第七章渗透汽化及蒸气渗透

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。

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
渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种新型的分离技术，它可应用于
各种环保、水处理、化工等领域。

其基本原理是通过半透膜，将两种
含有浓差差异的物质分离开来。

渗透汽化技术主要应用于海水淡化、
废水处理、纯水生产等方面，而汽体渗透膜技术则主要应用于气体分离，如二氧化碳、氢气等的分离。

通过渗透汽化技术，可以将海水中的盐分和杂质去除，从而得到
纯净的淡水。

此外，该技术还可用于集中生产工业废水，减少对环境
的污染。

通过汽体渗透膜技术，可以有效地分离出所需的纯净气体，
广泛应用于石油化工、天然气加工和制氢等领域。

然而，渗透汽化和汽体渗透膜技术仍有其局限性。

技术成本高，
难以普及应用，同时膜材质的选择也需要更多的研究。

此外，技术在
使用中也需要频繁进行维护和更换。

总之，渗透汽化和汽体渗透膜技术是一种非常有前景的分离技术，对环保、能源等领域的发展具有重要的意义。

但此技术仍然存在一些
不足之处，需要不断的研究和改进，以提高技术的稳定性和成本效益。

&第十章渗透汽化第一节概述一、渗透汽化的发展概况早在1917年Kober在他发表的一篇论文中第一个使用了渗透汽化（Pervaporation）这个词。

该文介绍了水从蛋白质－甲苯溶液通过火棉胶器壁的选择渗透作用。

但长期以来，由于未找到渗透通量高和选择性好的渗透蒸发膜材料，渗透蒸发过程一直没有得到应用。

直到上世纪50年代以后，对渗透汽化的研究才较广泛展开。

其中Binning等人对渗透蒸发过程进行了较系统的学术研究，发现了渗透蒸发过程潜在的工业应用价值，并于60年代在渗透汽化膜、组件和装置制造上申请了专利。

70年代后期至80年代初，随着对能源危机问题的日益重视，渗透汽化的优点又重新引起学术界和技术界的兴趣，德国GFT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。

到90年代初已有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、乙酸等溶剂的脱水。

我国在1984年前后开始对渗透汽化过程进行研究，主要工作集中在优先透水膜的研制与醇水溶液的脱水。

近年来主要开展优先透有机物膜、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的集中过程的研究。

二、渗透汽化的分类渗透汽化是以混合物中组分蒸汽压差为推动力，依靠各组分在膜中的溶解与扩散速率不同的性质来实现混合物分离的过程。

渗透汽化装置包括预热器、膜分离器、冷凝器和真空泵等四个主要设备。

料液进入渗透汽化膜分离器后，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，扩散快的组分较多透过膜进入膜后侧，经冷凝后达到分离目的。

按照形成膜两侧蒸汽压差的方法，渗透汽化主要有以下几种形式：1．减压渗透汽化：膜透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧组分的蒸汽压差。

在实验室中若不需收集透过侧物料，用该法最方便。

2．加热渗透汽化：通过料液加热和透过侧冷凝的方法，形成膜两侧组分的蒸汽压差。

一般冷凝和加热费用远小于真空泵的费用，且操作也比较简单，但传质动力比第一类小。

渗透汽化膜工作原理
渗透汽化膜是一种介于反渗透和微滤之间的膜分离技术，具有选择性高、能耗低、易于操作等特点，能除去水中的离子、细菌和生物大分子，在食品加工领域得到了广泛的应用。

其基本工作原理是：当半透膜两侧溶液中的溶质分子在半透膜两侧都存在时，溶液中的部分溶剂分子可以穿过半透膜而在膜内扩散。

当溶质分子通过半透膜时，一部分溶剂分子会扩散到溶质内，并溶解在溶质内，称为扩散作用。

而渗透液中的部分溶剂分子会穿过半透膜而到达半透膜外，称为渗透作用。

当半透膜两侧的溶液中有某种溶质存在时，半透膜将这个溶质吸收到溶液中，称为扩散作用。

由于渗透和扩散作用的存在，在渗透汽化过程中，使水中的离子、分子、小分子和生物大分子通过半透膜向另一端扩散。

因此渗透汽化可去除水中的有机物、色素、微生物和细菌等。

同时利用渗透汽化可分离出大量的可溶性盐和溶解性糖。

对盐浓度较高或较低的溶液来说，渗透汽化能分离出大量盐。

在一定的压力下，水分子能够透过半透膜而进入溶液中。

—— 1 —1 —。

渗透汽化技术（PV)的应用杨丽琴、阴秋萍摘要：综述了渗透汽化膜传递理论研究的现状，叙述了渗透汽化膜分离技术的基本原理及传质过程的机理，叙述了渗透汽化过程的进展，叙述了渗透汽化分离水中微量有机物及其在化工生产上的应用进行了介绍.关键词：渗透汽化；传递理论；原理；膜组件；脱水膜；应用1 引言渗透汽化（pervaporation，简称PV)是一种新型膜分离技术。

