第十章 气体分离膜
气体分离膜品类
气体分离膜品类1. 介绍气体分离膜是一种用于分离混合气体中不同组分的薄膜材料。
它通过选择性渗透性能，将混合气体中的组分分离出来，实现纯化和浓缩的目的。
气体分离膜广泛应用于气体分离、气体纯化、气体回收等领域，具有高效、节能、环保等优点。
2. 气体分离膜的原理气体分离膜的分离原理基于气体分子的渗透和扩散。
气体分子在薄膜材料中通过渗透和扩散的方式，根据其分子大小、极性、溶解度等特性，以不同的速率通过膜层，从而实现气体的分离。
常见的气体分离膜包括聚合物膜、无机膜和复合膜等。
聚合物膜通常由聚合物材料制成，具有良好的选择性和渗透性能；无机膜由无机材料制成，具有较高的稳定性和耐腐蚀性能；复合膜则是将聚合物膜和无机膜等不同材料组合而成，综合了各自的优点。
3. 气体分离膜的应用领域气体分离膜广泛应用于各个领域，包括能源、化工、环保、医药等。
3.1 能源领域在能源领域，气体分离膜被用于天然气处理、氢气纯化、煤气脱硫等。
例如，在天然气处理中，气体分离膜可将天然气中的甲烷、乙烷等组分分离出来，提高天然气的纯度和质量。
3.2 化工领域在化工领域，气体分离膜可以用于气体分离、溶剂回收、废气处理等。
例如，在溶剂回收中，气体分离膜可以将有机溶剂与废气中的气体分离，实现溶剂的回收利用，减少环境污染。
3.3 环保领域在环保领域，气体分离膜可以用于废气处理、二氧化碳捕集等。
例如，在二氧化碳捕集中，气体分离膜可以将二氧化碳与其他气体分离，实现二氧化碳的回收和利用，减少温室气体的排放。
3.4 医药领域在医药领域，气体分离膜可以用于气体纯化、药品生产等。
例如，在氧气纯化中，气体分离膜可以将氧气与其他气体分离，提高氧气的纯度和质量，用于医疗设备和治疗。
4. 气体分离膜的发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，气体分离膜也在不断发展和创新。
以下是气体分离膜的发展趋势：4.1 提高分离性能气体分离膜的分离性能是衡量其性能优劣的重要指标。
未来的发展趋势是提高膜材料的选择性和渗透性能，实现更高效的气体分离和纯化。
气体分离膜
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。
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
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
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
气体膜分离.
2)完备的控制系统保证氮气的纯度,流量和压力具有 高稳定性。
3)启动迅速,操作简单,开启3分钟后即可供氮。 4)系统为模块设计,结构紧凑。 5)气体分离过程无噪声,无污染,并且不产生任何有害 废弃物。经过一级膜分离后,富氮浓度一般可达99.5%。
膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性和选择性。
按材料的性质区分，气体分离膜材料主要有高分子材 料、无机材料和高分子-无机复合材料。其中高分子材料 又分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 高分子材料 和无机材料各有优缺点，采用复合材料可以较好地利用高 分子和无机材料的优点，以实现分离要求。
由上式可知,扩散系数反比于分子大小。从这一点也 可以看出氧的渗透性比氮要高。
此外,气体对给定聚合物的亲合性是有差别的,有时 甚至可以高达6个数量级。聚合物的选择性对气体的渗透 性有非常大的影响。具体到氧、氮来说,取膜质为聚二甲 基硅氧烷,氮气的渗透系数 QN 2 为280Barrer,而氧气的渗透 系数QO2为600Barrer,选择性因子为QO2/QN 2 = 600/280≈ 2.14。由于理想的聚合物膜必须具有高的选择性和通量, 因此,开发具有高的选择性的膜对制氧、制氮也是非常重 要的一个课题。
1). 在膜高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜的表 面上；（吸着）
2). 从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜低压侧;（扩散） 3). 在低压侧解吸到气相。（解吸）
一般而言,吸附和解吸过程比较快,气体在膜内的扩散较
慢,是气体透过膜的控制步骤。
纯气体在高分子膜中的溶解平衡可以用Henry定律的形
气体膜分离
结语
膜技术用于气体混合物的分离,国际公认为有效,且经济
性好。气体膜分离是一项高效节能环保的新兴技术，今后在 开发新的制膜方法、新的制膜材料方面是研究的热点，如开
理论分离系数的计算 α=JA/JB
查表得出硅橡胶的氧氮的渗透系数分别为605和 300,
α=605/300=2.01
实测的分离系数的计算 α=y A x B/y B x A
当富氧浓度为28%时，α=1.46 当富氧浓度为40%时，α=2.5
பைடு நூலகம்1）膜法富氧的操作方式
（2）医疗用富氧机 治疗慢性支气管炎和肺部疾病的方法之一是
膜材料的类型与结构对气体渗透有着显著影响。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性和选择性。
