膜分离工程第十二章膜器和膜过程设计

膜分离工程第十二章膜器和膜过程设计第一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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：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。第二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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内循环优化外循环优化工艺设计不是一蹴而就的，要做许多回合的优化调整。第三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二物料衡算与热量衡算物料衡算（MaterialBalance），简称“MB”热量衡算（HeatBalance），简称“HB”能量衡算（EnergyBalance），简称“EB”物料衡算与能量衡算的联立计算（CombinedBalance），简称“CB”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，基本知识要点第四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计任务

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。。。。。。以精馏为例第五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜过程流程图第六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜过程设计内容膜组件-设备设计整个流程-工艺设计非工艺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第七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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第八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二设计内容设计任务

原料液的处理量、截留率等

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

第九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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

第十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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；同时求得完成一定分离任务所需膜面积和级联数

设计基础是什么？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!!第十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜器(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第十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。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第十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二从经济的观点来看，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第十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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第十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。工程师需要知道的若干知识在这里，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。第十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二

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。工程师需要知道的若干知识第十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。膜上的传递阻力

第十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。膜上的传递阻力

第十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。传质过程的模拟

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。第二十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二

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

第二十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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；传质过程的模拟

第一种方法将体系看成是一种“黑匣子”，这样处理虽然很简单，然而却含有缺点：为了得到可靠的评估结论，必需要有非常紧密的试验网点。此外，由于参数丝毫没有物理意义，所以在测试点之外的范围进行外推，是很冒险的。第二十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二对于工程技术目的来说，有以下两种模拟方法可供选用：（2）用实际体系（混合物和膜）进行试验，但与适宜的模型概念进行关联，这种模型应该包含过程中出现的各种重要的物理-化学现象。传质过程的模拟

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。第二十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二传质过程的模拟

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。第二十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜组件的选择第二十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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●压力损失小第二十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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第二十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二板框式膜器膜器装填密度：100-400m2/m3膜组件的选择优点可更换膜片不易污染平板膜无需粘合剂即可使用缺点需要很多密封由于流体的流向转折而造成较大的压力损失装填密度较小

100～400m2/m3应用领域UF,MF,RO,PV,ED,MD第二十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二板框式膜器膜组件的选择板框式膜组件流道示意图第二十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二卷式膜器膜器装填密度：300-1000m2/m3膜组件的选择优点结构简单，造价低廉

装填密度高300～1000m2/m3由于有物料分隔板，物料交换效果好缺点渗透边的流动路径较长难清洗膜必须是可焊接或可粘贴的应用领域

RO,NF，PV,GP第三十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二管状膜器装填密度高不能自支撑，装填密度低膜组件的选择特征Di=6~25mm>10进料流体走管内有支撑管优点湍流流动，对堵塞不敏感易于清洗膜组件中的压力损失小缺点装填密度小<300m2/m3造价高应用领域MF，UF,RO蜂窝陶瓷膜组件第三十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二毛细管膜器膜组件的选择特征Di=0.5~6mm膜管直径进料流体可走管内和管外自支撑优点装填密度高600～1200m2/m3，介于管式、中空纤维之间制造费用低缺点大多数条件下为层流（物料交换性能差）抗压强度较小应用领域MF，GP，PV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。第三十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二中空纤维膜器膜组件的选择特征Di=0.04~0.5mm进料流体可走管内和管外自支撑优点装填密度很高1200～30000m2/m3制造费用低耐压稳定性好缺点对堵塞很敏感应用领域GP，RO第三十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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）膜组件的选择第三十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二新膜器开发-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）第三十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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，原料的预处理非常关键。第三十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜器的选择例：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第三十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二需要知道的常识第三十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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需要知道的常识发展的眼光看问题第三十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二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。为了进行组件计算，必需针对进料边和渗透边的状态以微分形式建立衡算式，并且结合局部有效的传递关系式根据实际的边界条件来求解。第四十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二膜组件设计与优化的原则

在讨论组件结构设计时，通常首先应注意的几个要点问题：（1）组件中的流体流动导向（2）进料边或者渗透边的轴向返混（3）进料边或者渗透边的压力损失。第四十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二组件中的流体流动导向对于某些组件类型，构造形式就规定了流体的流动导向。例如，在卷绕式膜组件中经常为交叉流形式；而对于另外一些组件类型，流动形式是可以自由选择的。例如，毛细管膜组件和空心纤维膜组件可以任选并流、逆流或交叉流形式进行操作。理论上来说，在工程化的膜组件中可以有五种不同形式的流体流动导向

