吹扫气改变下游侧压力条件对致密膜分离二元混合物性能的影响外文翻译资料

 2022-08-04 21:05:14

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

吹扫气改变下游侧压力条件对致密膜分离二元混合物性能的影响

摘要

通过实验和理论，研究了惰性气体吹扫下游侧在部分真空工作条件的致密聚合物膜组件的分离性能的影响，例如在气体渗透，蒸汽渗透或渗透汽化中可能遇到的情况。已测试了下游端的各种情况，包括理想的真空泵（即无泄漏条件下的零下游压力）到大气压下的惰性气体吹扫。先前针对单一渗透情况开发的理论框架已扩展到多组分案例。通过致密的硅橡胶膜分离甲醇和2-丙醇，证实了这种简单的建模策略能够在可变的下游压力和惰性气体流量条件下对渗透物成分进行定量预测的能力。基于此观察结果，讨论了惰性气体对全蒸发或气体分离操作的影响，特别是与系统的整体能耗或利用气体吹扫的分析设备的关系。

介绍

通过致密膜工艺分离二元气体（气体渗透，蒸气渗透）或液体（渗透汽化）混合物已受到相当多的关注，在化学，食品和制药行业已经受到了广泛的关注和应用。任何膜分离过程的基本前提是要根据化学势梯度为进料混合物的每种化合物提供特定的驱动力，传质的本质是渗透选择性的差异。证明跨膜分压差在建立良好的溶液扩散模型中起着相应的作用。从根本上讲，这可以通过在膜的上游侧施加压力，或在下游侧减少压力，或者两者结合来实现。例如，上游压缩最常用于气体分离，而在下游侧进行真空抽气则是经典的蒸汽渗透操作方式。有时还会发现压缩和真空操作相结合，例如对于某些蒸汽渗透操作。

这些不同的操作模式很少有区因为分离性能基本上取决于所谓的压力比(即 p下/p上 ) ， 压力比是膜分离中的关键操作参数。但是，当考虑实际操作条件时，会出现一个重要的明显特征：由于存在不完美（即严格不渗透）的配件，连接件和接头，在真空下工作不可避免地会增加一定量的惰性气体进入下游侧。我们最近报道了研究纯化合物通过致密膜的渗透时，这种理想的情况会出现但不可避免的现象的重要性。结果表明，即使很小的泄漏，例如在经过精心设计的实验室安装中可以实现的泄漏，也可以在改变下游压力时强烈影响渗透通量的变化。这项研究的目的是将先前的分析扩展到两种渗透情况，以便在分离二元混合物时可以评估惰性气体进入的影响。该研究的总体框架如图1所示。

图1.这项研究的总体框架：由于致密膜在其下游侧暴露于部分真空中，因此总是可以视为连续的恒定呈气态或液态的二元混合物（化合物1和2）。惰性气体入口（流量 Qt）叠加在下游侧，目的是（扫气渗透或气体分离，带有混合物渗透池或偶然。载气通过膜材料的渗透率应被认为足够低，以使得从下游到上游隔室没有明显的气体损失。

已经针对图1所示的情况进行了大量研究。 用于多孔膜分离或反应系统。在后一种情况下，必须考虑通过粘性或表面机制从下游向上游渗透的载气量。不可忽略这种效果使情况变得复杂，需要进行复杂的开发，与多组分传质框架理想地兼容。

这里将考虑一种更简单的情况，当使用致密的聚合物膜时，这种情况将普遍存在。在那种情况下，选择载气（He或N2），使其通过膜的渗透率通常比进料化合物的渗透率低得多。简单计算表明，在许多情况下，惰性（载气）气体跨膜通量将比渗透通量低两到三个数量级。因此，载气的高渗出率Qrsquo;可以合理地认为是恒定的。令人惊讶的是，这种情况应该对应于上面提到的复杂方法的极限情况，从来没有被清楚地量化过。实际上，对于膜的密集分离，考虑了两种极端情况：

(i)为了简单起见，最常简单地忽略惰性气体进入现象。在这种情况下，假定只有两种化合物（即两种渗透剂）参与真空侧的下游压力。当期望分离过程的分析解决方案时，例如最近报道的一种通过全蒸发回收VOC的分析解决方案，这种简化的假设很有吸引力。

(ii)有时会研究另一种完全不同的情况，即利用惰性气体在膜的下游侧进行故意吹扫。例如，为了维持由惰性气体稀释法产生的驱动力，有时不建议在下游侧进行大气压下的全气蒸发，而无需使用真空泵。在空气干燥的情况下，还显示了部分滞留物作为吹扫气体的再循环具有更大的潜力。

这两种基本不同的技术（真空抽气或扫气）通常被分开考虑。而且，就我们所知，无论是从理论上还是从实验上，都没有令人惊奇地从未考虑过整个中间情况范围（即在中等真空下进行中等扫频）。对两者之间的任何情况进行理性分析和严格理解将很有价值，并且可能会提出改进的分离效率和能耗方面的操作模式。下文描述的工作旨在基于一系列实验和数值计算来消除该差距。

