膜分離工程第十二章膜器和膜過程設(shè)計

膜分離工程第十二章膜器和膜過程設(shè)計回顧化工設(shè)計化工過程設(shè)計的目標及內(nèi)容美國國家顧問團在其“化學工程的新領(lǐng)域”著作中，簡明闡述了化工過程設(shè)計的主要目標：確定最佳流程及最佳操作條件，達到最優(yōu)投入產(chǎn)出比。在定量計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家的經(jīng)驗，考慮安全、健康、環(huán)保(S.H.E)的因素，確定出一個綜合的設(shè)計方案。化工過程設(shè)計的內(nèi)容：其基本核心內(nèi)容是化工工藝設(shè)計，其附帶內(nèi)容是針對化工工藝設(shè)計，對它的配套部分如公用工程、外管設(shè)計等進行深入設(shè)計和完善。第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天化工工藝設(shè)計的內(nèi)容與步驟第一步：流程組織（過程合成）第二步：物料衡算及熱量衡算第三步：設(shè)備設(shè)計及選型第四步：PFD圖及PID圖的設(shè)計與繪制第五步：車間流程的平立面布置設(shè)計第六步：主要材料表及概（預）算（工藝部分）第七步：對流程的技術(shù)經(jīng)濟分析第八步：編寫工藝設(shè)計說明書內(nèi)循環(huán)優(yōu)化外循環(huán)優(yōu)化工藝設(shè)計不是一蹴而就的，要做許多回合的優(yōu)化調(diào)整。第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天物料衡算與熱量衡算物料衡算（MaterialBalance），簡稱“MB”熱量衡算（HeatBalance），簡稱“HB”能量衡算（EnergyBalance），簡稱“EB”物料衡算與能量衡算的聯(lián)立計算（CombinedBalance），簡稱“CB”MB與HB計算是化工工藝設(shè)計中最基本，也是最主要的計算內(nèi)容。作業(yè)（平時成績）：歸納總結(jié)列出物料恒算、熱量恒算基本方程，基本知識要點第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天設(shè)計任務

產(chǎn)量，進料液組成，餾出液組成設(shè)計內(nèi)容塔設(shè)備尺寸，塔板數(shù)，板間距，管路，泵，冷凝器，再沸器。。。。。。有關(guān)計算物料衡算，熱量衡算，傳質(zhì)方程。。。。。。以精餾為例第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜過程流程圖第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜過程設(shè)計內(nèi)容膜組件-設(shè)備設(shè)計整個流程-工藝設(shè)計非工藝設(shè)計膜過程設(shè)計相當于工藝流程的設(shè)計膜器設(shè)計相當于化工設(shè)備設(shè)計非工藝設(shè)計第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜過程設(shè)計層次通常將膜過程開發(fā)分為四個層次：膜單元膜器（膜組件）膜器組合總的工藝過程第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天設(shè)計內(nèi)容設(shè)計任務

原料液的處理量、截留率等

設(shè)計內(nèi)容1.膜種類2.選擇合適的膜器，膜器面積、類型，膜器排列方式，所需膜器數(shù)，膜器排列，流體走向，膜器材質(zhì)，管路，泵功率，工藝參數(shù)，膜的清洗，以及成本核算等。3.前處理工藝，后處理工藝

第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天設(shè)計中考慮的因素膜分離過程的設(shè)計，要考慮（1）通過膜的傳遞性質(zhì)，而且要考慮濃差極化和壓力損失對組件操作的影響；（2）要考慮過程中溫降（比如氣體分離J-T[焦耳-湯姆遜]效應過程）（3）膜組件的形式、排列、流體流向以及每種膜分離過程所具有的特征

第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天通常根據(jù)膜過程和分離體系的特性選擇合適形式的膜組件；然后根據(jù)膜內(nèi)、膜表面的傳質(zhì)方程及濃度、流速、壓力、溫度沿膜面分布的微分方程組求解膜分離性能(如分離因子、滲透流率、回收率等)與膜組件幾何尺寸的關(guān)系，以對組件的幾何結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；同時求得完成一定分離任務所需膜面積和級聯(lián)數(shù)

