与分离 答辩委员1张泽廷教授北京化工大学传质与分离 答辩委员2骆广生教授清华大学传质与分离 答辩委员3孙宏伟研究员：国家自然科学基金委员会化学工程 答辩委员4屈一新教授北京化工大学分离工程 答辩委员5高正明教授北京化工大学混合与搅拌 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码 中查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 北京化工大学博士学位论文 膜吸收过程传质强化研究 摘要 膜吸收技术是脱除c 0 2 等温室气体最有前途的方法之一。然而，多 孔膜的存在导致近膜壁面处溶质浓度分布不均( 微观层面) 以及中空纤维 膜接触器壳程流体流动状态的非理想性( 宏观层面) ，给膜吸收传质过程 带来了不利的影响。本文针对这两类问题系统地进行了膜吸收过程的传质 强化研究。 通过理论分析，提出了膜吸收过程的传质强化方法，建立数学模型对 传质强化过程进行了描述和预测。利用添加固相微粒扰动液相边界层，改 善了近膜壁面处溶质浓度分布的不均性；在壳程吸收剂中添加细微粒子或 引入外源振荡，加强了中空纤维膜接触器内壳程流体的径向混合，改善了 壳程流体的非理想性。具体阐述如下： 基于表面更新理论并通过传质区域的划分，建立了固相粒子强化膜吸 收过程的传质模型。考察了固相粒子固含率、多孔膜孔隙率、吸收剂p h 值、粒子粒径等因素对强化过程的影响，使用实验数据对模型结果进行验 证，二者吻合良好。所建立的传质模型，可较好地对固相粒子强化膜吸收 传质过程进行描述和预测。 研究了吸收剂中固相粒子的引入对膜吸收过程近膜壁面处传质行为 的影响。为屏蔽膜器结构以及壳程非理想性对过程的影响，采用板式膜接 触器进行相关研究。固相粒子沿膜壁面的切向运动使得膜壁面处溶质浓度 北京化工大学博士学位论文 分布趋于均匀，垂直于膜壁面的法向运动扰动边界层，减小了传质阻力。 固相粒子的加入在一定程度上减小了不同孔隙率膜之间的传质效果差异， 同时还强化了传质，且孔隙率越小固相粒子的强化效果越大。 为改善壳程流体流动的非理想性，提出了一种通过向吸收剂中引入细 微粒子强化中空纤维膜吸收传质过程的技术。吸收过程中，采用超声将固 相粒子悬浮在液相吸收剂中。粒子的加入使传质系数提高4 0 以上，对装 填因子较大的膜器强化效果更佳。通过示踪实验获得了固相粒子的传质强 化机理：固相粒子的加入减弱了示踪曲线的拖尾现象，加强了壳程流体在 径向上的混合，有效地改善了壳程流体的流动状态，进而强化了传质过程。 采用振荡器带动膜接触器发生振荡的方式，将传质实验与示踪实验相 结合，研究了振荡对中空纤维膜器壳程流体流动状态以及传质性能的影 响。结果表明，振荡可使膜吸收过程传质系数增加5 0 以上。当振荡方向 与吸收剂流动方向平行时，振荡使得液相边界层与液相主体的混合程度变 大，但会带来一定程度的轴向返混；而对于垂直操作模式，膜器的振荡不 仅可以增大液相边界层与液相主体的混合程度，还加大了壳程流体在径向 的混合，同时在一定程度上减弱了流体在壳程轴向的返混。 ，关键词：膜吸收，传质强化，传质模型，二氧化碳 北京化工大学博士学位论文 s t u d yo ft h ei n t e n s i f i c a t i o no fm a s st r a n s f e ri nt h em e m b r a n e g a sa b s o r p t i o np r o c e s s a b s t r a c t m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g a l t e r n a t i v e st oc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g i e si nc a r b o nd i o x i d e ( c 0 2 ) c a p t u r e h o w e v e r , t h eh e t e r o g e n o u sc o n c e n t r a t i o np r o f i l en e a rt h em e m b r a n es u r f a c e c a u s e db yi n d u c i n gt h em i c r o p o r o u sm e m b r a n ed e c r e a s et h em a s st r a n s f e rr a t e ， a n dt h en o n i d e a lf l o wc o n d i t i o ni nt h eh o l l o wf i b e rm o d u l es h e l l s i d ea l s o d e t e r i o r a t et h eo v e r a l lm a s st r a n s f e r f o rt h ep u r p o s eo fo v e r c o m i n gt h e s e s i s s u e s ，e x p e r i m e n t a la n dm o d e l i n gs t u d y o ni n t e n s i f i c a t i o no fm a s st r a n s f e ri n t h em e m b r a n eg a sa b s o r p t i o np r o c e s sh a sb e e nc a r d e do u ti nt h i sw o r k 童 m a t h e m a t i c a lm o d e lc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to fp o r o s i t ya n dm a t h e m a t i c a l m o d e lf o rt h ei n t e n s i f i c a t i o np r o c e s sb a s e do ns u r f a c er