膜分离工程 第十二章 膜器与膜过程设计.ppt

回 顾 膜过程流程图 膜过程设计层次 设计内容 设计中考虑的因素 设计基础是什么？ 工程师需要知道的若干知识 工程师需要知道的若干知识 工程师需要知道的若干知识 工程师需要知道的若干知识 工程师需要知道的若干知识 工程师需要知道的若干知识 膜上的传递阻力 膜上的传递阻力 传质过程的模拟 传质过程的模拟 传质过程的模拟 传质过程的模拟 传质过程的模拟 研究思路 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 Di=6~25mm 10 进料流体走管内 有支撑管 特征 MF，UF, RO 应用领域 装填密度小300m2/m3 造价高 缺点 湍流流动，对堵塞不敏感 易于清洗 膜组件中的压力损失小 优点 蜂窝陶瓷膜组件 毛细管膜器 膜组件的选择 Di=0.5~6mm 膜管直径 进料流体可走管内和管外 自支撑 特征 MF，GP，PV 应用领域 大多数条件下为层流（物料交换性能差） 抗压强度较小 缺点 装填密度高600～1200m2/m3，介于管式、中空纤维之间 制造费用低 优点 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。 中空纤维膜器 膜组件的选择 Di=0.04~0.5mm 进料流体可走管内和管外 自支撑 特征 GP，RO 应用领域 对堵塞很敏感 缺点 装填密度很高1200～30000m2/m3 制造费用低 耐压稳定性好 优点 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 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） 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。 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 需要知道的常识 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 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。 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。 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 。 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！ 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。 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。 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），