。第四十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二组件中的流体流动导向图中定义的流体流动形式显然只是理想化的极端情形。实际上会出现混合形式，而且是由于实际组件的结构偏离理想几何结构引起的。在热交换器中，原则上来说，逆流形式要优于其他的流动形式；但在膜组件中，因为是浓度和压力决定推动力，所以逆流形式不一定是最好的！第四十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二概括起来，对于膜组件的设计和工艺优化来说，考虑以下的方程和假设条件就足够了：●进料边和渗透物边的质量和物料平衡●渗透物边的压力损失特性●进料边的浓差极化●膜的特性●局部的渗透物特性符合“自由流出”情况下的渗透物特性。第四十四页，共六十四页，编辑于2023年，星期二组件的优化，目标函数在进行膜组件的优化设计时还要求从经济的观点考虑问题。例如，应该考虑下列各项费用：●膜材料和间隔材料(膜基材料)●制造膜组件需要的其他材料（密封材料，耐压管，粘合材料等等）●工艺步骤（例如纤维管束的粘合）●膜组件的套管固定●膜的更换●装置的操作（例如泵功）气体与渗透汽化。第四十五页，共六十四页，编辑于2023年，星期二组件的优化，目标函数

首先，必须选出一个目标参数。多数情况下这种目标参数是要使产品费用降到最低，但在实际工作中，常常并不是以这种复杂的“使产品费用降到最低”为目标函数，而是选择某些较简单的目标函数（如使能量降到最低，或使所需的膜表面积降到最低，或使所需的空间降到最低），这样处理往往已足以达到要求。接着，必须注明可变的优化参数（例如几何结构，压力，温度），并预先确定变化范围。由此便确定了问题的边界条件（例如最小和最大的压力和温度）。最后，必须用适宜的方法对所形成的方程组进行解答。

第四十六页，共六十四页，编辑于2023年，星期二装置设计、组件的排布与连接第四十七页，共六十四页，编辑于2023年，星期二在大多数情况下，要圆满解决一个分离任务，常常需要联合使用好几个膜组件，如果要使产品质量严格达到要求；或是既要求有高的产品质量，同时又要达到高的收率，就必须要设计多级的装置。无论一个过程有多少级数，对于每一级来说都应弄清楚，是将所需的膜组件按串联形式排布，还是按并联形式排布？第四十八页，共六十四页，编辑于2023年，星期二并联连接法和串联连接法（一级多段）只要在有两套膜组件的情况下，就必须作出决定，是要将膜组件按串联方式连接，还是按并联方式连接。在有多个膜组件的情况下，也可以将串联连接方式和并联连接方式组合起来。在串联连接的情况下，所有的进料流体依次流经全部膜组件，而并联排布的膜组件则要对原料流体进行分配。如果可以忽略压力损失和浓差极化效应的话，就分离结果而言，这两种连接方式是等值的。第四十九页，共六十四页，编辑于2023年，星期二超/微滤系统工艺流程——多级第五十页，共六十四页，编辑于2023年，星期二并联连接法和串联连接法但是，根据分离任务的不同和膜组件效率的差异，就会提出这样的问题：应该以多少数目的组件来进行并联或者串联连接？

第五十一页，共六十四页，编辑于2023年，星期二单级内的组件排布（1）

首先，根据进料的入口通量将适当数目的膜组件并联连接成一个组块，原则应使进料通量不超越所使用的膜组件的上限值，但尽可能地大些。由于后续组块的进料通量总是依次递减的（减去渗透物的通量），所以在大多数情况下，后续组块中要并联连接的组块数目也相应减少，以使流过组件的通量保持稳定。这样的处理方法导致了所谓的“杉树（圣诞树）结构”，在用于海水淡化的RO-装置中就经常采用这种结构。“杉树结构”的膜组件排布第五十二页，共六十四页，编辑于2023年，星期二上面描述的膜组件排布法也可以被组合在一套装置中。经常采用的办法是，在按“杉树结构”排布的装置的最后组块中安排一个再循环泵，以确保给这个膜组件提供足够的进料通量。第五十三页，共六十四页，编辑于2023年，星期二第一套装置由杉树结构组成，采用了五个组块。共有68个膜组件，其相应的膜面积为441㎡，滞留物的浓度为5.04w.﹪,而平均渗透物浓度达到0.128w.﹪。第二套装置总共用了108个膜组件（相应于702㎡膜面积）才达到相当的滞留物浓度