气体分离概述

1、气体分离概述气体分离膜发展概述膜法气体透过性的研究始于 1829 年， 人类对气体膜分离过程的研究开发走过了漫长而又艰辛的历程。1831 年， J. V. Mitchell 系统地研究了天然橡胶的透气性，首先揭示了膜实现气体分离的可能性。由于未找到合适的膜结构，从而未能引起重视；1950 年代起，众多科学家进行了大量的气体分离膜的应用研究；1954年，P. Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透气性，拓宽了膜材料的选择范围；1965 年， S. A. Sterm 等人为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的试验，但发现膜的通量小，气体分离膜尚无法在工业中大规模应用；1979年，美国 Monsa

2、nto （孟山都公司）研制出“ Prism气体分离膜装置，通过在聚砜中空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶表层，从而得到高渗透率、高选择性的复合膜， 成功地将之应用在合成氨弛放气中回收氢。 成为气体分离膜发展中的里程碑。至今已有百多套在运行， Monsanto 公司也因此成为世界上第一个大规模的气体分离膜专业公司。Monsanto公司“prism气体分离膜的开发成功，大大激励了许多公司，如 DowChemical 、 Separex、 Envirogenics 、 W. R. Grace 、 Ube 等公司都加速了本公司气 体分离膜的商品化进程。我国于 20 世纪 80 年代开始研究气体分离膜及其

3、应用，中科院大连化物所、长春应化所等单位在该方面进行了积极有益的探索，并取得了长足进展。大连化物所研制成功了中空纤维膜氮氢分离器。气体分离膜材料迄今为止，在工业上真正大规模用于气体分离的膜材质仍以高分子材质为主，主要有： 聚酰亚胺（ PI） 醋酸纤维素（ CA ） 聚二甲基硅氧烷（ PDMS ） 聚砜（ PS） 聚碳酸酯（ PC无机材料金属及其合金膜陶瓷膜分子筛膜有机 无机集成材料分子筛填充有机高分子膜聚合物热裂解法气体分离膜组件平板式膜组件螺旋卷式膜组件中空纤维式膜组件美国碳化公司的气体渗透膜组件Separex 公司旋卷式气体分离器中空纤维膜组件5. 气体膜分离原理气体透过多孔膜与非多孔膜的

4、机理是不同的。多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差进行分离的，其分离性能与气体的种类、膜孔径等有关。气体通过多孔膜的传递机理可分为分子流、粘性流、表面扩散流、分子筛筛分机理、毛细管凝聚机理等。气体通过非多孔膜按传递机理可分溶解扩散和双吸收双迁移机理等。渗透系数：P=D*SPorous membMhesConvective flowKnudsen diffusionMolecular sieving (surface diffusion)Solution-diffusionMechanisms for permeation of gases through porousand dense gas

5、 separation membranes气体分离膜的主要特性参数渗透系数（P）表示气体通过膜的难易程度，是体现膜性能的重要指标。它因气体的种类、膜材料的化学组成和分子结构的不同而异。当同一种气体透过不同的气 体分离膜时，p主要取决于气体在膜中的扩散系数；而同一种膜对不同气体进行透 过时，p的大小主要取决于气体对膜的溶解系数。扩散系数（D） 用渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积来表示。它随气体分 子量的增大而减小。分离系数（a ）它标志膜的分离选择性能。溶解度系数（S）表示膜收拢气体能力的大小。它与被溶解的气体及高分子种类有关。聚合物Feo /KfirrerP叫 JPCll聚三甲基甲校烷基丙

6、焕3310-J2. G硅橡胶3 21即乱4天然橡胶1304.6聚莘乙舜118. 5聂酰版尼龙5）0. 16：1. 2聚氯乙僻15,1聚破酸结（1.产而口）J（；1.（,1娄26. y %聚回4. 430.0聚对聚一甲酸乙醇酯0. 1-131. fi(M/hr)醋酸纤绊素fi. 031, 0聚酸歌胺Ultem）1.5获,0聚酸碣(ViurCT)3. 4cO. 0聚酰史滕（K-tauQ氏2UlEfirnprIO_10 rmSTP) * pin * r-m-; * a riiziHfiTGas permeabilities of gas separation polymers二氧化碳和甲烷在各种聚合

