气体膜分离
常用的处理废气中VOCs的膜分离工艺
常用的处理废气中VOCs的膜分离工艺采用膜分离技术处理废气中的VOCs，具有流程简单、VOCs 回收率高、能耗低、无二次污染等优点。
近10年来，随着膜材料和膜技术的进一步发展，国外已有许多成功应用的范例。
常用的处理废气中VOCs的膜分离工艺包括：蒸汽渗透(vaporpermeation，VP)、气体膜分离(gas/vapormembraneseparation，GMS/VMP)和膜接触器(membranecontactor)等。
1、VP法80年代末出现的VP工艺是一种气相分离工艺，其分离原理与渗透汽化工艺类似，依靠膜材料对进料组分的选择性来达到分离的目的。
由于没有高温过程和相变的发生，因此VP比渗透汽化更有效、更节能，同时，VOCs不会发生化学结构的变化，便于再利用。
据报道，德国GKSS研究中心开发出了用于回收空气中VOCs的膜。
据报道，当膜的选择性大于10时，用于VOCs的回收具有很好的经济效益，一个膜面积为30m2的组件与冷凝集成系统，VOCs的回收率可达到99%。
VP过程常常与冷凝或压缩过程集成。
从反应器中出来的含VOCs的废气通过冷凝或压缩，回收部分VOCs返回到反应器中，余下的气体进入膜组件回收剩余的VOCs。
VP法回收废气中的VOCs，常用的膜材料是VOCs优先透过的硅橡胶膜。
M.Leemann等采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)中空纤维半渗透膜分离空气中VOCs，发现二甲苯、甲苯及丙烯酸等的通量是空气的100倍以上，而涂有硅橡胶皮层的膜，对VOCs的选择性却有所下降。
同时，根据试验结果进行的经济可行性分析，发现在较高VOCs浓度和较低通量下，VP工艺比传统工艺有较大的经济可行性。
2、气体膜分离法膜法气体分离的基本原理是，根据混合气体中各组分在压力推动下透过膜的传质速率不同而达到分离的目的。
目前，气体膜分离技术已经被广泛应用于空气中富氧、浓氮以及天然气的分离等工业中。
近年来，GKSS、日东电工以及MTR公司已经开发出多套用于VOCs回收的气体分离膜。
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。
膜分离氮气
膜分离氮气
膜分离是一种常用的氮气生产方法，通过使用特殊的膜材料将气体分离为不同组分。
在膜分离氮气过程中，主要是利用膜的选择性透过性，将气体中的氧气、二氧化碳和其他杂质分离出来，从而产生高纯度的氮气。
膜分离氮气的原理基于气体分子的大小和溶解度差异。
常见的膜材料包括聚酰胺膜（如聚酰胺脂膜、聚酰胺酸膜）、聚醚膜、聚合醚膜等。
这些膜材料具有不同的透气性和选择性，可以根据需求选择合适的膜材料。
膜分离氮气的工艺流程通常包括以下步骤：
1. 压缩空气供给：将环境空气通过压缩机压缩到一定的压力。
2. 预处理：通过过滤器去除空气中的悬浮颗粒物和液态水，保护膜材料。
3. 分离膜模块：将压缩空气引入分离膜模块中，膜模块由多个膜组成，使氮气和其他气体分离。
4. 氮气收集：收集通过膜分离得到的纯净氮气。
5. 控制系统：监控和控制膜分离过程的参数，如压力、温度和流量等。
膜分离氮气具有一些优点，包括操作简单、无需化学物品、节能高效、灵活性高等。
然而，它的纯度和产量受到膜材料的选择和气体进料条件的影响。
因此，在设计和选择膜分离系统时，需要根据具体要求考虑适合的膜材料和工艺参数。
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膜分离法制氧工艺简介
一些氧氮分离系数大于2.5、透氧系数P(O2) > 1.0 Barrer 的聚合物膜材料 (1 Barrer 是 指每秒钟每厘米汞柱压力差下每平方厘米膜 面积中透过1 厘米厚的膜的气体在标准状态 下的毫升数的十亿分之一,1 Barrer = 1010 cm2·s -1·cmHg -1 ,其中1 cmHg = 1 333 Pa) 。将它们 用于空气分离操作,均获得了较好的分离效果。
• 效率高，每kg膜纤维连续的生产能力比变压吸附要大。 • 没有运动部件，几乎用不着维护，因此维护费用少, 高效
率和高可靠性降低了操作运行费用。
• 设备简单、机动性好，只要有一个压缩空气的气源，就 可以连续地工作，而且可以省去贮运气体或液体的设备。
膜法气体分离优点
膜法富氧技术和深冷、变压吸附法相比, 具有设备简单、操作方便、 安全、启动快、规模灵活、无环境污染等特点。当氧质量分数在 30% 左右, 规模小于15 000 m3/h 时, 膜法投资、维修及操作费用之 和仅为深冷法和变压吸附法的2/3 到3/4, 能耗比其他两种方法低 30% 以上, 且规模越小, 膜法越经济[18 ]。它在制备富氧气方面的应 用迅速增加, 并正在取代其他高成本且操作不方便的分离技术 膜法/深冷法联合制氧。用于原有制氧机改造,增加一套膜法富氧装 置可提高制氧能力25%～50% , 氧浓度提高, 综合投资下降2%～ 3% , 能耗、水耗均有降低。
膜分离优点
用膜分离技术进行气体分离的优点：
• 分离过程中没有相变, 过程简单, 可在常温下进行操作, 减 少能源的消耗。
• 与传统的空分装置相比，能耗低。要下降(30～60)％。特 别是分离共沸物质, 有独特的优越性.
