第七章 渗透汽化及蒸气渗透
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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。
蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数
蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数
蒸汽渗透是指蒸汽水分子从一个物质到另一个物质之间的迁移
过程，称为渗透。
蒸汽渗透的研究在动力、纺织、化学、冶金等工业众多方面具有重要的意义。
根据渗透机理，渗透系数是一个重要的参数，表征蒸汽渗透能力强弱，即用来量化表示某种物质膜中蒸汽分子渗透能力强弱。
蒸汽渗透是一种不可逆的物理现象，也是一种能量转换的过程，温度越高的物质的渗透能力就越强，但也受到压力、浓度和温度影响。
压力越高，渗透能力越低。
当它们的压力相同时，浓度越高的物质的渗透能力也越强。
如果温度和压力相同，浓度越高的物质的渗透能力就越高。
蒸汽渗透阻是指物质之间的渗透过程中，由于物质彼此之间存在张力而产生的阻力，即物质分子渗透过程中需要克服的阻力大小，蒸汽渗透阻是一个重要膜特性参数，可以帮助更好地了解膜中渗透过程的物理机理。
蒸汽渗透系数是一个能量参数，它可以表征蒸汽渗透能力强弱，它是关于物质膜和渗透剂之间的能量参数，它的大小受物质的压力、温度、浓度和分子结构等影响。
渗透系数是基于三维分子模型的计算机模拟，其主要测试内容是由温度、压力、浓度和渗透剂之间的能量参数决定的。
蒸汽渗透系数也受物质的性质影响，比如物质的容量、粘度等，特别是溶剂的性质，会影响蒸汽渗透系数。
第七章渗透汽化及蒸气渗透
研究最多、应用最普遍、技术最成熟。已有较多的工业实例。 7.9.1.1 无水乙醇和燃料乙醇的生产
无水乙醇的生产是渗透蒸发脱水的最典型应用。世界上第一套和最大 的工业生产装置都是用于无水乙醇的生产。传统制备99.8%以上的无水 乙醇，需要采取萃取精馏、加盐精馏，过程复杂、能耗高、易污染。 渗透蒸发节能1/2-1/3，避免污染。
7.9.1.2 异丙醇脱水
除乙醇脱水外渗透蒸发过程的主要应用。异丙醇与水在80.37℃ 形成共沸物，共沸物含异丙醇87.7%，用于乙醇脱水的膜可直接 用于异丙醇脱水，且分离系数会更高。1986年，日本建造第一套 渗透蒸发工业装置用于异丙醇脱水，渗透液中异丙醇含量99.7%， 产能500千克/小时。
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。
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。
不溶于水、碱液和普通溶剂，但可溶于甲酸、乙酸等的稀溶液。耐水 性仍较差，需要交联处理，可用戊二醛、硫酸交联；与PVA共混改性。 7.8.1.3 聚丙烯酸类膜
亲水性强，侧链的羧基可供交联，交联后能够耐多种有机溶剂。分子 量高，可以制备很薄且有韧性的膜。
德国GFT(Sulzer Chemtech)膜性能一览
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。
渗透汽化论文(渗透汽化膜分离技术的进展及应用)
渗透汽化膜分离技术的进展及应用摘要: 综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状, 分析了各种模型的特点, 并就渗透汽化膜传递理论的研究方向提出了建议。
叙述了渗透汽化过程的新进展,并着重介绍了它在石化中的四方面应用,即(1) 有机溶剂及混合溶剂的脱水；(2) 废水处理及溶剂回收；(3) 有机混合物的分离；(4) 化学反应过程中溶剂的脱水。
关键词: 渗透汽化；传递理论；模型；膜组件；脱水膜前言渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术。
自80年代以来, 渗透汽化技术得到了很大的发展, 目前世界范围内有100 多套工业装置。
然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入。
也提出了几种描述渗透汽化膜传递机理的模型, 其中主要有溶解扩散膜型和孔流模型[1]。
膜技术作为一种高新技术,近30 多年来获得了极为迅速的发展，已在石油化工、海运、冶金、电子、轻工、纺织、食品、医疗卫生、生化制药、环保、航天等领域内广泛应用，形成了独立的新兴技术产业。
据专家断言:“今后，谁掌握了膜技术,谁就掌握了石油化工技术的未来”。
1 渗透汽化过程传递机理1.1 溶解扩散模型溶解扩散模型认为PV 传质过程分为三步: 渗透物小分子在进料侧膜面溶解(吸附) ; 在活度梯度的作用下扩散过膜; 在透过侧膜面解吸(汽化)。
