聚酰亞胺纖維膜分離特性試驗研究

周宇 王洋洋 陳昂 凡佳飛

摘要：通過對不同膜材料的分離系數(shù)以及基本特性的比較，選擇了耐高溫、耐高壓、分離系數(shù)高的聚酰亞胺作為膜材料。以某型國產(chǎn)聚酰亞胺中空纖維膜組件為研究對象，搭建中空纖維膜分離性能測試試驗臺，針對分離性能隨引氣壓力、引氣溫度、飛行高度等因素的變化規(guī)律開展了試驗研究。研究結(jié)果可以為后續(xù)聚酰亞胺纖維膜的試驗設(shè)計、分離特性研究提供參考。

關(guān)鍵詞：聚酰亞胺；分離性能；試驗

中圖分類號：V228文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.02.009

對于飛機設(shè)計而言，燃油系統(tǒng)對飛機易損性的影響最大，而在燃油系統(tǒng)故障中，最大的威脅來自于燃油箱的燃燒和爆炸[1]。燃油箱貯存了飛機飛行所需的所有燃油，目前飛機所用的燃料主要為航空燃油，具有易揮發(fā)、易燃燒的特性。由于在燃油箱的氣相空間內(nèi)聚集了大量的易燃易爆的燃油蒸氣，當(dāng)燃油蒸氣和空氣的混合氣體處于易燃易爆極限范圍以內(nèi)時，在某些特定條件下（如油箱受到炮火攻擊、雷電閃擊、靜電放電或發(fā)生電路短路等情況），這些燃油蒸氣極易被點燃，并在油箱內(nèi)迅速燃燒，最終導(dǎo)致燃油箱的燃爆，引起災(zāi)難性的后果。

為避免燃油箱氣相空間內(nèi)可燃氣體被點燃后發(fā)生燃爆，一般采取有效的措施降低燃油箱氣相空間內(nèi)的氧濃度，從而減少燃油箱燃爆的概率。機載制氮惰化技術(shù)是目前實用的最為理想的燃油箱燃爆抑制技術(shù)[2]。機載制氮惰化技術(shù)[3-4]（OBIGGS）就是從飛機發(fā)動機或環(huán)控系統(tǒng)引氣，通過機載空氣分離裝置制取富氮氣體，并將富氮氣體充入油箱完成惰化，使得飛機燃油箱上部空間中的氧濃度在飛行過程中始終保持低于支持燃油燃燒所需的氧濃度水平[5]。

目前，機載制氮惰化技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的是滲透膜制氮系統(tǒng)。滲透膜制氮系統(tǒng)通過中空纖維膜分離技術(shù)[6-7]，在壓差作用下，利用中空纖維膜對N2和O2的選擇透過性不同，將空氣分離為富氮氣體和富氧氣體，滲透膜材料不同，對N2和O2的滲透速率不同，制氮效率也不一樣。

針對中空纖維膜，國內(nèi)外已開展了大量的理論與試驗研究工作，并取得了較為豐碩的成果。劉猛等[8]對中空纖維膜組件的溫度特性進行了分析；賀高紅等[9]對中空纖維膜絲內(nèi)壓降規(guī)律進行了研究；劉小芳、馮詩愚等[10-11]對中空纖維膜分離性能進行了試驗；Katoh等[12]、Rezakazemi等[13]、Miramini等[14]進行了中空纖維膜分離過程的仿真分析。

實際上，中空纖維膜組件是由上萬根中空纖維膜絲在殼體內(nèi)沿軸線方向集成纖維絲束進行氧氮分離的，其模型較為復(fù)雜，計算量太大，一般都是對單根膜絲進行建模計算。理論上，中空纖維膜的分離性能可采用膜分離系數(shù)來描述，但上述研究均顯示，中空纖維膜的非理想化現(xiàn)象極其嚴重，理論描述與實際情況差距較大，試驗測試仍是獲取其性能的最主要方式。

本文介紹了中空纖維膜的分離原理，通過搭建試驗臺，以某型國產(chǎn)聚酰亞胺中空纖維膜組件為研究對象，試驗測試了引氣壓力、引氣溫度以及飛行高度等因素對中空纖維膜組件分離性能的影響。在此基礎(chǔ)上，研究了聚酰亞胺纖維膜在不同工況下的分離性能。

1纖維膜材料選擇

中空纖維膜分離過程中傳質(zhì)驅(qū)動力是壓力，在中空纖維膜兩側(cè)壓差的推動下，氣體各組分透過纖維膜的速率不同，從而達到分離[15]，其基本原理如圖1所示。通常，將膜入口引氣稱為原料氣，出口產(chǎn)氣稱為產(chǎn)品氣，產(chǎn)品氣又稱為慢氣、滲余氣。滲余氣因為透過纖維膜的速率較慢，通常沿纖維膜絲富集在纖維膜軸側(cè)，而被膜排掉的氣體稱為滲透氣，也稱為快氣。由于透過纖維膜的速率較快，通常沿纖維膜富集在徑側(cè)位置。

