《分离技术概论》气体分离PPT课件
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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)
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
• 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
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
_
5 p
2M
16
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
• 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。
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）
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；
• 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
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
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。
分离技术——气体膜分离
陈欢林教授、 chenhl@zju.edu.cn linzhang@zHale Waihona Puke Baiduu.edu.cn
1
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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
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。
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
气体膜分离机理
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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)
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。
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气体膜分离定义
气体膜分离过程示意图
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气体膜分离的发展
• 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
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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
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
_
5 p
2M
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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
• 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。
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）
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；
• 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
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
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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
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。
分离技术——气体膜分离
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主要内容
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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。
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
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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