分離CO2膜傳質(zhì)機(jī)理及其過(guò)程模擬研究.pdf

1、以固定載體膜為代表的促進(jìn)傳遞膜通過(guò)在膜內(nèi)引入可與CO2發(fā)生可逆反應(yīng)的載體，強(qiáng)化了CO2的傳遞，大大提高了CO2的選擇透過(guò)性能，在CO2分離領(lǐng)域展現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力。目前，促進(jìn)傳遞膜中的傳質(zhì)機(jī)理尚未完全探明，而對(duì)促進(jìn)傳遞膜應(yīng)用過(guò)程的研究也不夠系統(tǒng)。本文研究了促進(jìn)傳遞膜的反應(yīng)/傳質(zhì)機(jī)理，對(duì)分離CO2的膜過(guò)程進(jìn)行了模擬并分析了本課題組所開(kāi)發(fā)高性能固定載體膜的應(yīng)用潛力。研究結(jié)果對(duì)CO2分離膜的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用具有重要指導(dǎo)作用。
　　制備了

2、聚乙烯基胺-哌嗪/聚砜平板復(fù)合膜和聚乙烯基胺-聚乙烯醇/聚氯乙烯中空纖維膜及膜組件，為反應(yīng)/傳質(zhì)機(jī)理和過(guò)程模擬的研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　針對(duì)含胺基的促進(jìn)傳遞膜，推導(dǎo)得到了基于不同可逆反應(yīng)形式的氣體滲透速率表達(dá)式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合及實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)驗(yàn)證這些表達(dá)式，證明了常見(jiàn)含伯胺基或仲胺基的支撐液膜中胺基與CO2的反應(yīng)形式符合無(wú)水參與的胺基與CO2反應(yīng)式，基于此反應(yīng)式推導(dǎo)得到的滲透速率表達(dá)式可用于計(jì)算上述支撐液膜的CO2滲透速率。含伯

3、胺基或仲胺基的固定載體膜中CO2與胺基的反應(yīng)形式較為復(fù)雜，可使用由最簡(jiǎn)單反應(yīng)式推導(dǎo)出的滲透速率表達(dá)式計(jì)算CO2滲透速率。
　　對(duì)用于捕集CO2的二級(jí)過(guò)程進(jìn)行了深入分析，明確了抽真空操作是可行的操作方式。如果膜的分離性能達(dá)到本課題所開(kāi)發(fā)DDT膜的分離性能，滲透?jìng)?cè)抽真空的二級(jí)過(guò)程可滿足美國(guó)能源部提出的分離過(guò)程目標(biāo)。對(duì)于滲透?jìng)?cè)抽真空的二級(jí)過(guò)程，膜的分離因子不需要很高，提高滲透速率、提高操作壓力比以及降低膜和膜組件成本是降低過(guò)程成本的有效

4、方式。此外，第二級(jí)膜的分離性能在一定范圍內(nèi)的降低不會(huì)對(duì)CO2的純度和回收率以及總單位成本產(chǎn)生顯著影響。隨著進(jìn)料氣中CO2濃度升高，所得CO2的純度和回收率升高，而總單位成本會(huì)降低。
　　針對(duì)沼氣脫碳凈化和富氫氣體脫碳提純過(guò)程，比較了一級(jí)一段過(guò)程、二級(jí)過(guò)程和二段過(guò)程的不同特點(diǎn)。對(duì)于沼氣脫碳凈化，二級(jí)過(guò)程和二段過(guò)程都是可行的操作方式，其中，二級(jí)過(guò)程可用于CH4回收率要求較高的場(chǎng)合；而二段過(guò)程適用于CH4回收率要求不高或是需要工藝流程簡(jiǎn)