（环境工程专业论文）新型中空纤维膜接触器分离甲醇水体系的实验研究.pdf

新型中空纤维膜接触器在分离甲醇水体系的燮噗燮必 摘要 膜接触器是一种通过膜作为两相之间分离界面而实现相间传质 的杂化膜过程，是一种全新的、更加有效、更加环保的接触传质方法。 本论文主要研究新型中空纤维膜接触器分离醇水体系的可行性以及 其传质行为。操作时，液体在中空纤维膜管内流动，蒸汽通过壳程与 液体逆向流动，实验采用全回流操作。研究内容包括中空纤维膜分离 醇水体系的操作和分离性能的研究、气液通过微孔膜的传质模型的 建立、分离的传质数学计算以及分析和中空纤维膜壳程结构改变对传 质和操作性能的影响，并对该中空纤维膜接触器的应用进行展望。 实验考察了甲醇水体系在膜接触器中的分离效果。结果表明： 中空纤维膜作为填料的分离效率较高，最小h e t p 可达5 c m 以下； 操作气速在常规填料液泛线以上时，膜接触器也能正常运行，不受常 规填料的操作弹性限制；而且中空纤维膜的水力学特性和传质效率较 常规填料优势明显。通过比较壳程装上两块挡板与未装挡板的两组膜 接触器分离实验的分析，得出：挡板的存在能提高该膜接触器的操作 性能，使操作更加的稳定；挡板还能有效提高膜接触器的传质效率。 最后通过对传质系数的进一步计算和理论分析，得出本实验中液相传 质阻力约占总传质阻力5 0 。 关键词：膜接触器；中空纤维膜；醇水分离；传质 r e s e a r c ho nd i s t i l l 棚o no f m e t h a n o i 二w a t e r 矾h o l l o wf i e l t s a b s t r a c t am e m b r a n ec o n t a c t o ri sad e v i c et h a ta c h i e v e s g a s l i q u i d o r l i q u i d l i q u i dm a s st r a n s f e rw i t h o u td i s p e r s i o no fo n ep h a s ew i t ha n o t h e r i ti sab r a n - n e w , m o r ee f f e c t i v ea n de n v i r o n m e n t a lm a s st r a n s f e rm e t h o d i nt h i se x p e r i m e n t ，n o n - p o r o u sp o l y e t h e rs u l f o n eh o l l o wf i b e r s ( w i t ha 5g mp o l y d i m e t h y l s i l o x a n ec o a t i n g ) w e r eu s e da ss t r u c t u r e dp a c k i n gi n t h ed i s t i ll a t i o no fm e t h a n o l w a t e rs o l u t i o n s i nt h i sn o v e lm e m b r a n e c o n t a c t o r , l i q u i df l o w e dt h r o u g ht h el u m e n so ft h ef i b e r s ，a n dv a p o r f l o w e dc o u n t e r c u r r e n t l yo u t s i d et h ef i b e r s t h em a i ns t u d i e so ft h i st h e s i s h a v eb e e nf o c u s e do nt h ef e a s i b i l i t yo fd i s t i l l a t i o ni nh o l l o wf i b e r sa n d t h em a s st r a n s p o r tp h e n o m e n o no ft h i sn e wh o l l o wf i b e rm e m b r a n e c o n t a c t o r , i n c l u d i n gt h es t u d yo ft h eo p e r a t i o nl i m i t ，t h ed e v e l o p m e n to