e n e w a lt h e o r ya r e d e v e l o p e d t h ee f f e c t so fs o l i dl o a d i n g ，m e m b r a n ep o r o s i t y , a b s o r b e n tp h v a l u ea n d p a r t i c l ed i a m e t e rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sh a v e ag o o da g r e e m e n tw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s p u r ec 0 2w a sa b s o r b e db yd e i o n i z e dw a t e ro rn a o ha q e o u ss o l u t i o n u s i n gm e m b r a n e sw i t h d i f f e r e n t p o r o s i t i e s i nt h ef l a t - s h e e tm e m b r a n e c o n t a c t o r i no r d e rt oi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no ft h ec o n c e n t r a t i o no fs o l u t e n e a rt h em e m b r a n es u r f a c e ，s o l i dp a r t i c l e sa r ea d d e di n t ot h ea b s o r b e n tl i q u i d 北京化工大学博士学位论文 t oe n h a n c et h et u r b u l e n c ei nt h eb o u n d a r yl a y e r t h ed i f f e r e n c eo fm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n to b t a i n e db yv a r i e dp o r o s i t i e sd e c l i n e db ya d d i n gs o l i d p a r t i c l e si n t ot h ea b s o r b e n tl i q u i d t h eh i g h e re n h a n c e m e n tf a c t o ri so b t a i n e d a tl o w e rp o r o s i t y am e t h o do fi m p r o v i n gt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c ei nh o l l o wf i b e r c o n t a c t o rb ya d d i n gt h et h i r ds o l i dp h a s ei n t ot h es h e l l s i d ea b s o r b e n ti s p r o p o s e d u l t r a s o u n di su s e di nt h i sw o r ka sa na p p r o a c ht om a k et h es o l i d p a r t i c l e ss u s p e n d i n gi nt h ea b s o r b e n t t h em a s st r a n s f e rr a t e i se n h a n c e d a b o v e4 0 b ya d d i n gs o l i dp a r t i c l e si n t ot h ea b s o r b e n t ，a n dt h ee n h a n c e m e n t f a c t o r si n c r e a s ew i t ha ni n c r e a s eo ft h ep a c k i n gd e n s i t y t h er e s i d e n c et i m e d i s t r i b u t i o n s ( r t d ) c u r v e sa r em e a s u r e d ，w h i c hd e m o n s t r a t e t h a tt h ea d d i t i o n o ft h es o l i dp a r t i c l e sc a ni m p r o v et h ef l o wc o n d i t i o n si nt h es h e l l 。s i d e t h ei n f l u e n c eo fs h a k i n go nt h ef l o wc o n d i t i o ni nt h es h e l l - s i d eo ft h e m o d u l ea n dt h em a s st r a n s f e ro fh o l l o wf i b e rm e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n p r o c e s sh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so fa b s o r p t i o ne x p e r i m e n t si n d i c a t e t h a tt h es h a k i n go fm o d u l er a i s e st h em a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n ta b o v e5 0 t h e m a s st r a n s f e ri m p r o v e m e n ti sh i g h e rw h e nt h es h a k i n gd i r e c t i o nv e r t i c a lt ot h e l i q u i dv e l o c i t yd i r e c t i o n t h es h a k i n go ft h e 。