第七章 渗透汽化与蒸气渗透
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渗透汽化概述渗透汽化是一种将液体转化为气体的过程。
在物理学中，渗透汽化是液体通过半透膜向气相传导的现象。
在化学工程中，渗透汽化是一项用于分离混合物成分的操作。
本文将介绍渗透汽化的原理、应用领域和常见工艺。
原理渗透汽化的原理基于膜的渗透性能。
膜通常由聚合物或陶瓷材料制成，具有特定的孔隙结构和选择性。
当液体通过膜时，分子会依靠其大小和亲疏水性被膜孔隙所选择性地渗透。
相对较小的分子能够通过膜孔隙，而较大的分子则被阻拦。
渗透汽化的过程可以分为两个阶段：吸附和解吸。
首先，液体通过膜孔隙吸附到膜表面上。
然后，在施加适当的温度和压力条件下，液体分子会解吸并转化为气体。
应用领域渗透汽化已在许多领域得到广泛应用。
脱盐脱盐是渗透汽化的一个主要应用领域。
海水淡化是解决淡水短缺问题的关键技术之一。
通过将海水通过渗透汽化膜进行处理，可以去除其中的盐分和杂质，得到可用于农业灌溉、工业生产和居民生活的淡水。
废水处理渗透汽化也可以用于废水处理。
通过将废水通过渗透汽化膜进行处理，可以分离出其中的有机物、溶解性固体和重金属离子等污染物。
这种方法不仅能够减少水污染物的排放，还能够回收其中的可再利用资源，如有机物和水。
药物和酒精浓缩渗透汽化还可以用于药物和酒精的浓缩。
通过选择性渗透汽化，可以将溶液中的溶剂分离出来，使药物或酒精的浓度升高。
这种方法比传统的浓缩方法更加节能、环保。
气体分离除了液体分离外，渗透汽化还可以应用于气体的分离。
通过选择性渗透汽化膜，可以将混合气体中的特定成分分离出来。
这种方法在石油化工、天然气处理和空气分离等领域具有广泛的应用。
常见工艺渗透汽化的工艺通常包括以下几个步骤：1.前处理：液体进料通常需要经过预处理，去除其中的杂质和固体颗粒，以防堵塞膜的孔隙结构。
2.进料供应：液体需要以适当的速度和压力供应到渗透汽化设备中。
3.温度和压力控制：通过控制进料液体的温度和压力，使液体分子能够在膜孔隙中吸附和解吸。
4.液体和气体分离：通过将液体和气体分离，可以得到纯净的气体产品。
渗透汽化
&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。
第七章渗透汽化及蒸气渗透
研究最多、应用最普遍、技术最成熟。已有较多的工业实例。 7.9.1.1 无水乙醇和燃料乙醇的生产
无水乙醇的生产是渗透蒸发脱水的最典型应用。世界上第一套和最大 的工业生产装置都是用于无水乙醇的生产。传统制备99.8%以上的无水 乙醇，需要采取萃取精馏、加盐精馏，过程复杂、能耗高、易污染。 渗透蒸发节能1/2-1/3，避免污染。
7.9.1.2 异丙醇脱水
除乙醇脱水外渗透蒸发过程的主要应用。异丙醇与水在80.37℃ 形成共沸物，共沸物含异丙醇87.7%，用于乙醇脱水的膜可直接 用于异丙醇脱水，且分离系数会更高。1986年，日本建造第一套 渗透蒸发工业装置用于异丙醇脱水，渗透液中异丙醇含量99.7%， 产能500千克/小时。
7.3 渗透汽化的基本原理
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。
不溶于水、碱液和普通溶剂，但可溶于甲酸、乙酸等的稀溶液。耐水 性仍较差，需要交联处理，可用戊二醛、硫酸交联；与PVA共混改性。 7.8.1.3 聚丙烯酸类膜
亲水性强，侧链的羧基可供交联，交联后能够耐多种有机溶剂。分子 量高，可以制备很薄且有韧性的膜。
德国GFT(Sulzer Chemtech)膜性能一览
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。透过组分无回收价值时，将吹扫气放空。
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。
