分離技術(shù)概論氣體分離

分離技術(shù)概論氣體分離第一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容氣體膜分離概述分離機(jī)理影響氣體分離的因素氣體分離膜裝置與組件工業(yè)應(yīng)用第二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離概述第三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體透過(guò)Seperex膜的相對(duì)滲透速率第四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離定義要分離的氣體以高壓供給膜裝置，透過(guò)膜的一側(cè)，膜的另一側(cè)保持較低壓力，膜兩側(cè)壓力差作為氣體透過(guò)膜進(jìn)行擴(kuò)散的推動(dòng)力，由于供料組分的相對(duì)遷移速率不同，因而得到分離。第五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離定義氣體膜分離過(guò)程示意圖第六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離的發(fā)展利用聚合物膜分離氣體的概念已有100多年的歷史；奠定氣體膜分離市場(chǎng)：1979年，Monsanto公司推出的“Prism”H2/N2膜分離裝置；80年代的GKSS、日東電工、MTR有機(jī)蒸汽回收系統(tǒng)；AirProducts開(kāi)發(fā)的氣體膜分離與變壓吸附集成工藝。第七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五存在的問(wèn)題深冷分離技術(shù)在費(fèi)用上有一定的優(yōu)勢(shì)；變壓吸附技術(shù)的發(fā)展很快。第八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離機(jī)理第九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離機(jī)理膜法氣體分離的基本原理是根據(jù)混合氣體中各組分在壓力推動(dòng)下透過(guò)膜的傳遞速率不同，從而達(dá)到分離的目的。兩種機(jī)理：氣體通過(guò)微孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理；氣體通過(guò)致密膜的溶解-擴(kuò)散機(jī)理。第十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體膜分離定義

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)分離原理第十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五致密膜氣體分離與蒸汽滲透分離機(jī)理進(jìn)料蒸汽滲透依賴(lài)于膜材料與分離組分的相互作用蒸汽形式致密膜氣體分離依賴(lài)于氣體在膜內(nèi)的傳遞速率氣體第十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理努森擴(kuò)散：微孔直徑(dp)遠(yuǎn)小于氣體分子平均自由程(λ)時(shí)，氣體分子與孔壁之間的碰撞幾率遠(yuǎn)大于分子之間的碰撞幾率，此時(shí)氣體通過(guò)微孔的傳遞過(guò)程屬努森（Knudsen）擴(kuò)散，又稱(chēng)自由分子流(Freemoleculeflow);在dp遠(yuǎn)大于λ時(shí)，氣體分子與孔壁之間的碰撞幾率遠(yuǎn)小于分子之間的碰撞幾率，此時(shí)氣體通過(guò)微孔的傳遞過(guò)程屬粘性流機(jī)制（Viscousflow），又稱(chēng)Poiseuille流;當(dāng)dp與λ相當(dāng)時(shí)，氣體通過(guò)微孔的傳遞過(guò)程是努森擴(kuò)散和粘性流并存，屬平滑流（slipflow）機(jī)制。第十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五r/λ比值與膜孔內(nèi)氣體透過(guò)量的系通常，當(dāng)多孔膜孔徑>10?時(shí)，努森流與粘性流同時(shí)存在。Kn值的不同，則兩種流動(dòng)所占的比例也不同.Kn>0.5時(shí)，努森流占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)Kn<0.1時(shí)，則約90%為粘性流。

第十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理努森因子（Kn）

第十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理Kn<<1時(shí)，粘性流動(dòng)占主導(dǎo)地位，此時(shí)通量為：Kn>>1時(shí)，努森擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，其通量為：

