气体膜分离.

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%。
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。
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 2 为280Barrer,而氧气的渗透 系数QO2为600Barrer,选择性因子为QO2/QN 2 = 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。
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
2)完备的控制系统保证氮气的纯度、流量和压力具有 高的稳定性;
3)启动迅速,操作简单,开启3min后即可供氮; 4)系统为模块设计,结构紧凑, 5)气体分离过程无噪音,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%(相对于氧 而言,即无氧含量)
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：
4.应用
气体膜分离的主要特点：过程无相变产生，能耗低， 装置规模根据处理量的要求可大可小，而且设备简单，操 作方便安全，启动快，运行可靠性高，不污染环境，投资 少，用途广。
由于拥有以上特点，目前气体膜分离已广泛应用于合 成氨工业、炼油工业和石油化工中氢的回收；富氧、富氮； 工业气体脱湿技术；有机蒸汽的净化和回收；酸性气体脱 除等。
（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。
展望：气体膜分离过程由于具有以上特点，加上膜材 料的种类日益增加并且分离性能不断改善等因素的促进， 预计会有非常广阔的应用前景。
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。
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。
发简单方便且普遍适用的制备无缺陷超薄膜（ 5108 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。
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。
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:
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:
1)由于使用TMG膜分离系统,所以没有运动部件,故障 率极低,运行可靠性高,几乎不需维修,膜组寿命长,使用 年限保证在10年以上;
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
简介
2
原理
Hale Waihona Puke 3膜材料4
应用
5
实例
1.简介
主要是根据混合原料
概 气中各组分在压力的 念 推动下，通过膜的相
对传递速率不同而实 现分离。
速率分离
发 展
普里森（Prism） 中空纤维膜氮 氢分离器问世。
历
程
20世纪70年代末
Heins 发明了 阻力复合膜。
80年代
成为现代成熟 的化工分离单 元。
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：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。
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
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。
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%。。
得
ai , j Q1
Q2
即两组分的分离因子等于两组分在膜中的渗透率之比 。
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）
（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。
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
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.