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)
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 和装置制造上申请了专利。 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 酒精的渗透蒸发装置。 90年代初，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。
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。
实现方法
提高膜上游侧蒸 汽分压；降低膜 下游侧蒸汽分压
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
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；
7.7 传递过程的基本理论
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。
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
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。
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
7.4.3 载气吹扫法
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。
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
简单、稳定、可靠
特点
操作温度低
可用于热敏性物质的分离
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。
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
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。
料液
渗透物气体 膜
产物 渗透蒸发的分离原理
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
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
7.4 渗透汽化的推动力及实现方法
7.7.1 溶解扩散模型
溶解
膜 渗透物蒸汽
进料液体
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 影响不大）
7.7.2 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
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。
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。
原料
膜组件 冷凝器
截留物 气液分离器
载气
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
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
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。
产品不会受到污染。
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。