PVA-PAA共混膜丙烯脱湿分子模拟与实验研究

论文摘要

气体膜分离技术具有选择性高、能耗低、流程简单、投资少等优点,技术经济性方面优于吸附、吸收和深冷分离等传统气体分离方法;丙烯是石油化工中的一种重要有机原料,其最大用途是生产聚丙烯,在聚合之前原料丙烯必须经过脱湿。本文以丙烯脱湿气体膜分离过程为研究对象,寻找合适的膜材料和改性方法,以提高膜的性能。本研究采用中空纤维复合膜,选用聚砜（PS）作为多孔支撑层,聚乙烯醇（PVA）作为活性分离层,在PVA中共混聚丙烯酸（PAA）以提高其脱湿性能。采用分子模拟和实验两种方法,考察PVA与PAA的不同共混比例对膜结构和分离性能的影响。分子模拟是探索预测膜材料结构及传递性质的有效工具。本文采用分子动力学模拟方法分析了高分子膜的性质,随着PAA含量增多,高分子膜密度变大;高分子链间吸引力变强;自由体积分数减小;玻璃化转变温度增大。分别计算丙烯和水在膜中的吸附量和扩散系数,发现随着PAA含量增多,小分子在膜中的吸附量增大,扩散系数减小。模拟结果表明,共混改性有助于提高水分子与膜的亲和性以及膜对水的分离因子,渗透速率受溶解和扩散过程共同影响,PVA与PAA的共混比例可能存在一个适宜值。实验制备PVA/PS、PVA-PAA/PS中空纤维复合膜用于丙烯脱湿。随着膜中PAA含量增多,原料气的吸附量增加;渗透速率先增加后降低,当PVA与PAA质量比为1:1.2时达到最高;共混膜对水的分离因子高于PVA膜。对高分子膜进行SEM、FT-IR、XRD及DSC表征分析,可知PVA与PAA间具有较强的相互作用;PAA的加入降低了高分子膜的结晶度,有利于提高膜分离性能;从DSC图中得到玻璃化转变温度值,与模拟值吻合较好。此外,考察了操作条件对膜分离性能的影响,发现随着原料气湿度的增大或操作温度的降低,膜渗透速率均增大。研究结果表明,PVA-PAA共混膜的分离性能优于PVA空白膜。模拟计算与实验结果吻合良好,表明分子模拟技术在分析膜的微观性质、气体与膜材料的亲和性、预测渗透速率和分离因子方面有较高价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 文献综述
• 1.1 丙烯脱湿工艺
• 1.2 气体膜分离技术
• 1.2.1 气体膜分离技术概述
• 1.2.2 气体脱湿膜材料
• 1.3 气体膜法脱湿研究现状
• 1.3.1 丙烯膜法脱湿
• 1.3.2 天然气膜法脱湿
• 1.3.3 压缩空气膜法脱湿
• 1.3.4 其他气体膜法脱湿
• 1.4 分子模拟技术
• 1.4.1 分子动力学模拟的发展
• 1.4.2 分子动力学模拟的基本原理
• 1.4.3 位能模型
• 1.5 分子动力学模拟技术在高分子膜研究中的应用
• 1.5.1 高分子膜结构
• 1.5.2 小分子在高分子膜中的溶解及扩散性能
• 1.6 本课题研究的目的及意义
• 第二章 丙烯脱湿共混膜的分子模拟研究
• 2.1 丙烯脱湿膜材料和改性方法的选择
• 2.2 PVA 空白膜及PVA-PAA 共混膜模型构建
• 2.2.1 分子动力学模拟运算步骤
• 2.2.2 力场及基本参数的选择
• 2.2.3 模拟过程
• 2.3 PVA 及PVA-PAA 共混膜性能研究
• 2.3.1 密度和溶解度参数
• 2.3.2 PVA 空白膜及PVA-PAA 共混膜能量分析
• 2.3.3 自由体积分数
• 2.3.4 玻璃化转变温度
• 2.4 小分子在膜中吸附性能的研究
• 2.4.1 GCMC 模拟方法基本原理
• 2.4.2 吸附模拟计算结果
• 2.5 小分子在膜中扩散系数的研究
• 2.5.1 扩散系数模拟方法基本原理
• 2.5.2 扩散系数计算结果
• 2.6 小结
• 第三章 丙烯脱湿共混膜的实验研究
• 3.1 高分子膜及组件的制备
• 3.1.1 PS 基膜的预处理
• 3.1.2 PVA/PS 中空纤维复合膜的制备
• 3.1.3 PVA-PAA/PS 中空纤维复合膜的制备
• 3.1.4 中空纤维膜组件的制备
• 3.2 气体膜分离实验装置及步骤
• 3.2.1 气体膜分离实验装置
• 3.2.2 气体膜分离实验步骤
• 3.3 气体膜分离性能评价
• 3.3.1 PAA 含量对膜吸附效果的影响
• 3.3.2 PAA 含量对膜分离性能的影响
• 3.4 高分子共混膜的表征分析
• 3.4.1 SEM 分析
• 3.4.2 FT-IR 分析
• 3.4.3 XRD 分析
• 3.4.4 DSC 分析
• 3.5 操作条件对膜分离效果的影响
• 3.5.1 原料气湿度的影响
• 3.5.2 操作温度的影响
• 3.6 小结
• 第四章 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