10第十章渗透气化

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。

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。

4．冷凝渗透汽化：当透过组分与水不互溶时，可以低压水蒸汽为吹扫载气，冷凝后水与透过组分分层后，水经蒸发器蒸发重新使用。

三、渗透汽化过程特点

渗透汽化与反渗透、超滤及气体分离等膜分离技术的最大区别在于物料透过膜时将产生相变。因此在操作过程中必须不断加入至少相当于透过物气化潜热的热量，才能维持一定的操作温度。

（一）渗透汽化特点：

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/m 2•h ，而选择性高的膜，其通量往往只有100g/m 2•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。

（二）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，这是应用渗透汽化法进行分离的先决条件。

2．从混合液中分离出少量物质，例如有机物中少量水的脱除，可以充分利用渗透汽化分离系数大的优点，又可少受透过物汽化耗能与渗透通量小的不利影响。

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联合的集成过程。

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。

第二节 渗透汽化的基本理论

一、渗透汽化的基本原理

渗透汽化使用的是致密膜、有致密皮层的复合膜或非对称膜。原料液进入膜组件，流过膜面，在膜后侧保持低压。由于原液侧与膜后侧组分的化学位不同，原液侧组分的化学位高，膜后侧组分的化学位低，所以原液中各组分将通过膜向膜后侧渗透。因为膜后侧处于低压，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，从膜组件中流出的渗余物可以是纯度较高的透过速率较慢的组分的产物。对于一定的混合液来说，渗透速率主要取决于膜的性质。采用适当的膜材料和制造方法可以制得对一种组分透过速率快，对另一组分得渗透速率相对很少，甚至接近零的膜，因此渗透汽化过程可以高效的分离液体混合物。

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将料液加热到适当的温度；另一方面要降低膜后侧组分的蒸气分压。

二、渗透汽化过程的分离性能

膜的渗透通量和分离因子是表征渗透汽化膜分离性能的主要参数，除与膜和被分离体系的物化性质、膜的几何结构有关外，还与温度和膜下游操作压力有关。渗透汽化膜过程的渗透速率主要用溶解扩散模型表示。对于二元混合物，渗透汽化膜的分离因子定义为：

α＝j

i j i x x y y // 10-1 式中x i 、x j ――原液中组分i 与组分j 的摩尔分率；

y i 、y j ――透过物中组分i 与组分j 的摩尔分率。

通常式中i 表示透过速率快的组分，因此α的数值大于1。α大表示二组分的透过速率相差大，膜的选择性好。

单位时间内通过单位膜面积的组分的量称为该组分的渗透通量，其定义式如下：