孔隙率对膜吸收过程影响的实验研究

采用纯CO2-去离子水和0.1 mol·L-1NaOH溶液为实验体系,选用8种具有不同微观结构的板式膜,研究了膜厚度、孔隙率,微孔形态等对膜吸收过程中传质性能的影响.结果表明,不同的微孔形态(拉伸孔、柱状孔)以及所用膜的厚度对膜吸收过程传质性能的影响较小,在吸收速率较快时孔隙率会影响膜吸收过程的传质性能.同时,还对溶质在液相侧表面的传质行为进行了探讨,结果表明膜孔隙率对膜吸收过程的传质性能的影响与流动状态、反应体系、微孔间距等多因素有关.     

Experimental Study of the Effect of Membrane Porosity on Membrane Absorption Process

Abstract

Five kinds of expanded polytetrafluoroethylene (ePTFE) flat membranes with different porosity and micro‐pore size were chosen to carry out the unsteady state gas absorption experiments. The influence of the membrane porosity and micro‐pore size on the membrane absorption process was investigated. Experimental results showed that the membrane porosity had an impact on the membrane absorption process, and the degree of this impact depended on the absorption system and the membrane pore size. For a rapid mass transfer process, the porosity affected the mass transfer more significantly, while for the slow mass transfer process the porosity almost did not affect the mass transfer. The modeling analysis showed that the porosity affected the concentration profile of the solute near the membrane surface on the liquid side, which led to the reduction of the mass transfer area of the membrane. Hence, the apparent effect on the mass transfer of the membrane absorption process.     

基于微吸收器的CO2吸收过程研究进展

微化工技术在流体流动、过程强化、传质与反应过程等领域备受关注,本文归纳整理了3种不同类型的微吸收器（微降膜吸收器、微通道吸收器和微网格吸收器）捕集CO₂过程中的水力学性质和传质过程及其机理研究进展,并对3种微吸收器吸收CO₂过程中存在的问题进行分析总结,同时对微吸收器能快速工业化提出展望。其中重点介绍了微通道泰勒流吸收器的水力学流动特性,包括泰勒流气泡的生成机制、气泡和液弹的长度、气泡的输运和运动速度、气泡截面形状及液膜厚度和气液两相流压降;归纳了微通道泰勒流吸收过程的传质过程机理和传质系数的模型以及不同影响因素（通道截面尺寸,通道长度,主通道结构及入口形状,气、液相组成及其流速,吸收剂和系统压力）作用下CO₂吸收效率和传质系数的研究进展。     

陶瓷膜接触器化学吸收氮氧化物的传质过程与阻力分析

针对选择性催化还原技术(SCR)存在装置大、运行费用高、催化剂中毒失活等问题,将平均孔径为100 nm的Al₂O₃陶瓷膜进行疏水改性并组装成膜接触器,以NaClO₂水溶液为吸收液,开展陶瓷膜接触器在烟气脱硝领域的应用研究。考察了陶瓷膜接触器在化学吸收脱硝中的稳定性,以及气体流量、吸收液浓度、吸收液流量、吸收液pH等因素对NO脱除率和传质通量的影响,基于阻力串联模型,建立总传质系数方程。研究表明,陶瓷膜接触器在连续600 min运行过程中,NO的脱除效率及传质通量分别稳定在99%和0.038 mol·m^-2·h^-1左右。进气流量的增加会促进NO的吸收,吸收液pH=3时具有最高的氧化吸收性能,同时提高吸收液的浓度会增强NO的脱除效果。NO的传质过程同时受气、液、膜三相阻力控制,传质阻力分析结果表明,可以通过增加气体流速减小气相阻力,增加吸收液浓度同时降低pH减小液相阻力。本研究在烟气脱硝领域具有良好的应用前景。     

膜鼓气/吸收法提溴连续吸收过程

以开发节能高效的新型提溴工艺为目的,设计了以中空纤维疏水膜作为布气装置的膜鼓气/吸收（MA-B/A）法连续吸收过程。压缩空气经过布气装置以微小气泡的形式分别进入串联的各级鼓气膜组件,与料液形成对流传质。空气流夹带料液中Br2所形成的空气/溴气混合气透过PVDF疏水膜组件的膜孔与吸收液反应,生成溴的化合物,实现对溴的连续吸收。考察了吸收池液位高度、吸收液流量、浓度、pH、温度、吸收段膜壁厚与组件结构等参数对膜吸收过程性能的影响。实验得到了MA-B/A法连续吸收过程的最佳参数条件。当膜丝厚度为0.15 mm,组件为海藻型,吸收池液位高度为1.5 m,流量为0.5 L?h-1,浓度为0.10 mol?L-1,pH为6~7,温度为70 ℃时,溴的脱除率为82.0%,回收率为76.3%,吸收率高达93.1%。     

