第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在石油化工、精細(xì)化工、醫(yī)藥化工、日用化工和新能源等領(lǐng)域中無(wú)水級(jí)的有機(jī)溶劑是必不可少的，因此將有機(jī)溶劑中少量或微量的水分離，從而得到無(wú)水級(jí)有機(jī)溶劑是上述領(lǐng)域中最常見也是最重要的單元過(guò)程之一。

當(dāng)有機(jī)溶劑和水的混合物達(dá)到近沸點(diǎn)、恒沸點(diǎn)時(shí)，由于共沸平衡的制約，采用簡(jiǎn)單的蒸餾方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶劑和水的進(jìn)一步分離，傳統(tǒng)工藝是采用恒沸蒸餾、萃取精餾、加壓精餾或分子篩吸附等技術(shù)將其中的水分離出去，進(jìn)而獲得無(wú)水級(jí)的有機(jī)溶劑，這些技術(shù)的共同點(diǎn)是都需要將待脫水的物料體系完全汽化，其消耗的相變潛熱巨大，高能耗導(dǎo)致運(yùn)行成本居高不下。

與上述傳統(tǒng)的分離技術(shù)相比，近幾十年發(fā)展起來(lái)的滲透汽化膜技術(shù)由于在分離有機(jī)溶劑中少量水或微量水的應(yīng)用中表現(xiàn)出低能耗、不引入第三組分、排污少的突出特點(diǎn)，被國(guó)際膜學(xué)術(shù)界的專家們稱之為21世紀(jì)化工領(lǐng)域最有前途的高新技術(shù)之一。

1、滲透汽化膜技術(shù)在節(jié)能減排方面的比較優(yōu)勢(shì)

1）節(jié)能

滲透汽化膜技術(shù)除其固有的所需相變潛熱少?gòu)亩芎牡偷奶攸c(diǎn)外，在運(yùn)行過(guò)程中只要提供0.1Mpa的低壓蒸汽或其他系統(tǒng)的回汽就可以維持滲透汽化膜裝置的正常運(yùn)行，較之其他裝置至少需要0.3～0.4MPa的蒸汽才能正常運(yùn)行，其優(yōu)勢(shì)更為明顯。

已有的工程案例顯示，與傳統(tǒng)的恒沸蒸餾技術(shù)相比，采用滲透汽化膜技術(shù)用工業(yè)乙醇生產(chǎn)無(wú)水乙醇節(jié)能50%～75%，用含水15%的異丙醇生產(chǎn)無(wú)水異丙醇節(jié)能65%。

2）提高產(chǎn)品質(zhì)量

在藥品和精細(xì)化工產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中要廣泛應(yīng)用到無(wú)水級(jí)有機(jī)溶劑，從節(jié)約資源、環(huán)保、生產(chǎn)成本等各角度考慮，必須使溶劑實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用，因此將使用后含有少量或微量水的有機(jī)溶劑制備成無(wú)水級(jí)的有機(jī)溶劑是至關(guān)重要的。以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為93%～95%的乙醇制備99.5%的無(wú)水乙醇為例，如果采用加鹽萃取精餾技術(shù)，無(wú)論使用哪種萃取劑（苯、環(huán)己烷、乙二醇等），得到的無(wú)水乙醇中，都會(huì)有萃取劑殘留，當(dāng)這種途經(jīng)來(lái)源的無(wú)水乙醇再用于藥品生產(chǎn)中，就可能對(duì)藥品造成污染。藥品是一種特殊的商品，在一定程度上講，其安全性比有效性更加重要。采用滲透汽化膜技術(shù)分離有機(jī)溶劑和水的過(guò)程中不引入第三組分，可以確保所得到的無(wú)水級(jí)有機(jī)溶劑的質(zhì)量，同時(shí)也確保了藥品的質(zhì)量。

3）減排

滲透汽化膜技術(shù)用于有機(jī)溶劑脫水，確屬環(huán)境友好技術(shù)。因過(guò)程中僅產(chǎn)生少量的滲透液，盡管其中會(huì)帶有一部分有機(jī)溶劑，但只需采用很小規(guī)模的簡(jiǎn)單蒸餾裝置處理使其達(dá)到共沸平衡，就可以重新返回滲透汽化膜技術(shù)的主工藝路線。與之相比，加鹽萃取精餾技術(shù)在萃取劑的回收過(guò)程中將產(chǎn)生大量的含有鹽的萃取劑殘?jiān)y以降解處理；而分子篩技術(shù)因其再生時(shí)對(duì)環(huán)境的污染和淘汰使用到壽命期的分子篩的問(wèn)題在環(huán)保上是非常棘手的。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果顯示，采用滲透汽化膜技術(shù)用工業(yè)乙醇生產(chǎn)無(wú)水乙醇減少COD排放190公斤／噸。

