与应用横流微滤技术现状与应用(.pdf

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1、4 0 横 流微 滤枝 术现状 与应用 横 流 微 滤 技 术 现 状 与 应 用(德)S i e g f r i e d R i p p e r g e r t 横 流微滤(C MF)已经成 为一种获取 纯 滤液 的过滤技术，它所采取的过滤 介 质 为 微 孔 滤 膜，可 以截 留 粒 度 约 0 0 5“m 的 颗 粒。因此，C MF的使用介于超滤(颗粒粒 度 约 0 5 1 0 m)和 普通过滤(颗粒粒 度 约 5 m)之 间。横 流 微 孔 可 用 于 纯液 生产；有用产品 的浓 缩回收；贵重工 艺液再生。：f横 流过 滤原理(1)基本 理论 在 横流微滤 中，被过滤流 体平 行于过滤

2、 表面 流动，即与滤液交错 流动。由此而沿过 滤介质 表面产生 的剪力和 或 湍 流 流动，限 制了滤饼层厚度。在大 多数情 况下，要 完全 消 除 滤 膜 表 面 的 截 留 物 所 形 成 的 滤 饼 层 是 不 可能的。当处于稳定状态 时，滤饼层的厚度 维持 不变。对于 全截留组份而言，流八和流 全 遮到 设计 要 求。上 钢三 厂 电炉 变 压 器 曾经 采用 列 管 式油 一水 冷却器。运行中存在 因漏水原 因导致 冷 却水进 八变压器的危 险。后来改 用 了OF P变 压 器油 冷却器，用风 冷代替 了水 冷，使用变 得 十分安全。经一年 多的运行，效果极佳。实 际应用表 明，当该

3、 厂电炉变压器超载2 5 和 夏季3 7 气 温环境下，仍能正常散发变压 器的热量 由于OF P变压器油冷却器底部集 管箱能在侧面壳体中 自由浮动 消除了热 膨 胀所产生的应力；而且装有 风机的焊接方 籍 可与集管箱分 离，因此 其清 洗或保养 也较列 管式油一水冷却器方便 得多 纵观国内翅 片管换热设 备的应用状况，我 国目前 已在石油和化工领 域 已取得了一 定 的成果，在冶金、电力等行 业中，翅 片管空 冷器的使用也已迈出了第一 步。不论 在国内 还是国外，“翅片管换热器 具有 比传统 的“光管换热器”高得多的换热面 积和 节能 效 果，这一点 巳被在工业实践中越 来越 多 的人 所认识

4、和接受。围绕翅片管挺热器，可以发 展多种用速和多种形 式的翅 片管 搀 热 器 产 品，以开发和扩大其在备工业领 域 中 的 应 用。从 近 几 年 我 国 翅 片 管 换 热 器 的 制 造 现 状 看，我 们 已具 备 国 际A-t 年 代 空 冷器 设 计 制 造技术 和工艺设备的优势，对此，我们必须 充 分加以利 用，同时应努力消化和吸收这些 先进技术 和设备，使 之在近年内国产 化，以 扩大翘片 管生产能力 和提高翅片替换热器设 计 和制 造 综 合水 平，从 而 为 满 足 将 来 国 内名 工 业领域 部门对高效率、高技术水 平、高质 量翅片 管换 热器产品 的需求作 为准备。与

5、此 同时，应注 意重点开发 多种 结构，适虚特殊 应用工 况的 高效 翅片 管换 热器，为翅片管换 热 器 的 推 广 应 用 多做 技 术储 备 随 着 翅片 管 换 热器 的多 方位 开发，加之对翅片 营换 热元 件 和产品设备的实 际应用 和广 泛宣 传，可 以 肯 定，翅片 管空冷式换 热设备 取代水冷 和常 规 换热设备 的步伐必 定会大大加快，领域 将 会越 来越广。维普资讯 http:/ 祀工袋奋技木)1 2 c 1 1)4 出滤膜 的质 量刚好相等。当用 F i c k第一 定律 描述 厦向传递(b a c k t r a n s p o r t)时，质量平衡关系如下。：D+c

