第十章 渗透汽化(PV)

以下， 2000g/m2·h以下，而具有高选择性的则更小。 以下 而具有高选择性的则更小。 PV过程与 过程与RO、UF及GS等膜分离方法的最 过程与 、 及 等膜分离方法的最 大区别在于， 前者的组分透过膜时， 大区别在于 ， 前者的组分透过膜时 ， 将产生相 变。
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渗透汽化适用的分离过程
具有一定挥发性的物质的分离(先决条件 先决条件); ① 具有一定挥发性的物质的分离 先决条件 从混合液中分离出少量物质; ② 从混合液中分离出少量物质 恒沸物的分离; ③ 恒沸物的分离 精馏难以分离的沸点相近物质的分离 沸点相近物质的分离; ④ 精馏难以分离的沸点相近物质的分离 与反应过程结合. ⑤ 与反应过程结合
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乙二醇/水 乙二醇 水
Glycol/water separation process
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Dehydration of Ethylene Dichloride (EDC) 1,2-二氯乙烷 二氯乙烷
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Photograph of a 50-m2 GFT plate-and-frame module and an ethanol dehydration system fitted with this type of module.
常优先吸附有机溶剂， 常优先吸附有机溶剂 ， 是从水中脱除有机溶剂
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渗透汽化膜 1。优先透水膜 。 ① 非离子型聚合物膜 如PVA ② 离子型聚合物膜 ③ 将亲水基团引入疏水膜中的透水膜 ④ 聚电解质透水膜 2。优先透过有机物膜 。 ① 有机硅聚合物 ② 含氟聚合物 ③ 纤维素衍生物
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3。有机物分离膜 。 ① 醇/醚分离膜 醚 ② 芳烃/烷烃分离膜 芳烃 烷烃分离膜 烷烃 同分异构体分离膜 ③ 同分异构体分离膜 ④ 芳烃 醇类分离膜 芳烃/醇类 醇类分离膜
第 十 章
2011-4-26
1. 渗透Байду номын сангаас化 渗透汽化(Pervaporation)的概念 的概念
渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发） 渗透汽化（或渗透蒸发或全蒸发）是指液体混合物 易透过组分较多地溶 在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分 在膜的一侧与膜接触时，其中易透过组分较多地溶 解在膜上，并扩散通过膜， 解在膜上，并扩散通过膜，在膜的另一侧气化而被 抽出，从而达到分离的膜过程。正因为这一过程是 抽出，从而达到分离的膜过程。 渗透)和 蒸发)等两 由 “ permation”(渗透 和 “ evaporation”(蒸发 等两 渗透 蒸发 个过程所组成，所以合并二词的头尾而被称为 “pervaporation”，简称 。 ，简称PV。
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The use of permeate vapor fractional condensation systems to improve the separation achieved in pervaporation of dilute ethanol solutions
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Integrated distillation–pervaporation plant for ethanol recovery from fermentors
PV过程原理示意图 过程原理示意图
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下游抽真空或惰气吹扫渗透汽化过程示意图
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Cross-section of a composite membrane
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5. 渗透汽化过程传递机理
1。溶解 扩散模型 。溶解~扩散模型 料液中组分吸收进入膜料液测表面； ① 料液中组分吸收进入膜料液测表面； 组分扩散透过膜； ② 组分扩散透过膜； 从下游侧表面解吸进入气相。 ③ 从下游侧表面解吸进入气相。 2。孔流模型 。 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液~气相界 ① 液体组分通过孔道传输到膜内某处的液 气相界 面； 组分在液~气相界面处蒸发 气相界面处蒸发； ② 组分在液 气相界面处蒸发； 气体从界面片沿孔道传输出去。 ③ 气体从界面片沿孔道传输出去。
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6. 影响渗透汽化过程的因素
膜材料及其结构，被分离组分的性质 膜材料及其结构， 温度 料液组成 上、下游压力 浓差极化及温度梯度 膜厚度
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7. 渗透汽化膜
渗透汽化膜材料的选择 必须遵循几个原则 A. Flory-Huggins相互作用参数 相互作用参数Ψ 相互作用参数 B. 溶解度参数理论
2. 渗透汽化的分类
I. 减压渗透汽化 II. 加热渗透汽化 III. 吹扫渗透汽化 IV. 冷凝渗透汽化
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3. 渗透汽化（PV）的特点 渗透汽化（ ）
1. 最大特点是单级选择性好。从理论上说，PV分离 最大特点是单级选择性好 从理论上说， 分离 单级选择性好。
的程度无极限，适合分离沸点相近的物质 分离沸点相近的物质， 的程度无极限，适合分离沸点相近的物质，尤其 适于恒沸物的分离 恒沸物的分离。 适于恒沸物的分离。对于回收含量少的溶剂也不 失为一种好方法； 失为一种好方法； 由于PV过程中有相变发生 所以能耗较高 过程中有相变发生， 能耗较高； 2. 由于 过程中有相变发生，所以能耗较高；