按材料的性质区分，气体分离膜材料主要有高分子材 料、无机材料和高分子-无机复合材料。其中高分子材料 又分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 高分子材料 和无机材料各有优缺点，采用复合材料可以较好地利用高 分子和无机材料的优点，以实现分离要求。
1)由于使用TMG膜分离系统,没有运动部件,故障率极 低,运行可靠性高,几乎不需维修;膜组件寿命长,性能保证 在10年以上。
2)完备的控制系统保证氮气的纯度,流量和压力具有 高稳定性。
3)启动迅速,操作简单,开启3分钟后即可供氮。 4)系统为模块设计,结构紧凑。 5)气体分离过程无噪声,无污染,并且不产生任何有害 废弃物。经过一级膜分离后,富氮浓度一般可达99.5%。
展望：气体膜分离过程由于具有以上特点，加上膜材 料的种类日益增加并且分离性能不断改善等因素的促进， 预计会有非常广阔的应用前景。
气体分离膜
间的碰撞作用支配
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
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。
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·s·cmHg）或cm3（STP）/（cm2·s·atm）。
(2) 分离系数
A/B
[ BA组组分分的的浓浓度度]透过气 [ AB组组分分的的浓浓度度]原料气
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 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
PA PA
/ /
PB PB
(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 限制,需要综合考虑才能确定。
气体分离膜的制备与应用
气体分离膜的制备与应用近年来，气体分离技术在许多领域得到了广泛应用。
气体分离膜是一种基于分子尺寸筛选原理的气体分离技术。
通过不同孔径大小和形状的分离膜，可以有效地分离不同类型的气体分子。
本文将从气体分离膜的制备和应用两个方面探讨这种技术的发展历程和未来前景。
一、气体分离膜的制备气体分离膜的制备过程主要分为三步：材料选择、膜制备和膜表征。
材料选择是制备气体分离膜的一个重要环节。
分离膜的主要材料有聚合物、无机材料和混合组成的材料。
其中聚合物材料具有良好的力学性能、低的生产成本和成型性好等优点，是研究人员选择的主要材料之一。
聚合物材料还可以根据需要进行改性，以适应不同的气体分离需求。
膜制备是气体分离膜制备的关键环节。
目前，常见的膜制备方法包括溶剂浸渍法、原位聚合法、相间聚合法等。
溶剂浸渍法是一种常见的制备方法，它利用溶剂将聚合物材料溶解，然后将溶液浸渍到多孔支撑层上，最后通过烘干、交联等步骤制备膜。
与其他方法相比，溶剂浸渍法具有简单、容易控制膜厚和成本低等优点。
膜表征是评价气体分离膜性能的重要方法。
目前，膜表征主要包括SEM、IR、XRD和透水率测试等。
SEM(扫描电子显微镜)可以观察膜的表面形态和微观结构，为膜性能评价提供有力的支持。
IR(傅里叶变换红外光谱)可以分析膜材料的化学结构和功能基团，对膜制备过程和膜性能研究提供有力的分析手段。
二、气体分离膜的应用气体分离膜在许多领域有广泛的应用，主要包括气体分离、气体纯化和能源与环境领域。
首先，气体分离膜主要用于气体分离。
例如，利用基于聚合物材料的气体分离膜，可以有效地对氢、氧、氮、氧化碳等多种气体进行分离。
通过精确的气体分离过程，可以在化学、石油、医药等领域得到广泛应用。
其次，气体分离膜还可以用于气体纯化。
利用气体分离膜可以有效地去除气体中的杂质和不纯物，达到纯化气体的目的。
例如，在制取高纯度气体中，气体分离膜可以被广泛应用。
除此以外，气体分离膜还在能源和环境保护领域发挥着重要作用。
气体分离膜的工作原理及性能研究
气体分离膜的工作原理及性能研究气体分离膜是一种应用于气体分离和纯化的技术。
它通过选择性透过不同气体分子的特性，实现了气体混合物的分离。
在本文中，我们将对气体分离膜的工作原理进行深入探讨，并针对其性能进行相关研究。
1. 工作原理气体分离膜的工作原理基于气体分子在膜上的渗透和扩散过程。
这种膜通常由聚合物、无机材料或复合材料制成。
不同气体分子由于大小、形状和亲疏水性等因素的差异，将会在分离膜上呈现不同的透过速率。
当混合气体在高压驱动下通过气体分离膜时，气体分子将会通过膜的微孔或多孔结构进入膜的一侧，然后透过膜的结构，最终将分离为两个或多个组分。
透过速率较高的气体将快速透过膜，并在另一侧被收集，而透过速率较低的气体则会滞留在膜的一侧，实现了气体分离。
2. 膜的材料选择膜的材料选择对于气体分离膜的性能至关重要。
常见的膜材料包括聚合物膜、无机膜和复合膜。
聚合物膜具有良好的选择性和透过速率，且易于加工和制备。
例如，聚酯醚膜对二氧化碳具有较高的分离性能，而聚氨酯膜对甲烷具有较高的分离性能。
然而，聚合物膜的稳定性较差，容易受到温度和化学物质的影响。
无机膜由陶瓷、金属等材料制成，具有较好的稳定性和较高的选择性。
例如，氧化铝膜可用于分离氢气和氧气。
然而，无机膜的制备难度和成本较高，限制了其在工业上的应用。
复合膜由多个材料层叠而成，结合了不同材料的优势。
这种膜通常具有较高的选择性和透过速率，且具有良好的机械强度和稳定性。
