中空纤维复合膜分离有机蒸汽/氮气系统的研究

论文题目: 中空纤维复合膜分离有机蒸汽/氮气系统的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工艺

作者: 何春红

导师: 刘家祺

关键词: 中空纤维复合膜,有机蒸汽,气体膜分离,模型

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 炼油厂在向贮油罐、油槽车、油罐车装卸油品时产生大量挥发性有机蒸汽（VOCs）,必须加以回收利用。目前所采用的有机蒸汽的回收方法都有各自不足之处,采用膜法分离回收VOCs具有高效、节能、操作简单和不造成二次污染等优点。本文以回收油品装卸过程产生的有机蒸汽为研究内容,对中空纤维复合膜、气体膜分离技术和数学模型进行了研究。本文选取了4种中空纤维基膜、3种硅橡胶涂层材料,采用浸渍涂敷法制备了多种中空复合膜。考察了硅橡胶浓度、催化剂用量、交联剂用量等因素对复合膜分离性能的影响,得到了最佳制膜配方和制膜条件。采用热处理的方法对基膜进行了改性,结果证明基膜的物理结构对复合膜的分离性能有影响,并且得到不同基膜的最佳热处理条件。实验结果表明以经过393.2K、12min热处理的PVDF为基膜和RTV-107为涂层制备的复合膜分离效果较好。采用扫描电镜、红外光谱和XPS等表征方法对硅橡胶涂层、基膜以及中空纤维复合膜的结构和性能等进行了剖析。考察了原料气的压力、原料气流速、原料气浓度、操作温度和透过气压力等工艺操作参数对RTV-107/PVDF复合膜气体分离性能的影响,得到最佳工艺条件下正己烷、正庚烷的渗透速率分别为1.4×10-7、1.5×10-7mol/（m2·s·Pa） ,正己烷/氮气、正庚烷/氮气的分离因子分别为90、474。制备了填充型复合膜,考察了不同填充剂类型、用量对膜性能的影响。填充剂的加入提高了膜对正庚烷的选择性,增大了正庚烷的渗透速率,降低了氮气的渗透速率,同时适量的填充剂可明显增大膜机械强度。研究了基膜形态结构对分离性能的影响,建立了改进的DGM模型,提出基膜的双结构模型,考察了基膜致密层有效孔隙率ε/τ、努森扩散系数K0以及涂层厚度等对复合膜传质阻力的影响。对采用RTV-107/PVDF自制中空纤维膜组件的有机蒸气回收工艺过程,建立了逆流设计型数学模型。研究了原料气压力、透过气压力、原料气处理量、透余气浓度等不同操作条件和分离要求对膜面积的影响。并对中空纤维复合膜有机蒸气回收的气体膜分离中试装置进行了初步设计,提出了中试装置设想和实验流程。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

前言

第一章 文献综述

1.1 概述

1.1.1 膜分离技术的进展

1.1.2 有机蒸汽废气的处理方法

1.1.3 VOCs膜分离技术

1.2 气体膜分离原理

1.2.1 微孔扩散模型

1.2.2 无孔膜的传递

1.2.3 复合膜和非对称膜的阻力模型

1.3 膜分离法应用于有机蒸汽的分离和回收

1.3.1 膜材料

1.3.2 复合膜的制备

1.3.3 膜的改性

1.3.4 气体分离膜组件

1.3.5 中空纤维膜组件的模型化

1.3.6 有机蒸气膜分离的现状

1.4 论文的研究背景及主要内容

第二章 实验装置和实验方法

2.1 实验试剂和仪器

2.1.1 气体分离实验流程及设备

2.1.2 膜组件的研制

2.2 实验方法

2.2.1 复合膜分离性能的评价方法

2.2.2 原料气和透过气的成分分析方法

2.2.3 膜的分离性能评价参数

2.3 中空纤维复合膜的表征方法

2.3.1 SEM法测定膜的断面和表面结构

2.3.2 红外光谱法测定官能团

2.3.3 X射线光电子能谱分析

2.4 小结

第三章 中空纤维复合膜的制备与表征

3.1 中空纤维复合膜的制备

3.1.1 制膜原料及试剂

3.1.2 基膜的选取

3.1.3 涂层的选取

3.1.4 制膜过程

3.2 制膜过程影响因素分析

3.2.1 基膜对气体分离性能的影响

3.2.2 基膜热处理对复合膜有机蒸气/氮气分离性能的影响

3.2.3 制膜条件的影响及其优化

3.3 中空纤维复合膜的表征

3.3.1 X射线光电子能谱分析

3.3.2 扫描电镜分析

3.3.3 红外光谱分析

3.4 小结

第四章 有机蒸汽/氮气分离性能的研究

4.1 实验测定结果及影响因素分析

4.1.1 原料气压力的影响

4.1.2 原料气浓度的影响

4.1.3 原料气流速的影响

4.1.4 透过侧压力的影响

4.1.5 操作温度的影响

4.1.6 操作方式的影响

4.1.7 不同有机物分子量的影响

4.2 推荐工艺操作参数及分离性能

4.3 小结

第五章 填充型中空纤维复合膜的研制和对于有机蒸气/氮气的分离性能

5.1 填充型复合膜的制备与表征

5.1.1 填充剂性能测试

5.1.2 填充型复合膜的制备

5.1.3 填充型复合膜的机械性能测试

5.2 填充型复合膜的气体分离性能测试

5.2.1 填充剂类型的影响

5.2.2 填充量的影响

5.2.3 填充型复合膜的气体分离性能

5.2.4 适宜操作参数及分离性能

5.3 小结

第六章 中空纤维复合膜模型探讨

6.1 概述

6.2 模型

6.2.1 均质涂层

6.2.2 多孔支撑层

6.2.3 多孔支撑膜的双层结构模型

6.3 模型参数的确定

6.3.1 支撑基膜的结构参数K_0，B_0，m，ε/τ的求取

6.3.2 双层结构参数K_(0i)、B_(0i)、m_i、ε/τ_i的求取

6.4 模型验证

6.5 复合膜结构参数对有机蒸汽渗透性能的影响

6.6 小结

第七章 膜组件及工艺流程的设计

7.1 数学模型推导过程

7.2 计算软件及使用方法

7.3 汽油蒸气回收过程的设计

7.3.1 设计要求

7.3.2 工艺流程的选择

7.4 分离性能影响因素分析

7.4.1 原料气处理量的影响

7.4.2 原料气组成的影响

7.4.3 原料气压力的影响

7.4.4 透过气压力的影响

7.4.5 透余气浓度的影响

7.5 中试装置的初步设计

7.5.1 原始数据

7.5.2 设计结果

7.5.3 中试装置分离流程

7.6 小结

第八章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

发布时间: 2009-06-23

参考文献

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