f t h em o d e lo ft h eg a sd i f f u s i o nt h r o u g ht h em i c r o p o r o u sm e m b r a n e ，t h e c a l c u l a t i n go fm a s st r a n s f e rc o e f f i c i e n t sa n dt h ec o m p a r i n go ft h eh o l l o w f i b e rc o n t a c t o r sw i t hn oo rt w ob a 们e si ns h e l l e x p e r i m e n t si n v o l v i n gs e p a r a t i o no ft h r e ek i n d so fm e t h a n o l - w a t e r b yt h eh o l l o wf i b e rm e m b r a n ec o n t a c t o rw e r ep e r f o r m e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h en e wm e m b r a n ec o n t a c t o rg a v eb e t t e r , m o r ep r o d u c t i v e 浙江工业大学硕士学位论文 s e p a r a t i o n st h a nt r a d i t i o n a lp a c k i n gi nd i s t i l l a t i o n t h em i n i m a lh e t po f h o l l o wf i b e r sc o u l dr e a c ha sl o wa s5c m ，a n dt h ec o n t a c t o rw o r k e dw e l l a b o v et h el i m i tw h e r ef l o o d i n gn o r m a l l yo c c u r si nc o n v e n t i o n a lc a s e s t h em e m b r a n ec o n t a c t o ra n da n o t h e rs i m i l a rc o n t a c t o rw h i c hl u m e nw a s i n s t a l l e dw i t ht w ob a f f l e sh a v eb e e nc o m p a r e d t h er e s u l t sa n dt h et h e o r y a n a l y s i ss h o w e dt h a to p e r a t i n gw i t ht w ob a f f l e si ss t e a d i e r ；b a f f l e sh e l p m o d u l et og e tah i g h e rm a s s - t r a n s f e rc o e f f i c i e n t , i nt h es a m em e a n i n g ， h a v eas m a l l e rm a s s t r a n s f e rr e s i s t a n c e t h eo v e r a l l m a s s t r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n di n d i v i d u a lm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n t sb a s e do nt h eg a ss i d e a n dl i q u i ds i d ew e r ec a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l y t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tr e s i s t a n c ei nt h el i q u i di sr e s p o n s i b l ef o ra b o u th a l fo ft h e t o t