第十章渗透汽化

1、60年代年代Binning第十章 渗透汽化 一、发展概况1917年年KoberKober介绍了水从蛋白质甲苯溶液通过火棉胶器壁的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。Binning在渗透汽化膜、组件和装置制造上申请了专利。在渗透汽化膜、组件和装置制造上申请了专利。80年代初，德国年代初，德国GFTGFT公司在欧洲首先建立了乙醇脱水制高纯酒精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。90年代初，年代初，100100多套渗透蒸发装置相继投入应用。除了用于乙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、乙二醇等溶剂的脱水。我国在19841984年主

2、要对优先透水膜和醇水溶液的脱水过程进行研究。年主要对优先透水膜和醇水溶液的脱水过程进行研究。近年对优先透有机物膜、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也在进行研究。二、基本概念渗透汽化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。分离目的：挥发性液体混合物的分离。推 动 力： 分压差、浓度差截流组分：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料液物态：原料为液体，透过物为汽态透过组分在料液中的含量：少量组分三、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

3、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。 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。四、渗透汽化的分类按照形成膜两侧蒸汽压差的方法渗透汽化有以下几种。1.真空渗透汽化真空渗透汽化膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧蒸汽压差。 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。热渗透汽化的费用低于真空渗透汽化的费用。3.载气吹扫渗透汽化载气吹扫渗透汽化用载气吹扫膜

4、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。4.使用可凝性载气的渗透汽化使用可凝性载气的渗透汽化当透过组分与水不互溶时，可采用低压水蒸气为吹扫载气。适用于从水溶液中脱除低浓度甲苯、二氯乙烷等非水溶性有机溶剂。5.渗透液冷凝分相后部分循环渗透液冷凝分相后部分循环当透过组分在水中有一定溶解度时，透过物冷凝分相后，含有溶剂的水相可循环回入料液侧。6. 渗透液部分冷凝的渗透汽化在第一冷凝器中，通过部分冷凝提高透过组分的浓度。五 、渗透汽化过程的特点1分离系数大。一般可达几十几千。2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

5、。渗透汽化最适合分离近沸物和恒沸物。3过程中不引入其它试剂，产品不会受到污染。4过程简单，操作方便。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 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。7渗透通量小，一般小于1001001000g/m2h。六、渗透汽化过程的分离性能与测试对二元混合物渗透汽化膜的分离因子为pvy ay bx a式中 x - 料液a、 b组分浓度y - 透过汽相a 、b组分浓度x bp a上式也可表示为：pvp bx ax b如果把渗透汽化分为两步完成：第一步：膜上游侧料液蒸发形成饱和蒸汽第

6、二步：蒸汽透过膜渗透到低压侧p a蒸发过程 v p bx ax bp a膜分离过程 m p bp ap b因此渗透汽化过程pv = vm要提高渗透汽化的分离程度必须增大v 和m渗透汽化最好是从不挥发组分中脱除易挥发组分，以提高v当m 与v 相比足够大时也可以使难挥发组分优先通过渗透速率和分离因子的测定测定系统由渗透池、料液循环装置、收集产品的冷阱和真空系统组成。真空压力200Pa，透过组分用液氮冷凝、收集。渗透速率和分离因子的测定装置1.料液瓶 2. 隔膜式计量泵 3.恒温水浴 4.渗透池5.杜瓦罐 6.收集瓶 7.真空计 8.干燥器 9.真空泵七常用渗透汽化膜及性能1优先透水膜膜的活性层含亲

7、水性基团的聚合物 非离子型聚合物膜聚乙烯醇、聚羟基甲撑、甲氧基甲基化尼龙-3、交联聚甲基丙烯酸。它们分别含OH、NHCO、OCH3、OCOCH3等非离子性亲水基团。 离子型聚合物膜根据固定基团分为阳离子聚合物与阴离子聚合物两类。膜材料中具有离子基团可以有效地提高膜对水的选择透过性与渗透通量。 共聚共混改性膜将亲水基团引入疏水膜中，通常采用共聚、共混、接枝等方法。2优先透有机物膜优先透有机物的膜材料通常是极性低、表面能低、溶解度参数小的聚合物。如硅橡胶、含氟聚合物、纤维素衍生物和聚苯醚等。 有机硅聚合物具有憎水、耐热、很高的机械强度和化学稳定性，对醇、酯、酚、酮、卤代烃、芳香族烃、吡啶等有机物有

8、良好的吸附选择性。 含氟聚合物主要有聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚六氟丙烯、聚磺化氟乙烯基醚与聚四氟乙烯共聚物、聚四氟乙烯与聚六氟丙烯的等离子共聚物等。 维素衍生物纤维素类材料易于酯化、醚化、接枝、共聚、交联等，并且与许多聚合物都有良好的共混性。通过各种改性手段调节憎水官能团的比例。3有机物分离膜工业上分离有机混合物渗透汽化膜的尚处于开发阶段。醇 / 醚分离膜主要的例子有甲醇/甲基叔丁基醚和乙醇/乙基叔丁基醚的膜材料主要有乙酸纤维素、聚酰亚胺、聚苯醚等。 芳烃 / 烷烃分离膜例如苯/环己烷、甲苯/正辛烷或异辛烷的等的分离。 同分异构体的分离膜如混合二甲苯、丁醇异构体等的分离 。 芳烃 / 醇类分离

9、膜如苯、甲苯、与乙醇、甲醇组成的混合液的分离 ，属非极性与极性体系，利用其极性和分子尺寸的差别选用和设计膜材料。八、渗透汽化膜组件及过程优化渗透汽化膜组件可以是板框式、卷式和中空纤维式。板框式与后者相比容易密封 ,透过侧空间比较大。Lurgi公司板框式膜组件示意图公司板框式膜组件示意图渗透汽化过程的优化1. 渗透汽化的操作温度渗透通量与温度的关系遵循ArriheniusArrihenius公式。温度高，公式。温度高，渗透通量大，所需膜面积小，膜组件投资少。温度高，膜的使用寿命短，更换膜的费用高2.中间加热中间加热料液温度下降，渗透通量减小，必须进行中间加热，提高料液温度，使过程的渗透通量始终保

10、持在较高水平，以减少所需总膜面积，减少设备投资。但是中间加热次数的增加，也有使膜组件和中间加热器设备费用增加3. 膜后侧压力膜后侧压力愈低，过程的推动力愈大，渗透通量愈大，所需膜面积愈小，膜组件的费用低。但是压力愈低，真空泵的负荷大，要求渗透汽的冷凝温度低，冷凝器大，能耗大。4. 渗透汽的冷凝温度冷凝温度取决于压力和渗透汽的性质。对于一定的渗透汽，冷凝温度低，渗透汽排出量少，真空泵投资少，能耗低，但是冷凝器本身的费用高。求出最佳的冷凝温度可以使真空泵与冷凝器的费用之和最少。九、渗透汽化的应用（一）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先决条件2.从混合液中分离出少量物质的体系。例如有机物中少量水的脱除充分利用渗透汽化分离系数大的优点;减少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