• 重量轻，占地面积小，纯度高，工作压力的范围宽。 氮气纯度可达99.9%, 生产的氮气非常干燥，露点温度可达 -100℃。
膜分离氢气纯度
膜分离是一种利用特殊材料的薄膜选择性分离混合物的方法。
膜分离技术可以用于氢气的纯化，通过膜分离纯化氢气，可以得到较高纯度的氢气。
膜分离氢气的原理主要是基于膜的选择性渗透。
这种材料必须对氢气有很高的渗透性，同时对其他气体如氧气、氮气等有很好的隔离效果。
在氢气和空气的混合物中，氢气通过膜的速度要快于氧气和氮气，因此，通过一定的时间后，氢气会在膜的这一侧得到浓缩，而空气和氮气则会在另一侧被排出，从而实现了氢气的纯化。
具体来说，膜分离氢气的过程是这样的：首先，将氢气和空气的混合物输入到膜分离系统内，然后通过控制膜两侧的压力差，使得氢气得以快速通过膜并浓缩在膜的一侧，而空气和氮气则被阻挡在膜的另一侧。
随着分离过程的进行，被浓缩的氢气会达到一定的纯度要求。
这个过程不需要额外的催化剂，因此不会引入新的杂质。
关于膜分离设备的要求和使用条件，一般需要选择质量较好的膜材料，以确保在长时间使用中仍能保持较高的选择性。
此外，为了保证设备稳定运行，还需定期对设备进行检查和维护。
膜分离过程通常需要在恒定的温度和压力条件下进行，因此在使用过程中需要关注环境条件的变化。
当然，实际操作中还需要根据具体情况考虑其他因素，如气体纯度、压力、温度等的影响，以保证膜分离过程的顺利进行。
总体来说，膜分离是一种高效、环保的氢气纯化方法，可以满足大多数工业和实验室应用的需求。
如果您需要更高纯度的氢气或者有特殊的工艺要求，可以考虑采用其他的纯化方法，如电解水、变压吸附等。
这些方法各有优缺点，需要根据实际情况进行选择。
气体膜分离技术
• 毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著
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。
高等分离工程
气体膜分离
膜生物反应器
气体膜分离
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简介 膜材料
原理
设备
应用
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简介
气体膜分离技术是利用原料混合气中不同气体对膜材料具有不同渗透 率, 以膜两侧气体的压力差为推动力, 在渗透侧得到渗透率大的气体富 集的物料, 在未渗透侧得到不易渗透气体富集的分离气, 从而达到气体 分离目的。
③高分子-无机复合或杂化材料
采用高分子-陶瓷复合膜,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。 。
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
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。
气体分离的原理
气体分离的原理一、引言气体分离是一种重要的分离技术，广泛应用于工业、生产和科学研究等领域。
气体分离的原理是通过物理或化学方法将混合气体中的不同成分分离出来，从而达到纯化、提纯或回收的目的。
本文将详细介绍气体分离的原理。
二、气体分离的分类1. 物理吸附法：利用吸附剂对混合气体中不同成分进行吸附，从而实现分离。
常见的物理吸附剂包括活性炭、硅胶等。
2. 膜分离法：利用膜对混合气体进行筛选和过滤，从而实现不同成分的分离。
常见的膜材料包括聚酰胺膜、聚偏二氟乙烯膜等。
3. 压力摩擦法：利用不同成分在压力下产生不同程度的摩擦力，从而实现不同成分之间的区别。
常见应用于压力摩擦法中的设备有旋转式压缩机和液态制冷机。
4. 分子筛法：利用分子筛对混合气体进行筛选和过滤，从而实现不同成分的分离。
常见的分子筛材料包括沸石、硅铝酸盐等。