10
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。
11
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
渗透汽化与蒸汽渗透技术辨析
渗透汽化与蒸汽渗透技术辨析渗透汽化技术（pervaporation, PV）是一种新兴的膜分离过程，利用组分在膜内的溶解速度和扩散速度的不同，在液体混合物中组分蒸汽分压差的推动下实现分离。
该技术已在有机物脱水领域实现了工业化应用，并且对于痕量水或有机物的移除过程具有良好的应用前景。
图1 渗透汽化过程示意图渗透汽化技术最早由Kober于1917年在研究水通过火棉胶器壁从蛋白质/甲苯溶液中选择渗透时提出。
20世纪60年代，渗透汽化技术的研究取得了较大的发展。
我国于20世纪80年代初开始对渗透汽化技术进行研究。
渗透汽化技术的分离原理普遍认为是溶解扩散原理，其机理如图2所示。
图2 溶解扩散示意图蒸汽渗透技术（Vapor permeation，简称VP）是上世纪80年代末由Uragami 等首次提出，其分离原理、设备流程以及所用的膜与PV技术较为相似，容易让初学者对二者产生混淆。
因此，本文主要介绍两种技术的本质区别。
蒸汽渗透技术的原理示意图如图3所示。
图3 蒸汽渗透过程原理示意图从操作上，VP技术是以蒸汽进料，这是与PV技术本质上的不同，而且正是如此，二者在应用过程中所表现出的优势与缺点也有显著的区别。
对于PV过程，由于液相与膜直接接触，因此料液对于膜的影响不容忽视1. 料液容易在膜表面或膜内累积，从而造成污染，使膜的通量和分离因子大幅下降；2. 对于一些粘度较大体系的分离过程，待分离物质首先传递到膜表面再透过致密膜到达膜的另一侧，其中，该组分在液相的扩散速率较慢，从而导致物质在膜表面处的浓度低于主体浓度，使通量和分离因子较理论值下降较大，即浓差极化现象，其本质是组分在液相中的扩散系数较小引起的；3. 对于一些强酸强碱等苛刻条件下的分离过程，膜的结构容易被破坏从而导致PV过程难以进行。
此外，PV过程更多与化学反应或生物过程耦合使用，由于膜器的内部流道狭窄，需要采用外置式设备以扩大膜的分离通量。
若将PV技术与生物过程耦合，则为设备的消毒带来较大困难，实际生产过程中易引入杂菌。
渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思考
的重视 ， 针对多种体系， 特别是 乙醇／ 水体系的分离 ， 进行 了大量 的研究．１８ 年 ， 国 Ｇ Ｔ公司［９ ９４ 德 Ｆ ８］ 率
先 开发 成功 出亲 水 性 的渗 透 汽 化 商 品膜 ， 框 式 组 板 件及 其 分离工 艺 ， 功 地应 用 于 乙醇 ／ 的分 离 ， 成 水 并
汽体渗透膜分离技术与渗透汽化膜分离技术分 离机理相似 ， 只是前者用于汽体混合物分离 ， 后者用 于液体混合物分离而已［ ． ４ ］
该 技术 用于 有 机蒸 气 回 收具 有 独 特 的优 势 ， 是 环境 保 护重要 新 技术 ．
司做 了 ６ 个工业应用项 目， 中乙醇脱水 ２ 个 、 ３ 其 ２ 异 丙 醇脱 水 １ 、 ６个 其它 有机 溶剂 脱水 １ 、 化 反应 ６个 酯 脱水 ４ 、 个 醚化反应脱水 ４ 、 乙胺脱水 １ ， 个 三 个 从 废水 中回收 四氟乙烯 １ 按 年增 １ 保 守估 算 ， 个． ５ 至 ２ １ 年底 ， ００ 世界上约有 ５０ ０ 多套渗透汽化工业装
第３ １卷 第 ３期 ２ １ 年 ６月 ０１
膜
科
学
与
技
术
Ｖｏ． １ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｍ ＥＭ ＢＲＡＮＥ Ｓ ＥＮＣＥ ＣＩ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ ＯＧＹ