例如，聚酰胺-硅氧烷复合膜可用于二氧化碳的捕获和储存。
3. 性能研究气体分离膜的性能评价通常包括两个主要指标：选择性和透过速率。
选择性指的是膜对特定气体分子的分离能力。
较高的选择性意味着膜对某一种气体的分离效果更好。
选择性通常通过气体分离系数来表示，即两种气体透过膜的速率比。
例如，氧气/氮气分离系数用于评价氧气分离膜的性能。
透过速率是指气体分子透过膜的速率。
透过速率越大，膜的分离效果越好。
透过速率通常通过渗透通量来表示，即单位面积上透过的气体量。
第十章-气体分离膜
17.07.2021
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32
利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图
Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅橡胶包覆(或
涂敷)而得。
氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离
17.装07.2置021 后，每天可增产50t的氨。 精选可编辑ppt
10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。
10.2.3 有机-无机集成材料 分子筛填充有机高分子膜； 聚合物热裂解法。
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6
10.3 气体分离膜组件
10.3.1 平板式膜组件
10.3.2 螺旋卷式膜组件 10.3.3 中空纤维式膜组件
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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。
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19
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
气体分离膜
气体分离膜材料1 膜的发展历史人类对于膜现象有了初步认识是在1748 年，然而认识膜的功能到被挖掘，却经历了200 多年的漫长历程，才为人类服务。
人们在近几十年来，开始对膜进行科学研究。
其发展的历史大致为：30 年代微孔过滤；40 年代透析；50 年代电渗析；60 年代反渗透；70 年代超滤和液膜；80年代气体分离；90 年代渗透汽化。
同时以膜为基础的其它离过程，以及膜分离与其它分离过程结合的复合应用也日益得到重视和发展。
1979 年将气体分离推向工业化应用的基础，是孟山都（Monsanto）公司用于H₂/N₂分离的低温制氮系统（Prism）的建立。
陶氏（Dow）化学公司在1985年向市场提供以富N₂为目的空气分离器，“Generon”气体分离用于天然气、石油、化工生产等领域，大大提高了气体生产过程的经济效益。
我国从1958年研究离子交换膜开始，80年代中期我国研究的气体分离膜取得长足进步，1985 年中国科学院大连化物所首次成功研制中空纤维N₂/H₂分离器，与国外同类产品主要的性能指标接近，现已投入批量生产。
2 气体分离膜材料2.1高分子膜材料高分子膜材料一般制备简单，性能稳定，耐溶剂性能较好，而广泛的应用于膜分离领域。
用于制备气体分离膜的高分子膜材料主要有以下几种。
1）乙基纤维素EC纤维素是一种较为常见的天然高分子材料，乙基纤维素是由碱纤维素和乙基卤化物反应得到，由于EC的热稳定性好、具有较强的抗生物性能，且气体气体的渗透系数和气体渗透选择性较高，常用作空气中的氧、氮分离富集。
2）双酚A型聚砜PSF双酚A型聚砜主链上含有砜基的一种线性杂链高分子膜材料，具有优异的热稳定性、力学性质和较强的刚性及较好的化学稳定性，耐蒸汽性能好，PSF的玻化温度（Tg）为190℃。
可用于制备复合膜的支撑层，合成氨尾气回收氢，目前已得到工业化生产。
3）聚芳醚砜PES聚芳醚砜分子中含有砜基，由于其共轭效应，具有良好的抗氧化性和热稳定性，同时具有良好加工性能的醚键，不含有对耐热性、抗氧稳定性有不利影响的异丙撑基，没有-C-C-链，不含有刚性极大的联苯结构，因而具有良好的耐溶剂性能。
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释
气体分离膜的分离机理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述气体分离膜是一种重要的分离技术，它通过特殊的膜材料和适当的分离条件，实现了对气体混合物中不同成分的有效分离。
在工业和生活的许多领域中，气体的分离和纯化是一项至关重要的任务。
传统的方法如吸附、吸收和蒸馏等虽然能够实现气体的分离，但这些方法通常存在能耗高、流程复杂和成本昂贵等问题。
相比而言，气体分离膜技术具有许多优势。
首先，它是一种低能耗的分离方式，不需要加热或冷却等额外能源消耗。
其次，气体分离膜具有结构简单、操作方便和占地面积小的特点，可以很好地适应各种应用场景。
此外，气体分离膜的分离效果高、选择性好，能够实现对不同气体分子大小、极性和溶解度等差异的有效分离。
气体分离膜的应用范围十分广泛，包括但不限于石油化工、气体纯化、空分、生物医药、环境保护等领域。
