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标题:
真空膜蒸馏用于多元醇水溶液分离的研究
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作者:
373416331
时间:
2012-12-20 17:51
标题:
真空膜蒸馏用于多元醇水溶液分离的研究
真空膜蒸馏用于多元醇水溶液分离的研究
李凭力t,曹明利t,张学岗t,解利听t,侯文贵 ,王世昌
(1.天津大学化工学院,天津300072;2.天大天久科技股份有限公司,天津300072)
摘要:利用自制的聚丙烯中空纤维膜,采用真空膜蒸馏法对1,2一丙二醇水溶液的分离进行了研究。考察了料液入
口温度、冷侧真空度、料液流量以及料液浓度对膜通量和截留率的影响。结果表明,膜通量随料液入口温度、冷侧真
空度及料液流量的增加而增加,随料液浓度升高而下降。截留率随料液入口温度、冷侧真空度和料液浓度的增加而
下降,料液流量的变化对截留率没有明显的影响。本试验条件下最佳截留率可达100%,表明利用真空膜蒸馏技术可
有效实现多元醇水溶液分离。
关键词:真空膜蒸馏;丙二醇;聚丙烯中空纤维膜
中图分类号:TQ028.8 文献标识码:A 文章编号:1 000-3770(2008)01—03 1一o3
在用玉米代替石油作原料生产多元醇过程中,玉
米发酵后进行催化反应得到的多元醇水溶液中水的
含量高达80%左右。目前的提纯方式主要以普通蒸馏
和精馏为主。由于水的沸点较多元醇低,所以必须先
把水从多元醇中蒸发出来,尽管采用了多效蒸馏的方
式,能耗仍然很高。
膜蒸馏(MD)是一种新型的膜分离技术。真空膜
蒸馏分离原理是被分离物质的热溶液通过分离膜一
侧,另一侧抽真空,从而在膜两侧形成传递蒸汽压
差,在真空侧产生单一的气态物质,经冷凝成为液
体,从而实现溶液的浓缩和分离[1]。与其它膜蒸馏形
式相比,真空膜蒸馏同时具有渗透蒸发和膜蒸馏分
离技术的优点,在该过程中无需把溶液加热到沸点,
只要膜两侧维持适当的传递蒸汽压差,该过程就可
以进行,有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热
和温热的工业废水等廉价能源,分离效率高,膜通量
大,可连续操作f2_3】。
本文对真空膜蒸馏法浓缩多元醇水溶液的工艺条
件进行了研究,为真空膜蒸馏技术应用于玉米合成的低
浓度多元醇水溶液的分离浓缩提供了试验基础。
1 试验部分
1.1 试验材料与仪器
本试验采用自制聚丙烯中空纤维膜,膜内经
800~m,外径lO00~xm,膜孔半径0.095I~m,孔隙率
45%。膜组件规格 16mmx300mm,装填85根膜,膜
有效长度250mm,膜面积0.05338m2(按纤维内径计
算),装填率33.2%(按纤维外径计算)。
试验仪器:SHB—IVA循环水式多用真空泵(郑
州长城科工贸有限公司);MP一15R磁力驱动循环泵
(上海西山泵业有限公司);501型超级恒温器(上
海实验仪器厂有限公司);电子天平(北京赛多利斯
天平有限公司);2WAJ型阿贝折光仪(上海精密科
学仪器有限公司);1,2一丙二醇,分析纯(天津大学
科威有限公司)。
1.2 试验方法
以1,2.丙二醇水溶液为模拟原料液,以获得最初
的试验数据,方便后续的研究。试验装置流程见图1。
用恒温槽加热料液,开动磁力驱动泵使之循环,
料液走中空纤维膜管内,渗透通过膜的蒸汽被带离
膜表面,至冷凝系统冷凝。为保持料液浓度基本不
变,在循环水中补充蒸馏水。为方便采集冷凝液样
品,本试验采用间歇式操作。每次改变一定的操作条
件(进料温度、进料浓度、冷侧真空度等),待系统稳
定后每隔一定时间取出冷凝液,用电子天平称冷凝
液的质量,用阿贝折光仪测出冷凝液的折光率,计算
出膜渗透通量和截留率。
收稿日期:2007—03 31
作者简介:李凭力(1961一),男,博士,副研究员,研究方向为传递与分离
联系作者:解利昕;联系电话:022—27404347~E—maihxie
圈1 翼空曩纛馏装I示意圈
Fig.1 Schematic for vacuunl membrane distillation device
1.3 分析方法
分别配制0% 、0.1% 、0.2% 、0-3% 、0.4% 、0.5% 、
0.6%的l,2.丙二醇溶液,在恒温30"C条件下用阿贝
折光仪测其折光度,绘制标准曲线,拟合标准公式,每
次取样后用标准公式计算样品中的1,2.丙二醇含量。
试验中膜通量和截留率分别按式(1)和式(2)计算:
膜通量 W/(Sxt) (1)
式中,‘,为膜通量kg/m2·h;W为馏出液质量 ;S为
膜有效面积m2;t为收集时间h。
截留率R=(Co—C )/Co (2)
式中,尺为截留率%;C。为原料液中1,2一丙二醇浓
度%;C 为冷凝液中l,2一丙二醇浓度%。
2 结果与讨论
2.1 量度对—蠢■的影响
保持真空度在0.089MPa,料液浓度在10%条件
下,考察流量在32、24、16L/h情况下不同入1:3温度
对膜通量和截留率的影响。结果见图2。
八1:3温度(℃)
田2 入口汪度对威通量和截留率的影响
Fig.2 Efect ofinlet temperature on permeation flux and retention rate
从图2可知,膜通量随着原料液入口温度的升高
而增加,而且温度越高,膜通量升高的幅度也越大。膜
蒸馏以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力,随着热侧溶
液主体温度升高,料液中水的饱和蒸汽压升高,在冷