通常，所有的高分子材料對任一種氣體都是可以滲透的，但是不同氣體的滲透速率不同，甚至相差特別大。滲余氣和滲透氣并不是絕對的，而是相對的，是針對不同的氣體組成而言的[16]。對于中空纖維膜制氮來說，主要是針對氧氣和氮氣的分離，其中氧氣透過纖維膜的速率大于氮氣，所以氧氣是滲透氣，氮氣是滲余氣，分別沿纖維膜軸向和徑向生成富氮氣體（NEA）和富氧氣體（OEA）。不同氣體透過纖維膜的速率如圖2所示。

不同纖維膜材料的分離系數(shù)不同，而分離系數(shù)是表征纖維膜對組分的選擇分離性能，兩組分的分離系數(shù)越大，表明分離效果越好。常見的膜材料包括聚酰亞胺（Matrimid）、纖維素乙酸酯（CA-2.45）、聚砜（PSF）、聚苯醚（PPO），改性聚碳酸酯（TB-BisA-PC）等，不同纖維膜材料對不同氣體組分的分離系數(shù)見表1。

由表1可知，聚酰亞胺對氧氮組分的分離系數(shù)為6.6，高于聚砜和聚苯醚材料。此外，不同膜材料的基本特性比較見表2。

由表2可知，聚酰亞胺材料的纖維膜耐溫好，可在更高的工作溫度下工作，且強度高，能承受更高的工作壓力。此外，聚酰亞胺化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高熔點，即使被油類物質(zhì)污染，也不容易溶脹，可通過高溫再生，顯著恢復(fù)性能，維修性更好。因此，選用聚酰亞胺材料的纖維膜進行分離特性試驗研究。

2試驗臺搭建

本文采用的試驗臺如圖3所示。它由引氣處理裝置、三綜合環(huán)境箱、NEA/OEA測試裝置和測控臺組成。通過引氣處理裝置完成對氣源的過濾和干燥處理，并根據(jù)電器調(diào)壓閥和電加熱器的參數(shù)設(shè)置模擬不同的引氣狀態(tài)；通過真空泵組控制三綜合環(huán)境箱的壓力，實現(xiàn)對飛行高度的模擬；通過NEA/OEA測試裝置和測控臺實現(xiàn)富氮氣體流量和濃度的控制。

氣源經(jīng)過過濾器、冷干機和干燥機預(yù)處理后，由電器調(diào)壓閥調(diào)節(jié)氣源壓力、電加熱器控制氣源溫度，然后進入空氣分離裝置入口。裝置NEA出口與閥組連接，通過調(diào)節(jié)調(diào)流閥組的開度，控制出口的NEA流量，通過氣體采樣測量出口氧濃度。OEA出口通入油箱，油箱與真空泵組相連，通過調(diào)節(jié)真空度調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)不同高度的模擬。試驗臺通過溫度變送器、壓力傳感器和流量計與計算機配合工作，可對每次試驗結(jié)果進行記錄，將引氣壓力、引氣溫度、進氣流量、OEA出口壓力、NEA流量、NEA濃度、NEA溫度等參數(shù)在測控臺界面上按曲線形式顯示出來。在試驗過程中，輸入?yún)?shù)設(shè)置完成后，觀察NEA出口濃度、流量曲線，待曲線保持穩(wěn)定并持續(xù)1～2min后，進行讀數(shù)，并記錄試驗結(jié)果。

在試驗中，引氣壓力（表壓）分別控制為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5MPa；引氣溫度分別控制為60、70、80、90、110℃；背壓（表壓）分別為0、-0.015、-0.03、-0.04、-0.05、-0.06、-0.07、-0.08MPa，即飛行高度為0、1328、2859、4031、5370、6941、8856、11354m。

3聚酰亞胺纖維膜分離性能與影響因素分析

氣體滲透的快慢程度可以由滲透速率來表示，滲透速率與膜面積、膜兩側(cè)壓力差、滲透系數(shù)成正比，與膜厚度成反比。針對某型國產(chǎn)聚酰亞胺中空纖維膜組件，其膜厚度、膜面積是固定的，滲透系數(shù)隨著溫度的增加而增大，膜兩側(cè)壓力差與引氣壓力和飛行高度有關(guān)。

