第十章气体分离膜PPT课件
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气体膜分离技术
竞争压力
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
气体膜分离技术面临着来自其他分离技术的竞争压力，如蒸馏、吸附、吸收等。为了在市 场上获得竞争优势，需要不断提高技术的性能和降低成本。
技术创新
通过技术创新不断改进气体膜分离技术的性能和降低成本是市场成功的关键。这包括研发 新型膜材料、优化膜组件的设计和操作参数，以及开发新的应用领域。
未来发展方向与趋势
新型膜材料的研发
随着材料科学的不断发展，未来 将有更多新型的膜材料涌现，为 气体膜分离技术的发展提供新的
可能性。
集成化与智能化
未来气体膜分离技术将朝着集成 化和智能化的方向发展，实现多 级分离、能量回收和自动控制等
功能。
应用领域的拓展
随着气体膜分离技术的不断改进 和成本的降低，其应用领域将进 一步拓展，包括氢气、二氧化碳 等特殊气体的分离，以及生物医
气体膜分离技术
• 气体膜分离技术概述 • 气体膜分离技术的基本原理 • 气体膜分离技术的主要工艺流程
• 气体膜分离技术的实际应用案例 • 气体膜分离技术的挑战与前景
01
气体膜分离技术概述
定义与原理
定义
气体膜分离技术是一种基于气体在压 力驱动下通过高分子膜的选择性渗透 进行混合气体分离的先进技术。
原理
利用不同气体在膜中溶解和扩散速率 的不同实现选择性分离。在压力差的 作用下，渗透速率较快的组分优先透 过膜，从而达到分离目的。
分类与特点
分类
根据膜材料和分离机理，气体膜分离 技术可分为有机膜分离和无机膜分离 两类。
特点
操作简单、能耗低、无相变、无污染、 分离效率高、可实现大规模连续生产 等。
应用领域
工业气体分离
用于从混合气体中分离出氢气 、氮气、氧气等高纯度气体， 广泛应用于石油、化工、冶金
气体分离膜
温下)比较困难;表面活性较高。
气体分离膜 (3) 有机-无机杂化材料
采用有机-无机杂化复合膜,以耐高温高分子材料为分离层, 陶瓷膜为支撑层,既发挥了高分子膜高选择性的优势,又解 决了支撑层膜材料耐高温、抗腐蚀的问题,为实现高温、腐 蚀环境下的气体分离提供了可能性
采用非对称膜时,它的表面致密层是起分离作用的活性层。 为了获得高渗透通量和分离因子,表皮层应该薄而致密。实 际上常常因为表皮层存在孔隙而使分离因子降低,为了克服 这个问题可以针对不同膜材料选用适当的试 剂进行处理。 例如用三氟化硼处理聚砜非对称中空纤维膜,可以减小膜表 面的孔隙,提高分离因子。
限制,需要综合考虑才能确定。
(2)膜的厚度 膜的致密活性层的厚度减小,渗透通量
增大。减小膜厚度的方法是采用复合膜,此种膜是在
非对称膜表面加一层超薄的致密活性层,降低可致密 活性层的厚度,使渗透通量提高。
气体分离膜
(3)温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散
系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而
扩散系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影 响更大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
气体分离膜的分离机理
多孔膜分离机理
非多孔膜的分离机理
多孔膜分离机理
多孔膜是利用不同气体通过膜孔的速率差 进行分离的，其分离性能与气体种类、膜 孔径等有关。其传递机理可分为努森扩散 ，粘性流扩散，表面扩散，分子筛分，毛 细管凝聚等。 1.努森扩散 2.黏性流扩散
自1980年来,利用聚合物致密膜分离工业气体的方法
急剧增长,广泛用于膜法提氢; 膜法富氧、富氮;有 机蒸气回收;天然气脱湿、提氢、脱二氧化碳和脱
硫化氢等。
(1)、氢气的回收
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型
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
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
气体膜分离技术应用ppt课件
Beach sand 海滩沙砾
17
微 滤 (MF) 超 滤 (UF) 纳 滤 (NF) 反 渗 透 (RO)
悬浮颗粒 大分子 糖 ,二 价 盐 ,解 离 酸 单价盐、非解离酸
水
RO,精N品F课件,UF,MF
18
膜技术的应用
分离 RO NF UF MF ED GS PV D MC LM
控制释放 药物 化肥 农药
工艺流程 复杂, 前处理要求严格 简单，前处理简单,
产品氮气需再过滤
产品氮气无需处理
设备状态
只能固定
固定, 移动式
占地面积
中等
较小
氮气产量增容 困难 精品课件
容易
61
富氮车
精品课件
62
成本估算
96%的200Nm3/h氮气： ▪ 膜组件 ▪ PLC 控制器 ▪ 空气过滤器 ▪ 加热器 至50oC ▪ 背压阀 估计总价90万元左右
Others 16%
MSF 43%
RO 41%
精品课件
28
反 超 微透 渗 滤 滤析 透
电
渗
控析
制
释
销 售 额
气放
渗体
透 汽
分 离
双化
极
促 进 传 递
闸 膜
膜 反 应 器
膜 液 膜
低增长 高增长
可用？
探索中
发展中
成熟中
衰退
精品课件
29
气体膜分离的应用
精品课件
30
在以下几个方面已经有了大规模的应用：
10～3000
压力 MPa 0.6～0.7
0.8～1.2
不宜储存氮气
可用储罐储存氮气
启动时间
第十章 渗透汽化(PV)PPT课件
目前，用PV技术提取或脱除有机物的主要应用有：1）从废 水中去除有机污染物，如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃 等；2）从酒类饮料中回收乙醇；3）从果汁、饮料中回收芳 香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。
Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem
② 通过扩散在膜内渗透； ③ 在膜的另一侧变成气相
脱附而与膜分离。
PV过程原理示意图
10
下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图
11
12
Cross-section of a composite membrane
13
5. 渗透汽化过程传递机理
1。溶解~扩散模型 ① 料液中组分吸收进入膜料液测表面； ② 组分扩散透过膜； ③ 从下游侧表面解吸进入气相。 2。孔流模型 ① 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液~气相界
8
渗透汽化适用的分离过程
① 具有一定挥发性的物质的分离(先决条件); ② 从混合液中分离出少量物质; ③ 恒沸物的分离; ④ 精馏难以分离的沸点相近物质的分离; ⑤ 与反应过程结合.
9
4. 渗透汽化(PV)的原理
其分离机理可分为3步： (溶解~扩散模型)
① 被分离的物质在膜表面 上有选择地被吸附并被 溶解；
2. 渗透汽化的分类
I. 减压渗透汽化 II. 加热渗透汽化 III. 吹扫渗透汽化 IV. 冷凝渗透汽化
3
4
Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem
② 通过扩散在膜内渗透； ③ 在膜的另一侧变成气相
