气体分离膜讲解
气体膜分离解读
（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。 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%。。
以上讨论是限于纯气体(单一气体)的传递 过程,对于混合气体为获得良好的分离效果, 要求混合气体通过多孔膜应以努森扩散为 主,基于此,分离过程应尽可能满足以下条 件： ① 多孔膜的微孔孔径必须小于混合气体 中各组分的平均自由行程 ② 混合气体的温度足够高,压力应尽可能 低,高温低压可以提高分子的 值
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） 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。
气体膜分离技术
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
第六章气体膜分离ppt课件
严格执行突发事件上报制度、校外活 动报批 制度等 相关规 章制度 。做到 及时发 现、制 止、汇 报并处 理各类 违纪行 为或突 发事件 。
非多孔均质膜的溶解扩散机理
Knudsen扩散
❖ 气体的渗透速度q：
q43r2RM T1/2pL1R Tp2
气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根 成反比。
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分子筛分
❖ 大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分 离。
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
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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
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描述气体通过高分子膜的主要参数
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。
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气体分离膜品类
气体分离膜品类1. 介绍气体分离膜是一种用于分离混合气体中不同组分的薄膜材料。
它通过选择性渗透性能，将混合气体中的组分分离出来，实现纯化和浓缩的目的。
气体分离膜广泛应用于气体分离、气体纯化、气体回收等领域，具有高效、节能、环保等优点。
2. 气体分离膜的原理气体分离膜的分离原理基于气体分子的渗透和扩散。
气体分子在薄膜材料中通过渗透和扩散的方式，根据其分子大小、极性、溶解度等特性，以不同的速率通过膜层，从而实现气体的分离。
常见的气体分离膜包括聚合物膜、无机膜和复合膜等。
聚合物膜通常由聚合物材料制成，具有良好的选择性和渗透性能；无机膜由无机材料制成，具有较高的稳定性和耐腐蚀性能；复合膜则是将聚合物膜和无机膜等不同材料组合而成，综合了各自的优点。
3. 气体分离膜的应用领域气体分离膜广泛应用于各个领域，包括能源、化工、环保、医药等。
3.1 能源领域在能源领域，气体分离膜被用于天然气处理、氢气纯化、煤气脱硫等。
例如，在天然气处理中，气体分离膜可将天然气中的甲烷、乙烷等组分分离出来，提高天然气的纯度和质量。
3.2 化工领域在化工领域，气体分离膜可以用于气体分离、溶剂回收、废气处理等。
例如，在溶剂回收中，气体分离膜可以将有机溶剂与废气中的气体分离，实现溶剂的回收利用，减少环境污染。
3.3 环保领域在环保领域，气体分离膜可以用于废气处理、二氧化碳捕集等。
例如，在二氧化碳捕集中，气体分离膜可以将二氧化碳与其他气体分离，实现二氧化碳的回收和利用，减少温室气体的排放。
3.4 医药领域在医药领域，气体分离膜可以用于气体纯化、药品生产等。
例如，在氧气纯化中，气体分离膜可以将氧气与其他气体分离，提高氧气的纯度和质量，用于医疗设备和治疗。
4. 气体分离膜的发展趋势随着科技的不断进步和应用需求的增加，气体分离膜也在不断发展和创新。
