气体膜分离.ppt

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1、气体膜分离现在学习的是第1页，共23页Gas Membrane Separation 1.History2.Mechanism3.Membrane Preparation 4.Membrane Characterization5.Membrane module6.Mathematic model for gas membrane separation 7.Applications现在学习的是第2页，共23页1.Historyv1823年德国Doebereiner,J.W.v170年前，Mitchell，H2/CO2v二战铀的浓缩v1979年从合成氨驰放气回收氢工业化现在学习的是第3页，共23页

2、1.Historyv透量和选择性难同时满足工业化的原因：v硅橡胶v中空纤维膜及膜分离器v适宜的应用背景现在学习的是第4页，共23页2 气体在微孔膜中的传递机理气体在微孔膜中的分离效应决定因素诺森数 气体分子的平均运动自由程 膜的平均孔径（7-1）（7-4）（7-2）（7-3）现在学习的是第5页，共23页2.1 粘性流粘性流 1孔径小于操作条件下的气体分子平均运动自由程，孔内分子流动受分子与孔壁之间的碰撞作用支配扩散流模型现在学习的是第9页，共23页根据Fick定律，通过一个该孔的气体摩尔流量（7-8）Kundsen扩散系数 分子平均运动速度 为气体的分子量为气体的膜中的摩尔浓度。现在学习的是第

3、10页，共23页根据式（7-4），则气体通过膜中一个该种孔的标准体积流量为 根据通常的选择性定义，对于Knudsen扩散，理想 的分离系数可以看出，努森扩散对气体的分离作用也很有限，例如对o2/N2体系来说，其值为1.07。努森扩散所能达到的分离因子虽然很小，但世界上最早和最大的气体膜分离工厂就是利用微孔无机膜通过努森扩散来实现分离的。现在学习的是第11页，共23页2.3 表面扩散流气体分子吸附在膜孔壁上，在浓度差的作用下，分子沿膜孔表面移动，产生表面扩散流通常沸点低的气体易被孔壁吸附，而且操作温度越低，孔径越小，表面扩散越显著表面扩散流机理在蒸气分离中一般比努森扩散有效。现在学习的是第12页

4、，共23页2.4 毛细管凝胶模型v在膜孔比分子筛稍大几或十几10-10m中v气体混合物中易冷凝组分在毛细管凝聚作用下在孔内冷凝，阻碍了其他组分分子通过，从而达到分离效果v毛细管凝聚对蒸气混合物的分离效果尤其显著现在学习的是第13页，共23页2.5 分子筛筛分 膜孔介于不同气体分子直径之间直径小的分子就能通过膜孔，而大分子就被挡住，达到分离效果分子筛筛分模型现在学习的是第14页，共23页3.气体在无孔膜中的传递机理无孔膜：均质膜、非对称膜、复合膜 无孔膜传递机理溶解扩散、双方式吸收模型高聚物分子的状态 橡胶态和玻璃态 聚合物的玻璃化转变温度现在学习的是第15页，共23页状态特征玻璃态橡胶态分子机

5、理原子的平均位置位移链段位移力学行为1 弹性模量大，约1010达因/cm2小，约107达因/cm22 断裂伸长率小，小于1%大，约100-1000%3 形变可逆不可逆4 力学性能依赖于原子的性质依赖于整个分子链的性质表7-1 玻璃态和橡胶态高聚物的特征对比现在学习的是第16页，共23页3.1 溶解-扩散机理 溶解-扩散机理来适用对象气体在橡胶态高分子膜内的渗透 l 气体经过以下三个步骤由膜的上游高分 压侧透 过膜到达下游低分压侧 （1）气体溶解在膜的上游表面；（2）在浓度差的作用下，溶解在上游表面的 气体 在膜中向膜的下游表面扩散；（控制步骤）（3）到达膜下游表面的气体从膜的下游表面解 吸。现

6、在学习的是第17页，共23页膜下游上游膜下游上游膜下游上游（1）（2）（3）图7-2溶解-扩散机理现在学习的是第18页，共23页一般气体在聚合物中的溶解度小，膜表面溶解的气体体积浓度（m3/m3）同气相主体压力 间服从Henry定律：为溶解度系数（Pa-1）气体分子在膜内的扩散服从Fick定律，对于稳定的一维扩散，若扩散系数 、溶解度系数 不是浓度或压力的函数，则通过膜的气体总体积流量为:（7-11）（7-12）现在学习的是第19页，共23页扩散系数和溶解度系数 随温度的变化均符合Arrhenins关系式（7-13）（7-14）式中：分别为基准状态下的、分别为扩散、溶解活化能。现在学习的是第2

7、0页，共23页双方式吸收模型 玻璃态橡胶态玻璃态实际体积玻璃态定义体积VgVLVg-VLV（cc/gm）Tg图7-3 高聚物在玻璃态时的体积差值(Vg-VL)现在学习的是第21页，共23页3.2 双方式吸收模型Barrer 双方式吸收模型 膜中的浓度是两种吸收浓度 ,叠加而成(7-15)Langmuir饱和吸附量 为Langmuir亲合常数，如果溶解或吸附的气体分子在各自的区域内独立扩散，根据Fick定律:现在学习的是第22页，共23页只是温度的函数，与浓度无关 混合气体在玻璃态聚合物中渗透，将式（7-15）扩展到混合物的情况，以双组分气体 A、B 混合物为例：(7-17)(7-18)现在学习的是第23页，共23页