3.1引氣溫度對聚酰亞胺中空纖維膜的性能影響

引氣溫度會影響纖維膜的滲透系數(shù)，從而影響氣體的滲透速率，保證其他因素不變，改變引氣溫度。以引氣壓力（表壓）為0.1MPa、飛行高度為0km為例，引氣溫度對NEA濃度、NEA流量的影響如圖4所示。

由圖4可見，在飛行高度和引氣壓力不變，NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著溫度的增加而增加；在低濃度時，溫度對流量的影響較為明顯，在高濃度時，流量變化不明顯，但總體趨勢一致。這是因為隨著引氣溫度的上升，纖維膜的工作溫度升高，分子鏈運動加劇，有利于增大膜的滲透系數(shù)，從而提高膜的滲透速率，以產(chǎn)生更多的氮氣；在一定的高度和引氣壓力下，NEA流量會隨著濃度的增加而逐漸減少。

3.2引氣壓力對聚酰亞胺中空纖維膜的性能影響

引氣壓力會影響纖維膜兩側(cè)壓差，從而影響氣體的滲透速率，保證其他因素不變，改變引氣壓力。以引氣溫度為90℃、飛行高度為0km為例，引氣壓力對NEA濃度、NEA流量的影響如圖5所示。

由圖5可見，在飛行高度和引氣溫度不變，NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著引氣壓力的增加而增加；NEA濃度越低，引氣壓力對NEA流量的影響越明顯。這是因為引氣溫度和飛行高度一定時，隨著引氣壓力的增加，聚酰亞胺纖維膜兩側(cè)壓差增加，有利于提高聚酰亞胺膜的滲透速率，使更多的氧氣滲透出去。

3.3飛行高度對聚酰亞胺中空纖維膜的性能影響

飛行高度會影響纖維膜兩側(cè)壓差，從而影響氣體的滲透速率，保證其他因素不變，改變飛行高度。以引氣溫度為80℃、引氣壓力（表壓）為0.1MPa為例，飛行高度對NEA濃度、NEA流量的影響如圖6所示。

由圖6可見，在引氣溫度和引氣壓力不變，NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著飛行高度的增加而增加；飛行高度一定時，NEA流量隨著NEA濃度的增加而減小。這是因為隨著高度的增加，富氧口的背壓越來越高，引氣壓力不變的條件下，中空纖維膜內(nèi)外壓差越來越大，有利于提高聚酰亞胺膜的滲透速率，NEA流量增加。

4結(jié)論

本文通過設(shè)計搭建空氣分離裝置的試驗臺，對某型國產(chǎn)聚酰亞胺中空纖維膜的分離性能隨引氣壓力、引氣溫度、飛行高度等因素的變化規(guī)律進行了試驗研究，研究結(jié)果表明：

（1）在飛行高度和引氣壓力不變、NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著溫度的增加而增加。在低濃度時，溫度對流量的影響較為明顯；在高濃度時，流量變化不明顯，但總體趨勢一致。

（2）在飛行高度和引氣溫度不變、NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著引氣壓力的增加而增加；NEA濃度越低，引氣壓力對NEA流量的影響越明顯。

（3）在引氣溫度和引氣壓力不變，NEA濃度一定的條件下，NEA流量隨著飛行高度的增加而增加；飛行高度一定時，NEA流量隨著NEA濃度的增加而減小。

參考文獻

[1]王盛園.基于國產(chǎn)燃油物理-化學(xué)特性的油箱可然性評估技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2015. WangShengyuan.Researchonfueltankflammability evaluationtechnologybasedonphysical-chemical characterisiticsofdomesticfuel[D].Nanjing：Nanjing University ofAeronautics andAstronautics， 2015. （in Chinese）

[2]周宇，谷立新，陳廣豪.耗氧惰化系統(tǒng)混合產(chǎn)氣的油箱充填特性研究[J].航空科學(xué)技術(shù)，2019，30（11）：48-52. Zhou Yu， Gu Lixin， Chen Guanghao. Study on filling characteristics of mixed gas produced by oxygen consumption inerting system[J]. Aeronautical Science & Technology， 2019， 30（11）：48-52. （in Chinese）

[3]鄧景輝.直升機技術(shù)發(fā)展與展望[J].航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（1）：10-16. Deng Jinghui. Development and prospect of helicopter technology[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021，32（1）： 10-16.（in Chinese）

[4]于琦.國外直升機發(fā)展特點及市場態(tài)勢分析[J].航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（1）：23-28. Yu Qi. Analysis on the development characteristics and market situation of foreign helicopters[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021，32（1）：23-28.（in Chinese）

[5]Johnson R L，Joseph B G. Aircraft fuel tank inerting system[J]. Air Search Manufacturing Company，1983（5）：154-176.

