第十章_渗透汽化(PV)
东南大学渗透汽化论文
渗透汽化技术张丽娟东南大学化学化工学院化学工程专业摘要本文重点介绍了渗透汽化的基本原理、装置和流程示意图、应用领域以及工业化应用实例之一即已经投产在用的乙醇脱水工艺技术，同时也间接说明了渗透汽化在某些方面比传统精馏萃取等分离方法更具优势，是未来分离技术的前沿领域之一，具有更为广阔的应用前景。
关键词渗透汽化装置优势分离技术前沿领域1．基本原理渗透汽化(pervaporation,简称PV)技术是一种新兴的分离技术，也称渗透汽化膜分离技术。
其原理是利用高分子膜材料对有机混合物中各组分的溶解度(热力学性质)和扩散速度(动力学性质)的不同来实现组分分离的一种膜过程（如图1）。
膜分离过程中渗透汽化的原料则以液体形式供料，液体混合物原料经加热器加热到一定温度后，在常压下送入膜分离器与膜接触，在膜的下游侧用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。
渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度)的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。
不能透过膜的截留物流出膜分离器[1]。
图1 渗透汽化技术原理图2 渗透汽化装置及流程图2 装置及流程示意图[4]整个装置由三部分组成（如图2）：(1)料液和溶剂循环系统：包括料液罐和溶剂罐、加热系统、料液泵和溶剂泵以及流量计等。
实验中可以方便地设定料液或溶剂流量和温度,以测定不同操作条件下的膜分离性能。
通过自动控制加热系统,可以保证料液和溶剂温度在设定值处的波动范围为±0.2℃。
(2)膜组件：这是整个装置的核心部分。
它由料液侧和渗透物侧的两个腔室组成,中间由渗透膜分隔。
为了减小膜表面处因边界层的存在而引起的浓差极化现象对实验结果的影响,膜组件内的流体流动通道采用特殊的环形结构,以增大其湍动度。
同时,实验中可采用较大的料液流量并保持恒定,以保证膜组件内较大的流动雷诺准数,从而降低流动边界层的厚度。
(3)渗透物收集系统：包括液氮冷阱、真空泵和真空计等,主要用于收集渗透汽化过程渗透物。
渗透汽化实验课件
piw , permeate
xi
a b c d δ e
yi
膜
δsupport
实验的参数： 渗侧压力： 1013Pa 膜有效面积： A1=72.35cm2
2、渗透汽化装置
A2=46.5cm2
17
3、渗透汽化膜过程传质机理 发生了相 变
18
渗透汽化主要应用与哪些方面呢？
19
4. 渗透汽化的使用范围
1.44 1.42 1.4 1.38 1.36 1.34 1.32 0 0.2 0.4 26 0.6 0.8
系列1 线性 (系列1)
2
b）通量的计算（flux calculation）
渗透通量反映了膜处理能力的大小
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c）分离因子的计算（separation factor calculation）
分离因子反映了膜的选择性能
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思考题
1、渗透蒸发膜性能衡量指标是什么？ 2、渗透汽化分离的主要领域有哪些？ 3、渗透汽化分离的主要的优点是什么？ 4、渗透汽化和超滤膜分离有何不同点？ 5、结合本次渗透蒸发实验的结果,试从理论 上解释温度对渗透蒸发膜性能的影响。
29
提出实验要求： 实验中按时到课，迟到早退 扣分 每个人都动手做实验，在等待时间内注意观察 不能串岗或者离岗，不做与实验无关事情 扣分
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复合膜以选择性高、渗透通量大、机械强 度高、稳定性能好等特点受到广泛重视。
23
2、评价渗透汽化膜的特性 四个指标：
衡量一张渗透汽化膜的实用性一般用下面的 1：膜的分离因子α；
2：膜的渗透通量J；
3：膜的机械强度；
渗透汽化实验装置的搭建及其注意事项[整理]
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目录前言 (2)1 渗透汽化过程的基本原理 (2)1.1渗透汽化的特点 (3)2 渗透汽化分离性能评测实验装置的设计 (4)2.1设计思路 (4)2.1.1 准确的温度控制 (4)2.1.2浓差极化现象 (4)2.1.3 压力控制 (5)2.2 实验装置的简介 (6)2.3 实验过程 (6)3 渗透膜分离性能测评实验结果[12] (7)4 结论 (8)参考文献 (9)渗透汽化实验装置的搭建及其注意事项前言渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术，是目前膜分离领域的研究热点之一。
相对于其他膜分离过程而言，渗透汽化的研究起步较晚，但经过近十几年的迅速发展，已经在有机溶剂脱水、水中脱除微量有机物以及其它极性/非极性、饱和/非饱和有机物体系以及同分异构体的分离方面取得了重要的研究成果和应用[1,2 ]。
然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入[3]。
1 渗透汽化过程的基本原理渗透汽化是一种利用膜对不同组分的溶解和扩散能力的差异而实现液体混合物分离的高效分离技术，目前已在有机物中少量水的脱除等过程中取得工业应用。