该技术用于液体混合物的分离,其突出的优点是能够以低的能耗实现蒸馏、萃取、吸收等传统方法难以完成的分离任务.它特别适用于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势;还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除,使反应转化率明显提高。

所以,渗透汽化技术在石油化工、医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场。

它是目前处于开发期和发展期的技术，国际学术界的专家们称之为21世纪最有前途的高技术之一。

2 渗透汽化膜分离技术2. 1 基本原理渗透汽化是利用致密高聚物膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能的不同实现组分分离的一种膜过程(如图1—1所示）。

液体混合物原料经加热器加热到一定温度后,在常压下送入膜分离器与膜接触,在膜的下游侧用抽真空或载气吹扫的方法维持低压。

渗透物组分在膜两侧的蒸汽分压差(或化学位梯度）的作用下透过膜，并在膜的下游侧汽化，被冷凝成液体而除去。

不能透过膜的截留物流出膜分离器。

2. 2 PV膜过程的特点(1）PV最突出的特点是分离系数大，单级即可达到很高的分离效果；（2) PV分离过程不受组分汽．液平衡的限制，适用于精馏等传统方法难以分离的近沸物和恒沸物的分离;(3) PV过程中透过物虽有相变，但因透过量较少，汽化与随后的冷凝所需能量不大；(4）便于放大及与其它过程耦合或集成;（5）能耗低，一般比恒沸精馏法节能1／2～1／3。

化工实验：渗透汽化实验讲义一. 简单介绍渗透蒸发（简称PV）是近年来发展起来的一种新的膜分离技术，利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程。

该过程伴有组分的相变过程。

渗透蒸发是一种无污染，低能耗的膜分离过程具有广泛的应用前景。

1：用亲水膜或荷电膜对醇类或其他有机溶剂进行脱水，典型的应用是处理生化发酵液，处理共沸精馏的液体。

2：利用憎水膜去除水中少量有机物，如卤代烃、酚类等，以及对石油工业中的烃类等有机物质的分离，各种同分异构体的分离。

3：用于有机合成，如对于酯化反应。

由于反应本身是可逆的，在反应物和产物之间有平衡关系，通常为得到更多的反应产物常常加入廉价的反应物质，使平衡向产物移动，提高产率，这牵涉了很多的问题如反应物大量消耗等，若采用渗透蒸发在反应的同时连续的把产物中的水除去，就可以使平衡向右移动，得到更多的产物，这在工业应用中意义重大。

总之:渗透蒸发在分离过程不受汽液平衡的限制,对共沸物系，沸点相近物质、同分异构体混合物、受热易分解物质以及水中微量有机物质的脱除等方面具有独特的优势。

与传统的分离过程相比，它具有高选择性，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，无污染的等优点.实验原理利用膜对液体混合物中各组分的溶解与扩散性能的不同来实现其分离的膜过程；该过程伴有组分的相变过程。

传质模型：1: 渗透蒸发的串联阻力模型渗透蒸发传质过程主要包括：1:渗透组分首先由料液主体扩散至膜的上游侧料液与膜的界面;2:渗透组分吸附在膜的表面；3:渗透组分扩散通过膜至膜的下游4:透组分在渗透侧脱吸为气相；5:渗透组分由气-膜界面扩散至气相主体（浓度或者压力）。

2:溶解扩散模型Binning 等首先将溶解扩散模型用来描述渗透蒸发过程,并得到了广泛认可. 根据溶解扩散模型,渗透蒸发过程分为以下3 个步骤:1:组分在膜上游侧的溶解;2:组分在膜中的扩散;3:组分在膜下游侧的解吸. 需要注意的是,膜中浓度分布取决于膜的溶胀.溶解扩散模型假设过程温度和压力恒定,膜上(下) 游侧表面溶解(解吸) 过程均达到热力学平衡,过程的推动力为活度梯度或浓度梯度.二、渗透蒸发膜渗透蒸发膜是整个PV过程的关键部分，所以目前国内外的研究大部分都集中在PV膜的开发上面。

膜分离技术之渗透汽化渗透气化法是一种用来分离液体混合物的膜分离方法。

渗透气化(pervaporation即permeation-Vaporation)是膜分离技术中较年轻的一种, 是继气体膜分离后又一新的化工操作单元。

被认为是可以代替“ 精馏”最有希望的一种方法, 尤其对共沸物系和近沸物系等难分物系的分离, 显示特有的优越性。

渗透气化法根据溶质间透过的相互作用决定溶质的渗透速度，根据相似相溶的原理，疏水性较大的溶质易溶于疏水膜，因此渗透速度高，在透过一侧得到浓缩。

渗透气化过程中溶质发生相变，透过侧溶质以气体状态存在，因此消除了渗透压的作用，从而使渗透气在较低的压力下进行，适于高浓度混合物的分离。

渗透气法利用溶质之间膜透过性的差别，特别适用于共沸物和挥发度相相差较小的双组分溶液的分离。

例如，利用渗透气化法溶缩乙醇。

因此，渗透气化又称膜蒸渗透气化又称膜蒸馏。

渗透汽化可经济地用于较宽的领域, 但浓度范围有一定限制, 如料液中要脱除者在100ppm以下, 用活性炭吸附可能较便宜；同样, 若大于5%~10%,则精馏, 吹除等法可能仍较渗透汽化为便宜, 而中间区域100ppm~5%之间,渗透汽化法较有优势, 可有不少重要的用途。