7、物中的渗透系数Perna ability ut 300C iliarrei :)PolvmerN, O ch4CO, Cellulose acetate2.630210.590.216JEthyl cellulose878.426.51926.5Polyaiibonate. brominateda 18L360J34.23Polvdimethylsiloxane5502505008002700Pol vm ide (Mat ri mid)28 J0322J30.25107Polymethylpentejie1256.72714.984.6Polypheny leneoxide1133.8116

8、.8II75.8Poly sulfone55.6CO H2SCH八2Q* GpHe2 &0.010,110100100010,000Permeability, barrersPermeability of common gases through a polyetherimide film各种常见气体对聚醍酰亚胺膜的渗透性Low PermeabilrtyHigh PermeabilityGlassy polymers separate gases principally by sizeLow PermeabilityHigh PermeabilityRubbery po

9、lymers separate gases principally by condensabilityRelative condensability (9)The relative size and condensability (boiling point) of the principal components of natural gas. Glassy membranes generally separate by differences in size; rubbery membranes separate by differences in condensability应用实例Hy

10、drogenOilHXHydrogen recycle streamInerts purgeHydrotreaterOilgas separatorRecovered hydrogen Fuel gas90 o hydrogenrecoveryTreatedoilHydrogen recovery from a hydrotreater(力口氢器)used to lower the molecular weight of a refinery oil stream. Permea polysulfone membranes (Prismi are usedStream CompositionU

11、ntreated PurgeRecovered Hydra genTreated Purge Hydrogen0234.8Methane122.643.3Ethane460.717.1PropanePressure (psig)1SQ04501450Flow (MMsctd)18.914.54.4Hydrogen recovery from a hydrotreater used to lower the molecular weight of a refinery oil stream. Permea polysulfone membranes (Prism) are us

12、edpsig(pounds per square inch, gauge 够/平方英寸(表压)Single -stepAir79% N* NiVogen product99% N?69% N2Two-step27 4%M.Nltrog&n product 99% NaThree-step戋为 n之Nitrogen product 99%Mcmlmne iriorlnlcpmipHi y je n-dcp Ie led nilICM5； uygenOx、cn-mrK hrd nir ok5 |iqiiAir 21% axypcjiM ci 口鬲 nr mudukQxy 群 n-&pkicd dr

13、Single-, two- and three-step designsfor nitrogen production fromair氧气 空气 分离 流程 设计One-stage plant1L佻 CO22% CO2Methane los$： 127%一及叫co2use for fuel or flarvFlow scheme of one-stage and two-stage membrane separationplants to remove carbon dioxide from natural pyleneMulti-stage membrane separatio

14、n system designVapor separation process designs able to achieve high vapor recovery and high-purity product streamsPhotograph of a membrane unit used to recover nitrogen andpropylene from a polypropylene plant vent gas（排出气体）Mobile nitrogen generator可移动产氮膜装置On-site industrial nitrogen generator在线工业产氮

15、机合成甲醇 过程弛放 气中氢的 回收系统第I用PriAE分离器n nn n n nnjr弛放气进料气加热器弛放气加热器水;I U J1 * *选过气,引向作成 球能机的高压段-J亶性用燃料气, 透过气，引向合城L I压第机的低压后HITHeater60-70口 CMembrane nimhik*llydroyon-rich pnneate 93% hydrogenFuelC 334%a 25.2% C3 15%C11%Cs 6.6%C& X2%Dew point: 550c第2段Pmm分离器利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅

16、橡胶包覆（或涂 敷）而得。氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离装置后，每天可增产50t的氨。Feed gas 200认55%C； 17%C” 12%Q7% 1C15%C5 3%Qi% Dewpoint: 30cC利用透氢膜从炼油厂的燃料气中 分离氢气5G* mixiu ve某精炼厂脱丙烷塔的丙烯/丙烷分离系统5G* mixiu ve某精炼厂脱丙烷塔的丙烯/丙烷分离系统水果保鲜系统一般说来，水果要收获以后仍会继续生长。它们一方面吸入氧气，一方面释放二氧化碳。由于这种呼吸作用，果品将逐渐劣化以至变质，采取的主要措施是将果品进行冷藏保管，目的是抑制果品的呼吸以达到保鲜