[6]韓光瑤.中空纖維膜分離制氮系統(tǒng)簡介[J].橡塑技術(shù)與裝備，2001，27（6）：32-34. Han Guangyao. Brief introduction of hollow fiber membrane separation nitrogen production system[J]. Rubber and Plastic Technology and Equipment， 2001， 27（6）：32-34. （in Chinese）

[7]杜雄偉，劉應(yīng)書.變壓膜滲透空氣分離制氮[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2007，29（26）：617-621. Du Xiongwei， Liu Yingshu. Variable pressure membrane infiltration air separation for nitrogen production[J]. Journal of Beijing University of Science and Technology， 2007， 29（26）： 617-621. （in Chinese）

[8]劉猛，王浚.一種富氧中空纖維膜組件的溫度特性[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004，30（3）：280-282. Liu Meng， Wang Jun. Temperature characteristics of an oxygen-enriched hollow fiber membrane module[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2004， 30（3）：280-282. （in Chinese）

[9]賀高紅，鄒越，徐仁賢，等.中空纖維氣體分離膜絲內(nèi)壓降規(guī)律的研究[J].膜科學(xué)與技術(shù)，1993，13（2）：22-28. He Gaohong， Zou Yue， Xu Renxian， et al. Research on the law of pressure drop in hollow fiber gas separation membrane[J]. Mem brane Science and Technology， 1993， 13（2）：22-28. （in Chinese）

[10]劉小芳，劉衛(wèi)華，錢國誠，等.機載中空纖維膜富氮性能試驗[J].航空動力學(xué)報，2012，27（5）：976-980. Liu Xiaofang， Liu Weihua， Qian Guocheng， et al. Experiment on nitrogen-enrichment performance of airborne hollow fiber membrane[J]. Journal of Aerospace Power， 2012， 27（5）：976-980. （in Chinese）

[11]馮詩愚，盧吉，劉衛(wèi)華，等.機載制氮系統(tǒng)中空纖維膜分離特性[J].航空動力學(xué)報，2012，27（6）：1332-1339. Feng Shiyu， Lu Ji， Liu Weihua， et al. Separation characteristics of hollow fiber membrane in airborne nitrogen production system[J]. Journal of Aerospace Power， 2012， 27（6）： 1332-1339. （in Chinese）

[12]Katoh T，Tokumura M，Yoshikawa R，et al. Dynamic simulation of multicomponent gas separation by hollow fiber membrane module：nonideal mixing flows in permeate and residue sides using the tanks-in-series model[J]. Separation and Purification Technology，2011，76（3）：362-372.

[13]Rezakazemi M，Niazi Z，Mirfendereski M，et al. CFD simulation of natural gas sweetening in a gas-liquid hollow fiber membrane contacto[J]. Chemical Engineering Journal，2011，168（3）：1217-1226.

[14]Miramini S A，Razavi S M R，Ghadiri M，et al. CFD simulation of acetone separation from an aqueous solution using supercritical fluid in a hollow-fiber membrane contactor[J].ChemicalEngineeringandProcessing：Process Intensification，2013，72：130-136.

[15]蘇毅，胡亮，劉謀盛.氣體膜分離技術(shù)及應(yīng)用[J].石油與天然氣化工，2001，30（3）：113-116. Su Yi， Hu Liang， Liu Mousheng. Gas separation membrane technology and application[J]. Oil and Gas Chemical Industry， 2001， 30（3）：113-116. （in Chinese）

[16]周國慶.聚酰亞胺中空纖維膜對氙的富集和雜質(zhì)氣體去除性能研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2016. Zhou Guoqing. Study on the performance of ployimide hollow fiber membrane for xenon enrichment and impurity gas removal[D]. Lanzhou： Lanzhou University， 2016. （in Chinese）

Experimental Research on Separation Characteristics of Polyimide Fiber Membrane

Zhou Yu1，Wang Yangyang1，Chen Ang1，F(xiàn)an Jiafei2

1. The Aviation Electromechanical System Integration of Aviation Science and Technology Key Laboratory，AVIC Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems，Nanjing 211106，China

2. The Third Military Representative Office of the Air Force Equipment Department in Nanjing，Nanjing 211106，China

Abstract： By comparing the separation coefficient and basic characteristics of different membrane materials， polyimide with high temperature resistance， high pressure resistance and high separation coefficient is selected as the membrane material. Taking a certain type of domestic polyimide hollow fiber membrane module as the research object， a test bench for the separation performance of hollow fiber membrane is built， and experimental research is carried out on the variation law of separation performance with bleed air pressure， bleed air temperature， flight height and other factors. The results can provide a reference for the subsequent experimental design and seperation characteristics of polyimide fiber membrane.

Key Words： polyimide； separation performance； experiment

Received： 2021-10-08；Revised： 2021-11-17；Accepted： 2021-12-19