《分离技术概论》气体分离PPT课件
合集下载
第六章气体膜分离ppt课件
四步过程： 气体与膜的接触 气体向分离膜的表面溶解(溶解过程) 溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散(扩散过程） 分子在膜的另一侧逸出。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
应用阶段 ❖ 1940s：铀235的浓缩(第一个大规模应用) ❖ 1950年：富氧空气浓缩 ❖ 1954年：气体浓缩膜材料的改进
普及阶段 ❖ 1979年：Prism气体分离膜装置的成功
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体分离膜材料及膜组件
（1）膜材料 有机膜：聚合物膜（便宜，常用） 无机膜：金属膜、陶瓷膜、分子筛膜
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
描述气体通过高分子膜的主要参数
① 渗透率：描述膜的气体透过性； ② 渗透系数：单位时间、单位膜面积、单位 推动力作用下所透过气体的量； ③ 分离系数：描述气体分离膜的选择性，一 般将其定义为两种气体i，j渗透系数之比。
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
气体膜分离技术应用ppt课件
Beach sand 海滩沙砾
17
微 滤 (MF) 超 滤 (UF) 纳 滤 (NF) 反 渗 透 (RO)
悬浮颗粒 大分子 糖 ,二 价 盐 ,解 离 酸 单价盐、非解离酸
水
RO,精N品F课件,UF,MF
18
膜技术的应用
分离 RO NF UF MF ED GS PV D MC LM
控制释放 药物 化肥 农药
工艺流程 复杂, 前处理要求严格 简单，前处理简单,
产品氮气需再过滤
产品氮气无需处理
设备状态
只能固定
固定, 移动式
占地面积
中等
较小
氮气产量增容 困难 精品课件
容易
61
富氮车
精品课件
62
成本估算
96%的200Nm3/h氮气： ▪ 膜组件 ▪ PLC 控制器 ▪ 空气过滤器 ▪ 加热器 至50oC ▪ 背压阀 估计总价90万元左右
Others 16%
MSF 43%
RO 41%
精品课件
28
反 超 微透 渗 滤 滤析 透
电
渗
控析
制
释
销 售 额
气放
渗体
透 汽
分 离
双化
极
促 进 传 递
闸 膜
膜 反 应 器
膜 液 膜
低增长 高增长
可用？
探索中
发展中
成熟中
衰退
精品课件
29
气体膜分离的应用
精品课件
30
在以下几个方面已经有了大规模的应用：
10～3000
压力 MPa 0.6～0.7
0.8～1.2
不宜储存氮气
可用储罐储存氮气
启动时间
《分离技术概论》概论 ppt课件
life time of process
浙江大学p生pt物课件工程研究所
14
几种工业化膜过程的基本特征
浙江大学p生pt物课件工程研究所
15
基于场效应的分离技术
• 重力场、压力场、离心力场分离
利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特 征带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分 离的技术。
• 磁场分离
• 第4类——二种分离或分离与反应耦合、集成分 离技术：反应精馏、膜反应器等。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
5
基于传统分离方法的新型分离技术
• 传统化工分离技术：蒸馏、萃取、吸收、 吸附等。
• 在工业过程产物的提取、分离、浓缩与纯 化方面起到重要作用。
• 绝大多数的化工产物的生产离不开这些分 离过程。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
8
分子蒸馏技术原理
浙江大学p生pt物课件工程研究所
9
新型萃取技术
• 超临界萃取 (supercritical fluid extraction)
以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、
