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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五主要內(nèi)容氣體膜分離概述分離機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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體膜分離概述第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體透過Seperex膜的相對滲透速率第四頁，共六十八頁，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膜進行擴散的推動力，由于供料組分的相對遷移速率不同，因而得到分離。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體膜分離定義氣體膜分離過程示意圖第六頁，共六十八頁，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：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有機蒸汽回收系統(tǒng)；AirProducts開發(fā)的氣體膜分離與變壓吸附集成工藝。第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五存在的問題深冷分離技術(shù)在費用上有一定的優(yōu)勢；變壓吸附技術(shù)的發(fā)展很快。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體膜分離機理第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體膜分離機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下透過膜的傳遞速率不同，從而達到分離的目的。兩種機理：氣體通過微孔膜的微孔擴散機理；氣體通過致密膜的溶解-擴散機理。第十頁，共六十八頁，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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五致密膜氣體分離與蒸汽滲透分離機理進料蒸汽滲透依賴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于氣體在膜內(nèi)的傳遞速率氣體第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理努森擴散：微孔直徑(dp)遠小于氣體分子平均自由程(λ)時，氣體分子與孔壁之間的碰撞幾率遠大于分子之間的碰撞幾率，此時氣體通過微孔的傳遞過程屬努森（Knudsen）擴散，又稱自由分子流(Freemoleculeflow);在dp遠大于λ時，氣體分子與孔壁之間的碰撞幾率遠小于分子之間的碰撞幾率，此時氣體通過微孔的傳遞過程屬粘性流機制（Viscousflow），又稱Poiseuille流;當dp與λ相當時，氣體通過微孔的傳遞過程是努森擴散和粘性流并存，屬平滑流（slipflow）機制。第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五r/λ比值與膜孔內(nèi)氣體透過量的系通常，當多孔膜孔徑>10?時，努森流與粘性流同時存在。Kn值的不同，則兩種流動所占的比例也不同.Kn>0.5時，努森流占優(yōu)勢；當Kn<0.1時，則約90%為粘性流。

第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理努森因子（Kn）

第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理Kn<<1時，粘性流動占主導地位，此時通量為：Kn>>1時，努森擴散占主導地位，其通量為：

Kn=1時，努森擴散和粘性流并存，總通量可視為二者的疊加：Ft=Fp+Fk

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

a＊=(FK)A/(FK)B=第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理表面擴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。不同分子在表面的占據(jù)率是不同的，當存在壓力梯度時，這些吸附的分子將產(chǎn)生沿表面的濃度梯度方向的擴散。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理低表面濃度梯度下，純氣體的表面流fs，可由費克定律來描述：可得表面滲透率Fs為：若考慮孔徑對表面流的影響，則引入：第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理當孔徑減小時，表面積增大，表面擴散通量也隨之增大。第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理對于純氣體，若同時發(fā)生努森擴散、層流(粘性流)和表面擴散，其總通量為：第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五微孔擴散機理對混合氣體通過多孔膜的分離過程，為了獲得良好的分離效果，要求混合氣體通過多孔膜的傳遞過程應(yīng)以分子流為主?；诖?，分離過程應(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，同時還可避免表面流動和吸咐現(xiàn)象發(fā)生。第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五例題4-1第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五溶解-擴散機理氣體在膜的上游側(cè)表面吸附溶解，是吸著過程；吸附溶解在膜上游側(cè)表面的氣體在濃度差的推動下擴散透過膜，是擴散過程；膜下游側(cè)表面的氣體解吸，是解吸過程。第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五溶解-擴散機理一般地說，氣體在膜表面的吸著和解吸過程都能較快地達到平衡，而氣體在膜內(nèi)的滲透擴散較慢，是氣體透過膜的速率控制步驟。氣體在膜內(nèi)的擴散過程可用費克定律來描述，穩(wěn)態(tài)時，氣體透過膜的滲透流率可用下式來表達：第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五溶解-擴散機理第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五2.非多孔膜內(nèi)的擴散對橡膠態(tài)膜,氣體滲透通過致密膜的傳遞方程可由亨利定律導出。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擴散系數(shù)和溶解度系數(shù);lm為膜厚度。第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體通過致密膜時的分壓差與濃度分布第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五滲透系數(shù)與擴散系數(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為擴散系數(shù)，cm2/s；

H亨利溶解度系數(shù)cm3/cm3Pa。若其中任何兩個系數(shù)已知，則可推出第三個系數(shù)。第二十九頁，共六十八頁，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、膜厚及推動力無關(guān)，是個歸一化的參數(shù)。對于相互作用體系，Henry定律不再適用，P也就不在是常數(shù)，與推動力有關(guān)。第三十頁，共六十八頁，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

分別為溶解擴散系數(shù)和吸附擴散系數(shù)。

第三十一頁，共六十八頁，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)聚合物也屬于無定型聚合物，在玻璃化溫度(Tg)之下，鏈段運動受限制，所以是以尺寸和形狀來選擇。

Herny吸附是由于進入溶解環(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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五不同吸附機理第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五例題4-2第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五影響氣體分離的因素第三十五頁，共六十八頁，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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五

各種氣體分子的動力學直徑氣體分子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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜性質(zhì)的影響第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜性質(zhì)的影響第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五操作條件的影響第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體濃度對擴散系數(shù)的影響第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五上游壓力對滲透系數(shù)的影響第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體分離膜第四十三頁，共六十八頁，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、無機材料和金屬材料三大類。第四十四頁，共六十八頁，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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體分離用膜第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五無機膜包括：陶瓷膜、微孔玻璃膜、金屬膜和碳分子膜。無機膜的化學和熱穩(wěn)定性好，能在高溫和強酸條件下工作。連續(xù)無缺陷的沸石等無機膜難以大規(guī)模生產(chǎn)，價格昂貴，限制了無機膜的使用。第四十七頁，共六十八頁，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、脫氫和氫氧化等過程。第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五有機-無機雜化膜第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五碳膜第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜組件第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜組件GKSS平板式組件第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜組件Prism中空纖維組件第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五膜組件Seperex卷式膜組件第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五幾種膜分離器特性第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五氣體分離的計算第五十六頁，共六十八頁，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）錯流第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五單級氣體滲透平衡線方程

錯流流型的膜組件第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五穩(wěn)態(tài)動力學條件下的組分平衡關(guān)系對i,j二元混合物氣體通過膜的擴散，假定流速小，流路短，濃差極化影響可忽略，透過側(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，共六十八頁，編輯于2023年，星期五工業(yè)化應(yīng)用第六十頁，共六十八頁，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氣富集氧氣氣體脫濕有機混合氣體分離煙道氣脫二氧化硫第六十一頁，共六十