第八章 渗透蒸发过程.

整个渗透蒸发过程的分离系数βpervap定义为
pervap
ci / c j ci / c j
（8-1）
式中Ci，Cj表示i，j组分的浓度，“"”表示膜 的渗透侧“'”表示膜的原料侧。
由于渗透侧是气体，可以用蒸汽压P代替浓 度C，则βpervap可以表示为： pi / p j （8-2） pervap ci / c j
（8-7）
将（8-7）式代入（8-3）式，则
pervap
pj pi pi evap a （8-8） p j p j pi



式（8-8）对讨论各种因素对渗透蒸发过程 的分离贡献，作用很大，从该式我们可以得到 如下主要结论：
1. 蒸发、膜及操作条件都会影响到渗透蒸 发过程的最终分离效果。其中蒸发过程的分 离系数是由操作条件下的汽一液平衡关系所 决定，可以用汽—液平衡数据求得。 2. 渗透蒸发膜可以优先选择透过易挥发组 分，也可以优先选择透过难挥发组分，不过 需要膜的选择性足够大。
从式(5)、式(7)和式(8)可看出，渗透蒸发的通 量与膜厚不成反比关系，分离因子也不是一个 常数，这都因溶解未达到平衡而造成，不平衡 的程度由D／(δk)决定，对某一种膜材料和某一 种溶液，不平衡的程度主要由膜厚决定，膜越 薄，不平衡的程度就越大。
渗透蒸发技术是膜分离技术的一个 新的分支，也是热驱动的蒸馏法与膜法 相结合的分离过程。不过，它不同于反 渗透等膜分离技术，因为它在渗透过程 中将产生由液相到气相的相变。在该过 程中，膜的一侧为液体混合物，膜的另 一侧为汽相真空状态。
通过负压操作，使混合物的各组分 在分压差的作用下以不同的速率从膜的 一侧蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达 到分离浓缩的目的。渗透蒸发区别于其 它膜过程的重要特点就是有相变，在膜 的一侧是液体，而在膜的另一侧则是气 体，渗透蒸发过程的示意图如图8-1所示。
渗透蒸发不仅可以应用于溶剂脱水， 还可以进行有机物--有机物分离，如果 真正工业化，将可在相当大的范围内替 代精馏。在美国精馏每年消耗能量 2×1015BTU(British Thermal Unit=252cal) ，约 占全美化工、 石油总耗能的28%。
渗透蒸发过程较精馏过程节能， 即使能节约10%的能量，每年就可节约 0.2×105BTU，也就是每天节约1×106桶 原油。因此，在美国渗透蒸发是被优 先发展的膜分离过程。

溶解扩散模型 非平衡溶解扩散模型 其它渗透蒸发模型
8.1.1
溶解扩散模型
该模型是将整个过程分成两步完成， 第一步，进料液体在膜的进料侧蒸发形成 饱和蒸汽；第二步，饱和蒸汽透过膜到达 膜的渗透侧，第二步的完成同气体分离过 程类似。虽然在渗透蒸发过程中，在膜的 原料侧没有真正发生液体的蒸发，但上述 的机理模型同真正的渗透蒸发过程在热力 学上是等效的。
// i // j
/ // ( pi// p // ) /( p p j j j ) 有最大值，
若j组分优先透过也有相同结论。
8.1.2 非平衡溶解扩散模型
以聚乙烯醇膜分离乙醇-水为例，渗透 蒸发过程中组分通过膜的传递可以分为三 个步骤： （1）乙醇、水溶解到膜的表面； （2）水和乙醇依靠浓度梯度扩散到膜的 真空侧表面； （3）水和乙醇进入到真空侧气相。
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渗透蒸发过程的机理 渗透蒸发几种典型的流程 渗透蒸发过程的特点 渗透蒸发膜、膜分离器与供应商 渗透蒸发过程的发展 渗透蒸发过程的应用及经济性 渗透蒸发和其他方法的联合使用 渗透蒸发过程急需解决的问题
8.1 渗透蒸发过程的机理
目前渗透蒸发的机理模型主要有 溶解扩散模型、非平衡溶解扩散模型、 虚拟相变溶解扩散模型、不可逆热力 模型等几种。但最常用的还是溶解扩 散模型。
cwe cw 1 Dw /(kw )
kwcwe （5） Jw 1 kw / Dw
Hale Waihona Puke Baidu（4）
cae ca 1 Da / ka
Ja kacae 1 ka / Da
（6）
（7 ）
于是，分
离因子为
kwcwe (1 ka / Da ) xa （8） kacae (1 kw / Dw ) xw
第四章中定义了膜的本征分离系数α，α只 与高聚物膜和分离物系有关：
Qi Qi pp Ji Api pi pi j j a （ 8-6） Qj Qj Jj pj pi pi Ap j p j
将（8-6）式代入（8-5）式，有：
mem
p pi pi j a p j p j pi
3. 若渗透蒸发过程以优先透过易挥发组 分为目的，在较低温度下操作有利，因为 温度低 evap 较大：若以透过难挥发组分 为目的，则反之。
/ // p p i i组分优先透过， 4. 分析（ i ）一项，若
则
// pi// p 。因此，只有透过侧在真空下操 j
做才有
p p 0 ,
第八章
渗透蒸发过程
早在100多年前，人们就发现了渗透 蒸发现象，但由于长期以来未找到既有 一定分离效果，又有较高通量的膜，一 直没能得以实际应用。该技术真正得到 广泛重视则是在发生能源危机后的70年 代末至80年代初。由于新的聚合物的合 成，膜制备技术的发展，以及工业中降 低能耗的实际要求，第一代渗透蒸发膜 才走向工业应用。
第一步是一个非溶解平衡，即膜 表面的醇、水含量没有达到与料液平 衡时的膜内醇水含量，在稳态时组分 的溶解速度等于其扩散速度。如下式 表示（以水为例）：
溶解速度
扩散速度
I w k w (cwe cw ) （1）
J w Dw cw /
Jw = Iw
（2） （3）
从式（1）~（3）可得到
根据渗透蒸发过程的机理膜型、则有：
pervap evap mem
（8-3）
分别为混合物在蒸发过程中 ， mem 式中 evap 和透过膜的过程中的分离系数，定义为： pi / p j evap （ 8-4 ） ci / c j pi / p j mem （8-5） ci / c j