植物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作 用，从固态或液态混合物中将这些物质提取出 来的技术。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
11
反相胶团萃取
二-(3-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)
浙江大学p生pt物课件工程研究所
12
新型 吸附、离子交换与色谱技术
• 吸附分离
基于吸附剂与溶质间的物理力或化学结合力，使 溶液 中的有机溶质或其它亲物质的吸附，达到有机物的脱 除或溶液的纯化。
• 离子交换
• 膜基萃取 （membrane based extraction)
浙江大学p生pt物课件工程研究所
14
几种工业化膜过程的基本特征
浙江大学p生pt物课件工程研究所
15
基于场效应的分离技术
• 重力场、压力场、离心力场分离
利用外加力场的作用，使混合物中各组分本身特 征带来其在场内运动的特性差异，由此来达到分 离的技术。
• 磁场分离
• 第4类——二种分离或分离与反应耦合、集成分 离技术：反应精馏、膜反应器等。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
5
基于传统分离方法的新型分离技术
• 传统化工分离技术：蒸馏、萃取、吸收、 吸附等。
• 在工业过程产物的提取、分离、浓缩与纯 化方面起到重要作用。
• 绝大多数的化工产物的生产离不开这些分 离过程。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
8
分子蒸馏技术原理
浙江大学p生pt物课件工程研究所
9
新型萃取技术
• 超临界萃取 (supercritical fluid extraction)
以超临界流体为萃取剂，利用其对脂肪酸、
植物碱、醚类、酮、甘油脂等物质具有溶解作 用，从固态或液态混合物中将这些物质提取出 来的技术。
浙江大学p生pt物课件工程研究所
11
反相胶团萃取
二-(3-乙基己基)琥珀酸酯磺酸钠(AOT)
浙江大学p生pt物课件工程研究所
12
新型 吸附、离子交换与色谱技术
• 吸附分离
基于吸附剂与溶质间的物理力或化学结合力，使 溶液 中的有机溶质或其它亲物质的吸附，达到有机物的脱 除或溶液的纯化。
• 离子交换
• 膜基萃取 （membrane based extraction)
分离技术概论耦合与集成技术ppt课件
耦合与集成过程的设计与优化
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
软件法
Aspen Plus
HYSIM
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
与普通反应器相比，膜反应器特色非常明 显：在反应产物生成的同时不断地将其移 走，使反应转化率不受反应平衡的限制， 提高反应速度；对某些中间反应物为目标 产物的连串反应，及时将目标产物分离， 可提高选择性；可缩短生产工艺路线，实 现降低能耗与资源的合理利用。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
渗透汽化膜反应器
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
渗透汽化膜反应器
(a.PFPMR；b.CSPMR；c.BPMR；d.RFPMR；e.R CSPMR；f. R BPMR)
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
概述
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
集成与耦合的特点
将二种或以上的单元操作通过优化 组合来实现常规工艺难以适应的分 离过程具有十分重要的意义，这类 过程被称之为耦合(coupling process)或集成过程(integrated or hybrid process) 。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
软件法
Aspen Plus
HYSIM
