第七章-渗透汽化及蒸气渗透学习资料
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。
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
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(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
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第2章 反渗透、纳滤、超滤与微滤
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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
渗透蒸馏、渗透汽化、分子蒸馏的异同
渗透蒸馏、渗透汽化、分子蒸馏的异同渗透蒸馏,又称为等温膜蒸馏,是基于渗透与蒸馏概念而开发的一种渗透过程与蒸馏过程耦合的新型膜分离技术,它具有一般膜分离技术投资省、能耗低的优点,同时又能在常温常压下使被处理物料实现高倍浓缩,克服常规分离技术所引起的被处理物料的热损失与机械损失,特别适合处理热敏性物料及对剪应力敏感性物料,从而使渗透蒸馏在食品、医药及生化领域展示出广阔的应用前景。
分子蒸馏亦称短程蒸馏，其应用能解决大量常规蒸馏技术所不能解决的问题。
分子蒸馏是一种特殊的液—液分离技术，依据分子运动平均自由程的差别，能使液体在远低于其沸点的温度下将其分离，特别适用于高沸点、热敏性及易氧化物质的分离。
分子蒸馏进行时，液体混合物被加热，能量足够的分子逸出液面，轻分子的平均自由程大，重分子的平均自由程较小，若在离液面小于轻分子平均自由程而大于重分子平均自由程处设置一冷凝面，轻分子达到冷凝面后被冷凝，从而使其不断逸出；重分子达不到冷凝面，很快趋于动态平衡，这样就将混合物分离了。
分子蒸馏技术的主要特点是其操作是在远低于沸点温度和很低的压强下进行操作的。
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。
从诞生时间上说，渗透蒸馏、渗透汽化、分子蒸馏这三种技术均是新型的蒸馏分离技术，其中的分子蒸馏技术甚至是一项较新的尚未广泛应用于工业化生产的分离技术。
其基本原理都是将沸点不同的液体气化从而达到液-液分离的目的，并利用了表面化学的原理，利用膜分离技术，增大了蒸馏分离的效率和分离出物质的纯度，节约了能源，提高了生产效率。
但是，这三种蒸馏技术也是有其独特特点和适用范围的。
一、渗透蒸馏过程及其特点渗透蒸馏是指被处理物料中易挥发性组分选择性的透过疏水性的膜,在膜的另一侧被脱除剂吸收的膜分离操作,在通常情况下,被处理物料与脱除剂均为水溶液,渗透蒸馏过程能够顺利进行是由于被处理物料中的易挥发组分在疏水膜的两侧存在渗透活度差,被处理液中的易挥发组分在疏水膜两侧的渗透活度相等,即蒸汽压力差不再存在时,则渗透蒸馏过程将停止进行。
渗透汽化实验课件
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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。
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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。
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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
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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。
第一课液膜分离与渗透汽化
2.4 渗透汽化的应用
• ①恒沸物的分离 恒沸液分离是渗透汽化研究与应用的主 要领域。乙醇一水的分离是最主要的对象，人们对它进行 了广泛的研究。乙醇水恒沸液中含水少，可以直接应用易 透水膜的渗透汽化过程制取无水乙醇。目前用渗透汽化法 制取无水乙醇已经工业化。
• ②近沸组分混合物的分离 如苯和环己烷，它们的沸点分 别为80.1℃和 80.7℃难以用一般的精馏方法分离。Lee用 渗透气化法(采用甲基丙基羟基纤维素膜)进行分离，分离 系数达200左右。
• 1 液膜分离
1.1 液膜分离过程的原理 1.2 液膜的形状和分类 1.3 液膜分离设备 1.4 液膜分离技术的应用
1 液膜分离
• 液膜分离是一种快速、高效和节能的新型分离技 术，它是20世纪60年代发展起来的。液膜分离和 溶剂萃取过程相似，也是由萃取和反萃取两个过 程构成的。但是在液膜分离过程中，萃取与反萃 取是同时进行、一步完成的。液膜分离的传质机 理与生物膜有相似之处。在广泛深入研究的基础 上，液膜分离在湿法冶金、石油化工、环境保护、 气体分离、生物医学等领域中，显示出了广阔的 应用前景。
• ③乳液膜 乳状液膜实际 上可以看成是一种“水油-水”型(W/O/W)或“油 -水-油”型(O/W/O)的双 重乳状液高分散体系。将 两个互不相溶的液相通过 高速搅拌或超声波处理成 乳状液，然后将其分散到 第三液相(连续相)中。
1.2 液膜的形状和分类
• 油膜（W/O）和水膜（O/W）示意图
a——油膜（W/O），W/O/W体系； b——水膜（O/W），O/W/O体系
1.1 液膜分离过程的原理
• 液膜分离是将第三种液体展成膜状以分隔两 个液相，原料液中的某些组分透过液膜进入接受 液，实现3组分的分离。液膜分离过程是由三个液 相所形成的两个相界面上的传质分离过程，实质 上是萃取与反萃取的结合。所以液膜分离又称液 膜萃取。
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
渗透蒸发
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8.渗透蒸发技术的应用
（1）液体有机物脱水（乙醇脱水） （2）水中脱除有机物（酒中脱醇） （3）有机物/有机物分离 a .芳烃与脂肪族化合物分离（苯与环已烷） b .不同脂肪族化合物的分离（异癸烷与环已烷的分离） c .直链烷烃与烯烃（戊烷与戊烯） d .从碳氢化合物中分离出含氯碳氢化合物（环已烷与氯仿） e .异构体之间的分离
