10第九章 渗透汽化

随着工业快速发展，各种有机溶剂得到广泛使用，包括醇类、酯类、酮类、醚类、芳香族化合物等化学溶剂应用于能源、医药、生物等领域，在国民经济中发挥着重要作用。

一、传统分离工艺：有机溶剂脱水是有机溶剂生产和使用过程中一个重要环节。

传统分离采用方法主要有一般化学方法、吸附法、精馏法。

大多数有机溶剂和水形成共沸物或近沸物，采用普通精馏技术难以将水脱除。

传统恒沸精馏、萃取精馏技术，需要增加第三组分，不仅能耗高、工艺复杂、而且大量使用了有毒，有害的有机溶剂，给环境带来了很大压力。

对于一般化学方法、吸附法，规模化生产过程中会产生大量废液、废渣，也不符合我国节能减排的基本政策。

渗透汽化( 蒸汽渗透) 膜用于共沸/ 近沸有机溶剂脱水具有明显的节能与经济势，已受到广泛应用。

对高含水量的有机溶剂脱水，精馏渗透汽化法生产无水乙醇的新工艺将乙醇溶液通过精馏得到95%乙醇，然后将其加热进入渗透汽化膜组件进行离，不添加第三组分得到无水乙醇，但需要对精馏塔顶馏出物进行冷凝，再加热后进行渗透汽化脱水，两种过程单独操作而没有实现能量耦合，资源利用率与脱水效率较低。

二、新型精馏-蒸汽渗透耦合技术将含水的有机溶剂送入精馏塔，至少部分的塔顶的蒸汽不经冷凝直接由蒸汽渗透装置进行分离，渗透侧为水，截留侧为有机溶剂。

工艺流程图如下：1是原料罐；2是原料泵，3是预热器，4是精馏塔，5是分凝器，6是过热器，7是蒸汽渗透装置，8是真空泵，9是渗透液罐，10是再沸器，11是产品罐，12是产品冷凝器。

三、技术优势：与现有技术相比，该工艺在有机溶剂脱水过程中无需添加第三组分，省去了第三组分的添加对环境造成的污染及第三组分的再处理费用，省去了恒沸精馏、萃取精馏过程，降低了能耗，提高了产品质量。

由于脱水工艺过程中无需添加第三组分，蒸汽热量也得到重复利用，从而降低了生产成本。

该工艺与现有精馏与蒸汽渗透两个工序分开操作相比能耗降低了20%～60%。

利用产品热量对原料进行预热，提高了系统内能量利用率，进一步降低了生产能耗。

膜法有机气体回收项目XXX技术工程中心2015年11月1. ,概要北京清源洁华膜技术有限公司（以下简称清源洁华）成立于2013年，公司以清华大学膜技术工程研究中心渗透汽化膜等专利技术为基础，从事渗透汽化、汽体渗透、透醇膜、超滤膜、纳滤膜等的研发生产。

清源洁华主要发起人全部毕业于清华大学，分别具有几十年的膜性能研发生产、化工工艺开发设计、化工设备加工制造、化工装置及企业生产管理经验，对国家环境保护工作的紧迫性及膜分离技术的先进性共同认知促成大家走到了一起。

汽体渗透和渗透汽化膜分离技术是近二十年来发展起来的一种高新技术，依据溶解扩散分离原理，依靠有机汽体和空气各组分在膜中的溶解与扩散速度不同的性质来实现分离的新型膜分离技术。

其中膜法有机气体回收是以混合物中组分分压差为分离推动力，有机汽体透过膜、空气不能透过膜。

该技术具有高效、低能耗、操作安全等优点，与传统油汽回收技术相比，具有明显的技术上和经济上的优势。

清源洁华作为清华大学膜技术工程中心生产、实验基地，拥有三项国家发明专利，分别是：一种渗透汽化优先透醇沸石填充硅橡胶复合膜的制备方法；一种渗透汽化汽油脱硫用互穿网络膜的制备方法；二氮杂萘聚醚砜酮类聚合物平板超滤膜及其制备方法等。

