渗透汽化过程设计及优势分析

（一）流程与工艺条件的确定

1.膜组件的流程　渗透汽化膜分离器组件的流程原则上与其他膜分离过程一样，也可以分为单级与多级操作，一般单级操作不能将二组分混合液完全分离，得到两个纯组分，为了将两组分完全分开，必须采用具有回流的多级操作流程（级联）。但是由于渗透汽化的每一级都包括渗透物的冷凝器、冷凝液送入下一级的泵以及冷凝液加热器等设备，因而渗透汽化级联的流程比较复杂，所需膜面积大、能耗大；另外，渗透汽化具有分离系数大的特点，采用单级操作除去易渗透组分，可以直接得到纯的难渗透组分，所以一般采用单级操作。

单级操作时，渗透物中一般均含有一定浓度的难渗透物，通常需进一步回收处理。所以渗透汽化主要应用于从混合物中分离出少量物质的体系。当混合液中两组分的含量均较大时，一般采用渗透汽化与其他方法（如精馏）的联合分离流程。

对于单级操作，当分离任务需要多个膜组件时，组件可以采用串联、并联和并、串联三种流程。具体采用哪种流程取决于料液流量、每个膜组件的适宜流量与膜组件数（即分离所需的总膜面积）。

渗透汽化过程中有物质的相变，渗透物通过膜后汽化成蒸汽，需要汽化热，料液的温度会下降。有时需要增加中间加热器。

2.主要工艺条件　渗透汽化的主要工艺条件是料液在膜器内的温度、料液流速和压力降、料液的预处理、膜的清洗。在工艺条件确定中应考虑以下问题。

（1）料液在膜器内的温度。在料液温度高、渗透汽化过程的推动力大、渗透物在膜中的扩散系数大、过程渗透通量大、为完成一定分离任务所需膜面积小、膜分离器的造价低；另外料液温度高、膜后侧压力可以较高，冷凝所需费用少。但是，提高料液温度受膜的耐温性和耐溶剂性的限制，过高的温度将严重降低膜的使用寿命，增加更换膜所需的费用。所以料液温度需根据料液的性质、分离要求和所用膜的性质而定。

（2）料液流速和压力降的控制。在渗透汽化中因膜的渗透速率小，在连续操作中，单位面积膜处理的物料量通常很小，虽然浓差极化对渗透汽化的影响不像对超滤、反渗透那样严重，但对渗透汽化的传质过程仍有一定的影响。为了保持膜面料液有一定的流速，以利于膜面传质。在工业生产中又必须考虑大量膜面积多级串联会造成料液侧阻力过大；因此膜装置内的物料应采用串、并联结合的方式，既保证膜料液侧物料有一定流速，又不至压力降过大，必要时可采用中间加压泵。

（3）料液的预处理。料液必须脱除悬浮固体和金属粒子以免损伤膜表面。通常进行渗透汽化分离的物料都比较干净，并不需对物料进行特殊的预处理，在某些含盐有机溶剂脱水中，应注意由于水脱除使盐溶解度下降而析出沉积于膜面上。

（4）膜的清洗。渗透汽化膜不像多孔膜容易污染，但在工业生产中也需定期清洗以去除膜面污染物。一般可采用“在位”清洗。在有机溶剂脱水中可用组件体积1～3倍的清洗剂（如异丙醇）在加温下（50～80℃）循环即可。

通常渗透汽化膜可使用2～4年，在这段时间内膜的渗透速率和选择性变化都很小。

此外膜组件内膜的朝向对其分离性能有很大影响，应使膜的致密分离层朝向料液，若多孔支撑层朝向料液将使膜的分离因子大大下降。

3.操作方式　渗透汽化有连续操作和间歇操作两种方式。连续操作工艺流程：料液连续送入膜分离器，从膜分离器出来的渗余液即为产品，连续送出。间歇操作工艺流程：一批料液加入料液罐，开始操作，用泵将料液经加热送至膜分离器，分离出部分组分返回料液罐，再由泵送至膜分离器，如此循环，直至料液组成达到要求值，将产品从料液罐放出后，进行下一批操作。比较以上两种流程，间歇式只需一个渗透汽化膜组件不需要增加中间加热器，相对投资较小；处理量较小，操作比较灵活，可用于不同的分离体系。它的主要缺点是，在间歇操作过程中随着循环料液浓度的变化，膜的溶胀程度不断变化，这会损害膜的渗透选择，降低膜的使用寿命。与此相反，由于连续式的渗透汽化膜装置常由几段膜组件组成，因此可将具有不同分离因子和通量的膜放在最适宜的段，使得每一段膜组件都在最佳条件下工作。连续式适用于处理量较大、品种单一的混合物的分离。