脱附而与膜分离。
PV过程原理示意图
10
下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图
11
12
Cross-section of a composite membrane
13
5. 渗透汽化过程传递机理
1。溶解~扩散模型 ① 料液中组分吸收进入膜料液测表面； ② 组分扩散透过膜； ③ 从下游侧表面解吸进入气相。 2。孔流模型 ① 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液~气相界
8
渗透汽化适用的分离过程
① 具有一定挥发性的物质的分离(先决条件); ② 从混合液中分离出少量物质; ③ 恒沸物的分离; ④ 精馏难以分离的沸点相近物质的分离; ⑤ 与反应过程结合.
9
4. 渗透汽化(PV)的原理
其分离机理可分为3步： (溶解~扩散模型)
① 被分离的物质在膜表面 上有选择地被吸附并被 溶解；
2. 渗透汽化的分类
I. 减压渗透汽化 II. 加热渗透汽化 III. 吹扫渗透汽化 IV. 冷凝渗透汽化
3
4
气体膜分离技术
④ 温度 温度对气体在高分子膜中的溶解度与扩散系数均有影响,一般说来温度升高,溶解度减小,而 扩散系数增大。但比较而言,温度对扩散系数的影响更大,所以,渗透 通量随温度的升高而增大。
气体膜分离流程
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分离系数不高，原料气的浓 度低或要求产品较纯时,单级膜分离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即 将若干膜器串联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是无纺布支撑层; 中 间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性 和选择性相互制约的Trade-off 现象，即Ｒobeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气 体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题
1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出 “Prism”气体分离膜装置，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。
气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多 孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构 对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气 体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间 在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。 通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢 气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成 而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2 透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。
气体膜分离流程
气体膜分离流程可分为单级的、多级的。当过程的分离系数不高，原料气的浓 度低或要求产品较纯时,单级膜分离不能满足工艺要求,因此,采用多级膜分离,即 将若干膜器串联使用,组成级联。常用的气体膜分离级联有以下三种类型。
高分子有机膜做成的气体膜, 一般是复合膜, 分三层结构, 由不同材料制成的, 如图所示底面是无纺布支撑层; 中 间是多孔膜支撑层, 它具有不对称结构, 要求对气体渗透没有阻力; 最上层为致密膜。常规高分子膜大多存在渗透性 和选择性相互制约的Trade-off 现象，即Ｒobeson 上限。为了保证较高的气体选择性，目前工业上使用的高分子气 体分离膜普遍存在渗透性偏低的难题
1979年，美国Monsanto（孟山都公司）研制出 “Prism”气体分离膜装置，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。
气体膜分离过程的关键是膜材料，目前用于气体分离的膜种类繁多, 根据结构的差异将其分为2类:多 孔膜和高分子致密膜(也称非多孔膜)，它们可由无机膜材料和高分子膜材料组成。膜材料的类型与结构 对气体渗透有着显著影响。例如,氧在硅橡胶中的渗透要比在玻璃态的聚丙烯腈中的渗透大几百万倍。气 体分离用膜材料的选择需要同时兼顾其渗透性与选择性。
一般来说, 所有的高分子膜对一切气体都是可渗透的, 只不过不同气体渗透速度各不相同.人们正是借助它们之间 在渗透速率上的差异, 来实现对某种气体的浓缩和富集。 通常人们把渗透较快的气体叫“快气”, 因为它是优先透过膜并得到富集的渗透气, 而把渗透较慢的气体叫“慢 气”, 因为较多地滞留在原料气侧而成为渗余气。“快气” 和“慢气” 不是绝对的, 而是针对不同的气体组成 而言的, 如对O2和H2体系来说, H2是“快气”,O2是“慢气”;而对O2和N2体系来说,O2则变为“快气”,因为O2比N2 透过得快.因此, 这主要由其所在体系中的相对渗透速率来决定。
气体膜分离技术简介ppt课件
膜分别器
中心部件
原料气进入膜分别器后，中空纤维膜对氢气有较高的选择性。中空纤
维膜内侧构成富氢区气流，而外侧构成了惰性气流。前者称为浸透气， 后者称尾气。浸透气经紧缩机重返合成系统，尾气供熄灭。
❖ 膜分别系统的中心部件是一构型类似于
管壳式换热器的膜分别器，膜分别器内的中 空纤维管是一种高分子聚合物,中空纤维管对 氢气有较高的选择性，靠中空纤维膜内、外 两侧分压差为推进力，经过浸透、溶解、分 散、解吸等步骤而实现分别。数万根细小的 中空纤维丝浇铸成管束而置于承压管壳内。 混合气体进入分别器后沿纤维的一侧轴向流 动，“快气〞不时透过膜壁而在纤维的另一 侧富集，经过浸透气出口排出，而滞留气那 么从与气体入口相对的另一端非浸透气出口 排出。
❖ 气体膜分别器的概念
❖ 普通来说，一切的高分子膜对一切气体都是可 以浸透的，只不过气体浸透速度各不一样，分别器 正是借助他们之间浸透速率上的差别，来实现对某 种气体的浓缩和富集。
❖ 通常人们把浸透较快的气体叫“快气〞，由于 它们优先透过并得到富集的浸透汽，而把浸透较慢 的气体叫“慢气〞，由于他较多的滞留在原料气侧 成为渗余气。“快气〞和“慢气〞不是绝对的，而 是针对不同的气体组成而言的，假设低氧气和氢气 来说，氢气是“快气〞，氧气是“慢气〞；而对氧 气和氮气体系来说，氧气变为“快气〞，由于氧气 比氮气透过得快。因此，这主要是由其体系中的相 对浸透速度来决议的。
议膜选择性的独一要素，决议膜选择性的另 一个要素是溶
❖ 解选择性，也就是说气体分子在膜内的溶解 和分散不只受瞬变的流动通道的制约，而且 遭到它们在无孔聚合物或在超微孔网状物中 的相关吸附性的影响。通常宝两种气体的相 关溶解度的大小用相应沸点来表示，例如， 氦气和氮气的沸点分别为4K和77K，这阐明 不容易浓缩，而且和氢气相比较，它在高聚 物和超微孔介质中的吸附也比较低。膜资料 和气体之间相互作用是很微妙的，而且在许 多情况下可以忽略不计，此外，当纯气体在 玻璃态聚合物中溶解时，将会呈现两种吸附 景象。