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
与普通反应器相比，膜反应器特色非常明 显：在反应产物生成的同时不断地将其移 走，使反应转化率不受反应平衡的限制， 提高反应速度；对某些中间反应物为目标 产物的连串反应，及时将目标产物分离， 可提高选择性；可缩短生产工艺路线，实 现降低能耗与资源的合理利用。
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
渗透汽化膜反应器
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
渗透汽化膜反应器
(a.PFPMR；b.CSPMR；c.BPMR；d.RFPMR；e.R CSPMR；f. R BPMR)
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
概述
在整堂课的教学中，刘教师总是让学 生带着 问题来 学习， 而问题 的设置 具有一 定的梯 度，由 浅入深 ，所提 出的问 题也很 明确
集成与耦合的特点
将二种或以上的单元操作通过优化 组合来实现常规工艺难以适应的分 离过程具有十分重要的意义，这类 过程被称之为耦合(coupling process)或集成过程(integrated or hybrid process) 。
第四章1气体分离和纯化系统ppt课件
yj (j /p)xj
理想气体混合物的分压之和等于总压:
p pj jxj
j
j
对于两组分混合物， x2 1，x1因此，服从Gibbs-Dalton 定律双组分混合物式:
p 1 x 12 ( 1 x 1 )
Institute of Refrigeration and Cryogenics
高沸点组分氧被冷凝，而液体内的
低沸点组分氮被蒸发。上行气泡富
集氮，下行液体富集氧。
在塔底，必须加入热量为供料口下
的塔板提供蒸汽；在塔顶，必须移
去一些热量来为供料口上的塔板提
供液体。
LO2
Institute of Refrigeration and Cryogenics
LN2
18
精馏过程
气泡通过塔板时热质交换情况
通过部分冷凝或蒸发可以有效地分离沸点相差很大 的二元混合物（如氮－氦混合物，氨－氢混合物等 ），但对沸点相差较小的二元混合物达不到有效地 分离。
Institute of Refrigeration and Cryogenics
16
3、精馏原理
精馏原理：混合物部分冷凝或部分蒸发时时，液 体中高沸点组份浓度增大，而气相中低沸点组份 浓度增大。 精馏就是以部分蒸发和部分冷凝用逆流方式进行 多次分离的过程。通过使用大量塔板，能够获得 相当纯的单组分。
Institute of Refrigeration and Cryogenics
24
精馏塔的类型和结构—泡罩塔
在塔板上按等边三角形排列许多泡罩。泡罩边沿有齿缝，浸没 在液体中
塔板上液层高度由溢流堰保证．上升蒸汽通过泡罩齿缝形成喷 射穿过液层时，一部分蒸汽穿过液层鼓泡，形成泡沫，并使液 体分散成液滴和雾沫
气体膜分离技术简介ppt课件
膜分别器
中心部件
原料气进入膜分别器后，中空纤维膜对氢气有较高的选择性。中空纤
维膜内侧构成富氢区气流，而外侧构成了惰性气流。前者称为浸透气， 后者称尾气。浸透气经紧缩机重返合成系统，尾气供熄灭。
❖ 膜分别系统的中心部件是一构型类似于
管壳式换热器的膜分别器，膜分别器内的中 空纤维管是一种高分子聚合物,中空纤维管对 氢气有较高的选择性，靠中空纤维膜内、外 两侧分压差为推进力，经过浸透、溶解、分 散、解吸等步骤而实现分别。数万根细小的 中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。 混合气体进入分别器后沿纤维的一侧轴向流 动，“快气〞不时透过膜壁而在纤维的另一 侧富集，经过浸透气出口排出，而滞留气那 么从与气体入口相对的另一端非浸透气出口 排出。
❖ 气体膜分别器的概念
❖ 普通来说，一切的高分子膜对一切气体都是可 以浸透的，只不过气体浸透速度各不一样，分别器 正是借助他们之间浸透速率上的差别，来实现对某 种气体的浓缩和富集。