6、 nX 利 用下述边 界条件：X：6 ，C=CB (1)x=0，C=CL (2)可 求得方程的解为：，：kI n 1 2(1 9 9 1)4 是其 热稳 定性好，适用于高 温下 使甩。目前，已研制 出多种支撑和 爽持 滤膜 的 构件。在 管状 结构 或毛细 管结构情 况下，加 八的料液 沿膜 管或毛细 管内壁流动，渗透液(滤液)穿过滤膜 亡集在 管壳 内。在 一定流 动条件下，施 加的能量主要耗壬产生 滤膜 表 面的剪切力。一般说来，一束毛细滤管或膜 管两端与 管壳 紧联在一起。这样 的装覆既可 作为滤膜 组件 也可甩作 钢制 壳体 内可 更换 的 滤 芯。除 此 之 外，还 有 一种 可 耐

7、 酸 碱(p H值 11 4)和大量有机 流体腐蚀 的 聚 丙 烯 滤 膜。管状滤膜 既可 以 自我支撑，也可 以采用 附加支承，以增加机械 强度 通 常管状滤膜 内径为 4 2 0 mm，其优点是可 以处理 高 浓 度、高粘度悬浮物料毛细 管噱膜(空心 纤 维)内径为 O 5 一g u n，-抗压强度 高，具 有 自支撑作用。扁平滤膜 的实用结构型 式有板框 武和 螺 旋缠绕 式。在 板框 式中滤膜 装在扳与板之间，两 扳之间 有 0 5 1 5 mm 宽的流动通遭。大量 滤膜和 支撑件 相互变错安装在一起便 椅成一 滤膜组件。这种结构型式，允许周期性地更 换扁平滤膜，但是工作量很大。螺旋缠

8、绕 式系将片状滤膜缠绕在中心滤 液收集管上，其比压 缩强度取 决 于 隔 环 尺 寸。隔环 的作用是形成流动通道。这种结构 型 式很少用于横 流微 滤，因为其流动通道有 可能部 分堵 塞。在 大多数使用 情况下，悬浮 浪需经过预过滤。3 基本装置设计 0d F j 装 置的结构 日用 选不 同而 变 化 很 大。通常，C MF 是一个含有 R个后处理和预 处理工序在 内的某上工艺的一 个单元操 作。最简 单的结构型式是一个战几个滤 膜组件枣 联在 一 起 所 组 成(圜 4)。在 滤 瑛 管 式 或 毛 细 管 内，静压力 由进 口 处 的 P z 僻 至 出 口 处，截 留物浓度 不断 增加

9、。在 通 常 情 况 下，一 次过 滤 达不 到 期 望的 浓 度，因此 悬 浮 液 需要 循 环。由于 连续 不断 地 排 走 滤 液，所 以出 口处 的切 线速度低 于进 口处切线速度。不过在大 多数横 流过滤 系统 中，两者 相差 很 小。一次过滤所获 得的滤液常常不到 5 。圈 t 精撼腆 坦件参 戥变让 状 况 5 所示为c MF 装置的基本流程图。摅 滤 组件前的循环泵和鹇的特性对滤膜 组件 内 的流动条件和横瑛压差有影响 平均攒膜压 差通常按下 式计算：一 磁 旦些 一 P，(6)6 薯 壤：匣 5 球 馥 噩基车 嗣 程 田 通常 着道系_统内的流动速度远低于管 膜内的流动速度

10、。在这种情况下，滤膜组件 内的横营压降则是循环回路中最 重 要 参 数 厶 =P l。P|。在管状或毛细管滤膜中，这 一压力 降可用传豌 的管系 方程确定：。P l=(k+导)导 ：(7)其中 k为滤膜 组件 进出 口压 降特性常 数。剥 维普资讯 http:/ 4 4 横流挂采檄逮现状与虚jj 于管状滤膜 k：为1 2，对于毛细管滤膜 k为 3 5。为摩擦系 数，取决于膜管 内的 流 动状况，对于封闭管道 内的 可 由有关文献 查得。文献 e】2，1 3)表 明 受膜 管壁抽吸佑甩影 响很大。循环泵攫供 的能 赣 P取 决于 体 积 流 率”和循环回路中的压 降P l-与泵效率：=啪-P，(

11、8)4 操作 方式 c MF 装 置有不同的操 作方 式：问歇操作：工艺条件可变是 教操作的 最大 特点。工 艺条件的变化主要是 因为循环 液 中截留物浓度逐渐增 加而浓缩液又发有及 时排除。截 留物浓度的加大改 变了液相的流 变特性，如果 离心泵不能 自动调节，滤膜 组 件的压降 将增 大，从而导致循环流速降低。当达到 期望的浓度后停机卸除浓缩液。如果 流率 随去除组扮的浓度 加 大 而 降 低，刚对于给 定体积的滤液量，这种操 作方 式所 需滤膜面积最少。这种方式的缺点是 需 要贮 槽以烘进料，故它只适合于小处理 量。连续操作：在这种方式下 可调 节装 置进 出 口流速使遗谣 在规定浓度下

