膜分离技术课程论文#严选优质

1、氢膜分离技术综述谭，南京工业大学化学化工学院1001班介绍首先，我之所以选择膜分离技术，是因为南京工业大学在国内外享有很好的声誉，其对膜的研究非常专业和深入。同时，它的相关开发和应用也很出色。作为一名工科大学生，即使将来的研究内容与它无关(我被派到陈素老师的研究小组)，我至少应该知道和理解它。其次，去年暑假我在学校参加了一个多月的创新基金，并在金教授的课题组做了相关实验，学会了利用渗透汽化原理制备无水乙醇，这也加深了我对膜技术的兴趣。此外，我选择了给氢膜分离技术的概述，因为有许多膜分离过程，如反渗透，超滤，微滤，透析，电渗析，气体膜分离，渗透蒸发和其他膜分离过程1。随机选择一个过程进行总结远远

2、超出了论文的范围，所以我选择了气体膜分离。同时，气体膜分离也有各种气体的分离，而且范围还太广，所以我选择了氢气膜分离，这是目前研究比较流行，应用比较成熟的一种，这样可以控制长度，把握讨论的深度，避免太大和太广。另一个原因促使我概述了氢膜分离，那就是，我们留在学校参加今年夏天的全国大学生化学设计竞赛。在年产10万吨丁醇项目的设计过程中，我们采用了氢气膜分离技术从吹扫气中回收氢气，所以我查阅了相关文献并实现了软件模拟，对其有了更好的了解。我们原本想采用膜技术研究所黄岩教授的透氢钯复合膜技术，但经过与黄教授讨论后，我们放弃了这个想法，因为目前钯复合膜的成本问题还没有解决，限制了其产业化发展。最后，我

3、们使用了由高聚物制成的PRISM中空纤维膜分离器。但是，为了突出我们在南京工业大学氢膜分离技术方面的研究成果，我将总结透氢钯复合膜作为重点。因此，我将对气体膜分离中的氢膜分离进行概述，重点介绍氢膜分离的分类、原理、制备和应用。我的思路结构如下图所示。图1思路结构说明1背景氢气是化工行业的重要原料，广泛应用于石油化工、化肥工业和电子工业。同时，氢也是最清洁的能源。它的燃烧产物只是水，不会造成环境污染。使用氢气作为燃料可以避免其他化石燃料造成的环境问题。因此，世界对氢气的需求逐年增加，这也推动了制氢技术和氢气分离提纯技术的发展2。氢气分离包括膜法、变压吸附法、低温分离法等。其中，膜分离技术具有投资

4、少、占地少、能耗低、操作方便的特点3。氢膜分离技术是目前最早开发应用的气体膜分离技术，技术最成熟，经济效益显著。本文简要介绍了氢膜分离的分类、原理、制备及应用。2氢分离膜的分类根据材料不同，氢分离膜可分为以下四种类型：1 .聚合物膜，2。金属膜，3。陶瓷膜和4。碳膜4。后三种膜又称为无机膜，根据其原料的不同可分为金属膜、陶瓷膜、微孔膜和致密膜。2.1聚合物薄膜用聚合物膜分离气体是一项成熟的技术5。用聚合物膜从含氮、一氧化碳和碳氢化合物的混合物中分离氢已经工业化6。聚合物薄膜属于致密薄膜，它可进一步分为玻璃膜和橡胶聚合物膜。玻璃膜具有较高的选择性但通量较低，而橡胶聚合物膜具有较高的通量但选择性较

5、低。聚合物薄膜的工作温度一般不超过70，聚酰亚胺可以在100下长时间使用。聚合物膜具有成本低、压降大的优点，但其机械强度较弱，容易膨胀和收缩，容易被一些气体(氯化氢、硫氧化物、二氧化碳等)腐蚀。)。聚酰亚胺和聚砜是目前广泛应用于氢气分离的主要高分子材料。2.2无机膜金属、分子筛和陶瓷是制备无机膜的主要材料。用致密的金属膜，特别是钯或钯合金膜分离氢气，可以得到高纯度的氢气，氢气纯度可达99.99%。用于氢气分离和纯化的金属膜可分为多种类型：1 .纯金属：钯、钒、铌、钽和钛；2.钯和其他金属的合金：钯和铜、钯和银、钯和钇、钯和金、钯和镍等。3.复杂合金：钯与其他3-5种金属形成合金；4.非晶态合金

