第十章气体分离膜PPT课件
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21.11.2020
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
21.11.2020
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)。
Monsanto公司“prism”气体分离膜的开发成功，大大激励了许 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器。
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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第十章 气体分离膜
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；
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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。
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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； 聚合物热裂解法。
21.11.2020
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二 氧 化 碳 和 甲 烷 在 各 种 聚 合 物 中 的 渗 透 系 数
21.11.2020
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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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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
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中空纤维膜组件
10.4 气体膜分离原理
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。
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Biblioteka Baidu流 努森扩散
溶解~扩散
筛分 （表面扩散）
Mechanisms for permeation of gases through porous and dense gas separation membranes
渗透系数：
分离系数：
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扩散 选择性
溶解 选择 性
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。
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 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 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。
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
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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)。
Monsanto公司“prism”气体分离膜的开发成功，大大激励了许 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器。
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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第十章 气体分离膜
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；
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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。
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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； 聚合物热裂解法。
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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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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
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中空纤维膜组件
10.4 气体膜分离原理
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。
21.11.2020
Biblioteka Baidu流 努森扩散
溶解~扩散
筛分 （表面扩散）
Mechanisms for permeation of gases through porous and dense gas separation membranes
渗透系数：
分离系数：
21.11.2020
扩散 选择性
溶解 选择 性
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。
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；
21.11.2020
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 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。