Ｊ ｒ ２ １ ｕＬ ０ １
渗透 汽化 和汽体 渗透膜技术应 用及其浮 浅思考
李继 定ｈ ， 展 侠 ，葛 洪 ，陈 剑 ，王 蕾 韩 小龙 蔡卫 滨 ， ，
２ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 国 际渗 透汽 化 和汽体 渗 透膜 技术 应用 现状 ．
渗 透汽 化 膜 技 术研 究 开 始 于 ２ Ｏ世 纪 ５ 代 ， Ｏ年 ２ 纪六 七 十年代 能 源危 机之 后 ， ０世 引起 了世 界各 国
渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思考
渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思
考
渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种新型的分离技术，它可应用于
各种环保、水处理、化工等领域。
其基本原理是通过半透膜，将两种
含有浓差差异的物质分离开来。
渗透汽化技术主要应用于海水淡化、
废水处理、纯水生产等方面，而汽体渗透膜技术则主要应用于气体分离，如二氧化碳、氢气等的分离。
通过渗透汽化技术，可以将海水中的盐分和杂质去除，从而得到
纯净的淡水。
此外，该技术还可用于集中生产工业废水，减少对环境
的污染。
通过汽体渗透膜技术，可以有效地分离出所需的纯净气体，
广泛应用于石油化工、天然气加工和制氢等领域。
然而，渗透汽化和汽体渗透膜技术仍有其局限性。
技术成本高，
难以普及应用，同时膜材质的选择也需要更多的研究。
此外，技术在
使用中也需要频繁进行维护和更换。
总之，渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种非常有前景的分离技术，对环保、能源等领域的发展具有重要的意义。
但此技术仍然存在一些
不足之处，需要不断的研究和改进，以提高技术的稳定性和成本效益。
渗透汽化和蒸汽渗透技术的研究_应用现状及发展
图 5 1975 年到 1999 年间在美国授权的有关 PV 和 V P 的专利数图
2 渗透汽化的研究及应用
自 1982 年生产无水乙醇的 PV 工业装置在巴 西建成投产以来 ,至今在世界上已经建立了 100 多 套 PV 的工业装置 ,90 %是 GF T 公司提供的膜和技 术 (现属 Sulzer Chemtech 公司) ,多数用于有机溶剂 的脱水 ,其中 24 套用于乙醇脱水 ,16 套用于异丙醇 脱水 ,其余的用于进行酯类 、醚类及其它有机溶剂脱 水 ,装置的产量大多在 1 500～10 000 t/ a ,也有几套 年产 4～5 万 t 的装置. 最近几年来在水中脱除少量 有机物方面取得了较大进展 ,特别用于食品和饮料工 业中回收和浓缩芳香物质方面 ,进行了大量的研究和 应用的探索 ,取得了新的进展 ,为 PV 技术开辟了新 的应用领域 ,现从 4 个方面对 PV 的应用进行总结. 2. 1 有机溶剂脱水
第 23 卷 第 4 期 2003 年 8 月
膜 科 学 与 技 术 MEMBRAN E SCIENCE AND TECHNOLO GY
文章编号 :1007 - 8924 (2003) 04 - 0103 - 07
Vo1. 23 No. 4 Aug. 2003
渗透汽化和蒸汽渗透技术的研究 、应用现状及发展
芳香族化合物 :如苯 、甲苯 、苯酚等. 胺类 :如三乙胺 、吡啶 、苯胺等. 酯类 :如乙酸甲酯 、乙酸乙酯和乙酸丁酯等. 醚类 :如甲基叔丁基醚 (M TB E) 、乙基叔丁基醚 (B TB E) 、二异丙基醚 (D IPE) 、四氢呋喃 ( THF) 和二
第 4 期
陈 镇等 : 渗透汽化和蒸汽渗透技术的研究 、应用现状及发展
文和专利的情况 ,新的研究和应用领域等方面来说 明其技术的状况和应用潜力 、未来发展趋势和前景.
