氢气分离

气体分离概述

1. 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. 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

①金属及其合金膜

②陶瓷膜

③分子筛膜

有机~无机集成材料

①分子筛填充有机高分子膜

②聚合物热裂解法

3. 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*S

Mechanisms for permeation of gases through porous and dense gas 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（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。

二

氧

化

碳

和

甲

烷

在

各

数

种

聚

合

物

中

的

渗

透

系

数Gas permeabilities of gas separation polymers

Permeability of common gases through a polyetherimide film 各种常见气体对聚醚酰亚胺膜的渗透性

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

Hydrogen recovery from a hydrotreater(加氢器) used to lower the molecular weight of a refinery oil stream. Permea

are used

polysulfone membranes (Prism)

psig(pounds per square inch, gauge )磅/平方英寸(表压)

Single-, two- and three-step designs for nitrogen production from

air

Flow scheme of one-stage and two-stage membrane separation remove carbon dioxide from natural gas.

plants to

Multi-stage membrane separation system design Vapor separation process designs able to achieve high vapor recovery and high-purity product streams