第九章 气体分离(GS)1
第九章气体分离膜
5. 从天然气中分离 He 6. 从烟道气中分离 SO 2 7. 从煤气中分离 H 2S或CO 2
4. 天然气脱湿 天然气的主要成分是甲烷，开采的井口天然气通常含有浓 度较高的水蒸汽。在高压低温下，天然气中的烃类和二氧化 碳可与水生成固体水合物，在天然气的输送中固体水合物容 易堵塞管道和阀门；此外，在水或水蒸汽存在下，天然气中 含有的硫化氢和二氧化碳等酸性气体还会对输送管道产生严 重腐蚀。 因此，在天然气输送之前，必须进行脱湿。 1998年，大连化物所用其研制的膜分离器在陕西长庆气 年 田进行了膜法天然气脱湿的工业试验，处理含CH4CH4等烃类 等烃类 94%、CO2 5.9%、H2S 0.04%、H2O饱和的天然气；经数 、 、 、 百小时连续运行试验表明，产品天然气露点(4.6MPa 压力下 ) (4.6MPa压力下 压力下) 为-13～-8-8℃，甲烷回收率 -13～ ℃ 甲烷回收率≥9898％。 ％。
二、气体分离膜的应用
• 1. 从合成氨尾气中回收氢 氢的回收率为95%--98.5% 可使合成氨产量增加5% 。 • 2. 富氧气的制造 利用富氧膜对氧和氮的渗透性的不同，富集氧气。 如：二甲基硅氧烷-碳酸酯共聚物分离系数 aij= 2.3 可得到 35%的富氧 • 3. 水果保鲜 收获后的水果仍有呼吸作用，吸入氧气，释放CO2。使果 品逐渐劣化以至腐烂。降低环境的氧气含量，提高CO2浓度 是水果保鲜的有效方法。 • 采用聚二甲基硅氧烷膜，使氧气和CO2 进行交换，以使 保鲜桶周围的空气组成为： O2=3% CO2=5% N2=92% 达到保鲜效果
第九章 气体膜分离
一、概述 气体膜分离过程是一种以压力差为驱动 力的分离过程。在膜两侧混合气体各组分 分压差的驱动下，不同气体分子透过膜的 速率不同，渗透速率快的气体在渗透侧富 集，而渗透速率慢的气体则在原料侧富集
第九章气体分离膜
第九章气体分离膜第一节概述气体膜分离进程是一种以压力差为驱动力的分离进程，在膜双侧混合气体各组分分压差的驱动下，不同气体分子透过膜的速度不同，渗透速度快的气体在渗透侧富集，而渗透速度慢的气体那么在原料侧富集。
气体膜分离正是利用分子的渗透速度差使不同气体在膜双侧富集实现分离的。
1831年，J.V.Mitchell系统地研究了天然橡胶的透气性，用高聚物膜进行了氢气和二氧化碳混合气的渗透实验，发觉了不同种类气体分子透过膜的速度不同的现象，第一提出了用膜实现气体分离的可能性。
1866年，T.Craham研究了橡胶膜对气体的渗透性能，并提出了此刻广为人知的溶解—扩散机理。
尽管在100连年前就发觉了利用膜实现气体分离的可能性，但由于那时的膜渗透速度很低，膜分离难以与传统的分离技术如深冷分离法、吸附分离法等竞争，未能引发产业界的足够重视。
从20世纪50年代起，科研工作者开始进行气体分离膜的应用研究。
1950年S.Weller和W.A.Steier用乙基纤维素平板膜进行空气分离，取得氧浓度为32%~36%的富氧空气。
1954年 D.W.Bubaker和K.Kammermeyer发觉硅橡胶膜对气体的渗透速度比乙基纤维素大500倍，具有优越的渗透性。
1965年S.A.Stern等为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的实验，并进行了工业规模的设计，采纳三级膜分离从天然气中浓缩氦气。
同年美国Du Pont公司初创了中空纤维膜及其分离装置并申请了从混合气体中分离氢气、氦气的专利。
气体膜分离技术的真正冲破是在70年代末，1979年美国的Monsanto公司研制出“Prism”气体膜分离裝置，“Prism”μm左右，远比均质膜薄，因此其渗透速度大大提高；硅橡胶涂层起到修补底膜皮层上的孔缺点的作用，以保证气体分离膜的高选择性。
“Prism”气体膜分离裝置自1980年商业应用以来，至今已有上百套装置在运行，用于合成氨弛放气中氢回收和石油炼厂气中氢回收。
第9章 气体的低温分离
第一节 气体的组成及气液相平衡
二、空气的二元系气液平衡
1．气液平衡及氧、氩、氮饱和压力和饱和温度的 关系 2．氧－氮二元系的气液平衡压力、温度及比焓与 成分的关系
第一节 气体的组成及气液相平衡