图2.总体实验设置：（1）氮气质量流量计，（2）膜组件，（3）进料容器，（4）下游压力表，（5）高灵敏度压力阀，（6）真空泵压力表，（ 7）冷阱，（8）真空泵，（9）恒温烤箱，和（10）氮气瓶。

材料和方法

实验所用的实验室规模装置如图2所示，由一个有效膜面积为78.5 cm2的不锈钢渗透池组成，安装在一个可控温度的烘箱内，以确保池周围的恒温条件（除位于培养箱外部的冷阱）。组件是圆柱形的双壁容器，通过Rushton涡轮机以1000 rpm的速度进行机械搅拌； 通过外部油循环（plusmn;0.1℃）将其恒温至40℃。 下游腔室的高度足够大（大约1 cm的高度），以使在运行条件下的轴向压降可以忽略不计。

在渗透侧，真空泵（阿尔卡特1012A）提供必要的驱动力（最低下游压力约15 Pa）。下游总压力由精密压力计（Edwards EMV 251，精度为plusmn;100 Pa）监控，由于采用了高灵敏度压力阀，可将其调节至恒定值，建议用于受控真空度应用（Balzers UDV 040）。该选择很重要，因为可以实现被动压力控制，不需要温度变化或惰性气体进入。 在一定时间后，从收集在冷阱中的化合物的重量确定渗透通量，然后通过气相色谱法（TCD检测器，N2载气，Porapaq Q柱）分析冷凝物。解冻后，将收集的渗透物重新注入容器中，以确保就保留物组成而言具有恒定恒定条件（每次分析通常采样1克渗透物，而进料容器中则为250克）。对于每组操作条件，至少要进行三个渗透率测量，并显示出良好的可重复性，反映平均恒定状态操作（差异低于5％）。

根据已经详细描述的程序确定安装的平均泄漏水平（在运行条件下）：在静态真空条件下（即在关闭与真空泵的连接阀后， 图2中的＃5）。根据先前的研究，泄漏值在1-5times;10-7mol s-1范围内。 还进行了所谓的“控制泄漏实验”。 在这种情况下，由于连接到气瓶（如图1所示）上的质量流量计（Brooks 5850TR）而产生的干燥氮气流被扫到了渗透池的下游。

整个研究过程中使用的膜是致密的聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜，由Sigma Medical（Dow Corning的SilasticTM）购买，厚125mu;m，安装在不锈钢板烧结支撑（购自Poral， 法国）在下游面上，而VitonTM O形圈在上游面上。 用于制备进料混合物（甲醇和2-丙醇）的化合物为分析纯。 进料混合物的浓度以甲醇摩尔分数为基础系统地表示如下。

结果和讨论

理论框架

从图1中所示的一般情况开始，可以提出一组方程式的方程组，以便计算恒定状态条件。类似于任何膜分离问题，目标是针对给定的一组操作条件，确定每个均值的跨膜通量，以便可以计算出整个跨膜流量（Q）和下游成分（y）。这里必须考虑两个主要的贡献：在下游隔室中用作稀释剂的确定的惰性气体流量Qrsquo;与根据溶液扩散模型描述的经典膜渗透过程相叠加。结果，两种渗透物跨膜流速Q1和Q2将取决于严格的膜运输与惰性气体影响之间的相互作用。对于可变的下游压力和给定的惰性气体流量Qrsquo;，即使对于最简单的情况（例如假定恒定的渗透能力且没有耦合条件的情况），也无法获得分析溶液。在这种情况下，必须执行以下非线性代数系统的数值解析：

其中1和2代表进料混合物中的两种化合物。 A是膜的表面积，z是膜的厚度。 Pi对应于膜对化合物i的渗透性； Q是泄漏（即惰性气体）流量，y是下游侧摩尔分数，p是总下游压力。 对于气态或蒸气进料混合物，p i通常对应于上游隔室中化合物i的分压，条件是保持理想的气体条件。 对于液体进料混合物，由于经典的活度系数模型通过以下方式，必须根据气液平衡数据计算出复合气压（pi）：

通过方程组提出的理论框架。 （1）看起来异常简单。 实际上，最近已证明在不存在惰性气体贡献的情况下，可以提供对渗透汽化实验结果的正确描述。 方程组（1）的假设如下：

  1. 假定在膜的上游和下游都进行了完美混合。 预期前者在给定搅动水平的情况下会保持不变，这是本研究的结果。 在先前的工作中，已经对使用纯化合物进行的工作进行了检查，这些工作是在相同的条件下以相同的装置进行的。
  2. 传质阻力仅存在于膜中。 没有考虑界面阻力（即由边界层贡献引起的浓度极化效应）。 鉴于低极化系数，可以满足此标准，可以针对此处使用的实验系统进行计算（即适度的选择性和约150micro; m的厚膜）。 此外，所研究的进料混合物已保持足够的浓度，以使在实验过程中原料罐中不会发生明显的成分变化。
  3. 与许多计算研究相似，在此阶段，通量耦合被认为可以忽略不计。 可以预期这种假设对于不凝性气体分离将成立，但是对于某些渗透汽化系统来说，这种假设是失败的。 即使使用耦合系数与通过等式（1）表达的方法不兼容，也将极大地使模型复杂化。 而且，这些系数的很大程度上不确定的特征将导致过多的可调参数，并且总体上导致曲线拟合方法学。

