6 膜分离组件及其设计

2020/3/616膜分离组件及其设计2020/3/62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。2020/3/63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)2020/3/65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）。膜上游原料液渗透液截留液膜下游膜组件(module)2020/3/66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。2020/3/68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。2020/3/611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2020/3/612管式膜组件构造2020/3/613英国PCI公司管式膜2020/3/614Typicaltubularultrafiltrationmoduledesign.(CourtesyofKOCHMembraneSystems)2020/3/615Explodedviewofatubularultrafiltrationsysteminwhich30tubesareconnectedinseries.Permeatefromeachtubeiscollectedinthepermeatemanifold2020/3/616Monolithicceramicmicrofilter.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2020/3/617英国PCI公司管式膜设备厦门Suntar公司管式膜设备2020/3/618Suntar公司管式膜设备2020/3/619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2020/3/620北京迈胜普公司的陶瓷膜设备(与法国TAM公司合资)2020/3/621乳品工业废水处理大型集成设备2020/3/622Tububarsystemforindustrialwastewater共544根膜管2020/3/623管式膜组件大致规格构型直径/mm管状膜＞10毛细管0.5~10.0中空纤维＜0.5不同管径下单位体积的膜面积管半径/mm单位体积膜面积/m2/m353600.53,6000.0536,0002020/3/624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50~200μm，内径为25~42μm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。2020/3/626(a)Shell-sidefeed(b)Bore-sidefeedTwotypesofhollow-fibermodulesusedforgasseparation,2020/3/628Across-flowhollowfibermoduleusedtoobtainbetterflowdistributionandreduceconcentrationpolarization(theTyoboHollosepreverseosmosismodule).Feedentersthroughtheperforatedcentralpipeandflowstowardsthemoduleshell2020/3/629膜组件外壳中空纤维MF膜组件中空纤维UF膜组件2020/3/630中空纤维膜组件外壳实验室UF设备(中空纤维膜)2020/3/631大连欧科（OKM）公司中空纤维膜组件2020/3/632KOCH公司中空纤维膜设备2020/3/633蓝星公司的超微滤膜装置2020/3/634西斗门中空纤维膜设备（杭州国家水处理中心）2020/3/63520t／h超滤装置大连欧科（OKM）RO预处理108m3／h设备2020/3/636大连欧科(OKM)300m3/h饮用水设备欧科公司发酵液澄清UF设备2020/3/637中空纤维膜分离设备（6～9.6m3/h）（5～8m3/h）（10～16m3/h）（2～3.2m3/h）2020/3/638三.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。2020/3/642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1~5m/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。2020/3/643板框式膜组件类型系紧螺栓式耐压容器式DDS型（由丹麦的DDS[DeDanskeSukkerfabrikker]公司首创，在欧洲很流行。）2020/3/644系紧螺栓式板框式膜组件DDS公司的UF膜组件2020/3/645Schematicofaplate-and-framemodule2020/3/646板框式膜组件流道示意图曲折流道示意图2020/3/647美国下游技术有限公司Ultra－FloTM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。2020/3/648Ultra－FloTM超滤设备2020/3/649HorizontalDDSplate-and-frameultrafiltrationsystem.CourtesyofAlfaLavalNakskovA/S,Naksvov,Denmark2020/3/650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。2020/3/652螺旋卷式膜组件特点结构紧凑，单位体积内的有效面积大（830~1660m2/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。2020/3/6542020/3/6552020/3/656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2020/3/657Spiral-WoundModuleCrossSection2020/3/658Schematicofaspiral-woundmoduleinstalledinamultimodulepressurevessel.2020/3/659各种规格的卷式膜元件2020/3/660用于苦咸水脱盐的RO膜元件Toray公司的AMI海水淡化膜2020/3/661PESandPVDFmembranesspirals卷式UF膜元件2020/3/662OSMONICS公司的卷式膜元件Desal公司的RO膜元件NTR70－SWC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：2020/3/664五、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2020/3/665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