渗透汽化过程的分离原理:具有致密皮层的渗透汽化膜将料液和渗透物分离为两股独立的物流，料液侧(膜上游侧或膜前侧)一般维持常压，渗透物侧(膜下游侧或膜后侧)则通过抽真空或载气吹扫的方式维持很低的组分分压。
在膜两侧组分分压差(化学位梯度)的推动下，料液中各组分扩散通过膜，并在膜后侧汽化为渗透物蒸气。
由于料液中各组分的物理化学性质不同，它们在膜中的热力学性质(溶解度)和动力学性质(扩散速度)存在差异，因而料液中各组分渗透通过膜的速度不同，易渗透组分在渗透物蒸气中的份额增加，难渗透组分在料液中的浓度则得以提高。
渗透汽化——精选推荐
第十章渗透汽化第一节概述一、渗透汽化的发展概况早在1917年Kober在他发表的一篇论文中第一个使用了渗透汽化（Pervaporation）这个词。
该文介绍了水从蛋白质－甲苯溶液通过火棉胶器壁的选择渗透作用。
但长期以来，由于未找到渗透通量高和选择性好的渗透蒸发膜材料，渗透蒸发过程一直没有得到应用。
直到上世纪50年代以后，对渗透汽化的研究才较广泛展开。
其中Binning等人对渗透蒸发过程进行了较系统的学术研究，发现了渗透蒸发过程潜在的工业应用价值，并于60年代在渗透汽化膜、组件和装置制造上申请了专利。
70年代后期至80年代初，随着对能源危机问题的日益重视，渗透汽化的优点又重新引起学术界和技术界的兴趣，德国GFT公司在欧洲首先建立了乙醇脱水制高纯酒精的渗透蒸发装置。
到90年代初已有100多套渗透蒸发装置相继投入应用。
除了用于乙醇、异丙醇脱水外，还用于丙酮、乙二醇、乙酸等溶剂的脱水。
我国在1984年前后开始对渗透汽化过程进行研究，主要工作集中在优先透水膜的研制与醇水溶液的脱水。
近年来主要开展优先透有机物膜、水中有机物脱除、有机物-有机物分离以及渗透汽化与反应耦合的集中过程的研究。
二、渗透汽化的分类渗透汽化是以混合物中组分蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程。
渗透汽化装置包括预热器、膜分离器、冷凝器和真空泵等四个主要设备。
料液进入渗透汽化膜分离器后，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，扩散快的组分较多透过膜进入膜后侧，经冷凝后达到分离目的。
按照形成膜两侧蒸汽压差的方法，渗透汽化主要有以下几种形式：1．减压渗透汽化：膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸汽压差。
在实验室中若不需收集透过侧物料，用该法最方便。
2．加热渗透汽化：通过料液加热和透过侧冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。
一般冷凝和加热费用远小于真空泵的费用，且操作也比较简单，但传质动力比第一类小。
3．吹扫渗透汽化：用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分，吹扫气经冷却冷凝以回收透过组分，载气循环使用。
渗透汽化论文(渗透汽化膜分离技术的进展及应用)
渗透汽化膜分离技术的进展及应用摘要: 综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状, 分析了各种模型的特点, 并就渗透汽化膜传递理论的研究方向提出了建议。
叙述了渗透汽化过程的新进展,并着重介绍了它在石化中的四方面应用,即(1) 有机溶剂及混合溶剂的脱水；(2) 废水处理及溶剂回收；(3) 有机混合物的分离；(4) 化学反应过程中溶剂的脱水。
关键词:渗透汽化；传递理论；模型；膜组件；脱水膜前言渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术。
自80年代以来, 渗透汽化技术得到了很大的发展, 目前世界范围内有100 多套工业装置。
然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入。
也提出了几种描述渗透汽化膜传递机理的模型, 其中主要有溶解扩散膜型和孔流模型[1]。
膜技术作为一种高新技术,近30 多年来获得了极为迅速的发展，已在石油化工、海运、冶金、电子、轻工、纺织、食品、医疗卫生、生化制药、环保、航天等领域内广泛应用，形成了独立的新兴技术产业。
据专家断言:“今后，谁掌握了膜技术,谁就掌握了石油化工技术的未来”。
1 渗透汽化过程传递机理1.1溶解扩散模型溶解扩散模型认为PV 传质过程分为三步: 渗透物小分子在进料侧膜面溶解(吸附) ; 在活度梯度的作用下扩散过膜; 在透过侧膜面解吸(汽化)。
在PV 的典型操作条件下, 第三步速度很快, 对整个传质过程影响不大。
而第一步的溶解过程和第二步的扩散过程不仅取决于高聚物膜的性质和状态, 还和渗透物分子的性质、渗透物分子之间及渗透物分子和高聚物材料之间的相互作用密切相关。
因而溶解扩散模型最终归结到对第一步和第二步, 即渗透物小分子在膜中的溶解过程和扩散过程的描述。
一般研究者都认为PV 过程的溶解过程达到了平衡[2]。
渗透气化技术
易地排出系统，膜后侧气体的流动阻力尽量小。
2.要求真空度高，对系统的密封材料要求较高 3.组件设计上可以不考虑料液流速的变化。
渗透汽化的装置
1.板框式组件
