膜分离工程第十二章膜器和膜过程设计

膜过程设计回顾化工设计•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。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。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•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。。。。。。以精馏为例膜过程流程图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•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!!•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•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。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。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。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。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。膜组件的选择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板框式膜器膜组件的选择板框式膜组件流道示意图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=6~25mm10•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。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