以下是气体分离膜的发展趋势：4.1 提高分离性能气体分离膜的分离性能是衡量其性能优劣的重要指标。
未来的发展趋势是提高膜材料的选择性和渗透性能，实现更高效的气体分离和纯化。
气体膜分离
(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; (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
四、制氮工艺流程
膜分离法制高纯氮的一般工艺流程(以天津 Messer公司产品为例)见图2。 空气经空压机加压后，再经过两级油水分离 器，两级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：
2)进一步优化气体膜组件、膜装臵、膜过程 3)气体膜分离装臵向控制自动化程度高的方向发 展.目前已能对气体的浓度、温度、压力、露点 等进行自动控制，甚至可以全面实现与计算机 接口.全部操作可在电脑上进行 4)开发简单方便、普遍适用的制备中空纤维超薄 皮层(<5*10—8m)的方法 5)进一步优化气体膜制备生产工艺，以降低膜的 生产成本
气体分离膜技术手册
气体分离膜技术手册气体分离膜技术手册1、引言1.1 背景1.2 目的1.3 适用范围2、气体分离膜技术概述2.1 气体分离膜原理2.2 分离膜的分类2.3 气体分离膜的优势2.4 气体分离膜的应用领域3、气体分离膜材料3.1 聚合物膜3.2 陶瓷膜3.3 碳基膜3.4 声波膜3.5 混合膜4、气体分离膜的性能评估4.1 通透性4.2 选择性4.3 稳定性4.4 实际运行性能5、气体分离膜模块5.1 膜模块的结构5.2 膜模块的选型5.3 膜模块的维护与管理6、气体分离膜系统设计与优化 6.1 系统设计原则6.2 膜元件布置6.3 气体进出口管道设计6.4 辅助设备选择7、气体分离膜的实践应用案例 7.1 氢气分离7.2 二氧化碳分离7.3 甲烷气分离7.4 氧气浓缩8、安全与环境考虑8.1 气体泄漏处理8.2 废气处理8.3 确保操作人员的安全9、附录9.1 相关表格9.2 相关图表9.3 参考文献本文档涉及附件：附件1、分离膜材料性能对比表附件2、气体分离膜系统设计流程图附件3、气体分离膜实践应用案例数据本文所涉及的法律名词及注释：1：常规法律名词及解释- 气体分离膜：通过分子尺度的选择通透性，将混合气体分离的一种薄膜类技术。
- 通透性：膜材料对特定气体的透过率与压力差的比值。
- 选择性：膜材料对混合气体中不同组分的分离程度。
- 系统设计原则：在满足气体分离要求的前提下，合理选择膜材料和系统配置。
2：相关法律名词及解释- 环境保护法：保护环境、预防和控制污染，维护生态安全，保障人民健康的法律。
- 安全生产法：保障企事业单位安全生产、防止和减少事故、减轻事故灾害损失的法律。
气体分离膜的制备及性能研究
气体分离膜的制备及性能研究一、前言近年来，气体资源的稀缺性越来越引人关注。
气体分离技术在工业、环保、能源等领域具有广泛应用。
其中，气体分离膜作为一种新型分离技术，因其具有操作简单、体积小、节能降耗等优点，被广泛关注和应用。
本文将介绍气体分离膜的制备及性能研究，以期为工程师和科研人员提供参考。
二、气体分离膜的种类气体分离膜目前主要分为两类，即有机膜和无机膜。
有机膜：有机膜是一种聚合物膜，基于不同材料的不同选择，可以制成高分子膜。
其中较常用的材料有聚丙烯、聚二甲基硅氧烷等。
有机膜具有生物可降解和成本低的优点。
但其分离性和流量较低，不适合用于高端工业。
无机膜：无机膜又称为无机陶瓷膜，是以氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、硅氧化合物（SiO2）等为主要原料的陶瓷材料制成。
无机膜具有稳定性高，易于清洗和耐腐蚀等优点，成本较高。
三、气体分离膜的制备目前，气体分离膜的制备方法主要包括化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、浸涂法、电泳沉积法、物理气相沉积法等。
本文将着重介绍物理气相沉积法和溶胶-凝胶法的制备工艺。
物理气相沉积法：该法需要使用专门的物理气相沉积设备，将膜材料用高压电子束蒸发形成蒸气，再将蒸气通过特定的管道传输到基板上，最后通过表面的凝结和固化过程形成薄膜。
该方法制备的气体分离膜具有厚度均匀、粒度细、结晶度高等特点，但设备价值较高，生产成本也高。
溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将交联剂和溶剂混合，再将光敏剂加入到混合液中形成溶胶胶体，然后将胶体薄层沉积到基板上，最后交联胶体成膜。
该方法制备的气体分离膜具有膜厚度可调、制备过程简单、成本低等优点。
但其缺点是薄膜粘附性差、绘制线宽度受到限制等。
四、气体分离膜性能研究气体分离膜的性能研究主要包括分离性、通量、选择性等方面。
分离性：指在同样外部操作条件下，膜的分离效果。
通常可以通过气体通量和选择性分离系数等指标来评价分离性能。
在制备气体分离膜时，要通过控制膜厚度、制备温度和气体流量等参数来优化气体分离性能。
气体分离膜讲解
对流 努森扩散
溶解~扩散
筛分 （表面扩散）
气体透过多孔膜和无孔膜的机理
气体渗透系数： 气体分离系数：
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α 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。
溶解 一扩散 机 理
气体通过非多孔膜的传递过程一般用溶解 一扩散机 理来解释 ，气体透过膜的过程可分为三步 ：(1)气 体在膜的上游侧表面吸附溶解 ，是吸附过程 ；(2) 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下 扩散透过膜 ，是扩散过 程 ；(3)膜下游侧表面的气 体解吸 ，是解吸过程。 一 般来说 ，气体在膜表面 的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡 ，而气体 在膜内的渗透扩散过程较慢 ，是气体透过膜的速 率控制步骤 。
对于脂族聚酰亚胺, R′= ( CH 2 ) m , 对于芳族聚酰亚胺, R′= Ar .
80 年代中期, 日本宇部兴产公司开发了联苯 型共聚酰亚胺气体膜分离器, 已成功地用于氢 回收、气体除湿和乙醇气相脱水等工业过程
稍后, 美国杜邦公司又开发了用于空气富氮的 含氟聚酰亚胺气体膜分离器。
聚酰亚胺(PI) 因其稳定的化学结构 ,优良 的机械性能和高的自由体积 ,使其在分离气体 混合物时能在具有较高渗透通量的同时还保 持较高的选择性 ,所以广泛地应用于气体分离 膜的制备。
气 体 分 离 膜 的 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。
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分离机理 材料
膜分离与其他分离过程相比的优点：
节能 投资少 易于安装、易于移动（撬装体） 操作简单 重量轻、占地少 不需加入其他组分，无污染 操作易于调节（无液泛、漏液、夹带等）
在以下几个方面已经有了大规模的应用：
氢气的分离和回收 空气分离 酸性气体分离 气体脱湿 有机蒸汽回收
气体分离膜材料可分：
高分子材料 无机材料 有机一无机杂化材料 。 金属材料
高分子聚合物气体分离膜材料包括
聚砜类 硅橡胶 醋酸纤维素 聚碳酸酯 聚酰亚胺
聚酰亚胺( PI) 是一类环链化合物, 最早是 Bogert 和 Renshaw在 1906 年合成的. 根据聚酰 亚胺的结构和制备方法可分成两大类: ( 1) 主链中 含有脂肪链的聚酰亚胺; ( 2) 主链中含有芳族的聚 酰亚胺. 其通式为:
科学与技术,200929(1):101-108. 曹 明.气体膜分离技术及应用[J].广州化工,2011,17(39):30-32. 张菀 乔,张雷,廖礼,战役.气体膜分离技术的应用[J].天津化工2008,3(22):20-22. 凌长杰,气体膜分离 [J]. 化学工业,2012,1:199. Tomoyuki Suzuki, Masako Miki, Yasuharu Yamada..Gas transport properties of
共混改性方法
聚酰亚胺/ 无机纳米粒子共混改性 聚酰亚胺/ 过渡金属有机络合物共混改性 聚酰亚胺/ 聚合物共混改性 共聚改性
其它改性方法
共聚改性 离子束改性
参考文献
李悦生,丁孟贤,徐纪平.聚酰亚胺气体分离膜材料的结构与性能[J]. 高分子通 报,1998,3:1-8
祁喜旺,陈翠仙,蒋维钧.聚酰亚胺气体分离膜[J]. 膜科学与技术,1996,16(2):1-7. 黄 旭,邵路,孟令辉,黄玉东.聚酰亚胺基气体分离膜的改性方法及其最新进展[J].膜