第十章-气体分离膜
膜干燥管
17.07.2021
精选可编辑ppt
32
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
17.装07.2置021 后，每天可增产50t的氨。 精选可编辑ppt
10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。
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。
17.07.2021
精选可编辑ppt
6
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
17.07.2021
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。
17.07.2021
精选可编辑ppt
19
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
17.07.2021
精选可编辑ppt
32
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
17.装07.2置021 后，每天可增产50t的氨。 精选可编辑ppt
10.2.2 无机材料 金属及其合金膜； 陶瓷膜； 分子筛膜。
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。
17.07.2021
精选可编辑ppt
6
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
17.07.2021
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。
17.07.2021
精选可编辑ppt
19
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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21.11.2020
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
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；
21.11.2020
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。
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。
21.11.2020
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
Байду номын сангаас
渗透系数：
分离系数：
21.11.2020
扩散 选择性
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。
21.11.2020
21.11.2020
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。 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。
21.11.2020
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)。
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。
21.11.2020
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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
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；
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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。
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。
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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
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中空纤维膜组件
10.4 气体膜分离原理
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
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。
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
Байду номын сангаас
渗透系数：
分离系数：
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扩散 选择性
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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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。 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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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)。
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。
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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；
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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。
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。
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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
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中空纤维膜组件
10.4 气体膜分离原理