a lr e s i s t a n c e a tl a s t ，t h i sp a p e re s p e c i a l l yd i s c u s s e st h ec o n t r a d i c t i o n b e t w e e nt h e o r e t i c a lm a s s t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n d e x p e r i m e n t a lv a l u e k e yw o r d s ：m e m b r a n e c o n t a c t o r ；h o l l o w f i b e r m e m b r a n e ； a l c o h o l w a t e rs e p a r a t i o n ；m a s st r a n s f e r 4 目录 第一章：文献综述1 1 1 弓i 言l 1 2 中空纤维膜接触器。2 1 2 1 膜接触器的定义、分类和特点2 1 2 - 2 基本原理。3 1 2 3 膜组件6 1 2 4 传质过程研究7 1 2 5 应用过程研究1 1 1 3 醇水分离技术。15 1 3 1 醇水分离常规工艺。1 5 1 3 2 膜分离技术18 1 3 3 几种工艺的综合比较。2 2 1 4 课题的意义、主要内容和创新点2 3 1 4 1 课题的意义2 3 1 4 2 课题的主要内容2 4 1 4 3 课题创新点2 4 第二章：实验。2 5 2 1 实验原料与实验仪器2 5 2 1 1 实验原料2 5 2 1 2 实验主要仪器设备2 5 2 2 实验装置2 6 2 3 实验分析2 7 第三章：传质理论模型一2 9 3 1 计算传质系数的实验方法2 9 3 2 计算传质系数的理论经验方法一3 0 第四章：中空纤维膜对甲醇水体系分离的实验结果和讨论3 2 4 1 中空纤维膜接触器对醇水溶液的精馏分离3 2 4 1 1 样品浓度随时问和蒸汽流速的变化关系3 2 4 1 2 膜接触器操作弹性3 3 4 1 3 中空纤维膜与常规填料分离效率的比较3 5 4 1 4 膜接触器的传质系数。3 6 4 1 5 理论传质系数与实验传质系数的比较3 9 4 1 6 ，j 、! 1 2 i 4 0 4 2 壳程挡板对膜接触器的影响4 1 4 2 1 挡板对塔顶样品浓度的影响4 1 4 2 2 挡板对膜接触器操作性能的影响4 2 4 2 3 挡板对传质效率的影响4 3 4 2 4 传质理论讨论4 4 4 2 5 ，j 、结4 7 第五章结论与展望4 8 浙江工业大学硕士学位论文 参考文献5 0 致谢5 6 硕士期间发表的论文。5 7 6 符号说明 仉二一总传质单元数 y d , y 矿- 塔顶、塔底摩尔分数 y 气相平衡摩尔分数 肌l 总传质单元高度，m 加一料层高度，i n 脚盱l 理论塔板高度，n - i _ 提因子 ，卜分配系数 g _ 气相摩尔流量，k m o l ( m 2 s ) 。1 卜液相摩尔流量，k m o l ( m 2 - s ) ，1 ，z 气相流速、液相流速，m s 1 p g 气相密度，k g m 。3 p o 相负荷因子，m s - 1 ( k g m 3 ) 1 尼 卜空隙率 卜比表面积，m 2 m 。3 f p _ _ 填料因子，m 2 l n - 3 g 格雷氏准数 奶一薛伍德准数 | ：g ，砬气相、膜相和液相分传质系数，c m s 。 d , d e ，如广一中空纤维膜的内径、膜组件水力直径，平均对数直径，m d c ，现气相扩散系数、液相扩散系数，c m 2 s 1 g 一气相粘度，c p r p 一雷诺数 施密特准数 球一亨利常数 亿一理论气相总传质系数，c m s o 一实验气相总传质系数，c m s 1 1 1 引言 第一章：文献综述 醇水体系分离一直是化工生产中的重要环节，高效的醇水分离技术能够使 醇的产量大大提高，满足日益增长的工业生产需求。传统的分离方法如精馏、萃 取等已经相当成熟，但是这些方法在工业生产过程中所需要付出的巨大能耗越来 越受到面临能源资源匮乏的当代社会的关注和制约。在此背景下，面向高效、节 能的新型膜接触分离器应运而生，如a l a n 和h w a n g 掣1 1 所指出，工业化或半工 业化的过程已经包括膜吸收、膜萃取以及渗透蒸馏等多个耦合分离单元。 传统的气液、液一液接触操作是用一些精馏塔、填料塔、吸收塔、板式柱、 旋转圆盘等接触器产生传质界面。