設(shè)計基礎(chǔ)是什么？膜內(nèi)傳質(zhì)方程和膜表面?zhèn)髻|(zhì)方程是膜分離過程的設(shè)計基礎(chǔ)!!第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜器(分離單元)------裝置的核心部件一系列膜器以串聯(lián)或并聯(lián)方式連在一起構(gòu)成級;過程設(shè)計的任務-----將膜器適當組合，以最低制作成本體現(xiàn)一種最優(yōu)設(shè)計;工程師需要知道的若干知識第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天所有膜過程工藝的核心是膜本身、以及在膜上和膜中發(fā)生的局部傳遞過程。對于膜組件來說，還必須考慮場量(例如濃度等參數(shù))沿工藝流程段的變化情況，在膜裝置中要對膜組件進行組合連接。最后，在總工藝過程的情況下，就必須考慮膜裝置與其它配套分離設(shè)施之間的最佳耦合濃度(前處理后處理工藝)。工程師需要知道的若干知識第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天從經(jīng)濟的觀點來看，以下兩個特征對于所有的膜過程都是至關(guān)重要的：

①膜的選擇性，即將混合物中的組分分離開來的能力，例如，將醇和水分離開來，或?qū)Ⅺ}離子和水分離開來；

②膜的效率(生產(chǎn)能力)，即在一定的操作條件下可達到的滲透物通量。上述兩個特征參數(shù)中．相對而言，效率是第二位的。因為在一定的范圍內(nèi)，低的效率可以通過加大膜面積來平衡；但如果選擇性較低的話，則會導致需要多級的過程?！闱闆r下，這樣處理與大多數(shù)現(xiàn)行的其他分離工藝相比較是沒有競爭能力的。工程師需要知道的若干知識第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天利用膜的選擇性和分離任務的不同，希望得到的產(chǎn)物既可以是滯留物的形式、也可以是滲透物的形式。O2/N2工程師需要知道的若干知識第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜的通量和選擇性都是局部參數(shù)。一般情況下，這此參數(shù)在工程化裝置(膜組件)中沿膜會有明顯的變化。例如：三端頭組件的分離原理。工程師需要知道的若干知識在這里，進料流體被分離成兩股不同組成的物料：一股為滯留物，另一股為滲透物。從圖可以清楚地看出，進料中難滲透(被截留)組分的濃度沿組件隨膜面積的增大而增大。因此．就會引起這樣的結(jié)果；即使膜的局部選擇性是恒定的，難滲透組分在滲透邊產(chǎn)生的局部濃度也會有相應的上升，而在滲透口出處，滲透物的濃度為平均濃度。第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

通量和選擇性又是由膜中的質(zhì)量傳遞過程決定的。目前普遍認為，主要有兩種不同的機理支配著膜中的質(zhì)量傳遞和滲透過程：①通過微孔的傳遞—在最簡單的情況下是單純的對流傳遞：②基于擴散的傳遞—要傳遞的組分首先必須被溶解在膜相中。因此，理想化的處理，可以把膜看作為單純的多孔膜或單純的溶解—擴散膜(致密膜)。但是，這里必須強調(diào)指出，在實際的膜過程中，這兩種基本的傳遞機理完全可以同時出現(xiàn)。工程師需要知道的若干知識第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天如果只考慮膜本身的質(zhì)量傳遞，在溶解-擴散-膜的情況下，就是只考慮活性層中的質(zhì)量傳遞，則膜過程的效率往往會被過高估計。除了膜本身的傳遞阻力之外，還有下列因素在膜過程設(shè)計中具有重要意義：①進料邊和滲透邊的壓力損失（推動力損失）；②濃差極化；③多孔支撐層的傳遞阻力；④對于滲透汽化過程還要考慮傳熱過程。膜上的傳遞阻力

第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天哪些傳遞阻力起主導作用，取決于推動力是如何產(chǎn)生的：物態(tài)和壓力等級起著決定性作用。為此，用針對推動力導出的關(guān)系式來進行討論是很適合的，這些關(guān)系式指出了在具體的膜過程中哪些傳遞阻力起著主導作用?？梢钥闯觯w系的壓力損失會明顯導致推動力降低，特別是在以部分真空形式實現(xiàn)推動力的膜過程中，即使是很小的壓力損失也會因其推動力的大幅度下降。膜上的傳遞阻力

第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜內(nèi)傳質(zhì)過程在對組件和過程進行設(shè)計、優(yōu)化以及將膜過程與其它傳統(tǒng)工藝過程進行經(jīng)濟性比較時的工作中，用數(shù)學模型來進行關(guān)聯(lián)是必不可少的，所有裝置設(shè)計和過程模擬都是以質(zhì)量、物料（特定組分）、動量和能量的守恒方程為基礎(chǔ)的。傳質(zhì)過程的模擬