例如，在石油化工行业中，气体分离膜可以用于乙烯和丙烯的分离，提高乙烯的纯度和收率。
在环境保护方面，气体分离膜可以应用于二氧化碳捕获和回收，在减少二氧化碳排放的同时节约能源资源。
本文将重点讨论气体分离膜的分离机理。
通过对气体分离膜分子结构和分离机制的深入研究，可以更好地理解膜材料在气体分离过程中的作用方式和原理。
同时，对于分离机理的探索也有助于开发设计更高效、选择性更好的气体分离膜材料，并为未来的技术发展提供指导和借鉴。
综上所述，气体分离膜技术是一项具有重要意义和广阔应用前景的分离技术。
通过深入研究气体分离膜的分离机理，我们可以更好地理解其工作原理，为气体分离膜的设计和应用提供理论基础和技术支持。
在未来的发展中，我们可以通过进一步优化膜材料和改进分离工艺，实现更高效、节能环保的气体分离过程。
1.2文章结构文章结构是论文的框架，它描述了文章的主要部分和各个部分之间的逻辑关系。
本文分为引言、正文和结论三个部分。
引言部分旨在为读者提供关于气体分离膜的背景信息和研究重要性的概述。
其中，第1.1小节概述将简要介绍气体分离膜以及其在工业和环境领域的应用。
气体膜分离
气体膜分离概述气体膜分离是一种常用的分离技术，用于分离混合气体中的不同组分。
该技术基于气体分子在薄膜上的渗透性差异来实现分离。
气体膜分离广泛应用于气体纯化、气体分离、气体浓缩等领域，具有高效、低成本、易操作等优点。
原理气体膜分离的原理是基于不同气体分子在膜材料上的渗透性差异。
膜材料常用的有聚合物膜、无机材料膜等。
当混合气体与膜接触时，其中的不同组分气体会因为渗透速率的不同而在膜的两侧产生浓度差。
这样，通过调整操作条件，如压力、温度等，就可以实现对不同组分气体的分离。
膜材料聚合物膜聚合物膜是气体膜分离中常用的一种膜材料。
聚合物膜可以通过改变聚合物的化学结构和物理性质来实现对不同气体的选择性吸附和渗透。
常用的聚合物膜材料包括聚丙烯、聚氨酯、聚醚酯等。
这些材料具有良好的膜形态稳定性和气体分离性能。
无机材料膜除了聚合物膜，无机材料膜也被广泛应用于气体膜分离。
无机材料膜通常具有更好的化学和热稳定性，适用于处理高温、高压气体。
常见的无机材料膜包括硅膜、石墨烯膜、陶瓷膜等。
这些材料具有良好的气体分离性能和长寿命。
操作条件气体膜分离的操作条件对分离效果有重要影响。
压力压力是气体膜分离中重要的操作参数。
增加进料气体的压力可以增加分离效果，因为压力差会促进气体分子渗透膜的速率。
温度温度对气体分子的扩散速率有重要影响。
一般来说，提高温度可以促进气体分子在膜上的扩散和渗透，从而增强分离效果。
但是，过高的温度可能导致膜材料的性能衰减。
膜面积膜面积也对气体膜分离的效果有影响。
增加膜面积可以增加分离效率和处理能力。
可以通过增加膜片数量或增大膜的尺寸来增加膜面积。
应用领域气体膜分离技术具有广泛的应用领域。
气体纯化气体膜分离可以用于气体纯化过程，将混合气体中的杂质气体分离出来，得到纯净的气体。
例如，将混合气体中的二氧化碳分离出来，可以得到高纯度的氮气。
这在工业和实验室中都有广泛应用。
气体分离气体分离是气体膜分离的主要应用之一。
通过调整操作条件和膜材料的选择，可以实现对不同气体组分的分离。
气体膜分离
(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(尤其是在高温下)比较困难;表面活 性较高。
④ 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。
3、气体膜分离流程及设备
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分 离系数不高，原料气的浓度低或要求产品较纯时,单级膜分 离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即将若干膜器串 联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
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。
(1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
(2)精馏级联 精馏级联的流程见下图,每一级的渗透 气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
1、气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,它们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与 结构对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗 透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气体 分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
气体膜分离原理
气体膜分离原理
Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
气体膜分离原理：
两种或两种以上的气体混合物通过高分子膜时，由于各种气体在膜中的溶解和扩散系数的不同，导致气体在膜中的相对渗透速率有差异。