设计和应用这些设备主要的挑战是通过增加两 流体间的接触面积来提高传质速率。尽管几十年来这些传统的接触设备一直是化 学工业的支柱，然而它们的一个主要缺点是两流体完全混合接触，因此导致了接 触的两种流体的相互依赖性，而且有些接触设备还会产生液泛、雾沫夹带、沟流、 鼓泡等现象膜接触器克服了这些缺点，它能在两个互不混溶相之间产生非分散 接触并且提供了更大的接触面积，是一种全新的、更加有效的接触传质方法，因 而与传统分离过程相比，膜接触器能提供比传统的接触性分离设备大5 0 0 倍的接 触面积( 液一液接触) ，两流体的流速可分别独立控制，具有操作范围广、弹性 大、传质效率高等诸多独特之处和优势。 作为一门学科，膜分离技术的研究内容主要包括以下四个方面：一是膜材料 科学的研究。膜材料是膜技术的核心，通过分子设计合成适应各种分离要求的新 膜材料；对已有的膜材进行改性等工作能极大的促进膜技术的发展。二是膜的制 备。通过合适的制备方法改进膜结构：加强超薄膜和复合膜的研究已成为膜技术 发展的一个新动向。事实上，膜工业的黄金时代是从制得第一张不对称醋酸纤维 素反渗透膜开始的。三是新膜过程的开发。利用已有的膜材料，拓展它的应用范 围是一个重要的研究课题。近年来利用已有的微孔膜发展起来的膜蒸馏、膜接触 器过程就是这样的例子。四是与膜材料及膜过程相关的传递过程的研究。膜技术 作为一种分离技术与传递过程密切相关，传递过程的研究对新膜材料的设计、新 膜过程的开发应用都有重要的指导作用。 浙江工业大学硕士学位论文 膜科学技术的迅速发展正是这一领域的科技工作者从不同方面共同努力的 结果。 1 2 中空纤维膜接触器 1 2 1 膜接触器的定义、分类和特点 膜接触器是不通过两相的直接接触而实现相间传质的膜过程f 2 j o 膜接触器是 一个相当广泛的膜过程，包括膜蒸馏、膜萃取、膜吸收、膜吸附、膜汽提和渗透 萃取等3 1 。根据两相的不同，可将它分为气液接触膜接触器( 气体吸收) 、液 气膜接触器( 气提) 和液液膜接触器( 萃取) 【4 棚。 膜接触器过程中膜本身没有分离功能，它只充当两相间的一个界面。膜最主 要的一个作用是提供更大的传质比表面积，从而使这些过程较传统分散相接触器 更具优势i 。各类接触装置( 包括膜接触器与传统的塔、柱设备) 所能提供的比 表面积如下所示【2 】： 自由扩散柱( f r e ed i s p e r s i o nc o l u m n s ) ：l 一1 0 填料柱( p a c k i n g t r a y e dc o l u m n ) ：1 0 10 0 机械促进柱( m e c h a n n i c a l l ya g i t a t e dc o l u m n s ) ：5 0 - 15 0 膜接触器( m e m b r a n e s ) ：5 0 0 2 0 0 0 一 l ( 一 j 浙江工业大学硕士学位论文 对独立的7 吲。这易方面消除了液泛、沟流或雾沫夹带等在常规接触器中常见的 问题。另一方面使沫接触器在各种条件下都能保持一定的接触面积。q i 嗍等人的 研究表明，即使假设常规的塔、柱装置具有与膜接触器相同的接触面积，其在低 流速时的吸收速率也要比膜接触器小3 0 倍。除此之外，膜接触器还具有其它一 些优点和缺点【1 1 ，如表1 1 所示。 表1 1 膜接触器与传统接触器的优缺点比较 膜接触器 传统接触器 优点缺点 1 膜的堆砌密度高、体积小、重量轻，可提供极大的膜面积1 体积大，耗资多 2 流体流速范围能独立控制 2 接触面积小，而且会随两 3 膜接触器不需要接触的两流体间有密度差，可用于相同密度流体的流速变化，流量小时 的两流体间的接触传质接触面积很小 4 膜接触器放大简单，只要增加膜面积就能实现两流体接触面3 操作条件受限制，需要在相 积的线性放大对大气流、稳定状态下 5 膜接触器用于可逆反应中，移走反应产物增加可逆化学的平操作，很难控制流体流速 衡转化率，使化学反应向正方向移动 6 两流体的接触面积可知且固定不变，因此设计时比传统接触 设备更容易预测传质分离效果 7 膜接触用在生物发酵和医学上可以实现无菌操作 8 传质效率比传统接触器大大提高 缺点 优点 1 膜接触器和传统接触器相比，传质阻力较大 2 膜容易被污染，必须定时清洗 3 膜的使用寿命有限 1 传质阻力小 2 使用寿命长 3 能用于高温分离 1 2 2 基本原理 1 2 2 1 传质阻力模型 膜接触器通常用膜( 有孔，无孔) 把两种流体隔开，两流体接触面在膜孔出 口处，组分i 通过扩散传质穿过接触界面进入膜的另一侧。