PDMS膜分離氣體混合物的傳質機理及模型化.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，在工業(yè)生產中產生的大量二氧化碳以及揮發(fā)性有機蒸汽(VOCs)被排放到環(huán)境中。這些廢氣的排放一方面造成了嚴重的環(huán)境污染，另一方面也浪費了大量的能源。如何回收廢氣中的二氧化碳和VOCs成為越來越迫切需要解決的問題。膜分離技術具有設備簡單，成本低、能耗小、無二次污染等優(yōu)點，近些年來受到了人們的關注。然而膜分離過程的理論研究工作并沒有及時跟上上述工業(yè)化快速發(fā)展的需要。近二十年來的研究工作主要集中于氣體通過玻璃膜的傳質過程;或

2、只是測定一些不凝氣體在橡膠膜中的滲透系數(shù);對膜分離性能的研究也多集中于二組分不凝性氣體。
　　 本論文針對該領域上述研究工作的不足開展工作，選擇最具工業(yè)應用前景的PDMS膜為研究對象。首先從熱力學上解決氣體組分溶解于PDMS膜的熱力學問題，探尋活度系數(shù)的計算方法;在此基礎上進行組分在PDMS膜中傳質過程的機理和模型化研究。最后，將傳質研究的結果用于分析卷式膜組件的分離性能。
　　 論文工作的具體內容包括:
　　

3、1.利用時間延遲法測定了氮氣、甲烷和二氧化碳在不同溫度和壓力下在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)。然后，利用實驗得到的溶解度系數(shù)和相平衡方程求出在這些組分在PDMS膜中的活度系數(shù)。最后，利用非線性擬合的方法得到了這些氣體與膜的相互作用參數(shù)。
　　 2.根據(jù)可凝性氣體的特性（飽和蒸汽壓小于一個大氣壓，塑化作用明顯），綜合時間延遲法和溶解平衡法，提出了測定可凝性氣體在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)的新方法。通過這種方法，測定了

4、正戊烷、正己烷和正庚烷在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和擴散系數(shù)，并得到了UNIQUAC方程中這些氣體與PDMS膜的相互作用參數(shù)。
　　 3.通過分析氣體在膜中的溶解和擴散過程，研究了FICK-HENRY(F-H),FICK-UNIQUAC(F-U)和MS-UNIQUAC(MS-U)三種組合模型用于預測氣體透過PDMS膜的過程。通過比較各模型對于不同氣體混合物的計算結果，分析了它們在預測結果的差異及原因所在，并確定了三種模型的適用范圍

5、。
　　 4.利用N-S方程并結合F-H組合模型，建立了適用于具有工業(yè)應用前景的卷式膜組件數(shù)學模型。通過求解該模型，分析了卷式膜組件結構參數(shù)和濃差極化對分離效果的影響。同時，對基于不同溶解擴散方程(MS-U和F-H)的卷式膜組件模型的模擬結果進行了對比，確定了不同模型的適用體系。最后，基于MS-U模型的卷式膜組件模型，對于不同操作條件下氣體混合物在卷式組件中的分離效果進行了預測。
　　 研究結果表明:對于非可凝性氣體，其

6、相同的壓力和溫度下，組份在PDMS膜中的溶解度系數(shù)和滲透系數(shù)大小與其臨界溫度一致;組份的擴散系數(shù)相差不大。而同種組份的滲透系數(shù)和擴散系數(shù)均不隨壓力變化，而隨著溫度的上升而上升;溶解度系數(shù)隨著溫度的上升而下降。對于可凝性氣體，組份的溶解度系數(shù)和滲透系數(shù)大小也與其臨界溫度一致;組份的擴散系數(shù)與其臨界溫度相反。同種組份的滲透系數(shù)和溶解度系數(shù)均隨著壓力的上升而上升，隨著溫度的下降而下降;擴散系數(shù)隨著壓力變化不大，隨著溫度的上升而上升。對于不同模