分离技术概论气体分离PPT课件.ppt

主要内容 气体膜分离概述分离机理影响气体分离的因素气体分离膜装置与组件工业应用 1 气体膜分离概述 2 气体透过Seperex膜的相对渗透速率 3 气体膜分离定义 要分离的气体以高压供给膜装置 透过膜的一侧 膜的另一侧保持较低压力 膜两侧压力差作为气体透过膜进行扩散的推动力 由于供料组分的相对迁移速率不同 因而得到分离 4 气体膜分离定义 气体膜分离过程示意图 5 气体膜分离的发展 利用聚合物膜分离气体的概念已有100多年的历史 奠定气体膜分离市场 1979年 Monsanto公司推出的 Prism H2 N2膜分离装置 80年代的GKSS 日东电工 MTR有机蒸汽回收系统 AirProducts开发的气体膜分离与变压吸附集成工艺 6 存在的问题 深冷分离技术在费用上有一定的优势 变压吸附技术的发展很快 7 气体膜分离机理 8 气体膜分离机理 膜法气体分离的基本原理是根据混合气体中各组分在压力推动下透过膜的传递速率不同 从而达到分离的目的 两种机理 气体通过微孔膜的微孔扩散机理 气体通过致密膜的溶解 扩散机理 9 气体膜分离定义 a b c d e f g 分离原理 10 致密膜气体分离与蒸汽渗透 11 微孔扩散机理 努森扩散 微孔直径 dp 远小于气体分子平均自由程 时 气体分子与孔壁之间的碰撞几率远大于分子之间的碰撞几率 此时气体通过微孔的传递过程属努森 Knudsen 扩散 又称自由分子流 Freemoleculeflow 在dp远大于 时 气体分子与孔壁之间的碰撞几率远小于分子之间的碰撞几率 此时气体通过微孔的传递过程属粘性流机制 Viscousflow 又称Poiseuille流 当dp与 相当时 气体通过微孔的传递过程是努森扩散和粘性流并存 属平滑流 slipflow 机制 12 r 比值与膜孔内气体透过量的系 通常 当多孔膜孔径 10 时 努森流与粘性流同时存在 Kn值的不同 则两种流动所占的比例也不同 Kn 0 5时 努森流占优势 当Kn 0 1时 则约90 为粘性流 13 微孔扩散机理 努森因子 Kn 14 微孔扩散机理 Kn 1时 努森扩散占主导地位 其通量为 Kn 1时 努森扩散和粘性流并存 总通量可视为二者的叠加 Ft Fp Fk 15 微孔扩散机理 基于努森扩散的气体A和B的通量比 即为理想分离因子 a FK A FK B 16 微孔扩散机理 表面扩散气体分子可与介质表面 如孔壁 发生相互作用 即吸附于表面并可沿表面活动 不同分子在表面的占据率是不同的 当存在压力梯度时 这些吸附的分子将产生沿表面的浓度梯度方向的扩散 17 微孔扩散机理 低表面浓度梯度下 纯气体的表面流fs 可由费克定律来描述 可得表面渗透率Fs为 若考虑孔径对表面流的影响 则引入 18 微孔扩散机理 当孔径减小时 表面积增大 表面扩散通量也随之增大 19 微孔扩散机理 对于纯气体 若同时发生努森扩散 层流 粘性流 和表面扩散 其总通量为 20 微孔扩散机理 对混合气体通过多孔膜的分离过程 为了获得良好的分离效果 要求混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主 基于此 分离过程应尽可能地满足下列条件 多孔膜的微孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程 一般要求多孔膜的孔径在 50 300 10 10m 混合气体的温度应足够高 压力应尽可能低 高温 低压都可能提高气体分子的平均自由程 同时还可避免表面流动和吸咐现象发生 21 例题4 1 22 溶解 扩散机理 气体在膜的上游侧表面吸附溶解 是吸着过程 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下扩散透过膜 是扩散过程 膜下游侧表面的气体解吸 是解吸过程 23 溶解 扩散机理 一般地说 气体在膜表面的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡 而气体在膜内的渗透扩散较慢 