新型膜蒸馏传质回热的吸收式制冷循环

提出了传质回热吸收式制冷循环,该循环在溶液回热过程中引入膜蒸馏技术,将传统吸收式制冷循环中的溶液等浓度回热过程转变为溶液变浓度回热过程。同传统吸收式制冷循环相比,该循环的发生过程向低温区移动,这对于低品位热能的利用以及提高吸收式制冷装置的热效率具有重要意义。传质回热器采用直接接触式膜蒸馏传质传热技术是可行的,传质回热吸收式制冷的理论循环与理想循环的偏差是由膜蒸馏传质回热器膜两侧溶液的蒸汽压差和膜导热引起的。     

降膜微反应器中CO_2化学吸收过程传质行为

Gas phase mass transfer in falling film microreactors (FFMRs) with the absorption of CO₂ into aqueous solutions of NaOH was investigated. The overall gas-phase mass transfer coefficient increases with NaOH concentration, but decreases as the concentration of CO₂ increases. There exists an entrance effect, hindering the mass transfer, which is caused by the dead volume for gas-phase flow in the gas chamber in FFMRs. The entrance effect has a larger impact in a shorter FFMR owing to the relatively large dead volume with respect to that of gas chamber. A decrease in the depth of gas chamber facilitates the mass transfer process. Therefore, the gas-phase entrance or geometry of the gas chamber should be designed appropriately to reduce the entrance effect and improve the mass transfer.     

Modeling Study of the Influence of Porosity on Membrane Absorption Process

Abstract

A theoretical model based on the advancing front model was developed to analyze the influence of porosity on membrane absorption process. Perturbation solutions were obtained and a nonlinear transformation was applied to increase the accuracy of the solutions. The concentration profile of the solute in the liquid side near the membrane surface was simulated for different operation conditions. The influencing factors on the diffusing rate of the solute concentration profile were analyzed qualitatively. In the case of the rapid mass transfer system, the time of reaction front to reach the midpoint of two proximate pores is relatively long, which means that the concentration layer of solute overcasts the whole surface of membrane slowly, there is a “dead” area for mass transfer, so the influence of porosity should be taken into account. In the case of slow mass transfer system, the time can be ignored compared with the overall experiment time, and the influence of porosity is negligible. The absorption rates were calculated based on the developed model and the calculated results agreed well with the literature results.     

基于NaOH溶液CO2膜吸收系统的膜结构及传质性能

碳捕集与利用技术是实现减碳目标的有效方案。膜系统气体吸收技术能够实现CO₂以\mathrm{H}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{-}、\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}-}形式存储在无机碱性吸收剂中,并还原成甲醇、乙醇等清洁燃料。本文采用膜单侧浸泡实验法和传质实验,分别考察了疏水性微孔滤膜聚四氟乙烯（PTFE）膜、聚偏氟乙烯（PVDF）膜、聚丙烯（PP）膜在NaOH碱性溶液中的结构和CO₂传质特性的变化。结果表明,PTFE膜和PP膜在NaOH碱性溶液中溶胀率上升,孔径减小,孔隙率下降,疏水性下降,传质系数下降;PVDF膜在NaOH溶液中会发生反应,结构被破坏,传质系数接近无膜吸收,但无法起到相界面的作用,不能直接用于以NaOH为吸收剂的膜吸收系统。     

膜吸收CO2工艺中不同吸收液对膜润湿的影响

以单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和N-甲基二乙醇胺（MDEA）作为吸收液,利用聚丙烯（PP）中空纤维膜组件进行分离模拟烟气中CO₂的实验研究,考察不同吸收液的脱除效率以及长时间连续运行下的膜润湿现象。建立膜相传质阻力随时间变化模型,与实验数据拟合较好。同时将膜丝在不同吸收剂中浸泡,结合接触角、场发射扫描电镜（FE-SEM）、衰减全反射红外光谱（ATR-IR）以及热重（TG）表征分析膜性能的改变。结果表明,相同浓度下,单一吸收剂的CO₂脱除效率大小为MEA > DEA > MDEA;当吸收液为1mol/L MEA时,16天后CO₂脱除效率从93.3%下降到72.1%;而吸收液为1mol/L DEA时,脱除效率从88.3%到第16天的78%,下降约12%;理论计算得吸收液为1mol/L MEA和1mol/L DEA时,膜相传质阻力分别为10564.06s/m和4881.08s/m;浸渍时间增加,膜接触角减小,疏水性减弱,同时膜孔径变大,出现润湿现象;红外光谱和热重分析表明在MEA溶液作用下膜丝出现溶胀。     

CO2化学吸收法中再生气的陶瓷膜余热回收特性

在CO₂化学吸收法工艺中,采用富液分流工艺,利用在贫富液换热器前分流的冷富CO₂吸收剂溶液回收再生塔顶排出的热再生气（一般为CO₂和水蒸气混合气）的余热,有助于降低CO₂再生热耗。本文在乙醇胺（MEA）基富液分流化学吸收工艺中,以纳米级多孔亲水陶瓷膜作为分流冷富液和热再生气之间的换热介质,利用水的热质耦合传递强化余热的回收性能。以余热回收通量为指标,探讨了分流的MEA富液流量、温度、质量分数、CO₂负荷和热再生气流量及再生气中水蒸气摩尔分数对陶瓷膜热回收性能的影响,并对比了不同分离层孔径陶瓷膜的余热回收性能。结果显示,陶瓷膜的余热回收性能随MEA富液流量的增加而增加,但却随富液温度的升高而大幅下降。同时,随着气体流量和再生气中水蒸气摩尔分数的增大,热回收通量均会增大。由水传质所引发的对流换热对热回收通量具有促进作用,可占总热回收量的10%左右。由于CMHE-10陶瓷膜的分离层孔径与孔隙率均大于CMHE-4陶瓷膜,因而其水传质通量大于CMHE-4陶瓷膜。但CMHE-10陶瓷膜的有效热导率却低于CMHE-4陶瓷膜,因而热回收过程中其水蒸气的冷凝总量要小,导致其热回收性能低于CMHE-4陶瓷膜。     

