渗透汽化与蒸汽渗透讲稿
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主要内容
概述 渗透汽化特征 渗透汽化传质过程
➢ 质量传递 ➢ 浓差极化
渗透汽化膜
➢ 渗透汽化膜品质要求 ➢ 渗透汽化膜材料
渗透汽化膜组件 渗透汽化应用
➢ 膜工艺计算 ➢ 集成过程
蒸汽渗透
概述
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。
溶解-
稳态时，基于Fick扩散定律 存在伴生效应
扩散 模型
Ji
Ci Bi
di
dX
方程 式中：Ci为组分浓度；Bi为组分的活动
率；μi为组分的化学位
溶解-扩散模型方程
Ji
Ci Bi (RT
d ln ai dX
Vi
dp dX
)T
Ji
Ci Bi RT
d ln ai dX
简化上式（上、下游压差0.1MPa左右）
不受渗透压力的限制(与反渗透相比)，因为下游的化学势 低，同时，上游的料液不存在临界压力
4. 料液与膜的作用
料液与膜直接接触，导致膜溶胀，降低膜分离性能：提高 通量、降低选择性
渗透汽化特征
5. 下游蒸汽压
组分在下游的蒸汽压影响组分的通量，下游蒸汽压尽 可能低（经济性）
6. 存在相变
需要提供渗透液的汽化热，导致最佳操作对象为低浓 度混合物
概述
渗透汽化过程分类 1. 真空渗透汽化 2. 载气吹扫渗透汽化 3. 热渗透汽化 4. 使用可凝性载气的渗透汽化 5. 渗透液冷凝分相后部分循环 6. 渗透液部分冷凝
概述
料液
渗余物
液 相室
汽 相室
透过 物
真 空泵 冷凝液
料液 载气
液 相室 汽 相室
渗余物 透过 物
冷凝液
真空、载气吹扫渗透汽化 过程示意图
溶扩解散-定散义系：数Di＝JiRTBCi，i D为i d组dlnX分a在i 膜内的扩 模型 方程
i, j二元混合物在高分子膜内中的 活度系数ai可由Flory-Huggins方 程求得：
ln ai ln i (1 i ) (Vi Vj ) j (Vi Vm )m ( ij (u j ) j im m )( j m ) (Vi Vj ) im jm
7. 渗透汽化装置
没有明显的经济性适用范百度文库，方便集成
8. 其它
在紧凑、简洁、灵活、多适用性等方面的评价中排 3/31（流体分离技术）
渗透汽化评价参数
渗透通量J和分离因子α
J G st
yi
i j
xi
yj
xj
渗透汽化传质过程
质量传递
渗透汽化过程模型 溶解-扩散模型
微孔流模型
溶解-扩散模型
1. 料液中组分吸附到膜料液侧表面
式分中的体ui 积i分jj率，。 为三元体系中组
溶解-扩散模型方程
溶解-扩散模型方程
组分与膜的Flory相互作用参数 ψim可从 纯组分在高分子膜内的溶胀自由能求得：
im [ln(1 m ) m ] / m2
二组分间的相互作用参数ψij可由剩余自 由能求得：
ij
1
xii
( xi
ln xi
溶解2.- 组分扩散透过膜 扩散3. 下游表面侧解吸到汽相 模型 第三步的阻力可以忽略，对传质没有
影响，且是无选择性步骤。
膜的传递性能可用渗透系数(P)表征，
溶解-渗透系数为溶解系数与扩散系数的乘积:
扩散 模型
P=S*D
溶解-扩散模型
组分在膜内的传递还受到料液中其它 组分的影响，这种现象称为伴生效应。 伴生效应也分热力学和动力学两部分。 热力学部分主要是指组分在膜内的溶 解度受到另一组分的影响，这种影响 来自膜内渗透组分间的的相互作用及 每个组分与膜的相互作用。动力学伴 生作用是由于渗透组分在聚合物中的 扩散系数与浓度有关所致。
概述
渗透汽化技术的发展 1. 1917年，Kober提出渗透汽化概念 2. 1935年，Farber确认渗透汽化在浓缩和分
离中应用 3. 1958年，Heisler发表了第一篇定量的渗透
汽化分离水/乙醇的文章 4. 1958-1962，Binning发表了系列关于渗透
