第八章 渗透蒸发过程课件.ppt

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1、第八章渗透蒸发过程早在100多年前，人们就发现了渗透蒸发现象，但由于长期以来未找到既有一定分离效果，又有较高通量的膜，一直没能得以实际应用。该技术真正得到广泛重视则是在发生能源危机后的70年代末至80年代初。由于新的聚合物的合成，膜制备技术的发展，以及工业中降低能耗的实际要求，第一代渗透蒸发膜才走向工业应用。渗透蒸发技术是膜分离技术的一个新的分支，也是热驱动的蒸馏法与膜法相结合的分离过程。不过，它不同于反渗透等膜分离技术，因为它在渗透过程中将产生由液相到气相的相变。在该过程中，膜的一侧为液体混合物，膜的另一侧为汽相真空状态。通过负压操作，使混合物的各

2、组分在分压差的作用下以不同的速率从膜的一侧蒸发并渗透到膜的另一侧，从而达到分离浓缩的目的。渗透蒸发区别于其它膜过程的重要特点就是有相变，在膜的一侧是液体，而在膜的另一侧则是气体，渗透蒸发过程的示意图如图8-1所示。渗透蒸发不仅可以应用于溶剂脱水，还可以进行有机物--有机物分离，如果真正工业化，将可在相当大的范围内替代精馏。在美国精馏每年消耗能量2×1015BTU(BritishThermalUnit=252cal)，约占全美化工、石油总耗能的28%。渗透蒸发过程较精馏过程节能，即使能节约10%的能量，每年就可节约0.2×105BTU，也就是每天节约1

3、×106桶原油。因此，在美国渗透蒸发是被优先发展的膜分离过程。渗透蒸发过程的机理渗透蒸发几种典型的流程渗透蒸发过程的特点渗透蒸发膜、膜分离器与供应商渗透蒸发过程的发展渗透蒸发过程的应用及经济性渗透蒸发和其他方法的联合使用渗透蒸发过程急需解决的问题8.1渗透蒸发过程的机理目前渗透蒸发的机理模型主要有溶解扩散模型、非平衡溶解扩散模型、虚拟相变溶解扩散模型、不可逆热力模型等几种。但最常用的还是溶解扩散模型。溶解扩散模型非平衡溶解扩散模型其它渗透蒸发模型8.1.1溶解扩散模型该模型是将整个过程分成两步完成，第一步，进料液体在膜的进料侧蒸发形成饱和蒸汽；第二步

4、，饱和蒸汽透过膜到达膜的渗透侧，第二步的完成同气体分离过程类似。虽然在渗透蒸发过程中，在膜的原料侧没有真正发生液体的蒸发，但上述的机理模型同真正的渗透蒸发过程在热力学上是等效的。整个渗透蒸发过程的分离系数βpervap定义为（8-2）（8-1）式中Ci，Cj表示i，j组分的浓度，“"”表示膜的渗透侧“'”表示膜的原料侧。由于渗透侧是气体，可以用蒸汽压P代替浓度C，则βpervap可以表示为：根据渗透蒸发过程的机理膜型、则有：（8-3）式中，分别为混合物在蒸发过程中和透过膜的过程中的分离系数，定义为：（8-4）（8-5）第四章中定义了膜的本征分离系数α

5、，α只与高聚物膜和分离物系有关：（8-6）将（8-6）式代入（8-5）式，有：（8-7）将（8-7）式代入（8-3）式，则（8-8）式（8-8）对讨论各种因素对渗透蒸发过程的分离贡献，作用很大，从该式我们可以得到如下主要结论：1.蒸发、膜及操作条件都会影响到渗透蒸发过程的最终分离效果。其中蒸发过程的分离系数是由操作条件下的汽一液平衡关系所决定，可以用汽—液平衡数据求得。2.渗透蒸发膜可以优先选择透过易挥发组分，也可以优先选择透过难挥发组分，不过需要膜的选择性足够大。3.若渗透蒸发过程以优先透过易挥发组分为目的，在较低温度下操作有利，因为温度低较大：若

6、以透过难挥发组分为目的，则反之。4.分析（）一项，若i组分优先透过，。因此，只有透过侧在真空下操,若j组分优先透过也有相同结论。则做才有有最大值，8.1.2非平衡溶解扩散模型以聚乙烯醇膜分离乙醇-水为例，渗透蒸发过程中组分通过膜的传递可以分为三个步骤：（1）乙醇、水溶解到膜的表面；（2）水和乙醇依靠浓度梯度扩散到膜的真空侧表面；（3）水和乙醇进入到真空侧气相。第一步是一个非溶解平衡，即膜表面的醇、水含量没有达到与料液平衡时的膜内醇水含量，在稳态时组分的溶解速度等于其扩散速度。如下式表示（以水为例）：溶解速度（1）扩散速度（2）=（3）从式（1）~（3

7、）可得到（4）（5）（6）（7）于是，分离因子为（8）从式(5)、式(7)和式(8)可看出，渗透蒸发的通量与膜厚不成反比关系，分离因子也不是一个常数，这都因溶解未达到平衡而造成，不平衡的程度由D／(δk)决定，对某一种膜材料和某一种溶液，不平衡的程度主要由膜厚决定，膜越薄，不平衡的程度就越大。当δ→0时(9)(10)这就是说，按非平衡溶解扩散模型，当膜厚趋近于0时，分离因子和渗透通量都趋于常数，这是合理的，而用平衡模型则不能得出这一结果。从表8-1的实验数据可以看出，分离因子不是与膜厚无关，而是随膜厚减小呈上升趋势；通量与膜厚也并非反比关系。表8-1

8、分离性能和膜厚的关系[PVA（聚乙烯醇）膜，85%乙醇溶液]该模型揭示了溶解速度所起的作用，补充了已有的溶解