气体分离膜
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扩散系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影 响更大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
气体分离膜的分离机理
多孔膜分离机理
非多孔膜的分离机理
多孔膜分离机理
多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差 进行分离的，其分离性能与气体种类、膜 孔径等有关。其传递机理可分为努森扩散 ，粘性流扩散，表面扩散，分子筛分，毛 细管凝聚等。 1.努森扩散 2.黏性流扩散
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。
气体分离膜
从20世纪80年代开始，中科院大连化物所 、长春应化所等单位，在研究气体分离膜 及其应用方面进行了积极有益的探索，并 取得了长足进展。1985年，中科院大连化 物所首次成功研制了聚砜中空纤维膜氮氢 分离器。
气体分离膜 (2) 无机材料
无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳定性好,耐 有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液,并且不被微生物
降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制造成本相 对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10倍;质地脆,需 要特殊的形状和支撑系统;制造大面积稳 定的且具有良 好性能的膜比较困难;膜组件的安装、密封(尤其是在高
A组分的浓度 [ ]透过气 PA / PB B组分的浓度 A/ B A组分的浓度 PA / PB [ ]原料气 B组分的浓度 (3)溶解度系数(S)
气体分离膜 (二) 影晌渗透通量与分离系数的因素
(1)压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压力差, 压 差增大,气体中各组分的渗透通量也随之升高。但实 际操作压差受能耗、膜强度、设备制造费用等条件的
气体分离膜
1829 1981 1950 1954 1965
开始膜法气体透过性研究
Leabharlann Baidu
J. V. Mitchell研究了天然橡胶的透气性
众多科学家研究大量气体分离膜
P. Mears研究了玻璃态聚合物的透气性
S. A. Sterm等从天然气中分离氦气
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
气体分离膜(GS)
气体分离膜
气体膜分离是指在压力差为推动力的作 用下,利用气体混合物中各组分在气体 分离膜中渗透速率的不同而使各组分分 离的过程。 气体膜分离技术的特点是：分离操作无 相变化,不用加入分离剂,是一种节能的 气体分离方法。它广泛应用于提取或浓 缩各种混合气体中的有用成分,具有广 阔的应用前景。
温下)比较困难;表面活性较高。
气体分离膜 (3) 有机-无机杂化材料
采用有机-无机杂化复合膜,以耐高温高分子材料为分离层, 陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又解 决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐 蚀环境下的气体分离提供了可能性
采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活性层。 为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而致密。实 际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降低,为了克服 这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。 例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维膜,可以减小膜表 面的孔隙,提高分离因子。
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法
急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有 机蒸气回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱
硫化氢等。
(1)、氢气的回收
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型
的例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生 产过程中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气 中白白地烧掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪 费。
图为膜法与冷凝法结合的流程。经压缩后的有机废气进入冷凝器,气 体中的一部分VOC被冷凝下来,冷凝液可以再利用,而未凝气体进入 膜组件中,其中VOC在压力差的推动下透过膜,渗余气为脱除VOC的 气体,可以直接放空;透过气中富含有机蒸气,该气体循环至压缩机的 进口。由于VOC的循环,回路中VOC浓度迅速上升,当进人冷凝器的 压缩气体达到VOC的凝结浓度时,VOC又被冷凝下来。
气体分离膜的未来
气体膜分离是一项高效、节能、环保的新 兴技术。随着膜科学的不断发展，在国内 外对膜分离方法的研制工作取得了可喜的 成果。是21世纪关键的分离技术。 今后在开展新的制膜方法与理论、新的制 膜材料、流程和系统的优化等方面是研究 的热点。
Thank you!