這些守恒方程必須以微分形式來表達，因為過程中的重要參數(shù)，如濃度、物料流量、溫度（對于滲透汽化過程）沿膜段是發(fā)生變化的。第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

但是，平衡方程單獨還不能進行計算。還必須附加某些不僅可以定性而且可以精確定量的描述膜中傳質(zhì)過程的關(guān)聯(lián)式。這樣的關(guān)系式描述了有關(guān)組分通過膜的傳質(zhì)方程與操作條件的依賴關(guān)系：即作為沿組件而變化的體系內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)（溫度、壓力、濃度）和外部狀態(tài)函數(shù)（比如溢流速度）。然而，對于通過膜的傳質(zhì)過程進行數(shù)學描述是非常困難的，主要是由于在所有相關(guān)組分之間（包括膜基質(zhì)在內(nèi)）存在很多相互作用影響，這些相互影響導致了明顯的非理想型和偶聯(lián)效應。。傳質(zhì)過程的模擬

第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天對于工程技術(shù)目的來說，有以下兩種模擬方法可供選用：（1）對于實際體系（混合物和膜）進行的大量實驗作回歸分析，這種分析覆蓋了整個感新區(qū)的范圍；傳質(zhì)過程的模擬

第一種方法將體系看成是一種“黑匣子”，這樣處理雖然很簡單，然而卻含有缺點：為了得到可靠的評估結(jié)論，必需要有非常緊密的試驗網(wǎng)點。此外，由于參數(shù)絲毫沒有物理意義，所以在測試點之外的范圍進行外推，是很冒險的。第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天對于工程技術(shù)目的來說，有以下兩種模擬方法可供選用：（2）用實際體系（混合物和膜）進行試驗，但與適宜的模型概念進行關(guān)聯(lián)，這種模型應該包含過程中出現(xiàn)的各種重要的物理-化學現(xiàn)象。傳質(zhì)過程的模擬

第二種方法則更強調(diào)從物理意義上理解分離過程，同時該法在其他的方面也有突出的優(yōu)點。比如，確定模型參數(shù)所必需的實驗數(shù)目明顯少于回歸分析法，更重要的是，外推所冒的風險要小很多，因為對測試點之外范圍的分離過程的描述，從定性上來說是正確的。對于工程技術(shù)設(shè)計來說，半經(jīng)驗性的模型證明是很適用的，這種模型以用實際體系進行的滲透實驗為基礎(chǔ)，同時吸收了具有物理化學背景的理想化模型概念。第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天傳質(zhì)過程的模擬

不對稱膜必須“一層一層地”來研究，例如，可將不對稱膜看作為由溶解-擴散膜和多孔膜一層一層組合而成的，相互連接的隔膜。理想化模型有很多，比如孔模型、溶解-擴散模型、細孔毛細管模型等，詳見有關(guān)專著。第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜組件的選擇第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜組件的選擇所有膜裝置的核心部分都是膜組件，即按一定技術(shù)要求將膜組裝在一起的組合構(gòu)件。在開發(fā)膜組件的過程中，必須考慮以下幾個基本要求（其中有部分是相互矛盾的）：●適量均勻的溢流（無靜水區(qū)）●具有良好的機械穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性●裝填密度大●制造成本低●易于清洗●更換膜的成本盡可能的低●壓力損失小第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜組件的選擇膜組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須遵循上述要求，但考慮到使用目的的不同，設(shè)計時的側(cè)重面也就不同，所以在市場上可以買到一系列完全不同設(shè)計類型的膜組件。如果從結(jié)構(gòu)單元來看，可以將膜組件分為兩種構(gòu)造類型與六種結(jié)構(gòu)形式第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天板框式膜器膜器裝填密度：100-400m2/m3膜組件的選擇優(yōu)點可更換膜片不易污染平板膜無需粘合劑即可使用缺點需要很多密封由于流體的流向轉(zhuǎn)折而造成較大的壓力損失裝填密度較小

100～400m2/m3應用領(lǐng)域UF,MF,RO,PV,ED,MD第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天板框式膜器膜組件的選擇板框式膜組件流道示意圖第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天卷式膜器膜器裝填密度：300-1000m2/m3膜組件的選擇優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉

裝填密度高300～1000m2/m3由于有物料分隔板，物料交換效果好缺點滲透邊的流動路徑較長難清洗膜必須是可焊接或可粘貼的應用領(lǐng)域

RO,NF，PV,GP第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天管狀膜器裝填密度高不能自支撐，裝填密度低膜組件的選擇特征Di=6~25mm>10進料流體走管內(nèi)有支撐管優(yōu)點湍流流動，對堵塞不敏感易于清洗膜組件中的壓力損失小缺點裝填密度小<300m2/m3造價高應用領(lǐng)域MF，UF,RO蜂窩陶瓷膜組件第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天毛細管膜器膜組件的選擇特征Di=0.5~6mm膜管直徑進料流體可走管內(nèi)和管外自支撐優(yōu)點裝填密度高600～1200m2/m3，介于管式、中空纖維之間制造費用低缺點大多數(shù)條件下為層流（物料交換性能差）抗壓強度較小應用領(lǐng)域MF，GP，PV毛細管膜組件與中空纖維膜組件的形式相同，其差異僅在于膜的規(guī)格不同。第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天中空纖維膜器膜組件的選擇特征Di=0.04~0.5mm進料流體可走管內(nèi)和管外自支撐優(yōu)點裝填密度很高1200～30000m2/m3制造費用低耐壓穩(wěn)定性好缺點對堵塞很敏感應用領(lǐng)域GP，RO第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天中空纖維膜器適用場合-原料比較干凈（氣體分離、海水淡化----需預處理）膜組件的選擇第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天新膜器開發(fā)-最大限度減少污染和濃差極化改變流道形狀（橫向流代替切向流-強化傳質(zhì)）第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天各種膜器對不同工藝過程的適用性盡管各種膜器的造價相差很多，但各自有各自的用途。雖然管式膜器是最昂貴的一種構(gòu)型，但它特別適用于高污染的體系，因為這種膜器便于控制和清洗。相反，中空纖維膜器很容易污染且清洗困難。對于中空纖維膜器，原料的預處理非常關(guān)鍵。第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜器的選擇例：滲透汽化膜過程若采用中空纖維膜，其直徑應適當粗若采用卷式，則透過側(cè)流道應比較寬第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天需要知道的常識第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天滲透汽化過程要盡量減少透過側(cè)的阻力，透過側(cè)應該有較大的空間需要知道的常識發(fā)展的眼光看問題第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜組件設(shè)計與優(yōu)化的原則

對于膜組件的設(shè)計和優(yōu)化來說，只考慮局部傳質(zhì)特性是不夠的，這是由于受以下因素的影響：●跨膜的物料傳遞●進料邊及滲透邊流動狀況必需考慮的新的著眼點是組件中的場量（如質(zhì)量通量，濃度，壓力，在某些情況下還有溫度）會沿進料和滲透物流動方向連續(xù)地發(fā)生變化。表中列出了這些重要的參數(shù)和計算所需的衡算關(guān)系。為了進行組件計算，必需針對進料邊和滲透邊的狀態(tài)以微分形式建立衡算式，并且結(jié)合局部有效的傳遞關(guān)系式根據(jù)實際的邊界條件來求解。第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天膜組件設(shè)計與優(yōu)化的原則

在討論組件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常首先應注意的幾個要點問題：（1）組件中的流體流動導向（2）進料邊或者滲透邊的軸向返混（3）進料邊或者滲透邊的壓力損失。第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天組件中的流體流動導向?qū)τ谀承┙M件類型，構(gòu)造形式就規(guī)定了流體的流動導向。例如，在卷繞式膜組件中經(jīng)常為交叉流形式；而對于另外一些組件類型，流動形式是可以自由選擇的。例如，毛細管膜組件和空心纖維膜組件可以任選并流、逆流或交叉流形式進行操作。理論上來說，在工程化的膜組件中可以有五種不同形式的流體流動導向

。第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天組件中的流體流動導向圖中定義的流體流動形式顯然只是理想化的極端情形。實際上會出現(xiàn)混合形式，而且是由于實際組件的結(jié)構(gòu)偏離理想幾何結(jié)構(gòu)引起的。在熱交換器中，原則上來說，逆流形式要優(yōu)于其他的流動形式；但在膜組件中，因為是濃度和壓力決定推動力，所以逆流形式不一定是最好的！第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天概括起來，對于膜組件的設(shè)計和工藝優(yōu)化來說，考慮以下的方程和假設(shè)條件就足夠了：●進料邊和滲透物邊的質(zhì)量和物料平衡●滲透物邊的壓力損失特性●進料邊的濃差極化●膜的特性●局部的滲透物特性符合“自由流出”情況下的滲透物特性。第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天組件的優(yōu)化，目標函數(shù)在進行膜組件的優(yōu)化設(shè)計時還要求從經(jīng)濟的觀點考慮問題。例如，應該考慮下列各項費用：●膜材料和間隔材料(膜基材料)●制造膜組件需要的其他材料（密封材料，耐壓管，粘合材料等等）●工藝步驟（例如纖維管束的粘合）●膜組件的套管固定●膜的更換●裝置的操作（例如泵功）氣體與滲透汽化。第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天組件的優(yōu)化，目標函數(shù)

