气体膜分离

3.膜材料
常用的气体膜分离可分为多孔膜和致密膜两种，他们 可由无机膜材料和高分子膜材料组成。其中，无机材料主 要有多孔玻璃、陶瓷、金属（多孔质）和离子导电型固体、 钯合金等（致密膜）；高分子材料主要有聚烯烃类、醋酸 纤维素类（多孔质）和均质醋酸纤维素类、合成高分子 （致密膜） 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。
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
（1）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 经常呼吸富氧空气，浓度最大不超过40%，否则会 造成氧中毒。正常人的呼吸流量为6～8L/min，浓 度为28%～40%。膜法富氧得到的空气具有一定的 湿度，因为水蒸气可以透过膜，病人可以直接呼 吸无需加湿。考虑成本和噪音的因素，大多富氧 机采用负压操作。目前日本和美国已有富氧及产 品。
（3）富氧助燃 工艺流程
富氧浓度与火焰温度的关系
（4）富氧空调
富氧空调可以通过专用制氧设备产生 氧气以增加空调环境中的氧含量,从而降低 空调的能耗,在国内外许多专利中都提出了 采用膜法制氧的富氧空调"如日本发明专利 JP599457A, 中国发明专利 03126160.4， 97234786.0,98237222.1,03121202等。
气体膜分离
组长：何正武 组员：郭莉莉、李亚娟、武俊、李向阳 班级：化工1002班
目录
1 2 3 4
简介
原理 膜材料
应用
实例
5
1.简介
概 念
主要是根据混合原料 气中各组分在压力的 推动下，通过膜的相 对传递速率不同而实 现分离。
普里森（Prism） 中空纤维膜氮 氢分离器问世。 Heins 发明了 阻力复合膜。
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 8 发简单方便且普遍适用的制备无缺陷超薄膜（ 5 10 m） 的方法；开发具有高性能同时又易形成无缺陷超薄皮层的 O2／N2分离膜材料；耐高温的有机和无机膜的开发等等。 我国的气体膜分离研究始于20 世纪80 年代初，与国外 差距相对不大，某些方面还具有国际先进水平。但也应看到， 我国气体分离膜产品单一，产业规模小，应用还没有全面展 开。故我国今后要尽快建立无机膜示范工程及技术中心，对 国际上新兴的研究课题，如膜催化、膜反应器等新膜过程， 以及集成过程、杂化膜过程要加大开发力度。争取产生自主 创新技术，跻身国际先进水平。
经济性分析比较 A/GTechnology对同一种浓度的氮气产品(95%),用膜法与PSA 法进行分析比较,比较结果见下表：
从表2可以看出,2种方法制备富氮的费用大致相等,但就基 本投资项而言膜法比PSA法少25%;此外,采用膜法移动部分 较少,预处理部分相对简单,启动快,不需要冷却水,这是PSA 法无法比拟的.
5.2 富氧富氮 5.2.1 膜法富氧 膜法富氧中透过气为富氧空气，尾气为富氮 空气，富氮空气的压力与原料气体的压力相近， 而富氧空气的压力要比原料气的压力低得多。原 料为空气，组成恒定，对膜无污染。典型的富氧 膜材料为硅橡胶，氧氮的分离系数α =2.0。大多 数的富氧材料的α =2~3，其富氧浓度为28%～40%。 主要用于医疗呼吸和助燃。
（5）富氧的经济性分析 A/G Technology公司生产的富氧装置，产品浓 度为：35%，产量为：10吨/d。该公司还采用PSA法 生产富氧空气，二者的经济性比较如下表：
5.2.2 膜法富氮 (1)工艺流程 膜分离法制高纯氮的一般工艺流程(以天津Messer公 司产品为例)见图2. 空气经空压机加压后,再经过两级油水分离器,两级 颗粒过滤器以及碳过滤器和加热器,使得原来含尘、含油、 含水分高的空气,变成含油、含尘、含水低的干净的压缩 空气,干净的压缩空气再在膜组的作用下,实现氧氮分离. 该流程的主要特点为:
2 2
（2）膜分离法制氮的工艺流程 膜分离法制氮的一般工艺流程(以天津Messer公司产品 为例)。见下图：
（3）分析 空气经空压机加压后,再经过两级油水分离器、两级颗 粒过滤器以及炭过滤器和加热器,使得原来含尘、含油、含 水分高的空气,变成含油、含尘、含水低的干净的压缩空气, 干净的压缩空气再在膜组件的作用下,实现氧、氮分离。该 流程的主要特点为: 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%。
