第六章气体膜分离VIP免费

第六章：气体膜分离1.气体膜分离历程2.气体膜分离机理3.气体膜材料与组件4.气体膜分离的应用气体膜分离历程理论阶段1831年：氢气和混合气的渗透实验(提出膜分离的可能性)1866年：天然橡胶膜(气体扩散行为)1920年：研究气体通过膜的非稳定传递行为应用阶段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气体膜分离特点低能耗投资小设备简单与传统的吸附冷冻、冷凝分离相比，具有节能、高效、操作简单、使用方便、不产生二次污染、可回收有机溶剂等优点已广泛用于空气分离富氧、浓氮、天然气的分离、合成氨中一氧化碳和氢气的比例调节，以及在石油化工等其他一些气体分离领域。气体膜分离气体膜分离是利用气体组分在膜内溶解和扩散性能的不同，即渗透速率的不同来实现分离的技术，具有很大的发展前景。气体混合物在膜两侧分压差的作用下，各组分气体以不同渗透速率透过膜，使混合气体得以分离或浓缩的过程。气体分离膜的分离机理气体分离膜类型：非多孔均质膜（包括均质膜、非对称膜和复合膜）多孔膜不同膜渗透情况不同，其分离机理不同。多孔膜的透过扩散机理用多孔膜分离混合气体，是借助于各种气体流过膜中细孔时产生的速度差来进行的。图6-3.气体分离膜孔径一般小于5~30nm,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些不同，表现出不同的传递特征。多孔膜的透过扩散机理气体在膜内的传递机理(a)(b)(c)(d)ͼ13£31ÆøÌåÔÚ¸÷ÖÖ²»Í¬Ä¤ÖеĴ«µÝ(a)·Ö×ÓÀ©É¢;(b)ŬÉÀ©É¢;(c)·Ö×Óɸ·Ö;(d)ÈܽâÀ©É¢;Knudsen扩散流体的流动用努森（Knudsen）系数Kn表示时，有三种情况：Kn≤1属粘性流动；Kn≥1属分子流动；Kn1≌属中间流动。多孔膜分离混合气体主要发生在Kn≥1时，这时气体分子之间几乎不发生碰撞，而仅在细孔内壁间反复碰撞，并呈独立飞行状态。Knudsen扩散当1.0≥Kn≥0.01时，黏性流流动，在这种黏性流动范围内，气体混合物不能被膜分离。•当Kn≥1.0，尤其当Kn≥10时，气体分子平均自由成远大于膜孔径，此类扩散现象称为努森扩散，气体以努森扩散机理通过膜。•当Kn数介于以上值之间，尤其当Kn数在1附近时扩散为过渡区扩散。已知分子扩散和努森扩散系数，则过渡区的扩散系数可近似用下式计算：111()MABKPDDD1248.5()KPPiTDdMKnudsen扩散气体的渗透速度q：气体透过膜孔的速度与其相对分子质量的平方根成反比。1/212423ppRTqrMLRT分子筛分大分子截留、小分子通过孔道，从而实现分离。毛细管凝集低温情况下，孔道被冷凝物组分堵塞，从而阻止了非冷凝物组分的渗透，当孔道累冷凝物组分流出孔道后又蒸发，就实现了分离。非多孔均质膜的溶解-扩散机理四步过程：气体与膜的接触气体向分离膜的表面溶解(溶解过程)溶解的分子由于浓度梯度进行活性扩散(扩散过程）分子在膜的另一侧逸出。非多孔均质膜的溶解扩散机理非多孔膜内的扩散气体在致密膜中通过溶解与扩散传递，其传递过程由3步组成：气体在膜上游表面吸着（Sorption）；吸着在膜上游表面的气体在浓度差为推动力下扩散透过膜；气体在膜下游表面的解吸或蒸发。PFnixin-dn,xi-dxinR=(1£­)xFlmdAm½øÁÏnFxFAPFnP=nFypidniyiͼ13£33ÆøÌå´íÁ÷΢·Ö´«µÝʾÒâͼxRj非多孔均质膜的溶解扩散机理根据这一机理，研究结论如下：1)气体的透过量q与扩散系数D、溶解度系数S和气体渗透系数成正比。而这些参数与膜材料的性质直接有关。2)在稳态时，气体透过量q与膜面积A和时间t成正比。3)气体透过量与膜的厚度l成反比。非多孔均质膜的溶解扩散机理扩散系数D和溶解度系数S与物质的扩散活化能ED和渗透活化能Ep有关，而ED和Ep又直接与分子大小和膜的性能有关。分子越小，Ep也越小，就越易扩散。这就是膜具有选择性分离作用的理论依据。高分子膜在其Tg（玻璃态转化温度）以上时，存在链段运动（当分子链中某一个单键发生...