论文题目: PDMS/PS中空纤维复合膜回收催化裂化干气中氢气的实验与理论研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工艺
作者: 白跃华
导师: 刘家祺
关键词: 气体分离,复合膜,氢气,串联阻力模型,边界层
文献来源: 天津大学
发表年度: 2005
论文摘要: 催化裂化干气中含氢量非常可观,利用气体膜分离技术回收干气中的氢气的研究已成为关于能源和环境的重要课题之一。对于高渗透速率和高渗透选择性的PDMS/PS中空纤维复合膜的研制开发和氢气膜分离过程传质机理的研究都是非常重要的研究内容。本论文以从催化裂化干气中回收氢气分离过程为研究内容,采用PDMS/PS中空纤维复合膜对回收氢气分离过程进行了研究。选择聚砜(PS)中空纤维膜作为复合膜的基膜,为了弥补基膜致密层上的缺陷孔,选择透气性能优异的硅橡胶(PDMS)作为涂层材料。硅橡胶仅起到堵孔弥补缺陷的作用,起主导分离作用的是聚砜基膜的致密层。采用浸渍涂敷法制备了PDMS/PS中空纤维复合膜,用扫描电镜、红外光谱和TG/DTA等表征方法对硅橡胶涂层、聚砜基膜以及中空纤维复合膜的结构和性能等进行了剖析。其次,考察了基膜结构、基膜热处理温度、基膜热处理时间、PDMS浓度、催化剂用量、交联剂用量、交联时间和浸渍时间以及涂敷次数等因素对复合膜气体分离性能的影响。通过分析得到了最佳制膜配方和制膜条件,截留分子量为20000的聚砜基膜分离效果较好。还考察了不同原料气压力、原料气流速、透过气中氢气分压和操作温度等工艺操作条件下PDMS/PS中空纤维复合膜的气体分离性能,氢气渗透速率可以达到16.12GPU,分离因子在40以上。还研究了气体在复合膜中的传质机理,首次将原料侧和透过侧边界层阻力引入到Henis’阻力模型中建立了基于Henis’阻力模型和边界层理论的串联阻力模型。利用串联阻力模型对气体通过PDMS/PS中空纤维复合膜的传递过程进行了研究,估算得到PDMS/PS中空纤维复合膜的结构参数,揭示了边界层阻力对气体分离性能的影响,分析和考察了原料气流速、原料气压力和透过气中氢气分压等操作条件对阻力分布的影响,还分析了复合膜结构参数聚砜基膜致密层孔隙率、致密层厚度、致密层缺陷孔孔径和涂层厚度等对氢气渗透性能的影响,对PDMS/PS氢气分离膜的进一步改进具有理论指导作用。最后,建立了描述氢气膜分离过程的设计型数学模型,该模型是基于气体混合物的线性流速建立的,通用性优于文献中基于气体流量所建立的数学模型,可以广泛用于气体膜分离过程的模拟。采用四阶龙格-库塔法求解数学模型,研究了中空纤维丝长度、原料气处理量和透过气压力等对分离过程的影响。对采用PDMS/PS中空纤维复合膜从催化裂化干气中回收氢气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:
前言
第一章 文献综述
1.1 概述
1.1.1 膜分离技术的发展
1.1.2 氢气膜分离技术的特点
1.2 氢气分离膜材料
1.2.1 高分子材料
1.2.2 无机材料
1.2.3 有机-无机杂化材料
1.2.4 膜材料发展前景展望
1.3 气体在聚合物膜中的渗透机理
1.3.1 气体在均质聚合物膜中的渗透模型
1.3.2 微孔扩散模型
1.3.3 复合膜和非对称膜的阻力模型
1.4 氢气分离膜及其膜组件的开发和膜组件的模型化
1.4.1 氢气分离膜及其膜组件的开发
1.4.2 气体分离中空纤维膜组件及其模型化
1.5 从炼厂干气中回收氢气技术的最新进展
1.5.1 从催化重整尾气中回收氢气
1.5.2 从加氢精制尾气中回收氢气
1.5.3 从加氢裂化尾气中回收氢气
1.5.4 从渣油催化裂化干气中回收氢气
1.5.5 国内应用情况
1.5.6 从炼厂干气中回收氢气的经济效益
1.6 论文的选题及主要研究思路
第二章 气体膜分离实验方法
2.1 实验装置及仪器设备
2.1.1 实验流程及设备
2.1.2 实验室用微型膜组件的研制
2.2 实验步骤
2.3 原料气和透过气的成分分析方法
2.4 描述气体分离性能的参数
2.4.1 渗透速率的计算
2.4.2 分离系数的计算
2.5 中空纤维复合膜的表征
2.5.1 SEM 法测定膜的断面和表面结构
2.5.2 红外光谱法测定官能团
2.5.3 TG 法测定膜的热稳定性
2.6 小结
第三章 氢气分离中空纤维复合膜的制备与表征
3.1 PDMS/PS 中空纤维复合膜的制备
3.1.1 制膜原料与试剂