目前应用最为广 泛的渗透汽化膜 组件。
渗透汽化的装置
2.螺旋卷式膜组件
渗透汽化的装置
3.中空纤维式膜组 件
尽管已经广泛地用于
反渗透和气体分离等 膜过程中，但其在渗 透汽化过程的应用还 不普遍。
渗透汽化的装置
4.管式膜组件
应用
1.无水乙醇和燃 料乙醇的生产 恒沸物的分离是 渗透气化最能发 挥优势的领域。 其中无水乙醇的 生产时渗透汽化 脱水的典型
应用
2.异丙醇脱水
异丙醇是常用的有机溶剂和原料。目前，异丙醇脱水时除乙 醇脱水外，渗透渗透汽化过程主要的应用。
应用
3.苯中微 量水的脱 除 苯是重要 的化工原 料，在其 应用过程 中，许多 情况下需 将苯中的 微量水脱 至 0.005% 以下。
醇、醚混合物的分 离主要是甲醇/甲 基叔丁基醚和乙醇 /乙基叔丁基醚的 分离。
6.过程简单，操作方便
渗透汽化的操作模式
渗透汽化的推动力是组分在膜两侧的蒸汽分压差，分压差越 大，推动力越大，传质分离所需的膜面积就越小。一般采取 加热料液的方法来提高组分在膜上游侧的蒸汽分压，由于液 体压力变化对蒸汽压的影响不太敏感，料液侧通常采用常压
操作方式。可以采取以下几种方法来降低组分在膜下游侧的
渗透气化的特点
渗透汽化过程中最突出的优点是： 1.能够以较低的能耗实现蒸馏、萃取和吸收等传统分离方法难以 实现的分离任务。 2.高效，选择合适的膜，单级就能达到很高的分离度。 3.不引入其他溶剂，产品不会受到二次污染。
渗透汽化实验课件
9
3、反渗透
本章着重讨论渗透汽化（PV)的一些参数及其
操作情况。
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二、渗透汽化
1、渗透汽化的分离原理：溶质与膜的亲和 作用,与某一物质的极性相关 ➢具体工作原理：利用膜对液体混合物中 各组分的溶解性不同，及各组分在膜中的 扩散速度不同从而得以达到分离目的。 ➢优点： 高选择性，低消耗，为物理分离机制，操作灵活，
不需要额外的添加剂以及易于放大，无污染。
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2、分类 2.1 真空渗透汽化 膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组
分的分压差，该法简单，传质推动力大。
2.2 热渗透汽化
通过料液侧加热或透过侧冷凝的方法，形成 膜两侧组分的蒸汽压差。
2.3 不凝性载气吹扫渗透汽化
用不凝性载气吹扫膜的透过侧，带走渗透组 分，吹扫气冷凝回收透过组分，载气循环 使用，若不需要回收透过组分，载气可直 接放空。
液膜技术、气体渗透、渗透蒸发
6
膜分离发展过程和趋势
膜
反
活 化
闸 膜
应 器
传
递
电
渗
控析
制
气 体
释 放
渗 透
分 离
汽
双化
极
膜 液
膜
反 超 微透 渗 滤 滤析 透
渗透汽化
透过 液中 苯浓 度, wt% 1
1
0
气液平衡线
PE, A型，25°C PE, B型，35°C PE, B 型 ， 拉 伸 35°C CA/PPN-50, 74°C
料液中苯浓度,wt%
1
渗透汽化分类 -真空渗透汽化
膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧 组分的分压差，该法简单，传质推动力大， 适合实验室操作。
渗透汽化
渗透汽化 (pervaporation，即permeation－ vaporation，简称PV) ，最先由 Kober于本世纪初提 出，是近年来发展比较迅速的一种膜技术，它是利用 膜对液体混合物中各组份的溶解性不同，及各组份在 膜中的扩散速度不同从而得以达到分离目的。原则上 适用于一切液体混合物的分离，具有一次性分离度 高、设备简单、无污染、低能耗等优点，尤其是对于 共沸或近沸的混合体系的分离、纯化具有特别的优 势，是最有希望取代精馏过程的膜分离技术。
应用领域-渗透汽化与其他过程集成
在酯化反应中，可以利用 PV过程将反应产物中的水 不断脱除，达到提高反应速度和反应转化率的目的， 并可避免由于水的存在而使催化剂失活；在二甲基脲 的合成中，利用 PV技术可及时除去水份，从而达到减 少 CO2 的损失和碳酸钠废水的产生；在发酵法制乙醇 及制乳酸中利用PV可使产物与底物分离，促进生化反 应的进行。PV 与精馏集成的例子包括：羟酸酯生产中 分离羟酸酯/羟酸/醇恒沸物，二甲基碳酸酯生产中分离 二甲基碳酸酯/甲醇恒沸物，无水乙醇生产中分离乙醇/ 水恒沸物，甲基叔丁基醚生产中分离醇/醚/C4 恒沸物 等。
பைடு நூலகம்
料液
液
透余液
加热器
汽 不凝性载气循环
渗透液
冷凝器
渗透汽化(PV)及蒸汽渗透(VP)技术
渗透汽化过程的扩散过程一般用Fick定律来描述，即：
Ji
Di
dCm,i dx
目前扩散系数的计算方法主要有以下几类：
✓考虑浓度或活度对扩散系数影响的经验关联式；
✓从自由体积出发得到扩散系数；
✓从分子模拟出发计算扩散系数。
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孔流模型示意图
孔流模型
➢此模型假定膜中存在大量的贯穿膜的孔道。 所有的孔均处在一个等温条件下，孔道存在 一个液-汽界面，进料液侧孔中充满了液体， 透过侧孔中充满蒸气。
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溶解过程（热力学过程）
