第十章-气体分离膜

2020/4/6第十章第十章气体分离膜气体分离膜10.110.1气体分离膜发展概况气体分离膜发展概况膜法气体透过性的研究始于膜法气体透过性的研究始于18291829年，人类对气体膜分离过人类对气体膜分离过程的研究开发走过了漫长而又艰辛的历程程的研究开发走过了漫长而又艰辛的历程。18311831年，J.V.Mitchell系统地研究了系统地研究了天然橡胶的透气性天然橡胶的透气性，首先揭示了膜实现气体分离的可能性先揭示了膜实现气体分离的可能性。由于未找到合适的膜结构由于未找到合适的膜结构，从而未能引起重视；从而未能引起重视；19501950年代起年代起，众多科学家进行了大量的气体分离膜的应用众多科学家进行了大量的气体分离膜的应用研究；研究；19541954年，P.Mears进一步研究了玻璃态聚合物的透气性进一步研究了玻璃态聚合物的透气性，拓宽了膜材料的选择范围；宽了膜材料的选择范围；19651965年，S.A.Sterm等人为从天然气中分离出氦进行了含等人为从天然气中分离出氦进行了含氟高分子膜的试验氟高分子膜的试验，但发现膜的通量小但发现膜的通量小，气体分离膜尚无法在气体分离膜尚无法在工业中大规模应用；工业中大规模应用；2020/4/619791979年，美国美国Monsanto（孟山都公司孟山都公司）研制出研制出“Prism”气体气体分离膜装置分离膜装置，通过在聚砜中空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶通过在聚砜中空纤维膜外表面上涂敷致密的硅橡胶表层表层，从而得到从而得到高渗透率高渗透率、高选择性的复合膜高选择性的复合膜，成功地将之应用成功地将之应用在合成氨弛放气中回收氢合成氨弛放气中回收氢。成为气体分离膜发展中的里程碑成为气体分离膜发展中的里程碑。至今已有一百多套在运行今已有一百多套在运行，MonsantoMonsanto公司也因此成为世界上第一个公司也因此成为世界上第一个大规模的气体分离膜专业公司大规模的气体分离膜专业公司。Monsanto公司公司“prism”气体分离膜的开发成功气体分离膜的开发成功，大大激励了大大激励了许多公司许多公司，如DowChemical、Separex、Envirogenics、W.R.Grace、Ube等公司都加速了本公司气体分离膜的商品化进程等公司都加速了本公司气体分离膜的商品化进程。我国于我国于2020世纪世纪8080年代开始研究气体分离膜及其应用，中科院年代开始研究气体分离膜及其应用，中科院大连化物所、长春应化所等单位在该方面进行了积极有益的探索，大连化物所、长春应化所等单位在该方面进行了积极有益的探索，并取得了长足进展。并取得了长足进展。大连化物所研制成功了中空纤维膜氮氢分离大连化物所研制成功了中空纤维膜氮氢分离器。2020/4/6概念概念气体膜分离气体膜分离membranegasseparation在一定在一定压力驱动压力驱动下，利用不同气体分子在膜内利用不同气体分子在膜内渗透速率上的差渗透速率上的差异，使渗透速率相对快的分子在渗透气侧富集使渗透速率相对快的分子在渗透气侧富集，而渗透速率相而渗透速率相对慢的分子在渗余气侧富集对慢的分子在渗余气侧富集，从而实现不同气体在膜两侧富集从而实现不同气体在膜两侧富集分离的过程分离的过程。气体渗透率气体渗透率gaspermeability,J(缩写缩写）在标准条件下在标准条件下，用于表征气体在单位压差下用于表征气体在单位压差下，透过单位膜面积透过单位膜面积的流量的流量。注：气体渗透速率常用的单位为注：气体渗透速率常用的单位为cm3(STP)/(cm2·s·Pa)。2020/4/6气体渗透系数气体渗透系数gaspermeabilitycoefficient,P（缩写缩写）在一定温度和压力下在一定温度和压力下，膜对气体的溶解膜对气体的溶解-扩散能力扩散能力。注：气体渗透系数最常用的单位是注：气体渗透系数最常用的单位是（cm3(STP)·cm)/(cm2·s·Pa)，最常用的表达方式：常用的表达方式：P=SP=S·D（P:渗透系数；渗透系数；S：溶解度系数；：溶解度系数；D：扩散系：扩散系数）。溶解度系数溶解度系数solubilitycoefficient,S(缩写缩写）聚合物对气体的溶解能力聚合物对气体的溶解能力。注：溶解度系数常用的单位为注：溶解度系数常用的单位为cm3(STP)/cm3·MPa扩散系数扩散系数diffusioncoefficient,D（缩写缩写）表示气体分子在膜中借助分子链热运动表示气体分子在膜中借助分子链热运动，排开链与链之间的间隙排开链与链之间的间隙，进行传递的能力进行传递的能力，即渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积即渗透气体在单位时间内透过膜的气体体积。注：扩散系数单位为注：扩散系数单位为cm2/s。2020/4/6