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1、多进口中空纤维膜吸收器的流动特性与传质性能第33卷第2期2006钲北京化工大学joURNALOFBEIjINGUNIVERSITYOFCHEMICALTECHNOIoGYVo1.33,No.22006多进口中空纤维膜吸收器的流动特性与传质性能张卫东AbdulHakim高坚(北京化工大学化学工程学院,北京100029)摘要:采用多壳程进口聚丙烯中空纤维膜器测定了在吸收剂分布式进料操作条件下,中空纤维膜器壳程流体停留时间分布,据此分析了吸收剂壳程分布式进料时的壳程流动特性,结果表明在中空纤维膜器壳程存在返混等非理想流动.同时,针对酸性气体膜吸收传质实验,分析了吸收剂分布式进料操作时中空纤维膜酸性气
2、体吸收过程的传质特性,并与单一进口进料操作时的传质特性作了比较,证明了壳程非理想流动会造成传质效率的下降.关键词:中空纤维膜;多进口;传质;返混中圉分类号:TQ028膜吸收将膜技术与传统的吸收过程相耦合,克服l传统吸收过程所存在的夹带,液泛等操作条件的限制.在膜吸收过程中,气相和吸收液在膜的两侧流动,并通过膜的微孔进行间接接触,两相流量均可以任意调节,扩大了两相操作范围.其中,中空纤维膜吸收器的体积传质系数比传统气液接触设备高23个数量级,因而自1984年Kim2提出膜吸收的概念以来,二十余年来,该技术得到了研究者的广泛关注,关于中空纤维膜吸收过程传质机理,应用体系等方面的研究不断见诸报导J.
3、1988年,Sirkar等关联了中空纤维膜器的装填因子与传质性能的关系.1992年,Cussler8研究了不同结构的中空纤维膜接触器的传质性能,1993年,Fane9等研究了中空纤维膜组件流动性能与传质的影响.1995年起,张卫东,Chen11等人分别用子通道模型和概率分布研究了壳程的非理想流动与传质性能的关系.王玉军等采用示踪剂研究了壳程非理想流动.本文设计了一套多进口中空纤维膜接触器,通过SO2/NaOH膜吸收传质实验和示踪实验研究了壳程流体流动特性与传质性能的关系,对中空纤维膜吸收器的优化设计提供指导.1实验部分中空纤维膜吸收器的结构图如图1所示.膜器收稿日期:21)05.0425基金项
4、目:国家自然科学基金(20206002)第一作者:舅,1969年生,教授,工学博士E.mail:的结构参数列于表1.实验流程图如图1所示.管程进口为SO2/空气的混合气.壳程吸收剂为清水.管程流速范围为0.080.20m/s,壳程流速范围为0.00140.0057m/s.管程气体进出口浓度采用三乙醇胺+副玫瑰苯胺法测定,壳程液体浓度采用酸碱滴定法测定,用于物料衡算.实验测定了稳定时间为1h左右.瓶图1实验流程图Fig.1Experimentalsetup两相逆流条件下的总传质系数可由下式计算得Gn表1中空纤维膜吸收器结构参数Table1Structuralparametersforthehol
5、lowfiberabsorber?2?北京化工大学2006控示踪实验所用示踪剂是0.01mol/L的KCI溶液.示踪样品体积是10mL,壳程出口示踪剂浓度使用电导率法来测定,加入位置和检测位置如图1所示.KC1溶液电导率与浓度之间符合如下关系:Kcl=口xCKCI十b倥=508.33(S?tool/m4)(2)b=0.1989(S/m)示踪实验中,测定膜器出口处的电导率,再由式(2)可得相应t时刻的KCI的浓度CKCl(t),由式(3)即可得中空纤维器壳程流体停留时间分布密度.肌CKCIdtLI()厶髓(3)2结果与讨论2.1多进口流程下的壳程流动特性为了考查在吸收剂分布式进料操作条件下,中空
6、纤维膜器壳程流体流动特性,本文测定了中空纤维膜器壳程流体停留时间分布,并比较了单进口,双进口,三进口操作条件下的差别,结果如图2所示.一一个进口一两个进口一三个进口图2不同操作条件下,中空纤维膜器壳程流体停留时间分布密度Fig.2Theresistancetimedistributiondensityontheshellsideofthehollowfiberabsorberunderdifferentoperatingconditions可以发现,中空纤维膜器壳程流体流动并不是理想的平推流,而是存在着返混等非理想流动,尤其在壳程液流速度较低时,返混现象尤为明显.由图2还可以发现.在三种进料操
7、作条件下,单进口方式的还混现象最严重,流体停留时间分布有较长的拖尾现象(图2(a),(b),三进口方式的壳程流体流动较其它两种方式更接近平推流.当壳程流体流速增大时(本文增大至0.O043m/s),三种进口操作下的壳程流体停留时间分布很接近(图3(c).2.2不同进口流程下的传质性能实验测定了单一进口,双进口,三进口条件下传质特性.实验结果如图4所示.从图中可以看出,在某一气速下,总传质系数随液速的提高而升高,这是因为液速提高使液相边界层厚度变薄,使液相传质阻力变小,因而总传质系数提高.同时,从图中还可以发现,固定气速,总传质系数随着吸收液进口数目的增加而增加,这表明吸收剂的分布式进料有利于传
8、质.Clusser,Fane,Chen,张卫东等S-l1均曾就中空纤维膜器的壳程非理想性及其与传质性能的关系进行过研究,指出由于壳程流动的非理想性会造成传质效率的降低.本文的示踪实验结果也表明,流体在中空纤维膜器的壳程中流动的非理想性较强,尤其在低液速时,有较强烈的还混,沟流等现象发生,因而使液相传质效率降低.采用壳程分布式进料方式,能有效地改善吸收剂在壳程的流体分布,减少了还混,沟流等流动非理想性,因而有利于液相侧的传质,本实验结果也证明了这一点.为了考查吸收剂壳程分布式进料对S02去除效果的影响,实验测定了单一进口,双进口,三进口条件下SO2的吸收率,结果如图4所示.从图中可以发现,吸收剂
9、壳程分布式进料有利于s()吸收率的提高,同时,在气速较高的操作条件下,吸收剂壳程分布式进料对s02吸收率提高的效果更明显.以上分析可知,在中空纤维膜吸收过程中,壳程分布式进料操作方式在不改变其它操作条件下能有效的提高膜器的传质性能和效果.该实验研究结果可指导中空纤维膜器的设计和实际应用.3结论(1)在中空纤维膜吸收过程中,壳程流体流动存在较强的非理想性.采用壳程分布式进料能改善壳程流体流动非理想性,由实验结果可知,进料i3越多越有利;(2)吸收剂壳程分布式进料方式能有效的提高第2期张卫东等:多进口中空纤维膜吸收器的流动特性与传质性能?3?婆褂,斟液相流速uffm.s一液相流速UL/m.S一+1