在溶解过程中，有机溶质在液/膜表面累积形成浓度分布层，理论上， 如果溶剂和聚合物之间存在分子和热力学相似，溶剂就能够在聚合物中吸 附和溶解。
一定温度、压力下，液膜和膜相达到溶解平衡时，液相浓度和膜相 浓度存在一下关系：
CM KSC
CM为渗透物小分子在膜相中的浓度，g·L-1；C为渗透物小分子在液相主 体中的浓度，Ks为溶解度系数。
液体组分通过孔道传输到液—汽界面，此为 Poiseuille流动；
组分在液—汽面发生相变而蒸发；
气体从界面处沿孔道传输出去。
➢尽管这两个模型在孔的特征上类似，但它们有着本质上的差别：
孔流模型定义的通道是固定的，而溶解扩散模型定义的通道是随机热运动的结 果。 孔流模型认为在膜内存在气--液界面，而溶解扩散模型认为汽化过程发生在膜 后侧表面。
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2.3理论模型
理论模型研究是从热力学和物理化学基本关系出发，根据过程理 论原理将膜通量表述为基本变量(如吸附、扩散系数)的函数，而这些 变量都可以通过单独的实验来确定。
溶解扩散模型
溶解扩散模型示意图
根据此模型，渗透汽化的传质过程可以 分为三步： 渗透物小分子在进料侧膜表面溶解(吸附)； 渗透物小分在化学位梯度的作用下从料液 侧穿过膜扩散到膜的透过侧； 在膜下游渗透物透过膜表面解吸汽化。
浅析渗透汽化膜脱水及其应用
浅析渗透汽化膜脱水及其应用王奇;王林风;闫德冉;刘天天【摘要】渗透汽化作为一种节能、低能耗、绿色环保的新型膜分离技术，正受到世界范围内越来越广泛的关注和研究。
文中简述了渗透汽化膜技术的基本原理、工艺流程和传质模型，介绍了影响分离效果的因素及特点；分析渗透汽化技术在有机溶剂脱水、水中脱除有机物以、有机物/有机物的分离以及化学反应中的工业应用情况，并进行经济性分析，最后展望了该技术的应用前景。
%Pervaporation , as a kind of energy saving , low energy consumption , a new type of membrane separation technology , green environmental protection got increasingly wide attention and researched world widely.The basic principle of pervaporation membrane technology , process flow and mass transfer model was briefly described , as well as the factors affecting separation effect and characteristics.The pervaporation technology in organic solvent dehydration , the water removal of organic matter , organic/organic separation as well as industrial application situation of chemical reaction were analyzed , and carried out economic analysis , and finally the application prospect of this technology was prospected.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2014(000)020【总页数】3页(P36-38)【关键词】渗透汽化;脱水;原理;模型【作者】王奇;王林风;闫德冉;刘天天【作者单位】河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳473000;河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳 473000;河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳 473000;河南天冠企业集团有限公司，车用生物燃料技术国家重点实验室，河南南阳 473000【正文语种】中文【中图分类】TQ028渗透汽化(Pervaporation，PV)又称作“渗透蒸发”，为膜分离技术的新秀，是一种相变过程的新型液体膜分离技术，涉及到众多学科，近年来逐渐成为国内外第三代膜技术研究和关注的焦点。
渗透汽化膜分离技术 乙醇水