渗透汽化——生物分离工程
• 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。
常见渗透汽化膜及应用
渗透汽化的应用
• b.热渗透汽化
通过加热进料液和冷凝的方法形成膜 两侧组分的蒸汽压差。
• c.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。当透过组分无回收 价值时，将吹扫气放空。
渗透汽化的分类
• 冷凝渗透汽化(d + e)
渗透汽化过程的特点
与蒸馏等传统的分离技术相比，渗透汽化过 程的特点:
有长足的进展，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。
参考文献
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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
分离工程第七章.ppt
择透过性，料液中某些组分透过液膜进入接受液，实现组分的 分离。液膜分离又称液膜萃取。
分离工程
膜分离技术
常用的膜组件(module)
板式膜组件——与平板式压滤机相近。结构和操作方式不同；在膜组件中， 液体处于高速流动的以减轻浓差极化。
管式膜组件——由支撑物与过滤膜组成。有内压式和外压式之分。直径 10mm
超滤
酵母细胞 细菌
微滤
分离工程
膜分离技术
几种典型溶质分子大小和对应的膜
分离工程
膜分离技术
各种膜分离过程的分离机理
膜过程
微滤 超滤 纳滤
相 1* 2 LL
LL
LL
反渗透 电渗析 渗析 渗透蒸发 膜蒸馏 气体分离
液膜 膜接触器
LL LL LL
LG
LL
GG
LL
LL GL LG
推动力
压力差 (0.01-0.2MPa)
分子量
溶质
膜分离过程
原子/ 离子范围
小分子范围
0.001 1.0
大分子范围
0.01 10
微粒子范围
0.1 100
大粒子范围
1.0 1000
10.0 10000
100 200 1000
100,000 500,000
盐溶液 金属离子
糖 微溶质
电渗析 扩散渗析 反渗透 气体分离 渗透蒸发
纳滤
渗析
硅胶颗粒 病毒 蛋白质
2005 年 185 135 105 197 271 256 675 2,344
年增长率，% 8 17 13 8 8 9 13 9.7
2000年，美国膜产品的销售额总计14.62亿US$；世界范围内 100亿US$， 而国内销售额仅占0.5%左右。
第七章-渗透汽化及蒸气渗透学习资料
2020/6/29
膜材料与膜过程
7.3 渗透汽化的基本原理
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。
第七章-渗透汽化及蒸气渗透
2020/6/29
膜材料与膜过程
7.2 渗透汽化基本概念
渗透汽化 pervaporation， PV（缩写） 是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下，利用组分通过膜的溶解与扩散 速率的不同来实现分离的过程。 蒸气渗透 vapour permeation， VP（缩写） 利用蒸气混合物或蒸气与不凝性气体混合物在致密膜中的溶解度与扩散 速率的不同而实现的分离过程。 分离目的：挥发性液体混合物的分离。 推动力：分压差、浓度差。 截留组分：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。 透过组分在料液中的含量：少量组分。
小分子在透过侧膜表面解吸（汽化）
（该步骤进行的很快，对整个传质过程
膜材料与膜过程
影响不大）
7.7.2 孔流模型
假定膜中存相界面
组分在液-气相界面蒸发
进料液体
气体从界面出沿孔道传输出去
膜 渗透物蒸汽
2020/6/29
膜材料与膜过程
7.8 渗透汽化膜
2020/6/29
膜材料与膜过程
7.6.2 选择性
表示膜对不同组分分离效率的高低，一般用分离系数α表示。
YA / YB
XA / XB
YA、YB分别为渗透物中A与B的摩尔分数；XA、XB分别为料液中A与 B的摩尔分数。
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。
渗透汽化膜分离技术的进展及在石油化工中的应用
渗透汽化膜分离技术的进展及在石油化工中的应用李晓茹【摘要】文章首先对于渗透汽化膜的类型进行分析，分别从有机膜、无机膜、复合膜三方面分析其性质与制造工艺。
其次重点介绍石油化工产业中应用到的渗透汽化膜分离技术种类，并对废物有机物质脱离以及有机复合物质分离技术进行总结，帮助提升材料利用率。