直接接触式膜蒸馏过程的膜曝气强化

针对直接接触式膜蒸馏（direct contact membrane distillation,DCMD）过程存在的膜通量小及膜污染问题,设计了一种新型结构的膜蒸馏组件。以蔗糖溶液为处理液,考察了膜组件装填密度Φ、膜曝气量q、蔗糖浓度c与温度T₀对DCMD过程的影响。结果表明：随着Φ、q的增加,DCMD过程的膜通量先增大,后逐渐降低,Φ、q均存在最优值;随着c的增加,膜通量逐渐降低;随着T₀的增加,膜通量增大;对c为30%（mass）的蔗糖溶液进行DCMD法处理330 min时,膜曝气可使DCMD的初始膜通量J_initial提升24.7%、膜通量衰减率ΔJ降低55.0%,维持高膜通量的连续运行时间t₀延长4倍。主要原因是膜曝气强化了DCMD过程的传热传质,进而强化过程的分离性能;有效控制了DCMD过程的浓差极化,进而延缓过程的膜污染进程。研究结果有利于推进DCMD的工程化应用。     

T型微通道内吸收H2S实验研究

在水力学直径为1.00 mm的方形T型微通道内,采用质量分数为40%的N-甲基二乙醇胺(MDEA)吸收含有体积分数为0.12%的H2S混合气体。实验发现,在微通道内可以获得很高的H2S脱除效率,在气液体积比为200∶1时,其脱除效率可以达到99.5%。在微通道内的H2S传质过程中,H2S传质的阻力主要集中在气侧,而且气侧体积传质系数随着气体和液体表观速率的增加而增加。提出了在过渡区的二相流型中,气侧体积传质系数的量纲一经验关联式,其计算值和实验值吻合得很好。通过比较发现,微通道比其他传统设备的气侧体积传质系数高出1—2个数量级。     

酸性气体膜吸收过程中浓差极化

用聚丙烯中空纤维膜吸收器，针对酸性气体膜吸收传质过程，根据浓差极化时存在局部高浓度区的特点，分别进行了SO2/空气混合气和CO2/空气混合气中酸性气体的选择性吸收实验. 实验测定了SO2和CO2两种不同酸性气体在不同浓度吸收液及不同液速下的总传质系数，比较了两种酸性气体在液相侧的传质特性，根据两组份间化学反应机理的不同，分析了浓差极化对膜吸收过程的影响.     

分散液相强化微溶气体吸收的研究

在气升式搅拌反应器中,利用水对微溶气体CO2(常压和室温条件)的物理吸收过程,考察加入辛醇(有机分散相)对传质过程中体积传质系数和增强因子的影响。研究辛醇加入体积分数(1%—5%)、搅拌速率(200—700 r/min)、气体流速(350—700 L/min)变化对吸收效果的影响,用插值函数微商法确定体积传质系数。结果表明,向水体系中加入少量辛醇可以明显改善吸收效果,体积传质系数随辛醇加入体积分数的增加呈现先增加后减小的趋势,当辛醇加入的体积分数为4%左右时吸收效果最好。增强因子与CO2分配系数、扩散系数有关,与吸收效果呈线性关系,最大增强因子为2.76。     

聚四氟乙烯膜气体吸收数学模型和孔隙率的影响

膜吸收是将膜分离与传统的吸收技术相结合的一种新型分离技术。在这些过程中经常使用多孔膜,多孔膜对过程的传质性能有一定的影响。对不同孔隙率的微孔聚四氟乙烯(PTFE)疏水性平板膜的膜气体吸收过程中液相传质性能进行了实验研究。当采用去离子水-CO2吸收体系时,多孔膜的孔隙率对液相传质性能没有影响;当采用NaOH水溶液-CO2吸收体系时,多孔膜的孔隙率对液相传质性能有明显的影响。在相同流速下,孔隙率大的膜液相传质系数高于孔隙率小的膜。以双膜理论为指导,建立了多孔膜气体吸收过程中液相传质模型。用该模型描述多孔膜孔隙率对液相传质系数的影响,其结果与实验数据具有良好的一致性。     

并流降膜塔液相传质系数实验研究

水吸收含１０％ＣＯ２的混合气为体系，测定了并流降膜塔中液相传质系数与气液相流量的关系。液相传质系数与液相流量基本呈线性关系。在较低气相流量情况下，液相传质系数ｋＬ随气相流量的增加而增大，但当气相流量超过某一定值时，随着气相流量的增加反而减小。