17、目的。不过这种方法仍不十分理想，效果有限。更好的办法是适当降低果品保藏器中的氧气浓度，增加二氧化碳，即保持适宜的气氛，从而达到保鲜的目的。气体分离膜应用小结.氢气的分离回收从合成氨弛（施）放气中回收氢从石油炼厂尾气中回收氢合成气（H2/CO）比例调节.膜法富氧（助燃）.膜法富氮.在天然气工业中的应用天然气中酸性气体的脱除天然气脱湿、氨气提取.有机废气的脱除.气体除湿四川科易科技有限公司成立于 2000年（，位于中国气体分离汇集地一一成都， 是一 家专业从事气体分离与净化技术的研究开发的科技型公司。公司拥有科技开发楼、气体分离装置组装厂和旗下控股特种阀门厂。 为用户提供变压吸附制氢，制氮，制氧，

18、提纯或脱除二氧化碳 ,多晶硅尾气分离回收净化回收氯乙烯尾气,天然气净化 ,脱水等气体分离,提纯 ,净化技术和装置以及技术改造；程控阀,吸附剂维修,更换服务和工程设计等。产品广泛用于石油、天然气、化工、冶金、轻工等行业，获ISO9001 认证和特种设备制造许可。公司气体分离净化装置和技术涉足十一大领域，并先后推出：易氢系列各种规模新型制氢装置；易氮系列各种规模新型制氮机；易 CNG 净化系列各种压力 CNG 全 自动净化干燥装置等。科易净化装置具有性能稳定、性价比高、紧凑集成、占地少寿命长、操作控制简单、节能环保等特点受到成套商和广大用户的共同认可和高度评价,各项指标较传统气体分离技术有着质的飞

19、跃，是对传统气体分离技术的一次“革命” ，被誉为“新一代气体分离装置”和“未来中小装置发展方向” ，成为国内最具创新精神和发展前景的气体分 离与净化供应商。公司的创新技术来源于长期专注气体分离和净化技术的发展； 汇集了从事气体分离净化研制和开发 20 余年的工艺、自控仪表、阀门、设备制造等志同道合知名专家；并借鉴依托国外最新技术并不断自主创新开发。 公司现拥有六大气体净化技术和专利 （统称 “易气” 技术） ， 能为用户提供各种技术咨询、工程实施方案和具有特色的各种工业气体净化装置。科易公司一直以来都与广大高校、科研院所、技术人才保持密切联系，如西南院、南京化工大学吸附剂研究所、 复旦大学吸附

20、剂研究中心、 四川大学、 成都理工大学和中国科学院大连物理化学所相关和基础研究单位；还与化工部甲级设计院有着长期、稳定的合作关系， 并得到广大合作方的认可。科易以“诚信、专业”作为企业文化；以为用户提供高性价比的产品和满意服务为目标；以做最有创新技术的产品来服务客户。专注气体净化技术，突破科技创新！ 科易人将把 “易 气”技术推广应用在更多的气体分离净化领域，为中国的复兴贡献自己的力量！一科易产品在节能减排与新能源应用. 制氢装置上应用：氢能被视为 21 世纪最具发展潜力的清洁能源，人类对氢能应用自200 年前就产生了兴趣，到 20 世纪 70 年代以来，世界上许多国家和地区就广泛开展了氢能研

21、究。采用变压吸附方法通过分子筛和程控阀将介质为：变换气、精炼气、半水煤气、城市煤气、焦炉气、发酵气、甲醇尾气、甲醛尾气、乙炔炭黑尾气、电解副产气、氨裂解气、甲醇裂解气、冷箱尾气等富含氢介质中提纯氢气可达99.999% ，用于各种工业和能源项目。.在氯碱行业应用：氯碱分馏尾气中氯乙烯和乙炔PSA 法回收节能，净化后氯乙烯w 36mg/m3,乙快w 120mg/m3,达到国家排放标准减排。.焦炉煤气和能源项目应用：煤炼焦，焦炉尾气提纯甲烷制液化天然气（ LNG ） ，采用 等压变温 TSA 干燥预处理焦炉煤气。.在磷矿行业应用：黄磷尾气TSA 和 PSA 法提取 CO 制草酸、甲醇、甲酸钠、二甲醚

