气体膜分离

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气体膜分离

作者：凌长杰

来源：《科技创新导报》2012年第01期

摘要:由于对分离膜的偏爱,我经过一个星期的搜索总结资料,查阅了大量书籍,最终选定了

气体分离膜作为课题来写这篇文献检索。在此文中,我总结了气体分离膜的使用原理,它包括:分

子流、黏性流、表面扩散流、分子筛筛分机理、毛细管凝聚机理,溶解-扩散机理、气体在橡胶

态聚合物中的传递、气体在玻璃态聚合物中的传递和双吸附-双迁移机理等。膜和膜组件的分

类及特点,还有气体膜分离系统设计,最后,简要介绍了气体膜的现实应用。

关键词:分离膜气体

中图分类号:TQ028.8文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)01(a)-0119-01

气体分离膜的原理:

在压力驱动下,借助气体中各组分在高分子膜表面上的吸附能力以及在膜内溶解-扩散上的

差异,及渗透速率差来实现对某种气体的浓缩和富集。渗透速率高的气体常被称为“快气”,而渗

透速率低的气体组分被称为“慢气”,因它较多的滞留在原料气体侧而成为剩余气。“快气”、“慢

气”不是绝对的,而是针对不同的气体组成而言。气体透过膜是一种比较复杂的过程。

一般来说,使用材质不同,其分离的机理也不同。在多孔膜中的渗透机理包括:分子流、黏性

流、表面扩散流、分子筛筛分机理、毛细管凝聚机理等。气体在非多孔膜中的渗透机理包括:

溶解-扩散机理、气体在橡胶态聚合物中的传递、气体在玻璃态聚合物中的传递和双吸附-双迁

移机理等。

膜和膜组件:

气体分离膜一般为非多孔质的均质膜,用溶解扩散机理来解释气体的透过。气体的透过分

三步实现:1、吸附于膜的表面;2、扩散通过;3、在膜的另一侧解吸。分离无机膜往往是多层多

孔的,孔径一般在5～30nm,气体的传递行为包括粘性流动、克努森扩散、表面扩散和毛细管冷

凝。无机膜的种类有:多孔陶瓷膜、中空纤维玻璃膜、表面改性多层多孔膜、碳分子筛膜和沸

石膜。

正在研发的气体分离膜:吸附扩散膜(sorption-diffusionmembrane)、离子-导电膜(ion-

conductingmembranes)、质子交换膜(protonexchangemembranes)、固态电解质膜(solid

electroytemembranes)、氧传导膜(oxygen-conductingmembranes)、离子传导陶瓷膜(ion-

conductiveceromicmembranes)、氢传导膜(hydrogen-conductionmembranes)、表面流动选择性炭

膜(surface-flowlectivecarbonmembranes)和混合载体膜(mixedmatrixmembranes)等。

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气体分离膜有三要素:选择性、渗透速率和寿命。气体分离膜的性能主要由溶解度系数、

扩散系数、渗透系数和分离系数等来表征。

各种分离膜只有组装成膜器件,并与泵、过滤器、阀、仪表及管路等装配在一起,才能完成

分离任务。

工业应用气体分离高分子膜组件(渗透器)有两种类型:中空纤维式和螺旋卷式渗透器。

气体膜分离系统设计:

任何没过成的设计,必须使其具有经济适用,分离可靠的技术。为了实现这一目的,在选择材

料、操作方式和级联方式上就要考虑许多因素。

选择膜材料应考虑的主要因素:膜的耐热性能、膜的化学相容性、膜的使用寿命。设计膜

器件应考虑的主要问题:流体分布均匀,无死角;具有较好的机械、化学和热稳定性;膜填充密度大;

制造成本低,压力损失小;易于清洗;更换膜的成本尽可能低;进料气侧和渗透气侧的质量及物料平

衡;渗透气侧的压力损失情况,能否满足下一步的工艺要求等。

膜过程操作方式主要有加压式、减压式、加压加减压式。通常加压式的能耗是减压式的三

倍。因此,从能耗考虑,减压式具有一定的优势。不过减压式所需膜组建的数量远远超过加压式,

所以,膜的成本将会增加。选用加压式还是减压式要视具体情况而定。

膜分离器的级联配置方式主要有一级一段或一级多段和多级多段,近年来又研发新型的连

续膜塔式、双膜渗透器式和内部分级渗透器式。在实际应用中,膜分离器间的级联方式和操作

工艺参数不仅取决于要求得到的产品的气纯度和回收率,还要兼顾投资成本和操作费用。

气体膜分离技术的主要用途。

1氢气的回收

膜对氢气具有高渗透效率。从各种高压含氢气流中,采用膜法可非常有效的回收氢气。从

合成氨弛放放气中回收氢再利用已被普遍采纳。用膜法可有效调整合成气H2/CO2比例。从石

油炼制各装置中排出的氢气流中回收氢并在利用;也可从氢气流中生产高纯度氢。

氮气分离:

采用膜法可从空气中直接分离氮,浓度可大95%～99%.由于它具有启动快,能耗低等优点已

广泛应用于各领域:如油井强化采油注入气源;矿井、油井,化工装置的安全气源以及食品等的保

护气源的制造。

氧气富集:

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从空气中用膜法可经济的富集氧,浓度可达30%～40%.它已经被应用与工业窑炉富氧燃烧

和为肺功能衰弱者治疗提供气源。

2二氧化碳分离

采用膜可有效分离二氧化碳|甲烷。它首先被用于从井气中分离出二氧化碳,作为利用二氧

化碳强化采油的回注气源。采用膜法可除去天然气中二氧化碳,提高热值,同时除去水和硫化氢

气可以减少输送管道腐蚀和减少燃烧废气对大气的污染。

3有机蒸气的回收

高分子膜对有机蒸气具有较大溶解系数,用膜法可以从空气或氮气流中有效回收有机蒸

气。它已成功用于从聚丙烯树脂装置的吹扫气流中回收丙烯和氮气,返回系统在利用。也用于

汽油加油站和从各种挥发溶剂气流中回收汽油和有机溶剂,减少大气污染。

水汽脱除

多数高分子膜具有高的水蒸气渗透速率,水汽与空气分离膜具有很高的分离系数。它可用

于各种气流中脱除水汽以及空气除湿。

在气体膜分离的应用中,膜分离也常与其他分离技术相联合,以获得更合理的经济效益。无

机膜由于它可能开发出优异性能的膜。它用于气体分离呈现了良好潜在应用前景,正处于广泛

研究与开发之中。

综上所述:

本文综述了气体分离膜的膜和膜的组件、气体分离膜的系统设计和气体膜分离技术的主要

用途四个方面,从中了解到分离膜特点。但在气体分离膜的生产和使用上仍然存在许多问题。

例如,现在的膜生产成本较高,生产过程复杂,厚度居高不下等问题仍需解决。今后的研究方向主

要应为:

(1)开发价格低、性能优、易成膜、耐酸碱和耐高温的膜材料,使气体分离膜进一步扩大其

应用范围;

(2)进一步研究成膜理论,利用现有的膜材料制备出高透量、高选择性的膜;

(3)进行流程和系统的优化研究,特别要研究开发集成工艺流程,以便更好的发挥膜分离技术

的优势。

参考文献

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