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减压膜蒸馏浓缩硫酸溶液的探索研究 PDF转Word文字

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发布时间:2014-04-15 08:00   浏览次数:

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 减压膜蒸馏浓缩硫酸溶液的探索研究
张责清张启修周康根
(中南工业大学冶金分离科学与工程实验室,长沙 410083)
摘要以PTFE平扳膜为膜材料探索了减压膜蒸馆浓缩硫酸溶液。试验考察了料液• 魂酸浓度、溫度和減压侧其空度对膜蒸馏通量及酸的截留率的彩响。结果表明,胰蒸傭通 董随料液温度和减压侧其空度的提高而增大,随料液硫鲮浓度的升高而降低;酸的裁留率 与膜蒸镛通量相关,控制适当的操作条件,可使过程的酸截留率达100%β试验还发现,与 其它膜蒸锖方式相比,减压膜蒸馎可获得的蒸馏通量更大,更具有工业实际意义•
关键词膜蒸馏硫酸减压

 

稀硫酸的浓缩是工业上经常碰到的问題, 蒸发浓缩是人们通常使用的方法,但由于蒸发 能耗较大且耐高温稀硫酸腐蚀的材质不易解 决,稀硫酸的浓缩至今仍是一个令人头痛的问 m.膜蒸馏是一种近二十年发展起来的新的膜 分离过程.膜蒸馏过程是利用一疏水性微孔膜 将两种不同温度的溶液分开,较高温度侧溶液 中的易挥发物质呈气态透过膜进人另一侧,然 后冷凝的胰分离过程[】],膜蒸馏具有操作温度 较低,可利用低温热能,可将溶液浓缩至很高浓 度和可获得纯度很髙的透过液等一系列优点, 近年来,膜蒸馏过程的研究引起了国内外的髙 度重视。
膜蒸馏技术的上述特点为工业生产过程中 琉酸的浓缩问题提供了一条有效的途径。曰本 学者和波兰学者已分别采用气歌膜蒸馏和直接 接触膜蒸馏对硫酸的浓缩进行了探索研 究D]C2],膜材料为PTFE微孔膜β我们则以金厲 -PTFE复合膜为膜材料采用直接接触腆蒸馏 研究了琉酸的膜蒸馏浓缩[3]。这些研究均显示 出采用胰蒸馏技术可以对稀硫酸进行浓缩。本 文探索采用膜蒸馏的另外一种形式一减压膜蒸 ts对琉酸进行浓缩。
1 减压膜蒸馏的原理及传质特性
琉酸溶液厲于非挥发性溶质水溶液。非挥 发性溶质水溶液的减压膜蒸馏的原理如图1所 示。料液从蔬水性微孔膜的一侧(料液侧)流过, 206
在膜的另一例(*压侧)抽真空,由于膜的蔬水 性和撖孔性,在表面张力的作用下,料液侧溶液 不会通过膜孔进人减压侧.当减压側的压力小 于料液侧膜面溶液的平衡水蒸汽压时,料液侧 溶液中的水不断汽化进人到减压侧,进入到减 压俩的蒸汽則不断抽离到膜器外进行冷凝•由 于在气液界面和减压側之间存在压力差,因而 减压膜蒸馏具有比其它形式的膜蒸谓更大的通
图1 减压膜蒸懐示童图
在减压膜蒸请过程中,因为透过腆的气态 物质分子的平均分子自由程λ远大于縝的平均 孔径,而且膜的减压侧的气压很低,只有少量气 体在膜中,所以膜内的传质为努森扩黻•因此, 蒸汽在膜内的传质可用下式表示:
J = ΚΛΡ,- Λ)
=ΚΜ -/ΜΛΡ (1)
其中J为蒸馏通量(kg «h—1 • m-*), P, 为气液界面的蒸汽压(Pa),而P:为威压«的压 力(Pa),M为透过物质的分子董(kg • mol-1)* 
K* 为传质系数(h • mol"* • nr1 • kg-l),Km«r. 用式(2)表示•
Ud,
3玢(2ΛΤ)
cikry71
其中d,为胰的孔径(m)*S为膑的厚度 (m),e为縝的孔瞭率,χ为曲折因子,T为温度 CK)>R为气体常数。
由式(2)知,K«与湿度有关,倍溫度对 影岣很小,如温度从6(TC变化到80'C ,Km仅变 化不到3H,由此可以认为在瀑度变化范围不 大的情況下,同一膜材料的Κ»为一常数•
实际上,在减压《蒸®过程中•除了通过赝 孔的传质外,还应考虑料液侧液体中的传热和 传质.如图1所示*在汽液界面上溶液的温度和 浓度均与主体料液不同,汽液界面上溶液的温 度比主体溶液S度低,浓度比主体溶液的浓度 低•这耽是《压K蒸请过程的温度极化和浓度 极化,《蒸懼过程必须考虑温度极化和浓度极 化的影喃.
2 实验部分
X 实驗装置及实验材料
減压縝蒸慯实验装置如图2所示,它由三 部分组成:料液加热循环系统,膜器》蒸汽冷凝、 接收及减压系统.琪为PTFE平板微孔膜,北 京《料研究所购置,其标称孔径为0. Ιμπι,厚 度为60μηι,孔睞率为55%,膜器为有机玻璃制 造,康的有效面积为lOOXlOOmm。在膜器中,

