新型分离技术第4章-渗透汽化与蒸汽渗透

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。
溶解-扩散模型方程
• 定义：Di＝RTBi，为组分在膜内的扩散系 数
Ji
Ci Di
d ln ai dX
溶解-扩散模型方程
• i, j二元混合物在高分子膜内中 的活度系数ai可由FloryHuggins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
8. 其他
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
wenku.baidu.com
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
溶解-扩散模型
1. 料液中组分吸附到膜料液侧表面 2. 组分扩散透过膜 3. 下游表面侧解吸到汽相
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。
溶解-扩散模型
• 膜的传递性能可用渗透系数(P)表征，渗透 系数为溶解系数与扩散系数的乘积:
•
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业化：
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
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
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
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
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
• 式中
， ui
j i j
为三元 体系中
组分的体积分率。
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：
• 二组分im间的[相ln互(1作 用m参) 数ψmij]可/ 由m2剩余自由
能求得：
ij
1
xii
( xi
ln
xi
i
xj
xj
j
GE
第4章
气体渗透、渗透汽化和膜基吸收渗 透汽化与蒸汽渗透
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-扩散模型方程
• 稳态时，基于Fick扩散定律
•
存在伴生效应
Ji
Ci Bi
di
dX
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
• 简化上式（上、下游压差0.1MPa左右）
Ji
Ci Bi RT
d ln ai dX
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