系統識別號 | U0002-2907201509515300 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2015.01070 |
論文名稱(中文) | 膜蒸餾塔之實驗研究 |
論文名稱(英文) | Experimental study of membrane-base distillation columns. |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學工程與材料工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemical and Materials Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 103 |
學期 | 2 |
出版年 | 104 |
研究生(中文) | 詹忻儒 |
研究生(英文) | Hsin-Ju Chan |
學號 | 602400532 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2015-07-20 |
論文頁數 | 108頁 |
口試委員 |
指導教授
-
張煖
委員 - 陳錫仁 委員 - 程學恆 |
關鍵字(中) |
中空纖維管 薄膜 填充塔 蒸餾 |
關鍵字(英) |
hollow fibers membrane structural packing distillation |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
依熱力學理論,非絕熱蒸餾塔可有效降低能耗,然而在傳統的板式或填充式塔內進行熱交換具有相當困難度。使用多孔性中纖纖維薄膜作為結構式填充物之蒸餾塔具有高比表面積,氣液相不受流力限制,可方便地提供塔內熱交換功能的優點,即適於做為非絕熱蒸餾塔。本研究利用商業疏水性聚丙烯中空纖維管製作絕熱式與非絕熱中空纖維薄膜模組蒸餾塔,且完成了針對甲醇水溶液之分離實驗,包括精餾與氣提操作模式。本研究也利用一考量熱質傳與塔內壓損之一為嚴謹數學模式,進行模擬分析,模擬氣體與液體出口濃度,相較於實驗值,平均偏差為2.3 %。絕熱塔於精餾與氣提操作模式下,傳輸單元高度(HTU)分別為0.26-0.74 m與0.24-0.62 m。非絕熱塔之塔內熱傳均發生於氣體側,相較於絕熱塔,精餾操作之HTU較低,氣提操作則因熱傳未能發生於液體側,反而使HTU增高。質傳阻力分析顯示主要阻力在液體層,其次為氣體層,薄膜層之阻力則不重要。 |
英文摘要 |
Bases on thermodynamic theory, diabatic distillation columns can effectively reduce energy consumption. It is difficulty to carry out internal heat exchange in conventional tray or packing towers. Distillation columns using microporous hollow fiber membranes as structured packing provides many advantages, including large specific area, no hydraulic limitations on flow rates and easy internal heat exchange. Hence, it is a good candidate as diabatic columns. In this thesis, experimental and simulation studies of adiabatic and diabatic distillation columns for the separation of water and methanol mixtures are presented. The columns are operated under rectifying and stripping operation modes. For the vapor and liquid outlet concentrations, the average relative deviation of the simulation results from the experimental results is about 2.3%. For the adiabatic column, the height of transfer unit (HTU) of rectifying operation and stripping operation is 0.26-0.74 m and 0.24-0.62 m, respectively. For the diabatic column, the heat exchange is on the vapor side. Compare to adiabatic column, the HTU of diabatic column is lower in rectifying operation, but higher in stripping operation. The major contribution of mass transfer resistance comes from the liquid phase and the membrane layer resistance is not significant. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
中文摘要 I 英文摘要 II 目錄 III 圖目錄 VII 表目錄 XV 第一章 緒論 1 1.1. 前言 1 1.2. 研究動機、範疇與方法 5 1.3. 論文組織與架構 7 第二章 文獻回顧 8 2.1. 中空纖維薄膜模組蒸餾塔 8 2.2. 非絕熱蒸餾塔 9 第三章 數學模擬與分離性能分析 11 3.1 中空纖維薄膜蒸餾模組模式 11 3.2 熱力學模式 16 3.3 物理性質 16 3.4 基本個案模擬結果 17 3.4.1 絕熱蒸餾塔 17 3.4.2 非絕熱蒸餾塔 23 3.5 分離性能分析 27 3.6 質傳阻力分析 28 第四章 絕熱蒸餾塔實驗 29 4.1. 精餾操作模式 30 4.1.1. 實驗系統 30 4.1.2. 藥品、設備與儀器規格 32 4.1.3. 實驗步驟 36 4.1.4. 注意事項 37 4.1.5. 代表個案操作過程數據 38 4.2. 氣提操作模式 40 4.2.1. 實驗系統 40 4.2.2. 藥品、設備與儀器規格 42 4.2.3. 實驗步驟 42 4.2.4. 注意事項 43 4.2.5. 代表個案操作過程數據 44 4.3. 實驗條件與結果 46 4.3.1. 實驗條件 46 4.3.2. 操作模式與初始條件之影響 47 4.3.2.1. 精餾與氣提操作模式 47 4.3.2.2. 改溶液初始濃度 48 4.3.2.3. 氣體入口流量 48 4.3.3. 基本個案之實驗結果 49 4.3.3.1. 精餾操作模式 49 4.3.3.2. 氣提操作模式 54 4.3.4. 改變氣體流量之實驗結果 58 4.3.4.1. 精餾操作模式 58 4.3.4.2. 