6、：一般指、族金属；5.涂层金属：钯通常涂在钽、钒和其他金属上。由于制备纯钯膜的成本较高，负载钯膜已成为近年来的研究热点。这种金属膜可以降低原料成本，增加氢气的渗透性。多孔玻璃和多孔陶瓷具有光滑的表面，通常用作这种金属膜的载体，但是这种载体的机械稳定性差。不锈钢也可以用作钯金属膜的载体，主要是因为不锈钢具有良好的机械稳定性和接近钯的热膨胀系数，当金属膜受热时，钯膜不会从不锈钢上分离。金属合金膜或金属膜在分离提纯氢气时可能会受到混合气体中一氧化碳、H2S等气体的影响，从而降低分离性能，而陶瓷膜不受这些气体的影响。微孔陶瓷膜的孔径一般小于2纳米。对于陶瓷微孔膜，氢气流量与操作压力成正比，而对于金属钯

7、膜，氢气流量与压力的平方根成正比。此外，在高温下，微孔膜具有良好的性能，因此微孔陶瓷膜更适合在高压和高温下操作的分离系统。更重要的是，没有贵金属，制备陶瓷膜的成本更低。微孔无机膜的缺点是氢的回收纯度不如钯膜高。微孔陶瓷膜通常由两层组成：分离膜层和陶瓷支撑层。碳膜是20世纪80年代中期发展起来的一种新型无机膜，是指由碳材料制成的分离膜。基于传递机理的炭膜可分为分子筛膜和表面扩散膜。碳分子筛膜具有良好的气体选择性、热稳定性和化学稳定性，可用于7731173 K的非氧化环境，具有广阔的应用前景。碳分子筛膜可分为：1。自支撑碳分子筛膜，如平膜、管式膜和中空纤维。2.负载型碳分子筛膜，碳分子筛膜负载在大

8、孔载体上。其中，自支撑碳分子筛膜强度差，易脆性断裂，没有工业应用价值，而支撑碳分子筛膜的制备困难7。钯膜透氢原理目前，气体通过膜有两种常见的分离机理：气体通过多孔膜的微孔扩散机理和气体通过致密膜的溶解扩散机理8。这里我主要介绍钯膜的氢渗透原理。氢气可以轻易地穿过钯膜，而其他气体则不能。正是这一特性使钯膜成为一种优秀的氢气分离器和净化器。特别是一些工业领域需要超纯氢，如半导体工业中的MOCVD工艺。当然，如果钯膜有缺陷或者膜密封不良，氢的纯度就会下降(4)氢原子从钯膜中沉淀出来，钯膜处于化学吸附状态；(5)表面氢原子化合成氢分子并解吸。除了上述五个步骤，沃德和道10还增加了另外两个过程：第一步，

9、氢分子通过膜的表面气体层移动到膜表面；在最后一步中，氢分子从钯膜上脱附，并通过膜表面的气体层离开钯膜。4膜的制备方法11分离膜的制备方法通常包括相转化法、压延法、化学镀法、化学气相沉积法、喷雾分解法、溶胶-凝胶法等。相转化法是制备聚合物膜的常用方法，它是将均匀的膜制备溶液中的溶剂挥发，使膜制备溶液由液相变为固相，或热固化膜制备溶液中的聚合物，使膜制备溶液由液相变为固相。压延是一种成熟的制膜方法，已用于制备金属合金薄膜。薄膜的厚度由所用合金的特性决定。目前，可以制备微米级的金属合金薄膜。化学镀的基本原理是利用亚稳金属盐的自催化分解或降解在载体上形成薄膜。由于钯具有良好的自催化活性，化学镀是制备钯

10、膜的理想方法之一。化学气相沉积是一种方法，其中气态金属化合物在合适的温度下在载体表面发生化学反应，并通过成核和生长形成薄膜。通过该方法制备的膜可以是厚度薄且孔径小于2 nm。喷雾分解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温大气中，立即引起溶剂蒸发和金属盐分解，然后因过饱和而析出固体颗粒并吸附在载体上，沉积形成金属膜或合金膜。溶胶-凝胶法可以制备纳米陶瓷膜。其基本原理是一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在一定的溶剂中反应，经过水解和缩聚后在低温下形成凝胶。控制一定的温度和湿度，干燥形成凝胶膜，然后高煅烧制备所需的膜。除上述制备方法外，膜的制备方法包括阳极氧化法、原位合成法、碳化法、复合法等。5氢膜