在PV 的典型操作条件下, 第三步速度很快, 对整个传质过程影响不大。
而第一步的溶解过程和第二步的扩散过程不仅取决于高聚物膜的性质和状态, 还和渗透物分子的性质、渗透物分子之间及渗透物分子和高聚物材料之间的相互作用密切相关。
因而溶解扩散模型最终归结到对第一步和第二步, 即渗透物小分子在膜中的溶解过程和扩散过程的描述。
一般研究者都认为PV 过程的溶解过程达到了平衡[2]。
渗透气化技术
易地排出系统，膜后侧气体的流动阻力尽量小。
2.要求真空度高，对系统的密封材料要求较高 3.组件设计上可以不考虑料液流速的变化。
渗透汽化的装置
1.板框式组件
目前应用最为广 泛的渗透汽化膜 组件。
渗透汽化的装置
2.螺旋卷式膜组件
渗透汽化的装置
3.中空纤维式膜组 件
尽管已经广泛地用于
反渗透和气体分离等 膜过程中，但其在渗 透汽化过程的应用还 不普遍。
渗透汽化的装置
4.管式膜组件
应用
1.无水乙醇和燃 料乙醇的生产 恒沸物的分离是 渗透气化最能发 挥优势的领域。 其中无水乙醇的 生产时渗透汽化 脱水的典型
应用
2.异丙醇脱水
异丙醇是常用的有机溶剂和原料。目前，异丙醇脱水时除乙 醇脱水外，渗透渗透汽化过程主要的应用。
应用
3.苯中微 量水的脱 除 苯是重要 的化工原 料，在其 应用过程 中，许多 情况下需 将苯中的 微量水脱 至 0.005% 以下。
醇、醚混合物的分 离主要是甲醇/甲 基叔丁基醚和乙醇 /乙基叔丁基醚的 分离。
6.过程简单，操作方便
渗透汽化的操作模式
渗透汽化的推动力是组分在膜两侧的蒸汽分压差，分压差越 大，推动力越大，传质分离所需的膜面积就越小。一般采取 加热料液的方法来提高组分在膜上游侧的蒸汽分压，由于液 体压力变化对蒸汽压的影响不太敏感，料液侧通常采用常压
操作方式。可以采取以下几种方法来降低组分在膜下游侧的
渗透气化的特点
渗透汽化过程中最突出的优点是： 1.能够以较低的能耗实现蒸馏、萃取和吸收等传统分离方法难以 实现的分离任务。 2.高效，选择合适的膜，单级就能达到很高的分离度。 3.不引入其他溶剂，产品不会受到二次污染。
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。
渗透汽化和汽体渗透膜技术应用及其浮浅思考
的重视 ， 针对多种体系， 特别是 乙醇／ 水体系的分离 ， 进行 了大量 的研究．１８ 年 ， 国 Ｇ Ｔ公司［９ ９４ 德 Ｆ ８］ 率
先 开发 成功 出亲 水 性 的渗 透 汽 化 商 品膜 ， 框 式 组 板 件及 其 分离工 艺 ， 功 地应 用 于 乙醇 ／ 的分 离 ， 成 水 并
汽体渗透膜分离技术与渗透汽化膜分离技术分 离机理相似 ， 只是前者用于汽体混合物分离 ， 后者用 于液体混合物分离而已［ ． ４ ］
该 技术 用于 有 机蒸 气 回 收具 有 独 特 的优 势 ， 是 环境 保 护重要 新 技术 ．
司做 了 ６ 个工业应用项 目， 中乙醇脱水 ２ 个 、 ３ 其 ２ 异 丙 醇脱 水 １ 、 ６个 其它 有机 溶剂 脱水 １ 、 化 反应 ６个 酯 脱水 ４ 、 个 醚化反应脱水 ４ 、 乙胺脱水 １ ， 个 三 个 从 废水 中回收 四氟乙烯 １ 按 年增 １ 保 守估 算 ， 个． ５ 至 ２ １ 年底 ， ００ 世界上约有 ５０ ０ 多套渗透汽化工业装
第３ １卷 第 ３期 ２ １ 年 ６月 ０１
膜
科
学
与
技
术
Ｖｏ． １ Ｎｏ ３ １３ ．
Ｍ ＥＭ ＢＲＡＮＥ Ｓ ＥＮＣＥ ＣＩ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮ０Ｌ ＯＧＹ
Ｊ ｒ ２ １ ｕＬ ０ １
渗透 汽化 和汽体 渗透膜技术应 用及其浮 浅思考
李继 定ｈ ， 展 侠 ，葛 洪 ，陈 剑 ，王 蕾 韩 小龙 蔡卫 滨 ， ，
２ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 国 际渗 透汽 化 和汽体 渗 透膜 技术 应用 现状 ．
渗 透汽 化 膜 技 术研 究 开 始 于 ２ Ｏ世 纪 ５ 代 ， Ｏ年 ２ 纪六 七 十年代 能 源危 机之 后 ， ０世 引起 了世 界各 国
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料液 膜
渗透物气体
产物 渗透蒸发的分离原理
膜材料与膜过程
PV，VP技术优点 1
蒸馏法难以分离或不能分离的 近沸点、恒沸点有机混合物溶液
2
有机溶剂中微量水的脱出、废水中少量 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
3
“清洁工艺”，本身具有少污染或零 污染，适合食品、医药和环保领域应 用
