文档介绍：PVA复合膜的渗透汽化性能研究(I)
(作者:___________单位: ___________邮编: ___________)
摘要:本文研究了以PAN膜为支撑层的PVA复合膜分离醇水溶液的性能。着眼于工业应用,揭示了渗透汽化操作条件对分离性能的影响,展示了长期运行时的分离性能。结果表明,PVA复合膜具有高渗透通量(J>500g/m2·h)和优异分离率,长期运行(大于8个月)性能稳定。
关键词:PVA复合膜渗透汽化酒精脱水分离性能
崛起于液体分离领域的渗透汽化膜过程,正是由于运用了聚乙烯醇/聚丙烯腈(PVA/PAN)复合膜,才于80年代初首先在酒精脱水的工业生产中得到成功应用。我们设计开发成功的首台渗透汽化中试装置[1,2]采用的是以PVA为主要材料的复合膜。因此,开发高选择性、高渗透通量的PVA复合膜是发展渗透汽化技术的一个主要研究方向。
本文研制的PVA复合膜的酒精脱水分离性能,旨在揭示渗透汽化过程该复合膜的分离性能与过程参数的关系,着眼于工业应用,展示该复合膜长期运行时的分离性能。
1 实验部分
PVA复合膜的制备
以聚丙烯腈(PAN)膜为支撑层,以聚乙烯醇(PVA)为活性层,制成PVA复合膜。
复合膜的性能测试
渗透汽化性能测试采用膜下游抽真空,渗透物以液N2冷凝收集方法。
×10-3m2。除说明外,运行温度31℃,×10-2m/s,膜下游压力7×103Pa--10×103Pa。
以不同浓度的酒精为料液,改变操作温度或膜下游真空度或膜面物料流速,可获得一定条件下复合膜的渗透汽化分离性能。渗透通量(J)以单位时间(h)单位膜面积(m2)透过的渗透物重量(g)表示,料液和渗透物的乙醇浓度(Xe、Ye)用气相色谱分析方法测定[3]。分离因子(α)的表达式为:
α=[渗透物中水浓度(Yw)/渗透物中乙醇浓度(Ye)]/[料液中水浓度(Xw)/料液中乙醇浓度(Xe)]
2 结果与讨论
渗透汽化操作条件的影响
进料浓度的影响
,分别测试膜对不同浓度料液的分离性能,结果见图1。
从图1可以看出,当料液的乙醇浓度增加时,复合膜的渗透通量直线下降,但其值均大于400g/m2·h,而渗透物中的乙醇在料液恒沸组成浓度时仍然检测不出,直到料液的乙醇浓度大于96wt%时,渗透物中乙醇浓度逐渐增加,%。结果表明,复合膜的渗透汽化性能优良,显著地表现在即使料液乙醇浓度大于99wt%时,仍具有较高的渗透通量和优异的选择分离性能。
操作温度的影响
,%时,测定了不同的操作温度(tf)时的分离性能,结果见图2。
图2显示,渗透通量的增加虽然变化幅度不太大,但呈直线上升。而渗透物的乙醇浓度(Cp,e)在35℃以下操作时都检测不出;高于35℃,则随着操作温度的提高而明显的增加。这些性能变化符合大多数渗透汽化选择分离性能与温度的关系[4]。
操作压力的影响
在渗透汽化过程的操作中,膜上游的压力即使在高达接近10MPa的压力范围内,都不会对膜的分离性能产生明显的影响[5]。因此,本文仅研究过程中膜下游压力的影响。表1列出了有关实验结果。
表1 下游压力对复合膜性能的影响(膜号:4707)
膜下游压力(Pa)
渗透通量(g/)
乙醇浓度(wt%)
已运行时间(d)
料液
渗透液
1
×104
506
30
2
×103
647
44
7×103
476
38
2
×103
617
43
表1清楚表明,当膜下游压力减小即真空度提高后,无论是乙醇浓度小于恒沸组成或是高达99wt%以上的料液,复合膜的渗透通量都有较大增加,而渗透物中乙醇浓度没有显著变化,甚至用高浓度的料液运行时,由于真空度的提高,膜的分离率还略有改善。这是由于真空度提高后,组分传递的推动力即膜两侧的分压差增加,渗透通量随之增加。实验用的复合膜是PVA型优先透水膜,当膜下游压力降低时,造成汽相侧膜面由
“湿态”向“干态”转变,优先渗透组分即便是难挥发物,也会有非常好的选择分离性能[6]。显然,膜下游压力为零时,渗透通量为最大。但在生产运行时,设定一个尽可能低的经济可行的操作压力,如表1所示,对高浓度乙醇的料液脱水是十分重要的。
膜面流速的影响
用乙醇浓度