渗透汽化膜分离技术乙醇水英文回答：Pervaporation (PV) Membrane Separation of Ethanol-Water Mixtures.Pervaporation (PV) is a membrane separation processthat utilizes a dense, non-porous membrane to selectively permeate one or more components of a liquid mixture through the membrane. In the case of ethanol-water mixtures, PV can be used to separate ethanol from water, which is a challenging separation due to the close boiling points and similar molecular sizes of the two components.The mechanism of PV involves the selective sorption of the permeating component(s) into the membrane material, followed by diffusion through the membrane and desorption on the permeate side. The driving force for PV is the difference in partial pressure of the permeating component(s) across the membrane.A variety of membrane materials have been investigated for ethanol-water PV, including polymeric membranes, inorganic membranes, and mixed matrix membranes. Polymeric membranes are typically made from glassy or rubbery polymers, and their performance is influenced by factors such as the polymer's chemical structure, morphology, and thickness. Inorganic membranes are typically made from ceramic or metal materials, and they offer high thermal stability and chemical resistance. Mixed matrix membranes combine the properties of polymeric and inorganic membranes, and they can exhibit improved performance compared toeither type of membrane alone.The performance of a PV membrane for ethanol-water separation is typically characterized by two parameters:the permeance and the selectivity. Permeance is the rate of permeation of the permeating component(s) through the membrane, and it is expressed in units of mol/(m^2 s Pa). Selectivity is the ratio of the permeance of the permeating component(s) to the permeance of the non-permeating component(s), and it is a measure of the membrane's abilityto separate the components of the mixture.PV has several advantages over other separation methods for ethanol-water mixtures, including:High energy efficiency.Low operating costs.Compact size.Scalability.PV is a promising technology for the separation of ethanol from water, and it is currently being used in a variety of industrial applications, including the production of bioethanol, the removal of ethanol from wastewater, and the purification of ethanol for use in food and beverage applications.中文回答：渗透汽化膜分离技术，乙醇水。
第十章 渗透汽化(PV)PPT课件
会导致膜的压密，透过率也不会随时间的延长而 减小；
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5. 与RO等过程相比，PV的通量要小得多，一般在 2000g/m2·h以下，而具有高选择性的则更小。 PV过程与RO、UF及GS等膜分离方法的最 大区别在于，前者的组分透过膜时，将产生相变。
2. 渗透汽化的分类