氣提操作模式 62 第五章 非絕熱蒸餾塔實驗 65 5.1. 精餾操作模式 65 5.1.1. 實驗系統 65 5.1.2. 藥品、設備與儀器規格 68 5.1.3. 實驗步驟 68 5.1.4. 注意事項 70 5.1.5. 代表個案操作過程數據 71 5.2. 氣提操作模式 73 5.2.1. 實驗系統 73 5.2.2. 藥品、設備與儀器規格 75 5.2.3. 實驗步驟 75 5.2.4. 注意事項 76 5.2.5. 代表個案操作過程數據 77 5.3. 實驗條件與結果 79 5.3.1. 實驗條件 79 5.3.2. 實驗結果 80 5.3.2.1. 精餾操作模式 80 5.3.2.2. 氣提操作模式 85 5.4. 非絕熱塔與絕熱塔之比較 89 5.4.1. 精餾操作模式 89 5.4.2. 氣提操作模式 92 第六章 結論 94 符號說明 97 參考文獻 101 附錄 103 圖目錄 圖1.1 傳統蒸餾塔與內部熱整合蒸餾塔 2 圖1.2 非絕熱蒸餾塔(DDC) 3 圖1.3 薄膜氣液接觸器 4 圖1.4 中空纖維模組蒸餾塔 (Cussler, 2003) 4 圖1.5 絕熱塔 (a)精餾操作模式,(b)氣提操作模式絕熱塔 6 圖1.6 非絕熱塔 (a)精餾操作模式,(b)氣提操作模式 6 圖3.1 中空纖維薄膜蒸餾塔之熱傳與質傳 12 圖3.2 疏水性薄膜氣液介面 12 圖3.3 絕熱塔基本個案之壓力分佈 18 圖3.4 絕熱塔基本個案之溫度分佈 19 圖3.5 絕熱塔基本個案之濃度分佈 20 圖3.7 絕熱塔基本個案之莫耳流量分佈 20 圖3.8 絕熱塔基本個案之質傳通量分佈 21 圖3.9 絕熱塔基本個案之熱對流熱傳通量分佈 22 圖3.10 絕熱塔基本個案伴隨質傳的熱傳通量分佈 22 圖3.11 非絕熱塔基本個案之壓力分佈 23 圖3.12 非絕熱塔基本個案之溫度分佈 24 圖3.13 非絕熱塔基本個案之濃度分佈 24 圖3.14 非絕熱塔基本個案之莫耳流量分佈 25 圖3.15 非絕熱塔基本個案之質傳通量分佈 25 圖3.16 非絕熱塔基本個案之熱對流熱傳通量分佈 26 圖3.17 非絕熱塔基本個案伴隨質傳的熱傳通量分佈 26 圖4.1 絕熱塔操作模式:(a)精餾,(b)氣提 29 圖4.2 絕熱塔精餾操作模式實驗系統配置 30 圖4.3 絕熱塔精餾操作模式實驗系統照片 31 圖4.4中空纖維薄膜模組照片 33 圖4.5 絕熱塔精餾操作代表個案實驗過程溫度、壓力與流量分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:3.5 ml/min與液體入口溫度:40 oC) 39 圖4.6 絕熱塔精餾操作代表個案實驗過程濃度分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:3.5 ml/min與液體入口溫度:40 oC) 39 圖4.7 絕熱塔氣提操作模式實驗系統配置 40 圖4.8 絕熱塔氣提操作模式實驗系統照片 41 圖4.9 絕熱塔氣提操作代表個案實驗過程溫度、壓力與流量分佈(初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:8.68 ml/min與液體入口溫度:40 oC) 45 圖4.10 絕熱塔氣提操作代表個案實驗過程濃度分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:8.68 ml/min與液體入口溫度:40 oC) 45 圖4.11 絕熱塔操作模式:(a)精餾,(b)氣提 47 圖4.12 絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量與初始濃度對氣體出料濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 49 圖4.13 絕熱塔精餾操作模式改變液體入口流量與初始濃度對液體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 50 圖4.14 絕熱塔精餾操作模式改變液體入口流量與初始濃度對HTU之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 50 圖4.15 甲醇水溶液系統之相平衡常數(1 atm) 51 圖4.16 絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:20 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 52 圖4.17 絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:30 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 52 圖4.18 絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:40 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 53 圖4.19 絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對氣體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 54 圖4.20 絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對液體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 55 圖4.21 絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對HTU之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 55 圖4.22 絕熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:20 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 56 圖4.23 熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:30 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 57 圖4.24 絕熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:40 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 57 圖4.25 絕熱塔精餾操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為20 mol%) 59 圖4.26 絕熱塔精餾操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為30 mol%) 60 圖4.27 絕熱塔精餾操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為40 mol%) 60 圖4.28 