1．气液平衡及氧、氩、氮饱和压力和饱和温度的关系 在气液平衡条件下，各相的状态参数保持不变，它们
的温度、压力都分别相等，这时的温度称饱和温度，压力 称饱和蒸气压力。纯物质在一定的压力下对应着惟一的饱 和温度，或在一定的温度下对应有惟一的饱和压力。图9－ 1示出氧、氩、氮纯物质在气液平衡时，饱和压力与饱和温 度之间的关系。
1)气相中氧的摩尔分数为30%～40%时，相平衡的气 液摩尔分数差最大，增加或减少气相中的含氧量时，气液 的摩尔分数差都减小。这表明，当气相(或液相)中的含氧 (或含氮)量愈少时愈难分离。
2)压力越低，液相线与气相线的间距越大，即气液相 间的摩尔分数差越大。这说明，在低压下分离空气比在高 压下分离容易。
气田气和油田气可以分离出各种纯组分甲烷、乙烷等， 分别作为生产甲醇、乙烯及其他石油化工产品的原料，也 可以从中分离出轻汽油及液化石油气等馏分，分别用作动 力燃料及民用燃料。有些地区的天然气中氦含量较高，用 以提氦比较经济。
第一节 气体的组成及气液相平衡
4．其他多组分气体混合物 (1)焦炉气
焦炉气是炼焦工业的副产品，以氢的含量为最高，其 次是甲烷气，因此利用焦炉气进行分离制取氢气是目前重 要的制氢来源之一。氢气常用作生产合成氨的原料，焦炉 气的平均组成如表9－2所示。
如图9－2所示，图中每组曲线都是在等压下作出的， 纵坐标表示温度，横坐标表示氧的摩尔分数(x及y)，对应
第一节 气体的组成及气液相平衡
图 9 － 2 氧 － 氮 气 液 平 衡 的 － － 图
气体分离GS
化学与材料工程系
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。
Department of Chemistry and Material and Engineering
——聚碳酸酯（PC）
/huaxuexi
化学与材料工程系
无机材料
① 金属及其合金膜
② 陶瓷膜 ③ 分子筛膜 有机~无机集成材料 ① 分子筛填充有机高分子膜 ② 聚合物热裂解法
2019/1/12
/huaxuexi
Department of Chemistry and Material and Engineering
化学与材料工程系
1
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 了许多公司，如DowChemical、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。
初中化学气体分离教案
初中化学气体分离教案教学目标：1、了解气体分离的原理和方法；2、掌握常见的气体分离技术；3、理解气体分离在生产和生活中的应用。
教学重点：1、气体分离的原理和方法；2、常见的气体分离技术。
教学难点：1、理解气体分离技术的原理；2、掌握气体分离技术的应用。
教学过程：一、导入（10分钟）介绍气体分离的概念和重要性，并通过视频、图片或实验展示不同气体分离技术的原理和效果，引发学生的兴趣和好奇心。
二、知识讲解（20分钟）1、气体分离的原理和方法：介绍气体分离的原理，包括密度差异、沸点差异、吸附作用等方法。
2、常见的气体分离技术：介绍常见的气体分离技术，如分馏、凝固、吸附等方法，以及它们的优缺点和应用领域。
三、实验探究（30分钟）进行气体分离实验，让学生亲自操作，观察实验结果，体会不同气体分离技术的原理和效果，加深对气体分离的理解。
四、讨论总结（10分钟）让学生就所学知识展开讨论，总结气体分离技术的应用和意义，并提出自己的见解和建议。
五、作业布置（5分钟）布置相关作业，鼓励学生深入学习气体分离技术，拓展自己的知识领域。
六、课堂小结（5分钟）对本节课的重点内容进行总结和回顾，强化学生对气体分离技术的理解和掌握。
教学反思：通过本节课的学习，学生能够了解气体分离的原理和方法，掌握常见的气体分离技术，理解气体分离在生产和生活中的应用。
同时，学生通过实验探究和讨论总结，提高了自主学习和问题解决能力，培养了批判性思维和创新意识。
希望通过这样的教学方式，能够激发学生对化学的兴趣和热情，使他们能够更好地掌握知识，提高学习效果。
气体分离的原理
气体分离的原理概述气体分离是一种将混合气体中的组分分离出来的过程，它在许多领域都有重要的应用，如天然气处理、空分、化工生产等。