溶解 一扩散 机 理
气体通过非多孔膜的传递过程一般用溶解 一扩散机 理来解释 ，气体透过膜的过程可分为三步 ：(1)气 体在膜的上游侧表面吸附溶解 ，是吸附过程 ；(2) 吸附溶解在膜上游侧表面的气体在浓度差的推动下 扩散透过膜 ，是扩散过 程 ；(3)膜下游侧表面的气 体解吸 ，是解吸过程。 一 般来说 ，气体在膜表面 的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡 ，而气体 在膜内的渗透扩散过程较慢 ，是气体透过膜的速 率控制步骤 。
但同时聚酰亚胺又存在易塑化，气体的渗 透性和分离性难以平衡，易老化使用寿命较短 等缺点
聚酰亚胺基气体分离膜的改性方法
分子结构改造方法(合成改性) 交联改性方法 共混改性方法 其它改性方法
分子结构改造方法(合成改性)
聚酰亚胺是由芳香族或脂肪环族四酸二酐和 二元胺缩聚得到的芳香环或者脂肪环高聚物. 二酐和二胺的化学结构是影响其透气性的主 要因素 ,通过改变二胺或二酐的化学结构可获 得高性能的聚酰亚胺气体分离膜材料
对流 努森扩散
溶解~扩散
筛分 （表面扩散）
气体透过多孔膜和无孔膜的机理
气体渗透系数： 气体分离系数：
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α 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） 它标致膜的分离选择性能。 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。
气体分离膜的材料
理想的气体分离膜材料应该考虑以下因素： 气体通透性和气体分离系数。 力学性能。 玻璃转化温度和熔化温度。 膜的临界压力。 膜的可用性和加工性能。 经济性。
对于脂族聚酰亚胺, R′= ( CH 2 ) m , 对于芳族聚酰亚胺, R′= Ar .
80 年代中期, 日本宇部兴产公司开发了联苯 型共聚酰亚胺气体膜分离器, 已成功地用于氢 回收、气体除湿和乙醇气相脱水等工业过程
稍后, 美国杜邦公司又开发了用于空气富氮的 含氟聚酰亚胺气体膜分离器。
聚酰亚胺(PI) 因其稳定的化学结构 ,优良 的机械性能和高的自由体积 ,使其在分离气体 混合物时能在具有较高渗透通量的同时还保 持较高的选择性 ,所以广泛地应用于气体分离 膜的制备。
如在二酐中引入含氟基团 ( —CF 3 ) 后 ,聚酰 亚胺不仅溶解性有所改善 ,而且其透气性也显 著增加
交联改性方法
聚酰亚胺交联形成网络后 ,链段活动性减小 , 透气性下降 ,气体选择性提高. 有时交联在减 小链段活动性的同时 ,也可能增大自由体积 , 导致透气性和气体选择性同时升高
● 紫外( UV) 辐射交联改性 ● 化学交联改性
气 体 分 离 膜 的 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机理可分溶解~ 扩散和双吸收~双迁移机理等。
hyperbranched polyimide/hydroxy polyimideblend membranes. European Polymer Journal , 2012 (48) 1504–1512. Rong Wang,Chun Cao,Tai-Shung Chung. A critical review on diffusivity and the characterization of diffusivity of 6FDA–6FpDA polyimide membranes for gas separation. Journal of Membrane Science, 2002 (198) 259–271.
微孔扩散机理
多孔介质中气体传递机理包括分子扩散 、粘性流动、 努森扩散及表面扩散等。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 互作用程度有所不同，从而表现出不同的传递特征 。 混合气体通过多孔膜的传递过程应以分子流为主 ， 其分离过程应尽可能满足下述条件 ：(1)多孔膜的微 孔孔径必须小于混合气体中各组分的平均自由程。 (2)混合气体的温度应足够高，压力尽可能低，高温、 低压都可提高气体分子的平均自由程，同时还可避 免表面流动和吸附现象发生 。