气体的膜分离
• 一、基本原理
• 二、影响渗透通量与分离系数的因素 • 三、气体分离膜材料 • 四、气体分离膜应用
基本原理
气体膜分离是指利用气体混合物中各组分在膜中渗透
速率的不同（或称选择渗透性的不同）使各组分分离
的过程。
基本原理
一般，气体膜分离可分为两种情况： 1.气体通过多孔性膜的分离 2.气体通过具有致密活性层的非多孔性膜的分离
气中制取富氧、富氮的气体）、去除有害组分（如从天然气 中脱除 CO2 ，H2S等气体）、回收有益成分（如合成氨驰放 气中氢的回收）等，从而达到浓缩、回收、净化等目的。
应用
• 一、氢气的回收 1.石油炼厂尾气
在炼油和石油化工生产中，有大量的含驰放气和尾气被排放，
或作为燃料被烧掉。从节能增效的角度来看，这部分氢应该 得到回收。例如馏分油催化裂化尾气中氢浓为13.2%~14.4%。
多孔膜分离机理
• 气体混合物通过多孔膜的渗透过程包括黏性流、努森扩散、
表面扩散、分子筛分等多种形式
多孔膜分离机理
努森扩散：气体分子在膜孔内移动，受分子自由程l与孔径 d的影响。孔径远小于分子平均自由程时，孔内分子流动受 分子与孔壁之间碰撞作用支配，称为分子流或者努森扩散。
努森扩散
根据努森理论，气体透过单位面积的流量q可以表示为：
• 分子筛分
这是一个比较理想的分离历程，分子大小不同的气体混合物 与膜接触后，大分子截留，而小分子则通过孔道，从而实现 了分离，具有很好的筛分效果。
致密膜的分离机理
按照溶解-扩散模型，组分通过膜的过程分三步：
1.在膜的高压侧，气体混合物中的渗透组分溶解在膜表面上；
2.溶解在膜表面上的组分从膜的高压侧通过分子扩散传递到膜的 低压侧； 3.在膜的低压侧，表面组分解吸到气相。
性气体CO2和H2S是天然气加工处理的一个重要过程。

应用
• 三、膜法空气分离
在大宗化工产品中， O2 和 N2 的用量分别占第三位和第五
位。 O2和N2的分离通常采用深冷精馏和变压吸附进行生 产。对于生产能力小于 6000 m3/h的工厂，采用变压吸附 比较合适，对于生产能力较大的工厂则采用深冷精馏更为 经济。在某些不需要超高纯度场合，尤其是生产量小于
2.膜的厚度
膜的厚度小渗透通量大
3.温度
温度对气体在膜中的溶解度与扩散系数均有影响
4.压力
膜两侧的压力差是气体膜分离的推动力，压差越大，通量越 大
典型气体分离膜材料
• 理想的气体分离膜材料应该具有如下性质
1.高的透气性
2.良好的选择性
3.高机械强度
4.优良的热稳定性和化学稳定性
5.良好的成膜加工性能
应用
• 一、氢气的回收
2.合成氨驰放气 合成氨厂驰放气氢的含量高达 50%~70% ，若直接将之用于 燃烧取热，氢的价值将得不到充分利用，很不经济，应当采
取措施回收利用。
应用
• 二、天然气的净化
天然气是一种复杂的气体混合物，其中含有的 CO2 和 H2S 会釜式输送管道、降低气体热值，因此从天然气中脱除酸
多孔膜分离机理
• 黏性流
如果平均分子自由程l远小于孔径d时，孔内分子流动受分
子之间碰撞作用支配，为黏性流动。
根据Hargen-Poiseuille定律，在粘性流存在时，气体透过单
位面积的流量q可以表示为：
多孔膜分离机理
• 表面扩散
表面扩散是指孔壁上的吸附分子通过吸附状态的浓度梯度在
表面上的扩散历程，其吸附状态对膜分离性能有一定的影响，
被吸附的组分比不被吸附的组分扩散的快，引起渗透率的差 异，从而达到分离的目的。
表面吸附
在表面扩散流存在时，气体通过膜的流量公式可以 表示为：
多孔膜分离机理
• 毛细管凝聚
在温度较低的情况下（如接近0oC），每一孔道都有可能被
冷凝物组分堵塞，而且阻止了非冷凝物组分的渗透。当孔道
内的冷凝物组分流出孔道后又蒸发，就实现了分离。
致密膜的分离机理
根据菲克定律，气体在膜内的扩散通量q为： 当达到稳定，膜中气体浓度沿厚度方向为直线，积分上时， 边界条件：x=o,c=c1,x=L,c=c2
假如，气体在膜内的溶解符合亨利定律，即c=Sp,代入上式， 得
影响渗透通量与分离系数的因素
1.膜材料
气体分离的渗透通量和分离系数首先取决于膜材料
典型气体分离膜材料
气体膜分离材料主要分为有机高分子材料和无机材 料两大类 • 有机高分子材料
1.聚砜 2.聚二甲基硅氧烷 3.醋酸纤维素 4.乙基纤维素 5.聚酰亚胺 6.聚三甲基硅-1-丙炔 7.聚 4-甲基-1-戊烯
典型气体分离膜材料
• 无机材料
1.陶瓷材料 2.金属材料 3.分子筛
应用
气体膜法分离主要用来从气相中制取高浓度组分（如从空
1200 m3/h 的生产装置，膜分离氧氮相对于深冷精馏和变
压吸附更具竞争力。