膜接触器是一个相当 广泛的膜过程，包括膜蒸馏、膜萃取、膜吸收、膜吸附、膜汽提和渗透萃取等1 2 j ， 每一过程各有自己的特色，且从原理、传递过程、适用范围等都有所不同。与其 它大多数的膜操作不同，膜接触器用的膜材料不需要对流体有选择性膜接触器 3 浙江工业大学硕士学位论文 的推动力是浓度差，膜接触器只需要很小的压力差就可以使两流体的接触界面保 护在膜孔出口处。 b o u n d a r yl a y e r s 图1 2 中空纤维膜传质阻力示意图 典型的中空纤维膜接触器气液接触传质如图1 2 所示( 疏水膜) 。溶质从水 相到达有机相要通过3 个阻力：气相边界层阻力、膜的阻力和液相边界层阻力。 溶质在膜表面浓度的阻力分布取决于以下的平衡关系： c i g - m f c f ， ( 1 1 ) 其中c 辔和c f ，是溶质分别在气相和液相的浓度，m ，是亨利系数或组分f 在 水相和渗透相中的浓度比，即分配系数分配系数。阻力方程式为： ! ：上+ 上+ 上 k k 工 k m k g ( 1 2 ) 其中，、和虹分别是气相、膜相和液相的分传质系数，k 为总传质系数。 根据p a s a d 和s i r k a r 假设： 系统是稳态的； 在液液界面上平衡； 4 浙江工业大学硕士学位论文 膜是均质的( 对称的) ； 液液界面的曲率对传质速率、平衡溶质分布和界面面积没有影响； 单膜传质系数可代替总传质系数； 膜的无孔部分没有溶质迁移； 两流体互不相溶； 平衡溶质分布为常数。 可以得到： 士：士+ 士+ 旦 ( 1 3 ) 一= 一+ 一+ 二 1 k gk g d 0k m d 瞻k l d i 1111 一= 士一i - k lk l d i m i k m d 钿m i k 6 d o 1 1m ， 。m t = - 二一+ l k gk g d 0k d b k l d i 上：上+ 1 _ + 上 k lk lk u d l m m l k c d o ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 6 ) 其中如、疡和如分别是中空纤维膜的外径、内径和对数平均直径。对于疏水性 膜，膜孔内充满了有机溶剂，且传质的推动力主要用于有机溶剂侧( 分配系数低 的溶液) ，则中空纤维膜接触器的阻力等式为( 1 3 ) ，如果传质的推动力主要 用于水溶液侧( 分配系数高的溶液) ，则中空纤维膜接触器的阻力等式为( 1 4 ) 。 对于亲水性膜，膜孔内充满了水溶液，且传质的推动力主要用于有机溶剂侧，则 中空纤维膜接触器的阻力等式为( 1 5 ) ，如果传质的推动力主要用于水溶液侧， 则中空纤维膜接触器的阻力等式为( 1 6 ) 。 由上述几式可知m ，的高低直接决定控制阻力的变化。当m ，很大时，对于疏 水膜，由式( 1 4 ) 可知，有机溶剂侧的阻力和膜的阻力可忽略不计，水溶液侧 边界层的阻力为控制阻力；对于亲水膜，由式( 1 6 ) 可知，有机溶剂侧阻力可 忽略不计，水溶液和膜的阻力都为控制阻力。当m ，很小时，对于疏水膜，由式 ( 卜3 ) 可知，有机溶剂和膜的阻力为控制阻力；对于亲水膜，由式( 1 5 ) 可 知，有机溶剂的阻力为控制阻力。气液相接触可以写出类似的等式，只要把 m ，改为亨利常数h 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 2 2 临界穿透压力 膜接触过程中，膜孔内充满了润湿膜的流体，为了防止一侧流体透过膜孔穿 透到另外一侧，两侧的压力差必须小于穿透压力p ： a p = 2 v c o s o r p ( 1 - 7 ) 其中，厂p 为膜孔径大小；口为液体与膜的接触角；1 ，为液体的界面张力。气体与 膜接触时，界面张力1 ，改为表面张力盯。其中液体与膜的接触角度随流体和膜材料 极性差异增大而增大。添加表面活性剂会使1 ，减小，从而使穿透压力降低。低 表面张力系统中，容易发生穿透。对于这种情况有一下几种处理方法：这种涂 层有效的处理突破口，阻止流体通过膜孔，而且对扩散没有明显的影响。添加 复合物( 如异丙醇) 可以增加界面张力；小孔膜会阻止大分子溶质( 如蛋白质) 的扩散，从而使传质速率减小。 膜接触所用的膜大多数都有均匀的膜孑l 径，因此对给定的化学体系，这种膜 有固定的穿透压力。