4）物耗低，資源利用率高，占地面積少，操作方便

由于采用滲透汽化膜技術(shù)更容易實(shí)現(xiàn)有機(jī)溶劑的低含水量，有益于產(chǎn)品收率的提高，相應(yīng)降低了物耗，提高了資源利用率；而且滲透汽化膜技術(shù)的生產(chǎn)流程簡(jiǎn)單，裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積少，操作方便。

采用滲透汽化膜技術(shù)用工業(yè)乙醇生產(chǎn)無(wú)水乙醇的過(guò)程中，因不再使用萃取劑和鹽，節(jié)約乙二醇9.6公斤／噸、節(jié)約醋酸鉀1公斤／噸。

2、中國(guó)滲透汽化膜技術(shù)的現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)滲透汽化膜技術(shù)的 研究 始于20世紀(jì)80年代中期，1984年以來(lái)，清華大學(xué)化學(xué)工程系膜技術(shù)與工程 研究 中心（現(xiàn)已改為膜材料與工程 研究 中心）先后承擔(dān)了國(guó)家“七五”、“八五”、“九五”、“863”和“973”等關(guān)于滲透汽化膜技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)項(xiàng)目，歷經(jīng)20余年頑強(qiáng)攻關(guān)，在國(guó)家投入近2000萬(wàn)元自然科學(xué)基金的全力支持下，先后在膜材料、膜系統(tǒng)構(gòu)造及膜組件研制方面取得了突破性進(jìn)展，獲得了十余項(xiàng)國(guó)家授權(quán)專利，在這一高科技領(lǐng)域填補(bǔ)了國(guó)家空白。清華大學(xué)滲透汽化膜技術(shù)產(chǎn)業(yè)化基地—山東藍(lán)景膜技術(shù)工程有限公司于2003年在廣州建成了中國(guó)第一套滲透汽化膜技術(shù)工業(yè)化裝置，其設(shè)計(jì)能力為年處理2000噸異丙醇，這套裝置的投產(chǎn)應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的滲透汽化膜技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

滲透汽化是一種以混合物組分滲透壓差為推動(dòng)力，依靠各組分在膜中溶解與擴(kuò)散速率不同的性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)混合物分離的新型膜分離技術(shù)過(guò)程。

滲透汽化工藝流程如下圖所示。含水的料液經(jīng)過(guò)預(yù)熱器、加熱器加熱到一定溫度后進(jìn)入液相室，膜對(duì)料液中的水分子有選擇通過(guò)性，水分子溶解吸附于膜表面，在兩側(cè)蒸汽分壓差的作用下優(yōu)先擴(kuò)散通過(guò)，膜器出口得到無(wú)水的產(chǎn)品。通過(guò)高分子膜滲透到下側(cè)的組分，由于其蒸汽分壓小于其飽和蒸汽壓而在膜表面汽化，隨后進(jìn)入冷凝系統(tǒng)，蒸汽冷凝下來(lái)即得滲透產(chǎn)物，可回收處理。

滲透汽化工藝流程圖

第三節(jié) 國(guó)內(nèi)外技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 分析

采用膜分離技術(shù)進(jìn)行有機(jī)溶劑混合物的分離時(shí)，通常采用滲透汽化膜或蒸汽滲透膜。傳統(tǒng)的精餾法能耗高、設(shè)備大、流程復(fù)雜，有時(shí)需添加其他溶劑，造成環(huán)境污染。滲透汽化膜分離過(guò)程不受熱力學(xué)平衡限制，分離性能取決于膜和滲透物組分間的相互作用，可用于分離恒沸物和近沸物，經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上存在明顯優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)機(jī)膜具有孔徑分布均一、化學(xué)穩(wěn)定性好、不產(chǎn)生溶脹效應(yīng)、耐高溫高壓等特點(diǎn)，與高分子材料分離膜相比，近年來(lái)在膜市場(chǎng)中的份額呈上升趨勢(shì)。Bowen等就沸石膜在滲透汽化中的應(yīng)用做了詳細(xì)的綜述。但無(wú)機(jī)膜材料脆性大，膜的成型加工和組件裝配需特定工藝，需進(jìn)一步設(shè)法降低制造成本。