❖ 通常人们把浸透较快的气体叫“快气〞，由于 它们优先透过并得到富集的浸透汽，而把浸透较慢 的气体叫“慢气〞，由于他较多的滞留在原料气侧 成为渗余气。“快气〞和“慢气〞不是绝对的，而 是针对不同的气体组成而言的，假设低氧气和氢气 来说，氢气是“快气〞，氧气是“慢气〞；而对氧 气和氮气体系来说，氧气变为“快气〞，由于氧气 比氮气透过得快。因此，这主要是由其体系中的相 对浸透速度来决议的。
议膜选择性的独一要素，决议膜选择性的另 一个要素是溶
❖ 解选择性，也就是说气体分子在膜内的溶解 和分散不只受瞬变的流动通道的制约，而且 遭到它们在无孔聚合物或在超微孔网状物中 的相关吸附性的影响。通常宝两种气体的相 关溶解度的大小用相应沸点来表示，例如， 氦气和氮气的沸点分别为4K和77K，这阐明 不容易浓缩，而且和氢气相比较，它在高聚 物和超微孔介质中的吸附也比较低。膜资料 和气体之间相互作用是很微妙的，而且在许 多情况下可以忽略不计，此外，当纯气体在 玻璃态聚合物中溶解时，将会呈现两种吸附 景象。
气体的低温分离课件
高效分离工艺研究
介绍高效分离工艺的研究成果， 包括高效冷凝、吸附剂再生等工 艺。
低温气体分离技术发展趋势
节能环保
强调低温气体分离技术在节能环保方面的发展趋势，如降低能源 消耗、减少环境污染等。
智能化与自动化
介绍低温气体分离技术在智能化与自动化方面的发展趋势，如自动 化控制、智能检测等。
多组分气体分离
介绍多组分气体分离技术的发展趋势，包括多组分吸附剂的开发、 多组分气体的高效分离工艺等。
04
低温气体分离设备及工艺
低温气体分离设备的分类及特点
低温冷凝器
利用低温冷媒将气体冷凝成液体，从而将气体中的杂质分 离出来。低温冷凝器通常采用液氮或液氧等作为冷媒，具 有高效率和大规模处理能力。
吸附塔
通过吸附剂的选择性吸附作用，将气体中的杂质分离出来 。吸附塔通常采用分子筛、活性炭等作为吸附剂，具有处 理效果好、能耗低等优点。
氢气分离
氢气是一种清洁能源，通过低温气 体分离技术可以从混合气体中分离 出氢气，用于能源储存和运输等领 域。
低温气体分离技术的发展历程
19世纪
20世纪初
随着制冷技术的发展，人们开始研究低温 气体分离技术。
莱特兄弟发明了第一台低温气体分离装置 ，并成功地从空气中分离出了氧气和氮气 。
20世纪中期
21世纪
医疗领域
在医疗领域，使用低温分离技术将血液中的有害物质（如肌 红蛋白、尿酸等）分离出来，进行进一步的治疗和诊断。
06
前景展望与挑战
前景展望
气体分离技术的发展
随着环保意识的提高和能源利用技术的 进步，气体分离技术也在不断发展。新 型的气体分离技术不断涌现，如低温分 离、膜分离、色谱分离等，使得气体分 离的效率和精度不断提高。
介绍高效分离工艺的研究成果， 包括高效冷凝、吸附剂再生等工 艺。
低温气体分离技术发展趋势
节能环保
强调低温气体分离技术在节能环保方面的发展趋势，如降低能源 消耗、减少环境污染等。
智能化与自动化
介绍低温气体分离技术在智能化与自动化方面的发展趋势，如自动 化控制、智能检测等。
多组分气体分离
介绍多组分气体分离技术的发展趋势，包括多组分吸附剂的开发、 多组分气体的高效分离工艺等。
04
低温气体分离设备及工艺
低温气体分离设备的分类及特点
低温冷凝器
利用低温冷媒将气体冷凝成液体，从而将气体中的杂质分 离出来。低温冷凝器通常采用液氮或液氧等作为冷媒，具 有高效率和大规模处理能力。
吸附塔
通过吸附剂的选择性吸附作用，将气体中的杂质分离出来 。吸附塔通常采用分子筛、活性炭等作为吸附剂，具有处 理效果好、能耗低等优点。
氢气分离
氢气是一种清洁能源，通过低温气 体分离技术可以从混合气体中分离 出氢气，用于能源储存和运输等领 域。
低温气体分离技术的发展历程
19世纪
20世纪初
随着制冷技术的发展，人们开始研究低温 气体分离技术。
莱特兄弟发明了第一台低温气体分离装置 ，并成功地从空气中分离出了氧气和氮气 。
20世纪中期
21世纪
医疗领域
在医疗领域，使用低温分离技术将血液中的有害物质（如肌 红蛋白、尿酸等）分离出来，进行进一步的治疗和诊断。
06
前景展望与挑战
前景展望
气体分离技术的发展
随着环保意识的提高和能源利用技术的 进步，气体分离技术也在不断发展。新 型的气体分离技术不断涌现，如低温分 离、膜分离、色谱分离等，使得气体分 离的效率和精度不断提高。
变压吸附气体分离技术 ppt课件
吸附剂的种类
工业上常用的吸附剂有：硅胶、活性化 铝、活性炭、分子筛等，另外还有针 对某种组分选择性吸附而研制的吸附 材料.