2.项目背景清华大学膜技术工程研究中心深知国际竞争的残酷性和中国人拥有该先进技术自主产权的重要性，是国内最早开展渗透汽化和汽体渗透膜技术研究单位。

在国家的支持下，本研究中心先后承担了国家自然科学基金“七五”重大项目“膜分离与分离膜”、“八五”重点项目“新型膜分离过程的应用基础研究”、“九五”国家重点科技攻关“渗透汽化透水膜及其过程关键技术开发”研究以及国家“十五”“863”项目“渗透汽化膜材料及其应用”研究，取得了醇、酯、酮脱水等16项小试研究成果和苯脱水、碳六油脱水两项工业中试研究成果。

在渗透汽化膜制备、膜组件设计、膜工艺等方面申请专利10多项，形成了完整的具有我国自主知识产权的专有技术，代表着我国渗透汽化和汽体渗透膜技术的先进水平。

第九章渗流§9－１概述一、概念渗透:地下水受重力作用在岩石空隙中的实际运动称为渗透。

渗流：流体栽孔隙介质中得流动。

前面已经提到,要研究实际的渗透十分困难,因此,我们用一种假想水流来代替真实水流,这种假想水流是在连续介质的基础上通过概化得出的:(1)假定水流充满整个含水层空间(既包括空隙所占据的空间,也包括颗粒/骨架所占据的空间);(2)只考虑水流运动的总体方向,不考虑水流实际运动途径的复杂变化.将通过上述概化后所得到的假想水流—渗流。

为了使假想的渗流能够正确地反映实际水流的特征,渗流必须满足如下条件:(1)假想水流的性质与真实水流相同;(2)假想水流运动时所受阻力与真实水流相同;(3)通过任一断面的流量和任一点的压力或水头和实际水流相同。

为了满足上述三个条件，要求渗流场（渗流运动所占据的空间）与实际水流所占区域的边界条件相同。

地下水实际平均流速（U）与渗流速度(V)之间的关系：nUV二、土壤的水力特性1.透水性指土壤允许水透过的性能。

2.容水度是指土壤能容纳的最大的水体积和土壤总体积之比。

3.持水度是指栽重力作用下仍能保持的水体积与土壤总体积之比。

4.给水度是指在重力作用下能释放出来的水体积与土壤总体积之比。

§9－2 渗流的基本定律地下水在含水层中的运动条件及特征尽管千变万化，但都遵循两条基本定律，这就是质量守恒和能量守恒定律。

具体应用到渗流运动的研究山，这两条定律就分别是水均衡原理和直线及非直线渗透定律。

一、水均衡原理二、Darcy 实验定律及其适用条件1 Darcy 公式及其物理意义1856年法国水利工程师Henry-Darcy 通过在直立均质各向同性砂柱中的渗透实验（在一维流条件下作不同流量的稳定运动试验）（图1-4）总结出了著名的Darcy 定律：l H H K v 21-= ( 1 )Darcy 定律反映了渗流的能量守恒规律,为什么说Darcy 定律是能量守恒定律的反应呢?可以从以下分析中去认识这一问题。

第八章传质过程导论第九章气体吸收1-1 吸收过程概述与气液平衡关系1-1 在25℃及总压为101.3kPa的条件下，氨水溶液的相平衡关系为p*=93.90x kPa。

试求(1) 100g水中溶解1g的氨时溶液上方氨气的平衡分压和溶解度系数H；(2) 相平衡常数m。

1-2 已知在20℃和101.3kPa下，测得氨在水中的溶解度数据为：溶液上方氨平衡分压为0.8kPa时，气体在液体中溶解度为1g (NH3)/1000g(H2O)。

