膜分离工程 第十二章 膜器和膜过程设计

工程师需要知道的若干知识
通量和选择性又是由膜中的质量传递过程决定的。 目前普遍认为，主要有两种不同的机理支配着膜中的质量传递和渗透过 程： ① 通过微孔的传递—在最简单的情况下是单纯的对流传递： ② 基于扩散的传递—要传递的组分首先必须被溶解在膜相中。 因此，理想化的处理，可以把膜看作为单纯的多孔膜或单纯的溶解—扩 散膜(致密膜)。 但是，这里必须强调指出，在实际的膜过程中，这两种基
新膜器开发-最大限度减少污染和浓差极化
改变流道形状（横向流代替切向流-强化传质）
各种膜器对不同工艺过程的适用性
尽管各种膜器的造价相差很多，但各自有各自的用途。虽然管式膜器是 最昂贵的一种构型，但它特别适用于高污染的体系，因为这种膜器便于控制 和清洗。相反，中空纤维膜器很容易污染且清洗困难。对于中空纤维膜器，
优点
缺点
应用领域
膜组件的选择
中空纤维膜器
特征
• Di=0.04~0.5mm • 进料流体可走管内和管外 • 自支撑 • 装填密度很高1200～30000m2/m3 • 制造费用低 • 耐压稳定性好 • 对堵塞很敏感 • GP，RO
优点
缺点 应用领域
膜组件的选择
中空纤维膜器
适用场合-原料比较干净（气体分离、海水淡化----需预处理）
传质过程的模拟
膜内传质过程 在对组件和过程进行设计、优化以及将膜过
程与其它传统工艺过程进行经济性比较时的工作中，用数学模
型来进行关联是必不可少的，所有装置设计和过程模拟都是以 质量、物料（特定组分）、动量和能量的守恒方程为基础的。
这些守恒方程必须以微分形式来表达，因为过程中的重要参 数，如浓度、物料流量、温度（对于渗透汽化过程）沿膜段 是发生变化的。
原料的预处理非常关键。
膜器的选择
例：渗透汽化膜过程
若采用中空纤维膜，其直径应适当粗
若采用卷式，则透过侧流道应比较宽
需要知道的常识
需要知道的常识
渗透汽化过程要尽量减少透过侧的阻力，透过侧应该有较大的空间
发展的眼光看问题
膜组件设计与优化的原则
对于膜组件的设计和优化来说，只考虑局部传质特性是不够的，这是
缺点
应用领域
膜组件的选择
管状膜器
蜂窝陶瓷膜组件 特征 • Di=6~25mm >10 • 进料流体走管内 • 有支撑管 • 湍流流动，对堵塞不敏感 • 易于清洗 • 膜组件中的压力损失小
优点
缺点
• 装填密度小<300m2/m3 不能自支撑，装填密度低 • 造价高
装填密度高
应用领域
•
MF，UF, RO
膜上的传递阻力
哪些传递阻力起主导作用，取决
于推动力是如何产生的：物态和 压力等级起着决定性作用。
为此，用针对推动力导出的关
系式来进行讨论是很适合的，这 些关系式指出了在具体的膜过程 中哪些传递阻力起着主导作用。 可以看出，体系的压力损失会明 显导致推动力降低，特别是在以 部分真空形式实现推动力的膜过 程中，即使是很小的压力损失也 会因其推动力的大幅度下降。
设计内容
1.膜种类
2.选择合适的膜器，膜器面积、类型，膜器排列方式，所需膜器
数，膜器排列，流体走向，膜器材质，管路，泵功率，工艺参
数，膜的清洗，以及成本核算等 。
3.前处理工艺，后处理工艺
设计中考虑的因素
•膜分离过程的设计，要考虑 （1）通过膜的传递性质，而且要考虑浓差极化和压力损 失对组件操作的影响； （2）要考虑过程中温降（比如气体分离J-T[焦耳-汤姆逊 ]效应过程） （3）膜组件的形式、排列、流体流向以及每种膜分离过 程所具有的特征
流程段的变化情 况，在膜装置中要对膜组件进行组合连接。
•最后，在总工艺过程的情况下，就必须考虑膜装置与其它配 套分离设施之间的最佳耦合浓度(前处理后处理工艺) 。
工程师需要知道的若干知识
从经济的观点来看，以下两个特征对于所有的膜过程都是至关重要的：
① 膜的选择性，即将混合物中的组分分离开来的能力，例如，将醇和水
膜组件的选择
毛细管膜器
毛细管膜组件与中空纤维膜组件的形式相同，其差异仅在于膜的规格不同。
特征 • Di=0.5~6mm 膜管直径 • 进料流体可走管内和管外 • 自支撑 • 装填密度高600～1200m2/m3，介于管式、中空纤维之间 • 制造费用低 • 大多数条件下为层流（物料交换性能差） • 抗压强度较小 • MF，GP，PV
第二种方法则更强调从物理意义上理解分离过程，同时该法在其他的方面也有突出的 优点。比如，确定模型参数所必需的实验数目明显少于回归分析法，更重要的是，外 推所冒的风险要小很多，因为对测试点之外范围的分离过程的描述，从定性上来说是 正确的。 对于工程技术设计来说，半经验性的模型证明是很适用的，这种模型以用实际体系进 行的渗透实验为基础，同时吸收了具有物理化学背景的理想化模型概念。
膜组件的选择
膜组件的结构设计必须遵循上述要求，但考虑到使用目的的不同，设
计时的侧重面也就不同，所以在市场上可以买到一系列完全不同设计
