第十章滲透汽化

1、目錄目錄一、概述一、概述二、滲透汽化的基本原理質量傳遞二、滲透汽化的基本原理質量傳遞三、滲透汽化過程的特點三、滲透汽化過程的特點四、四、 影響滲透汽化過程的因素影響滲透汽化過程的因素五、滲透氣化膜五、滲透氣化膜六、滲透汽化膜組件及過程優(yōu)化六、滲透汽化膜組件及過程優(yōu)化七、滲透汽化的應用七、滲透汽化的應用1.什么是滲透汽化？什么是滲透汽化？ 英文為：pervaporation簡稱PVAP或PV。 在膜兩側壓差（跨膜壓差）作用下，使料液側混合物中優(yōu)先吸著組分滲透通過膜，并在（鄰近）下游側膜截面上汽化，達到混合物脫水（易揮發(fā)溶質)與分離，獲得純化產(chǎn)物的一種新型膜分離技術。分離目的：揮發(fā)性液體混合物的分

2、離。 推 動 力： 分壓差、濃度差 截流組分：不易溶解組分或較大、較難揮發(fā)物 透過組分：膜內易溶解或易揮發(fā)組分 料液物態(tài)：原料為液體，透過物為汽態(tài) 透過組分在料液中的含量：少量組分2.滲透汽化的分類滲透汽化的分類按照形成膜兩側蒸汽壓差的方法滲透汽化有以下幾種。（1）真空滲透汽化）真空滲透汽化膜透過側用真空泵抽真空，以造成膜兩側蒸汽壓差。 （2）熱滲透）熱滲透汽化汽化 通過加熱進料液和透過測冷凝的方法，形成膜兩側組分的蒸汽壓差。 熱滲透汽化的費用低于真空滲透汽化的費用。（3）載氣吹掃滲透汽化）載氣吹掃滲透汽化 用載氣吹掃膜的透過側，以帶走透過組分。吹掃氣經(jīng)冷凝后回收透過組分。載氣循環(huán)使用。透過組

3、分無回收價值時，將吹掃氣放空。（4）可凝性載氣的滲透汽化）可凝性載氣的滲透汽化 當透過組分與水不互溶時，可采用低壓水蒸氣為吹掃載氣。 適用于從水溶液中脫除低濃度甲苯、二氯乙烷等有非水溶性機溶劑。（5）滲透液冷凝分相后部分循環(huán)）滲透液冷凝分相后部分循環(huán) 當透過組分在水中有一定溶解度時，透過物冷凝分相后，含有溶劑的水相可循環(huán)回入料液側。（6）滲透液部分冷凝的滲透汽化）滲透液部分冷凝的滲透汽化 在第一冷凝器中，通過部分冷凝提高透過組分的濃度。 原料液進入膜組件，因為膜后側處于低壓，易揮發(fā)組分通過膜后即汽化成蒸氣，蒸氣用真空泵抽走或用惰性氣體吹掃等方法除去，使?jié)B透過程不斷進行。原液中各組分通過膜的速率

4、不同，透過膜快的組分就可以從原液中分離出來。膜組件流出的滲余物是純度較高、透過速率較慢的組分。 為了增大過程的推動力、提高組分的滲透通量，一方面要提高料液溫度，通常在流程中設預熱器；另一方面要降低膜后側組分的蒸氣分壓。其分離機理可分為其分離機理可分為3步：步：一、(溶解擴散模型)被分離的物質在膜表面上有選擇地被吸附并被溶解；通過擴散在膜內滲透；在膜的另一側變成氣相脫附而與膜分離。PV過程原理示意圖下游抽真空或惰氣吹掃滲透汽化過程示意圖下游抽真空或惰氣吹掃滲透汽化過程示意圖二、孔流模型二、孔流模型 液體組分通過孔道傳輸?shù)侥饶程幍囊簹庀嘟缑妫?組分在液氣相界面處蒸發(fā)； 氣體從界面片沿孔道傳輸出去

