新型分离技术第4章-渗透汽化与蒸汽渗透

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新型分离技术习题解答——第4章

第四章气体渗透、渗透汽化和膜基吸收（习题解答）4-1采纳气体渗透膜分离空气（氧21％，氮79％），渗透物中氧浓度达78％。

试计算膜对氮气的截留率R 和进程的分离因子α，并说明这种情形下哪个参数更能表达该进程的分离状态。

解：截留率：R=7215.0792211,,22=-=-FN p N c c 分离因子：34.137921227822==N o α 关于气体膜分离，以分离因子表示膜的选择性为宜。

4-3 用渗透汽化膜进程进行异丙醇脱水。

在80℃下，所用亲水复合膜厚为8μm ，该膜对异丙醇的渗透通量可忽略不计。

测得不同含水量的异丙醇进料液透过膜的水通量数据如下：料液中含水量/％（质量） 1 2 3 4 5 6水通量/{kg/(m 2·h)}已知水在无穷稀释溶液中的活度系数为，且在以上浓度范围内不变。

试画出水通量随溶液浓度及活度的转变曲线；计算各组成下水的渗透系数{cm 3·cm/(cm 2·s ·kPa)}。

解：查表得异丙醇的Antoine 方程常数，并计算其饱和蒸气压：3640.20exp 9.7702-0.09235353.54P MPa ⎛⎫== ⎪-⎝⎭异丙醇查饱和水性质表得80℃下水的饱和蒸气压及密度：00.04739P MPa=水 3971.8/kg m ρ=水的渗透系数可用下式计算：()220p AA A A A A A A A A A AJ J Q p x f p y Q p x γγ≈=-−−−→= 计算结果见下表：32水通量随溶液浓度及活度的转变曲线如下：（左Y 轴为摩尔分数，右Y 轴为活度，X 轴为渗透系数）0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18A4-4 蒸汽渗透或气体分离进程中，原料和渗透物压强比必然，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等时，渗透物浓度最高。

今已知某一复合膜对空气中甲苯蒸汽浓度为℅（体积）时的渗透选择性为200，别离计算压强比为10、100和1000时的渗透物组成。

渗透汽化_精品文档

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。

新型分离技术考试资料

第一章固膜分离过程一、概述膜分离：利用膜对不同组分的选择性渗透的原理来分离混合物的过程。

膜从相态上可分为固体膜和液体膜固膜分离过程包括：微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取、膜吸收等。

应用：海水淡化，超纯水制备，废水处理，果汁、饮料、酒等的除菌、澄清，空气中氧－氮分离，乙醇－水的分离，血液透析……固膜之一：平板膜固膜之二：中空纤维膜固膜之三：管式膜（这种膜分离装置像列管换热器）板式膜应用时像过滤：以膜代替过滤介质，根据颗粒或分子大小的不同而实现分离。

但膜过滤的颗粒更小，可小到“分子过滤” 。

反渗透海水或苦咸水脱盐；地表或地下水的处理；食品浓缩渗析血液透析（除去血液中的代谢废物、过量体液并维持电解质平衡）电渗析电化学工厂的废水处理；半导体工业用超纯水的制备；海水制盐微滤药物灭菌；饮料的澄清；抗生素的纯化；由液体中分离动物细胞超滤果汁的澄清；发酵液中疫苗和抗生素的回收渗透汽化乙醇-水共沸物的脱水；有机溶剂脱水；从水中除去有机物气体分离从甲烷或其它烃类物中分离CO 2或H 2；合成气H 2/CO 比的调节；空气中N 2和O 2分离液体混合物分离：乙醇-水⇒乙醇＋水气体混合物分离：空气⇒氮气＋氧气非均相混合物分离：含颗粒的液体⇒液体＋滤饼用于血液透析、人工肾、人工肝: 血液与透析液通过膜进行物质传递，除去血液中的有毒物如尿素、尿酸、肌酸酐等，并向血液中补充人体所需的营养物如葡萄糖、碳酸盐、电解质等。