【期刊名称】《黑龙江科技信息》【年(卷),期】2015(000)030【总页数】1页(P82-82)【关键词】渗透汽化膜;分离技术;石油化工【作者】李晓茹【作者单位】哈尔滨石油学院化学工程系，黑龙江哈尔滨 150028【正文语种】中文1.1 有机膜。
作为膜分离技术，经过渗透汽化处理得到的膜可分为三种，首先是有机膜，原料中含有碳元素，属于氢碳化合物，具有良好的吸附性，能够吸附水分子，在石油化工产业中应用广泛。
膜体自身也可以溶于水，并且不会影响产品自身化学性质，常用的有机膜多数是德国生产制造的，在此方面德国投入研究早，可根据不同使用需求对产品性质做出优化。
有机膜的渗透功能可用于工业生产中，尤其是对石油化工产业促进效果明显，可将不同颗粒大小的原料分离，表现出的亲水性研究空间巨大，经过科学家的研究努力，可以尝试应用在航空航天方向。
聚乙烯材料在制膜过程中最为常用，还需要配合一些有机物质、碳等原料，具体成份会根据使用方向进行配置。
1.2 无机膜。
无机膜化学性质更稳定，不会与其他原料发生反应，具有耐高温、抗氧化的优异性能。
其制作材料中以陶瓷、金属等不具有吸附性、亲水性的物质为原料，使用过程中不容易受到腐蚀污染，这一特性得到广泛的研究关注。
制作工艺为热加工处理，一次成型，使用过程中形状外观不会发生变化，可以用于石油化工产业的过滤阶段。
膜中会均匀分布过滤孔，热加工工艺制得的无机膜孔直径在0.1—10μm范围内，会根据使用方向对孔大小做出调整，但不可超出这一范围。
常用的无机膜多数使用铝原料制作而成，过滤效果好，能够将生产环节中产生的其他杂志完全过滤掉，在制作成本上会高于有机膜，但并不影响选择，发展潜质巨大。
第3章 气体渗透、渗透汽化与膜基吸收
分子直径 扩散活化能
分子体积 扩散系数
2013-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 28
3.1 气体分离（Gas Separation）(GS)
现 代 分 离 技 术
（2）膜 气体分子在高分子膜内的扩散系数的大 小与膜材料、膜结构及制膜工艺相关。
渗透率 ：PDMS 聚醚砜 氢氮选择性 ： 玻璃态 橡胶态
现 代 分 离 技 术
气体在各种不同的膜中的传递 (f)努森扩散
2013-8-18
(g)黏性流动
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第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤
3.1 气体分离（Gas Separation）(GS)
现 代 分 离 技 术
（2）多孔膜内气体扩散
理想气体
温度相等 用分压差表示推动力，忽略主体流动。
有效扩散系数
膜两侧
纺丝喷头示意图 1-聚合物入口：2—银焊条；3-孔； 4-毛细管；5-注射口
2013-8-18
第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤
9
3.1 气体分离（Gas Separation）(GS)
现 代 分 离 技 术
气体分离膜结构
高的气体渗透性和选择性 好的机械强度和优异的化学稳定性
2013-8-18 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 10
（3）非多孔膜内气体扩散 气体在致密膜中溶 料液侧 致密膜 渗过侧 p 解与扩散传递。 p p c 气体在膜上游表面的吸 着（Sorption） p c 吸着在膜上游表面的气 体在浓度差为推动力下 气体通过致密膜时的 扩散通过膜 分压差与浓度分布 气体在膜下游表面解吸 橡胶态 聚合物的玻璃态转变温度 传递机理 玻璃态 第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤 2013-8-18
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2014-10-16
膜材料与膜过程
7.4 渗透汽化的推动力及实现方法
实现方法 分离推动力 提高膜上游侧蒸 汽分压；降低膜 下游侧蒸汽分压
本质原因
料液中各组分在 膜中的溶解度和 扩散速度存在差 异。
组分在膜两侧的 蒸汽分压差。 分压差越大，推 动力越大。尽可 能提高两侧蒸汽 分压差。
2014-10-16
2014-10-16
膜材料与膜过程
德国GFT(Sulzer Chemtech)膜性能一览
型号 1000 1001 1510 1005 2302
用途
有机溶液 脱水
PVA 80
有机溶液 脱水（高 水分）
PVA 80
异丙醇脱 水
PVA 80
有机酸脱 水
PVA 80
胺系有 机溶液 脱水
PVA 80
膜材料 操作温度 /℃