试求在此温度和压力下，亨利系数E、相平衡常数m及溶解度系数H。

1-3 在总压为101.3kPa，温度为30℃的条件下，含有15%（体积%）SO2的混合空气与含有0.2%（体积%）SO2的水溶液接触，试判断SO2的传递方向。

已知操作条件下相平衡常数m=47.9。

1-2 传质机理1-4 组分A通过厚度为的气膜扩散到催化剂表面时，立即发生化学反应：，生成的B离开催化剂表面向气相扩散。

试推导稳态扩散条件下组分A、B的扩散通量及。

1-5 假定某一块地板上洒有一层厚度为1mm的水，水温为297K，欲将这层水在297K的静止空气中蒸干，试求所需时间为若干。

已知气相总压为101.3kPa，空气湿含量为0.002kg/（kg 干空气），297K时水的饱和蒸汽压为22.38 kPa。

假设水的蒸发扩散距离为5mm。

1-3 吸收速率1-6 采用填料塔用清水逆流吸收混于空气中的CO2。

已知25℃时CO2在水中的亨利系数为1.66×105kPa，现空气中CO2的体积分率为0.06。

操作条件为25℃、506.6kPa，吸收液中CO2的组成为。

试求塔底处吸收总推动力∆p、∆c、∆ X和∆ Y。

1-7 在101.3kPa及20℃的条件下，在填料塔中用清水逆流吸收混于空气中的甲醇蒸汽。

若在操作条件下平衡关系符合亨利定律，甲醇在水中的溶解度系数H＝1.995kmol/(m3·kPa)。

塔内某截面处甲醇的气相分压为6kPa，液相组成为2.5 kmol/m3，液膜吸收系数k L=2.08×10-5m/s，气相总吸收系数K G＝1.122×105 kmol/(m2·s·kPa)。

第九章吸收本章学习要求1.掌握的内容相组成的表示方法及换算；气体在液体中的溶解度，亨利定律各种表达式及相互间的关系；相平衡的应用；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收塔的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义、传质单元数的计算。

2.熟悉的内容各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择。

3.了解的内容分子扩散系数及影响因素。

第1节概述9.1.1．气体吸收过程和工业应用1．吸收吸收~利用混合气体中各组份在同一种液体（溶剂）中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收。

2．吸收操作在化工生产中的应用(1)分离混合气体以获得一定的组分。

(2)除去有害组分以净化气体。

(3)制备某种气体的溶液。

(4)保护环境。

3．吸收与脱吸作为一种完整的分离方法，吸收过程应包括“吸收”和“脱吸”两个步骤。

“吸收”仅起到把溶质从混合气体中分出的作用，在塔底得到的是由溶剂和溶质组成的混合液，此液相混合物还需进行“脱吸”才能得到纯溶质并回收溶剂。

9.1.2 吸收过程的分类吸收过程可按多种方法分类1．按过程有无化学反应分类(1) 物理吸收～在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生明显的化学反应，可看做是气体中可溶组分单纯溶解于液相的物理过程，称为物理吸收。

用水吸收二氧化碳、用洗油吸收芳烃等过程都属于物理吸收。

(2) 化学吸收～如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收。

用硫酸吸收氨、用碱液吸收二氧化碳等过程均为化学吸收。

2．按被吸收的组分数目分类(1) 单组分吸收～混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶解于溶剂中，称为单组分吸收。

例如合成氨原料气中含有N2、H2、CO、CO2等组分，而只有CO2一个组分在高压水中有较为明显的溶解度，这种吸收过程属于单组分吸收过程。

第九章⽓体吸收第九章⽓体吸收⼀、本章学习的⽬的、应掌握的内容和学习注意事项1. 本章学习的⽬的通过本章的学习，掌握⽓体吸收与解吸的基本概念和⽓体吸收过程的基本计算⽅法。

2. 本章重点掌握的内容（1）⽓体吸收过程的平衡关系（2）⽓体吸收过程的速率关系（3）低浓度⽓体吸收过程的计算本章应掌握的内容（1）费克定律和分⼦传质问题的求解⽅法（2）双膜模型本章⼀般了解的内容（1）溶质渗透模型和表⾯更新模型（2）吸收系数3. 本章学习应注意的问题（1）表⽰吸收过程的平衡关系为亨利定律，亨利定律有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。

