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） 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0.12700.24840.36450.47560.58210.6842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=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、进料量、透过量、透过物组成及乙醇的回收率解：（1）：分离因子，，设透过物乙醇含量为，总透过量为，进料量为 ∵∴对物料中乙醇做物料守恒：解上述方程得：∴乙醇的回收率：（2）：分离因子，∵∴对物料中乙醇做物料守恒：解上述方程得：∴乙醇的回收率：（3）：分离因子，∵∴对物料中乙醇做物料守恒：解上述方程得：∴乙醇的回收率：（4）：分离因子，∵∴对物料中乙醇做物料守恒：解上述方程得：∴乙醇的回收率：。