三、物理吸附法的原理物理吸附法是一种通过吸附剂对混合气体中不同成分进行吸附，从而实现分离的方法。
其原理是利用吸附剂表面的孔隙和表面活性对混合气体中不同成分进行吸附。
吸附剂表面的孔隙大小和形状决定了其对不同成分的选择性，同时表面活性也会影响到吸附效果。
在物理吸附过程中，混合气体经过吸附剂床层时，其中一些组分会被吸附在床层表面上，而其他组分则通过床层并被收集起来。
当床层饱和时，需要将床层中的组分释放出来，并将床层再次净化以继续使用。
四、膜分离法的原理膜分离法是一种利用膜对混合气体进行筛选和过滤，从而实现不同成分的分离的方法。
其原理是利用膜的孔隙大小和形状决定其对不同成分的选择性，从而实现分离。
在膜分离过程中，混合气体经过膜时，其中一些组分会被阻挡在膜表面上，而其他组分则通过膜并被收集起来。
当膜饱和时，需要将其中的组分释放出来，并将膜再次净化以继续使用。
五、压力摩擦法的原理压力摩擦法是一种利用不同成分在压力下产生不同程度的摩擦力，从而实现不同成分之间的区别。
其原理是利用混合气体中不同成分之间的物理特性差异，在压力下产生不同程度的摩擦力，并通过这种方式将混合气体中的不同成分进行区别。
气体分离常用的四种基本方法
气体分离常用的四种基本方法
气体分离是一种常见的过程，用于从混合气体中分离出纯净的气体组分。
下面将介绍四种常用的气体分离方法，并对其进行拓展。
1. 蒸馏法：蒸馏法是一种将混合气体分离为其组分的方法。
它基于不同气体的沸点差异，通过加热混合气体使其沸腾，然后通过冷凝收集不同沸点的组分。
蒸馏法广泛应用于石油工业中，用于分离石油中的不同烃类。
2. 吸附法：吸附法利用吸附剂对不同气体的吸附性差异实现分离。
吸附剂通常是多孔材料，如活性炭。
混合气体通过吸附床时，各种气体成分会因其与吸附剂的相互作用而吸附在表面上，从而实现了组分的分离。
吸附法广泛应用于空气净化和气体纯化过程中。
3. 膜分离法：膜分离法是一种利用合适的膜材料对不同气体的渗透性差异进行分离的方法。
膜通常是由聚合物或陶瓷材料制成的薄膜，通过选择适当的膜材料和控制操作压力，可以实现对特定气体的选择性分离。
膜分离法广泛应用于气体分离、气体纯化和气体浓缩等领域。
4. 压缩和冷凝法：压缩和冷凝法是一种将混合气体分离为其组分的
方法。
它利用不同气体的压缩性和冷凝性差异，通过调节操作压力和温度，将混合气体中的不同组分逐步压缩和冷凝分离。
这种方法常用于液化天然气的生产过程。
除了上述四种常用的气体分离方法，还有一些其他的技术也广泛应用于气体分离领域，如吸收法、离子交换法和膜渗透法等。
这些方法在不同的应用领域中都有其独特的优势和适用性。
随着科学技术的不断进步，气体分离方法也在不断发展和创新，为各种工业和环境应用提供了更高效和可持续的解决方案。
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(2)、无机材料 无机膜的主要优点有：物理、化学和机械稳
定性好,耐有机溶剂、氯化物和强酸、强碱溶液, 并且不被微生物降解;操作简单、迅速、便宜。
受目前工艺水平的限制,无机膜的缺点为：制 造成本相对较高,大约是相同膜面积高分子膜的10 倍;质地脆,需要特殊的形状和支撑系统;制造大面 积稳 定的且具有良好性能的膜比较困难;膜组件 的安装、密封(尤其是在高温下)比较困难;表面活 性较高。
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。
3、气体膜分离流程及设备
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。
膜法进行气体的分离最早用于氢气的回收。典型的 例子是从合成氨弛放气中回收氢气。在合成氨生产过程 中每天将有大量氢气的高压段被混在弛放气中白白地烧 掉,如果不加以回收,将会造成很大的浪费。
(1)、简单级联 简单级联流程见下图,每一级的渗透气作 为下一级的进料气,每级分别排出渗余气，物料在级间无循 环，进料气量逐级下降，末级的渗透气是级联的产品。