（2）表⽰吸收过程的速率关系为吸收速率⽅程，吸收速率⽅程有不同的表达形式，学习中应注意把握它们之间的联系。

（3）学习分⼦传质，不要机械地记忆各过程的求解结果，应注意把握求解的思路和应⽤背景。

（4）学习中应注意把握传质机理和吸收过程机理之间的联系，注意体会讲述传质机理和吸收过程机理的⽬的和意义。

⼆、例题解析9-1 惰性⽓与CO 2的混合⽓中CO 2体积分数为30％，在表压1MPa 下⽤⽔吸收。

设吸收塔底⽔中溶解的CO 2达到饱和，此吸收液在膨胀槽中减压⾄表压20kPa ，放出⼤部分CO 2，然后再在解吸塔中吹⽓解吸。

设全部操作范围内⽔与CO 2的平衡关系服从亨利定律，操作温度为25℃。

求1kg ⽔在膨胀槽中最多能放出多少千克CO 2⽓体。

解：依题意，在全部操作范围内⽔与CO 2的平衡关系服从亨利定律，查附录⼆得25℃下CO 2溶于⽔时的亨⼒系数为MPa 1066.12?=E ⽅法⼀：对膨胀槽作CO 2物料平衡(以1kg ⽔为衡算基准) ⼊膨胀槽吸收液中CO 2的组成321110990.11066.1/3.01013.1/-?=??==E p x设此液1kg ⽔中溶解CO 2的kg 数为W 1，则有：kg 10875.410990.118/144/44/313111--?=??=+=W W W x出膨胀槽吸收液中CO 2的组成422210307.71066.1/)020.01013.0(/-?=?+==E p x设此液1kg ⽔中溶解CO 2的kg 数为W 2，则有：kg 10788.110307.718/144/44/324222--?=??=+=W W W x故1kg ⽔在膨胀槽中最多能释放出CO 2的kg 数为O /kgH kgCO 1009.310)788.1875.4(223321--?=?-=-=W W W⽅法⼆：不考虑⽓流夹带⾛的⽔量，则膨胀槽内⽔的量恒定不变，于是1kg ⽔在膨胀槽中最多能放出CO 2⽓体的的千克数为O/kgH kgCO 00308.010*******)3.1213.03.1101(1/)()()(223CO 21CO 21CO 21222=-??=-=-≈-=E M p p L M x x L M X X L m s s s9-2 某⽔杯中初始⽔⾯离杯上缘1cm ，⽔温30℃，⽔汽扩散进⼊⼤⽓。

第九章 蒸馏1．在密闭容器中将A 、B 两组分的理想溶液升温至82 ℃，在该温度下，两组分的饱和蒸气压分别为*A p =107.6 kPa 及*B p ＝41.85 kPa ，取样测得液面上方气相中组分A 的摩尔分数为0.95。

试求平衡的液相组成及容器中液面上方总压。

解：本题可用露点及泡点方程求解。

()()()()95.085.416.10785.416.107总总*B*A 总*B 总*A A 总*AA =-=--==p p p p p p p p x p p y － 解得 76.99＝总p kPa8808.085.416.10785.4176.99*B*A *B =--=--=p p p p x 总本题也可通过相对挥发度求解571.285.416.107*B *A ===p p α由气液平衡方程得()()8808.095.01571.295.095.01=-+=-+=y y y x α()()[]kPa 76.99kPa 8808.0185.418808.06.1071A *BA *A =-+⨯=-+x p x p p ＝总 2．试分别计算含苯0.4（摩尔分数）的苯—甲苯混合液在总压100 kPa 和10 kPa 的相对挥发度和平衡的气相组成。

苯（A ）和甲苯（B ）的饱和蒸气压和温度的关系为24.22035.1206032.6lg *A +-=t p58.21994.1343078.6lg *B +-=t p 式中p ﹡的单位为kPa ，t 的单位为℃。

苯—甲苯混合液可视为理想溶液。

（作为试差起点，100 kPa 和10 kPa 对应的泡点分别取94.6 ℃和31.5 ℃）解：本题需试差计算 （1）总压p 总＝100 kPa 初设泡点为94.6℃，则191.224.2206.9435.1206032.6lg *A =+-=p 得 37.155*A =p kPa同理 80.158.2196.9494.1343078.6lg *B =+-=p 15.63*B =p kPa4.03996.015.6337.15515.63100A ≈=--=x或 ()kPa04.100kPa 15.636.037.1554.0=⨯+⨯＝总p则 46.215.6337.155*B *A ===p p α6212.04.046.114.046.2)1(1=⨯+⨯=-+=x x y αα（2）总压为p 总＝10 kPa通过试差，泡点为31.5℃，*A p =17.02kPa ，*B p ＝5.313kPa203.3313.502.17==α 681.04.0203.214.0203.3=⨯+⨯=y随压力降低，α增大，气相组成提高。