Separation of supercritical fluid mixtures with a membrane process

用膜工艺分离超临界流体混合物

基本信息

项目摘要

Asymmetric polyamide Kapton^R membrane was made by casting a solution of 18 wt% polyamic acid and 5 wt% phenanthrene in dimethylacetainide at 70゚C with a four-minutes evaporation time. Usine this membrane, a separation factor alpha_<ethanol/CO2>, 8.7 was obtained at 373 K and 15 MPa and 6.5 at 423 K and 15 MPa for the experimemt involving the separation of gaseous mixtures Of CO_2 and ethanol with a concentration ratio of 15 : 1. Its value at 373 K is 1.3 times higher than at 423 K, and increases with total pressure, while the separation factor at 423 K remains constant with pressure.The activation energies of permeability were 2.6 kj/mol for ethanol and 7.1 kj/mol for supercritical CO_2・These values are very small compared to those of 48 kj/mol for ethanol and 25 kj/mol for CO_2 with the symmetric polyamide membrane. Supercritical fluid permeation experiment might be the best method to determine the permeation mechanism whether pore flow model or solution-diffusion model, from the measurement of activation energy of permeation.From the data obtained, a calculation was carried out to determine the required membrane area for 90% recovery of ethanol from mixtures with an initial concentration of 1 mol% and a feed rate of 36 mol/h. This area is 0.82 m^2 for separations conducted at 10 MPa and 373 K and 0.28 m^2 at 15 MPa and 373 K. And three quarters of operating energy of pressurization might be saved. Therefore, the process integrated with membrane recovery could save operating energy about 3/4 and the size of the main compressor will be reduced to 1/4 theoretically.
不对称聚酰胺Kapton ® R膜通过在70 ° C下用4分钟蒸发时间浇铸18重量%聚酰胺酸和5重量%菲在二甲基乙酰胺中的溶液来制备。在373 K、15 MPa和423 K、15 MPa条件下,用该膜分离浓度比为15:1的CO_2和乙醇混合气体,其分离因子α_<乙醇/CO_2>分别为8.7和6.5。其值在373 K时比在423 K时高1.3倍,并且随着总压的增加而增加,在423 K时,分离因子随压力的变化保持不变,渗透活化能分别为乙醇2.6 kJ/mol和超临界CO_2 7.1 kJ/mol,与乙醇48 kJ/mol和CO_2 25 kJ/mol相比,这一数值很小2与对称聚酰胺膜。超临界流体渗透实验是确定渗透机理的最佳方法,无论是孔流模型还是溶解-扩散模型,都可以从渗透活化能的测定中确定,并根据所得数据计算出在进料速率为36 mol/h、初始浓度为1 mol%的混合物中乙醇回收率为90%所需的膜面积。对于在10 MPa和373 K下进行的分离,该面积为0.82 m^2;对于在15 MPa和373 K下进行的分离,该面积为0.28 m^2。可节省增压运行能耗的四分之三。因此,与膜回收集成的工艺在理论上可以节省操作能量约3/4,主压缩机的尺寸将减少到1/4。

项目成果

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S. I. Semenova, H. Ohya, T. Higashijima, Y. Negishi: ""Separation of supercritical CO_2 and ethanol mixtures with an asymmetric polyimide membrane"" Journal of Membrane Science.
S. I. Semenova、H. Ohya、T. Higashijima、Y. Negishi:“用不对称聚酰亚胺膜分离超临界 CO_2 和乙醇混合物”《膜科学杂志》。
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S.I.Semenova,H.Ohya,T.Higashijima and Y.Negishi: "Dependence of permeability through polyimide membranes on state of gas,vapor,liquid and supercritical fluid at high temperature." Journal of Membrane Science. (1991)
S.I.Semenova、H.Ohya、T.Higashijima 和 Y.Negishi:“聚酰亚胺膜的渗透性对高温下气体、蒸汽、液体和超临界流体状态的依赖性。”
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大矢 晴彦・二村 秀行・市原 毅・根本 洋一・松本 幹治: "気体分離用ポリイミド非対称膜の研究 第1報 製膜法の基礎" 膜. 15. 139-146 (1990)
Haruhiko Oya、Hideyuki Nimura、Tsuyoshi Ichihara、Yoichi Nemoto、Mikiharu Matsumoto:“气体分离用聚酰亚胺非对称膜的研究第 1 部分:膜制造方法的基础”膜。 15. 139-146 (1990)
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Haruhiko Ohya, Takeshi Ichihara, Tsuyoshi Higashijima, Youichi Negishi: ""Research of Polyamide Asymmetric Membrane for Gas Separation II", The effect of evaporation period" Membrane. 17(1). 42-47 (1992)
Haruhiko Ohya、Takeshi Ichihara、Tsuyoshi Higashijima、Youichi Negishi:“用于气体分离的聚酰胺非对称膜的研究II”,蒸发周期的影响”膜。
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大矢 晴彦,市原 毅,東島 健,根岸 洋一: "気体分離用ポリイミド非対称膜の研究 第2報 蒸発時間の影響" 膜. 17. 42-47 (1992)
Haruhiko Oya、Tsuyoshi Ichihara、Ken Higashijima、Yoichi Negishi:“气体分离用聚酰亚胺非对称膜的研究第 2 部分:蒸发时间的影响”膜。
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