用于人工肺：血液通过膜吸收补充O 2、排出CO 2。

二、膜及膜组件 1. 膜的分类浓海水淡水海水膜海水淡化从材料来源上可分为：天然（natural）膜和合成（synthetic）膜。

合成膜又分为：无机（inorganic）膜和有机高分子（organic polymer）膜。

根据膜的结构可分为：多孔（porous）膜（微孔膜，孔径1nm以上）和致密（dense）膜（均质膜、无孔膜、非多孔膜，孔径1nm以下）。

渗透汽化膜技术及其应用

渗透汽化膜技术及其应用
渗透汽化膜技术是一种有效的用于分离气体的新技术，它可以将气体分离成不同的组分，使气体的组成更加纯净，有利于节约能源、改善空气质量和环境保护等方面。

渗透汽化膜技术是一种新型的气体分离技术，它可以将气体分离成不同的组分，从而获得更加纯净的组分。

它的原理是利用渗透汽化膜的渗透特性，将混合气体的组分分离出来。

渗透汽化膜的毛细管是由一种可渗透的材料制成的，它可以将混合气体中的组分分离出来，使气体的组成更加纯净。

渗透汽化膜技术具有节能、改善空气质量、环境保护方面的优势。

比如，在燃料气中分离氧气和氮气，可以提高燃料气的燃烧效率，减少燃料消耗，从而节约能源。

此外，渗透汽化膜技术还可以将有害气体从空气中洁净，从而改善空气质量，减少污染。

此外，渗透汽化膜技术还可以用于回收有用气体，从而实现资源循环利用，保护环境。

渗透汽化膜技术广泛应用于工业气体分离、空气净化、燃料气改良等领域。

在石油化工、环保、医药、冶金等行业中，渗透汽化膜技术得到了广泛的应用，为社会的经济发展和环境保护做出了巨大的贡献。

总之，渗透汽化膜技术是一种具有重要意义的分离技术。

它既可以节约能源，又可以改善空气质量，保护环境，并在工业生产中得到广泛应用。

新型分离技术

应物存在于混合物中，则可利用化学反应将其从混合物中分离出来或直接把它去
掉。不是所有的化学反应都可以用于分离为目的的过程，分离过程常用的化学反
应：可逆反应、不可逆反应、分解反应。
1.3 新型分离技术的进展
新型分离技术在近 20 年发展迅速，新型分离技术大致可分为三类：
第一类：对传统分离过程或方法加以变革后的分离技术，如基于萃取的超临界流
原料：即被分离物，可以是单相或者多相，但至少含有两个组分；
原料
分离装置
产物：即分离产品，通常为两股，也
产物
可为多股；
分离装置：是分离过程得以实现的必要物质装备，可以是某个特定装置，也可指
从原料到产品之间的整个流程。
按分离过程原理，可以分为机械分离、传质分离和反应分离三大类。
1.2.2 机械分离
利用机械力简单地将两相混合物相互分离的过程称为机械分离过程，分离对
基于萃取技术的液膜分离技术，传质比表面积大，且可利用化学反应和载体促进传质，具有非常高的选择性和传质速率。
色谱萃取技术基于传统的吸附平衡机理，是利用组分在固定相和流动相内的分配平衡差异进行分离的。吸附色谱的分离原理与吸附分离相似，而分配色谱则与精馏相似。色谱之所以比吸收及精馏有高得多的分离效率是由于流动相和固定相之间不断的接触平衡所造成的。装填好的色谱柱可从几百到上千的平衡级，特别适用于精馏等过程难以分离的体系。
（1）传统分离与膜分离集成技术：膜分离技术与常规的反应或者分离方法相耦合，组成集成技术。如膜分离分别与蒸馏、吸收、萃取等结合。
①精馏-渗透汽化集成技术：近 10 年来，采用亲水性渗透汽化与常规精馏过程集成可将醇/水混合物中的水脱除，得到无水醇。
②渗透汽化-萃取集成技术：从有机物水溶液中萃取有机物或污水中除去有机物，常用亲水和亲有机物渗透汽化膜与萃取结合过程。

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。

[详细讲解]渗透汽化膜分离实验

膜分离是一项新兴的高效分离技术。

膜分离过程是被分离混合物在一定的推动力(如压差、浓差、电位差等)作用下，通过传递介质——膜，进行分离的过程。

渗透汽化(pervaporatioion，PV)是一种新型膜分离技术，它利用膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能的不同来实现分离。