Kn=1時(shí)，努森擴(kuò)散和粘性流并存，總通量可視為二者的疊加：Ft=Fp+Fk

第十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理基于努森擴(kuò)散的氣體A和B的通量比，即為理想分離因子：

a＊=(FK)A/(FK)B=第十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理表面擴(kuò)散氣體分子可與介質(zhì)表面（如孔壁）發(fā)生相互作用，即吸附于表面并可沿表面活動(dòng)。不同分子在表面的占據(jù)率是不同的，當(dāng)存在壓力梯度時(shí)，這些吸附的分子將產(chǎn)生沿表面的濃度梯度方向的擴(kuò)散。第十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理低表面濃度梯度下，純氣體的表面流fs，可由費(fèi)克定律來(lái)描述：可得表面滲透率Fs為：若考慮孔徑對(duì)表面流的影響，則引入：第十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理當(dāng)孔徑減小時(shí)，表面積增大，表面擴(kuò)散通量也隨之增大。第二十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理對(duì)于純氣體，若同時(shí)發(fā)生努森擴(kuò)散、層流(粘性流)和表面擴(kuò)散，其總通量為：第二十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微孔擴(kuò)散機(jī)理對(duì)混合氣體通過(guò)多孔膜的分離過(guò)程，為了獲得良好的分離效果，要求混合氣體通過(guò)多孔膜的傳遞過(guò)程應(yīng)以分子流為主。基于此，分離過(guò)程應(yīng)盡可能地滿足下列條件：①多孔膜的微孔徑必須小于混合氣體中各組分的平均自由程，一般要求多孔膜的孔徑在(50~300)×10-10m;②混合氣體的溫度應(yīng)足夠高，壓力應(yīng)盡可能低。高溫、低壓都可能提高氣體分子的平均自由程，同時(shí)還可避免表面流動(dòng)和吸咐現(xiàn)象發(fā)生。第二十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五例題4-1第二十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五溶解-擴(kuò)散機(jī)理氣體在膜的上游側(cè)表面吸附溶解，是吸著過(guò)程；吸附溶解在膜上游側(cè)表面的氣體在濃度差的推動(dòng)下擴(kuò)散透過(guò)膜，是擴(kuò)散過(guò)程；膜下游側(cè)表面的氣體解吸，是解吸過(guò)程。第二十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五溶解-擴(kuò)散機(jī)理一般地說(shuō)，氣體在膜表面的吸著和解吸過(guò)程都能較快地達(dá)到平衡，而氣體在膜內(nèi)的滲透擴(kuò)散較慢，是氣體透過(guò)膜的速率控制步驟。氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程可用費(fèi)克定律來(lái)描述，穩(wěn)態(tài)時(shí)，氣體透過(guò)膜的滲透流率可用下式來(lái)表達(dá)：第二十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五溶解-擴(kuò)散機(jī)理第二十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.非多孔膜內(nèi)的擴(kuò)散對(duì)橡膠態(tài)膜,氣體滲透通過(guò)致密膜的傳遞方程可由亨利定律導(dǎo)出。式中，

p0,pl為組分i在膜上游側(cè)和膜下游側(cè)的分壓,；

Di、Hi擴(kuò)散系數(shù)和溶解度系數(shù);lm為膜厚度。第二十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體通過(guò)致密膜時(shí)的分壓差與濃度分布第二十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五滲透系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)和

溶解度系數(shù)的關(guān)系式中，

P為滲透系數(shù)cm3cm/cm2s.Pa；

D為擴(kuò)散系數(shù)，cm2/s；

H亨利溶解度系數(shù)cm3/cm3Pa。若其中任何兩個(gè)系數(shù)已知，則可推出第三個(gè)系數(shù)。第二十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五滲透系數(shù)含義P特性參數(shù)、一種固定的本征參數(shù)單位:Barrer=10-10cm3(STP).cm.cm-2.S-1.cmHg-1=0.76*10-17m3(STP).m.m-2.S-1.Pa-1

從滲透系數(shù)的因次可以看出它與膜面積、膜厚及推動(dòng)力無(wú)關(guān)，是個(gè)歸一化的參數(shù)。對(duì)于相互作用體系，Henry定律不再適用，P也就不在是常數(shù)，與推動(dòng)力有關(guān)。第三十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五雙重吸著理論（Dualmodesorptiontheory）式中，CH、CD

分別為亨利溶解度和朗格繆爾吸附率；S為亨利定律溶解度常數(shù)；b為孔親和常數(shù)；為孔飽和常數(shù)；F=DH/DD；K=CH’b/S；α=bS分別為常數(shù);DH

