第十章-气体分离膜

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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
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中空纤维膜组件
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10.4 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。
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Baidu Nhomakorabea管凝聚机理等。
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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。
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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对流 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
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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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
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；
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。
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。
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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渗透系数：
分离系数：
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扩散 选择性
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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。
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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)。
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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