5、。三、三、 虛擬相變溶解擴散模型虛擬相變溶解擴散模型 該模型假定滲透汽化過程是液體滲透和蒸汽滲透過程的串聯(lián)耦合過程, 滲透物通過下述過程完成傳質: 滲透物在進料側膜面溶解; 在活度梯度作用下以液體滲透方式到達汽液界面; 在界面處發(fā)生虛擬相變; 在活度梯度作用下以蒸汽滲透方式到達膜透過側; 在膜透過側解吸。與傳遞的溶解擴散模型相比, 該模型的主要不同在于膜內存在壓力梯度和虛擬相變。1分離系數(shù)大。針對不同物系的性質，選用適當?shù)哪げ牧吓c制膜方法可以制得分離系數(shù)很大的膜，一般可達幾十、幾百、幾千、甚至更高。因此只用單極即可達到很高的分離效果。 2滲透汽化雖以組分的蒸汽壓差為推動力，但其分離作用不受組分

6、汽液平衡的限制，而主要受組分在膜內滲透速率控制。各組分分子結構和極性等的不同，均可成為其分離依據(jù)。因此，滲透汽化適合于用精餾方法難以分離的近沸物和恒沸物的分離。 3過程中不引入其它試劑，產(chǎn)品不會受到污染。 4過程簡單，附加的處理過程少，操作比較方便。 5過程中透過物有相變，但因透過物量一般較少，汽化與隨后的冷凝所需能量不大。 6滲透通量小，一般小于1000g/m2h，而選擇性高的膜，其通量往往只有100g/m2h左右，甚至更低。 7膜后側需抽真空，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統(tǒng)的惰性氣體，抽氣量不大。常用滲透汽化膜及性能1優(yōu)先透水膜優(yōu)先透水膜膜的活性層含親水性基團的

7、聚合物 非離子型聚合物膜聚乙烯醇、聚羥基甲撐、甲氧基甲基化尼龍-3、交聯(lián)聚甲基丙烯酸。它們分別含OH、NHCO、OCH3、OCOCH3等非離子性親水基團。 離子型聚合物膜根據(jù)固定基團分為陽離子聚合物與陰離子聚合物兩類。膜材料中具有離子基團可以有效地提高膜對水的選擇透過性與滲透通量。 共聚共混改性膜將親水基團引入疏水膜中，通常采用共聚、共混、接枝等方法。2優(yōu)先透有機物膜優(yōu)先透有機物膜優(yōu)先透有機物的膜材料通常是極性低、表面能低、溶解度參數(shù)小的聚合物。如硅橡膠、含氟聚合物、纖維素衍生物和聚苯醚等。 有機硅聚合物具有憎水、耐熱、很高的機械強度和化學穩(wěn)定性，對醇、酯、酚、酮、鹵代烴、芳香族烴、吡啶等有機

8、物有良好的吸附選擇性。 含氟聚合物主要有聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚磺化氟乙烯基醚與聚四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯與聚六氟丙烯的等離子共聚物等。 維素衍生物纖維素類材料易于酯化、醚化、接枝、共聚、交聯(lián)等，并且與許多聚合物都有良好的共混性。通過各種改性手段調節(jié)憎水官能團的比例。3有機物分離膜有機物分離膜工業(yè)上分離有機混合物滲透汽化膜的尚處于開發(fā)階段。醇 / 醚分離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纖維素、聚酰亞胺、聚苯醚等。 芳烴 / 烷烴分離膜例如苯/環(huán)己烷、甲苯/正辛烷或異辛烷的等的分離。 同分異構體的分離膜如混合二甲苯、丁醇異構體等的分離 。 芳

