第六章气体膜分离ppt课件

四步过程： 气体与膜的接触 气体向分离膜的表面溶解(溶解过程) 溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散(扩散过程） 分子在膜的另一侧逸出。
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非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
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气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
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描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
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多孔膜的透过扩散机理
❖ 气体在膜内的传递机理
(a)Biblioteka (b)(c)(d)
图13－31 气体在各种不同膜中的传递 (a)分 子 扩 散 ;(b)努 森 扩 散 ;(c)分 子 筛 分 ;(d)溶 解 扩 散 ;
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膜性能参数
渗透系数P
q PAtp L
❖ 为了提高有机非多孔膜的气体透过量，必须增大渗 透系数、压力差和膜表面积以及减小膜厚度。
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气体膜分离
❖ 气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能 的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，具 有很大的发展前景。
❖ 气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体 以不同渗透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓 缩的过程。
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有机高分子膜材料
❖ 玻璃化温度高的玻璃态高分子，如醋酸纤维、 聚砜等具有高分离系数，但是渗透系数相当 低。
❖ 橡胶态高分子有高渗透系数，但是分离系数 低。
❖ 通过化学改性、高分子共混、添加分子筛等 方法改性。
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气体分离膜的分离机理
气体分离膜类型： ➢ 非多孔均质膜（包括均质膜、非对称膜和
复合膜） ➢ 多孔膜 ➢ 不同膜渗透情况不同，其分离机理不同。
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多孔膜的透过扩散机理
动不是孤立的，它会带动与其相邻的化学键一起运动，从而 在主链上形成了由若干个化学键组成的独立运动的小单元—
—“链段” ），自由体积增大。因此，对大部分气体 来 显说的，转在 折高 。分子膜的Tg前后，D和S的变化将出现明
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❖ 非多孔膜内的扩散
气体在致密膜中通过溶解与扩散传递，其传递过程由3步
组成：气体在膜上游表面吸着（Sorption）；吸着在膜上游
表面的气体在浓度差为推动力下扩散透过膜；气体在膜下
游表面的解吸或蒸发。
PF
nP=nF
ypi
dniyi
进料
nF xFA
PF
nixi
n-dn,xi-dxi
dAm 图 13－ 33 气 体 错 流 微 分 传 递 示 意 图
膜性能参数
按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分
离效率为：
M2 M1
（4—3）
此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分 离选择性越好。
多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结 构，而与膜材料性质无关。
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Knudsen扩散
流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时， 有三种情况：Kn≤1 属粘性流动；Kn≥1 属分子流 动；Kn ≌1 属中间流动。
多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这 时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁
气体分离膜膜组件
❖ 平板式、螺旋卷式、中空纤维式
❖ 平板式优点：制造方便、渗透选择皮层可以 制得比非对称中空纤维膜的皮层薄2倍到3倍。 装填密度太低。
❖ 中空纤维式：装填密度高、但压力损失比较 大。
❖ 螺旋卷式：装填密度介于平板式和中空纤维 式之间，研究比较成熟
❖ P100表6-2.
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7.5
CH3
CC
34
C 5H 11
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气体膜分离特点
❖ 低能耗 ❖ 投资小 ❖ 设备简单 ❖ 与传统的吸附冷冻、冷凝分离相比，具有节能、
高效、操作简单、使用方便、不产生二次污染、 可回收有机溶剂等优点 ❖ 已广泛用于空气分离富氧、浓氮、天然气的分离、 合成氨中一氧化碳和氢气的比例调节，以及在石 油化工等其他一些气体分离领域。
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气体膜分离历程
理论阶段 ❖ 1831年：氢气和混合气的渗透实验(提出膜分离的可能性) ❖ 1866年：天然橡胶膜(气体扩散行为) ❖ 1920年：研究气体通过膜的非稳定传递行为
表4-4 某些聚合物材料的氧气透过率
品种 聚乙烯 聚丙烯 聚异丁烯 1, 2—聚丁二烯 1, 4—聚丁二烯 3, 4—聚异戊二烯 1, 4—聚异戊二烯
PO 2 ×10-2 /kPa 0.4 1.63 1.3 9.0 29.5 4.8 23.0
品种
Cl CC
CH3 CC
PO 2 ×10-2 /kPa 5.9
• 当Kn数介于以上值之间，尤其当Kn数在1附近时扩散为过渡区扩散。 已知分子扩散和努森扩散系数，则过渡区的扩散系数可近似用下式计算：
DM
( 1 DAB
1 )1 DKP
DKP
T 48.5dP(Mi
1
)2
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lm
nR=(1－ )xF
xRj
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非多孔均质膜的溶解扩散机理
根据这一机理，研究结论如下：
❖ 气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S和气体渗
透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接有关。
气体分离膜材料
（1）影响气体分离膜性能的因素
1）化学结构的影响 通过对不同化学结构聚合物所制备的气体分离 膜的气体透过率P、扩散系数D和溶解系数S的考 察，可得出化学结构对透气性影响的定性规律。从 表4—4的数据可知，大的侧基有利于提高自由体积 而使P增加。
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用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流 过膜中细孔时产生的速度差来进行的。 图6-3. 气体分离膜孔径一般小于5~30nm,由于多孔介
质孔径及内孔表面性质的差异，使得气体分 子与多孔介质之间的相互作用程度有些不同， 表现出不同的传递特征。
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间反复碰撞，并呈独立飞行状态。
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Knudsen扩散
❖ 当1.0 ≥ Kn≥0.01时，黏性流流动，在这种黏性流动范围内，气体混 合物不能被膜分离。
• 当Kn≥1.0，尤其当Kn≥10时，气体分子平均自由成远大于膜孔径， 此类扩散现象称为努森扩散，气体以努森扩散机理通过膜。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
在实际应用中，通常不是通过加大两侧的压力 差（Δp）来提高q值，而是采用增加表面积A、 增加膜的渗透系数和减小膜的厚度的方法来提 高q值。
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毛细管凝集
❖ 低温情况下，孔道被冷凝物组分堵塞，从而 阻止了非冷凝物组分的渗透，当孔道累冷凝 物组分流出孔道后又蒸发，就实现了分离。
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非多孔均质膜的溶解-扩散机理
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气体膜分离系统组成
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❖ 在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成正比。 1) 气体透过量与膜的厚度l成反比。
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非多孔均质膜的溶解扩散机理
✓ 扩散系数D和溶解度系数S与物质的扩散活化能 ED和渗透活化能Ep有关，而ED 和Ep又直接与分子大 小和膜的性能有关。分子越小， Ep也越小，就越易 扩散。这就是膜具有选择性分离作用的理论依据。 ✓ 高 链分段子运膜 动在 （其当分Tg子（链玻中璃某态一转个单化键温发度生）内以旋上转时时，，它存的在运
分离系数
a /b [ [a a 组 组 分 分 的 的 量 量 / /b b 组 组 分 分 的 的 量 量 ] ] 原 透 料 过 气 气 p p a b （ ( 1 1 -p p 'b 'a // p p b a ))
❖ 渗透系数和分离系数均与膜材料和分离气体的种 类有关。
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