J
M At
M--透过膜的组分的渗透量,g； A--膜面积，m2； t--操作时间，h；
J--渗透通量，g/（m2＊h) 渗透通量受膜的结构与性质、料液的组成与性质、温度压力等因素 影响，用来表征组分通过膜的渗透速率。
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.6.2 选择性
表示膜对不同组分分离效率的高低，一般用分离系数α表示。
不凝气 冷凝器 气-液分离器
能耗比抽真空小，分离效率低； 缺点是不能有效的保证不凝气从系统排除，实际很少应用
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.4.3 载气吹扫法
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。透过组分无回收价值时，将吹扫气放空。
膜组件
原料
截留物 冷凝器 气液分离器
简单、稳定、可靠
特点
系统适应性高
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。渗透汽化最适 合分离近沸物和恒沸物。
操作温度低
可用于热敏性质的分离
2014-10-16
过程无需其他试剂
产品不会受到污染。
膜材料与膜过程
7.6 渗透蒸发膜性能评价指标及分类
膜的渗透通量和选择性，膜的寿命。 7.6.1 渗透通量 单位面积、单位时间内渗透过膜的质量
YA / YB X A / XB
YA 、YB分别为渗透物中 A与B 的摩尔分数； XA、 XB分别为料液中 A与B 的摩尔分数。 α =1,膜对组分A与B无分离能力；α >1,组分A比B更容易透过膜； α→∞，组分B基本不透过膜，组分分离完全。 有时，也用增浓系数β来表征膜的分离效率： Y ＝ F XF 式中，Y与X分别为易渗透组分在渗透物和料液中的摩尔分数。增浓系数 越大，膜对易渗透组分的选择性越好。增浓系数应用于多组分体系比较 方便。
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.9.1.2 异丙醇脱水
除乙醇脱水外渗透蒸发过程的主要应用。异丙醇与水在 80.37℃形成共沸物，共沸物含异丙醇 87.7% ，用于乙醇脱水的膜 可直接用于异丙醇脱水，且分离系数会更高。 1986 年，日本建造 第一套渗透蒸发工业装臵用于异丙醇脱水，渗透液中异丙醇含量 99.7%，产能500千克/小时。
第七章 渗透汽化与蒸气渗透
超过百亿美元年产值
膜技术家族
成熟膜技术 微滤、超滤 、电渗析、反 渗透、气体分 离
新型膜技术 渗透汽化
(pervaporation,PV)
蒸汽渗透
（Vapour Permeation,VP)
2014-10-16
膜材料与膜过程
第七章 渗透汽化
7.1渗透汽化膜的发展概况
1917 年 Kober 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，第一次使用了渗透汽化（pervaporatiom）。 60 年代 Binning 对渗透汽化进行了系统了研究，并在渗透汽化膜、组件 和装臵制造上申请了专利。 80 年代初，德国 GFT （力士乐）公司在欧洲首先建立了乙醇脱水制高纯 酒精的渗透蒸发装臵。 90 年代初， 100 多套渗透蒸发装臵相继投入应用。除了用于乙醇、异丙 醇脱水外，还用于丙酮、乙二醇等溶剂的脱水。 我国在 1984 年主要对优先透水膜和醇水溶液的脱水过程进行研究。近 年对优先透有机物膜、水中有机物脱除、有机物 - 有机物分离以及渗透 汽化与反应耦合也在进行研究。
⑶酒类饮料中除去乙醇 优先透有机物膜，降低啤酒或果酒中的乙醇含量。
2014-10-16
膜材料与膜过程
渗透蒸发与蒸汽渗透的比较
传递过程和规律
相同点
设备流程和降压方法
PV / VP
料液相状态、流动 性与传质阻力 操作温度与渗透通 量
不同点
杂质影响
2014-10-16
膜材料与膜过程
分离目的：挥发性液体混合物的分离。
推动力：分压差、浓度差。 截留组分：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。
透过组分在料液中的含量：少量组分。
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.3 渗透汽化的基本原理
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。
进料液体 膜 渗透物蒸汽
组分在液-气相界面蒸发
气体从界面出沿孔道传输出去
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.8 渗透汽化膜
