中空纤维膜萃取过程的研究

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1、2008年12月新膜过程研究与应用研讨会论文集中空纤维膜萃取过程的研究王玉军，戴猷元(化学工程联合国家重点实验室(清华大学)，清华大学化学工程系，北京100084)摘要-膜萃取是膜过程和液液萃取过程相结合的新的分离技术．中空纤维膜器可以提供非常大的传质比表面积，在膜萃取过程中经常选用．从中空纤维膜器中流体的流动特性入手，研究不同装填密度、不同装填情形下的流动特性，建立模型．以此为基础，可能从基本理论及膜器结构入手，实现膜萃取过程的传质强化．关键词：膜萃取；中空纤维膜器；流体流动特性；传质过程强化固

2、定膜界面萃取又称膜萃取，它是膜过程和液液萃取过程相结合的新的分离技术．与通常的液液萃取过程不同，膜萃取的传质过程是在分隔料液相和溶剂相的微孔膜表面进行的．例如，由于疏水微孔膜本身的亲油性，萃取剂浸满疏水膜的微孔，渗至微孔膜的另一侧，萃取剂和料液在膜表面接触，发生传质．从膜萃取的传质过程可以看出，作为一种新的分离技术，膜萃取过程有其特殊的优势【l叫]．膜萃取过程不存在通常萃取过程中的液滴的分散和聚合现象，可以减少萃取剂在料液相中的夹带损失；由于料液相和溶剂相各自在膜两侧流动，并不形成直接接触的两相流

3、动，因此在选择萃取剂时可以对其物性要求大大放宽，使用高浓度的高效萃取剂；在膜萃取过程中，两相分别在膜两侧做单相流动，使过程免受“返混”的影响和“液泛”条件的限制；膜萃取过程可以实现同级萃取反萃，可以采用流动载体促进迁移等措施，提高过程的传质效率．膜萃取技术的研究工作自20世纪80年代初开展以来，膜萃取技术的工艺过程研究，膜萃取器材料的浸润性及过程传质机理的研究，利用膜萃取实现同级萃取反萃的研究，流体在膜器中流型分布的研究以及膜器设计方法的研究等工作已逐步深入，膜萃取技术的应用领域已在逐步拓展．1中

4、空纤维膜萃取过程的各分传质系数关联式固定膜界面萃取过程可以在板式膜器和中空纤维膜器中实现．由于中空纤维膜器可以提供非常大的传质比表面积，故这类膜器经常选用．设计和选用中空纤维膜萃取器时，建立管程分传质系数关联式、壳程分传质系数关联式和膜内分传质系数关联式，从而计算出中空纤维膜萃取器的总传质系数是必要的．根据以往对滞流状态下流体在管内及管外传质过程的研究结果，管内外各分传质系数的求算可以采用无因次数群的关联式，其一般形式为⋯5：百k'd=C(duu)4(号)卢(芒)r(1)式中，k为分传质系数，m／

5、s；d为管径，m；D为扩散系数，mz／s；L为管长，m；“为流速，m／s；”为运动粘度，m2／S；C、口、口、7为拟合参数．中空纤维膜萃取过程的研究表明，一般的操作条件下，两相的流动属滞流状态．利用式(1)，对疏水膜器或亲水膜器的膜萃取实验数据进行关联，可以获得在各种操作范围内的各分传质系数的关联式，其典型的关联式汇于表1．研究表明，在较小装填密度的中空纤维膜器中的总传质系数K。的实测值和按关联式求取的计算值进行比较，关联式的计算精度是理想的．从表1中的分传质系数关联式也可以看出，管内的分传质系数

6、的关联式均较为相似，而壳程流体的分传质系数关联式无论在常数项上还是在指数上都存在差异，这一差异产生的主要原因是由于不同作者所采用的膜器结构、装填因子(中空纤维膜体积占外套管内总体积的百分数)有所不同．·2·膜科学与技术2008年表1中空纤维膜器中分传质系数关联式文献[6]文献[7]文献[8]管内侧分管=l烈．面d2u，．·力鲁=1．64‘面d2u)1／3型D=1．62(面d2u)1力传质系数管外侧分告_8．o(辔)(苦严告=5．85(譬)(警)0s(蚩)-庀警=8．58(鲁)(吉严传质系数膜传质，

7、一旦血R6：盈km=急'fm=2．o系数m--fm￡“一mrm￡m表中：。i为中空纤维膜器外壳内径，m；d为中空纤维内径,m；de为中空纤维膜器壳程当量直径(=訾),re；do为中空纤维外径，m；n为纤维根数；矗为分传质系数，m／s；k。为膜传质系数，m／s；t。为膜厚，m；e。为膜孔隙率；r。为膜弯曲因子．2中空纤维膜器中流动的非理想性研究表明，中空纤维膜器中流动的非理想性对其传质过程的影响是十分明显的．通过测量中空纤维膜器的管程和壳程的停留时间分布曲线，可以定量地研究讨论中空纤维膜器中流动的非

8、理想性[9I．以饱和氯化钾溶液做为示踪剂，采用阶跃示踪法，测量膜器进出口处的电导率随时间的变化，得到膜器中流体的停留时间分布(RTD)曲线．为了模拟膜萃取传质时的流动状况，膜器用有机溶剂浸泡数天，使中空纤维充分溶胀后，再测定RTD曲线．测量膜器壳程的RTD曲线时，使管程充满溶剂，防止KCl溶液扩散进入管程．2．1中空纤维膜器的管程流动【9】分析中空纤维膜器的管程停留时间分布曲线可以看出，管程流动既不属于理想全混流，也不属于理想平推流，而介于二者之间．当流体在中空纤维膜器的管程流动时