膜分离工程第十二章膜器和膜过程设计.pptx

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;
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 流程段的变化情 况，在膜装置中要对膜组件进行组合连接。
MB与HB计算是化工工艺设计中最基本，也是最主要的计算内容。
作业（平时成绩）： 归纳总结列出物料恒算、热量恒算基本 方程，基本知识要点
以精馏为例
• 设计任务
产量，进料液组成，馏出液 组成
• 设计内容
塔设备尺寸，塔板数，板间 距，管路，泵，冷凝器，再 沸器。。。。。。
• 有关计算
物料衡算，热量衡算，传质 方程。。。。。。
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。
膜过程流程图
膜过程设计内容
整个流程-工艺设计 非工艺设计
膜组件-设备设计
• 膜过程设计相当于工艺流程的设计 • 膜器设计相当于化工设备设计 • 非工艺设计
膜过程设计层次
通常将膜过程开发分为四个层次： 膜单元 膜器（膜组件） 膜器组合 总的工艺过程
设计内容
• 设计任务
原料液的处理量、截留率等
• 设计内容
膜上的传递阻力
如果只考虑膜本身的质量传递，在溶解-扩散-膜的情况下，就是只考虑活性 层中的质量传递，则膜过程的效率往往会被过高估计。 除了膜本身的传递阻力之外，还有下列因素在膜过程设计中具有重要意义： ① 进料边和渗透边的压力损失（推动力损失）； ② 浓差极化； ③ 多孔支撑层的传递阻力； ④ 对于渗透汽化过程还要考虑传热过程。
•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
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
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。
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 本的传递机理完全可以同时出现。
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”
其基本核心内容是化工工艺设计，其附带内容是针对化工工 艺设计，对它的配套部分如公用工程、外管设计等进行深 入设计和完善。
内循环优化 外循环优化
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 第三步：设备设计及选型 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
膜过程设计
回顾
化工设计
• 化工过程设计的目标及内容 美国国家顾问团在其“化学工程的新领域”著作中，简明阐
述了化工过程设计的主要目标： 确定最佳流程及最佳操作条件，达到最优投入产出比。在定
量计算的基础上，结合专家的经验，考虑安全、健康、环 保(S.H.E)的因素，确定出一个综合的设计方案。
化工过程设计的内容：
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。
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
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； •膜同内时传求质得方完程成和一膜定表分面离传质任方务程所是需膜膜分面离积过和程级的联设计数基础!!