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1、渗透汽化技术张丽娟东南大学化学化工学院化学工程专业摘要本文重点介绍了渗透汽化的基本原理、装置和流程示意图、应用领域以及工业化应用实例之一即已经投产在用的乙醇脱水工艺技术，同时也间接说明了渗透汽化在某些方面比传统精馏萃取等分离方法更具优势，是未来分离技术的前沿领域之一，具有更为广阔的应用前景。关键词渗透汽化装置优势分离技术前沿领域1．基本原理渗透汽化(pervaporation,简称PV)技术是一种新兴的分离技术，也称渗透汽化膜分离技术。其原理是利用高分子膜材料对有机混合物中各组分的溶解度(热力学性质)和扩散速
2、度(动力学性质)的不同来实现组分分离的一种膜过程（如图1）。膜分离过程中渗透汽化的原料则以液体形式供料，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[1]。图1渗透汽化技术原理图2渗透汽化装置及流程图2装置及流程示意图[4]整个装置由三部分组成（如图2）：(1)料液和溶剂循环系统：包括料液罐和溶剂罐、加热系统
3、、料液泵和溶剂泵以及流量计等。实验中可以方便地设定料液或溶剂流量和温度,以测定不同操作条件下的膜分离性能。通过自动控制加热系统,可以保证料液和溶剂温度在设定值处的波动范围为±0.2℃。(2)膜组件：这是整个装置的核心部分。它由料液侧和渗透物侧的两个腔室组成,中间由渗透膜分隔。为了减小膜表面处因边界层的存在而引起的浓差极化现象对实验结果的影响,膜组件内的流体流动通道采用特殊的环形结构,以增大其湍动度。同时,实验中可采用较大的料液流量并保持恒定,以保证膜组件内较大的流动雷诺准数,从而降低流动边界层的厚度。(3)渗
4、透物收集系统：包括液氮冷阱、真空泵和真空计等,主要用于收集渗透汽化过程渗透物。为了保证实验结果的可重复性,冷阱装置采用了特殊的设计,以防止渗透物在高真空条件下的流失。实验装置中设置了两个并行的液氮冷阱,可以连续进行渗透汽化性能的测定。同时,装置中预留了各种物流进入气相色谱系统的接口,以进行不同物流组成的在线分析,简化。3．应用领域[2]渗透汽化技术在石油化工、生化医药、食品、环保等工业领域中具有广阔的应用前景及市场。它特别适用于蒸馏法较难分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物及同分异构体的分离，对有机溶剂(如苯
5、、己烷、环己烷、C6溶剂油、四氢呋喃、含氯烃化物等)中微量水的脱除也有明显的经济上和技术上的优势;在有水生成的化学反应(如酯化、酰化、脱水环合等)中以及在进行醇类、酮类、酯类、醚类、胺类等有机水溶液脱水,有较为广泛的应用；还可以同生物及化学反应耦合,将反应生成物不断脱除,提高反应转化率。在非水溶性有机混合物体系的分离(如芳烃/烷烃、烷烃/烯烃、醇/醚、醇/烃等)中替代或部分替代能耗高的传统分离过程；也可以用于食品、生化工业中热敏性产物或芳香物的浓缩、分离;在环境保护领域可用于进行废水中有机污染物的脱除,使水资
6、源再生。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一。4．应用实例[3]某工艺要求必须使用含水量0.1％的无水乙醇作为溶剂，为了实现乙醇母液回收再利用，达到节能减排、降低生产成本的目的，可以采用渗透汽化膜分离法。1－料液罐2－料液泵3－回流阀门4－主路阀门5－加热器6－真空罩7－膜组件8－冷凝器9－浮子流量计10－水银真空计11－冷阱12－取样器13－缓冲罐14－真空泵由于渗透汽化膜分离的特定性，需要对取自现场的料液进行小试考察，以确保料液中不含有对膜产生破坏性的物质，同
7、时收集获得小试数据，并以此作为工业化装置设计的基础。(1)试验原料：取该工艺现场的乙醇母液11L（8.88kg），含水4.96％（质量百分比，卡尔费休测定），其余为乙醇和极少量的其他杂质，澄清且无色透明，pH值7.12。(2)检测仪器：GC-8A型气相色仪；737KF型卡尔费休微量水分析仪。(3)试验装置及流程见图1：包括料液、加热和真空冷凝三个基本系统。料液系统中，料液从料液罐流出，由屏蔽泵输送至加热器，加热至设定温度后进入板框式膜组件，与膜表面相接触后从膜组件流出返回料液罐。料液在装置中循环直到达到要求。
8、加热系统主要由加热棒和温控系统组成。通过真空泵维持渗透侧较高的真空度。渗透蒸汽由真空罩中抽出，经冷凝得到渗透液。(4)操作条件：温度80℃-95℃，真空度5mmHg-10mmHg，流量880L/h。(5)操作过程：a）装膜，保证组件密封良好；b）将试验原料液加入装置料液罐中；c）开启料液泵，调整料液循环量到880L/hr；开加热系统，用调压器控制，使料液温度升至验要求温度；d）温度稳定后开启真空泵，
