第十章渗透汽化

1、目录目录一、概述一、概述二、渗透汽化的基本原理质量传递二、渗透汽化的基本原理质量传递三、渗透汽化过程的特点三、渗透汽化过程的特点四、四、 影响渗透汽化过程的因素影响渗透汽化过程的因素五、渗透气化膜五、渗透气化膜六、渗透汽化膜组件及过程优化六、渗透汽化膜组件及过程优化七、渗透汽化的应用七、渗透汽化的应用1.什么是渗透汽化？什么是渗透汽化？ 英文为：pervaporation简称PVAP或PV。 在膜两侧压差（跨膜压差）作用下，使料液侧混合物中优先吸着组分渗透通过膜，并在（邻近）下游侧膜截面上汽化，达到混合物脱水（易挥发溶质)与分离，获得纯化产物的一种新型膜分离技术。分离目的：挥发性液体混合物的分

2、离。 推 动 力： 分压差、浓度差 截流组分：不易溶解组分或较大、较难挥发物 透过组分：膜内易溶解或易挥发组分 料液物态：原料为液体，透过物为汽态 透过组分在料液中的含量：少量组分2.渗透汽化的分类渗透汽化的分类按照形成膜两侧蒸汽压差的方法渗透汽化有以下几种。（1）真空渗透汽化）真空渗透汽化膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧蒸汽压差。 （2）热渗透）热渗透汽化汽化 通过加热进料液和透过测冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。 热渗透汽化的费用低于真空渗透汽化的费用。（3）载气吹扫渗透汽化）载气吹扫渗透汽化 用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分。吹扫气经冷凝后回收透过组分。载气循环使用。透过组

3、分无回收价值时，将吹扫气放空。（4）可凝性载气的渗透汽化）可凝性载气的渗透汽化 当透过组分与水不互溶时，可采用低压水蒸气为吹扫载气。 适用于从水溶液中脱除低浓度甲苯、二氯乙烷等有非水溶性机溶剂。（5）渗透液冷凝分相后部分循环）渗透液冷凝分相后部分循环 当透过组分在水中有一定溶解度时，透过物冷凝分相后，含有溶剂的水相可循环回入料液侧。（6）渗透液部分冷凝的渗透汽化）渗透液部分冷凝的渗透汽化 在第一冷凝器中，通过部分冷凝提高透过组分的浓度。 原料液进入膜组件，因为膜后侧处于低压，易挥发组分通过膜后即汽化成蒸气，蒸气用真空泵抽走或用惰性气体吹扫等方法除去，使渗透过程不断进行。原液中各组分通过膜的速率

4、不同，透过膜快的组分就可以从原液中分离出来。膜组件流出的渗余物是纯度较高、透过速率较慢的组分。 为了增大过程的推动力、提高组分的渗透通量，一方面要提高料液温度，通常在流程中设预热器；另一方面要降低膜后侧组分的蒸气分压。其分离机理可分为其分离机理可分为3步：步：一、(溶解扩散模型)被分离的物质在膜表面上有选择地被吸附并被溶解；通过扩散在膜内渗透；在膜的另一侧变成气相脱附而与膜分离。PV过程原理示意图下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图二、孔流模型二、孔流模型 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液气相界面； 组分在液气相界面处蒸发； 气体从界面片沿孔道传输出去

5、。三、三、 虚拟相变溶解扩散模型虚拟相变溶解扩散模型 该模型假定渗透汽化过程是液体渗透和蒸汽渗透过程的串联耦合过程, 渗透物通过下述过程完成传质: 渗透物在进料侧膜面溶解; 在活度梯度作用下以液体渗透方式到达汽液界面; 在界面处发生虚拟相变; 在活度梯度作用下以蒸汽渗透方式到达膜透过侧; 在膜透过侧解吸。与传递的溶解扩散模型相比, 该模型的主要不同在于膜内存在压力梯度和虚拟相变。1分离系数大。针对不同物系的性质，选用适当的膜材料与制膜方法可以制得分离系数很大的膜，一般可达几十、几百、几千、甚至更高。因此只用单极即可达到很高的分离效果。 2渗透汽化虽以组分的蒸汽压差为推动力，但其分离作用不受组分

6、汽液平衡的限制，而主要受组分在膜内渗透速率控制。各组分分子结构和极性等的不同，均可成为其分离依据。因此，渗透汽化适合于用精馏方法难以分离的近沸物和恒沸物的分离。 3过程中不引入其它试剂，产品不会受到污染。 4过程简单，附加的处理过程少，操作比较方便。 5过程中透过物有相变，但因透过物量一般较少，汽化与随后的冷凝所需能量不大。 6渗透通量小，一般小于1000g/m2h，而选择性高的膜，其通量往往只有100g/m2h左右，甚至更低。 7膜后侧需抽真空，但通常采用冷凝加抽真空法，需要由真空泵抽出的主要是漏入系统的惰性气体，抽气量不大。常用渗透汽化膜及性能1优先透水膜优先透水膜膜的活性层含亲水性基团的

