化学工程与工艺专业工程实训实践报告 目 录前言21 渗透汽化过程的基本原理21.1渗透汽化的特点32 渗透汽化分离性能评测实验装置的设计32.1设计思路32.1.1 准确的温度控制42.1.2浓差极化现象42.1.3 压力控制42.2 实验装置的简介52.3 实验过程53 渗透膜分离性能测评实验结果1264 结论8参考文献9 渗透汽化实验装置的搭建及其注意事项前言 渗透汽化(Pervaporation, 简称PV ) 是用于液体混合物分离的一种新型膜技术，是目前膜分离领域的研究热点之一。相对于其他膜分离过程而言，渗透汽化的研究起步较晚，但经过近十几年的迅速发展，已经在有机溶剂脱水、水中脱除微量有机物以及其它极性/非极性、饱和/非饱和有机物体系以及同分异构体的分离方面取得了重要的研究成果和应用1,2 。然而, 渗透汽化膜分离的机理由于涉及到渗透物和膜的结构和性质, 渗透物组分之间、渗透物与膜之间复杂的相互作用, 涉及到化学、化工、材料、非晶态物理、统计学等学科的交叉, 研究工作的难度较大, 认识也不够深入3。1 渗透汽化过程的基本原理 渗透汽化是一种利用膜对不同组分的溶解和扩散能力的差异而实现液体混合物分离的高效分离技术，目前已在有机物中少量水的脱除等过程中取得工业应用。 渗透汽化过程的分离原理:具有致密皮层的渗透汽化膜将料液和渗透物分离为两股独立的物流，料液侧(膜上游侧或膜前侧)一般维持常压，渗透物侧(膜下游侧或膜后侧)则通过抽真空或载气吹扫的方式维持很低的组分分压。在膜两侧组分分压差(化学位梯度)的推动下，料液中各组分扩散通过膜，并在膜后侧汽化为渗透物蒸气。由于料液中各组分的物理化学性质不同，它们在膜中的热力学性质(溶解度)和动力学性质(扩散速度)存在差异，因而料液中各组分渗透通过膜的速度不同，易渗透组分在渗透物蒸气中的份额增加，难渗透组分在料液中的浓度则得以提高。可见，渗透汽化膜分离过程主要是利用料液中各组分和膜之间不同的物理化学作用来实现分离的。渗透汽化过程中组分有相变发生，相变所需的潜热由原料的显热来提供。 渗透汽化过程中完成传质和分离的推动力是组分在膜两侧的蒸气分压差，组分的蒸气分压差越大，推动力越大，传质和分离所需的膜而积越小，因而在可能的条件下，要尽可能地提高组分在膜两侧的蒸气分压差。这可以通过提高组分在膜上游侧的蒸气分压，或降低组分在膜下游侧的蒸气分压来实现。为提高组分在膜上游侧的蒸气分压，一般采取加热料液的方法，由于液体压力的变化对蒸气压的影响不太敏感，料液侧采用常压操作方式4。为降低组分在膜下游侧的蒸气分压，可以采取以下几种方法:冷凝法、抽真空法、冷凝加抽真空法、载气吹扫法、溶剂吸收法5-7。 冷凝加抽真空法是指在膜后侧同时放置冷凝器和真空泵，使大部分的渗透物凝结成液体而除去，少部分的不凝气通过真空泵排出。同单纯的膜后冷凝法相比，该法可使渗透物蒸气在真空泵作用下，以主体流动的方式通过冷凝器，大大提高了传质速率；而同单纯的膜后抽真空的方法相比，该法又可以大大降低真空泵的负荷，还可减轻对环境的污染，因此是被广泛采用的方法。1.1渗透汽化的特点 与蒸馏等传统的分离技术相比，渗透汽化过程具有如下突出特点8,9：(1) 高效：选择合适的膜，单级就能达到很高的分离度。一般来讲，渗透汽化过程的分离系数可以达到几百甚至上千，远远高于传统的精馏法所能达到的分离系数，因而所需装置体积小。(2) 能耗低，一般比恒沸精馏法节能1/2-1/15 。(3) 过程简单，附加处理少，操作方便，而且系统可靠性和稳定性高。(4) 过程中不引入其他试剂，产品和环境不会受到污染。(5) 渗透汽化系统具有较高的适应性，一套渗透汽化系统不仅可以用来处理浓度范围很大的同种分离体系，而且还可以用来处理多种不同的分离体系。(6)渗透汽化过程的操作温度可以维持较低，能够用于一些热敏性物质的分离。(7)易于放大，便于与其它过程耦合和集成。2 渗透汽化分离性能评测实验装置的设计2.1设计思路 在在渗透汽化和渗透萃取过程中,影响渗透膜分离性能的因素除聚合物膜材料的结构、溶液的性质以外,还包括操作温度和压力、膜表面的浓差极化现象等。因此,为了获得真实而准确的膜分离性能参数,渗透膜性能评测装置的设计过程中需要考虑并解决以下问题。2.1.1 准确的温度控制 料液温度是影响膜分离性能的重要因素之一,温度上升会使渗透通量增大,但相应的选择性降低。在渗透萃取过程中,溶剂的温度会影响溶质在其中的溶解度以及溶剂与料液间的互渗过程。在一个实验周期中,温度的波动会使得通量和选择性发生较大变化,所得实验结果是对时间的平均值,这使得数据的真实性及对过程设计的指导意义下降。2.1.2浓差极化现象 伴随着通过膜的传质过程的同时,膜表面附近的溶液中会形成浓度梯度,出现浓差极化的现象。浓差极化现象对膜的分离性能具有重要影响,尤其当料液中待分离组分的浓度极低时,浓差极化现象会使分离过程的选择性大大降低。