首先，必須選出一個目標參數(shù)。多數(shù)情況下這種目標參數(shù)是要使產(chǎn)品費用降到最低，但在實際工作中，常常并不是以這種復雜的“使產(chǎn)品費用降到最低”為目標函數(shù)，而是選擇某些較簡單的目標函數(shù)（如使能量降到最低，或使所需的膜表面積降到最低，或使所需的空間降到最低），這樣處理往往已足以達到要求。接著，必須注明可變的優(yōu)化參數(shù)（例如幾何結(jié)構(gòu)，壓力，溫度），并預先確定變化范圍。由此便確定了問題的邊界條件（例如最小和最大的壓力和溫度）。最后，必須用適宜的方法對所形成的方程組進行解答。

第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天裝置設(shè)計、組件的排布與連接第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天在大多數(shù)情況下，要圓滿解決一個分離任務，常常需要聯(lián)合使用好幾個膜組件，如果要使產(chǎn)品質(zhì)量嚴格達到要求；或是既要求有高的產(chǎn)品質(zhì)量，同時又要達到高的收率，就必須要設(shè)計多級的裝置。無論一個過程有多少級數(shù)，對于每一級來說都應弄清楚，是將所需的膜組件按串聯(lián)形式排布，還是按并聯(lián)形式排布？第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天并聯(lián)連接法和串聯(lián)連接法（一級多段）只要在有兩套膜組件的情況下，就必須作出決定，是要將膜組件按串聯(lián)方式連接，還是按并聯(lián)方式連接。在有多個膜組件的情況下，也可以將串聯(lián)連接方式和并聯(lián)連接方式組合起來。在串聯(lián)連接的情況下，所有的進料流體依次流經(jīng)全部膜組件，而并聯(lián)排布的膜組件則要對原料流體進行分配。如果可以忽略壓力損失和濃差極化效應的話，就分離結(jié)果而言，這兩種連接方式是等值的。第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天超/微濾系統(tǒng)工藝流程——多級第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天并聯(lián)連接法和串聯(lián)連接法但是，根據(jù)分離任務的不同和膜組件效率的差異，就會提出這樣的問題：應該以多少數(shù)目的組件來進行并聯(lián)或者串聯(lián)連接？

第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天單級內(nèi)的組件排布（1）

首先，根據(jù)進料的入口通量將適當數(shù)目的膜組件并聯(lián)連接成一個組塊，原則應使進料通量不超越所使用的膜組件的上限值，但盡可能地大些。由于后續(xù)組塊的進料通量總是依次遞減的（減去滲透物的通量），所以在大多數(shù)情況下，后續(xù)組塊中要并聯(lián)連接的組塊數(shù)目也相應減少，以使流過組件的通量保持穩(wěn)定。這樣的處理方法導致了所謂的“杉樹（圣誕樹）結(jié)構(gòu)”，在用于海水淡化的RO-裝置中就經(jīng)常采用這種結(jié)構(gòu)。“杉樹結(jié)構(gòu)”的膜組件排布第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天上面描述的膜組件排布法也可以被組合在一套裝置中。經(jīng)常采用的辦法是，在按“杉樹結(jié)構(gòu)”排布的裝置的最后組塊中安排一個再循環(huán)泵，以確保給這個膜組件提供足夠的進料通量。第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第一套裝置由杉樹結(jié)構(gòu)組成，采用了五個組塊。共有68個膜組件，其相應的膜面積為441㎡，滯留物的濃度為5.04w.﹪,而平均滲透物濃度達到0.128w.﹪。第二套裝置總共用了108個膜組件（相應于702㎡膜面積）才達到相當?shù)臏粑餄舛取４送?，平均滲透物濃度比第一種裝置的結(jié)果要高出一倍。杉樹的優(yōu)勢第54頁,共64頁，2024年