本文将介绍气体分离的原理以及常见的分离方法。
分离原理气体分离的原理基于物理和化学各自的特性，如气体分子的大小、形状、极性等。
常见的气体分离原理包括渗透、吸附、膜分离、化学反应等。
1. 渗透分离渗透分离是利用不同气体分子的渗透速率差异来实现分离的方法。
在一个渗透膜中，较小分子的渗透速率比较大，因此可以通过加压或降压的方式将较小分子从混合气体中分离出来。
2. 吸附分离吸附分离是利用吸附剂对气体分子的吸附选择性来实现分离的方法。
吸附剂可以是固体、液体或者半固体，通过调节吸附剂的性质和操作条件，使得目标气体能够被吸附，而其他气体则被排除。
3. 膜分离膜分离是指利用半透膜对气体分子的选择性渗透来实现分离的方法。
半透膜可以是有机膜、无机膜或者聚合物膜，通过控制温度、压力和成膜材料的选择，可以将目标气体从混合气体中分离出来。
4. 化学反应化学反应分离是指利用气体分子的化学反应性质来实现分离的方法。
通过选取适当的反应物和反应条件，使得目标气体能够在反应中转化成其他物质，从而实现分离。
分离方法气体分离可以通过多种方法进行，下面将详细介绍几种常见的分离方法。
1. 常压吸附分离常压吸附分离是指在常压下通过吸附剂将目标气体分离出来的方法。
常见的吸附剂有活性炭、沸石等，可以通过调节温度和吸附时间来实现对目标气体的选择性吸附。
2. 压力吸附分离压力吸附分离是指在一定压力下通过吸附剂将目标气体分离出来的方法。
通过调节压力和温度，可以控制吸附剂对不同气体分子的吸附选择性，从而实现分离。
3. 渗透分离渗透分离可以通过加压或者降压的方式实现，其原理是根据不同气体分子的渗透速率差异将气体分离出来。
常见的渗透分离方法有压力摇摆吸附、压力变化吸附等。
4. 膜分离膜分离是通过半透膜将混合气体分离成纯净气体和残余气体的方法。
初中物理气体分离教案
初中物理气体分离教案教学目标：1. 了解气体的分离方法和原理；2. 掌握气体分离实验的基本操作技能；3. 能够运用气体分离知识解释实际问题。
教学内容：1. 气体的分离方法：吸附法、洗气法、液化法、膜分离法；2. 气体分离实验：实验室制取气体，气体的收集和净化；3. 气体分离的应用：空气分离、工业制氧、污水处理等。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 引导学生思考：我们周围充满了气体，如何将这些气体分离出来呢？2. 学生分享已知的气体分离方法，教师总结并板书。
二、气体分离方法介绍（10分钟）1. 吸附法：利用吸附剂对气体分子的选择性吸附，将气体分离出来。
例如，活性炭吸附色素和异味。
2. 洗气法：利用溶液对气体分子的溶解度不同，将气体分离出来。
例如，氢氧化钠溶液洗气去除二氧化碳。
3. 液化法：将气体冷却至其临界温度以下，使其液化，然后通过蒸发将气体分离出来。
例如，空气分离制氧。
4. 膜分离法：利用膜对气体分子的选择性透过，将气体分离出来。
例如，渗透膜分离水中的气体。
三、气体分离实验（15分钟）1. 实验室制取气体：以制取氧气为例，讲解实验室制取氧气的原理和操作步骤。
2. 气体的收集和净化：介绍气体的收集方法（排水法、向上排空气法等）和净化方法（洗气法、吸附法等）。
四、气体分离的应用（10分钟）1. 空气分离：介绍空气分离制氧的原理和操作步骤。
2. 工业制氧：讲解工业制氧的原理和应用。
3. 污水处理：介绍气体分离在污水处理中的应用，如去除污水中的有害气体。
五、课堂小结（5分钟）1. 学生总结本节课所学的气体分离方法和原理。
2. 教师强调气体分离在实际生活中的重要性。
六、作业布置（5分钟）1. 完成气体分离实验报告；2. 调查生活中常见的气体分离现象，并简要解释其原理。
教学反思：本节课通过讲解和实验，让学生了解了气体分离的方法和原理，掌握了气体分离实验的基本操作技能。
通过生活中的实际例子，让学生认识到气体分离在实际生活中的重要性。
初中化学气体分离教案
初中化学气体分离教案教学目标：1. 了解气体的基本性质和常见气体的特点；2. 掌握气体分离的方法和技巧；3. 能够运用气体分离的方法解决实际问题。
教学重点：1. 气体分离的方法和技巧；2. 运用气体分离的方法解决实际问题。
