6 膜分离组件及其设计.ppt

2018/9/2,1,6 膜分离组件 及其设计,2018/9/2,2,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2018/9/2,3,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(Membrane Module),2018/9/2,5,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）2018/9/2,6,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 (Plate and frame)膜组件 卷绕式 (Spiral Wound)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2018/9/2,8,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2018/9/2,11,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,2018/9/2,12,管式膜组件构造,2018/9/2,13,英国PCI公司管式膜,2018/9/2,14,Typical tubular ultrafiltration module design.,(Courtesy of KOCH Membrane Systems),2018/9/2,15,Exploded view of a tubular ultrafiltration system in which 30 tubes are connected in series. Permeate from each tube is collected in the permeate manifold,2018/9/2,16,Monolithic ceramic microfilter. The feed solution passes down the bores of the channels formed in a porous ceramic block. The channel walls are coated with a finely porous ceramic layer,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,2018/9/2,17,英国PCI公司管式膜设备,厦门Suntar公司管式膜设备,2018/9/2,18,,Suntar公司管式膜设备,2018/9/2,19,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,2018/9/2,20,北京迈胜普公司的陶瓷膜设备 (与法国TAM公司合资),2018/9/2,21,管式膜成套设备,乳品工业,废水处理,大型集成设备,2018/9/2,22,Tububar system for industrial wastewater,共544根膜管,2018/9/2,23,管式膜组件大致规格,不同管径下单位体积的膜面积,2018/9/2,24,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(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2018/9/2,26,(a) Shell-side feed,(b) Bore-side feed,Two types of hollow-fiber modules used for gas separation,,2018/9/2,28,A cross-flow hollow fiber module used to obtain better flow distribution and reduce concentration polarization (the Tyobo Hollosep reverse osmosis module). Feed enters through the perforated central pipe and flows towards the module shell,2018/9/2,29,膜组件外壳,中空纤维MF膜组件,中空纤维UF膜组件,2018/9/2,30,中空纤维膜组件外壳,实验室UF设备 (中空纤维膜),2018/9/2,31,大连欧科（OKM）公司中空纤维膜组件,2018/9/2,32,KOCH公司中空纤维膜设备,2018/9/2,33,蓝星公司的超微滤膜装置,2018/9/2,34,西斗门中空纤维膜设备 （杭州国家水处理中心）,2018/9/2,35,20t／h 超滤装置,大连欧科（OKM）RO 预处理108m3／h设备,2018/9/2,36,大连欧科(OKM)300m3/h 饮用水设备,欧科公司发酵液 澄清UF设备,2018/9/2,37,中 空 纤 维 膜 分 离 设 备,（6～9.6 m3/h ）,（5～8 m3/h ）,（10～16 m3/h ）,（2～3.2 m3/h ）,2018/9/2,38,三. 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(plate and frame)堆积组装在一起而得名，其外观类似普通的板框式压滤机(filter press)。

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2018/9/2,42,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2018/9/2,43,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 [De Danske Sukker fabrikker]公司首创，在欧洲很流行2018/9/2,44,系紧螺栓式板框式膜组件,DDS公司的 UF膜组件,2018/9/2,45,Schematic of a plate-and-frame module,2018/9/2,46,板框式膜组件流道示意图,曲折流道示意图,2018/9/2,47,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。

2018/9/2,48,Ultra－FloTM超滤设备,2018/9/2,49,Horizontal DDS plate-and-frame ultrafiltration system. Courtesy of Alfa Laval Nakskov A/S, Naksvov, Denmark,2018/9/2,50,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(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2018/9/2,52,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。

2018/9/2,54,2018/9/2,55,2018/9/2,56,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,2018/9/2,57,Spiral-Wound Module Cross Section,2018/9/2,58,Schematic of a spiral-wound module installedin a multimodule pressure vessel.,2018/9/2,59,各种规格的 卷式膜元件,2018/9/2,60,用于苦咸水脱盐 的RO膜元件,Toray公司的 AMI海水淡化膜,2018/9/2,61,PES and PVDF membranes spirals,。