气体分离膜的应用
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器 中加热到300~400℃,通人脱硫塔,在镍-钼催化剂的作用下,含硫化合物反 应生成H2S,用ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加 热炉中加热到550℃,进入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器 降温到40~50℃进入一级膜分离器,渗余气富含甲烷,输入城市煤气管道, 透过气中含有少量甲烷,经压缩机加压进入二级膜分离器,透过气可作为 加热炉或蒸汽锅炉的燃料,剩余气体回流,重新输入一级膜分离器。
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非多孔膜的分离机理
上游
膜
上游
膜
下游 （ 1 ）
上游
膜
下游 （ 2 ）
下游 （ 3 ）
（1）气体溶解在 膜的上游表面； （2）在浓度差的 作用下，溶解在上 游表面的 气体在 膜中向膜的下游表 面扩散；（控制步 骤） （3）到达膜下游 表面的气体从膜的 下游表面解吸。
气体分离膜的应用
气体分离膜
按材料的化学组成,气体分离膜材料有高分子材 料、无机材料、有机-无机杂化材料。 (1)高分子材料
高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻 璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是玻 璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要缺 点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在高 压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制开 发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质的 气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。
气体分离膜
寿命
选择性
气体分离膜 三要素
渗透速率
气体分离膜 (一)气体分离膜的主要特性参数
(1)渗透系数(Q) 渗透系数是单位压力单位膜面积在单位时间内透过 单位膜厚度的气体的量。其单位是cm3（STP）/（ cm2· cmHg）或cm3（STP）/（cm2· atm）。 s· s· (2) 分离系数
气体分离膜的应用 (2)、氮氧分离
空气中含氮79%,含氧21%。选用易于透过O2 膜,在透过侧得到富集的O2,其浓度为30%~40%; 另一侧得到富集的氮气,其浓度可达95%。膜法 富氮与深冷和变压吸附法相比具有成本低、操 作灵活、安全、设备轻便、体积小等优点。
气体分离膜的应用 (3)、脱除合成天然气中的CO2制备城市煤气 合成天然气(液化石油气或石脑油精制气体) 是城市煤气的主要来源之一。由于天然气 中的CO2的含量(摩尔分数)为18%~21%,如 此高的CO2浓度会降低合成天然气的热值和 燃烧速率。因此,需将合成天然气中的CO2 含量降至2.5%~3.0%。
气体分离膜的应用
(4)、有机废气的回收 在许多石油化工、制药、油漆涂料、半导体等工业中,
每天有大量的有机废气向大气中散发。废气中挥发性
的有机物 (简称VOC)大多具有毒性,部分已被列为致 癌物。VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收 法。膜分离法作为一种有前途的回收法比其他方法都 经济可行。
气体分离膜的应用
4.分子筛分 膜孔介于不同气体分子 直径之间 直径小的分子就能通过 膜孔，而大分子就被挡 住，达到分离效果
多孔膜分离机理
5.毛细管凝聚
在操作温度处于较低温度的情况下，当气体通过微孔 介质时，易冷凝组分达到毛细管冷凝压力时，孔道被 易冷凝组分的冷凝液体堵塞，从而阻止非冷凝组分渗 透，从而出现毛细管冷凝分离。
限制,需要综合考虑才能确定。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量
增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此种膜是在
非对称膜表面加一层超薄的致密活性层,降低可致密 活性层的厚度,使渗透通量提高。
气体分离膜
(3)温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散
系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而
努森数>>1尤其当Kn≥10 气体分子平均自由程远 于膜孔径，呈努森扩散 孔内分子流动受分子与孔壁 间的碰撞作用支配 努森数≤0.01 孔径远大于操作条件气体 分子的平均运动自由程， 孔内分子流动受分子之间 碰撞作用支配
多孔膜分离机理
3.表面扩散 气体分子吸附在膜孔 壁上，在浓度差的作 用下，分子沿膜孔表 面移动，产生表面扩 散流
气体分离膜的应用
氨弛放气回收氢气的典型 流程。合成氨弛放气首先进入
水清洗塔除去或回收其中夹带 的氨气,从而避免氨对膜性能 的影响。经过预处理的气体进 入第一组渗透器,透过膜的气 体作为高压氢气回收,渗余气 流经第二组渗透器中,渗透气 体作为低压氢气回收。渗余气 体中氢气含量较少,作为废气 燃烧,两段回收的氢气循环使 用。
气体分离膜的分离机理
多孔膜分离机理
非多孔膜的分离机理