10、个液相进121+2个液相进口+3个液相进口图3不同分布式进料操作条件下.中空纤维膜吸收过程传质性能对比Fig.3Comparisonoftheoverallmasstransfercoefficientunderdifferentoperatingconditions液相流速UL/m斟运褂液相流速/gl/m.s+1个液相进口+2个液相进口+3个液相进口图4不同分布式进料操作条件下.中空纤维膜吸收过程吸收效果对比Fig,4Comparisonoftheabsorptionefficiencyunderdifferentoperatingconditions警_)言I辍亭一m,),苦Hx辍懈螳亭,
11、0_【搽懈略亭一m,._【搽垛亭锄-4?北京化工大学2006焦中空纤维膜吸收器的传质性能,而且随着气速的提高,分布式进料方式提高膜器传质性能的效果更明显;(3)在中空纤维膜器实际使用过程中,当其操作工况受限时,改变膜器本身结构(提供多进料口)不失为一种提高中空纤维膜器本身性能有效方法.符号说明A膜器的传质面积(m2)c浓度(tool/L)G气体流量m/s)E(t)停留时问分布密度函数KG基于气相总传质系数(m/s)L液相流量(m/s)m气液平衡系数UL液相流速(m/s)电导率(S/m)上标*气液接触的平衡状态下标G1气相进口G2气相出口12参考文献ZhangQ,CusslerEL.Microp
12、oroushollowfibersforgasabsorptionJ+Masstransferintheliquid.JMembrSci,1985,23:321332.KimBM.Membrane-basedsolventextractionforselectireremovalandrecoveryofmetalsJ.JMembrSci,l984,21:517.3KreulenH,SmoldersCA,VersteegGF,eta1.Micro.poroushollowfibermembranemodulesasgas-liquidcon-tactorPart1Physicalmasstra
13、nsferprocess【J.JMembrSci,1993,78:197216.4LeeY,NobleRD,YeomBY,eta1.AnalysisofcO2removalbyhollowfibermembranecontactorsJ.JMembrSci.2001,194:5767.5刘涛,史季芬,徐静年,等.中空纤维膜气体溶剂吸收分离过程J.化工冶金,1999,20(1);1116.6张卫东,高坚,史季芬.酸性气体膜吸收过程中浓差极化J.过程工程,2003,4(3):308312.7PrasadR,SirkarKK.Dispersionfreesolventextractionwithmi
14、eroporoushollowfibremodulesJ.AIChEJ.1988,34:177188.8WickramasingheSR,SemmensMJ,CusslerEL.MasstransferinvarioushollowfibergeometriesJ.JMembrSci,1992,69:235250.9CostelloMJ,FaneAG,HoganPA,eta1.TheeffectofshellsidehydrodynamicsonthepeHormanceofaxialflowhollowfibremodulesJ.JMembrSci.1993,80:111.1O张卫东,李云峰
15、,戴猷元.中空纤维膜萃取器壳程子通道模型J.膜科学与技术,1996,16(1):5661.11WuJ,ChenV.ShellsidemasstransferperformanceofrandomlypackedhollowfibermodulesJ.JMembrSci,2000,172:5974.12WangYJ,ChenF,WangY,eta1.EffectofrandompackingonshellsideflowandmasstransferinhollowfibermoduledescribedbynormaldistributionfunctionJ,JMembrSci,2003,2
16、16:8193.Fluidhydrodynamicsandmasstransfercharacteristicsinamulti.inlethollowfibermembraneabsorberZHANGWeidongAbdulHakimGAOJian(CollegeofChemicalEngineering.BeijingUniversityofChemicMTechnology,Beijing100029)Abstract:Ahollowfibercontactorwithamultiinletwasdesignedinordertoinvestigatethehydrodynamicso
17、ftheshellsidefluid.Resistancetimedistributionresultsshowthatbothbackflowandchannelsexistintheshellsidefluid,andthatthemultiinletsdesignissuperiortothatofasingleinlet.Withanincreaseinfluidvelocity,nonidealflowcanbefurtherimproved.Shel1sidemasstransferexperimentsalsoshowthatthemultiinletmethodcanleadtoanincreaseinmasstransfercoefficient.andthatnonidea1flowhasasignifiantinfluenceonthemasstransferprocess.Keywords:hollowfibermembranecontactor;multiinlet:masstransfer;backflow