第六章 气体膜分离课件.ppt

《第六章 气体膜分离课件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第六章：气体膜分离1.气体膜分离历程2.气体膜分离机理3.气体膜材料与组件4.气体膜分离的应用气体膜分离历程理论阶段1831年：氢气和混合气的渗透实验(提出膜分离的可能性)1866年：天然橡胶膜(气体扩散行为)1920年：研究气体通过膜的非稳定传递行为应用阶段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气体膜分离特点低能耗投资小设备简单与传统的吸附冷冻、冷凝分离相比，具有节能、高效、操作简单、使用

2、方便、不产生二次污染、可回收有机溶剂等优点已广泛用于空气分离富氧、浓氮、天然气的分离、合成氨中一氧化碳和氢气的比例调节，以及在石油化工等其他一些气体分离领域。气体膜分离气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，具有很大的发展前景。气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。气体分离膜的分离机理气体分离膜类型：非多孔均质膜（包括均质膜、非对称膜和复合膜）多孔膜不同膜渗透情况不同，其分离机理不同。多孔膜的透过扩

3、散机理用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。图6-3.气体分离膜孔径一般小于5~30nm,由于多孔介质孔径及内孔表面性质的差异，使得气体分子与多孔介质之间的相互作用程度有些不同，表现出不同的传递特征。多孔膜的透过扩散机理气体在膜内的传递机理Knudsen扩散流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时，有三种情况：Kn≤1属粘性流动；Kn≥1属分子流动；Kn≌1属中间流动。多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁间反复

4、碰撞，并呈独立飞行状态。Knudsen扩散当1.0≥Kn≥0.01时，黏性流流动，在这种黏性流动范围内，气体混合物不能被膜分离。当Kn≥1.0，尤其当Kn≥10时，气体分子平均自由成远大于膜孔径，此类扩散现象称为努森扩散，气体以努森扩散机理通过膜。当Kn数介于以上值之间，尤其当Kn数在1附近时扩散为过渡区扩散。已知分子扩散和努森扩散系数，则过渡区的扩散系数可近似用下式计算：Knudsen扩散气体的渗透速度q：气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根成反比。分子筛分大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分

5、离。毛细管凝集低温情况下，孔道被冷凝物组分堵塞，从而阻止了非冷凝物组分的渗透，当孔道累冷凝物组分流出孔道后又蒸发，就实现了分离。非多孔均质膜的溶解-扩散机理四步过程：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。非多孔均质膜的溶解扩散机理非多孔膜内的扩散气体在致密膜中通过溶解与扩散传递，其传递过程由3步组成：气体在膜上游表面吸着（Sorption）；吸着在膜上游表面的气体在浓度差为推动力下扩散透过膜；气体在膜下游表面的解吸或蒸发。非多

6、孔均质膜的溶解扩散机理根据这一机理，研究结论如下：气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接有关。在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成正比。气体透过量与膜的厚度l成反比。非多孔均质膜的溶解扩散机理扩散系数D和溶解度系数S与物质的扩散活化能ED和渗透活化能Ep有关，而ED和Ep又直接与分子大小和膜的性能有关。分子越小，Ep也越小，就越易扩散。这就是膜具有选择性分离作用的理论依据。高分子膜在其Tg（玻璃态转化温度）以上时，存在链段运动（当分子链中某一个单

7、键发生内旋转时，它的运动不是孤立的，它会带动与其相邻的化学键一起运动，从而在主链上形成了由若干个化学键组成的独立运动的小单元——“链段”），自由体积增大。因此，对大部分气体来说，在高分子膜的Tg前后，D和S的变化将出现明显的转折。非多孔均质膜的溶解扩散机理在实际应用中，通常不是通过加大两侧的压力差（Δp）来提高q值，而是采用增加表面积A、增加膜的渗透系数和减小膜的厚度的方法来提高q值。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、分子筛膜描述气体通过高分子膜的主

8、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。渗透系数P为了提高有机非多孔膜的气体透过量，必须增大渗透系数、压力差和膜表面积以及减小膜厚度。膜性能参数膜性能参数按气体方程可导出气体透过多孔性分离膜的分离效率为：此式说明，被分离物质的分子量相差越大，分离选择性越好。多孔膜对混合气体的分离主要决定于膜的结构，而与