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 为280Barrer,而氧气的渗透 系数QO 2 为600Barrer,选择性因子为 QO 2 /QN = 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。
速率分离
发 展 历 程
成为现代成熟 的化工分离单 元。
20世纪70年代末
80年代
目前
2.原理
根据气体通过膜的分离机理不同其原理主要有以下两种：
溶解扩散机理Biblioteka 吸着扩散解吸机 理
微孔扩散机理
1、分子扩散 2、粘性流动机制
3、（努森）Knudsen 扩散
4、表面扩散机制
2.1.1粘性流机制：
微孔直径
一个分子与其它分 子相继两次碰撞之 间，经过的直线路 程。
当dp >> 时,气体分子与孔壁之间的碰撞几率远远小于分子 之间的碰撞,此时气体通过微孔的传递过程属于粘性流机制,又 称为Poiseuille流。 当 dp ≈ 时,以上两种流动并存,属于平滑流机制。
2.1.2 表面扩散流机制 气体分子与膜表 面发生相互作用,即 吸附于表面并沿表 面运动(扩散),扩方 向为表面浓度递减 的方向。
2.2 溶解-扩散模型 气体通过致密膜（均值膜）的传递过程一般可通过溶解扩 散机理来描述。气体透过膜的过程如下： 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 式表示，即 c=Hp 气体在膜内的扩散可以用Fick定律描述: 如果膜两侧温度相等，则有 J=(p1–p2)·Q /δ 式中： p1 ,p2 —— 分别为膜的高压侧和低压侧气体的压力; J —— 气体的渗透速率 δ —— 为膜的厚度; Q —— 气体组分通过膜的渗透率，它是气体组分 扩散系数与Henry系数的乘积。 当膜低压侧的压力比高压侧小得多是，即p2/p1=0，则 Q1 得 ai , j Q2 即两组分的分离因子等于两组分在膜中的渗透率之比 。
5.实例
5.1 合成氨工业 （1）氧、氮的动力学直径 由于气体分离的基本原理是由渗透系数Q决定的,而 渗透系数Q又是溶解度S和扩散系数D的乘积,而溶解度S与 扩散系数D均与分子的动力学直径有关,因此,氧、氮的动 力学直径影响着氧、氮的分离。 1)溶解度S主要取决于冷凝的难易程度,一般而言,大 分子更容易冷凝。由于氮的动力学直径为0.364nm,氧的 动力学直径为0.346nm,因此,氮分子在聚合物中的溶解度 比氧分子要大。 2)扩散系数D主要取决于两个因素:气体渗透物分子 的大小及聚合物的种类。分子越小,气体扩散系数越高, 尽管氧的分子量比氮大,但氧分子的体积比氮小,从扩散 系数来看,氧的渗透性比氮高。事实上,根据stocks定律, 扩散系数:
（5）小结：
气体膜分离制氮技术是一项高效且非常经 济的技术,是20世纪90年代关键分离技术之一, 深受人们的重视,也得到了一定程度的发展。 但应该指出,空气中氧、氮分离膜的分离性能 远末达到极限,膜过程与其他过程的藕合集成 工艺也未得到充分发展,因此,这就需要我们组 织跨学科、跨行业的科技人员进行合作,使我 国的气体膜分离技术得到更加长远和迅猛的发 展。
（4）膜分离法制氮与PSA法经济性比较 A/GTechnology对制取同一种浓度的氮气产(95%), 用膜法与用PSA法进行了分析比较,比较结果见下表。
从上表可以看出,两种方法制备富氮的费用大致相等, 但基本投资项膜法比PSA法（变压吸附法）少25%。此外, 膜法相对来说移动部分较少,预处理部分相对简单,启动 快,不需要冷却水,这是PSA法所无法比拟的。 此外，气体膜技术还可从合成氨弛放气分离回收 H 2 。 膜分离回收氢气,是当前应用面广,装置销售量最大的一种。 广泛用于合成氨厂、炼油工业和石油化工。用这方法回 收尾气中的氢气,循环于系统中,方法有效又安全,提高系 统的生产能力,最早用于合成氨驰放气中氢气的回收。我 国中型氨厂的合成系统弛放气,长期以来均作为燃料烧掉。 这部份气量相当于合成新鲜气的5一7%,如将其有效成分 回收利用,则对降低合成氨能耗、提高氨产量,增加工厂 的效益具有重要意义。采用膜分离装置回收其中有效成 份后可使氨增产3一5%,每吨氨能耗降低1.8一3%。。