ppt课件
12
吸附剂的再生
为了能使吸附分离法经济有效的实现，除 了吸附剂要有良好的吸附性能以外，吸附 剂的再生方法具有关键意义。吸附剂再生 纯度决定产品的纯度，也影响吸附剂的吸 附能力；吸附剂的再生时间决定老吸附循 环周期的长短，从而也决定了吸附剂用量 的多少。因此选择合适的再生方法，对吸 附分离法的工业化起着重要的作用。
ppt课件 13
常用再生吸附剂的方法
a.降压 b.冲洗 c.置换 d.抽真空
ppt课件 14
a.降压：吸附床在较高压力下吸附，然后降到较 低压力，通常接近大气压，这时一部分吸附组分 解吸出来。这个方法操作简单，单吸附组分的解 吸不充分，吸附剂再生程度不高。 b.抽真空：吸附床降到大气压以后，为了进一 步减少吸附组分的分压，可用抽真空的方法来降 低吸附床压力，以得到更好的再生效果，但此法 增加了动力消耗。 c.冲洗：利用弱吸附组分或者其它适当的气体通 过需再生的吸附床，被吸附组分的分压随冲洗气 通过而下降。吸附剂的再生程度取决于冲洗气的 用量和纯度。
ppt课件
5
气体吸附分离技术的基础
被吸附的气体分子在固体表面上形成的吸 附层，称为吸附相。吸附相的密度比一般 气体的密度大得多，有可能接近液体密度。 当气体是混合物时，由于固体表面对不同 气体分子的压力差异，使吸附相的组成与 气相组成不同，这种气相与吸附相在密度 上和组成上的差别构成了气体吸附分离技 术的基础。
2
吸附物质的固体称为吸附剂， 被吸附的物质称为吸附质。伴 随吸附过程所释放的的热量叫 吸附热，解吸过程所吸收的热 量叫解吸热。
气体分离膜PPT课件
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。
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。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量增大。
VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收法。
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
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
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
1细.努管森扩凝散聚等。
2.黏性流扩散
努森数>>1尤其当Kn≥10
努森数≤0.01
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
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
。
(1)渗透系数(Q)
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。
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
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。
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。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量增大。
VOC的处理方法有两类：破坏性消除法和回收法。
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
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
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
1细.努管森扩凝散聚等。
2.黏性流扩散
努森数>>1尤其当Kn≥10
努森数≤0.01
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
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
。
(1)渗透系数(Q)
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。
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
《气体膜分离技术》课件
03
气体膜分离技术分类
根据驱动力的分类
压差驱动
利用不同气体在膜上的溶解-扩散 差异，在压力差的推动下实现混 合气体的分离。
浓度差驱动
利用不同气体在膜上的吸附-脱附 性能差异，在浓度差的推动下实 现混合气体的分离。
电场驱动
在电场的作用下，利用不同气体 在膜上的电离或吸附性能差异， 实现混合气体的分离。
01
03
气体膜分离技术的进一步发展需要加强基础研究，提 高膜材料的性能和可靠性，同时加强与其他领域的交
叉合作，拓展应用领域和市场空间。
04
气体膜分离技术与其他分离技术的结合将为工业气体 分离和净化提供更多元化的解决方案，以满足不同工 艺流程的需求。
THANKS感谢观看应用领域工业气体分离
用于分离空气、氮气、氧气等工业气体，提 高产品质量和纯度。
氢气回收与纯化
用于从各种原料气体中回收和纯化氢气，满 足氢能产业的需求。
有机蒸气回收
用于从有机废气中回收有价值组分，实现资 源化利用和环保减排。
天然气处理
用于脱除天然气中的二氧化碳、硫化物等杂 质，提高天然气的品质。
发展历程与趋势