m o d u l ec a l li m p r o v et h e f l o w s t a t u si nt h es h e l ls i d eo ft h eh o l l o wf i b e rm o d u l e s k e y w o r d ：m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n ；m a s s t r a n s f e re n h a n c e m e n t ；m a s s t r a n s f e rm o d e l ；c a r b o nd i o x i d e i v 北京化工大学博士学位论文 目录 1文献综述1 1 1膜吸收技术研究概况1 1 1 1 膜吸收技术概述1 1 1 2 膜吸收传质模型研究4 1 1 3 膜吸收技术的应用6 1 2 多孔膜的存在及壳程非理想流动对传质的影响6 1 2 1 多孔膜对膜相传质阻力的影响7 1 2 2 多孔膜对液相传质阻力的影响。8 1 2 3 多孔膜对近膜壁面处传质行为的影响1 0 1 2 4 壳程与管程传质关联式的对比1 3 1 2 5 壳程流体流动的非理想性16 1 2 6 壳程非理想性对传质性能的影响18 1 3 膜吸收及其他传质过程的强化研究2 0 1 3 1 通过改变膜器结构强化传质过程2 0 。 1 3 2 采用鼓泡方式强化传质一2 3 1 3 3 通过振荡强化气液传质2 5 1 3 4 利用超声强化传质过程。2 5 1 3 5 分散相粒子强化气液传质过程2 6 1 4 课题的提出及研究思路一2 8 2 板式膜吸收过程传质强化的模型研究：3 1 2 1 引言。3l 2 2 单纯使用液相吸收剂时的膜吸收模型3 2 2 2 1 模型建立3 2 2 2 2 模型求解：3 3 2 3 吸收剂中含固相粒子时的传质强化模型4 0 2 3 1 模型的建立与求解。4 0 v 北京化工大学博士学位论文 2 3 2 传质系数和增强因子的计算4 4 2 4 模型结果与讨论4 5 2 4 1 固含率的影响4 5 2 4 2 孔隙率的影响4 7 2 4 3 粒子粒径的影响4 8 2 4 4 孔隙率对增强因子的影响5 0 2 4 5 吸收剂p h 值的影响5 2 2 5 小结5 4 3粒子强化板式膜吸收传质过程的实验研究。5 s 3 1弓i 言5 5 3 2 非稳态膜吸收过程实验部分5 5 3 2 1 实验装置及操作流程5 5 3 2 2 实验试剂与膜材料5 6 3 2 3 实验数据处理5 8 3 3非稳态膜吸收过程的传质研究。5 9 3 3 1 搅拌传质强化与固相粒子强化的比较5 9 3 3 2 粒子固含率对板式膜传质的影响6 5 3 3 3 化学反应对板式膜传质的影响6 7 3 3 4 吸收剂p h 值对板式膜传质的影响6 8 3 4 稳态膜吸收过程实验部分7 0 3 4 1 实验装置及操作流程一7 0 3 4 2 数据处理7 l 3 5 稳态膜吸收过程的传质研究j 7 l 3 5 1 搅拌转速对板式膜吸收过程的影响7 l 3 5 2 固含率对稳态板式膜吸收传质的影响。7 3 3 5 3 吸收剂流量对板式膜传质的影响7 5 3 5 4 吸收剂p h 值对板式膜传质的影响7 8 3 5 5 固相粒子对稳态过程不同孔隙率膜传质性能的影响8 1 3 6 d 、i 占8 ：! 北京化工大学博士学位论文 4固相微粒强化中空纤维壳程传质的研究8 5 4 1 引言。8 5 4 2 实验流程与实验方法8 5 4 2 1 实验装置及流程8 5 4 2 2 实验试剂及膜接触器8 7 4 2 3 增强因子8 8 4 2 4 停留时间分布8 8 4 3中空纤维壳程传质影响因素研究- 8 9 4 3 1 固含率对壳程传质的影响8 9 4 3 2 粒子种类对壳程传质的影响。9 2 4 3 3 吸收剂p h 对壳程传质的影响9 6 4 3 4 壳程吸收剂流速的影响9 8 4 3 5 装填因子的影响9 9 4 4 示踪实验研究10 0 4 4 1 固含率对壳程流体流动状态的影响。1 0 0 4 4 2 壳程吸收剂流速的影响一1 0 1 4 4 3 膜器装填因子的影响1 0 3 。 4 5d 、结1 0 5 5中空纤维膜吸收传质过程的振荡强化研究。1 0 7 5 1 引言1 0 7 5 2实验部分1 0 7 5 2 1 实验装置及实验流程。10 7 ：5 2 2 实验材料与膜器。10 9 5 2 3 实验数据处理110 5 3 结果与讨论11 1 5 3 1 振荡频率的影响111 5 3 2 吸收剂流速的影响11 6 5 3 3 振荡方向的影响1 2 0 5 3 a 装填因子的影响1 2 3 v 北京化工大学博士学位论文 5 4 d 、结1 2 7 6结论与展望1 2 9 7参考文献1 31 8 1 改谢1 41 9研究成果及发表的学术论文1 4 3 1 0 作者和导师简介1 4 5 v i 北京化工大学博士学位论文 co n t e n t s 1r e v i e w 1 2 1 1i n t r o d u c t i o no f m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n 1 1 1 1m e m b r a n eg a sa b s o r p t i o n ( m g a ) p r o c e s s 1 1 1 2m a s st r a n s f e rm o d e l 4 1 1 3 a p p l i c a t i o no f m g a 6 1 2e f f e c t so f m i c r o p o r o u sm e m b r a n ea n dn o n - i d e a lf l o wo nm g a 6 1 2 1e f f e c to f p o r o s i t yo nm e m b r a n er e s i s t e n c e 7 1 2 2e f f e c to f p o r o s i t yo nl i q u i dp h a s er e s i s t e n c e 。