6 膜分离组件及其设计ppt课件

2020/5/9,1,6膜分离组件及其设计,2020/5/9,2,前言,各种膜设备或称膜分离装置主要由膜组件、泵、过滤器、仪表及管路等构成。其中膜组件是一种将膜以某种形式组装在一个基本单元设备内，然后在外界驱动力的作用下实现对混合物中各组分分离的器件。在膜分离工业装置中，根据生产规模的需要，一般可设置数个乃至数千个膜组件。,2020/5/9,3,经验证明，一种性能良好的膜组件应达到以下要求：对膜性能提供足够的机械支撑，并可使高压原料液（气）和低压透过液（气）严格分开；在能耗最小的条件下，使原料液（气）在膜面上流动状态均匀合理，以减少浓差极化；具有尽可能高的装填密度（单位体积的膜组件中填充膜的有效面积），并使膜的安装和更换方便；装置牢固、安全可靠、价格低廉和易维护。,将膜、固定膜的支撑材料、间隔物或管式外壳等组装成的一个单元称为膜组件。膜组件的结构及型式取决于膜的形状,工业上应用的膜组件主要有中空纤维式、管式、螺旋卷式、板框式等四种型式。管式和中空纤维式组件也可以分为内压式和外压式两种。,6.1膜组件(MembraneModule),2020/5/9,5,膜元件(element)：即膜芯膜组件(module)：按一定技术要求将膜(元件)组装在一起的组合构件。,原料以一定组成、一定流速进入膜组件，由于其中某一组分更容易通过膜，所以膜组件内原料的组成和流速均随位置变化。进入膜组件的物流通过膜组件以后分成两股，即渗透物（通过膜的那部分物流）和截留物（被膜所截留的物流）。,2020/5/9,6,管式膜管式(tubes)膜组件毛细管(capillary)膜组件中空纤维(Hollow-Fibers)膜组件,板式膜板框式(Plateandframe)膜组件卷绕式(SpiralWound)膜组件垫套式膜组件,膜组件可以有多种形式，它们均根据两种膜构型设计而成：1）管式构型；2）平板式构型。,2020/5/9,8,所谓圆管式膜是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上一层半透膜而得到的圆管形分离膜，再将一定数量的这种膜管以一定方式联成一体而组成，其外形状极类似于列管式换热器。,一、膜组件的形式之一圆管式,管式(Tubular)膜组件管式膜组件有外压式和内压式两种。对内压式膜组件，膜被直接浇铸在多孔的不锈钢管内或用玻璃纤维增强的塑料管内。加压的料液流从管内流过，透过膜的渗透溶液在管外侧被收集。对外压式膜组件，膜则被浇铸在多孔支撑管外侧面。加压的料液流从管外侧流过，渗透溶液则由管外侧渗透通过膜进入多孔支撑管内。无论是内压式还是外压式，都可以根据需要设计成串联或并联装置。,2020/5/9,11,管式膜特点,优点：流动状态好，流速易控制；安装、拆卸、换膜和维修均较方便；能处理含有悬浮固体的溶液；机械杂质清除比较容易；合适的流动状态可减少浓差极化和污染。缺点：与平板膜比较，管膜的制备条件较难控制；单位体积内有效膜面积小；管口的密封也比较困难。价钱较贵,内压管束式膜组件,2020/5/9,12,管式膜组件构造,2020/5/9,13,英国PCI公司管式膜,2020/5/9,14,Typicaltubularultrafiltrationmoduledesign.,(CourtesyofKOCHMembraneSystems),2020/5/9,15,Explodedviewofatubularultrafiltrationsysteminwhich30tubesareconnectedinseries.Permeatefromeachtubeiscollectedinthepermeatemanifold,2020/5/9,16,Monolithicceramicmicrofilter.Thefeedsolutionpassesdowntheboresofthechannelsformedinaporousceramicblock.Thechannelwallsarecoatedwithafinelyporousceramiclayer,蜂窝陶瓷膜组件横切面图,南京久吾高科公司的陶瓷膜组件,2020/5/9,17,英国PCI公司管式膜设备,厦门Suntar公司管式膜设备,2020/5/9,18,Suntar公司管式膜设备,2020/5/9,19,陶瓷膜,陶瓷管式膜设备(南京久吾高科技公司),陶瓷管式膜实验室设备,陶瓷膜元件,Suntar公司