22、等， 中国磷矿产量居世界首位， 绝大部分燃烧排空， 给环境造成污染同时浪费大量CO 资源，黄磷工业污染排放标准 ，既利用了 CO 又减少了环境污染。.在多晶硅新能源行业应用：多晶硅合成尾气含 HCL 、 H2、 SIHCL 等，可回收进行再 利用降低能耗，减少三废的排放量。.CNG 天然气净化： CNG 天然气净化、 干燥， CNG 前置脱水， 后置脱水气体干燥等。.在碳减排项目应用：可从以下介质：石灰窖尾气、发酵气、变换气、天然气矿井气、烟道气等通过PSA 法提纯 CO2 制成干冰。二氧化碳与氢气做原料，可生产甲醇、甲烷、甲醚、聚碳酸酯等化工原料和新燃料；作为油田注入剂可有效地驱油和提高石油

23、的采油率； 注入地下难于开采的煤层， 使煤层气化， 获得化工所需的合成气体和居间物； 保护电弧焊接，既可避免金属表而氧化，又可使焊接速度提高大约 9 倍；烟丝膨 化和食品保鲜、食品添加人工干冰降雨，萃取剂等。二科易气体分离净化装置涉足 11 大领域.提纯氢气（ PSA-H2 ）装置用于从各种含氢混合气中回收纯氢气的气体分离装置上，其原料介质为：变换气、精炼气、半水煤气、城市煤气、焦炉气、发酵气、甲醇尾气、甲醛尾气、乙炔炭黑尾气、电解副产气、氨裂解气、甲醇裂解气、冷箱尾气、天然气制氢等；石化行业从烃类转化、变换气、重整尾气、催化干气提回收氢气，用于汽柴油、苯加氢精制、柴油加氢改质、 干气制氢、蜡

24、油加氢、催化汽油选择性加氢。 煤化工行业焦炉煤气制天然气 （ LNG ） 、煤层气提浓、煤焦油加氢、煤气提氢提一氧化碳等等。.CNG 天然气净化CNG 天然气净化、干燥， CNG 前置脱水，后置脱水气体干燥等。.氯乙烯回收净化装置氯碱分储尾气中氯乙烯和乙快PSA法回收，净化后氯乙烯w36mg/m3,乙快w 120mg/m3,达到国家排放标准排放。. 多晶硅尾气回收利用：多晶硅合成尾气含 HCL 、 H2、 SIHCL 等，可回收进行再利用 降低能耗，减少三废的排放量。.提纯二氧化碳（ PSA-CO2 ）装置从各种富含二氧化碳混合气体中回收纯二氧化碳的装置上， 其原料介质为： 石灰窖尾 气、发酵

25、气、变换气、天然气矿井气、烟道气等。.提纯一氧化碳（ PSA-CO ）装置用于从各种富含一氧化碳混合气体中回收纯一氧化碳的装置上， 其原料介质为： 半水 煤气、水煤气、铜洗再生气、高炉气、黄磷尾气、德士古炉煤气等。.脱除二氧化碳（ PSA-CO2/R ）装置用于合成氨、尿素、甲醇生产流程中的脱碳以及其它需要脱除二氧化碳的装置上.制纯氮（PSA-N2 ）装置用于自空气中分离提纯氮装置上。.制富氧（PSA-O2 ）装置自空气中分离提富氧，适用于各种工业窖炉供氧装置，阀门开关小于1 秒。.浓缩甲烷（PSA-CH4 ）装置用于从瓦斯气体中回收和浓缩甲烷装置；煤层气提浓。.脱除乙烷以上烃类组份（PSA-

26、C2/R ）装置脱除天然气、油田伴生气中 C2 以上烃类，提取纯甲烷。六大“易气”技术，领先同行！. 气体分配技术：采用先进的气体分配器取代普通程控阀，使整个装置占地面积减少50% ，程控阀控制点（以四塔制氢为例）减少80%和大量配管，控制阀门集成化，管道配制简单化，控制系统实用化，大大提高装置的运行可靠性和运行成本。独有技术已申报发明专利。吸附器技术：吸附器结构与众不同， 产品、 原料气管全部在吸附塔底部； 独特的过滤和气体旋风分离技术包含其中， 减少了吸附剂的磨损和死空间，解决了吸附热的平衡问题， 效率更高， 节省 投资和彻底解决吸附剂粉化问题。吸附塔结构已获国家专利。分子筛分层固定（装填）技术：一改普通大众化的吸附剂装填方法， 防止分子筛