I. 减压渗透汽化 II. 加热渗透汽化 III. 吹扫渗透汽化 IV. 冷凝渗透汽化
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3. 渗透汽化（PV）的特点
1. 最大特点是单级选择性好。从理论上说，PV分离 的程度无极限，适合分离沸点相近的物质，尤其 适于恒沸物的分离。对于回收含量少的溶剂也不 失为一种好方法；
25渗Leabharlann 汽化的应用(续)2. 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200~1 000；用于醇、酮、酯、醛的分离因子为 20~200；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为5~20。
第十章
28.11.2020
1. 渗透汽化(Pervaporation)的概念
渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发）是指液体混合物 在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分较多地溶 解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被 抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是 由“permation”(渗透)和“evaporation”(蒸发)等两 个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为 “pervaporation”，简称PV。
(完整word版)渗透汽化技术
渗透汽化技术（PV)的应用杨丽琴、阴秋萍摘要：综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状，叙述了渗透汽化膜分离技术的基本原理及传质过程的机理，叙述了渗透汽化过程的进展，叙述了渗透汽化分离水中微量有机物及其在化工生产上的应用进行了介绍.关键词：渗透汽化；传递理论；原理；膜组件；脱水膜；应用1 引言渗透汽化（pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术。
该技术用于液体混合物的分离,其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务.它特别适用于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势;还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除,使反应转化率明显提高。
所以,渗透汽化技术在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场。
它是目前处于开发期和发展期的技术，国际学术界的专家们称之为21世纪最有前途的高技术之一。
2 渗透汽化膜分离技术2. 1 基本原理渗透汽化是利用致密高聚物膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能的不同实现组分分离的一种膜过程(如图1—1所示）。
液体混合物原料经加热器加热到一定温度后,在常压下送入膜分离器与膜接触,在膜的下游侧用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。
渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度）的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。
不能透过膜的截留物流出膜分离器。
2. 2 PV膜过程的特点(1）PV最突出的特点是分离系数大，单级即可达到很高的分离效果；（2) PV分离过程不受组分汽．液平衡的限制，适用于精馏等传统方法难以分离的近沸物和恒沸物的分离;(3) PV过程中透过物虽有相变，但因透过量较少，汽化与随后的冷凝所需能量不大；(4）便于放大及与其它过程耦合或集成;（5）能耗低，一般比恒沸精馏法节能1／2～1／3。
【文献综述】渗透汽化分离有机-有机恒沸体系的研究
文献综述应用化学渗透汽化分离有机-有机恒沸体系的研究随着当今社会的不断发展进步，人们对与生产实践密切相关的分离技术的要求越来越高，也在一定程度上增加了分离的难度。
在分离的过程中，涉及的方法也从简到繁、技术从低到高级、工艺从一种方法到多种联用，以满足人类对生活改善日新月异的需求。
为了适应这些需求，新的分离方法不断的涌现，膜分离技术就是其中之一。
渗透汽化（PV）是用于液体混合物分离的一种新型膜分离技术，已经被开发为工业上可以接收的实用化技术，至今已有十多年的历史。
[1]该技术可以用于液体混合物的分离，其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务。
它特别适用于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离，具有明显的技术上和经济上的优势；还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高。
