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渗透汽化膜技术
来源: 作者: 发布时间:2008-10-21

 

渗透汽化(pervaporation,简称PV,又称为渗透蒸发)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、吸附等传统的方法难于完成的分离任务。它特别适于蒸馏法难于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少量、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,渗透汽化技术在医药化工及相关工业领域具有广阔的应用前景及市场。它是目前处于发展期的新型分离技术,国际学术界的专家们称之为二十一世纪最有前途的高技术之一。

 

1.原理及流程

渗透汽化是一种以混合物中组分渗透压差为推动力,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新型膜分离技术过程。其分离流程可以用下图描述。

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汽。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汽中的份额增加,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化学物理作用的不同来实现分离的。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。

 

2.国内外技术状况

渗透汽化现象最早于1917年由Kober首次观察到,但直到1956年才由Heisler开展了实际研究;20世纪60年代,聚乙烯膜被成功用于分离有机混合液;10年之后,在乙醇的纯化方面取得进展;20世纪90年代,研究趋势朝着多种混合物的分离方向发展。近20年,渗透汽化成为膜分离技术中最为活跃的研究领域之一。工业化方面,最早见报道的是1982年德国GFT公司建造在巴西的试验工厂,用于从乙醇发酵液中脱水;随后日本也建造了5套装置用于有机溶剂脱水;GFT公司于1988年建成150m3/d的渗透汽化工业装置,用于乙醇脱水来精制乙醇。

我国渗透汽化技术的研究始于20世纪80年代中期,先后有十余个研究单位参加过研究。1984年清华大学就开始对渗透汽化膜的研究,是国内最早开展该项研究的单位,研究的重点是脱水膜的制备。

200112月,以清华大学为技术依托,在国家各部委领导的支持下,北京蓝景膜技术工程有限公司成立;20064月,渗透汽化膜生产基地——山东蓝景膜技术工程有限公司成立,是我国唯一具有自主知识产权,生产和销售渗透汽化(包括蒸汽渗透)膜及组件的高科技企业,年产30m2渗透汽化商品膜,是国内第一条渗透汽化膜生产线,具有国际领先水平。

目前渗透汽化技术广泛应用于原料药及医药中间体的生产,涂料、燃料、化妆品等精细化工产品生产,石油化工产品中轻组分脱水,燃料、燃油添加剂等新能源生产等领域,下表是部分装置列表。

序号

装置所在地

脱水体系

规模

所属行业

1

广东省广州市

异丙醇

2000/

精细化工

2

广东省广州市

异丙醇

5000/

精细化工

3

辽宁省沈阳市

碱性异丙醇

300/

医药化工

4

辽宁省沈阳市

乙醇

5000/

医药化工

5

辽宁省沈阳市

乙醇

3000/

医药化工

6

辽宁省锦州市

异丙醇

5000/

石油化工

7

广东省深圳市

异丙醇

300/

环保设备

8

广东省深圳市

异丙醇

300/

环保设备

9

山东省淄博市

丙醇

2000/

精细化工

10

江苏省常州市

异丙醇

1800/

新能源

11

山东省沂源市

碱性异丙醇

5000/

医药化工

 

3.应用范围

渗透汽化被开发为工业实用技术,至今已有二十多年的历史。国际上相继建成了100多套工业装置,不仅证明了这一新型膜分离技术的可靠性,而且也证明其在技术上的先进性,充分显示出作为绿色节能工艺的优势和竞争力。

渗透汽化技术与医药化工的关系尤为紧密。在药品生产过程中,乙醇、异丙醇、丁醇、丙酮、醋酸丁酯等大量的有机溶剂被广泛用于抗生素和维生素的萃取剂、药品胶囊的清洗剂等。在这些溶剂使用的过程中,都存在或潜在溶剂回收再利用的需求。渗透汽化做为新型节能环保分离技术,尤其是具有不引入第三组分的特点,在医药化工及相关工业领域有着广阔的应用前景及市场,它的应用主要有以下几个方面。

3.1.有机溶剂脱水

有机溶剂脱水是目前研究最多、应用最普遍、技术最成熟的渗透汽化应用技术,也是医药工业最迫切需要的应用方式。目前已经有工业应用实例或研究过的有机溶剂包括:

(1)           醇类:如乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、环己醇和苯甲醇等。

(2)           甘醇类:如乙二醇、丙二醇、丁二醇、二甘醇、三甘醇、硫醇等。

(3)           酮类:如丙酮、丁酮、甲基叔丁基酮等。

(4)           芳香族化合物:如苯、甲苯、苯酚等。

(5)           胺类:如三乙胺、吡啶、苯胺等。

(6)           酯类:如乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、苯甲酸甲酯、醋酸乙二醇酯等。

(7)           醚类:如甲基叔丁基醚、乙基叔丁基醚、二异丙基醚、二乙醚、四氢呋喃等。

(8)           有机酸:如乙酸、己酸、辛酸等。

(9)           氯代烃:一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷等。

(10)       脂肪烃:如从碳三到碳八的脂肪烃等。

(11)       有机硅类化合物等。

最典型的例子是乙醇溶媒的脱水回用。在头孢类药物或阿莫西林生产过程中,乙醇作为溶媒一次或多次使用后,含水量越来越高,若要回收再利用,需要采用萃取精馏、恒沸精馏或加盐精馏,这些方法过程复杂、能耗高、污染严重,而且会引入第三组分导致产品质量难以达到医药工业使用要求。

3.2.水中脱除有机物

渗透汽化法进行水中有机物的脱除及回收,90年代初期实现工业化应用,比有机溶剂脱水约晚十年的时间。目前,主要应用有:

(1)           从废水中去除有机污染物,如酚、苯、各种有机酸、酯、卤代烃等;

(2)           从酒类饮料中回收乙醇;

(3)           从果汁、饮料中回收芳香物质,包括酯类、醛类和一些烃类。

3.3.有机混合物的分离

用渗透蒸发法分离有机混合物是目前渗透汽化过程工业化应用最有挑战性的课题之一,也是今后渗透汽化技术最重要的应用之一。医药化工及相关工业领域中有大量的有机混合物需要分离,有相当一部分有机混合物是恒沸物、近沸点物及同分异构物,用普通的精馏方法不能分离或难于分离,在这种情况下渗透汽化膜技术是最有效、最快捷的解决途径。

3.4.与其它工艺过程集成

渗透汽化过程已经成功地应用于许多工业过程中,但在许多情况下,单独应用渗透汽化系统并不是最佳的选择,与其它过程进行集成则可以充分发挥这些过程的优势,提高过程的经济性。

目前,集成过程研究最多、应用最成功的主要有两类:

(1)           渗透汽化与精馏集成:例如羟酸酯生产中分离羟酸酯/羟酸/醇恒沸物,二甲基碳酸酯生产中分离二甲基碳酸酯/甲醇恒沸物,无水乙醇生产中分离乙醇/水恒沸物,甲基叔丁基醚生产中分离醇//C4恒沸物等。

(2)           渗透汽化与反应过程集成:促进酯化反应,像醋酸丁酯、油酸正丁酯、二乙基油石酸、二甲基脲、戊酸乙酯等酯化物的生产;促进生化反应,如发酵法制乙醇及制乳酸中产物与底物的分离。

 


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