新型分离技术习题解答——第4章

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1、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8μm，该膜对异丙醇的渗透通量可忽略不计。测得不同含水量的异丙醇进料液透过膜的水通量数据如下：料液中含水量/％（质量）123456水通量/{kg/(m2·h)}0.030.120.450.821.462.12已知水在无限稀释溶

2、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123456含水量/%0.010.020.030.040.050.06水通量/kg/(m2·h)0.030.120.450.821.462.12水的摩尔分数0.03260.06370.09350.12200.14930.1754水的活度0.12700.24840.36450.

3、47560.58210.6842水渗透系数cm3·cm/(cm2·s·kPa)1.14E-122.33E-125.96E-128.32E-121.21E-111.50E-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

4、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

5、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Pco2=81barrer、PN2=5.3barrer。假设原料和渗透物侧的气体完全混合。试计算渗透物组成、二氧化碳通量及回收率。解：,压强比渗透物组成可由下式计算：根据

6、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10m3/h，试计算单级过程所需膜面积和能量消耗。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

7、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：渗透物中氧浓度则得：第一段膜面积：故总膜面积：表明有可能得到两股产物流，即第一段的富氧物流和第二段的富氮物流，如下图所示：4-9四种具有不同分离因子的膜，分别用于渗透蒸发脱除恒沸酒精中的水制备无水乙醇，假定分离因子及总透过量Q与组成无关，四种膜的分离因子分别为10、50、100、1000。若进料混合物中的乙醇质量分数为95℅，试计算制成乙醇质量分数为99.5℅的产品1kg/h所需要的膜面积、进