8 1 2 3e f f e c to f p o r o s i t yo nm a s st r a n s f e rn e a rt h em e m b r a n es u r f a c e 10 1 2 4 c o m p a r i s i o no f t h em a s st r a n s f e rc o r r e l a t i o n 1 3 1 2 5n o n - i d e a lf l o wc o n d i t i o ni nt h es h e l l s i d e 16 1 2 6e 任e c to f n o n - i d e a lf l o wo nm a s st r a n s f e r 18 1 3m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n t ：! ( ) 1 3 1 c h a n g i n gt h ec o n f i g u r a t i o no f t h em o d u l e 2 0 1 ：；2 a i r - a g i t a t i n g 2 3 1 ：；3 s h a k i n g 2 5 1 3 4u l t r a s o u n d 2 5 1 3 5 d i s p e r s e dp a r t i c l e s 2 6 1 4 p r o p o s a lo fs u b j e c t 2 8 ： m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tm o d e l ：3 】【 2 1i n t r o d u c t i o n 3l 2 2m a s st r a n s f e rm o d e lw i t h o u ts o l i dp a r t i c l e 3 2 2 2 1m o d e l d e v e l o p m e n t 3 2 2 2 2 s o l v i n go f m o d e l j 3 3 2 3m a s st r a n s f e re n h a n c e m e n tm o d e lw i t ts o l i dp a r t i c l e 4 0 2 3 1m o d e ld e v e l o p m e n ta n ds o l v i n g 4 0 北京化工大学博士学位论文 2 3 2c a l e u l a t i o no f m a s st r a n s f e rc o e 伍c e n ta n de n h a n c e m e n tf a c t o r 一4 4 2 4 m o d e l i n gr e s u l t sa n d d i s c u s s i o n ：2 1 5 2 4 1e f f e c to f s o l i dl o a d i n g 4 5 2 4 2e f f e c to f m e m b r a n ep o r o s i t y 4 7 2 4 3e f f e c to f p a r t i c l ed i a m e t e r 4 8 2 4 4e f f e c to f p o r o s i t yo ne n h a n c e m e n tf a c t o r 5 0 2 4 5e f f e c to f a b s o r b e n tp hv a l u e 5 2 2 5 b r i e f s u m m a r y 5 4 3 e f f e c to fs o l i dp a r t i c l eo nm a s st r a n s f e ri nf sm o d u l e 5 5 3 1 i n t r o d u c t i o n 5 5 3 2 e x p e r i m e n t a lo f t h eu n s t e a d y - s t a t ep r o c e s s 5 5 3 2 1 e x p e r i m e n t a ls e t u p 5 5 3 2 2m e m l n a n em a t e r i a l 5 6 3 2 3d a t aa n a l y s i s 5 8 3 3r e s u l t sa n dd i s c u t i o no f t h eu n s t e a d y - s t a t ep r o c e s s 5 9 3 3 1 c o m p a r i s o no f s t i r r i n ga n da d d i n gs o l i dp a r t i c l e 5 9 3 3 2 i n f l u e n c eo fs o l i dl o a d i n g 6 5 3 3 3i n f l u e n c eo f c h e m i c a lr e a c t i o n 6 7 3 3 4i n f l u e n c eo f a b s o r b e n tp hv a l u e 6 8 3 4 e x p e r i m e n t a lo f t h es t e a d y - s t a t ep r o c e s s 7 0 3 4 1 e x p e r i m e n t a ls e t u p ：7 0 3 4 2d a t aa n a l y s i s 7 1 3 5r e s u l t sa n dd i s 锄t i o no f t h