缺点是丌能有效的保证丌凝气从系统排除，实际很少应用
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（3）载气吹扫蒸发渗透 用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过组分， 如图。吹扫气经冷却冷凝以回收透过组分，载气循环使用。若透 过组分无回收价值(如有机溶剂脱水)可不用冷凝，直接将吹扫气 放空。
膜组件 原料 截留物 气液分离器
冷凝器 载气
渗透蒸发
化学三班 张贤岭
1. 技术简介
膜技术家族
年产值超过百亿美元
成熟膜技术 微滤、超滤 、电渗析、反 渗透、气体分 离
新型膜技术 渗透蒸发
(pervaporation,PV)
蒸汽渗透
（Vapour
Permeation,VP)
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2. 渗透蒸发
渗透蒸发又称渗透汽化，是有相变的膜渗透过程。 膜上游物料为混合物，下游透过侧为蒸汽，为此，分离 过程中必须提供一定热量，以促进过程进行。正因为这 一过程是由"permation"(渗透)和"evaporation"()蒸发 两个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称之为 "pervaporation"，简称PV。
1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组分在液气相界面蒸发气体从界面出沿孔道传输出去logopage渗透物蒸汽汽化小分子在膜进料侧表面溶解吸附小分子穿过膜扩散到膜的透过侧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影响丌大logopage渗透蒸发过程分类根据膜两侧蒸汽压差形成方法的不同渗透蒸发可分为以下几类
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。
渗透汽化分离膜
渗透汽化分离膜渗透汽化分离膜是一种重要的膜分离技术，在多个领域具有广泛的应用。
本文将从渗透汽化分离膜的原理、应用范围、发展趋势等方面进行详细介绍。
一、渗透汽化分离膜的原理渗透汽化分离膜是利用膜作为分离屏障，利用物质在膜上的渗透、吸附、扩散等运动特性，实现物质分离的技术。
在渗透汽化分离过程中，被分离物质溶液经过膜进行处理，使其在膜上发生相变，从而实现物质的分离。
渗透汽化分离膜利用分子间的作用力差异，实现对溶液中不同物质的分离。
当溶液经过渗透汽化分离膜时，被分离物质会被膜吸附，并在膜上逐渐蒸发，形成蒸汽。
而溶液中的其它物质则无法被膜吸附，无法蒸发。
通过控制膜的选择性，可以选择性地去除或浓缩某种物质，实现物质的分离。
渗透汽化分离膜的分离效果与多个因素有关，包括温度、压力、膜的材质、膜的厚度等。
温度和压力可以影响溶液中物质的蒸发速率，从而影响分离效果。
膜的材质和厚度决定了分子通过膜的难易程度，也会影响分离效果。
二、渗透汽化分离膜的应用范围渗透汽化分离膜在许多领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 离子分离与浓缩：渗透汽化分离膜可以将离子从溶液中分离出来，用于水处理、海水淡化等工艺中。
2. 气体分离与纯化：渗透汽化分离膜可以将混合气体中的某种成分分离出来，用于气体纯化、工业气体分离等领域。
3. 溶液浓缩：渗透汽化分离膜可以通过蒸发水分来浓缩溶液，用于制备高浓度溶液、回收溶剂等。
4. 有机物去除：渗透汽化分离膜可以去除溶液中的有机物，用于废水处理、环境保护等工艺中。
5. 分子筛分：渗透汽化分离膜可以实现对分子大小的筛选，用于分子分离、蛋白质纯化等领域。
6. 气体回收与再利用：渗透汽化分离膜可以将废气中的有用物质回收，用于节能减排、资源回收等工艺中。
三、渗透汽化分离膜的发展趋势渗透汽化分离膜技术在过去几十年中得到了快速发展，并在多个领域取得了重要的应用。
未来，渗透汽化分离膜技术将继续向以下方向发展：1. 提高分离效率：目前的渗透汽化分离膜技术仍存在一些限制，如分离效率较低、膜的稳定性不高等。
化工实验-渗透气化实验讲义
化工实验：渗透汽化实验讲义一. 简单介绍渗透蒸发（简称PV）是近年来发展起来的一种新的膜分离技术，利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程。
该过程伴有组分的相变过程。
渗透蒸发是一种无污染，低能耗的膜分离过程具有广泛的应用前景。
1：用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机溶剂进行脱水，典型的应用是处理生化发酵液，处理共沸精馏的液体。
2：利用憎水膜去除水中少量有机物，如卤代烃、酚类等，以及对石油工业中的烃类等有机物质的分离，各种同分异构体的分离。
3：用于有机合成，如对于酯化反应。
由于反应本身是可逆的，在反应物和产物之间有平衡关系，通常为得到更多的反应产物常常加入廉价的反应物质，使平衡向产物移动，提高产率，这牵涉了很多的问题如反应物大量消耗等，若采用渗透蒸发在反应的同时连续的把产物中的水除去，就可以使平衡向右移动，得到更多的产物，这在工业应用中意义重大。
总之:渗透蒸发在分离过程不受汽液平衡的限制,对共沸物系，沸点相近物质、同分异构体混合物、受热易分解物质以及水中微量有机物质的脱除等方面具有独特的优势。
与传统的分离过程相比，它具有高选择性，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，无污染的等优点.实验原理利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程；该过程伴有组分的相变过程。
传质模型：1: 渗透蒸发的串联阻力模型渗透蒸发传质过程主要包括：1:渗透组分首先由料液主体扩散至膜的上游侧料液与膜的界面;2:渗透组分吸附在膜的表面；3:渗透组分扩散通过膜至膜的下游4:透组分在渗透侧脱吸为气相；5:渗透组分由气-膜界面扩散至气相主体（浓度或者压力）。