它过程简单，操作方便，能耗低，在恒沸物、沸点相近混合物和异构体的分离上相对于精馏等传统分离方法具有其独特的优越性；对含有少量水的有机溶剂或混合溶剂脱水以及含有少量有机污染物的废水的处理也有明显的技术、设备和经济方面的优势。

作为一项方兴未艾的新技术，渗透汽化技术正受到越来越广泛的关注和研究，它在石化、食品、环保等方面具有的广阔酌应用前景，正得到不断的开发和利用。

渗透蒸发(渗透汽化) 是有相变的膜渗透过程。

渗透蒸发是在膜的下游侧减压，组分在膜两侧蒸汽压差的推动下，首先选择性地溶解在膜的料液表面，再扩散透过膜，最后在膜的透过侧表面气化、解吸。

渗透蒸发可使含量极低的溶质透过膜，达到与大量溶剂分离的目的。

显然，用渗透蒸发技术分离液体混合物，特别是恒沸物、近沸物，具有过程简单、操作方便、效率高、能耗低和无污染等优点。

一、实验目的与内容1.理解渗透蒸发的分离原理。

2.掌握渗透蒸发分离乙醇——水的操作方法。

3.研究影响渗透蒸发分离性能的主要因素及其影响规律。

二、实验原理当液体温合物在一张高分子膜的表面流动时，膜在高分子所含官能团的作用下对混合物中各组分产生吸附作用，使得组分进入膜表面(该步骤称为溶解过程)。

膜的另一侧抽真空(或者用惰性气体吹扫)，在浓度梯度作用下，组分透过膜从料液侧迁移到真空侧(该步骤称为扩散过程)，解吸并冷凝后得到透过产品。

整个传质过程中液体在膜中的溶解和扩散占重要地位，而透过侧的蒸发传质阻力相对小得多，通常可以忽略不计，因此该过程主要受控于溶解及扩散步骤。

由于不同组分在膜中的溶解和扩散速度不同，使得优先透过组分在真空侧得到富集，而难透过组分在料液侧得到富集。

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

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

扩散过程（动力学过程）
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。
14
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。
13
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。
12
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。

1、3、4章新型分离技术64

第一章1、分离技术系：指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。

2、分离剂：为加到分离装置中使得过程得以实现的物质或能量，或者两者并用。

3、分离过程：指的是一股或多股物流作为原料进入分离装置，利用混合物各组分的某种物性差异，在分离装置中对其施加能量或特定分离剂，使混合物分离过程得以进行，病产生两个或两个以上产物的过程。

4、分离装置：是分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。

5、按分离过程原理分可分为机械分离、传质分离和反应分离。

6、机械分离是利用机械力简单地将两相混合物互相分离7、几种典型的机械分离过程（选择应用实例类型）名称应用实例过滤浆状颗粒回收沉降浑浊液澄清离心分离结晶物分离旋风分离催化剂微粒收集电除尘合成氨原料气初陈8、传质分离可以在均相或非均相混合物中进行，又可分为平衡分离和速率控制分离。

9、几种典型的平衡分离过程P410、平衡分离：是依据被分离混合物各组分在互不溶的两相平衡分配组成不等的原理进行分离的过程。

11、速率控制分离：是依据被分离组分在均相中的传递速率差异而进行分离的。

P512、几种典型的速率控制分离过程13、几种典型的反应分离技术14、几种工业化膜技术及基本特征P8过程微滤超滤反渗透渗透电渗析膜电解气体分离渗透蒸发膜蒸馏推动力压力差约0.1MPa压力差0.1～1.0MPa压力差0.1～10MPa浓度差电位差电位差电化学反应压力差0.1～10MPa压力差温度差第三章1、膜分离具有选择透过性能的膜在外推动力下进行膜分离。

2、反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差的推动力下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。

3、渗透通量：用单位时间内通过单位膜面积的透过物量。

4、膜分离透过物特征包括分离效率、渗透通量、通量衰减系数（渗透通量随时间衰减）5、级数是指进料经过加压的次数，即二级则是料液在过程中经过二次加压，在同一级一并联排列的组件组成一段，多个组件以前后串联连接组成多段。