（二）膜面积的计算

计算二组分混合液用渗透汽化法分离所需的膜面积。已知料液流量F（kg/h），其中欲分离出的组分（设为优先渗透组分）的组成xi（质量分率），加热到温度Ti进入膜组件，要求除去优先渗透组分使其组分降为xR，选用已知性能的膜和膜组件，选定料液流动条件与膜后侧压力。在这种条件下可以用经验关系式法计算所需的膜面积和渗余液的温度TR。

现分析膜组件中膜面积为dA的一段微元段中的情况：

总物料衡算：

优先渗透组分的物料衡算：(www.xing528.com)

式中：x——液相中优先渗透组合的质量分数；

y——气相中优先渗透组合的质量分数。

热量衡算：假设无热量损失，渗透物在T0温度下汽化并离开膜组件。

式中：CF，Cp——料液与渗透物液体的平均比热容；

ΔHV——渗透物的汽化潜热（T0℃时）；

J——总渗透通量，为二组分渗透通量之和。

整理以上三式，可得到下列微分方程组

根据由实际体系试验求得的渗透通量与温度和浓度的关系式，用数值法求解上述微分方程组可以求得料液中欲除去组分的组成降至xR所需的膜面积A，膜组件出口渗余液的量和温度TR以及渗透液的量和组成。

（三）过程的优化

过程设计应在保证产品质量的前提下使单位产品的总费用最低。通常总费用包括设备费和操作费两部分。

1.渗透汽化的操作温度　温度是影响渗透通量的主要因素，在其他条件一定的情况下，渗透通量与温度的关系遵循Arrihenius公式。温度高，渗透通量大，所需膜面积小，膜组件投资少，更换一次膜的费用省。但是提高温度受膜的耐温性的限制。温度高，膜的使用寿命短。因此需要根据膜的耐温性与温度对渗透通量影响的大小来确定适宜的温度。此外，操作温度高，预热料液的设备费用和操作费用高也是一个应该考虑的问题。为了节省能耗，在系统设计中用渗余液预热部分料液。

2.中间加热　在渗透汽化过程中，料液温度下降，渗透通量减小，必须进行中间加热，提高料液温度，使过程的渗透通量始终保持在较高水平，以减少所需总膜面积，减少设备投资。但是中间加热次数的增加，也有使膜组件和中间加热器设备费用增加的一面。因此，必须以膜组件与中间加热器的设备费用最小为目标来确定每一个膜组件适宜的温度降和中间加热的次数。

3.膜组件设计　首先，要根据料液及膜的性质确定适当的膜组件形式。目前用的最多的是板框式膜组件。用于渗透汽化的膜组件，其特点是膜后侧流道大。料液侧流道的设计首先应保证料液均匀分布，避免流动死角与短路，充分发挥膜的作用；其次，应当保持适当的流速，减少浓差极化与温度极化的影响；最后，在组件设计中应尽可能减少料液流动的摩擦损失，组件中摩擦损失主要是进出膜框的局部损失。在框内流速选择上应在减轻极化现象影响与降低能耗间找出适当的折中方案。

膜后侧支撑板的设计通常应使其具有较大的流通截面。减少渗透汽流动的摩擦损失，降低流动压力降，有利于提高渗透通量，减少所需膜面积。流通截面大小的确定与多方面因素有关，渗透通量大、膜后压力低、膜框与支撑板的尺寸大，应采用更大的流通截面。但是流道大，需增大支撑板的厚度，使单位体积内膜面积减少，因此流通截面也有最优值。

4.膜后侧压力　膜后侧压力是影响渗透通量的另一个重要因素。膜后侧压力大小取决于料液性能与分离的要求。要求渗余液中优先渗透组分的含量低，其蒸汽压越低，膜后侧压力愈低。对于一定的料液与分离要求，膜后侧压力越低，过程的推动力越大，渗透通量越大，所需膜面积越小，膜组件的费用低。但是压力越低，真空泵的负荷大，要求渗透汽的冷凝温度低，冷凝器大，能耗大。因此，膜后侧压力需在膜组件与真空泵和冷凝器的费用之间找出最佳值。

5.渗透汽的冷凝温度　冷凝温度取决于压力和渗透汽的性质。对于一定的渗透汽，冷凝温度低，渗透汽排出量少。真空泵投资少，能耗低，但是冷凝器本身的费用高。求出最佳的冷凝温度可以使真空泵与冷凝器的费用之和最少。