1、有機(jī)溶劑—有機(jī)溶劑混合物的分離

研究 人員對(duì)滲透汽化技術(shù)分離有機(jī)溶劑混合物進(jìn)行了深入 研究 （如醇-醚、芳香烴-烷烴、異構(gòu)體混合物的分離等)。

利用滲透汽化技術(shù)分離醇-醚的混合物，主要是甲醇-甲基叔丁基醚(MTBE)和乙醇-乙基叔丁基醚(ETBE)的分離。MTBE和ETBE是目前無(wú)鉛汽油的主要添加劑。甲醇和MTBE可形成共沸物，傳統(tǒng)工藝采用水洗法將甲醇溶于水，然后用精餾法回收甲醇，過(guò)程復(fù)雜且能耗高。采用滲透汽化-精餾耦合方法，可降低設(shè)備投資5%-10%，降低水蒸氣消耗量10%-30%。Sridhar等對(duì)滲透汽化技術(shù)分離甲醇-MTBE混合物做了詳細(xì)的綜述，包括分離過(guò)程的選擇、不同膜的分離效果等。

利用滲透汽化技術(shù)分離芳烴-烷烴混合物，降低汽油中的芳烴含量，是石化領(lǐng)域中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。如苯和環(huán)己烷的沸點(diǎn)僅相差0.6℃，易形成共沸物。芳香族異構(gòu)體混合物分離所需設(shè)備復(fù)雜，存在高投資、高耗能的問(wèn)題。BP石油公司就滲透汽化膜組件配合傳統(tǒng)換熱工藝分離共沸物申請(qǐng)了專利。將該技術(shù)用于分離二甲苯異構(gòu)體混合物，不僅降低了設(shè)備投資、操作費(fèi)用和能耗，且獲得的高純度鄰二甲苯不需進(jìn)一步純化處理，較傳統(tǒng)過(guò)程有很大的優(yōu)勢(shì)。此外，利用新型支撐液膜進(jìn)行芳烴-烷烴混合物的分離，近年來(lái)也引起人們的廣泛關(guān)注，有望取得突破性進(jìn)展。

2、水—有機(jī)溶劑混合物的分離

無(wú)水乙醇的生產(chǎn)是滲透汽化脫水技術(shù)的典型應(yīng)用。乙醇與水能形成共沸物，因此需用萃取精餾、恒沸精餾等工藝制取無(wú)水乙醇，其過(guò)程復(fù)雜、能耗高。采用滲透汽化技術(shù)不受恒沸點(diǎn)限制，可大幅度降低能耗。自1982年德國(guó)GFT公司(現(xiàn)屬SulzerChemtech公司)建立第一套滲透汽化制無(wú)水乙醇工業(yè)裝置以來(lái)，至今世界上已有140多套滲透汽化工業(yè)裝置。以GFT公司及其相關(guān)單位為例，1984-1996年，建成66套有機(jī)物脫水的滲透汽化裝置，其中，乙醇脫水裝置22套，異丙醇脫水裝置16套。目前，采用滲透汽化技術(shù)脫除有機(jī)物中少量水的 研究 廣泛進(jìn)行，涉及的有機(jī)物包括醇類、酮類、酯類、醚類等，所用的膜包括有機(jī)高分子膜和無(wú)機(jī)膜。

滲透汽化技術(shù)用于水脫除有機(jī)物的工業(yè)化應(yīng)用比用于有機(jī)溶劑脫水晚，1989年左右才有工業(yè)膜組件和工藝出現(xiàn)。當(dāng)水中有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%-5%時(shí)，采用滲透汽化技術(shù)較有優(yōu)勢(shì)。

滲透汽化膜分離技術(shù)是利用溶解擴(kuò)散的機(jī)理進(jìn)行組分的分離，對(duì)共沸物的分離特別有效，主要用于有機(jī)溶劑脫水，水中少量溶劑的脫除和有機(jī)／有機(jī)混合物的分離。我國(guó)的滲透汽化 研究 開始于８０年代中期。９０年代建立了滲透汽化制無(wú)水乙醇、苯脫水和滲透汽化與酯化反應(yīng)耦合過(guò)程的中試裝置，以及相應(yīng)的滲透汽化膜 分析 與檢測(cè)手段。

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