汽化原理和应用前景的研究结果 5. 1980s，GFT公司首次将渗透汽化技术商
1. 膜表面的吸附 2. 膜内的扩散 3. 膜下游的脱附、汽化
渗透汽化特征
1. 分离作用的原动力：
依赖渗透组分与膜材料间的相互作用，非蒸馏的相对挥发 度；
2. 渗透汽化可操作范围：
可渗透组分浓度较低、在环境温度下或低于环境温度均可 操作，因此对一些热敏性物质的提纯具有独特优势
3. 渗透汽化的推动力
业化：PVA/PAN复合膜用于乙醇脱水。
渗透汽化特征
渗透汽化特征
膜分离过程要求用第三相将两个主体 相分隔，第三相即为具有选择透过性 的膜。
推动力包括：压力差、浓度差、电位 差等
渗透汽化是一具有相变的膜渗透过程 优点是：分离效率高、设备简单、操
作方便、能耗低等优点
渗透汽化特征
渗透汽化的三个步骤
溶解-扩散模型方程
六参数模型
Di Dio exp ( Aii X iM Aij X jM ) D j D j0 exp ( Aji X iM Ajj X jM )
该模型较全面地反映了各组分间的相互 影响，而且包含了两个极限扩散系数 Di0，Dj0，但模型参数的回归存在多解 问题，失去了参数应有的物理意义
i
xj
xj
j
GE
RT)
溶解-扩散模型方程
扩散系数线性模型
Di Di0 X iM Kij X jM
D j D j0 X jM K ji X iM
式中Kij，Kji 表示一组分的塑化作用对另一 组分扩散系数的影响 该模型不能恰当描述极性物系的伴生效应， 扩散系数只在很窄的浓度范围内保持近似的 线形关系，并且无法外推到浓度接近于０的 情况。
溶解-扩散模型
溶解过程
组分在膜内的溶解直接与组分和膜的物性有关，纯组分 的溶解度可以从溶解平衡实验获得，对于二元混合物， 溶解平衡实验只能得到两组分在膜内的总溶解量，而膜 中各组分的浓度在传质计算中又是必需的，因此用实验 或理论的方法确定各组分在膜中的浓度是必要的。目前 一般采用溶胀－密度法、气相色谱法和红外光谱法测定 组分在膜内的溶解度，对溶解平衡浓度的理论计算法， 可根据组分在液相与膜相的化学势平衡得到。
概述 渗透汽化特征 渗透汽化传质过程
➢ 质量传递 ➢ 浓差极化
渗透汽化膜
➢ 渗透汽化膜品质要求 ➢ 渗透汽化膜材料
渗透汽化膜组件 渗透汽化应用
➢ 膜工艺计算 ➢ 集成过程
蒸汽渗透
概述
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。
溶解-
稳态时，基于Fick扩散定律 存在伴生效应
扩散 模型
Ji
Ci Bi
di
dX
方程 式中：Ci为组分浓度；Bi为组分的活动
率；μi为组分的化学位
溶解-扩散模型方程
Ji
Ci Bi (RT
d ln ai dX
Vi
dp dX
)T
Ji
Ci Bi RT
d ln ai dX
简化上式（上、下游压差0.1MPa左右）
不受渗透压力的限制(与反渗透相比)，因为下游的化学势 低，同时，上游的料液不存在临界压力
4. 料液与膜的作用
料液与膜直接接触，导致膜溶胀，降低膜分离性能：提高 通量、降低选择性
渗透汽化特征
5. 下游蒸汽压
组分在下游的蒸汽压影响组分的通量，下游蒸汽压尽 可能低（经济性）
6. 存在相变
需要提供渗透液的汽化热，导致最佳操作对象为低浓 度混合物
概述
渗透汽化过程分类 1. 真空渗透汽化 2. 载气吹扫渗透汽化 3. 热渗透汽化 4. 使用可凝性载气的渗透汽化 5. 渗透液冷凝分相后部分循环 6. 渗透液部分冷凝
概述
料液
渗余物
液 相室
汽 相室
透过 物
真 空泵 冷凝液
料液 载气
液 相室 汽 相室
渗余物 透过 物
冷凝液
真空、载气吹扫渗透汽化 过程示意图
溶扩解散-定散义系：数Di＝JiRTBCi，i D为i d组dlnX分a在i 膜内的扩 模型 方程
i, j二元混合物在高分子膜内中的 活度系数ai可由Flory-Huggins方 程求得：