根据膜材料的分类
01
02
03
高分子膜
利用高分子材料的透过性 和选择性，制备成气体分 离膜。
无机膜
利用无机材料的稳定性、 耐高温性和高透过性，制 备成气体分离膜。
复合膜
将高分子材料和无机材料 复合，制备成具有优异性 能的气体分离膜。
根据应用领域的分类
工业气体分离
用于工业生产过程中产生 的各种气体混合物的分离 ，如氢气、氮气、氧气等 。
拓展气体膜分离技术在氢气、二氧化碳、 甲烷等气体分离领域的应用，推动其在环 保、能源和化工等领域的发展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
18
微孔扩散机理
2. 表面扩散 气体分子可与介质表面（如孔壁）发生 相互作用，即吸附于表面并可沿表面活动。 不同分子在表面的占据率是不同的，当存 在压力梯度时，这些吸附的分子将产生沿 表面的浓度梯度方向的扩散。
19
微孔扩散机理
• 低表面浓度梯度下，纯气体的表面流fs， 可由费克定律来描述：
• 可得表面渗f透s 率F(s1为：)sDs ddqsl
微孔扩散机理
1. Kn<<1时，粘性流动占主导地位，此时通
量为：
FP
PdP2 P 16RTL
2. Kn>>1时，努森扩散占主导地位，其通量
为：
Fk
d
3RTL
8 RT
M
3. Kn=1时，努森扩散和粘性流并存，总通
量可视为二者的叠加： Ft=Fp+Fk
17
微孔扩散机理
• 基于努森扩散的气体A和B的通量比，即为 理想分离因子： a＊=(FK)A/(FK)B= MB MA
分离技术——气体膜分离
陈欢林教授、 chenhl@ linzhang@
1
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
前言
点击此处输入 相关文本内容
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
点击此处输入 相关文本内容
2
主要内容
• 气体膜分离概述 • 分离机理 • 影响气体分离的因素 • 气体分离膜 • 装置与组件 • 工业应用
亨利定律导出。
Ji
DiHi
(p0 pl) lm
• 式中，
• p0,pl为组分i在膜上游侧和膜下游侧的分压,；
• Di、Hi 扩散系数和溶解度系数;
• lm为膜厚度。
28
气体通过致密膜时的分压差与浓度分 布
29
渗透系数与扩散系数和 溶解度系数的关系
PDH
• 式中，
• P 为渗透系数cm3cm/cm2s.Pa；
9
气体膜分离机理
10
气体膜分离机理
• 膜法气体分离的基本原理是根据混合气体 中各组分在压力推动下透过膜的传递速率 不同，从而达到分离的目的。
两种机理： 1. 气体通过微孔膜的微孔扩散机理； 2. 气体通过致密膜的溶解-扩散机理。
11
气体膜分离定义
• 分离原理
• (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
• 气体在膜内的扩散过程可用费克定律来描 述，稳态时，气体透过膜的渗透流率可用 下式来表达：
J p1 p2 Q QD(c)S(c)
l
26
溶解-扩散机理
QD(c)S(c)
c2 D(c)dc
D(c) c1 c1 c2
S(c) c1 c2 p1 p2
27
2.非多孔膜内的扩散
• 对橡胶态膜, 气体渗透通过致密膜的传递方程可由
23
例题4-1
24
溶解-扩散机理
1. 气体在膜的上游侧表面吸附溶解，是吸着 过程；
2. 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差 的推动下扩散透过膜，是扩散过程；
3. 膜下游侧表面的气体解吸，是解吸过程。
25
溶解-扩散机理
• 一般地说，气体在膜表面的吸着和解吸过 程都能较快地达到平衡，而气体在膜内的 渗透扩散较慢，是气体透过膜的速率控制 步骤。
F t ks2(c1M 0.5c2 2pc3D S d dsp x )
22
微孔扩散机理
• 对混合气体通过多孔膜的分离过程，为了 获得良好的分离效果，要求混合气体通过 多孔膜的传递过程应以分子流为主。基于 此，分离过程应尽可能地满足下列条件： ①多孔膜的微孔径必须小于混合气体中各 组分的平均自由程，一般要求多孔膜的孔 径在(50~300) ×10-10m;②混合气体的温度 应足够高，压力应尽可能低。高温、低压 都可能提高气体分子的平均自由程，同时 还可避免表面流动和吸咐现象发生。
• D为扩散系数，cm2/s；
•
H亨利溶解度系数cm3/cm3Pa。
• 若其中任何两个系数已知，则可推出第三个系数。
30
渗透系数含义
过程属努森（Knudsen）扩散，又称自由分子
流(Free molecule flow);在dp远大于λ时，气体 分子与孔壁之间的碰撞几率远小于分子之间的
碰撞几率，此时气体通过微孔的传递过程属粘
性流机制（Viscous flow），又称Poiseuille流;
当dp与λ相当时，气体通过微孔的传递过程是努 森扩散和粘性流并存，属平滑流（slip flow）
• 利用聚合物膜分离气体的概念已有100多年 的历史；
• 奠定气体膜分离市场：1979年，Monsanto 公司推出的“Prism” H2/N2膜分离装置；
• 80年代的GKSS、日东电工、MTR有机蒸 汽回收系统；
• Air Products开发的气体膜分离与变压吸 附集成工艺。
8
存在的问题
• 深冷分离技术在费用上有一定的优势； • 变压吸附技术的发展很快。
12
致密膜气体分离与蒸汽渗透
分离机理
进料
蒸汽渗透
致密膜气体 分离
依赖于膜材 料与分离组 分的相互作
用
依赖于气体 在膜内的传
递速率
蒸汽形式 气体
13
微孔扩散机理
1. 努森扩散：
2.