制造的陶瓷膜设备,2020/5/9,20,北京迈胜普公司的陶瓷膜设备(与法国TAM公司合资),2020/5/9,21,管式膜成套设备,乳品工业,废水处理,大型集成设备,2020/5/9,22,Tububarsystemforindustrialwastewater,共544根膜管,2020/5/9,23,管式膜组件大致规格,不同管径下单位体积的膜面积,2020/5/9,24,中空纤维式膜是一种极细的空心膜管，其本身不需要支撑材料即可耐受很高的压力，它实际是一根厚壁的环柱体，纤维的外径有的细如人发，约为50200m，内径为2542m特点：1）可耐高压；2）单位体积内的有效膜表面积比率高；3）寿命较长（可达5年）；4）可做成一种效率高、成本低、体积小和重量轻的膜分离装置；5）不足之处是中空纤维膜的制作技术复杂，管板制作也较困难，同时不能处理含悬浮固体的料液（原水）。,二.膜组件形式之二中空纤维式,中空纤维(HollowFiber)膜组件中空纤维膜组件的最大特点是单位装填膜面积比所有其他组件大，最高可达到30000m2/m3。中空纤维膜组件也分为外压式和内压式。将大量的中空纤维安装在一个管状容器内，中空纤维的一端以环氧树脂与管外壳壁固封制成膜组件。料液从中空纤维组件的一端流人，沿纤维外侧平行于纤维束流动，透过液则渗透通过中空纤维壁进入内腔，然后从纤维在环氧树脂的固封头的开端引出，原液则从膜组件的另一端流出。,2020/5/9,26,(a)Shell-sidefeed,(b)Bore-sidefeed,Twotypesofhollow-fibermodulesusedforgasseparation,2020/5/9,28,Across-flowhollowfibermoduleusedtoobtainbetterflowdistributionandreduceconcentrationpolarization(theTyoboHollosepreverseosmosismodule).Feedentersthroughtheperforatedcentralpipeandflowstowardsthemoduleshell,2020/5/9,29,膜组件外壳,中空纤维MF膜组件,中空纤维UF膜组件,2020/5/9,30,中空纤维膜组件外壳,实验室UF设备(中空纤维膜),2020/5/9,31,大连欧科（OKM）公司中空纤维膜组件,2020/5/9,32,KOCH公司中空纤维膜设备,2020/5/9,33,蓝星公司的超微滤膜装置,2020/5/9,34,西斗门中空纤维膜设备（杭州国家水处理中心）,2020/5/9,35,20th超滤装置,大连欧科（OKM）RO预处理108m3h设备,2020/5/9,36,大连欧科(OKM)300m3/h饮用水设备,欧科公司发酵液澄清UF设备,2020/5/9,37,中空纤维膜分离设备,（69.6m3/h）,（58m3/h）,（1016m3/h）,（23.2m3/h）,2020/5/9,38,三.膜组件的形式之三板框式,板框式也称平板式，它是由许多板和框(plateandframe)堆积组装在一起而得名，其外观类似普通的板框式压滤机(filterpress)。它是膜分离历史上最早问世的一种膜组件形式。,板框式(Plate-and-Frame)膜组件板框式是最早使用的一种膜组件。其设计类似于常规的板框过滤装置，膜被放置在可垫有滤纸的多孔的支撑板上，两块多孔的支撑板叠压在一起形成的料液流道空间，组成一个膜单元，单元与单元之间可并联或串联连接。不同的板框式设计的主要差别在于料液流道的结构上。,特点：比表面积大，易于更换膜，适于微滤、超滤。,2020/5/9,42,板框式膜组件特点,构造比较简单，且可单独更换膜片；可作为试验机，将各种膜样品同时安装在一起进行性能检测；流道的断面积可适当增大，压降较小，线速度可达15m/s，且不易被纤维屑等异物堵塞；为促进膜组件内的湍流效果，不少厂家将原液导流板的表面设计成各式凹凸或波纹结构或在膜面配置筛网等物。,2020/5/9,43,板框式膜组件类型,系紧螺栓式耐压容器式DDS型（由丹麦的DDSDeDanskeSukkerfabrikker公司首创，在欧洲很流行。）