然而据报道f 3 l 也有一些非对称的膜，当两流体间的压差大于 大孔两侧而小于小孔两侧的卸时，两流体的接触界面可控制在膜孔中而非膜孔 出口处。其优点是界面的移动可以使更多的膜孔被传质阻力相对小的流体占据， 因而能减小膜的阻力1 9 】o 1 2 3 膜组件 图1 3 ：l i q u i c e l 型中空膜接触器 中空纤维膜组件相对于其它的膜接触器能提供最大的比表面积。具有工业应 用价值的中空纤维膜组件可简单分为“平行流组件 和“错流组件”两种。其中 6 浙江工业大学硕士学位论文 最为经典的工业应用模型如图1 3 所示。 “平行流 组件的特征是管程与壳程的流体以并流或逆流的形式平行流动。 这种组件形式突出的优点是制造工艺简单，造价较低，因此它也是工业上最常用 的。但由于在平行流组件中纤维通常是不均匀装填的，这容易导致壳程流体的不 均匀分布，进而影响传质效率。 o r ；晔 f l u i d 謦l 硼l f i t , i d 2 i r _ 一 f l u i d i l 2 伽t 图1 - 4 带有多孔中心分配管和折流板的中空纤维膜接触器 为了改进“平行流组件 存在的一些不足，发展了“错流组件 l l , l o 这种组 件主要的特点是引入了多孔中心分配管和折流板，如图1 4 所示。分配管的存在 一方面能使中空纤维膜以某种特定形式的编织结构分布在中心分配管周围，从而 最大程度地保证了纤维的均匀分布；另一方面它的存在促进了流体在壳程的均匀 分布。折流板的作用一方面是减少在壳程发生短路的可能性：二是它能产生一个 垂直与纤维表面的分速度，从而提高了传质系数。但它的缺点是封装困难，而且 造价较高，这也限制了它在工业上的应用。工业上由于纤维束之间的空间分配不 均，传质系数小于实验室的值。c u s s l e r 等人i 提出将纤维编织成织物可以使纤 维之间的空间分布均匀，可以提高传质系数，使之接近实验值。 其它更复杂的组件形式有螺旋式膜组件、多密封圈式组件和编制拉网式组件 等【1 2 】。尽管这些组件对传质过程会有一定的促进作用，但它们的结构与制备都 过于复杂，而且不易得到高的装填密度，因此目前仅限于实验室的应用。 1 2 4 传质过程研究 膜接触器作为一种传质装置，其传质性能是人们最关心的问题。这主要涉及 7 浙江工业大学硕士学位论文 两方面的内容，一是传质比表面积的计算；二是传质系数的预测。膜接触器所能 提供的接触面积是确定的，即是膜的表面积，这也是膜接触器突出的优点之一。 这里需要强调指出的是它不是孔面积而是整个膜面积。p r a s a d 等人1 1 3 - 1 4 】的实验 表明，即使膜的孔隙率只有3 ，接触面积也大致等于整个膜面积。因此，在膜 装置的设计中，预测传质系数的是一个重点也是难点问题。 对于通常使用的平行流组件和错流组件，膜接触器内的传质过程可简单分 为：管程传质、通过膜的传递和壳程传质。因此，总传质系数可用式( 1 2 ) 计算。 因此，问题就转化为各分传质系数的计算。 通常，膜传质系数可以用下式计算： k m - - 丝 ( 1 - 7 ) 1 _ l 讫 其中为孔隙率；d 为扩散系数；r 为曲率因子，它一般是个经验值：三为膜 壁厚。对于气体通过微孔膜的扩散，通常认为是努森扩散、分子扩散或者是介于 二者之间的过渡扩散1 1 5 】。具体为何种形式的扩散取决于努森数的大小。 另外一种确定膜阻力的实验方法是w i l s o n 曲线法。应用此法的前提是管程 或壳程的传质阻力可忽略不计；同时，管程或壳程的传质阻力与流速的某次方呈 正比具体的计算方法可参阅g a b l e m a n 的文献【1 1 。 壳程传质问题相对比较简单，一般情况下可以用l e v e q u e 方程来计算平均 s h e r w o o d 数： 6 2 g z = 1 6 2 f ，盟 l ，3 ( 1 - 8 ) l 哦 其中勋和g z 分别指s h w e w o o d 数和g r a e t z 数。式( 1 - 8 ) 是管内传质g r a e t z 问题在g z 数较大时的近似解。当g r a e t z 数较大时，用此式预测膜接触器管程 传质系数有较好的精度【1 1 , 1 6 】。管程传质中一个比较复杂的问题是纤维尺寸分布对 传质的影响。对此，在假设纤维内径分布符合高斯分布的基础上，w i e k r a m a s i n g h e 等人1 1 2 1 给出了这种条件下管程传质系数的计算公式： 是早均睥伍推数：在把申空纤维吏的直径看作 罡一致分南得到s h 腹 t = d ，- h - 区。