絕熱塔精餾操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對HTU之影響 61 圖4.29 絕熱塔氣提操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為20 mol%) 63 圖4.30 絕熱塔氣提操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為30 mol%) 63 圖4.31 絕熱塔氣提操作模式改變氣體出口流量與液體入口流量對出口濃度之影響(初始甲醇濃度為40 mol%) 64 圖4.32 絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對HTU之影響 64 圖5.1 非絕熱塔操作模式:(a)精餾,(b)氣提 65 圖5.2 非絕熱塔精餾操作模式實驗系統配置 66 圖5.3 非絕熱塔精餾操作模式實驗系統照片 67 圖5.4 非絕熱中空纖維薄膜模組照片 68 圖5.5 非絕熱塔精餾操作代表個案實驗過程溫度、壓力與流量分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:3.5 ml/min、液體入口溫度:40 oC與冷水進口溫度:低於氣體入口溫度10oC) 72 圖5.6 非絕熱塔精餾操作代表個案實驗過程濃度分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:3.5 ml/min、液體入口溫度:40 oC與冷水進口溫度:低於氣體入口溫度10oC) 72 圖5.7 非絕熱塔氣提操作模式實驗系統配置 73 圖5.8 非絕熱塔氣提操作模式實驗系統照片 74 圖5.9 非絕熱塔氣提操作代表個案實驗過程溫度、壓力與流量分佈(初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:7.0 ml/min、液體入口溫度:40 oC與熱水進口溫度:高於氣體入口溫度10oC) 78 圖5.10 非絕熱塔氣提操作代表個案實驗過程濃度分佈 (初始濃度:30 mol%、氣體出口流量(冷凝後):5.2 ml/min、液體入口流量:7.0 ml/min、液體入口溫度:40 oC與熱水進口溫度:高於氣體入口溫度10oC) 78 圖5.11 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入口流量與初始濃度對氣體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 81 圖5.12 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入口流量與初始濃度對液體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 81 圖5.13 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入口流量與初始濃度對HTU之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 82 圖5.14 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:20 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 83 圖5.15 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:30 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 83 圖5.16 非絕熱塔精餾操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:40 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 84 圖5.17 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對氣體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 85 圖5.18 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對液體出口濃度之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 86 圖5.19 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入口流量與初始濃度對HTU之影響(氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 86 圖5.20 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:20 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 87 圖5.21 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:30 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 88 圖5.22 非絕熱塔氣提操作模式改變液體入料流量對質傳阻力之影響(初始濃度:40 mol%與氣體出口流量(冷凝後)為5.2 ml/min) 88 圖5.23 絕熱塔與非絕熱塔精餾操作模式氣體出口溫度之比較 90 圖5.24 絕熱塔與非絕熱塔精餾操作模式液體出口溫度之比較 90 圖5.25 絕熱塔與非絕熱塔精餾操作模式HTU之比較 91 圖5.26 絕熱塔與非絕熱塔氣提操作模式氣體出口溫度之比較 92 圖5.27 絕熱塔與非絕熱塔氣提操作模式液體出口溫度之比較 93 圖5.28 絕熱塔與非絕熱塔氣提操作模式HTU之比較 93 圖6.1 絕熱塔與非絕熱塔之HTU實驗值-精餾操作模式 95 圖6.2絕熱塔與非絕熱塔HTU實驗值 -氣提操作模式 96 表目錄 表1.1 中空纖維模組蒸餾塔之主要文獻實驗研究結果 5 表3.1 物理性質呼叫函數 16 表3.2 絕熱塔與非絕熱塔基本個案之操作條件 17 表3.3 絕熱塔基本個案之模擬與實驗結果 18 表3.4 非絕熱塔基本個案之模擬與實驗結果 23 表4.1 中空纖維薄膜模組規格 33 表4.2 絕熱塔基本個案操作條件 46 表4.3 絕熱塔改變氣體流量個案操作條件 47 表4.4 不同初始濃度之氣體入料狀態 48 表4.5 操作於不同氣體流量之氣體入料狀態 48 表5.1 非絕熱塔精餾操作模式之操作條件 79 表5.2 非絕熱塔氣提操作模式之操作條件 80 表A.1 絕熱蒸餾塔精餾操作模式之實驗結果 103 表A.2 絕熱蒸餾塔精餾操作模式之實驗結果(續) 104 表A.3 絕熱蒸餾塔氣提操作模式之實驗結果 105 表A.4 絕熱蒸餾塔氣提操作模式之實驗結果(續) 106 表A.5 非絕熱蒸餾塔精餾操作模式之實驗結果 107 表A.6 非絕熱蒸餾塔氣提操作模式之實驗結果 108 |
參考文獻 |
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