教学难点：1. 气体分离的方法和技巧的掌握；2. 运用气体分离的方法解决实际问题的能力。
教学准备：1. 实验室用具：气瓶、导管、水槽、气球等；2. 气体分离的实验材料：活性炭、澄清石灰水、铁粉等。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 引导学生思考：我们日常生活中经常接触到气体，如何分离气体呢？2. 学生分享已知的气体分离方法，如呼吸作用、蒸馏等。
二、气体分离的方法和技巧（15分钟）1. 介绍活性炭的吸附作用：活性炭具有吸附气体分子的能力，可以用来分离混合气体中的特定气体。
2. 实验演示：将活性炭放入气瓶中，导入混合气体，观察活性炭对气体的吸附效果。
3. 介绍澄清石灰水的吸收作用：澄清石灰水可以吸收二氧化碳气体，常用于检验二氧化碳的存在。
4. 实验演示：将澄清石灰水倒入气瓶中，导入二氧化碳气体，观察澄清石灰水的变化。
5. 介绍铁粉的还原作用：铁粉可以还原氧化铁气体，常用于检验一氧化碳的存在。
6. 实验演示：将铁粉放入气瓶中，导入一氧化碳气体，观察铁粉的变化。
三、运用气体分离的方法解决实际问题（15分钟）1. 提出问题：如何分离氧气和二氧化碳气体？2. 引导学生思考并讨论：根据氧气和二氧化碳的性质，选择合适的分离方法。
3. 实验演示：将混合气体导入水槽中，通过溶解度的差异分离氧气和二氧化碳气体。
4. 提出问题：如何分离氢气和一氧化碳气体？5. 引导学生思考并讨论：根据氢气和一氧化碳的性质，选择合适的分离方法。
6. 实验演示：将混合气体导入气球中，通过燃烧反应分离氢气和一氧化碳气体。
四、总结与反思（10分钟）1. 回顾本节课学习的气体分离方法和技巧；2. 学生分享自己的学习体会和收获；3. 教师进行点评和总结。
气体分离的工作原理
气体分离的工作原理气体分离是指通过物理或化学方法将混合气体中的不同成分进行分离和提纯的过程。
不同的气体分离方法适用于不同的气体成分和应用场景。
本文将介绍几种常见的气体分离工作原理。
一、膜分离法膜分离法是一种基于气体分子大小差异的分离技术。
通过选择性渗透膜，将混合气体分子按照其大小进行分离。
常见的膜分离方法包括气体渗透膜、纳米孔隙膜和选择性溶剂吸附膜等。
在气体渗透膜中，较小分子将更容易通过膜，从而实现气体的分离。
二、吸附分离法吸附分离法是利用吸附材料对气体成分的选择性吸附特性进行分离。
吸附剂通常是由多孔性材料制成，表面具有高比表面积和可调控的吸附能力。
气体在经过吸附剂时，不同成分的吸附量不同，从而实现气体分离。
吸附分离常用于空气分离、氢气提纯和甲烷脱附等领域。
三、蒸馏分离法蒸馏分离法是一种利用气体成分的沸点差异进行分离的方法。
混合气体通过升温，使不同成分的沸点达到蒸发温度，然后在冷凝器中冷却，分离出不同沸点的气体。
蒸馏分离广泛应用于石油化工和化学工程领域。
四、催化分解法催化分解法利用催化剂对气体分子进行化学反应，将混合气体中的某一成分转化为其他物质，达到分离的目的。
常见的催化分解过程包括氧化、还原和裂解等。
催化分解法在氢气制备、氨合成和一氧化碳转换等反应中得到广泛应用。
五、气体凝聚法气体凝聚法是利用不同气体的凝聚点差异进行分离的方法。
通过调节温度和压力条件，使其中某一成分达到液态或固态状态，然后采取相应的分离操作，如冷凝、冷冻或吸附等。
气体凝聚法常用于甲烷液化、气体提纯和液空分离等过程。
综上所述，气体分离的工作原理包括膜分离法、吸附分离法、蒸馏分离法、催化分解法和气体凝聚法等。
这些方法根据不同气体成分的特性和需求场景的不同而选择。
通过合理应用这些气体分离技术，可以实现高效、经济和环保的气体分离过程。
分离技术概论气体分离69页PPT
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
分离技术概论气体分离
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
Thank you
气体分离常用方法简介
吸附法一般原理图
二、变压吸附
一些具有代表性的工业过程中的绝大多数都采用了 变压吸附(PSA)循环。
在实际操作中，吸附剂再生后总会残留一部分吸附组分 qR，再次进行吸附时吸附容量会降低。如图7.10.