t 圆 曩致通过胄帆整酸咒谴的腹 l 垦无阻磅扩散岂腹 l 宄淌水谘缓时可有出类戗的表选式 蕊= 饼剐l 呻心船o & o ” y d b - - 1 2 鞋r f 村汴”s 一” 强_ - - - - o 0 1 c i c z s i r - - g i r * 跗雌0 完层平行藏动 4 i 蕊= o 1 5 r t 。* 。” s h = o 1 2 j 盛 s k - - - 6 0 g ：6 斯一i ，2 5 f 七 弱0 9 r e o - - p ” 壳层蟠疽 船1 强& 。，强= 1 翔疆p ”“& 9 ” - 锖= o 慨o ”& o 。 强0 6 l j k o 摹j 眇+ 铥：1 4 3 r e o ”髟6 g k = o 2 4 4 r e 眦尹” 对于睫水性纤维：b 为5 8 ：对于紊水性纤维 b - - 6 1 0 ( 1 t e ( 5 0 0 10 0 4 o 4 0 5 b e 5 0 01 耷- - 0 0 3 g z 6 0 ：纤维排列紧密 霸玟纤维庸之闭有由攘关联式建立在分敲系数詹确度有疑日的基础上 腹表面不断更斩靳蛘苑俘2 1 k e ( 3 2 4 l0 3 2 ( 2 5 适用范围与上武相同k e 1 1 畚武葳g z 1 1 应用子伴随者化举反应的气傩暇收的蹙彤腹接触嚣审1 ( 3 a 1 0 0 0 ；l g s c 1 0 0 0 1 3 e 2 5 ：= o 1 0 ： 1 k e 2 5 ：参：o 0 7 ： 0 6 b e 4 9 ：参：o 0 0 3 ： 适用于磙孔景乙烯中空纤维腹的无泡蓐气 适用于密封的申空纤维席的无翘雉气不受喷射苑控制 中空纤缝籀罨邕s 搬6 * & 6 。用匹砷结构建立的平均关联式0 0 1 徂。 1 0骆；0 s 2 船6 “& ”用匹砷结构建立的平均关联式 徂 o i l _ u t i 的聚四氟乙烯 0 2 p x n 的聚四氟乙烯。吉林大学的马玖彤等1 6 4 】人用中空纤 维膜蒸馏处理1 0 m g l 甲醇水溶液，使甲醇含量降到0 0 3 m g l 以下。膜蒸馏还可以 用于回收废液中乙醇，钟世安等【6 5 】人用减压膜蒸馏技术回收茶多酚一乙醇一废 水溶液中乙醇，处理量为5 5 l m 2 - h ，料液中乙醇为2 5 ( 质量分数) ，膜通量3 5 0 8 l m 2 h ，馏出液乙醇3 4 0 2 ( 体积分数) ，茶多酚截留率9 9 6 ，减压膜蒸馏 具有膜通量大、成本低、分离效果好的特点。 1 3 2 2 渗透汽化 图1 - 9 渗透汽化流程示意图 渗透汽化( p e r v a p o m t i o n ) ，又称渗透蒸发，这种方法特别适用于分离沸点 相近的混合物及共沸物( 如醇和有机酸的脱水等) ，已经越来越广泛地应用于很 1 9 b 一 一 浙江工业大学硕士学位论文 多工业领域，如石油化工、医药、食品、环保等。如日本m i c h i ot s u y u m o t 0 1 6 6 1 等人采用活性聚丙烯腈p a n b 5 分离乙醇一水溶液。该膜组件的总有效膜面积为 1 2 0 0 m 2 ，当料液为9 1 ( 质量分数) ，流速为1 0 0 k g l 时，得到9 9 8 ( 质量 分数) 无水乙醇。采用该膜组件异丙醇脱水也相当成功，总投资仅为普通蒸馏的 1 3 1 5 ( 经济比较见表1 5 ) 。 表1 5 乙醇溶液脱水的经济比较( 产量1 5 0e ：1 5 0k l d a y , 进料：9 4 9 0w t e 醇，产品：9 9 8 w t 乙醇) 近几年，渗透汽化的研究开发焦点主要集中在膜材料的选择和制备上。高分 子复合膜依旧是研究的热点：u d a y as t o t t 等1 67 】提出用藻酸钠和接枝树脂的聚丙 酰胺制成的复合膜渗透汽化分离异丙醇一水混合物。研究结果显示藻酸钠和接枝 树脂的聚丙酰胺质量比为7 5 ：2 5 时效果最好，当水的进料浓度为1 0 和2 0 ( 质 量分数) 时，它的渗透分离指数达到最高值，分别为4 3 4 l 和9 7 2 3 。g d h a n u j a 等1 6 8 】人的实验采用高分子复合膜分离异丙醇一水溶液，该膜材料选用8 4 脱乙 酰基壳聚糖和聚合丙稀酸混合制成，研究结果显示：当壳聚糖比例为6 0 时，对 分离8 7 5 ( 质量分数) 的异丙醇一水溶液效果最好。