11、分离的应用5.1从合成氨排气口回收氢气氢气和氮气在高温、高压和催化剂的作用下合成氨。由于化学平衡的限制，氨的转化率只有1/3左右。为了提高回收率，有必要回收未反应的气体。在循环过程中，一些不参与反应的惰性气体会逐渐积累，从而降低氢气和氮气的分压，降低转化率。因此，循环气体的一部分不时被排出以减少惰性气体含量。然而，当循环气体被排放时，大量的氢会损失，因为其氢含量高达50%。如果用传统的分离方法回收氢气，由于成本高，在经济上是不合理的。目前，选择膜分离从合成氨尾气中回收氢气，充分利用合成的高压，实现主动降压，能耗低。投入使用后，经济效益显著。自20世纪70年代末以来，国外年产30万吨的合成氨装置

12、几乎都采用了膜分离氢回收装置。自20世纪80年代初以来，中国还引进了14套膜分离装置。自1988年以来，大连化工学院利用自行开发生产的膜分离器为国内外近百家化肥厂提供膜分离氢气回收装置。统计结果表明，它不仅可以提高氨产量3 4%，而且每吨氨的电耗降低50度以上。5.2从合成甲醇尾气中回收氢气合成甲醇时，一些惰性气体成分(如N2、甲烷、氩等。)也应该被释放。因为它们累积在循环气体中，反应物的分压和转化率将降低。然而，这种排放也会损失大量的反应物(H2、一氧化碳、二氧化碳)。更好的方法是使用氢膜分离来分离和回收氢气和二氧化碳。从合成氨排放口回收氢气是H2/N2分离，而从甲醇排放口回收氢气是H2/一

13、氧化碳分离。两者的区别在于：前者压力高(28 32兆帕)，后者压力低(5 6兆帕)；考虑到调整H2/一氧化碳比，前者氢回收率高(r=85 90%)，而后者氢回收率低(r=50%)。此外，由于甲醇在水中的溶解度大于氨的溶解度，因此可以减小水洗塔的尺寸、耗水量和耗电量。1979年，美国首次应用膜分离技术从甲醇排气中回收氢气。以天然气为原料，年产30万吨甲醇的工厂，其尾气排放量为7500 nm3/h，投入使用后，效益显著：甲醇产量提高2.5%；(2)天然气成本节约23%。5.3从炼厂气中回收氢气石油加工中涉及氢的化学产品都需要氢。随着环保要求的日益严格，对燃料油中硫含量的要求也越来越严格。因此，有必

14、要对油品进行加氢精制。此外，为了充分利用有限的石油资源，加氢裂化重油以提高原油利用率已成为发展趋势。国外加氢工艺的发展离不开重整装置提供的大量廉价氢气。近年来，尽管国外炼油厂使用的氢气量在增加，但仍有必要建设制氢设施，但重整氢气仍占主导地位。我国原油中轻质馏分很少，大量轻质油用于合成氨和化纤工业。此外，国内重整装置产能小，制氢能力也小。因此，氢源短缺已成为我国柴油加氢工艺发展的主要障碍。据国外统计，每年燃烧的氢气量约占炼厂气中氢气含量的40%，造成巨大损失。自氢气膜分离、变压吸附和低温等有效的氢气回收技术出现以来，各国都非常重视炼厂气中氢气的回收。通过膜分离从炼厂气中回收氢气，其技术指标见表1

15、。表1膜分离法从炼厂气中回收氢气的技术性能炼厂气分开的物体在原料气中在渗透气体中氢气回收率H2浓度(%)H2浓度(%)(%)催化重整尾气H2 /甲烷708090977595催化裂化干气H2 /甲烷152080907080加氢精制尾气H2 /甲烷608085958095变压吸附解吸气体H2 /甲烷5060809065855.4合成气H2/一氧化碳比的调整石化企业通常使用天然气蒸汽重整来提供合成原料气用于甲醇合成。一部分合成气用于甲醇合成，另一部分合成气可以通过低温分离来分离，以生产用于乙酸制备的高纯度一氧化碳。合成气中的H2/一氧化碳=3/1，而甲醇合成需要H2/一氧化碳=2/1。因此，必须在高压合成原料气中加入低温分离的低压一氧化碳来调节比例，压力损失很大。采用膜分离技术后，通过渗透一部分氢气，可以在高压下连续调节比例。同时，通过膜分离可以获得一些工业氢气(H2 95%)，可用于提高甲醇产量。深度冷却产生的一氧化碳可用于生产乙酸，从而将乙酸生