经多次再生后吸附剂的吸附性能要衰退，衰退后的吸附容
量与最初吸附容量之比叫变劣率，以B表示。一般B=0.7。
q 因此吸附剂的有效平衡吸附容量：
Q0静态吸附容量
e
q0 (1 B) qR
吸附过程的计算
气体分离的其他方法
吸附法、吸收法、膜分离法
吸附法
气体混合物的吸附分离是依靠固体吸附剂对各 组分吸附能力的差异而进行的。吸附分离在低 温技术中通常是用来除去气体中的微量杂质， 以提高气体的纯度。
一、吸附过程的基本原理 当气体与固体接触时，在固体表面或内部将会发
生容纳气体的现象，称为固体对气体的吸附。 已被吸附的原子或分子返回到气相或液相中就 称为解吸或脱附。
Lu
L0
Ls
wM ( s
b )
s b s
L0
对于由原料气所饱和的吸附平衡区作物料衡算时
这可以求出传质区移动的速度 G( ye y0 ) b Ls b (xe x0 )
wM
Ls
b
G
b
y x
G-质量速度；b 吸附剂堆密度
固定床吸附剂的再生
吸附剂的再生涉及到能量的消耗、产品的纯度和回收率等方面的问题 。主要有两种形式一）升温脱附；二）降压脱附。
气体分离实验报告
一、实验目的1. 掌握气体分离的原理和方法；2. 熟悉实验仪器的使用；3. 培养实验操作技能和观察分析能力；4. 了解不同气体的性质和分离方法。
二、实验原理气体分离是指将混合气体中的不同组分通过物理或化学方法分离出来。
本实验采用低温分馏法，根据不同气体沸点的差异进行分离。
三、实验仪器与药品1. 实验仪器：低温分馏装置、温度计、冷凝管、接收瓶、加热装置、流量计等；2. 实验药品：混合气体（如甲烷、乙烷、丙烷等）、冷凝剂（如液氮、液氧等）。
四、实验步骤1. 检查低温分馏装置的密封性，确保实验过程中无泄漏；2. 将混合气体导入低温分馏装置，连接好冷凝管、接收瓶等；3. 使用加热装置对混合气体进行加热，观察温度计示数；4. 根据不同气体的沸点，调整加热温度，使不同组分依次蒸发；5. 通过冷凝管使蒸发出的气体冷却、液化，进入接收瓶；6. 记录不同组分的沸点、流量、收率等数据；7. 实验结束后，关闭加热装置，拆卸装置，清理实验场地。
五、实验现象与结果1. 混合气体加热后，温度逐渐升高，不同组分依次蒸发；2. 低温分馏装置中的冷凝管内出现液滴，表明气体已开始冷凝；3. 随着加热温度的升高，不同组分的流量和收率逐渐增加；4. 实验结束后，接收瓶中收集到不同组分的气体，根据沸点可区分各组分。
六、数据分析与讨论1. 通过实验，验证了低温分馏法在气体分离中的应用；2. 实验过程中，观察到不同气体的沸点差异，为后续实验提供了依据；3. 实验结果与理论值基本吻合，说明实验方法可行；4. 实验过程中，存在一些误差，如温度计读数误差、气体流量计误差等，需要进一步优化实验条件。
七、实验结论1. 低温分馏法是一种有效的气体分离方法，可应用于不同气体的分离；2. 通过实验，掌握了气体分离的原理和操作技能；3. 实验结果验证了不同气体的沸点差异，为后续实验提供了依据；4. 实验过程中，存在一定误差，需进一步优化实验条件。
八、实验反思1. 实验过程中，应严格操作，确保实验安全；2. 实验数据应准确记录，便于后续分析；3. 实验过程中，应注重实验现象的观察和分析，提高实验技能；4. 实验结束后，应及时总结经验，为今后实验提供借鉴。
第9章 ◆气体分离的原理与方法
2．提馏段
◆当原料是从塔的顶部进入时，它就成为 如图所示的提馏段。
◆如果仍假设为恒质量流速，则提馏段的 推导与精馏段相似，分析中假定原料是以饱和 液体、(而不是精馏段的饱和蒸气)状态进入塔 中。
对图中包围在点 划线内的m+1塔板以下 的塔进行易挥发组分 的物料衡算，可得
该式为提馏塔的操作线方程，其斜率为 qm,L/qm,V，与y轴的交点为-(qm,B／qm,V)xB。假设 离开再沸器的蒸气摩尔分数yB为已知，则操作 线与y-x图上对角线的交点yB=xB。
➢半渗透膜：该膜仅允许一种气体自由完全地通 过，而其他气体无法通过。
➢使用这种装置，气体混合时就可以获得输出功， 输入同样的功就可以把他们分开，因此，该过 程是个可逆过程。
◆可逆分离所消耗的功，等于等温条件下将 各组分从其在混合物中的分压压缩到混合物总 压所需的功。
◆ 图示的左边活塞是可以让气体A自由透过， 当左边活塞向右移动时，它仅仅将气体B从其分 压压缩到混合物总压；
• 第一节 气体的理想分离
将气体分离看成 理想的热力学可逆系 统：该系统用假想的 半渗透膜模型来分析 气体的可逆分离和混 合。
分析二元气体混合 物分离的理想过程如 图所示。
假设气缸中A和 B两种气体混合物处 于理想状态，内有 两个无摩擦活塞，
◆左边活塞只允许气 体A渗透，
◆右边活塞只允许气 体B渗透，要求确定 可逆分离这两种气 体所需的功。
有时对于一种给定的分离目标需要进行的是快速的初步估计这时不需要用烦琐的图解法逐板计算可以采用已开发的多组分分离计算程序包也可以利用以下介绍的计算全回流条件下最小塔板数的芬斯克公式求最小塔板数的恩德渥德法以及根据这两种方法求理论塔板的吉利兰图
第5章 气体分离的原理与方法
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Department of Chemistry and Material and Engineering
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化学与材料工程系
2. 气体分离膜材料
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）
化学与材料工程系
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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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化Hale Waihona Puke 与材料工程系溶解~扩散对流
Department of Chemistry and Material and Engineering
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化学与材料工程系
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。
