第三章 膜分离技术装置.ppt

第三章 膜分离装置 膜分离过程 膜分离是借助一特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜,在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差等)的作用下,利用流体中各组分对膜的渗透速率的差别而实现组分分离的单元操作。 膜分离过程一般不发生相变,与有相变的平衡分离方法相比能耗低,属于速率分离过程。多数膜分离过程在常温下进行,特别适用于热敏性物质的分离。此外,它操作方便、设备结构紧凑、维护费用低,因而是现代分离技术中一种效率较高的分离手段。 1 膜组件的形式 膜组件：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。 (1) 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。板框式装置的结构及示意流道如图93(a)所示,料液在进料侧空间的膜表面上流动,通过膜的渗透液则经板间隙孔中流出。 优点： 制造组装比较简单，膜的更换、清洗、维护比较容易； 原料液流道较宽，不易堵塞； 对处理对象的适应面较广，预处理的要求较低； 可以将原料液流道导流板设计成各种形状的凹凸波纹以使流体易于实现湍流 缺点： 对膜的机械强度要求比较高； 密封边界线长； 流程短，原液流道的截面积较大，因此单程的回收率低。 (2) 管式(Tubular)膜组件 按联结方式分：单管式，管束式 按其作用分：内压型管式，外压型管式 管式膜组件有外压式和内压式两种,如图93(b)所示。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。 (a)内压型管式膜组件 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； 能够处理含有悬浮固体的溶液； 机械清除杂质也较容易； 合适的流动状态可防止浓差极化和膜污染。 缺点： 与平板膜比较，管式膜的制备条件较难控制； 膜的装填面积较低； 管口的密封比较困难。 (3) 螺旋卷式(Spiral Wound)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,图93(c)为螺旋卷式膜组件的基本构型及料液与渗透液在膜组件内的流向。 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。 结构特点：三边密封的膜袋，另一个开放的边沿与一根多孔中心集水管连接，膜袋内装多孔支撑材料，膜袋外的原料液侧再垫一层网眼形间隔材料（隔网），把膜-多孔支撑体-膜-隔网依次叠和，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，构成一个卷式膜组件。 优点： 结构紧凑 膜的装填密度大 缺点： 流道窄，对原料液的预处理要求高； 膜的密封困难； 透过液侧的支撑材料较难满足要求； 膜组件的制作工艺复杂，要求高，尤其用于高压操作时难度更大。 (4) 中空纤维(Hollow Fiber)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,如图9-2(d)所示。料液从中空纤维组件的一端流入, 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。 优点：单位体积内有效膜表面积比率高，故可采用透水率较低，而物化稳定性好的尼龙中空纤维。该膜不需要支撑材料、寿命可达5年，这是一种效率高、成本低、体积小和重量轻的反渗透装置。 缺点：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原水。 3.2膜分离装置的基本流程 两个概念： ①段：指膜组件的浓缩液(浓水)不经泵自动流到下一组膜组件处理。流经n组膜组件，即称为n段。 ②级：指膜组件的产品水再经泵