《新型分离技术》课件—04膜蒸馏与膜吸收

Ni kig pigb pimi kim Cimi Cii kil Cii Cilb
• 以总传质系数表示
Ni Kg pigb pi* Kl Ci* Cilb
气相传质阻力系数
1 1 1 1 Kg kig kim Hi kil Hi
1 Hi 1 1 Kl kig kim kil
膜传质阻力系数
rp
• 对大孔膜和气体压力较高时，如果 >1，那么气体在膜孔中为粘性流，当为0.1-0.45时，在低压下，气体在膜孔中呈过渡流。
膜基吸收过程的应用
生物医学工程生物发酵工程环境保护航空、航天
生物医学工程中的应用
• 应用器件
•
血液供氧器
•
膜式氧合器（人工肺）
•
生物人工肝等
多孔与无孔膜接触器的作用机理
膜基吸收
膜基吸收
• 以多孔的疏水或亲水膜作为传递介质，并与气体吸收过程相结合的一种新型的膜分离技术。
• 能进行气体的吸收或气提，有两种操作方式：
•
气体充满膜孔，
•
吸收剂充满膜孔。
疏水膜基吸收过程压力与浓度分布
微孔充满气体的膜吸收
• 物质i的膜吸收或气提速率可用局部传质速率或总传质速率系数表示。
载人航天器舱内空气中C02去除的膜基吸收过程工艺流程
气体净化的膜基吸收工艺
VOC废气膜基负压渗透
VOC废气的膜基连续吸收与解吸
各种高分子膜对CO2的选择性及渗透速率
CO2-Permeabilitat(m/s*bar)
0.01
1E-3
1E-4
1E-5 1
*PDMS
Requirtment for closed systems

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。

第四章膜分离过程原理(完整版)

对于理想气体在多孔膜中的传递，如果膜两侧的气体总压力、温度相等，则可用气体的分压差作为推动力来表示。若忽略主体流动，则气体的渗透通量可用费克定律来计算：
4.2 以压力差为推动力的膜分离过程
• 微滤是指大于0.1μm的颗粒或可溶物被截流的压力驱动型膜过程(MF)
• 超滤是指小于0.1μm大于2nm的颗粒或可溶物被截流的压力驱动型膜过程(UF)
• 反渗透是指高压下溶剂逆着其渗透压而选择性透过的膜过程(RO)
• 纳滤是指小于2nm的颗粒或可溶物被截流的压力驱动型膜过程(nF)
• 超滤的操作模式基本上是死端过滤和错流过滤两种。产物既可以是渗透液，也可以是截留液或者二者都有。
微孔过滤
用于从气相或液相物质中截留分离微粒、细菌、污染物等。 1 微过滤膜:孔径0.025 ~ 3m，特种纤维素酯、高分子聚合物制成。
三醋酸酯纤维素聚四氟乙烯尼龙－66
亲水型
憎水型通用型
式中，ci—溶质物质的量浓度，kmol/m3; n—溶液中的组分数。
对电解质水溶液，常引入渗透压系数来校正偏离程度，对水溶液中溶质i组分，其渗透压可用下式计算
在实际应用中，常用以下简化方程计算
• 4.2.1.2反渗透操作特性参数计算
基于Sourirajan的优先吸附—毛细孔流动机理，溶剂和溶质通量可用Kimura-Sourirajan模型求算溶剂通量
盐，氨基酸，糖的浓缩，淡水制造
脱盐，除变性剂
脱盐，氨基酸和有机酸的分离
有机溶剂与水的分离，共沸物的分离（如乙醇浓缩）
4.2.1.1渗透和渗透压盐溶液纯水
1885 年 , Van’t Hoff 渗透压定律：
·R·T·Ci 渗透是在膜两边渗透压差—— 的作用下的溶剂流动；而反渗透、超滤是在一外加压力差 P > 的作用下, 溶剂逆向流动。