[2]我国对渗透蒸发膜分离过程的研究开始于20世纪80年代初。
自1986年以来，这一领域的工作开始活跃起来，在膜材料、膜的制备和传递机理等方面的研究都取得了一定的进展。
1992年，清华大学研制的改性聚乙烯醇/聚丙烯腈（PVA/PAN）复合膜通过技术鉴定，1995年浙江大学与衢化公司合作进行了年生产无水乙醇80吨的中试试验，同年中国科学院化学所也进行了日处理量260升的工业酒精渗透蒸发脱水试验。
1998年在燕山石化建立我国第一个千吨级苯脱水示范工程，获得成功。
随着生产力的发展和科学技术的进步，渗透汽化膜分离技术的研究和开发也不断深入，应用领域也不断扩大。
聚乙烯醇（PVA）是聚乙酸乙烯的水解产物，其分子链上含有大量的羟基，所以是一种优先透水膜。
聚乙烯醇是一种水溶性聚合物，具有良好的水溶性、成膜性、粘接力和乳化性，有卓越的耐油脂和耐溶剂性能以及良好的物理和化学稳定性。
世界上第一张商品膜就是以聚乙烯醇为分离层而制备的渗透蒸发膜。
化工实验-渗透气化实验讲义
化工实验：渗透汽化实验讲义一. 简单介绍渗透蒸发（简称PV）是近年来发展起来的一种新的膜分离技术，利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程。
该过程伴有组分的相变过程。
渗透蒸发是一种无污染，低能耗的膜分离过程具有广泛的应用前景。
1：用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机溶剂进行脱水，典型的应用是处理生化发酵液，处理共沸精馏的液体。
2：利用憎水膜去除水中少量有机物，如卤代烃、酚类等，以及对石油工业中的烃类等有机物质的分离，各种同分异构体的分离。
3：用于有机合成，如对于酯化反应。
由于反应本身是可逆的，在反应物和产物之间有平衡关系，通常为得到更多的反应产物常常加入廉价的反应物质，使平衡向产物移动，提高产率，这牵涉了很多的问题如反应物大量消耗等，若采用渗透蒸发在反应的同时连续的把产物中的水除去，就可以使平衡向右移动，得到更多的产物，这在工业应用中意义重大。
总之:渗透蒸发在分离过程不受汽液平衡的限制,对共沸物系，沸点相近物质、同分异构体混合物、受热易分解物质以及水中微量有机物质的脱除等方面具有独特的优势。
与传统的分离过程相比，它具有高选择性，低消耗，为物理分离机制，操作灵活，不需要额外的添加剂以及易于放大，无污染的等优点.实验原理利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程；该过程伴有组分的相变过程。
传质模型：1: 渗透蒸发的串联阻力模型渗透蒸发传质过程主要包括：1:渗透组分首先由料液主体扩散至膜的上游侧料液与膜的界面;2:渗透组分吸附在膜的表面；3:渗透组分扩散通过膜至膜的下游4:透组分在渗透侧脱吸为气相；5:渗透组分由气-膜界面扩散至气相主体（浓度或者压力）。
2:溶解扩散模型Binning 等首先将溶解扩散模型用来描述渗透蒸发过程,并得到了广泛认可. 根据溶解扩散模型,渗透蒸发过程分为以下3 个步骤:1:组分在膜上游侧的溶解;2:组分在膜中的扩散;3:组分在膜下游侧的解吸. 需要注意的是,膜中浓度分布取决于膜的溶胀.溶解扩散模型假设过程温度和压力恒定,膜上(下) 游侧表面溶解(解吸) 过程均达到热力学平衡,过程的推动力为活度梯度或浓度梯度.二、渗透蒸发膜渗透蒸发膜是整个PV过程的关键部分，所以目前国内外的研究大部分都集中在PV膜的开发上面。
第十章渗透汽化
下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图
二、孔流模型
①液体组分通过孔道传输到膜内某处的液~气相界面； ②组分在液~气相界面处蒸发； ③气体从界面片沿孔道传输出去。
三、 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。
常 用 渗
透
汽
化 膜 及 性 能
1．优先透水膜
膜的活性层含亲水性基团的聚合物 • 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。
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 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/m2•h，而选择性高的膜，其通量往 往只有100g/m2•h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。
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乙二醇/水
Glycol/water separation process
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Dehydration of Ethylene Dichloride (EDC) 1,2-二氯乙烷
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Photograph of a 50-m2 GFT plate-and-frame module and an ethanol dehydration system fitted with this type of module.
