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PVA-PAA共混膜丙烯脱湿分子模拟与实验研究

作　者: 崔莉
导　师: 董秀芹
学　校: 天津大学
专　业: 化学工艺
关键词: 丙烯脱湿 气体膜分离 分子模拟 共混 聚乙烯醇 聚丙烯酸
分类号: TQ028.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要


气体膜分离技术具有选择性高、能耗低、流程简单、投资少等优点,技术经济性方面优于吸附、吸收和深冷分离等传统气体分离方法;丙烯是石油化工中的一种重要有机原料,其最大用途是生产聚丙烯,在聚合之前原料丙烯必须经过脱湿。本文以丙烯脱湿气体膜分离过程为研究对象,寻找合适的膜材料和改性方法,以提高膜的性能。本研究采用中空纤维复合膜,选用聚砜(PS)作为多孔支撑层,聚乙烯醇(PVA)作为活性分离层,在PVA中共混聚丙烯酸(PAA)以提高其脱湿性能。采用分子模拟和实验两种方法,考察PVA与PAA的不同共混比例对膜结构和分离性能的影响。分子模拟是探索预测膜材料结构及传递性质的有效工具。本文采用分子动力学模拟方法分析了高分子膜的性质,随着PAA含量增多,高分子膜密度变大;高分子链间吸引力变强;自由体积分数减小;玻璃化转变温度增大。分别计算丙烯和水在膜中的吸附量和扩散系数,发现随着PAA含量增多,小分子在膜中的吸附量增大,扩散系数减小。模拟结果表明,共混改性有助于提高水分子与膜的亲和性以及膜对水的分离因子,渗透速率受溶解和扩散过程共同影响,PVA与PAA的共混比例可能存在一个适宜值。实验制备PVA/PS、PVA-PAA/PS中空纤维复合膜用于丙烯脱湿。随着膜中PAA含量增多,原料气的吸附量增加;渗透速率先增加后降低,当PVA与PAA质量比为1:1.2时达到最高;共混膜对水的分离因子高于PVA膜。对高分子膜进行SEM、FT-IR、XRD及DSC表征分析,可知PVA与PAA间具有较强的相互作用;PAA的加入降低了高分子膜的结晶度,有利于提高膜分离性能;从DSC图中得到玻璃化转变温度值,与模拟值吻合较好。此外,考察了操作条件对膜分离性能的影响,发现随着原料气湿度的增大或操作温度的降低,膜渗透速率均增大。研究结果表明,PVA-PAA共混膜的分离性能优于PVA空白膜。模拟计算与实验结果吻合良好,表明分子模拟技术在分析膜的微观性质、气体与膜材料的亲和性、预测渗透速率和分离因子方面有较高价值。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
前言  8-9
第一章 文献综述  9-26
  1.1 丙烯脱湿工艺  9-10
  1.2 气体膜分离技术  10-16
    1.2.1 气体膜分离技术概述  10-11
    1.2.2 气体脱湿膜材料  11-16
  1.3 气体膜法脱湿研究现状  16-18
    1.3.1 丙烯膜法脱湿  16
    1.3.2 天然气膜法脱湿  16-17
    1.3.3 压缩空气膜法脱湿  17
    1.3.4 其他气体膜法脱湿  17-18
  1.4 分子模拟技术  18-22
    1.4.1 分子动力学模拟的发展  18-19
    1.4.2 分子动力学模拟的基本原理  19-21
    1.4.3 位能模型  21-22
  1.5 分子动力学模拟技术在高分子膜研究中的应用  22-24
    1.5.1 高分子膜结构  22-23
    1.5.2 小分子在高分子膜中的溶解及扩散性能  23-24
  1.6 本课题研究的目的及意义  24-26
第二章 丙烯脱湿共混膜的分子模拟研究  26-50
  2.1 丙烯脱湿膜材料和改性方法的选择  26-27
  2.2 PVA 空白膜及PVA-PAA 共混膜模型构建  27-34
    2.2.1 分子动力学模拟运算步骤  27-29
    2.2.2 力场及基本参数的选择  29-31
    2.2.3 模拟过程  31-34
  2.3 PVA 及PVA-PAA 共混膜性能研究  34-42
    2.3.1 密度和溶解度参数  34
    2.3.2 PVA 空白膜及PVA-PAA 共混膜能量分析  34-37
    2.3.3 自由体积分数  37-40
    2.3.4 玻璃化转变温度  40-42
  2.4 小分子在膜中吸附性能的研究  42-45
    2.4.1 GCMC 模拟方法基本原理  42-43
    2.4.2 吸附模拟计算结果  43-45
  2.5 小分子在膜中扩散系数的研究  45-49
    2.5.1 扩散系数模拟方法基本原理  45-46
    2.5.2 扩散系数计算结果  46-49
  2.6 小结  49-50
第三章 丙烯脱湿共混膜的实验研究  50-63
  3.1 高分子膜及组件的制备  50-52
    3.1.1 PS 基膜的预处理  50
    3.1.2 PVA/PS 中空纤维复合膜的制备  50
    3.1.3 PVA-PAA/PS 中空纤维复合膜的制备  50-51
    3.1.4 中空纤维膜组件的制备  51-52
  3.2 气体膜分离实验装置及步骤  52-53
    3.2.1 气体膜分离实验装置  52
    3.2.2 气体膜分离实验步骤  52-53
  3.3 气体膜分离性能评价  53-55
    3.3.1 PAA 含量对膜吸附效果的影响  53-54
    3.3.2 PAA 含量对膜分离性能的影响  54-55
  3.4 高分子共混膜的表征分析  55-60
    3.4.1 SEM 分析  55-56
    3.4.2 FT-IR 分析  56-58
    3.4.3 XRD 分析  58-59
    3.4.4 DSC 分析  59-60
  3.5 操作条件对膜分离效果的影响  60-62
    3.5.1 原料气湿度的影响  60-61
    3.5.2 操作温度的影响  61-62
  3.6 小结  62-63
第四章 结论  63-64
符号说明  64-65
参考文献  65-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 一般性问题 > 化工过程（物理过程及物理化学过程） > 分离过程 > 新型分离法
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