第九章气体分离(GS)1（课件）.ppt

第 九 章 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； 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。 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。 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） ——聚碳酸酯（PC） 无机材料 金属及其合金膜 陶瓷膜 分子筛膜 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 小 结 3. 气体分离膜组件 平板式膜组件 螺旋卷式膜组件 中空纤维式膜组件 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。 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。 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。 6. 气体膜分离的应用领域 应用实例 水果保鲜系统 一般说来，水果要收获以后仍会继续生长。它们一方面吸入氧气，一方面释放二氧化碳。由于这种呼吸作用，果品将逐渐劣化以至变质，采取的主要措施是将果品进行冷藏保管，目的是抑制果品的呼吸以达到保鲜目的。不过这种方法仍不十分理想，效果有限。更好的办法是适当降低果品保藏器中的氧气浓度，增加二氧化碳，即保持适宜的气氛，从而达到保鲜的目的。 气体分离膜应用小结 氢气的分离回收 从合成氨弛（施）放气中回收氢 从石油炼厂尾气中回收氢 合成气（H2/CO）比例调节 膜法富氧（助燃） 膜法富氮 在天然气工业中的应用 天然气中酸性气体的脱除 天然气脱湿、氦气提取 有机废气的脱除 气体除湿 Photograph of a membrane unit used to recover nitrogen and propylene from a polypropylene plant vent gas（排出气体） On-site industrial nitrogen generator 在线工业产氮机 Mobile nitrogen generator 可移动产氮膜装置 合成甲醇过程弛放气中氢的回收系统 压缩空气 （Cactus?）膜干燥管 利用Prism膜组件从合成氨弛放气中回收氢工艺示图 Prism膜组件构造是将中空丝多孔质支撑体的外表面以硅橡胶包覆(或涂敷)而得。 氢的回收率通常都在95%以上，一个日产1000t的合成氨厂采用膜分离装置后，每天可增产50t的氨。 利用透氢膜从炼油厂的燃料气中分离氢气 露点 某精炼厂脱丙烷塔的丙烯 / 丙烷分离系统 外界气氛 / % O2