9、烴 / 醇類分離膜如苯、甲苯、與乙醇、甲醇組成的混合液的分離 ，屬非極性與極性體系，利用其極性和分子尺寸的差別選用和設計膜材料。 滲透汽化膜組件可以是板框式、卷式和中空纖維式。板框式與后者相比容易密封 ,透過側空間比較大。Lurgi公司板框式膜組件示意圖公司板框式膜組件示意圖卷式膜組件卷式膜組件中空纖維膜組件中空纖維膜組件滲透汽化過程的優(yōu)化滲透汽化過程的優(yōu)化滲透汽化的操作溫度 滲透通量與溫度的關系遵循ArriheniusArrihenius公式。溫度高，滲透通量大，所需膜面積小，膜組件投資少。溫度高，膜的使用壽命短，更換膜的費用高。2.中間加熱 料液溫度下降，滲透通量減小，必須進行中間加熱，提

10、高料液溫度，使過程的滲透通量始終保持在較高水平，以減少所需總膜面積，減少設備投資。但是中間加熱次數(shù)的增加，也有使膜組件和中間加熱器設備費用增加。3. 膜后側壓力 膜后側壓力愈低，過程的推動力愈大，滲透通量愈大，所需膜面積愈小，膜組件的費用低。但是壓力愈低，真空泵的負荷大，要求滲透汽的冷凝溫度低，冷凝器大，能耗大。4. 滲透汽的冷凝溫度 冷凝溫度取決于壓力和滲透汽的性質。對于一定的滲透汽，冷凝溫度低，滲透汽排出量少，真空泵投資少，能耗低，但是冷凝器本身的費用高。求出最佳的冷凝溫度可以使真空泵與冷凝器的費用之和最少。有機溶劑脫水有機溶劑脫水 這是PV過程研究最多，產(chǎn)業(yè)化最早，應用最普遍，技術最成熟

11、的領域。無水乙醇的生產(chǎn)、異丙醇的脫水濃縮、苯中微量水的脫除、碳六溶劑中微量水的脫除。 一般采用親水性的聚乙烯醇(PVA)為分離層，聚丙烯腈(PAN)多孔膜為支撐層的PVA/PAN復合膜。 從國際上已投產(chǎn)的PV工業(yè)裝置的運行結果表明，與傳統(tǒng)的恒沸蒸餾和萃取精餾相比，采用PV技術生產(chǎn)無水乙醇，可使能耗大大降低，僅為蒸餾法的1/2 1/3，整個生產(chǎn)裝置總投資為傳統(tǒng)分離方法總投資的40%80%。乙醇、異丙醇脫水平板式工業(yè)化裝置乙醇、異丙醇脫水平板式工業(yè)化裝置Glycol/water separation processDehydration of Ethylene Dichloride (EDC) 1

12、,2-二氯乙烷 2. 水中脫除有機物水中脫除有機物 PV法進行水中有機物的脫除及回收，20世紀90年代初期實現(xiàn)工業(yè)化應用，比有機溶劑脫水約晚10年的時間。已經(jīng)開發(fā)出包括硅橡膠膜在內的多種膜材料，其中用于脂肪烴、鹵化烴、芳香族化合物（如環(huán)已烷、已烷、氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分離因子為2001 000；用于醇、酮、酯、醛的分離因子為20200；用于脫除甲醇、乙醇、乙醛的為520。 目前，用PV技術提取或脫除有機物的主要應用有：1）從廢水中去除有機污染物，如酚、苯、各種有機酸、酯、鹵代烴等；2）從酒類飲料中回收乙醇；3）從果汁、飲料中回收芳香物質，包括酯類、醛類和一些烴類。

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美國美國MTR公司用卷式滲透汽化膜脫除水中的三氯乙烷公司用卷式滲透汽化膜脫除水中的三氯乙烷3有機混合物的分離有機混合物的分離 石油化工中有大量的有機混合物需要分離,有相當一部分有機混合物是恒沸物、近沸點及同分異構物,用普通的精餾方法不能分離或難于分離. 用恒沸蒸餾或萃取精餾需加入第三組分,這不但使分離過程復