、DD

分別為溶解擴(kuò)散系數(shù)和吸附擴(kuò)散系數(shù)。

第三十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五橡膠態(tài)聚合物膜與玻璃態(tài)聚合物膜吸附差異的原因橡膠態(tài)聚合物——Henry吸附橡膠態(tài)聚合物屬于無(wú)定型聚合物，且在玻璃化溫度(Tg)之上，分子柔韌性好，能發(fā)生繞主鏈的旋轉(zhuǎn)，只存在Henry吸附玻璃態(tài)聚合物——雙重吸附理論：Henry、Langmuir吸附玻璃態(tài)聚合物也屬于無(wú)定型聚合物，在玻璃化溫度(Tg)之下，鏈段運(yùn)動(dòng)受限制，所以是以尺寸和形狀來(lái)選擇。

Herny吸附是由于進(jìn)入溶解環(huán)境中發(fā)生的一般性吸附

Langmuir吸附是由于氣體進(jìn)入玻璃態(tài)聚合物中的不松弛體積或微空穴中吸附所引起的。第三十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同吸附機(jī)理第三十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五例題4-2第三十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響氣體分離的因素第三十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五影響氣體分離的因素氣體性質(zhì)的影響膜性質(zhì)的影響操作參數(shù)的影響第三十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

各種氣體分子的動(dòng)力學(xué)直徑氣體分子HeNeH2NOCO2C2H2ArO2N2COCH4直徑/?2.62.752.893.173.33.33.43.463.643.763.8氣體分子

C2H4XeC3H8n-C4H10CF2Cl2C3H6CF4i-C4H10直徑/A3.93.964.34.34.44.54.75.0第三十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜性質(zhì)的影響第三十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜性質(zhì)的影響第三十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五操作條件的影響第四十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響第四十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五上游壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響第四十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體分離膜第四十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體分離膜按膜材料性質(zhì)差異可以把氣體分離膜分為：高分子材料、無(wú)機(jī)材料和金屬材料三大類(lèi)。第四十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五高分子膜早期的高分子膜材料：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PS)、醋酸纖維素(CA)、乙基纖維素(EA)、聚碳酸酯(PC)等。目前，以聚酰亞胺(PI)為代表的芳雜環(huán)高分子膜被廣泛使用，透氣性能良好，主要用于：H2/N2、O2/N2、H2/CH4、CO2/N2以及CO2/CH4等體系。第四十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體分離用膜第四十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五無(wú)機(jī)膜包括：陶瓷膜、微孔玻璃膜、金屬膜和碳分子膜。無(wú)機(jī)膜的化學(xué)和熱穩(wěn)定性好，能在高溫和強(qiáng)酸條件下工作。連續(xù)無(wú)缺陷的沸石等無(wú)機(jī)膜難以大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，限制了無(wú)機(jī)膜的使用。第四十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬膜金屬膜材料主要是稀有金屬，以鈀及其合金為代表，主要用于H2的分離以及加氫、脫氫和氫氧化等過(guò)程。第四十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化膜第四十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五碳膜第五十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜組件第五十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜組件GKSS平板式組件第五十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜組件Prism中空纖維組件第五十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五膜組件Seperex卷式膜組件第五十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五幾種膜分離器特性第五十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體分離的計(jì)算第五十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五四種典型的氣體膜分離流型（a）全混流（b）逆流（c）并流（d）錯(cuò)流第五十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五單級(jí)氣體滲透平衡線方程

錯(cuò)流流型的膜組件第五十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)條件下的組分平衡關(guān)系對(duì)i,j二元混合物氣體通過(guò)膜的擴(kuò)散，假定流速小，流路短，濃差極化影響可忽略，透過(guò)側(cè)和料液側(cè)物料濃度均勻，并用分壓替代活度，且與高壓側(cè)壓力相比，低壓側(cè)壓力可以忽略，則分離因子取決于：第五十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五工業(yè)化應(yīng)用第六十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五氣體分離天然氣凈化膜分離提氦制備氮?dú)飧患鯕鈿怏w脫濕有機(jī)混合氣體分離煙道氣脫二氧化硫第六十一頁(yè)，共六十