新型分离技术第4章-渗透汽化与蒸汽渗透

第四章 气体渗透、渗透汽化和膜基吸收（习题解答）4-1采纳气体渗透膜分离空气（氧21％，氮79％），渗透物中氧浓度达78％。

试计算膜对氮气的截留率R 和进程的分离因子α，并说明这种情形下哪个参数更能表达该进程的分离状态。

解：截留率：R=7215.0792211,,22=-=-FN p N c c 分离因子：34.137921227822==N o α 关于气体膜分离，以分离因子表示膜的选择性为宜。

4-3 用渗透汽化膜进程进行异丙醇脱水。

在80℃下，所用亲水复合膜厚为8μm ，该膜对异丙醇的渗透通量可忽略不计。

测得不同含水量的异丙醇进料液透过膜的水通量数据如下： 料液中含水量/％（质量） 1 2 3 4 5 6水通量/{kg/(m 2·h)}已知水在无穷稀释溶液中的活度系数为，且在以上浓度范围内不变。

试画出水通量随溶液浓度及活度的转变曲线；计算各组成下水的渗透系数{cm 3·cm/(cm 2·s ·kPa)}。

解：查表得异丙醇的Antoine 方程常数，并计算其饱和蒸气压：3640.20exp 9.7702-0.09235353.54P MPa ⎛⎫== ⎪-⎝⎭异丙醇查饱和水性质表得80℃下水的饱和蒸气压及密度：00.04739P MPa=水 3971.8/kg m ρ=水的渗透系数可用下式计算：()220p AA A A A A A A A A A AJ J Q p x f p y Q p x γγ≈=-−−−→= 计算结果见下表：32水通量随溶液浓度及活度的转变曲线如下：（左Y 轴为摩尔分数，右Y 轴为活度，X 轴为渗透系数）0.000.020.040.060.080.100.120.140.160.18A4-4 蒸汽渗透或气体分离进程中，原料和渗透物压强比必然，且原料液流与渗余液流的浓度近似相等时，渗透物浓度最高。

今已知某一复合膜对空气中甲苯蒸汽浓度为℅（体积）时的渗透选择性为200，别离计算压强比为10、100和1000时的渗透物组成。

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。

第一章 固膜分离过程一、概述膜分离：利用膜对不同组分的选择性渗透的原理来分离混合物的过程。

膜从相态上可分为固体膜和液体膜固膜分离过程包括：微滤、超滤、纳滤、反渗透、电渗析、气体分离、渗透汽化、膜蒸馏、膜萃取、膜吸收等。

应用：海水淡化，超纯水制备，废水处理，果汁、饮料、酒等的除菌、澄清，空气中氧－氮分离，乙醇－水的分离，血液透析……固膜之一：平板膜 固膜之二：中空纤维膜 固膜之三：管式膜（这种膜分离装置像列管换热器）板式膜应用时像过滤：以膜代替过滤介质，根据颗粒或分子大小的不同而实现分离。

但膜过滤的颗粒更小，可小到“分子过滤” 。

反渗透 海水或苦咸水脱盐；地表或地下水的处理；食品浓缩渗析 血液透析（除去血液中的代谢废物、过量体液并维持电解质平衡） 电渗析 电化学工厂的废水处理；半导体工业用超纯水的制备；海水制盐 微滤 药物灭菌；饮料的澄清；抗生素的纯化；由液体中分离动物细胞 超滤 果汁的澄清；发酵液中疫苗和抗生素的回收渗透汽化 乙醇-水共沸物的脱水；有机溶剂脱水；从水中除去有机物气体分离从甲烷或其它烃类物中分离CO 2或H 2；合成气H 2/CO 比的调节；空气中N 2和O 2分离液体混合物分离：乙醇-水⇒乙醇＋水 气体混合物分离：空气⇒氮气＋氧气非均相混合物分离：含颗粒的液体⇒液体＋滤饼用于血液透析、人工肾、人工肝: 血液与透析液通过膜进行物质传递，除去血液中的有毒物如尿素、尿酸、肌酸酐等，并向血液中补充人体所需的营养物如葡萄糖、碳酸盐、电解质等。

用于人工肺：血液通过膜吸收补充O 2、排出CO 2。

二、膜及膜组件 1. 膜的分类浓海水 淡水海水膜海水淡化从材料来源上可分为：天然（natural）膜和合成（synthetic）膜。

合成膜又分为：无机（inorganic）膜和有机高分子（organic polymer）膜。

根据膜的结构可分为：多孔（porous）膜（微孔膜，孔径1nm以上）和致密（dense）膜（均质膜、无孔膜、非多孔膜，孔径1nm以下）。

渗透汽化膜技术及其应用
渗透汽化膜技术是一种有效的用于分离气体的新技术，它可以将气体分离成不同的组分，使气体的组成更加纯净，有利于节约能源、改善空气质量和环境保护等方面。