微孔直径(dp)远小于气体分子平均自由程(λ)
时，气体分子与孔壁之间的碰撞几率远大于分
子之间的碰撞几率，此时气体通过微孔的传递
Fs fs (1L)sDs •ddsqp
• 若考虑孔径对表面流的影响，则引入：
(1)qs
SV A0N
axvs
Sv
4 dp
20
微孔扩散机理
FS
fs 4sDs •dxs
p dpA0Nav dp
• 当孔径减小时，表面积增大，表面扩散通
量也随之增大。
21
微孔扩散机理
• 对于纯气体，若同时发生努森扩散、层流 (粘性流)和表面扩散，其总通量为：
机制。
14
r/λ比值与膜孔内气体透过量的 系
• 通常，当多孔膜孔径 > 10Å 时，努森流与粘性流同时存 在。Kn值的不同，则两种流动所占的比例也不同.
• Kn>0.5时，努森流占优势；当Kn<0.1时，则约90%为粘
性流。
15
微孔扩散机理
努森因子（Kn）
n /dp
16 RT
_Байду номын сангаас
5 p
2M
16
3
气体膜分离概述
4
气体透过Seperex 膜的相对 渗透速率
5
气体膜分离定义
• 要分离的气体以高压供给膜装置，透过膜 的一侧，膜的另一侧保持较低压力，膜两 侧压力差作为气体透过膜进行扩散的推动 力，由于供料组分的相对迁移速率不同， 因而得到分离。
6
气体膜分离定义
气体膜分离过程示意图
7
气体膜分离的发展
微孔扩散机理
2. 表面扩散 气体分子可与介质表面（如孔壁）发生 相互作用，即吸附于表面并可沿表面活动。 不同分子在表面的占据率是不同的，当存 在压力梯度时，这些吸附的分子将产生沿 表面的浓度梯度方向的扩散。
19
微孔扩散机理
• 低表面浓度梯度下，纯气体的表面流fs， 可由费克定律来描述：
• 可得表面渗f透s 率F(s1为：)sDs ddqsl
微孔扩散机理
1. Kn<<1时，粘性流动占主导地位，此时通
量为：
FP
PdP2 P 16RTL
2. Kn>>1时，努森扩散占主导地位，其通量
为：
Fk
d
3RTL
8 RT
M
3. Kn=1时，努森扩散和粘性流并存，总通
量可视为二者的叠加： Ft=Fp+Fk
17
微孔扩散机理
• 基于努森扩散的气体A和B的通量比，即为 理想分离因子： a＊=(FK)A/(FK)B= MB MA
分离技术——气体膜分离
陈欢林教授、 chenhl@ linzhang@
1
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
前言
点击此处输入 相关文本内容
标题添加
点击此处输入相 关文本内容
点击此处输入 相关文本内容
2
主要内容
• 气体膜分离概述 • 分离机理 • 影响气体分离的因素 • 气体分离膜 • 装置与组件 • 工业应用
亨利定律导出。
Ji
DiHi
(p0 pl) lm
• 式中，
• p0,pl为组分i在膜上游侧和膜下游侧的分压,；
• Di、Hi 扩散系数和溶解度系数;
• lm为膜厚度。
28
气体通过致密膜时的分压差与浓度分 布
29
渗透系数与扩散系数和 溶解度系数的关系
PDH
• 式中，
• P 为渗透系数cm3cm/cm2s.Pa；
9
气体膜分离机理
10
气体膜分离机理
• 膜法气体分离的基本原理是根据混合气体 中各组分在压力推动下透过膜的传递速率 不同，从而达到分离的目的。
两种机理： 1. 气体通过微孔膜的微孔扩散机理； 2. 气体通过致密膜的溶解-扩散机理。
11
气体膜分离定义
• 分离原理
• (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g)
• 气体在膜内的扩散过程可用费克定律来描 述，稳态时，气体透过膜的渗透流率可用 下式来表达：
J p1 p2 Q QD(c)S(c)
l
26
溶解-扩散机理
QD(c)S(c)
c2 D(c)dc
D(c) c1 c1 c2