多孔膜分离机理
多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差 进行分离的，其分离性能与气体种类、膜 孔径等有关。其传递机理可分为努森扩散 ，粘性流扩散，表面扩散，分子筛分，毛 细管凝聚等。 1.努森扩散 2.黏性流扩散
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。
气体分离膜
从20世纪80年代开始，中科院大连化物所 、长春应化所等单位，在研究气体分离膜 及其应用方面进行了积极有益的探索，并 取得了长足进展。1985年，中科院大连化 物所首次成功研制了聚砜中空纤维膜氮氢 分离器。
气体分离膜 (2) 无机材料
无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳定性好,耐 有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液,并且不被微生物
降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制造成本相 对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10倍;质地脆,需 要特殊的形状和支撑系统;制造大面积稳 定的且具有良 好性能的膜比较困难;膜组件的安装、密封(尤其是在高
A组分的浓度 [ ]透过气 PA / PB B组分的浓度 A/ B A组分的浓度 PA / PB [ ]原料气 B组分的浓度 (3)溶解度系数(S)
气体分离膜 (二) 影晌渗透通量与分离系数的因素
(1)压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压力差, 压 差增大,气体中各组分的渗透通量也随之升高。但实 际操作压差受能耗、膜强度、设备制造费用等条件的
气体分离膜
1829 1981 1950 1954 1965
开始膜法气体透过性研究
Leabharlann Baidu
J. V. Mitchell研究了天然橡胶的透气性
众多科学家研究大量气体分离膜
P. Mears研究了玻璃态聚合物的透气性
S. A. Sterm等从天然气中分离氦气
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
气体分离膜(GS)
气体分离膜
气体膜分离是指在压力差为推动力的作 用下,利用气体混合物中各组分在气体 分离膜中渗透速率的不同而使各组分分 离的过程。 气体膜分离技术的特点是：分离操作无 相变化,不用加入分离剂,是一种节能的 气体分离方法。它广泛应用于提取或浓 缩各种混合气体中的有用成分,具有广 阔的应用前景。
温下)比较困难;表面活性较高。
气体分离膜 (3) 有机-无机杂化材料
采用有机-无机杂化复合膜,以耐高温高分子材料为分离层, 陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又解 决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐 蚀环境下的气体分离提供了可能性
采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活性层。 为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而致密。实 际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降低,为了克服 这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。 例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维膜,可以减小膜表 面的孔隙,提高分离因子。
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法
急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有 机蒸气回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱
硫化氢等。
(1)、氢气的回收
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型
的例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生 产过程中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气 中白白地烧掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪 费。
图为膜法与冷凝法结合的流程。经压缩后的有机废气进入冷凝器,气 体中的一部分VOC被冷凝下来,冷凝液可以再利用,而未凝气体进入 膜组件中,其中VOC在压力差的推动下透过膜,渗余气为脱除VOC的 气体,可以直接放空;透过气中富含有机蒸气,该气体循环至压缩机的 进口。由于VOC的循环,回路中VOC浓度迅速上升,当进人冷凝器的 压缩气体达到VOC的凝结浓度时,VOC又被冷凝下来。
气体分离膜的未来
气体膜分离是一项高效、节能、环保的新 兴技术。随着膜科学的不断发展，在国内 外对膜分离方法的研制工作取得了可喜的 成果。是21世纪关键的分离技术。 今后在开展新的制膜方法与理论、新的制 膜材料、流程和系统的优化等方面是研究 的热点。
Thank you!