在驱动力——膜两侧压力差作用下，渗透速率相对较快的气体，如水蒸汽(H2O)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和氧气(O2)等优先透过膜而被富集；而渗透速率相对较慢的气体，如甲烷(CH4)、氮气(N2)和一氧化碳(CO)等气体则是在膜的滞留侧被富集，从而达到混合气体分离的目的。
气体分子在高分子膜表面遵循下列公式中描述的溶解-扩散渗透原理进行气体的分离。
气体分离膜产品应用领域：
气体分离膜技术作为全球最先进的气体分离技术，在各个领域已经得到了广泛的应用。
目前主要应用领域有：
·O2/N2———————空气分离（富氮、富氧）
·CO2/CH4——————沼气、天然气脱碳、三次采油中CO2分离
·H2/(N2、CO、CH4)——化学工业、石油精炼等H2回收，高纯H2
·H2O/Air——————空气脱湿
·H2O/（VOC）————有机蒸汽脱水（醇类、酮类等）。
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10.1 气体分离膜发展概况
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；
聚合物热裂解法。
2014-10-16
10.3 气体分离膜组件
10.3.1 平板式膜组件
10.3.2 螺旋卷式膜组件 10.3.3 中空纤维式膜组件
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Separex公司旋卷式气体分离器
美国碳化公司的气体渗透膜组件
2014-10-16
中空纤维膜组件
2014-10-16
器。
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概念
气体膜分离 membrane gas separation 在一定压力驱动下，利用不同气体分子在膜内渗透速率上的差 异，使渗透速率相对快的分子在渗透气侧富集，而渗透速率相 对慢的分子在渗余气侧富集，从而实现不同气体在膜两侧富集 分离的过程。 气体渗透率 gas permeability, J(缩写） 在标准条件下，用于表征气体在单位压差下，透过单位膜面积 的流量。 注：气体渗透速率常用的单位为cm3(STP)/(cm2· s· Pa)。
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10.5.1 氢气的分离回收
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10.5.2 膜法富氧
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贫氧空气
富氧空气
(a) One-Stage Membrane Separation Process
氧气 空气 分离 流程 设计
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(b) Two-Stage Separation Process
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10.2 气体分离膜材料
10.2.1高分子材料 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）。 10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。 10.2.3 有机-无机集成材料 分子筛填充有机高分子膜；
许 多 公 司 ， 如 Dow Chemical 、 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
10.5 气体膜分离的应用领域
分离对象 氧 /氮 氢/烃 氢/一氧化碳 氢 /氮 二氧化碳/烃 水蒸气/烃 硫化氢/烃 氦 /烃 烃/空气 水蒸气/空气
应用领域 膜法富氧，膜法富氮 石油炼厂尾气氢回收 合成气调比 合成氨弛放气氢回收 天然气和沼气脱二氧化碳 天然气脱湿 天然气脱硫化氢 从天然气回收氦 有机蒸气脱除与回收 空气脱湿
分离膜装臵，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
今已有一百多套在运行， 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
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Flow scheme of one-stage and two-stage membrane separation plants to remove carbon dioxide from natural gas.
Mobile nitrogen generator 可移动产氮膜装置
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渗透系数：
溶解 选择 性
分离系数：
扩散 选择性
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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。