2:溶解扩散模型Binning 等首先将溶解扩散模型用来描述渗透蒸发过程,并得到了广泛认可. 根据溶解扩散模型,渗透蒸发过程分为以下3 个步骤:1:组分在膜上游侧的溶解;2:组分在膜中的扩散;3:组分在膜下游侧的解吸. 需要注意的是,膜中浓度分布取决于膜的溶胀.溶解扩散模型假设过程温度和压力恒定,膜上(下) 游侧表面溶解(解吸) 过程均达到热力学平衡,过程的推动力为活度梯度或浓度梯度.二、渗透蒸发膜渗透蒸发膜是整个PV过程的关键部分，所以目前国内外的研究大部分都集中在PV膜的开发上面。
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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
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7.8 渗透汽化膜
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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。
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。
渗透蒸发过程涉及到复杂的渗透物与膜、渗透物组分之间的相互作 用。目前已提出的描述模型有数十个，最主要的是溶解扩散模型和孔流 模型，其中溶解扩散模型应用比较普遍。
7.7.1 溶解扩散模型
溶解
膜 渗透物蒸汽
小分子在膜进料侧表面溶解（吸附）
汽化
小分子穿过膜、扩散到膜的透过侧
进料液体
扩散
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溶解扩散模型示意
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。
料液
渗透物气体 膜
产物 渗透蒸发的分离原理
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PV，VP技术优点
蒸馏法难以分离或不能分离的
1
近沸点、恒沸点有机混合物溶液
有机溶剂中微量水的脱出、废水中少量
实现方法
提高膜上游侧蒸 汽分压；降低膜 下游侧蒸汽分压
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7.4.1 抽真空法
膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧蒸汽压差。
膜组件
原料
截留物
冷凝器
排空
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真空泵
能耗大，效率高； 真空泵负荷大，且不能回收有价值的渗透物
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7.4.2 热渗透汽化
通过加热进料液和透过测冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。
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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。
特点
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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。
过程无需其他试剂
产品不会受到污染。
有时，也用增浓系数β来表征膜的分离效率：
＝ YF 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。
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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
原料
加热器
膜组件
截留物
冷凝器
不凝气 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
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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。
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
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
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。
2
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
“清洁工艺”，本身具有少污染或零
3
污染，适合食品、医药和环保领域应
用
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7.4 渗透汽化的推动力及实现方法
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。
分离推动力
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。
原料
膜组件 冷凝器
截留物 气液分离器
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载气
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7.4.4 冷凝加抽真空法
原料
膜组件
截留物
冷凝器
不凝气 渗透物 真空泵
广泛采用的方法
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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
简单、稳定、可靠
操作温度低
可用于热敏性物质的分离
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； 按膜材料分：有机高分子膜、无机膜和有机/无机复合物膜；
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7.7 传递过程的基本理论