严天鹏气体分离

气体分离

严天鹏化艺083班（200807124）兰州交通大学化工学院气体分离是利用混合气体中不同气体组分在膜内溶解，扩散性质不同，而导致其渗透速率的不同来实现其分离的一种膜分离技术。与变压吸附，吸收，低温净化等分离技术相比，其过程具有简单，高效的特点。尤其当许多性能优异的非多孔性高分子聚合物膜开发成功以来，膜法气体分离更有效，更经济，受到工业界的高度关注。

膜分离技术起步于二十世纪五十年代，主要进行膜分离的基础理论研究和膜分离技术工业的初期开发。二十世纪六十年代到七十年代为发展阶段，许多膜分离技术实现了工业化生产并得到日益广泛的应用。二十世纪八十年代起为拓展深化阶段，主要是不断提高已工业化的膜分离技术的应用水平，拓展应用范围，对尚未实现工业化的膜分离技术加大开发力度，开拓出一些新型的膜分离技术。迄今为止，膜技术主要应用于分离纯化、控制释放、膜反应器以及能量转换等领域。膜分离过程的特点：

◆多数膜分离过程无相变发生，通常能耗较低；

◆膜分离过程一般无需从外界加入其他物质，可节约资源和保护环境；

◆膜分离过程可同时实现分离与浓缩、分离与反应，大大提高了过程效率；

◆膜分离过程通常在温和条件下进行，因而特别适用于热敏性物质的分离、分级、浓缩与富集；

◆膜分离过程不仅适于从病毒、细菌到微粒的广泛有机物或无机物的分离，且还适于许多特殊溶液体系的分离，如共沸物或近沸物的分离；

◆膜的性能可灵活调节；

◆膜组件简单，可实现连续操作，易与其他分离过程或反应过程耦合，易自控和维修，易于放大。膜分离过程的主要缺点是：浓差极化和膜污染、膜寿命短、放大因子呈线性。当利用常规分离方法不能经济、合理进行分离时，膜分离过程会显示出其特有优势。膜分离过程可和常规的分离过程相耦合为一个单元来运用，这样可大幅度地提高过程效率。

一、原理

1.1 气体膜分离技术简介

气体膜分离作为一种“绿色技术”在与传统分离技术（吸附、吸收、深冷分离）的竞争中显示出独特的优势，日益广泛地用于石油、天然气、化工、冶炼、医药等领域。气体膜分离过程无相变产生，能耗低或无需能耗。由于压力是分离过程的推动力，尤其适合处理自身带压力的混合气体的分离与回收。膜本身为环境友好材料，膜材料的种类日益增多，且分离性能不断改善。气体膜分离作为膜科学的重要分支，已逐渐成为成熟的化工分离技术。

1.2 气体膜分离原理

气体膜分离主要是根据混合原料气中各组分在压力的推动下，通过膜的相对传递速率不同而实现分离。目前常见气体通过膜的分离机理有两种：一是气体通过多孔膜的微孔扩散机理；二是气体通过无孔膜的溶解—扩散机理。溶解—扩散机理：气体首先溶解于膜的一侧表面，然后沿着膜中浓度梯度扩散传递到膜的另一侧，最后在膜的另一侧表面解吸。渗透系数P 用来描述膜的渗透性能，渗透系数为扩散系数D 和溶解系数S 的乘积。分离系数α用来衡量膜对不同气体的分离性能，分离系数是两种气体在膜内渗透系数（P1 和P2）的比值。

α2 =P1/P2=[D1/D2][S1/S2]

高分子材料的扩散系数都随气体分子尺寸的增大而减小，如氮气的扩散系数要大于丙烯的扩散系数。然而溶解系数随着气体分子的可凝性增加而增加，所以分子尺寸大的气体溶解系数大。如丙烯和丁烷的溶解系数要大于甲烷和氮气。在玻璃态高分子中如聚砜、聚醚砜等材料，气体的渗透力主要由扩散系数决定，所以分子尺寸越小，其渗透系数P 越大。

气体渗透系数从小到大的序列：

C3H8＜C2H6＜N2＜CH4＜CO＜O2＜CO2＜H2S＜H2＜H2O

而在橡胶态高分子中，如硅橡胶等材料，气体的渗透能力主要是由溶解系数决定，所以这种类型的高分子膜更易透过丙烷、丁烷等大分子气体。其气体渗透系数从小到大的序列：

N2＜O2 ＜H2 ＜CH4＜C2H6＜CO2＜C3H8 ＜C4H10＜H2O＜C5H12

在有机蒸汽分离过程中一般采用橡胶态高分子膜。膜两侧的压差推动力可以通过在原料侧施加高压或者在渗透侧造成真空来实现。有机蒸汽膜法回收技术是九十

年代兴起的新型膜分离技术，正在逐渐应用于石化行业中乙烯、丙烯及其它烷烯烃的回收和天然气行业的液化气（LNG）回收等。有机蒸汽膜法回收过程主要采用“反向”选择性橡胶态高分子复合膜。根据不同气体分子在膜中的溶解扩散性能的差异，可凝性有机蒸汽（如乙烯、丙烯、重烃等）与惰性气体（如氢气、氮气、甲烷等）相比，被优先吸附渗透，从而达到分离的目的。

二、应用

2.1 国外气体膜技术工业应用状况

气体膜分离技术早在1970 年初就有工业应用, 但真正确定在气体分离市场中的地位是在美国孟山都公司1979 年推出“普利森”氮氢膜分离装置以后。目前“普利森”装置除在合成氨驰放气中回收氢气外, 在石油化工、天然气提氦、天然气净化、三次采油中CH4 / CO2 分离中都有广泛应用。空气富氧装置可用在医疗、燃烧等领域, 该技术已经成熟, 但目前应用市场尚处于发育阶段。富氮分离技术已在油井、化学装置的保护和蔬菜、果品保鲜中开始应用。美国孟山都公司在原来的“普利森”装置基础上,改进了氢氮分离膜的制膜工艺, 开发出梯度密度膜, 其富氮装置的透过性能比原来的“普利森”装置提高了2～3 倍。目前, 在所有膜过程应用中, 气体膜约占9. 32% ,

2.2 我国气体膜技术现状

我国自80 年代初开始气体膜分离技术的研究开发, 目前从事气体膜研究与开发的单位主要分布在中国科学院有关研究所和部委属研究单位等。所涉及的领域遍及膜科学与技术, 从材料到应用以及产品开发各方面。经过15 年的努力, 我国在气体膜分离技术的研究开发方面, 已涌现出一批具有开发应用价值、接近或达到国际水平的成果, 目前已成熟和正在开发的应用技术有:

1． 空纤维膜法提氢技术。可用于从合成氨驰放气和石油炼厂气中提浓氢, 气体处理量可达几万m3 / h, 氢质量分数大于95% , 回收率> 85%, 已在全国近60 家企业推广应用, 为企业带来了可观的经济效益。

2． 型卷式空气膜法富氧技术。可用于各种工业窑炉和民用锅炉的燃烧节能, 高原人体呼吸和医疗保健, 装置规模可达1 万m3 / h, 氧质量分数> 28%, 已在全国20 多家玻璃窑炉推广应用, 效果明显。同时, 新一代中空纤维膜法富