显然，一旦考虑了实际的工业系统，这些假设中的每一个都可能无法成立。 然而，这项工作的总体思路是，第一步评估将等式（1）表示的简单方法应用于模型实验室演说系统以充分满足上述标准时，该方法是否足够。 如果已验证该方法的内在一致性，则可以在第二步中执行复杂的计算以模拟实际的工业操作。 例如，可以很容易地将栓塞流条件，可变的膜片渗透率，通量耦合或轴向压降应用于框架进行数值计算。

图3.通过等式（1）（曲线）获得的预测值与准泄漏条件（无载气注入，Q值对应于实验确定的设备泄漏）的实验数据（点）。diams;：总渗透液流量■：甲醇渗透液流量 bull;：2-丙醇渗透液进料混合物组成（甲醇/ 2-丙醇）：（a）25/75（Q = 0.01 lh-1），（b）85 / 15 （Qrsquo; = 0.1 lh-1）。 甲醇和2-丙醇的渗透性数据是根据纯化合物的实验结果拟合得出的。

实验验证

为了评估上述模型的有效性，已经在各种进料组成，下游压力和惰性气体流量条件下对甲醇/ 2-丙醇系统进行了一系列实验。 由蒸汽液体平衡数据计算液体进料混合物中的甲醇和2-丙醇分压。

进料混合物组成对下游压力消失和惰性气体进入条件的影响如图3所示。基于已经针对该系统报告的纯化合物渗透率行为，可以轻松实现分离性能的理论计算。在没有惰性气体进入的情况下（即等式（1）中的Q值可忽略不计），预测值和实验值之间的微小差异证实了该系统简化假设的有效性。

在第二步骤中，将各种水平的惰性气体流速叠加到渗透过程中。 从图4中可以看出，模型预测在没有任何可调参数的情况下获得了对实验结果的出色描述。 可以得出结论，在这个阶段，通过方程（1）表示的模型可以定量预测惰性气体稀释作用对二元混合物分离性能的影响，当达到恒定恒定状态和理想的混合条件时 。

图4.通过等式（1）（曲线）获得的总渗透流量预测值与扫气条件下的实验数据（点）的对比。 进料混合物组成（甲醇/ 2-丙醇）：25/75。 受控载气流量在1 h-1中：bull;: 0; ■: 0.15; diams;: 0:3 和△ : 1.1

恒定渗透条件的系统分析

第二步，通过数值计算对惰性气体流量对渗透通量和组成的影响进行了系统分析。 为简单起见，在此阶段，化合物渗透能力被假定为恒定（严格地说，这种情况更可能适用于通过弹性膜材料进行不凝性气体分离）。 图5中显示了两种不同类型的情况，其中每个标记为1的曲线对应于Ten and Field（2000）方法获得的结果，即在没有惰性气体贡献的情况下。

一般而言，可以看出添加惰性气体流量提供了很大的可能性来调节系统性能，无论是透过流量还是组成位置（图5）。 值得注意的是，当下游压力改变时，获得的曲线系统地显示出单调的增加或减少模式。 数学分析表明，只要渗透能力保持恒定，这种情况就成立。 从基本观点来看，清楚地指出了故意的惰性气体流量对渗透物成分的影响。 从实践的角度来看，以上分析表明在不同的操作条件下（即下游压力和惰性流量），有可能在总渗透通量和组成方面实现相同的分离性能。 此后，我们将得出这些观察结果的两个明显的含义。

图5 总渗透流量与下游压力（a，c）和下游真空侧中化合物1的摩尔分数与下游压力（b，d）的两种不同类型的情况。 通过等式获得的曲线。 （1）恒定渗透率条件下的分辨率：（a，b）渗透率= 0.1，驱动力比= 10，（c，d）渗透率= 10，驱动力比=10。每条曲线上的数字对应于载气 流量为0（1）; 0.01（2）； 0.1（3）; 1（4）; 和10（5）l h-1。

致密膜辅助分析仪

载气的非均相稀释作用可能会对在多组分混合物上运行的分析系统产生深远的影响，并且该分析系统将致密膜与吹扫气体结合使用（通常在大气条件下）。 例如在土壤污染调查或生物过程监测领域，已经报道了这种类型的许多应用。 然后选择气相色谱作为典型的分析技术，以氮气或氦气为载气。 这种策略等效于所谓的Wicke-Kallenbach方法，该方法偶然间被提出，目的是确定不同化合物同时透过膜时的有效渗透率。

这些各种系统的主要目标是通过对渗透物成分的唯一分析来确定液体或气体上游侧的成分。为了达到该目的，然后通常使用对参考化合物表示的简单选择性因子，例如由LaPack，Tou，McGuf-7n和Enke（1994）提出的PDMS膜。然而，一个困难是，系统的预测组成和实际组成之间经常存在差异。通常建议使用诸如渗透作用（即化合物通过界面平衡和扩散耦合

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[262930]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章