凝侧真空度不变的情况下水蒸汽透过膜的传递推动
力相应提高,所以膜通量随着料液温度提高而增加。
水的饱和蒸汽压与温度的关系符合Antoine公式,即
水的饱和蒸汽压随温度呈指数上升,因此温度越高,
膜通量增加的幅度也就越大。
由图2还可以看出,原料入口温度升高,截留率
下降。因为温度升高,1,2.丙二醇溶液的表面张力会
减小,使膜润湿所需施加的压力降低,当表面张力减
小到一定程度时就会发生膜润湿情况,醇溶液就会透
过膜孔。同时温度升高时1,2.丙二醇的饱和蒸汽压升
高,气相中1,2.丙二醇的气相摩尔分率略有增加,导
致膜的截留率下降。
2.2 冷侧真空度对膜通量的影响
保持料液浓度10%,流量32L/h,考察入口温度
在65℃和6l℃下不同的冷侧真空度对膜通量和截
留率的影响。结果见图3。
真空度(MPa)
田3 冷饲真空度对默逶量和截■率的影响
Fig_3 Efect of cold side vacuunl degree on perm eation flux
and retention rate
图3表示了冷侧真空度对膜通量和截留率的影
响。可见随着冷侧真空度的升高,膜通量也随之增
加。这是由于冷侧真空度增加,冷侧的绝对压力降
低,使得膜两侧水的饱和蒸汽压差增大,传质推动力
也相应增大,从而膜通量增大。
从图3也可以看出,随着冷侧真空度的升高,膜
的截留率下降。因为膜孔径的大小并不是均匀的而是
存在一定的孔径分布,当真空度增加到0.08MPa以上
时,对半径较大的膜孔已经超过其突破压,所以醇水
溶液就会透过膜孔进入冷凝液中,导致截留率下降。
2.3 料液浓度对膜通量的影响
分别配制10%、15%、20%、25%的1,2一丙二醇
溶液,在原料液入口温度65、6l℃ ,料液流量32L/h,
冷侧真空度0.089MPa条件下考察不同的料液浓度
对膜通量和截留率的影响。结果如图4所示。
从图4可以看到随着料液浓度的增加,膜通量下
降。这是因为料液中1,2一丙二醇增加引起料液中水蒸
汽分压的减小,而且料液浓度的增加也使得浓度边界
层增厚,即浓差极化增大,跨膜推动力减小,膜通量减
少。整体来看,料液浓度增加使膜截留率下降。这主要
李凭力等,真空膜蒸馏用于多元醇水溶液分离的研究 33
料液浓度(%)
圈4 科液浓度对膜通■和截留率的影响
Fig。4 Efect offeed concentration on permeation flux and retention rate
是因为溶液中l,2.丙二醇含量增加时溶液的表面张
力会减小,使膜更容易被润湿,膜的疏水性下降,料液
自发通过膜孔进入冷凝侧,导致截留率下降。
2.4 料液流量对膜通量的影响
分别配制10% 、15%、20%、25% 的l,2.丙二醇
溶液,在入口温度65℃,冷侧真空度0.089MPa条件
下考察不同的料液流量对膜通量和截留率的影响。
结果如图5所示。
圈5 科液流■对膜通■和截留率的影响
Fig.5 Efect of feed flow on perm eation flux and retention rate
图5表示了在真空度、料液进口浓度以及进料
的温度一定条件下,膜通量和截留率与料液流量的
关系。流量的升高导致中空纤维膜管内流速的增加,
这样既减薄了浓度和温度的边界层,强化了中空纤
维膜管内传质,降低了传质阻力,又提高了中空纤维
膜管入口与出口之间的平均温度,平均传质推动力
增大,所以膜通量随着流量的升高而增加。膜的截
留率与料液流量的关系并不是很明显,只是在一个
范围内波动,因为流量的大小和溶液的表面张力没
有关系,对截留率也就没有影响。
3 结论
采用聚丙烯中空纤维膜的真空膜蒸馏技术可以
应用于低浓度多元醇水溶液的浓缩分离。试验条件
下的截留率都在98% 以上, 膜通量最高可达
8.17kg/m h。由于膜蒸馏过程主要以膜两侧蒸汽压
差为推动力,因此各因素对于膜通量的影响主要是
通过影响推动力实现的。试验表明,随着温度和真空
度的增大膜通量呈增大趋势,而随着浓度的增大和
流量的减小,膜通量下降。温度、浓度、真空度对于截
留率的影响是膜润湿性能改变的体现;流量的大小
对截留率没有明显影响。真空膜蒸馏技术应用于低
浓度多元醇水溶液的浓缩要保持一定的温差和真空
度,因此需要消耗一定能量,但在有废热等廉价热源
可利用的情况下具有很大竞争力。
参考文献:
[1] 吴庸烈,膜蒸馏技术及其进展[J].膜科学与技术,2003,23(4):67—79。
[2] 高振,徐世昌,马友光,等。真空膜蒸馏技术应用研究现状及进展叨。
海湖盐与化工,2003,32(6):2 1.29。
[3] N Confin,C Cabassud,V Lahoussine Turcaud.A new process to remove
作者:
pgfyx
时间:
2014-5-11 08:39
不错不错.,..我喜欢
作者:
373416331
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Bsmxfj
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2014-11-1 07:49
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作者:
sunkezai
时间:
2014-12-16 09:38
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作者:
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