(2)精馏级联 精馏级联的流程见下图,每一级的渗透 气作为下一级的进料气,将末级的渗透气作为级联的易渗 产品,其余各级的渗余气入前一级的进料气中,还将部分易 渗产品作为回流返回本级的进料气中,整个级联只有两种 产品。其优点是易渗产品的产量与纯度比简单级联有所 提高。
1、气体分离膜
常用的气体分离膜可分为多孔膜和致密膜两种,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。
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-无机复合材料三大类。
三、气体膜分离
气体膜分离是指在压力差为推动力的作用下,利用气 体混合物中各组分在气体分离膜中渗透速率的不同而使 各组分分离的过程。气体膜分离过程的关键是膜材料。 理想的气体分离膜材料应该同时具有良好的分离性能、 优良的热和化学稳定性、较高的机械强度。通常的气体 分离用膜可分为多孔质和非多孔质(均质膜)两类,它们各 由无机物和有机高分子材料制成。气体膜分离技术的特 点是：分离操作无相变化,不用加入分离剂,是一种节能的 气体分离方法。它广泛应用于提取或浓缩各种混合气体 中的有用成分,具有广阔的应用前景。
为溶解、扩散、脱附三个步骤。
(2)、影晌渗透通量与分离系数的因素
① 压力 气体膜分离的推动力为膜两侧的压 力差, 压差增大,气体中各组分的渗透通量也随之 升高。但实际操作压差受能耗、膜强度、设备制 造费用等条件的限制,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。
③ 膜材质 气体分离用膜多采用高分子材料制成,气体通 过高分子膜的渗透程度取决于高分子是“橡胶态”还是“玻璃 态”。橡胶态聚合物具有高度的链迁移性和对透过物溶解的快 速响应性。气体与橡胶之间形成溶解平衡的过程,在时间上要 比扩散过程快得多。因此,橡胶态膜比玻璃态膜渗透性能好,如 氧在硅橡胶中的渗透性要比在玻璃态的聚丙烯腈中大几百万倍。 但其普遍缺点是它在高压差下容易变形膨胀;而玻璃态膜的选 择性较好。气体分离用高分子膜的选定通常是在选择性与渗透 性之间取"折中"的方法,这样既可提高渗透通量又可增大分离系 数。
2、气体膜分离原理
(1)、基本原理
均质膜无论是无机材料还是高分子材料都具有渗透性, 而且很多是耐热、耐压和抗化学侵蚀的。其渗透机理可由 溶解-扩散模型来说明。首先是气体与膜接触,如图(a),接着 是气体在膜的表面溶解(称为溶解过程),如图(b);其次是因气 体溶解产生的浓度梯度使气体在膜中向前扩散(称为扩散过 程);随后气体就达到膜的另一侧,此时过程一直处于非稳定状 态,如图(c),一直到膜中气体的浓度梯度沿膜厚度方向变成直 线时 达到稳定状态,如图(d)。从这个阶段开始,气体由膜的 另一侧脱附出去,其速度恒定。所以,气体透过均质膜的过程
(1)、高分子材料
高分子材料分橡胶态膜材料和玻璃态膜材料两大类。 玻璃态聚合物与橡胶态聚合物相比选择性较好,其原因是 玻璃态的链迁移性比后者低得多。玻璃态膜材料的主要 缺点是它的渗透性较低,橡胶态膜材料的普遍缺点是它在 高压差下容易膨胀变形。目前,研究者们一直致力于研制 开发具有高透气性和透气选择性、耐高温、耐化学介质 的气体分离膜材 料,并取得了一定的进展。
(3) 提馏级联 提馏级联流程见下图,每一级的渗余气 作为下一级的进料气,将末级的渗余气作为级联的产品,第 一级的渗透气作为级联的易渗产品,其余各级的渗透气并 入前一级的进料气中。整个级联只有两种产品,其优点是 难渗产品的产量与纯度比简单级联有所提高。
4、气体膜分离技术应用
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。 (料
采用高分子-陶瓷复合膜,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。