Department of Chemistry and Material and Engineering
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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化学与材料工程系
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Hydrogen recovery from a hydrotreater used to lower the molecular weight of a refinery oil stream. Permea polysulfone membranes (Prism) are used
化学与材料工程系
3. 气体分离膜组件
平板式膜组件
Department of Chemistry and Material and Engineering
螺旋卷式膜组件
中空纤维式膜组件
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化学与材料工程系
Department of Chemistry and Material and Engineering
psig(pounds per square inch, gauge )磅/平方英寸(表压)
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化学与材料工程系
Single-, two- and three-step designs for nitrogen production from air
化学与材料工程系
一些高分子膜材料的气体渗透系数、扩散系数和分离系数
Gas permeabilities of gas separation polymers
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化学与材料工程系
贫氧空气
富氧空气
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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化学与材料工程系
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。
第 九 章
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1. 气体分离膜发展概述
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； 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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二 氧 化 碳 和 甲 烷 在 各 种 聚 合 物 中 的 渗 透 系 数
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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
烃/空气
水蒸气/空气
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有机蒸气脱除与回收
空气脱湿
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应用实例
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小 结
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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
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1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出“Prism”气 体分离膜装臵，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 了许多公司，如DowChemical、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。
Photograph of an Air Products and Chemicals, Inc. PRISM membrane system installed at an ammonia plant(氨厂). The modules are mounted vertically
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——聚碳酸酯（PC）
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无机材料
① 金属及其合金膜
② 陶瓷膜 ③ 分子筛膜 有机~无机集成材料 ① 分子筛填充有机高分子膜 ② 聚合物热裂解法
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6. 气体膜分离的应用领域
分离对象
氧/氮
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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
氢/烃 氢/一氧化碳
氢/氮
二氧化碳/烃 水蒸气/烃 硫化氢/烃 氦/烃
合成氨弛放气氢回收
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中空纤维膜组件
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5. 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。