新型分离技术习题解答第4章.doc

第四章 气体渗透、渗透汽化和膜基吸收（习题解答） 4-1采用气体渗透膜分离空气（氧21％，氮79％），渗透物中氧浓度达78％。试计算膜对氮气的截留率R和过程的分离因子α，并说明这种情况下哪一个参数更能表达该过程的分离状态。 解：截留率： R= 分离因子： 对于气体膜分离，以分离因子表示膜的选择性为宜。 4-3 用渗透汽化膜过程进行异丙醇脱水。在80℃下，所用亲水复合膜厚为8μ 料液中含水量/％（质量） 1 2 3 4 5 6 水通量/{kg/(m2·h)} 0.03 0.12 0.45 0.82 1.46 2.12 已知水在无限稀释溶液中的活度系数为3.9，且在以上浓度范围内不变。试画出水通量随溶液浓度及活度的变化曲线；计算各组成下水的渗透系数{cm3·cm/(cm2·s·kPa)}。 解：查表得异丙醇的Antoine方程常数，并计算其饱和蒸气压： 查饱和水性质表得80℃下水的饱和蒸气压及密度： 水的渗透系数可用下式计算： 计算结果见下表： 名称 1 2 3 4 5 6 含水量/% 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 水通量/kg/(m2·h) 0.03 0.12 0.45 0.82 1.46 2.12 水的摩尔分数 0.0326 0.0637 0.0935 0.1220 0.1493 0.1754 水的活度 0.1270 0.2484 0.3645 0.4756 0.5821 0.6842 水渗透系数 cm3·cm/(cm2·s·kPa) 1.14E-12 2.33E-12 5.96E-12 8.32E-12 1.21E-11 1.50E-11 水通量随溶液浓度及活度的变化曲线如下：（左Y轴为摩尔分数，右Y轴为活度，X轴为渗透系数） 4-4 蒸汽渗透或气体分离过程中，原料和渗透物压强比一定，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等时，渗透物浓度最高。今已知某一复合膜对空气中甲苯蒸汽浓度为0.5℅（体积）时的渗透选择性为200，分别计算压强比为10、100和1000时的渗透物组成。 解：已知为定值，，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等 ∵对于二元混合气体，忽略边界层作用，其渗透量可用下式计算： 当无吹扫气体时，两通量之比即为渗透气体的摩尔分率之比： （1）： 带入方程：，解方程得： （2）： 带入方程：，解方程得： （3）： 带入方程：，解方程得： 4-5 用间歇渗透汽化过程脱除发酵液中的丁醇。当发酵液中丁醇浓度从6℅降至0.6℅时，其体积减少了13℅，试计算渗透物中丁醇的浓度。 解：设发酵液初始体积为，当发酵液中丁醇浓度从6℅降至0.6℅时， ∴渗透物中丁醇的浓度 4-6 某一气体富氧过程，其跨膜压强比ph/pl=5，且设进料浓度近似与截留物浓度相等xf≈xr，原料空气含氧21℅。分别计算选择性为p氧气/p氮气=2.0、2.2、3.0、5.0和10时的渗透物中氧的浓度。 解：已知为定值，且设进料浓度近似与截留物浓度相等 根据本章习题4-4所推导的公式： 对于，方程为，解方程得： 同理可得时的值分别为 4-7 用改性聚二甲基硅氧烷为皮层（1μm）的复合膜分离二氧化碳和氮气混合物。假定进料混合物的物质的量（mol）之比，二氧化碳/氮气=1/4，原料侧压力为ph=0.25MPa，渗透物侧压力为pp=0.05MPa。原料流量为qf=10000m3(STP)/h。两种气体的渗透系数分别为P co2=81barrer、PN2 解：, 压强比 渗透物组成可由下式计算： 根据质量衡算可求出二氧化碳回收率 所以二氧化碳回收率为： 进而二氧化碳的通量： 4-8 用不对称聚亚苯基氧复合膜进行空气富氮。分离层膜厚为1μm，该膜对氧的渗透率PO2为50barrer，膜的分离因子为4.2，进料流中的操作压力为1MPa，渗透物流侧的压力为0.1MPa，假定空气中氮浓度为0.79，渗余物中氮浓度增大到0.95，渗余物流量为qf=10m3/h。现要求生产含氮95℅的富氮气10m 解：第一段的截留物作为第二段的原料。已知第二段，原料侧氧的对数平均浓度为： （1）：先计算第二段，氧浓度从10%降到5%。 渗透物中氧的浓度 由物料衡算可以求出原料和渗透物流量，进而求出所需膜面积。 得： 第二段膜面积： （2）：计算第一段： 第一段中氧的对数平均浓度： 渗透物中氧