渗透汽化膜技术是一种新型的气体分离技术，它可以将气体分离成不同的组分，从而获得更加纯净的组分。

它的原理是利用渗透汽化膜的渗透特性，将混合气体的组分分离出来。

渗透汽化膜的毛细管是由一种可渗透的材料制成的，它可以将混合气体中的组分分离出来，使气体的组成更加纯净。

渗透汽化膜技术具有节能、改善空气质量、环境保护方面的优势。

比如，在燃料气中分离氧气和氮气，可以提高燃料气的燃烧效率，减少燃料消耗，从而节约能源。

此外，渗透汽化膜技术还可以将有害气体从空气中洁净，从而改善空气质量，减少污染。

此外，渗透汽化膜技术还可以用于回收有用气体，从而实现资源循环利用，保护环境。

渗透汽化膜技术广泛应用于工业气体分离、空气净化、燃料气改良等领域。

在石油化工、环保、医药、冶金等行业中，渗透汽化膜技术得到了广泛的应用，为社会的经济发展和环境保护做出了巨大的贡献。

总之，渗透汽化膜技术是一种具有重要意义的分离技术。

它既可以节约能源，又可以改善空气质量，保护环境，并在工业生产中得到广泛应用。

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。

膜分离是一项新兴的高效分离技术。

膜分离过程是被分离混合物在一定的推动力(如压差、浓差、电位差等)作用下，通过传递介质——膜，进行分离的过程。

渗透汽化(pervaporatioion，PV)是一种新型膜分离技术，它利用膜对液体混合物中组分的溶解扩散性能的不同来实现分离。

它过程简单，操作方便，能耗低，在恒沸物、沸点相近混合物和异构体的分离上相对于精馏等传统分离方法具有其独特的优越性；对含有少量水的有机溶剂或混合溶剂脱水以及含有少量有机污染物的废水的处理也有明显的技术、设备和经济方面的优势。

作为一项方兴未艾的新技术，渗透汽化技术正受到越来越广泛的关注和研究，它在石化、食品、环保等方面具有的广阔酌应用前景，正得到不断的开发和利用。

渗透蒸发(渗透汽化) 是有相变的膜渗透过程。

渗透蒸发是在膜的下游侧减压，组分在膜两侧蒸汽压差的推动下，首先选择性地溶解在膜的料液表面，再扩散透过膜，最后在膜的透过侧表面气化、解吸。

渗透蒸发可使含量极低的溶质透过膜，达到与大量溶剂分离的目的。

显然，用渗透蒸发技术分离液体混合物，特别是恒沸物、近沸物，具有过程简单、操作方便、效率高、能耗低和无污染等优点。

一、实验目的与内容1.理解渗透蒸发的分离原理。

2.掌握渗透蒸发分离乙醇——水的操作方法。

3.研究影响渗透蒸发分离性能的主要因素及其影响规律。

二、实验原理当液体温合物在一张高分子膜的表面流动时，膜在高分子所含官能团的作用下对混合物中各组分产生吸附作用，使得组分进入膜表面(该步骤称为溶解过程)。

膜的另一侧抽真空(或者用惰性气体吹扫)，在浓度梯度作用下，组分透过膜从料液侧迁移到真空侧(该步骤称为扩散过程)，解吸并冷凝后得到透过产品。

整个传质过程中液体在膜中的溶解和扩散占重要地位，而透过侧的蒸发传质阻力相对小得多，通常可以忽略不计，因此该过程主要受控于溶解及扩散步骤。

由于不同组分在膜中的溶解和扩散速度不同，使得优先透过组分在真空侧得到富集，而难透过组分在料液侧得到富集。

第一章1、分离技术系：指利用物理、化学或物理化学等基本原理与方法将某种混合物分成两个或多个组成彼此不同的产物的一种手段。

2、分离剂：为加到分离装置中使得过程得以实现的物质或能量，或者两者并用。

3、分离过程：指的是一股或多股物流作为原料进入分离装置，利用混合物各组分的某种物性差异，在分离装置中对其施加能量或特定分离剂，使混合物分离过程得以进行，病产生两个或两个以上产物的过程。

4、分离装置：是分离过程得以实施的必要物质设备，它可以是某个特定的装置，也可指从原料到产品之间的整个流程。

5、按分离过程原理分可分为机械分离、传质分离和反应分离。

6、机械分离是利用机械力简单地将两相混合物互相分离7、几种典型的机械分离过程（选择应用实例类型）名称应用实例过滤浆状颗粒回收沉降浑浊液澄清离心分离结晶物分离旋风分离催化剂微粒收集电除尘合成氨原料气初陈8、传质分离可以在均相或非均相混合物中进行，又可分为平衡分离和速率控制分离。

9、几种典型的平衡分离过程P410、平衡分离：是依据被分离混合物各组分在互不溶的两相平衡分配组成不等的原理进行分离的过程。

11、速率控制分离：是依据被分离组分在均相中的传递速率差异而进行分离的。

P512、几种典型的速率控制分离过程13、几种典型的反应分离技术14、几种工业化膜技术及基本特征P8过程微滤超滤反渗透渗透电渗析膜电解气体分离渗透蒸发膜蒸馏推动力压力差约0.1MPa压力差0.1～1.0MPa压力差0.1～10MPa浓度差电位差电位差电化学反应压力差0.1～10MPa压力差温度差第三章1、膜分离具有选择透过性能的膜在外推动力下进行膜分离。

2、反渗透借助于半透膜对溶液中溶质的截留作用，在高于溶液渗透压的压差的推动力下，使溶剂渗透通过半透膜，达到溶液脱盐的目的。

3、渗透通量：用单位时间内通过单位膜面积的透过物量。

4、膜分离透过物特征包括分离效率、渗透通量、通量衰减系数（渗透通量随时间衰减）5、级数是指进料经过加压的次数，即二级则是料液在过程中经过二次加压，在同一级一并联排列的组件组成一段，多个组件以前后串联连接组成多段。

&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。

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。