10.5.3 膜法富氮
10.5.4 在天然气工脱湿 3.氦气提取
10.5.5 有机废气的脱除
10.5.6 气体除湿
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Photograph of a membrane unit used to recover nitrogen and propylene from a polypropylene plant vent gas（排出气体）
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溶解~扩散
对流
努森扩散
筛分 （表面扩散）
Mechanisms for permeation of gases through porous and dense gas separation membranes
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二 氧 化 碳 和 甲 烷 在 各 种 聚 合 物 中 的 渗 透 系 数
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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
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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
Photograph of an Air Products and Chemicals, Inc. PRISM 2014-10-16 membrane system installed at an ammonia plant(氨厂). The modules are mounted vertically
外界气氛 / % O2 21 CO2 0 N2 79 挥发性物质 0
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仓库气氛 / % O2 3 CO2 5 N2 92
硅氧烷分离膜
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；
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1979 年，美国 Monsanto （孟山都公司）研制出“ Prism” 气体
10.4 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。
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气体渗透系数 gas permeability coefficient, P（缩写） 在一定温度和压力下，膜对气体的溶解-扩散能力。 注：气体渗透系数最常用的单位是（ cm3(STP)· cm)/(cm2· s· Pa) ，最 常用的表达方式：P=S· D（P:渗透系数；S：溶解度系数；D：扩散系 数）。 溶解度系数 solubility coefficient, S (缩写） 聚合物对气体的溶解能力。 注：溶解度系数常用的单位为cm3(STP)/cm3· MPa 扩散系数 diffusion coefficient, D（缩写） 表示气体分子在膜中借助分子链热运动，排开链与链之间的间隙， 进行传递的能力，即渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积。 注：扩散系数单位为cm2/s。
露点
利用透氢膜从炼油厂的燃料气中分离氢气
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某精炼厂脱丙烷塔的丙烯 / 丙烷分离系统
水果保鲜系统
一般说来，水果要收获以后仍会继续生长。它们一方面 吸入氧气，一方面释放二氧化碳。由于这种呼吸作用，果品 将逐渐劣化以至变质，采取的主要措施是将果品进行冷藏保 管，目的是抑制果品的呼吸以达到保鲜目的。不过这种方法 仍不十分理想，效果有限。更好的办法是适当降低果品保藏 器中的氧气浓度，增加二氧化碳，即保持适宜的气氛，从而 达到保鲜的目的。
On-site industrial nitrogen generator
在线工业产氮机
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合成甲醇 过程弛放 气中氢的 回收系统
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压缩空气 （Cactus®） 膜干燥管
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利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图
Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅橡胶包覆 (或 涂敷)而得。 氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离 2014-10-16 装置后，每天可增产50t的氨。