,2020/5/9,44,系紧螺栓式板框式膜组件,DDS公司的UF膜组件,2020/5/9,45,Schematicofaplate-and-framemodule,2020/5/9,46,板框式膜组件流道示意图,曲折流道示意图,2020/5/9,47,美国下游技术有限公司UltraFloTM超滤设备,这种板框式UF设备，每台设备膜面积可达42m2，由Suntar公司独家引进，广泛用于Vc生产过程中。,2020/5/9,48,UltraFloTM超滤设备,2020/5/9,49,HorizontalDDSplate-and-frameultrafiltrationsystem.CourtesyofAlfaLavalNakskovA/S,Naksvov,Denmark,2020/5/9,50,螺旋卷式(简称卷式)膜组件的结构是由中间为多孔支撑材料，两边是膜的“双层结构”装配组成的。其中三个边沿被密封而粘结成膜袋状，另一个开放的边沿与一根多孔中心产品水(液)收集管连接，在膜袋外部的原水侧再垫一层网眼型间隔材料（隔网），也就是把膜多孔支撑体膜原水侧隔网依次叠合，绕中心集水管紧密地卷在一起，形成一个膜元件，再装进圆柱型压力容器里，构成一个螺旋卷式膜组件。,四.膜组件形式之四螺旋卷式,螺旋卷式(SpiralWound)膜组件目前，螺旋卷式膜组件被广泛地应用于多种膜分离过程。膜、料液通道网、以及多孔的膜支撑体等通过适当的方式被组合在一起，然后将其装入能承受压力的外壳中制成膜组件。通过改变料液和过滤液流动通道的形式，这类膜组件的内部结构也可被设计成多种不同的形式。,2020/5/9,52,螺旋卷式膜组件特点,结构紧凑，单位体积内的有效面积大（8301660m2/m3）缺点是当原液中含有悬浮固体时使用有困难；透过侧的支撑材料较难满足要求，不易密封，同时膜组件的制作工艺复杂、要求高，尤其是用于高压操作时难度更大。,2020/5/9,54,2020/5/9,55,2020/5/9,56,卷式膜“包层”横截面图,装有3个串联的卷式膜组件的压力容器示意图,2020/5/9,57,Spiral-WoundModuleCrossSection,2020/5/9,58,Schematicofaspiral-woundmoduleinstalledinamultimodulepressurevessel.,2020/5/9,59,各种规格的卷式膜元件,2020/5/9,60,用于苦咸水脱盐的RO膜元件,Toray公司的AMI海水淡化膜,2020/5/9,61,PESandPVDFmembranesspirals,卷式UF膜元件,2020/5/9,62,OSMONICS公司的卷式膜元件,Desal公司的RO膜元件,NTR70SWC型卷式RO海水淡化膜,Filmtec公司的海水淡化膜,各种膜组件的传质特性和综合性能比较：,2020/5/9,64,五、特殊膜组件,1。旋转式膜组件2。振动式膜组件3。毛细管膜组件,2020/5/9,65,毛细管膜组件,毛细管膜组件是将很多的毛细管安装在一个膜组件中。纤维的自由端用环氧树脂、聚氨酯或硅橡胶封装。毛细管膜是自支撑的。膜组件的安装方式有2种：1）原料液流经毛细管孔膛（内腔），而在毛细管外侧收集得到渗透物；2）原料液从毛细管外侧（外腔）进入膜组件，而渗透物通过毛细管孔膛。这两种方式的选择主要取决于具体应用场合，要考虑到压力、压降、膜的种类等因素。,2020/5/9,66,毛细管膜组件,从内向外流动式,从外向内流动式,毛细管膜组件示意图,2020/5/9,67,六、国际上反渗透膜主要生产厂家,目前国外反渗透膜的主要生产厂商均为美国和日本公司，其中美国杜邦(Dupont)公司和日本东洋纺(Toyobo)公司垄断了中空纤维反渗透膜的世界市场。卷式反渗透膜的主要厂商为7家，他们是：美国海德能(Hydranautics)公司，该公司于1987年成为日本日东工集团的全资子公司日本日东电工(NittoDenko)集团美国Filmtec公司，该公司于1985年成为美国DowChemcal(陶氏化学)公司的全资子公司美国Fluidsystem公司，该公司现为美国KOCH公司的子公司日本东丽(Toray)公司美国Desal公司，该公司现为美国Osmonics公司的子公司美国Trisep公司,2020/5/9,68,沧州化学公司4500t/d苦咸水淡化装置,长海县海水淡化二期工程,大连长海县海水淡化厂,苦咸水通常指含盐量低于5000mg/L的天然水、地表水和井水海水指含盐量高于5000mg/L的水,2020/5/9,69,厦门Suntar的反渗透设备,2020/5/9,70,新加坡LFC膜海水淡化厂现场照片,2020/5