(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。

分离科学V-新型膜分离技术

In the 1990s
In the 1980s
Reverse osmosis membranes as FO membranes Polyamid (PA) membranes
In the 1970s
商业正渗透膜的结构
Before 1960
Bladders of animals, rubber, porcelain, goldbeaters’skin
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膜反应器的应用
钯膜反应器的应用：由天然气或CO制造氢；环已烷的脱氢；低级石蜡族烷烃的芳构化。酶膜反应器的应用：蔗糖的水解；生物大分子水解；低聚肽合成；手性化合物的生产研究；辅酶的再生；酶法生产L-氨基酸。膜生物反应器的应用：细胞循环发酵；动/植物细胞培养；城市污水和工业废水的处理。
膜蒸馏特点：
100%排斥离子、高分子、胶体、细胞、及其他非挥发物质；更低的操作温度；更低的操作压强；有效降低了膜和处理溶液的反应；更低的膜机械性能要求；与普通蒸馏法相比，不需要在沸腾下进行。它还拥有自身更独特的优势：可处理极高浓度的水溶液，且是目前唯一能从溶液直接分离出结晶产物的膜过程；合理的膜组件设计可以回收潜热；加热温度不高，具有利用廉价能源的潜在特性。
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膜反应器的类型
膜催化反应器(membrane catalytic reactor)——将膜分离与催化反应结合，可突破化学平衡的限制，提高反应转化率。膜生物反应器(membrane bioreactor MBR)——将膜分离与生物反应结合，可控制产物抑制作用，回收生物催化剂，提高生化反应转化率。它按生物催化剂类型又可分：酶膜生物反应器、膜发酵器和膜 device 混合药膜型

膜分离技术之渗透汽化

膜分离技术之渗透汽化渗透气化法是一种用来分离液体混合物的膜分离方法。

渗透气化(pervaporation即permeation-Vaporation)是膜分离技术中较年轻的一种, 是继气体膜分离后又一新的化工操作单元。

被认为是可以代替“ 精馏”最有希望的一种方法, 尤其对共沸物系和近沸物系等难分物系的分离, 显示特有的优越性。

渗透气化法根据溶质间透过的相互作用决定溶质的渗透速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在透过一侧得到浓缩。

渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此消除了渗透压的作用，从而使渗透气在较低的压力下进行，适于高浓度混合物的分离。

渗透气法利用溶质之间膜透过性的差别，特别适用于共沸物和挥发度相相差较小的双组分溶液的分离。

例如，利用渗透气化法溶缩乙醇。

因此，渗透气化又称膜蒸渗透气化又称膜蒸馏。

渗透汽化可经济地用于较宽的领域, 但浓度范围有一定限制, 如料液中要脱除者在100ppm以下, 用活性炭吸附可能较便宜；同样, 若大于5%~10%,则精馏, 吹除等法可能仍较渗透汽化为便宜, 而中间区域100ppm~5%之间,渗透汽化法较有优势, 可有不少重要的用途。

当前渗透气化主要有三方面应用，即溶剂脱水, 水的纯化以及有机物一有机物的分离。

现已大规模工业应用的只有乙醇脱水和异丙醇脱水, 由于乙醇一水, 异丙醇一水都有共沸物, 难以普通精馏分离, 用此方法比传统方法—萃取精馏等大量节约能量, 很受重视。

其它方面的应用正在不断开发, 特别是有机物/有机物的分离列为膜分离中重要研究课题的第一项, 也是因为它能代替或部分代替精馏。

精馏为重要的操作单元, 但也是高能耗操作单元, 据美国能源部统计报导，美国化学工业和石油炼制工业中的28%能耗为精馏所用, 认为如果用渗透汽化技术, 只要能节约10%就非常可观了。

根据上述当前应用的主要方面, 渗透汽化技术未来的应用潜在势头可观。

新型分离技术第4章-渗透汽化与蒸汽渗透

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
7. 渗透汽化装置
没有明显的经济性适用范围，方便集成
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
➢针对个别体系，缺乏通用性； ➢只考虑非理想扩散，忽视非理想吸附； ➢考虑优先吸附，但并未比较优先扩散。
浓差极化
• 膜分离过程中，选择性渗透是导致浓差极化的根本原因：
• 渗透速率慢的组分，在膜表面积累，液相边界层浓度低于主体浓度。
• 浓差极化使得，渗透通量、分离因子都下降。
浓差极化
• 渗透汽化过程中的浓差极化研究较少的原因：
渗透汽化膜
渗透汽化膜品质要求
• 膜的生产能力 • 膜的选择性 • 膜的稳定性
膜的生产能力
• 由膜的通量表征 • 依赖于膜本身的渗透能力 • 与膜的厚度相关
膜的选择性
• 由分离因子表征 • 由膜与料液组分间相互作用决定 • 其数值受料液浓度的影响
膜的稳定性
• 膜在一个相对较长的操作时间内，膜维持渗透和选择性的能力