3.1.2 PS 基膜的选择
3.1.3 涂层材料的选择
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 制膜液组成对气体分离性能的影响
3.2.3 制膜条件对气体分离性能的影响
3.2.4 涂层分离性能的空白试验
3.2.5 最佳制膜液配方和制膜条件
3.3 中空纤维复合膜的表征
3.3.1 SEM 法测定膜的断面和表面结构
3.3.2 红外光谱法测定官能团
3.3.3 TG 法测定膜的热稳定性
3.4 小结
第四章 氢气分离中空纤维复合膜的分离性能研究
4.1 实验测定结果及影响因素分析
4.1.1 原料气流速的影响
4.1.2 原料气压力的影响
4.1.3 透过气中氢气分压的影响
4.1.4 操作温度的影响
4.2 最佳操作参数及分离性能
4.3 小结
第五章 用于描述复合膜气体分离过程的串联阻力模型
5.1 串联阻力模型
5.1.1 模型描述
5.1.2 原料侧边界层阻力,R_B
5.1.3 复合膜的阻力R_m
5.1.4 总阻力和阻力串联模型
5.1.5 聚砜基膜串联阻力模型
5.2 复合膜结构参数的确定
5.3 操作条件对阻力分布的影响
5.3.1 原料气流速的影响
5.3.2 原料气压力的影响
5.3.3 透过气中氢气分压的影响
5.4 复合膜结构参数对氢气渗透性能的影响
5.4.1 聚砜基膜致密层孔隙率的影响
5.4.2 聚砜基膜致密层厚度的影响
5.4.3 聚砜基膜致密层缺陷孔孔径的影响
5.4.4 涂层厚度的影响
5.5 小结
第六章 氢气膜分离过程的数学模拟
6.1 数学模型推导过程
6.2 氢气膜分离过程数学模型与计算框图
6.2.1 数学模型
6.2.2 计算框图
6.2.3 迭代初值的选择
6.3 分离性能影响因素分析
6.3.1 中空纤维丝长度的影响
6.3.2 原料气处理量的影响
6.3.3 透过气压力的影响
6.4 中试装置的初步设计
6.4.1 原始数据
6.4.2 设计结果
6.4.3 中试装置分离流程
6.5 小结
第七章 结论
参考文献
附录
发表论文和参加科研情况说明
致谢
发布时间: 2006-05-24
参考文献
- [1].硅橡胶（PDMS）复合膜结构及渗透蒸发应用研究[D]. 石尔.四川大学2007
- [2].聚二甲基硅氧烷/二氧化硅复合网络及环氧树脂/聚二甲基硅氧烷互穿网络的研究[D]. 贾丽亚.北京化工大学2007
- [3].PDMS膜分离气体混合物的传质机理及模型化[D]. 林东杰.北京化工大学2012
- [4].基于PEO-b-PDMS-b-PEO与FPEO-b-PDMS-b-FPEO水性聚氨酯合成、表征及性能研究[D]. 李维虎.中国科学技术大学2009
- [5].基于PDMS气动阀的微流体控制方法及其应用研究[D]. 王欣.东北大学2011
- [6].基于PTFE微粉和PDMS材料渗透汽化膜制备及其性能表征[D]. 孙德.华东理工大学2014
- [7].聚硅氧烷/聚苯醚共聚物膜的制备及其优先透醇性能研究[D]. 刘威.北京工业大学2014
- [8].硅水凝胶互穿网络材料的制备与性能研究[D]. 汤琦.东华大学2010
- [9].纳米碳纤维块体的制备及其应用研究[D]. 葛翔.华东理工大学2016
- [10].高分子—金属有机框架杂化膜的制备与渗透蒸发过程强化[D]. 于胜楠.天津大学2016
相关论文
- [1].中空纤维复合膜分离有机蒸汽/氮气系统的研究[D]. 何春红.天津大学2005
- [2].聚醚酰亚胺阻力复合膜的制备及其性能研究[D]. 张玲玲.大连理工大学2010
- [3].聚烯烃中空纤维膜结构及其气体分离性能的研究[D]. 王建黎.浙江大学2002
- [4].中空纤维膜及膜接触器传质特性的研究[D]. 郑巨孟.浙江大学2003
- [5].热致相分离法iPP中空纤维微孔膜及其形态结构研究[D]. 杨振生.天津大学2005
- [6].醇脱水中空纤维渗透汽化膜及组件的研究[D]. 董永全.浙江大学2006
- [7].新型疏水性中空纤维膜结构填料及其精馏分离机理与特性的研究[D]. 张国亮.浙江大学2007
- [8].膜分离过程的优化与控制方法研究[D]. 王磊.大连理工大学2007
- [9].PPESK中空纤维气体分离膜的研究[D]. 富海涛.大连理工大学2007
- [10].硅橡胶（PDMS）复合膜结构及渗透蒸发应用研究[D]. 石尔.四川大学2007