2018/8/5
膜材料与膜过程
2018/8/5
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。
YA / YB X A / 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。 有时，也用增浓系数β来表征膜的分离效率： Y ＝ F 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。
2018/8/5
膜材料与膜过程
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；
第七章 渗透汽化与蒸气渗透
超过百亿美元年产值
膜技术家族
成熟膜技术 微滤、超滤 、电渗析、反 渗透、气体分 离
新型膜技术 渗透汽化
(pervaporation,PV)
蒸汽渗透
（Vapour Permeation,VP)
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膜材料与膜过程
第七章 渗透汽化
7.1渗透汽化膜的发展概况
1917 年 Kober 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，第一次使用了渗透汽化（pervaporatiom）。 60 年代 Binning 对渗透汽化进行了系统了研究，并在渗透汽化膜、组件 和装臵制造上申请了专利。 80 年代初，德国 GFT （力士乐）公司在欧洲首先建立了乙醇脱水制高纯 酒精的渗透蒸发装臵。 90 年代初， 100 多套渗透蒸发装臵相继投入应用。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 1984 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。
不凝气 冷凝器 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
2018/8/5
膜材料与膜过程
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。
膜组件
原料
截留物 冷凝器 气液分离器
按膜材料分：有机高分子膜、无机膜和有机/无机复合物膜；
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。
2018/8/5
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。 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。
载气
2018/8/5
膜材料与膜过程
7.4.4 冷凝加抽真空法
膜组件 原料 冷凝器 渗透物 真空泵 截留物
不凝气
广泛采用的方法
2018/8/5
膜材料与膜过程
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
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。
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
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
2018/8/5
膜材料与膜过程
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。
加热器 原料 膜组件 截留物
2018/8/5
膜材料与膜过程
7.4 渗透汽化的推动力及实现方法
实现方法 分离推动力 提高膜上游侧蒸 汽分压；降低膜 下游侧蒸汽分压
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。
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。
2018/8/5
膜材料与膜过程
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。
2018/8/5
膜材料与膜过程
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。
简单、稳定、可靠
特点
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。
操作温度低
可用于热敏性物质的分离
2018/8/5
过程无需.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