S(c) c1 c2 p1 p2
27
2.非多孔膜内的扩散
• 对橡胶态膜, 气体渗透通过致密膜的传递方程可由
23
例题4-1
24
溶解-扩散机理
1. 气体在膜的上游侧表面吸附溶解，是吸着 过程；
2. 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差 的推动下扩散透过膜，是扩散过程；
3. 膜下游侧表面的气体解吸，是解吸过程。
25
溶解-扩散机理
• 一般地说，气体在膜表面的吸着和解吸过 程都能较快地达到平衡，而气体在膜内的 渗透扩散较慢，是气体透过膜的速率控制 步骤。
F t ks2(c1M 0.5c2 2pc3D S d dsp x )
22
微孔扩散机理
• 对混合气体通过多孔膜的分离过程，为了 获得良好的分离效果，要求混合气体通过 多孔膜的传递过程应以分子流为主。基于 此，分离过程应尽可能地满足下列条件： ①多孔膜的微孔径必须小于混合气体中各 组分的平均自由程，一般要求多孔膜的孔 径在(50~300) ×10-10m;②混合气体的温度 应足够高，压力应尽可能低。高温、低压 都可能提高气体分子的平均自由程，同时 还可避免表面流动和吸咐现象发生。
• D为扩散系数，cm2/s；
•
H亨利溶解度系数cm3/cm3Pa。
• 若其中任何两个系数已知，则可推出第三个系数。
30
渗透系数含义
过程属努森（Knudsen）扩散，又称自由分子
流(Free molecule flow);在dp远大于λ时，气体 分子与孔壁之间的碰撞几率远小于分子之间的
碰撞几率，此时气体通过微孔的传递过程属粘
性流机制（Viscous flow），又称Poiseuille流;
当dp与λ相当时，气体通过微孔的传递过程是努 森扩散和粘性流并存，属平滑流（slip flow）
• 利用聚合物膜分离气体的概念已有100多年 的历史；
• 奠定气体膜分离市场：1979年，Monsanto 公司推出的“Prism” H2/N2膜分离装置；
• 80年代的GKSS、日东电工、MTR有机蒸 汽回收系统；
• Air Products开发的气体膜分离与变压吸 附集成工艺。
8
存在的问题
• 深冷分离技术在费用上有一定的优势； • 变压吸附技术的发展很快。
12
致密膜气体分离与蒸汽渗透
分离机理
进料
蒸汽渗透
致密膜气体 分离
依赖于膜材 料与分离组 分的相互作
用
依赖于气体 在膜内的传
递速率
蒸汽形式 气体
13
微孔扩散机理
1. 努森扩散：
2.
微孔直径(dp)远小于气体分子平均自由程(λ)
时，气体分子与孔壁之间的碰撞几率远大于分
子之间的碰撞几率，此时气体通过微孔的传递
Fs fs (1L)sDs •ddsqp
• 若考虑孔径对表面流的影响，则引入：
(1)qs
SV A0N
axvs
Sv
4 dp
20
微孔扩散机理
FS
fs 4sDs •dxs
p dpA0Nav dp
• 当孔径减小时，表面积增大，表面扩散通
量也随之增大。
21
微孔扩散机理
• 对于纯气体，若同时发生努森扩散、层流 (粘性流)和表面扩散，其总通量为：
机制。
14
r/λ比值与膜孔内气体透过量的 系
• 通常，当多孔膜孔径 > 10Å 时，努森流与粘性流同时存 在。Kn值的不同，则两种流动所占的比例也不同.
• Kn>0.5时，努森流占优势；当Kn<0.1时，则约90%为粘
性流。
15
微孔扩散机理
努森因子（Kn）
n /dp
16 RT
_Байду номын сангаас
5 p
2M
16
3
气体膜分离概述
4
气体透过Seperex 膜的相对 渗透速率
5
气体膜分离定义
• 要分离的气体以高压供给膜装置，透过膜 的一侧，膜的另一侧保持较低压力，膜两 侧压力差作为气体透过膜进行扩散的推动 力，由于供料组分的相对迁移速率不同， 因而得到分离。
6
气体膜分离定义
气体膜分离过程示意图
7
气体膜分离的发展