«2 咸压膜蒸请实验装置图
1渥度控M,2料波»环4IN3如热器,4循环泵》5流量计, 6膜寒请β,7冷疑罌,8瘘牧瓶,3真空泵,10压力计 滇由多孔不锈铜叛支撑,为了使膘不在压力下 硖裂,还在農与不鴒锕极之间放有不锈钢纤维 嫌结毡ν

实验《酸溶液为化学捭试剂配《。
2.2实驗操作和ft据处理
加热料液,用泵使之循环,调节管道«Π•, 使料液流量为40L/h,当溫度至预定潙度并稳 定后,开动真空泵,通过调节放空阀,维持一定 的真空度,同时接通冷凝器冷却水,开始在蒸值 液接受瓶中收集蒸馏液•»
试验结束后,测量蒸馆液质量和酸度,根据 此按式(3)和式(4)计算腆蒸懷通纛J(kg • h-1 和酸的截留率 J ^ Μ / (A-Ο (3)
7= (Crf/C/)X100% (4)
其中M为蒸馆液质量(kg),Α为臑的有效 面积(m2),t为蒸慵时间(hKG为蒸《液Λ酸 浓度(md/L),Cf为料液蒸馏前后的平均疏酸 浓度(mol/L).
在本文中,料液的平衡水蒸汽压是通过査 表获得的〔<],料液的温度取料液进出膜器的平 均温度,浓度取料液蒸《前后的平均《酸浓度_
3 实验结果与讨论
3,1减压俩真空度对縝蒸谓通最的影喃
减压侧真空度对膜蒸值通童的影响如图
3,4,5所示β

80 90 100
S-宁度_
田3真空度对通量的影响 (料液浓度为2.0mo丨/L)
从纽3,4,5可#出,在料液温度、浓度相同 时,腠蒸馆通量均随著减压侧真空度的增如而 线性增加•其它条件相同时,料液侧縝面瘡酸溶 液的平衡水蒸汽压P,不变,减压侧真空度升 
60 70 80 90 丨 00
H^JS. (kPa) m 5真空度与通纛的关系 (料液溫度为80 C)
髙即减压侧压强氏下降,因而膜蒸馏推动力 ΔΡ增大,根据式(1),膜蒸馏通量线性增加。由 此可见,增加减压侧的真空度,有利于膜蒸馏通 量的增加•从图3,4,5还可以看出,减压膜蒸馏 浓缩琉酸可获得的通置远比其它膜蒸馏方式浓 缩硫酸可获得的通量大D~s]。当料液硫酸浓度 为2moi/U真空度为87. 6kPa,温度为80 C时, 其通量高达34. 2 kg • h_1 • ηΓ1。即使料液硫 酸浓度达6 moi/L*当料液温度为80 C ,真空度 为92. 6 kPa时,其通量仍可达13. 8kg • h_I * m~20

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