气体分离膜的应用
图为膜法制备城市煤气的工艺流程图。液化石油气或石脑油在热交换器 中加热到300~400℃,通人脱硫塔,在镍-钼催化剂的作用下,含硫化合物反 应生成H2S,用ZnO吸附 H2O。脱硫后的气体在管道内与水蒸气混合,在加 热炉中加热到550℃,进入甲烷转化器合成甲烷。合成天然气经热交换器 降温到40~50℃进入一级膜分离器,渗余气富含甲烷,输入城市煤气管道, 透过气中含有少量甲烷,经压缩机加压进入二级膜分离器,透过气可作为 加热炉或蒸汽锅炉的燃料,剩余气体回流,重新输入一级膜分离器。
返回
非多孔膜的分离机理
上游
膜
上游
膜
下游 （ 1 ）
上游
膜
下游 （ 2 ）
下游 （ 3 ）
（1）气体溶解在 膜的上游表面； （2）在浓度差的 作用下，溶解在上 游表面的 气体在 膜中向膜的下游表 面扩散；（控制步 骤） （3）到达膜下游 表面的气体从膜的 下游表面解吸。
气体分离膜的应用
气体分离膜
按材料的化学组成,气体分离膜材料有高分子材 料、无机材料、有机-无机杂化材料。 (1)高分子材料
高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻 璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是玻 璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要缺 点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在高 压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制开 发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质的 气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。
气体分离膜
寿命
选择性
气体分离膜 三要素
渗透速率
气体分离膜 (一)气体分离膜的主要特性参数
(1)渗透系数(Q) 渗透系数是单位压力单位膜面积在单位时间内透过 单位膜厚度的气体的量。其单位是cm3（STP）/（ cm2· cmHg）或cm3（STP）/（cm2· atm）。 s· s· (2) 分离系数
气体分离膜的应用 (2)、氮氧分离
空气中含氮79%,含氧21%。选用易于透过O2 膜,在透过侧得到富集的O2,其浓度为30%~40%; 另一侧得到富集的氮气,其浓度可达95%。膜法 富氮与深冷和变压吸附法相比具有成本低、操 作灵活、安全、设备轻便、体积小等优点。
气体分离膜的应用 (3)、脱除合成天然气中的CO2制备城市煤气 合成天然气(液化石油气或石脑油精制气体) 是城市煤气的主要来源之一。由于天然气 中的CO2的含量(摩尔分数)为18%~21%,如 此高的CO2浓度会降低合成天然气的热值和 燃烧速率。因此,需将合成天然气中的CO2 含量降至2.5%~3.0%。
气体分离膜的应用
(4)、有机废气的回收 在许多石油化工、制药、油漆涂料、半导体等工业中,
每天有大量的有机废气向大气中散发。废气中挥发性
的有机物 (简称VOC)大多具有毒性,部分已被列为致 癌物。VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收 法。膜分离法作为一种有前途的回收法比其他方法都 经济可行。
气体分离膜的应用
4.分子筛分 膜孔介于不同气体分子 直径之间 直径小的分子就能通过 膜孔，而大分子就被挡 住，达到分离效果
多孔膜分离机理
5.毛细管凝聚
在操作温度处于较低温度的情况下，当气体通过微孔 介质时，易冷凝组分达到毛细管冷凝压力时，孔道被 易冷凝组分的冷凝液体堵塞，从而阻止非冷凝组分渗 透，从而出现毛细管冷凝分离。
限制,需要综合考虑才能确定。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量
增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此种膜是在
非对称膜表面加一层超薄的致密活性层,降低可致密 活性层的厚度,使渗透通量提高。
气体分离膜
(3)温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散
系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而
努森数>>1尤其当Kn≥10 气体分子平均自由程远 于膜孔径，呈努森扩散 孔内分子流动受分子与孔壁 间的碰撞作用支配 努森数≤0.01 孔径远大于操作条件气体 分子的平均运动自由程， 孔内分子流动受分子之间 碰撞作用支配
多孔膜分离机理
3.表面扩散 气体分子吸附在膜孔 壁上，在浓度差的作 用下，分子沿膜孔表 面移动，产生表面扩 散流
气体分离膜的应用
氨弛放气回收氢气的典型 流程。合成氨弛放气首先进入
水清洗塔除去或回收其中夹带 的氨气,从而避免氨对膜性能 的影响。经过预处理的气体进 入第一组渗透器,透过膜的气 体作为高压氢气回收,渗余气 流经第二组渗透器中,渗透气 体作为低压氢气回收。渗余气 体中氢气含量较少,作为废气 燃烧,两段回收的氢气循环使 用。