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超临界二氧化碳在大孔膜中的渗透机理及模型计算

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第一章 绪论

1.1 膜和超临界流体技术

1.1.1 膜技术

1.1.2 超临界态和超临界流体技术

1.2超临界流体和膜技术耦合过程的研究进展

1.2.1回收超临界流体

1.2.2强化膜分离过程

1.2.3强化超临界流体萃取过程

1.2.4超临界膜萃取

1.2.5超临界膜反应

1.3超临界流体在多孔膜中渗透机理的研究

1. 3.1一般流体透过膜的扩散传质

1.3.2超临界流体在膜孔中的渗透研究

1.4本课题的研究内容及意义

第二章 实验部分

2.1 实验装置

2.1.1 实验仪器

2.1.2 膜器

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.3.1 膜B制备方法

2.3.2 渗透实验方法

2.3.3 压汞实验方法

第三章 理论分析与模型推导

3.1渗透过程的基本概念

3.2超临界流体在多孔膜中的传质

3.2.1气体在无机膜中的渗透机理和模型计算

3.2.2超临界流体在多孔膜中的传质机理分析

3.3超临界CO2渗透模型推导

3.3.1 二项尘气模型

3.3.2 Model Ⅰ

3.3.3 Model Ⅱ

第四章 结果与讨论

4.1超临界CO2在膜A中的渗透研究

4.1.1陶瓷氧化铝膜A的压汞实验结果

4.1.2压差对CO2在膜A中渗透的影响

4.1.3平均压力和温度对CO2在膜A中渗透率的影响

4.1.4膜孔径及其结构参数的计算

4.1.5 Model Ⅰ计算结果与分析

4.1.6 Model Ⅱ计算结果与分析

4.1.7压力对超临界CO2渗透机理的影响

4.2超临界CO2在膜B中的渗透研究

4.2.1陶瓷氧化铝膜B的压汞实验结果

4.2.2平均压力和温度对CO2在膜B中渗透率的影响

4.2.3膜结构参数的计算

4.2.4 Model Ⅰ和ModelⅡ计算结果与分析

4.3 超临界CO2在膜C中的渗透研究

4.3.1 压差对CO2透过复合膜C渗透的影响

4.3.2平均压力和温度对CO2在膜C中渗透率的影响

4.3.3膜孔径及其结构参数的计算

4.3.4 Model Ⅰ和Model Ⅱ计算结果与分析

4.4以往文献渗透数据的模型预测

第五章 结论

主要符号说明

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢

附录

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摘要

超临界流体与膜的耦合技术已经在越来越多领域展现出其优越性,例如回收超临界流体、强化膜分离过程以及超临界膜反应器等等,但是,目前关于超临界流体在膜孔中渗透机理的研究还十分少。事实上超临界流体在膜孔中的渗透机理研究以及模型计算无论是在基础理论研究方面还是实际应用方面都有很大的意义,该方面的研究将有助于深入了解这些耦合过程,设计更加合理新颖的耦合过程,以及指导实际操作方法和确定操作条件。 该文研究了300K~390K和1MPa~15MPa的温度压力范围内二氧化碳在三种具有不同孔径的大孔膜中的渗透行为。实验采用大孔膜是为了消除或减少表面扩散的影响,有利于进行机理分析和模型计算。以二项尘气模型为基础,考虑到超临界CO2粘度和密度的特殊性质,特别是近临界区出现的突变现象,对模型进行了修正,建立了两个新的渗透模型(ModelⅠ和ModelⅡ)来预测超临界二氧化碳在膜孔中的渗透行为。 理论分析与实验结果表明,当表面扩散可以忽略不计的时候,粘性流和Knudsen扩散可以解释超临界CO2通过多孔膜的渗透行为。由于CO2的粘度和密度在实验温度压力范围内有明显的变化,特别是在近临界区域,因此,将这些因素全部考虑在内的ModelⅡ能够更好的预测超临界CO2在多孔膜中的渗透。通过计算以往文献上的超临界CO2渗透数据,ModelⅡ在更大压力范围内(1MPa-30MPa)的适用性同样得到了证实。实验结果还验证了膜结构参数可以通过低压下气体CO2在大约383K时通过膜孔的渗透数据较为准确的计算得到,并代入渗透公式预测超临界CO2的渗透行为。在超临界状态下,流体性质如分子平均自由程可能会有较大的改变,从而对渗透机理会产生影响,所以在计算超临界流体在膜孔中的渗透行为时也需将此因素考虑在内。

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