当前渗透气化主要有三方面应用，即溶剂脱水, 水的纯化以及有机物一有机物的分离。

现已大规模工业应用的只有乙醇脱水和异丙醇脱水, 由于乙醇一水, 异丙醇一水都有共沸物, 难以普通精馏分离, 用此方法比传统方法—萃取精馏等大量节约能量, 很受重视。

其它方面的应用正在不断开发, 特别是有机物/有机物的分离列为膜分离中重要研究课题的第一项, 也是因为它能代替或部分代替精馏。

精馏为重要的操作单元, 但也是高能耗操作单元, 据美国能源部统计报导，美国化学工业和石油炼制工业中的28%能耗为精馏所用, 认为如果用渗透汽化技术, 只要能节约10%就非常可观了。

根据上述当前应用的主要方面, 渗透汽化技术未来的应用潜在势头可观。

蒸汽渗透系数表蒸汽渗透系数是蒸汽通过层状介质(通常是一种材料)的阻力系数，它可以反映蒸汽在此类介质中的渗透行为。

计算蒸汽渗透系数需要考虑蒸汽的物理性质，以及这种介质的厚度、材料组成和温度等因素。

例如，用于蒸汽密封、复杂工艺和低温脱水等应用的层状介质通常需要蒸汽渗透系数这一重要参数，而用于容积变化的能量回收装置，也要求蒸汽渗透系数的计算非常准确。

蒸汽渗透系数表是现代工业技术中最受欢迎的一种量化技术，它提供了大量的精确渗透率值，可以帮助工程师准确测定蒸汽渗透速率，以及不同类型层状介质之间的渗透率差异。

蒸汽渗透系数表具有准确、简单、快捷等优点，可以实现对蒸汽在层状介质中的渗透行为的快速精确测定。

根据不同的应用，蒸汽渗透系数表可以分为几种类型。

常用的蒸汽渗透系数表有紧密聚合材料蒸汽渗透系数表、多孔材料蒸汽渗透系数表、混合材料蒸汽渗透系数表、复合层构蒸汽渗透系数表、高温蒸汽渗透系数表等，这些表可以帮助工程师准确地评估不同类型材料的渗透性能。

在工业制造过程中，技术人员和研究人员往往会面临蒸汽渗透系数表的实际应用问题，因此，此类表以及它们的正确使用，即确定应用条件的因素，都是工业应用的重要部分。

例如，在计算蒸汽渗透率时，应知道蒸汽的物理特性和介质的组成、厚度和温度等参数，以及这些参数如何影响蒸汽的渗透行为。

此外，计算工程师还需要对蒸汽的渗透性能和蒸汽渗透系数表之间的关系有足够的了解，以便合理地识别和利用蒸汽渗透系数表所提供的有价值的数据。

同时，蒸汽渗透系数表也可以用于开发新型层状介质和改善已有层状介质的性能，以满足现代工业应用的不断变化的要求。

蒸汽渗透系数表应用广泛，能够满足不同场合下对蒸汽阻力和渗透性能的需求，以确保工业安全及高效运行。

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。

蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数
蒸汽渗透是一种热物理现象，它指的是气体在渗透过一层薄膜的过程中的能量传输。

任何一层薄膜都有一定的渗透系数，也就是气体渗透时需要消耗的能量。

蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数两者都是衡量蒸汽渗透现象的重要指标。

蒸汽渗透阻是气体渗透时消耗的能量，这种消耗的能量取决于蒸汽的压力与温度，同时也受到薄膜的厚度和材料的影响。

因此，蒸汽渗透阻可以表示为蒸汽的压力与温度、薄膜的厚度以及材料的性质。

因此，当气体的压力和温度变化时，蒸汽渗透阻也会发生变化。

蒸汽渗透系数是衡量蒸汽渗透现象的重要参数，它表示气体穿过一层薄膜所消耗的能量与气体穿过不带薄膜的情况相比所差出的能量。

因此，蒸汽渗透系数受到气体的压力、温度、薄膜的厚度以及材料的性质等因素的影响。

蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数对于蒸汽渗透现象的研究都很重要，它们能够帮助我们更好地理解气体渗透现象，并有效的进行薄膜的设计和选择。

例如，我们可以根据蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数来决定薄膜的厚度、材料的性质以及气体的压力和温度，以此来实现更好的蒸汽渗透效率。

此外，蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数还可以用于优化汽轮机或发动机的设计，以提高机械性能，并有效地保护蒸汽系统免受热损失和外界污染物的影响。

综上所述，蒸汽渗透阻和蒸汽渗透系数对于理解和实现蒸汽渗透过程都是非常重要的参数，它们可以帮助我们更好的设计蒸汽系统，
从而达到更高的节能效果。