ln ai ln i (1 i ) (Vi Vj ) j (Vi Vm )m ( ij (u j ) j im m )( j m ) (Vi Vj ) im jm
7. 渗透汽化装置
没有明显的经济性适用范百度文库，方便集成
8. 其它
在紧凑、简洁、灵活、多适用性等方面的评价中排 3/31（流体分离技术）
渗透汽化评价参数
渗透通量J和分离因子α
J G st
yi
i j
xi
yj
xj
渗透汽化传质过程
质量传递
渗透汽化过程模型 溶解-扩散模型
微孔流模型
溶解-扩散模型
1. 料液中组分吸附到膜料液侧表面
式分中的体ui 积i分jj率，。 为三元体系中组
溶解-扩散模型方程
溶解-扩散模型方程
组分与膜的Flory相互作用参数 ψim可从 纯组分在高分子膜内的溶胀自由能求得：
im [ln(1 m ) m ] / m2
二组分间的相互作用参数ψij可由剩余自 由能求得：
ij
1
xii
( xi
ln xi
溶解2.- 组分扩散透过膜 扩散3. 下游表面侧解吸到汽相 模型 第三步的阻力可以忽略，对传质没有
影响，且是无选择性步骤。
膜的传递性能可用渗透系数(P)表征，
溶解-渗透系数为溶解系数与扩散系数的乘积:
扩散 模型
P=S*D
溶解-扩散模型
组分在膜内的传递还受到料液中其它 组分的影响，这种现象称为伴生效应。 伴生效应也分热力学和动力学两部分。 热力学部分主要是指组分在膜内的溶 解度受到另一组分的影响，这种影响 来自膜内渗透组分间的的相互作用及 每个组分与膜的相互作用。动力学伴 生作用是由于渗透组分在聚合物中的 扩散系数与浓度有关所致。
概述
渗透汽化技术的发展 1. 1917年，Kober提出渗透汽化概念 2. 1935年，Farber确认渗透汽化在浓缩和分
离中应用 3. 1958年，Heisler发表了第一篇定量的渗透
汽化分离水/乙醇的文章 4. 1958-1962，Binning发表了系列关于渗透
汽化原理和应用前景的研究结果 5. 1980s，GFT公司首次将渗透汽化技术商
1. 膜表面的吸附 2. 膜内的扩散 3. 膜下游的脱附、汽化
渗透汽化特征
1. 分离作用的原动力：
依赖渗透组分与膜材料间的相互作用，非蒸馏的相对挥发 度；
2. 渗透汽化可操作范围：
可渗透组分浓度较低、在环境温度下或低于环境温度均可 操作，因此对一些热敏性物质的提纯具有独特优势
3. 渗透汽化的推动力
业化：PVA/PAN复合膜用于乙醇脱水。
渗透汽化特征
渗透汽化特征
膜分离过程要求用第三相将两个主体 相分隔，第三相即为具有选择透过性 的膜。
推动力包括：压力差、浓度差、电位 差等
渗透汽化是一具有相变的膜渗透过程 优点是：分离效率高、设备简单、操
作方便、能耗低等优点
渗透汽化特征
渗透汽化的三个步骤
溶解-扩散模型方程
六参数模型
Di Dio exp ( Aii X iM Aij X jM ) D j D j0 exp ( Aji X iM Ajj X jM )
该模型较全面地反映了各组分间的相互 影响，而且包含了两个极限扩散系数 Di0，Dj0，但模型参数的回归存在多解 问题，失去了参数应有的物理意义
i
xj
xj
j
GE
RT)
溶解-扩散模型方程
扩散系数线性模型
Di Di0 X iM Kij X jM
D j D j0 X jM K ji X iM
式中Kij，Kji 表示一组分的塑化作用对另一 组分扩散系数的影响 该模型不能恰当描述极性物系的伴生效应， 扩散系数只在很窄的浓度范围内保持近似的 线形关系，并且无法外推到浓度接近于０的 情况。
溶解-扩散模型
溶解过程
组分在膜内的溶解直接与组分和膜的物性有关，纯组分 的溶解度可以从溶解平衡实验获得，对于二元混合物， 溶解平衡实验只能得到两组分在膜内的总溶解量，而膜 中各组分的浓度在传质计算中又是必需的，因此用实验 或理论的方法确定各组分在膜中的浓度是必要的。目前 一般采用溶胀－密度法、气相色谱法和红外光谱法测定 组分在膜内的溶解度，对溶解平衡浓度的理论计算法， 可根据组分在液相与膜相的化学势平衡得到。