分離技術(shù)概論氣體分離

分離技術(shù)概論氣體分離第1頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主要內(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2頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離概述第3頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體透過Seperex膜的相對(duì)滲透速率第4頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(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5頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離定義氣體膜分離過程示意圖第6頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離的發(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開發(fā)的氣體膜分離與變壓吸附集成工藝。第7頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月存在的問題深冷分離技術(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8頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離機(jī)理第9頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離機(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：氣體通過微孔膜的微孔擴(kuò)散機(jī)理；氣體通過致密膜的溶解-擴(kuò)散機(jī)理。第10頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體膜分離定義

(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)分離原理第11頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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12頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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)氣體通過微孔的傳遞過程屬努森（Knudsen）擴(kuò)散，又稱自由分子流(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)氣體通過微孔的傳遞過程屬粘性流機(jī)制（Viscousflow），又稱Poiseuille流;當(dāng)dp與λ相當(dāng)時(shí)，氣體通過微孔的傳遞過程是努森擴(kuò)散和粘性流并存，屬平滑流（slipflow）機(jī)制。第13頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月r/λ比值與膜孔內(nèi)氣體透過量的系通常，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14頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(kuò)散機(jī)理努森因子（Kn）

第15頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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16頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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17頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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18頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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19頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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20頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(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21頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月微孔擴(kuò)散機(jī)理對(duì)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。基于此，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(shí)還可避免表面流動(dòng)和吸咐現(xiàn)象發(fā)生。第22頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-1第23頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶解-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)散透過膜，是擴(kuò)散過程；膜下游側(cè)表面的氣體解吸，是解吸過程。第24頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶解-擴(kuò)散機(jī)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(dá)到平衡，而氣體在膜內(nèi)的滲透擴(kuò)散較慢，是氣體透過膜的速率控制步驟。氣體在膜內(nèi)的擴(kuò)散過程可用費(fèi)克定律來描述，穩(wěn)態(tài)時(shí)，氣體透過膜的滲透流率可用下式來表達(dá)：第25頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月溶解-擴(kuò)散機(jī)理第26頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.非多孔膜內(nèi)的擴(kuò)散對(duì)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(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27頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體通過致密膜時(shí)的分壓差與濃度分布第28頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滲透系數(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29頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月滲透系數(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30頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙重吸著理論（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31頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月橡膠態(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(yùn)動(dòng)受限制，所以是以尺寸和形狀來選擇。

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32頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同吸附機(jī)理第33頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例題4-2第34頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月影響氣體分離的因素第35頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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36頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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37頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜性質(zhì)的影響第38頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜性質(zhì)的影響第39頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月操作條件的影響第40頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體濃度對(duì)擴(kuò)散系數(shù)的影響第41頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月上游壓力對(duì)滲透系數(shù)的影響第42頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體分離膜第43頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jī)材料和金屬材料三大類。第44頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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45頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體分離用膜第46頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月無機(jī)膜包括：陶瓷膜、微孔玻璃膜、金屬膜和碳分子膜。無機(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)無缺陷的沸石等無機(jī)膜難以大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格昂貴，限制了無機(jī)膜的使用。第47頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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48頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有機(jī)-無機(jī)雜化膜第49頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月碳膜第50頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜組件第51頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜組件GKSS平板式組件第52頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜組件Prism中空纖維組件第53頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月膜組件Seperex卷式膜組件第54頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾種膜分離器特性第55頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣體分離的計(jì)算第56頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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57頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單級(jí)氣體滲透平衡線方程

錯(cuò)流流型的膜組件第58頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月穩(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膜的擴(kuò)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59頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)化應(yīng)用第60頁(yè)，課件共68頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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