二氧化碳/甲烷混合气的膜分离性能研究

【摘要】：在天然气的开采和运输过程中,常常混有二氧化碳气体,如果不能脱除二氧化碳,将会影响天然气的质量,并往往会造成管道腐蚀,而且会降低天然气的燃烧热值。膜法脱除二氧化碳是一种新兴的分离方法,与传统方法相比,其具有过程简单高效、节约能源、分离效果好等优点。本文利用PDMS/PEI复合膜分离CO2/CH4混合气体,考察不同工艺条件对膜分离效果的影响。 利用瞬态法测定了二氧化碳、甲烷、氮气的扩散系数、溶解度系数和渗透系数,并研究了三种纯组分气体的扩散系数、溶解度系数和渗透系数随温度和压力的变化规律。结果表明,在气体渗透通过分离复合膜的过程中,二氧化碳的渗透系数大于甲烷和氮气的渗透系数；二氧化碳的溶解度系数同样大于甲烷和氮气的溶解度系数,但二氧化碳的扩散系数却小于甲烷和氮气的扩散系数。这说明气体通过分离复合膜的渗透过程受其溶解于膜的过程控制。另外,增大原料侧压力或者降低原料气的温度,有利于二氧化碳气体通过分离复合膜。 将PDMS/PEI平板复合膜用于分离CO2/CH4混合气体,分别测定不同工艺条件下二氧化碳的渗透速率和分离因子,结果发现：提高二氧化碳在原料气体中的含量、提高原料气的温度或降低其压力均有利于二氧化碳渗透速率的增大；原料气流量对二氧化碳渗透速率的影响比较小；降低原料气压力、增大其流量或提高其温度均可提高二氧化碳分离因子。 根据已知的溶解-扩散模型,对CO2/CH4混合气体体系在不同条件下进行模拟计算,并将得到的模拟值与实验值进行作图比较,得出此模型可以近似符合实验现象。并用该数学模型对另一新的混合气体体系C3H8/CH4进行模拟计算,预测丙烷在这一体系中的渗透速率和分离因子的变化趋势。 【关键词】：膜分离 浓差极化 气体分离 PDMS
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TQ028.8
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 文献综述15-25
• 1.1 引言15
• 1.2 二氧化碳分离方法15-16
• 1.3 膜法分离脱除二氧化碳16-21
• 1.3.1 基本原理介绍17
• 1.3.2 膜法分离二氧化碳发展概况17-18
• 1.3.3 气体膜分离技术的其他工业应用18-21
• 1.4 浓差极化21-23
• 1.4.1 浓差极化研究进展21-22
• 1.4.2 膜表面的传递模型22-23
• 1.4.3 浓差极化的危害23
• 1.4.4 改善浓差极化的措施23
• 1.5 本论文工作的提出23-25
• 第二章 纯组分气体通过PDMS/PEI复合膜的渗透性能测25-41
• 2.1 气体膜分离的传质分离机制25
• 2.2 气体分离膜的主要特性参数25-27
• 2.3 实验原理27-28
• 2.4 实验部分28-31
• 2.4.1 实验材料28-29
• 2.4.2 实验装置29-30
• 2.4.3 脱附时间的确定30-31
• 2.5 实验结果讨论31-39
• 2.5.1 不同气体在不同压力下通过PDMS/PEI复合膜的传质性能比较31-33
• 2.5.2 不同气体在不同温度下通过PDMS/PEI复合膜的渗透性能比较33-39
• 2.6 本章小结39-41
• 第三章 CO_2/CH_4混合气体通过PDMS/PEI复合膜的渗透性能测试41-51
• 3.1 实验部分41-43
• 3.1.1 实验装置41-42
• 3.1.2 实验测定参数42-43
• 3.2 结果讨论43-49
• 3.2.1 原料气组成对气体渗透性能和分离性能的影响43-44
• 3.2.2 原料气压力对气体渗透性能和分离性能的影响44-46
• 3.2.3 不同压力下渗余相流量对气体渗透性能和分离性能的影响46-47
• 3.2.4 温度对气体渗透性能和分离性能的影响47-49
• 3.3 本章小结49-51
• 第四章 膜分离CO_2/CH_4过程的理论计算51-63
• 4.1 数学模型介绍51-53
• 4.2 模拟结果与讨论53-57
• 4.2.1 不同温度组成下模拟结果54-55
• 4.2.2 不同温度压力下模拟结果55-57
• 4.3 C_3H_8/CH_4混合气体体系预测57-60
• 4.3.1 不同气体组成对PDMS/PEI复合膜传递渗透性能的影响57-59
• 4.3.2 不同压力对PDMS/PEI复合膜传递渗透性能的影响59-60
• 4.4 本章小结60-63
• 第五章 结论63-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-71
• 研究成果及发表的论文71-73
• 作者和导师简介73

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