[发明专利]一种对膜分离性能进行测试的装置、系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体膜分离性能测试技术领域，尤其涉及一种对膜分离性能进行测试的装置、系统及方法。

背景技术

气体膜分离技术始于20世纪后半期，是一项新型气体分离技术。与传统分离技术如低温蒸馏法和深冷吸附法相比，它具有分离效率高、设备紧凑、能耗较低、操作方便、投资较少等特点，是世界各国特别关注的高新技术领域中研究开发的重点之一。特别是中空纤维气体分离膜(简称中空纤维膜)在石油、天然气、化工等领域的应用，使其成为国家科技和工业发展的重要标志之一。气体膜分离技术的基本原理是根据混合气体中各组分在压力推动下透过膜的传递速率不同，从而达到分离的目的。膜材料的化学性质和膜的结构对膜的分离性能有着决定性的影响，而膜分离性能的表征就需要有与之相应的装置及测试方法。

现有技术中大多采用排水法或气体渗透速率仪对膜分离性能进行测试。图1是现有技术中采用排水法对膜分离性能进行测试的系统示意图。该测试系统包括气源装置、测膜装置和检测装置。气源装置由纯气钢瓶(1、2)、过滤减压阀(3、5)和手动球阀(4、6)构成，纯气钢瓶(1、2)中的气体分别是快气和慢气(快气为两种气体中动力学直径较小的气体，慢气为两种气体中动力学直径较大的气体)。8是测膜装置，检测装置由进气阀12、水槽13和量筒14构成。渗余侧气体由集气瓶11收集。通过调节纯气钢瓶出口过滤减压阀的开启程度控制进气量，首先测试快气的渗透速率，快气进入测膜装置后，在膜表面由于物理化学作用透过膜进入到膜的另一侧，然后通过排水法收集气体，并测量在一定时间t内排出的水的体积V。这样测量3～5次，取其平均值带入公式(1)中，即为该气体的渗透速率。与以上步骤相同，测试并计算慢气的渗透速率。

F＝V/t·S·P                (1)

其中F为该气体的渗透速率m³·m^-2·h^-1·bar^-1，S为所测试膜的有效面积m²，P为测膜装置入口处压力表7的数值，表压bar。

两种纯气体渗透速率的比值即为该膜对这两种气体的分离因子α_1/2：

α_1/2＝F₁/F₂                (2)

采用排水法对膜分离性能进行测试，实验结果较粗略，受人为操作影响较大。且不同水位下测量得到的数据不相同，数据不精确，不能测量易溶于水的气体的渗透速率及分离因子。

图2所示为采用气体渗透速率仪对膜分离性能进行测试的系统示意图。该测试系统包括气源装置、测膜装置和检测装置。气源装置由纯气钢瓶(1、2)、过滤减压阀(3、5)和手动球阀(4、6)构成，纯气钢瓶(1、2)中的气体分别是快气和慢气。8是测膜装置，检测装置由进气阀12、排气阀13和气体渗透速率仪14构成。渗余侧气体由集气瓶11收集。通过调节纯气钢瓶出口过滤减压阀的开启程度控制进气量，首先测试快气的渗透速率，快气进入测膜装置后，在膜表面由于物理化学作用透过膜进入到膜的另一侧，然后通过气体渗透速率仪，测量在一定时间t内通过的气体体积V。这样测量3～5次，取其平均值带入公式(1)中，即为该气体的渗透速率。与以上步骤相同，测试并计算慢气的渗透速率。两种纯气体渗透速率的比值即为该膜对这两种气体的分离因子α。

采用气体渗透速率仪对膜分离性能进行测试时，测试系统对气体流量、压力及纯度要求严格，且气体渗透速率仪价格昂贵。

采用排水法和气体渗透速率仪对膜分离性能进行测试所采用的气源均要求是待分离气体各组分的纯气体，测试完毕后利用外推法分别计算各个纯气体的渗透速率，快气和慢气渗透速率相比得到分离膜的分离因子。测试方法繁琐且纯气体测量和混合气体测量的结果是有较大差异的，纯气体测量忽略了混合气体中不同气体分子之间的相互作用，混合气体分子在分离膜表面及分离膜内部的作用力是不同于纯气体的，无论排水法和气体渗透速率仪法如何改进，也不能避免由此造成的结果误差。