7.8.1 优先透水膜 膜结构中含有亲水性基团，可与水分子发生相互作用。
7.8.1.1聚乙烯醇膜（PVA）
世界上第一张商品膜（ GFT 膜），目前仍然广泛用于有机溶剂的脱 水。分子链上含有大量的羟基，良好水溶性。 缺点：耐水、耐热差及蠕变较大，需要对 PVA 进行后处理，如交联 （使用马来酸、甲醛等）。 7.8.1.2 壳聚糖膜 不溶于水、碱液和普通溶剂，但可溶于甲酸、乙酸等的稀溶液。耐 水性仍较差，需要交联处理，可用戊二醛、硫酸交联；与 PVA 共混改性。 7.8.1.3 聚丙烯酸类膜 亲水性强，侧链的羧基可供交联，交联后能够耐多种有机溶剂。分 子量高，可以制备很薄且有韧性的膜。
2014-10-16
料液 膜
渗透物气体
产物 渗透蒸发的分离原理
膜材料与膜过程
PV，VP技术优点 1
蒸馏法难以分离或不能分离的 近沸点、恒沸点有机混合物溶液
2
有机溶剂中微量水的脱出、废水中少量 有机物污染物分离或水溶液中高价值 有机物回收，具有经济上、技术上优势
3
“清洁工艺”，本身具有少污染或零 污染，适合食品、医药和环保领域应 用
（1）有机硅聚合物
憎水、耐热性能好和很高的机械强度及化学稳定性；对醇类、酯类、 酚类、酮类、卤代烃类、芳香烃类有很好的吸附性。最常用的聚合物为聚 二甲基硅氧烷（PDMS）。 （2）含氟聚合物 化学稳定性好、耐热性好、疏水性强。聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏氟 乙烯（PVDF)，对氯仿、丙酮有很好优先透过性。
2014-10-16
膜材料与膜过程
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.2 渗透汽化基本概念
渗透汽化 pervaporation， PV（缩写） 是在液体混合物中组分蒸汽压差推动下，利用组分通过膜的溶解与扩散 速率的不同来实现分离的过程。 蒸气渗透 vapour permeation， VP（缩写） 利用蒸气混合物或蒸气与不凝性气体混合物在致密膜中的溶解度与扩散 速率的不同而实现的分离过程。
载气
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.4.4 冷凝加抽真空法
膜组件 原料 冷凝器 渗透物 真空泵 截留物
不凝气
广泛采用的方法
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.5 渗透蒸发膜的特点
高效分离
分离系数可达几十或上千 不受相平衡的限制
能耗低
一般比精馏法节能 1/2~1/3 ， 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。
小分子在膜进料侧表面溶解（吸附）
渗透物蒸汽 小分子穿过膜、扩散到膜的透过侧
膜
溶解
汽化
进料液体 扩散 小分子在透过侧膜表面解吸（汽化）
（该步骤进行的很快，对整个传质过程 膜材料与膜过程 影响不大）
2014-10-16
溶解扩散模型示意
7.7.2 孔流模型
假定膜中存在固定的孔道和液-气相界面。 液体组分通过孔道传输到液-气相界面
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.6.3 膜的寿命 一定条件下，膜能够维持稳定的渗透性和选择性的最长时间。膜的 寿命受其化学、机械和热稳定性能的影响。工业上可接受的寿命要求至 少1年以上。 7.6.4 渗透汽化膜的分类 按结构分：均质膜、非对称膜和复合膜； 按基本分离体系分：优先透水膜、优先透有机物膜和有机物分离膜；
芳烃 / 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。
2014-10-16
膜材料与膜过程
7.9 渗透汽化膜的应用
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的体系。 3.恒沸物的分离。当恒沸液中一种组分的含量较小时，可以直接用渗透 汽化法得到纯产品。当恒沸物中两组分含量接近时，可以用渗透汽化与 精馏的集成过程。 4.精馏难以分离的近沸物的分离。 5.与反应过程结合。利用其分离系数高，单极分离效果好的特点，选择 性的移走反应产物，促进化学反应的进行。 7.9.1 有机溶剂脱水 研究最多、应用最普遍、技术最成熟。已有较多的工业实例。 7.9.1.1 无水乙醇和燃料乙醇的生产 无水乙醇的生产是渗透蒸发脱水的最典型应用。世界上第一套和最 大的工业生产装臵都是用于无水乙醇的生产。传统制备99.8%以上的无 水乙醇，需要采取萃取精馏、加盐精馏，过程复杂、能耗高、易污染。 渗透蒸发节能1/2-1/3，避免污染。