7、聚合物 非离子型聚合物膜聚乙烯醇、聚羟基甲撑、甲氧基甲基化尼龙-3、交联聚甲基丙烯酸。它们分别含OH、NHCO、OCH3、OCOCH3等非离子性亲水基团。 离子型聚合物膜根据固定基团分为阳离子聚合物与阴离子聚合物两类。膜材料中具有离子基团可以有效地提高膜对水的选择透过性与渗透通量。 共聚共混改性膜将亲水基团引入疏水膜中，通常采用共聚、共混、接枝等方法。2优先透有机物膜优先透有机物膜优先透有机物的膜材料通常是极性低、表面能低、溶解度参数小的聚合物。如硅橡胶、含氟聚合物、纤维素衍生物和聚苯醚等。 有机硅聚合物具有憎水、耐热、很高的机械强度和化学稳定性，对醇、酯、酚、酮、卤代烃、芳香族烃、吡啶等有机

8、物有良好的吸附选择性。 含氟聚合物主要有聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚磺化氟乙烯基醚与聚四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯与聚六氟丙烯的等离子共聚物等。 维素衍生物纤维素类材料易于酯化、醚化、接枝、共聚、交联等，并且与许多聚合物都有良好的共混性。通过各种改性手段调节憎水官能团的比例。3有机物分离膜有机物分离膜工业上分离有机混合物渗透汽化膜的尚处于开发阶段。醇 / 醚分离膜主要的例子有甲醇/甲基叔丁基醚和乙醇/乙基叔丁基醚的膜材料主要有乙酸纤维素、聚酰亚胺、聚苯醚等。 芳烃 / 烷烃分离膜例如苯/环己烷、甲苯/正辛烷或异辛烷的等的分离。 同分异构体的分离膜如混合二甲苯、丁醇异构体等的分离 。 芳

9、烃 / 醇类分离膜如苯、甲苯、与乙醇、甲醇组成的混合液的分离 ，属非极性与极性体系，利用其极性和分子尺寸的差别选用和设计膜材料。 渗透汽化膜组件可以是板框式、卷式和中空纤维式。板框式与后者相比容易密封 ,透过侧空间比较大。Lurgi公司板框式膜组件示意图公司板框式膜组件示意图卷式膜组件卷式膜组件中空纤维膜组件中空纤维膜组件渗透汽化过程的优化渗透汽化过程的优化渗透汽化的操作温度 渗透通量与温度的关系遵循ArriheniusArrihenius公式。温度高，渗透通量大，所需膜面积小，膜组件投资少。温度高，膜的使用寿命短，更换膜的费用高。2.中间加热 料液温度下降，渗透通量减小，必须进行中间加热，提

10、高料液温度，使过程的渗透通量始终保持在较高水平，以减少所需总膜面积，减少设备投资。但是中间加热次数的增加，也有使膜组件和中间加热器设备费用增加。3. 膜后侧压力 膜后侧压力愈低，过程的推动力愈大，渗透通量愈大，所需膜面积愈小，膜组件的费用低。但是压力愈低，真空泵的负荷大，要求渗透汽的冷凝温度低，冷凝器大，能耗大。4. 渗透汽的冷凝温度 冷凝温度取决于压力和渗透汽的性质。对于一定的渗透汽，冷凝温度低，渗透汽排出量少，真空泵投资少，能耗低，但是冷凝器本身的费用高。求出最佳的冷凝温度可以使真空泵与冷凝器的费用之和最少。有机溶剂脱水有机溶剂脱水 这是PV过程研究最多，产业化最早，应用最普遍，技术最成熟

11、的领域。无水乙醇的生产、异丙醇的脱水浓缩、苯中微量水的脱除、碳六溶剂中微量水的脱除。 一般采用亲水性的聚乙烯醇(PVA)为分离层，聚丙烯腈(PAN)多孔膜为支撑层的PVA/PAN复合膜。 从国际上已投产的PV工业装置的运行结果表明，与传统的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用PV技术生产无水乙醇，可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的1/2 1/3，整个生产装置总投资为传统分离方法总投资的40%80%。乙醇、异丙醇脱水平板式工业化装置乙醇、异丙醇脱水平板式工业化装置Glycol/water separation processDehydration of Ethylene Dichloride (EDC) 1

12、,2-二氯乙烷 2. 水中脱除有机物水中脱除有机物 PV法进行水中有机物的脱除及回收，20世纪90年代初期实现工业化应用，比有机溶剂脱水约晚10年的时间。已经开发出包括硅橡胶膜在内的多种膜材料，其中用于脂肪烃、卤化烃、芳香族化合物（如环已烷、已烷、氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分离因子为2001 000；用于醇、酮、酯、醛的分离因子为20200；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为520。 目前，用PV技术提取或脱除有机物的主要应用有：1）从废水中去除有机污染物，如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃等；2）从酒类饮料中回收乙醇；3）从果汁、饮料中回收芳香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。

13、 Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem美国美国MTR公司用卷式渗透汽化膜脱除水中的三氯乙烷公司用卷式渗透汽化膜脱除水中的三氯乙烷3有机混合物的分离有机混合物的分离 石油化工中有大量的有机混合物需要分离,有相当一部分有机混合物是恒沸物、近沸点及同分异构物,用普通的精馏方法不能分离或难于分离. 用恒沸蒸馏或萃取精馏需加入第三组分,这不但使分离过程复