第十章-气体分离膜-课件

第十章-气体分离膜1979年，美国Monsanto（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。至今已有一百多套在运行，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。2概念气体膜分离membranegasseparation在一定压力驱动下，利用不同气体分子在膜内渗透速率上的差异，使渗透速率相对快的分子在渗透气侧富集，而渗透速率相对慢的分子在渗余气侧富集，从而实现不同气体在膜两侧富集分离的过程。气体渗透率gaspermeability,J(缩写）在标准条件下，用于表征气体在单位压差下，透过单位膜面积的流量。注：气体渗透速率常用的单位为cm3(STP)/(cm2·s·Pa)。3气体渗透系数gaspermeabilitycoefficient,P（缩写）在一定温度和压力下，膜对气体的溶解-扩散能力。注：气体渗透系数最常用的单位是（cm3(STP)·cm)/(cm2·s·Pa)，最常用的表达方式：P=S·D（P:渗透系数；S：溶解度系数；D：扩散系数）。溶解度系数solubilitycoefficient,S(缩写）聚合物对气体的溶解能力。注：溶解度系数常用的单位为cm3(STP)/cm3·MPa扩散系数diffusioncoefficient,D（缩写）表示气体分子在膜中借助分子链热运动，排开链与链之间的间隙，进行传递的能力，即渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积。注：扩散系数单位为cm2/s。4510.2气体分离膜材料10.2.1高分子材料迄今为止，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）。10.2.2

无机材料金属及其合金膜；陶瓷膜；分子筛膜。10.2.3

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。610.3气体分离膜组件10.3.1平板式膜组件10.3.2螺旋卷式膜组件10.3.3中空纤维式膜组件7大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流89Separex公司旋卷式气体分离器美国碳化公司的气体渗透膜组件10中空纤维膜组件1110.4

气体膜分离原理

气体透过多孔膜与非多孔膜的机理是不同的。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。12渗透系数：分离系数：溶解选择性扩散选择性13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（α）：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。14Mechanismsforpermeationofgasesthroughporousanddensegasseparationmembranes对流努森扩散筛分（表面扩散）溶解~扩散151617二氧化碳和甲烷在各种聚合物中的渗透系数1819Permeabilityofcommongasesthroughapolyetherimidefilm各种常见气体对聚醚酰亚胺膜的渗透性20Therelativesizeandcondensability(boilingpoint)oftheprincipalcomponentsofnaturalgas.Glassymembranesgenerallyseparatebydifferencesinsize;rubberymembranesseparatebydifferencesincondensability21PhotographofanAirProductsandChemicals,Inc.PRISMmembranesysteminstalledatanammoniaplant(氨厂).Themodulesaremountedvertically2210.5气体膜分离的应用领域2310.5.1

氢气的分离回收242510.5.2

膜法富氧26(a)One-StageMembraneSeparationProcess(b)Two-StageSeparationProcess氧气空气分离流程设计富氧空气贫氧空气2710.5.3

膜法富氮10.5.4

在天然气工业中的应用1.天然气中酸性气体的脱除

2.天然气脱湿

3.氦气提取10.5.5

有机废气的脱除10.5.6

气体除湿28Photographofamembraneunitusedtorecovernitrogenandpropylenefromapolypropyleneplantventgas（排出气体）29Flowschemeofone-stageandtwo-stagemembraneseparationplantstoremovecarbondioxidefromnaturalgas.30On-siteindustrialnitrogengenerator在线工业产氮机Mobilenitrogengenerator可移动产氮膜装置31合成甲醇过程弛放气中氢的回收系统32压缩空气（Cactus®）膜干燥管33利用Prism膜组件从合成氨弛放气中