类型的膜组件。如果从结构单元来看，可以将膜组件分为两种构造类 型与六种结构形式
膜组件的选择
板框式膜器
膜器装填密度：100-400m2/m3
优点
• 可更换膜片 • 不易污染 • 平板膜无需粘合剂即可使用
工程师需要知道的若干知识
•膜器(分离单元)------装置的核心部件
•一系列膜器以串联或并联方式连在一起构成级;
•过程设计的任务-----将膜器适当组合，以最低制作成本体现 一种最优设计;
Байду номын сангаас
工程师需要知道的若干知识
•所有膜过程工艺的核心是膜本身、以及在膜上和膜中发生的 局部传递过程。
•对于膜组件来说，还必须考虑场量(例如浓度等参数)沿工艺
由于受以下因素的影响： ●跨膜的物料传递 ●进料边及渗透边流动状况 必需考虑的新的着眼点是组件中的场量（如质量通量，浓度，压力， 在某些情况下还有温度）会沿进料和渗透物流动方向连续地发生变化。 表中列出了这些重要的参数和计算所需的衡算关系。
工程师需要知道的若干知识
利用膜的选择性和分离任务的不同，希望得到的产 物既可以是滞留物的形式、也可以是渗透物的形式。
O2/N2
工程师需要知道的若干知识
膜的通量和选择性都是局部参数。一般情况下，这此参数在工程化装置(膜 组件)中沿膜会有明显的变化。例如：三端头组件的分离原理。
在这里，进料流体被分离成两股不同组成的物料：一股为滞留物，另一股为渗透物。 从图可以清楚地看出，进料中难渗透(被截留)组分的浓度沿组件随膜面积的增大而增 大。因此．就会引起这样的结果；即使膜的局部选择性是恒定的，难渗透组分在渗透 边产生的局部浓度也会有相应的上升，而在渗透口出处，渗透物的浓度为平均浓度。
传质过程的模拟
但是，平衡方程单独还不能进行计算。还必须附加某些不仅可以定性而 且可以精确定量的描述膜中传质过程的关联式。这样的关系式描述了有关 组分通过膜的传质方程与操作条件的依赖关系：即作为沿组件而变化的体 系内部状态参数（温度、压力、浓度）和外部状态函数（比如溢流速度）。
然而，对于通过膜的传质过程进行数学描述是非常困难的，主要是由于
工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。
物料衡算与热量衡算
物料衡算（Material Balance），简称“MB” 热量衡算（Heat Balance），简称“HB” 能量衡算（Energy Balance），简称“EB” 物料衡算与能量衡算的联立计算（Combined Balance）， 简称“CB”
化工工艺设计的内容与步骤 第一步：流程组织（过程合成） 第二步：物料衡算及热量衡算 内 循 环 优 化 第三步：设备设计及选型
外 循 环 优 化
第四步：PFD图及PID图的设计与绘制
第五步：车间流程的平立面布置设计 第六步：主要材料表及概（预）算（工艺部分） 第七步：对流程的技术经济分析 第八步：编写工艺设计说明书
传质过程的模拟
不对称膜必须“一层一层地”来研究，例如，可将不对称膜看作为由溶解-扩散 膜和多孔膜一层一层组合而成的，相互连接的隔膜。理想化模型有很多，比如 孔模型、溶解-扩散模型、细孔毛细管模型等，详见有关专著。
膜组件的选择
膜组件的选择
所有膜装置的核心部分都是膜组件，即按一定技术要求将膜组装在一 起的组合构件。在开发膜组件的过程中，必须考虑以下几个基本要求 （其中有部分是相互矛盾的）： ●适量均匀的溢流（无静水区） ●具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性 ●装填密度大 ●制造成本低 ●易于清洗 ●更换膜的成本尽可能的低 ●压力损失小
设计基础是什么？
•通常根据膜过程和分离体系的特性选择合适形式的 膜组件； •然后根据膜内、膜表面的传质方程及浓度、流速、 压力、温度沿膜面分布的微分方程组求解膜分离性 能(如分离因子、渗透流率、回收率等)与膜组件几何
尺寸的关系，以对组件的几何结构进行优化；
•膜内传质方程和膜表面传质方程是膜分离过程的设计基础 同时求得完成一定分离任务所需膜面积和级联数 !!
分离开来，或将盐离子和水分离开来； ② 膜的效率(生产能力)，即在一定的操作条件下可达到的渗透物通量。 上述两个特征参数中．相对而言，效率是第二位的。因为在一定的范围 内，低的效率可以通过加大膜面积来平衡；但如果选择性较低的话，则会
导致需要多级的过程。—般情况下，这样处理与大多数现行的其他分离工
艺相比较是没有竞争能力的。
在所有相关组分之间（包括膜基质在内）存在很多相互作用影响，这些相 互影响导致了明显的非理想型和偶联效应。。
传质过程的模拟
对于工程技术目的来说，有以下两种模拟方法可供选用：
（1）对于实际体系（混合物和膜）进行的大量实验作回归分析，这种分析 覆盖了整个感新区的范围；