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Pervaporation on Debutanizer Sidedraw
Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE production process
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（共沸物）
差小，则组分与聚合物间的亲和力大，组分在聚合物中
的溶解量大。 C. 极性相似和溶剂化原则 D. 定性的亲憎水平衡理论
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膜材料选择性的预测 ① 溶解度参数 ② 聚合物的亲水性、疏水性 如，亲水性聚合物能
优先透过水，是脱水膜最好的候选材料。 ③ 弹性体聚合物与玻璃态聚合物 弹性体材料通
常优先吸附有机溶剂，是从水中脱除有机溶剂渗 透汽化膜最好的候选材料。
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8. 渗透汽化的应用
1. 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%。
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The use of permeate vapor fractional condensation systems to improve the separation achieved in pervaporation of dilute ethanol solutions
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Integrated distillation–pervaporation plant for ethanol recovery from fermentors
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渗透汽化适用的分离过程
① 具有一定挥发性的物质的分离(先决条件); ② 从混合液中分离出少量物质; ③ 恒沸物的分离; ④ 精馏难以分离的沸点相近物质的分离; ⑤ 与反应过程结合.
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4. 渗透汽化(PV)的原理
其分离机理可分为3步： (溶解~扩散模型)
① 被分离的物质在膜表面 上有选择地被吸附并被 溶解；
第十章
2020/9/19
1. 渗透汽化(Pervaporation)的概念
渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发）是指液体混合物 在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分较多地溶 解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被 抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是 由“permation”(渗透)和“evaporation”(蒸发)等两 个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为 “pervaporation”，简称PV。
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。
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
面； ② 组分在液~气相界面处蒸发； ③ 气体从界面片沿孔道传输出去。
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6. 影响渗透汽化过程的因素
膜材料及其结构，被分离组分的性质 温度 料液组成 上、下游压力 浓差极化及温度梯度 ห้องสมุดไป่ตู้厚度
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7. 渗透汽化膜
渗透汽化膜材料的选择 必须遵循几个原则 A. Flory-Huggins相互作用参数Ψ B. 溶解度参数理论 组分与聚合物的溶解度参数之矢量
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渗透汽化的应用(续)
2. 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200~1 000；用于醇、酮、酯、醛的分离因子为 20~200；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为5~20。
2. 由于PV过程中有相变发生，所以能耗较高； 3. PV过程的操作简单，易于掌握； 4. 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不
会导致膜的压密，透过率也不会随时间的延长而 减小；
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5. 与RO等过程相比，PV的通量要小得多，一般在 2000g/m2·h以下，而具有高选择性的则更小。 PV过程与RO、UF及GS等膜分离方法的最 大区别在于，前者的组分透过膜时，将产生相变。
2. 渗透汽化的分类
I. 减压渗透汽化 II. 加热渗透汽化 III. 吹扫渗透汽化 IV. 冷凝渗透汽化
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3. 渗透汽化（PV）的特点
1. 最大特点是单级选择性好。从理论上说，PV分离 的程度无极限，适合分离沸点相近的物质，尤其 适于恒沸物的分离。对于回收含量少的溶剂也不 失为一种好方法；
② 通过扩散在膜内渗透； ③ 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
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下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图
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Cross-section of a composite membrane
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5. 渗透汽化过程传递机理
1。溶解~扩散模型 ① 料液中组分吸收进入膜料液测表面； ② 组分扩散透过膜； ③ 从下游侧表面解吸进入气相。 2。孔流模型 ① 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液~气相界
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渗透汽化膜 1。优先透水膜 ① 非离子型聚合物膜 如PVA ② 离子型聚合物膜 ③ 将亲水基团引入疏水膜中的透水膜 ④ 聚电解质透水膜 2。优先透过有机物膜 ① 有机硅聚合物 ② 含氟聚合物 ③ 纤维素衍生物
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3。有机物分离膜 ① 醇/醚分离膜 ② 芳烃/烷烃分离膜 ③ 同分异构体分离膜 ④ 芳烃/醇类分离膜
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Pervaporation Process before Debutanizer
Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE production process