膜吸收过程传质强化研究
膜吸收技术是脱除CO2等温室气体最有前途的方法之一。然而,多孔膜的存在导致近膜壁面处溶质浓度分布不均(微观层面)以及中空纤维膜接触器壳程流体流动状态的非理想性(宏观层面),给膜吸收传质过程带来了不利的影响。本文针对这两类问题系统地进行了膜吸收过程的传质强化研究。
通过理论分析,提出了膜吸收过程的传质强化方法,建立数学模型对传质强化过程进行了描述和预测。利用添加固相微粒扰动液相边界层,改善了近膜壁面处溶质浓度分布的不均性；在壳程吸收剂中添加细微粒子或引入外源振荡,加强了中空纤维膜接触器内壳程流体的径向混合,改善了壳程流体的非理想性。具体阐述如下:
基于表面更新理论并通过传质区域的划分,建立了固相粒子强化膜吸收过程的传质模型。考察了固相粒子固含率、多孔膜孔隙率、吸收剂pH值、粒子粒径等因素对强化过程的影响,使用实验数据对模型结果进行验证,二者吻合良好。所建立的传质模型,可较好地对固相粒子强化膜吸收传质过程进行描述和预测。
研究了吸收剂中固相粒子的引入对膜吸收过程近膜壁面处传质行为的影响。为屏蔽膜器结构以及壳程非理想性对过程的影响,采用板式膜接触器进行相关研究。固相粒子沿膜壁面的切向运动使得膜壁面处溶质浓度分布趋于均匀,垂直于膜壁面的法向运动扰动边界层,减小了传质阻力。固相粒子的加入在一定程度上减小了不同孔隙率膜之间的传质效果差异,同时还强化了传质,且孔隙率越小固相粒子的强化效果越大。
为改善壳程流体流动的非理想性,提出了一种通过向吸收剂中引入细微粒子强化中空纤维膜吸收传质过程的技术。吸收过程中,采用超声将固相粒子悬浮在液相吸收剂中。粒子的加入使传质系数提高40％以上,对装填因子较大的膜器强化效果更佳。通过示踪实验获得了固相粒子的传质强化机理:固相粒子的加入减弱了示踪曲线的拖尾现象,加强了壳程流体在径向上的混合,有效地改善了壳程流体的流动状态,进而强化了传质过程。
采用振荡器带动膜接触器发生振荡的方式,将传质实验与示踪实验相结合,研究了振荡对中空纤维膜器壳程流体流动状态以及传质性能的影响。结果表明,振荡可使膜吸收过程传质系数增加50％以上。当振荡方向与吸收剂流动方向平行时,振荡使得液相边界层与液相主体的混合程度变大,但会带来一定程度的轴向返混；而对于垂直操作模式,膜器的振荡不仅可以增大液相边界层与液相主体的混合程度,还加大了壳程流体在径向的混合,同时在一定程度上减弱了流体在壳程轴向的返混。
膜吸收;传质强化;传质模型;二氧化碳脱除;中空纤维膜
北京化工大学
博士
化学工程与技术
张卫东
2010
中文
TQ021.4;TQ028.8
165
2011-08-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）