2.1.3 压力控制 对于液体组分通过膜的传递过程，由于进料压力的变化对渗透组分的分压影响很小，因而进料侧的压力对传递性能的影响很小。同样,在渗透萃取的过程中渗透物侧的压力对分离性能的影响也不大。但在渗透汽化过程中,当采用真空泵维持渗透侧极低的压力时,渗透侧压力的大小直接与组分透过膜传递的推动力大小相关。此时,恒定地维持渗透侧的高真空度,可以获得较大的渗透通量。 图1 渗透汽化实验装置2.2 实验装置的简介 本实验装置中，渗透汽化膜为：聚醚聚酰胺嵌段共聚（PEBA2533）平板膜，膜室的有效面积为20.4cm2，透过侧的真空由真空泵抽吸形成，最低绝压可达500Pa，原料液的温度由为4070。用紫外-可见分光光度计检测吸光度。2.3 实验过程（1）在原料罐中配置一定浓度的原料液（苯酚-水溶液），将膜装入膜室，拧紧螺栓；打开电热套开关，启动进料泵，开始循环料液，使料液温度和浓度趋于均匀。（2）将原料液稀释1000倍，用紫外-可见分光光度计测定吸光度Abs1，从而得到原料液浓度（xA1）。（3）将渗透液收集管用电子天平称重后（W1），装入冷阱中，再安装到管路上，打开真空管路并检漏。 （4）当料液温度恒定后，开启真空泵，打开真空管路阀门，观察系统的真空情况；待真空管路的压力达到预定值后，装上液氮冷却装置，开始进行渗透汽化实验，同时读取开始时间，料液温度、渗透侧压力等数据。（5）达到预定的实验时间后，关掉真空泵，立即取下冷凝管，塞好塞子（质量为W2），放在室温条件下，待产品融化后，擦净冷凝管外壁上的冷凝小水滴，称重（W3），实验结束后，将原料液和透过液分别稀释1000倍和2000倍，用紫外-可见分光光度计检测吸光度Abs2、AbsA，从而得到原料液浓度（xA2）和透过液浓度（yA）。（6）打开真空泵前缓冲罐下的放空阀，关闭真空泵，关闭进料泵，结束实验。 (7) 对实验数据进行处理。3 渗透膜分离性能测评实验结果12 在所建立的实验装置上,对聚二甲基硅氧烷/聚丙烯腈(PDMS/PAN) 复合膜用于正辛烷/噻吩混合物的渗透汽化分离性能进行了评测,该体系可以用于模拟汽油渗透汽化脱硫过程10 。实验考察了料液温度、料液组成对分离过程的影响,实验结果如图2、3 所示。 图2 料温度对通量和噻吩选择性的影响 由图2可以看出, 在实验的温度范围(30 70 ) 内,PDMS/PAN 复合膜对噻吩具有优先透过选择性。同时,随着温度的升高,渗透通量增大,而对噻吩的选择性下降。这是由两方面的原因造成的:一是温度的升高使渗透物分子的运动活性增大,促进了其在料液及致密膜中的运动；二是温度的升高增强了膜中聚合物链节的运动,使其中的自由体积增大,有利于渗透组分在其中的扩散传递。同时随着料液温度的升高,膜的溶胀程度变大,加之不同组分渗透活化能的差异,致使对噻吩的选择性下降。 图3反映了料液中噻吩浓度变化对噻吩P正辛烷体系分离效果的影响。由图中可以发现,在实验范围内,噻吩在料液中的浓度变化对总通量及相应硫化物的选择性几乎没有影响。这主要是由于料液中噻吩浓度非常低造成的11 。一方面,噻吩本身浓度很低,其在不大的范围内变化时对正辛烷的传递造成的影响是微不足道的,因而对总通量的影响基本可以忽略；另一方面,在极低的浓度范围内,噻吩的通量与料液中的浓度成正比关系。因而在总通量基本不变、噻吩通量与料液中的浓度成正比的情况下,噻吩选择性系数也基本不变。以上实验结果与理论分析是一致的,表明在所建立的实验装置上得到的实验结果是可信的。同时,在相同的实验条件下进行渗透通量重复实验,结果表明实验的相对误差在5 %以内,证实了实验结果的可重复性和准确性。 图3 料液浓度对噻吩/正辛烷体系分离效果的影响4 结论渗透汽化是一类新型高效的分离技术,通过实验测定渗透膜的选择性和通量对于膜材料的选择和改性等具有重要的指导意义。在分析渗透膜分离性能评价过程中的关键问题的基础上,本文建立了渗透汽化实验评测装置,并对PDMS/PAN复合膜用于正辛烷/噻吩混合物的渗透汽化分离性能进行了评测,验证了实验装置所测结果的可重复性和准确性。参考文献【1】 R. Y.M. Huang. Pervaporation Membrane Separation Process M . NewYork : Elsevier Science Publishing Company Inc. , 1991.【2】A. Jonquieres , R. Clement , P. Lochon , et al . Industrial state-of-the-artof pervaporation and vapor permeation in the west countries J . J .Membr. Sci . , 2002 ( 206) :87-117.【3】