/9,71,Hydranautics(海德能公司）膜法水处理设备,2020/5/9,72,2020/5/9,73,Brackishwater(苦咸水)desalinationtoremovesaltandimpurities.,2020/5/9,74,2020/5/9,75,Skid-mountedreverseosmosisplantabletoproduce700000gal/dayofdesaltedwater.,1加仑(英)=4.546升1加仑(美)=3.785升,2020/5/9,76,2020/5/9,77,发酵液膜法处理设备,2020/5/9,78,用于海洋平台的产氮装置,2020/5/9,79,Mobilenitrogengenerator(可移动的产氮膜装置)(UsedwithpermissionofCvBCompany.),2020/5/9,80,农夫山泉瓶装饮用水全自动处理设备,日东电工公司膜设备,旭日升集团饮料工艺用水生产线.,Trisep公司RO设备(制纯水),电厂工艺用水生产线.,2020/5/9,81,蓝星公司的RO装置,2020/5/9,82,1000t/d镍回收系统,UF+RO,2020/5/9,83,各种膜组件的优、缺点和应用领域,2020/5/9,84,各种膜组件的定性比较,6.2浓差极化、污染现象和控制,浓差极化,在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为浓度极化或浓差极化(concentrationpolarization)。,浓差极化特性,它是一个可逆过程。只有在膜过程运行中产生存在，停止运行，浓差极化逐渐消失。它与操作条件相关，可通过降低膜两侧压差，减小料液中溶质浓度，改善膜面流体力学条件，来减轻浓差极化程度，提高膜的透过流量。,膜两侧溶液间的传递方程,浓差极化模型(concen-trationpolarization）适应范围：反渗透、超滤和微滤。定义：在膜分离操作中，所有溶质均被透过液传送到膜表面，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，见图。这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象谓之浓度极化或浓差极化)。,膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。当分离含有菌体、细胞或其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象称为凝胶极化（gelpolarization）,凝胶极化模型：膜表面附近浓度升高，增大了膜两侧的渗透压差，使有效压差减小，透过通量降低。当膜表面附近的浓度超过溶质的溶解度时，溶质会析出，形成凝胶层。即使分离含有菌体、细胞和其他固形成分的料液时，也会在膜表面形成凝胶层。这种现象谓之凝胶极化(gelpolarization)。,影响膜过滤的各种因素,压力A、当p小,无浓度极化层,Jv与p成正比,此时用：B、当p大,有浓差极化,Jv的增长速率减慢,此时用C、当p继续增加时，形成凝胶层，且厚度随压力的增大而增大，所以Jv不再随p的增加。此时的Jv为此流速下的极限值(Jlim)，用方程：D、Jlim随料液浓度而，随流速(搅拌速度)而。,料液浓度A、从方程知，Jv与-ln(cb-cp)呈线形关系，随cb的增大而减小。实验证实这一结论。B、当cb=cg时，Jv=0，利用稳态操作的条件下的Jv与cb的关系数据，可推算溶质形成凝胶层浓度cgC、当料液含有多种蛋白质时，与单组分相比，总蛋白质浓度升高；因此，透过通量下降。从另一角度来看，由于其他蛋白质的共存使蛋白质的截留率上升。,温度温度升高，都会导致通量增大，因为温度升高使粘度降低和扩散系数增大。所以操作温度的选择原则是：在不影响料液和膜的稳定性范围内，尽量选择较高的温度。流速增大流速可使通量增大，但有时会使一些蛋白受较大剪切力影响而失活。,膜的污染和清洗,膜污染(membranefouling)-最大问题原因：A、凝胶极化引起的凝胶层，阻力为Rg；B、溶质在膜表面的吸附层，阻力为Ras；C、膜孔堵塞，阻力为Rp；D、膜孔内溶质吸附，阻力为Rap；因此，透过通量方程：可见，膜污染不仅造成透过通量大幅度，而且影响产物的回收率。,膜分离过程中遇到的最大问题是膜污染（membranefouli