近年来也有人以天然物质 为原料制膜，如v i n i t ad u b e y l 6 州等人采用由除去a c e t o b a c t e rx y l i n u m 细菌蛋白 浙江工业大学硕士学位论文 质制得的纤维素膜来分离乙醇一水溶液，实验中发现：当进料乙醇得浓度在7 0 以上时，该膜仍能渗透9 5 ( 质量分数) 的水，对水的选择系数在1 2 5 1 2 7 范围内，渗透汽化分离指数p s i ) b10 4 9 m 2 h 。m a s a k a z uy o s h i k a w a 7 0 1 等人采用凝 胶一聚酰胺膜( 凝胶为天然聚合物) ，效果良好。除上述以外，藻酸钠填充的 m c m - 4 1 中孔分子筛纳米复合膜7 1 1 、壳聚糖和藻酸钠混合膜7 2 1 和聚乙烯醇一沸石 合成膜1 7 3 】等新种类的膜在醇水体系分离中的应用也十分成功。现有的渗透汽化 膜中以上优先透水膜已经比较成熟，优先透醇膜虽然也是研究的热点，但尚未取 得很好的进展。 渗透汽化目前还可应用于工业废水中醇的回收，如a m u r t i a g a 7 4 1 等人从 废水( 7 6 7 水、1 7 异丙醇、3 4 盐酸和2 9 氯化钠) 中回收浓缩得至1 j 9 9 7 ( 质量分数) 异丙醇，这说明该膜分离过程在环保领域的应用前景也非常可观。 德国g f t 公司在渗透汽化的工业化进程中发挥了关键作用，该公司在7 0 年 代末开发出了性能良好的聚乙烯醇一聚丙烯腈复合膜，该膜为优先透水的膜，其 通量达到了工业化所要求的最小标准。1 9 8 2 年g f t 公司在巴西建立了全世界第 一个乙醇脱水制无水乙醇的小型工业装置，每天生产能力1 3 0 0 l 浓度为9 9 2 的乙醇。此后，l u r g e 公司在德国一个造纸厂建立了一个生产能力达6 0 0 0 - 1 2 0 0 0 l d 的乙醇脱水装置。在以上实践的基础上，g f t 公司于1 9 8 9 年在法国 b 6 t h e n i v i l l e 建成世界上首台工业渗透汽化装置( 平板式) ，生产能力为1 5 0 m 3 d ， 进料为9 4 的乙醇溶液( 几乎是恒沸物) 。若产水为含水0 2 ( 体积分数) 的 乙醇，则每小时可得5 t 产品，相当于脱水量2 4 0 k g h ；若减小处理量，则产品含 量可降至o 0 5 ( 体积分数) 。渗透物含乙醇2 0 ，可以回流到精馏塔的适当位 置1 7 5 】。日本在渗透汽化的研究也比较突出，如o h g a k i 公司用8 7 ( 质量分数) 的异丙醇为原料，用渗透汽化直接制备无水异丙醇，每小时处理5 0 0 k g 料液，费 用为3 9 2 日元瓜g 异丙醇，而恒沸精馏则需要6 0 3 日元k g 异丙醇。日本t e x a c o 公司还采用共沸精馏一渗透汽化联合工掣7 6 1 ，用渗透汽化将溶液浓度从8 5 ( 质 量分数) 提高到9 5 ，然后用恒沸精馏进一步提纯。这一工艺的优点在于此浓 度的料液浓度较高，即水的含量低，有可能找到比苯更好的共沸剂。v e e r l ev a n h c o f 等f 7 7 1 对该过程进行了实验，并做了经济比较：该联合工艺比用苯一共沸精 馏工艺节能3 0 4 0 ，总投资可减少4 9 。 2 l 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 3 膜接触器 膜接触器( m e m b r a n ec o n t a c t o r s ) 是在两相不混溶的情况下实现气液或 液液分离的膜分离过程，与传统接触器相比，膜接触器能提供比传统的接触设 备大5 0 0 倍的接触面积( 液液接触) 1 7 8 】，两流体的流速可分别独立控制，装置 具有操作范围广、弹性大、传质效率高等优点。2 0 0 3 年，张国亮和e l c u s s l e r t 4 5 4 叼 提出一种可用于精馏过程的新型膜接触器。该膜接触器采用非选择性的微孔聚乙 醚( 涂有7 p m 聚二甲基硅氧烷) 中空纤维膜代替传统的精馏填料，并将之应用 于异丙醇一水体系的分离。该膜接触器能将异丙醇浓度从0 0 3 m o u l 迅速提高到 0 6 2 m o l l 。实验结果表明：该膜接触器组件的传质系数k a 很大，且能通过普通 的膜改性手段增大k a 值；即使在低流速下，k a 也不减小，操作弹性大；在现有 最新分离方法的基础上可进一步减少至少l o 以上的能量耗损。j a eb i nc h u n g 和j o n a t h a np 【7 9 】等人随后进一步采用聚砜中空纤维膜、用硅