是气体透过膜的速率控制步骤 气体在膜内的扩散过程可用费克定律来描述 稳态时 气体透过膜的渗透流率可用下式来表达 24 溶解 扩散机理 25 2 非多孔膜内的扩散 对橡胶态膜 气体渗透通过致密膜的传递方程可由亨利定律导出 式中 p0 pl为组分i在膜上游侧和膜下游侧的分压 Di Hi扩散系数和溶解度系数 lm为膜厚度 26 气体通过致密膜时的分压差与浓度分布 27 渗透系数与扩散系数和溶解度系数的关系 式中 P为渗透系数cm3cm cm2s Pa D为扩散系数 cm2 s H亨利溶解度系数cm3 cm3Pa 若其中任何两个系数已知 则可推出第三个系数 28 渗透系数含义 P特性参数 一种固定的本征参数单位 Barrer 10 10cm3 STP cm cm 2 S 1 cmHg 1 0 76 10 17m3 STP m m 2 S 1 Pa 1从渗透系数的因次可以看出它与膜面积 膜厚及推动力无关 是个归一化的参数 对于相互作用体系 Henry定律不再适用 P也就不在是常数 与推动力有关 29 双重吸着理论 Dualmodesorptiontheory 式中 CH CD分别为亨利溶解度和朗格缪尔吸附率 S为亨利定律溶解度常数 b为孔亲和常数 为孔饱和常数 F DH DD K CH b S bS分别为常数 DH DD分别为溶解扩散系数和吸附扩散系数 30 橡胶态聚合物膜与玻璃态聚合物膜吸附差异的原因 橡胶态聚合物 Henry吸附橡胶态聚合物属于无定型聚合物 且在玻璃化温度 Tg 之上 分子柔韧性好 能发生绕主链的旋转 只存在Henry吸附玻璃态聚合物 双重吸附理论 Henry Langmuir吸附玻璃态聚合物也属于无定型聚合物 在玻璃化温度 Tg 之下 链段运动受限制 所以是以尺寸和形状来选择 Herny吸附是由于进入溶解环境中发生的一般性吸附Langmuir吸附是由于气体进入玻璃态聚合物中的不松弛体积或微空穴中吸附所引起的 31 不同吸附机理 32 例题4 2 33 影响气体分离的因素 34 影响气体分离的因素 气体性质的影响膜性质的影响操作参数的影响 36 各种气体分子的动力学直径 气体分子HeNeH2NOCO2C2H2ArO2N2COCH4直径 2 62 752 893 173 33 33 43 463 643 763 8气体分子C2H4XeC3H8n C4H10CF2Cl2C3H6CF4i C4H10直径 A3 93 964 34 34 44 54 75 0 37 膜性质的影响 38 膜性质的影响 39 操作条件的影响 40 气体浓度对扩散系数的影响 41 上游压力对渗透系数的影响 42 气体分离膜 43 气体分离膜 按膜材料性质差异可以把气体分离膜分为 高分子材料 无机材料和金属材料三大类 44 高分子膜 早期的高分子膜材料 聚二甲基硅氧烷 PDMS 聚砜 PS 醋酸纤维素 CA 乙基纤维素 EA 聚碳酸酯 PC 等 目前 以聚酰亚胺 PI 为代表的芳杂环高分子膜被广泛使用 透气性能良好 主要用于 H2 N2 O2 N2 H2 CH4 CO2 N2以及CO2 CH4等体系 45 气体分离用膜 46 无机膜 包括 陶瓷膜 微孔玻璃膜 金属膜和碳分子膜 无机膜的化学和热稳定性好 能在高温和强酸条件下工作 连续无缺陷的沸石等无机膜难以大规模生产 价格昂贵 限制了无机膜的使用 47 金属膜 金属膜材料主要是稀有金属 以钯及其合金为代表 主要用于H2的分离以及加氢 脱氢和氢氧化等过程 48 有机 无机杂化膜 49 碳膜 50 膜组件 51 膜组件 GKSS平板式组件 52 膜组件 Prism中空纤维组件 53 膜组件 Seperex卷式膜组件 54 几种膜分离器特性 55 气体分离的计算 56 四种典型的气体膜分离流型 a 全混流 b 逆流 c 并流 d 错流 57 单级气体渗透平衡线方程 错流流型的膜组件 58 稳态动力学条件下的组分平衡关系 对i j二元混合物气体通过膜的扩散 假定流速小 流路短 浓差极化影响可忽略 透过侧和料液侧物料浓度均匀 并用分压替代活度 且与高压侧压力相比 低压侧压力可以忽略 则分离因子取决于 59