es t e a d y - s t a t ep r o c e s s ：7 1 3 5 1i n f l u e n c eo f s t i r r e rs p e e d 7 1 3 5 2i n f l u e n c eo f s o l i dl o a d i n g 7 3 3 5 3i n f l u e n c eo f l i q u i dv e l o c i t y 7 5 3 5 4i n f l u e n c eo fa b s o r b e n tp hv a l u e ：7 8 3 5 5 i n f l u e n c eo f s o l i dp a r t i c l eo nm a s st r a n s f e ra td i f f e r e n tp o r o s i t y 8 1 3 6 b r i e fs u m m a r y 8 2 x 北京化工大学博士学位论文 4i n t e n s i f i c a t i o nb ya d d i n gs o l i dp a r t i c l ei nh fm o d u l e 8 5 4 2 e x p e r i m e n t a l 8 5 4 2 1 e x p e r i m e n t a ls e t - u p 8 5 4 2 2h o l l o wf i b e rm o d u l ea n dm a t e r i a l 8 7 4 2 3e n h a n c e m e n tf a c t o r 8 8 4 2 4r e s i d e n c et i m ed i s t r i b u t i o n 8 8 4 3r e s e a r c ho f m a s st r a n s f e r ：8 9 4 3 1i n f l u e n c eo f s o l i dl o a d i n g 8 9 4 3 2i n f l u e n c eo f t h et y p eo f s o l i dp a r t i c l e 9 2 4 3 3i n f l u e n c eo fa b s o r b e n tp hv a l u e s 9 6 4 3 4i n f l u e n c eo f l i q u i dv e l o c i t y 9 8 4 3 5i n f l u e n c eo f p a c k i n gd e n s i t y 9 9 4 4r e s e a r c ho f i u l ) 1o o 4 4 1i n f l u e n c eo fs o l i dl o a d i n g 10 0 4 4 2i n f l u e n c eo fl i q u i dv d o c i t y 10 1 4 4 3i n f l u e n c eo f p a c k i n gd e n s i t y 10 3 4 5 b r i e f s u m m a r y 10 5 5e f f e c to fs h a k i n go nm a s st r a n s f e ri nt h eh fm o d u l e 10 7 5 1i n t r o d u c t i o n 10 7 5 2 e x p e r i m e n t a l 1 0 7 5 2 1 e x p e r i m e n t a ls e t - u p 10 7 5 2 2h o l l o wf i b e rm o d u l ea n dm a t e r i a l ；10 9 5 2 3d a t aa n a l y s i s 110 5 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 】【1l 5 3 1e f f e c to fs h a k i n gf r e q u e n c y 11 1 5 3 2e f f e c to f l i q u i d v e l o c i t y 11 6 5 3 3e f f e c to f s h a k i n gd i r e c t i o n 1 2 0 5 3 4e f f e c to f p a c k i n gd e n s i t y 1 2 3 x i 北京化工大学博士学位论文 5 4b r i e fs u m m a r y 1 2 7 6c o n c l u s i o n sa n d p e r s p e c t i v e 1 2 9 7r e f e r e n c e s 1 31 8 a c k n o w l e d g m e n t s 1 4 1 9r e s e a r c hf i n d i n g s & p u b l i s h e da c a d e m i ct h e s i s 。1 4 3 x 符号 意义 a 相邻膜孔间距 符号说明 4膜面积 c 液相中溶质的浓度 气液界面处的平衡浓度 对数平均浓度 扩散系数 增强因子 停留时间分布 无因次停留时间分布 振荡频率 亨利系数 h a t t a 数 反应速率常数 分传质系数 基于液相的总传质系数 控制容积面外法线方向单位矢量 f 时刻液相中的c 0 2 总量 单位 m m 2 m 0 1 m - 3 t 0 0 1 m - 3 t 0 0 1 m - 3 m 2 s - i s 1 r p m t 0 0 1 m - 3 p a - i m 3 k m o l - 1 s - 1 m 8 - i m s 。l m o l ， 峨 。 e 聊 厶 日 肼 砖 后 鼠 露 以 气相压力 吸收速率 膜微孔平均孔径 反应速率 雷诺数 固含率 斯密特数 舍伍德数 时间 液相流速 意义 二氧化碳( c 0 2 ) 氢氧根( o h ) 碳酸氢根( h c 0 3 。) 气相 入口 液相 膜相 出口 x p a m 0 1 s 1 m m 0 1 m - 3 s - l k g