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渗透汽化的应用( 渗透汽化的应用(续)
2. 水中脱除有机物
PV法进行水中有机物的脱除及回收， 法进行水中有机物的脱除及回收， 法进行水中有机物的脱除及回收 20世纪 年代初期实现工业化应用，比有机溶剂脱水约晚 世纪90年代初期实现工业化应用 世纪 年代初期实现工业化应用，比有机溶剂脱水约晚10 年的时间。已经开发出包括硅橡胶膜在内的多种膜材料， 年的时间。已经开发出包括硅橡胶膜在内的多种膜材料，其 中用于脂肪烃、卤化烃、芳香族化合物（如环已烷、已烷、 中用于脂肪烃、卤化烃、芳香族化合物（如环已烷、已烷、 氯甲烷、氯仿、氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯、乙苯等）的分 氯甲烷、氯仿、氯乙烯、 甲苯、二甲苯、乙苯等） 离因子为200~1 000； 用于醇、 离因子为 200~1 000 ； 用于醇 、 酮 、 酯 、 醛的分离因子为 20~200；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为 ；用于脱除甲醇、乙醇、乙醛的为5~20。 。
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Pervaporation on Debutanizer Sidedraw
Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE production process
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（共沸物） 共沸物）
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4. 渗透汽化 渗透汽化(PV)的原理 的原理
其分离机理可分为3步 其分离机理可分为 步： (溶解 扩散模型 溶解~扩散模型) 溶解 扩散模型 ① 被分离的物质在膜表面 上有选择地被吸附并被 溶解； 溶解； 通过扩散在膜内渗透； ② 通过扩散在膜内渗透； ③ 在膜的另一侧变成气相 脱附而与膜分离。 脱附而与膜分离。
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8. 渗透汽化的应用
1. 有机溶剂脱水
这是PV过程研究最多，产业化最早， 这是 过程研究最多，产业化最早， 过程研究最多 应用最普遍， 技术最成熟的领域。 无水乙醇的生产、 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、 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。 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 为分离层， 一般采用亲水性的聚乙烯醇 为分离层 (PAN)多孔膜为支撑层的 多孔膜为支撑层的PVA/PAN复合膜。 复合膜。 多孔膜为支撑层的 复合膜 从国际上已投产的PV工业装置的运行结果表明， 从国际上已投产的 工业装置的运行结果表明，与传统 工业装置的运行结果表明 的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用PV技术生产无水乙醇 技术生产无水乙醇， 的恒沸蒸馏和萃取精馏相比，采用 技术生产无水乙醇， 可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的 可使能耗大大降低，仅为蒸馏法的1/2 ~ 1/3，整个生产装 ， 置总投资为传统分离方法总投资的40%~80%。 。 置总投资为传统分离方法总投资的
3. PV过程的操作简单，易于掌握； 过程的操作简单 过程的操作简单，易于掌握； 4. 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，所以不 在操作过程中，进料侧原则上不需加压，
会导致膜的压密， 会导致膜的压密，透过率也不会随时间的延长而 减小； 减小；
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5. 与RO等过程相比，PV的通量要小得多，一般在 等过程相比， 的通量要小得多 的通量要小得多， 等过程相比
Once-through pervaporation system design. This design is most suitable for removal of VOCs with modest separation factors for which concentration polarization is not a problem
的溶解量大。 组分与聚合物的溶解度参数之矢量 差小，则组分与聚合物间的亲和力大， 差小，则组分与聚合物间的亲和力大，组分在聚合物中
C. 极性相似和溶剂化原则 D. 定性的亲憎水平衡理论
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膜材料选择性的预测 ① 溶解度参数 聚合物的亲水性、 ② 聚合物的亲水性、疏水性 如，亲水性聚合物
能优先透过水，是脱水膜最好的候选材料。 能优先透过水，是脱水膜最好的候选材料。 ③ 弹性体聚合物与玻璃态聚合物 渗透汽化膜最好的候选材料。 渗透汽化膜最好的候选材料。 弹性体材料通
目前， 技术提取或脱除有机物的主要应用有： ） 目前，用PV技术提取或脱除有机物的主要应用有：1）从废 技术提取或脱除有机物的主要应用有 水中去除有机污染物，如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃 水中去除有机污染物，如酚、 各种有机酸、 ）从酒类饮料中回收乙醇； ）从果汁、 等；2）从酒类饮料中回收乙醇；3）从果汁、饮料中回收芳 香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。 香物质，包括酯类、醛类和一些烃类。
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Pervaporation Process before Debutanizer
Methods of integrating pervaporation membranes in the recovery of methanol from the MTBE production process