12、进 行。对于单 级装置则在最终浓度下 工作。如果浓度的影 响很重要，则适台采用：多擐装 置(图 6)在多级装置 内，只有最后一 级在最终浓度下 工作，其优 点是滞流体积最小，操作 开始 后 短 时间内可达到 最终浓度。连续操作方式是 大型工业化C MF 装置所 要求的。二元过滤：在二元过德 中，溶液被净 化 荆所取代(洗涤工 序)。通常维挣某种特定 组份的浓度l不变。由于洗液用量 随科浆中液 相体积减少而降低，故 二元过滤一般放在浓 缩工序之后。原 则上，二元过滤的装置结构 和操作条件与浓缩工序 没有差别。同浓 缩工 艺相似，对于大型装置可采用 多级连续工作 方 式。箭一t 圈 B两 壤CMF

13、装 置 5 提高流率 的其他方 法(1)可能 的方 法 通常，要维持 分离过程就需要滤膜表面 授有滤饼形成。这一点 已为滤膜 本 身 所 保 证 因此所 有可能 的技术都可用 于减少滤膜 表面滤饼的形成。这些技 术 包括：一采用滤液周期性反冲洗，采用磨斟磨擦力；一采用湍流发生器；另外一些技术可以影响滤 饼的结构和特性：一料浆预处理(如预沉降)；采用助 蟪剂 使用絮凝剂。周期性清洗也可获得 更大的流牢，清洗 方法可分为：液 体蒲洗 一化学清洗 这些方法的使 用还 涉及刊实验 中必须考 虑的其他操作参数。在实 际生产 中所采用的 方法只限于周 期性反冲洗和滤膜 清洗技术。物料硬，颗粒 粗，速度快将

14、造成滤膜 表面磨 损，但 与此商时也可提高流率。B i x t a WB a p p e 在超滤l工 艺的进料系统 中加人固相颗粒用以磨擦。但是使用磨擦物 对于泵和管 系的使用 寿命是不利的。浓度 极化要受到 硫遭 内湍 流发生器 的影 维普资讯 http:/ 化工 装备技术 1 2(1 9 9 1)4 4 5 响。其 合适 的型 武是 沿中 心 支 承 杆 隔开 的 蝶 旋或球 形。采用 湍漉发生器有望增加 硫率。但 是，它 必 然 要增 加 横 营 压 力 降和 滤膜 组件 成本。(2)周 期性 反冲洗 自支撑式 管状 或毛细管滤膜允许其内外 有一定压差。因此，有可能采用渗透液逆流 周期性

15、反冲洗。在理想条件下，反冲洗可 以 暂 时去掉滤膜上的颗粒层。在 一般 情况下，反冲洗可 防止过滤压力下颗粒层压 实，减小 颗粒层厚度。反 冲洗是在 流动方向改变短 时阔 出现的 负流率。反冲洗操作 常常可 以提高总流率。反冲洗工 艺分为两种：a)停止横 流的反冲洗(循环 泵关闭)在这种情况下，在整个滤膜组件长度内反冲 洗条件是相 同的t b)横 流时的反冲洗。在这种情 况 下，整个滤骥 组件 长度压力 降有变化。为获得相 同的反冲洗效果，横 流方向可 多次改变。反冲冼 的重要参数有：反冲洗周期 A t (反冲洗间隔或 过 滤 周 期)反冲冼压力降 ；反 冲 冼 时 间 。综合 A p 和 t

16、 以及过滤 条件 以得到 单位过滤面积的反冲冼体积 V，实 际 应 用 袭明其晟佳值为0 2 1 m 到 1 l 。这一 数值 对应 于反冲冼 时间 t 为 1 4 s。为确定最优 参数有必要进行 优化试验。每 次反冲冼周期 内的平均过滤流率为：一 F I d t V 一(9)(3)清 冼方 法 采用周 期性反 冲冼的横 硫过滤技术不能 完全消 除堵塞 问题，所 以大 多数横流过滤 系 统 需 定 期 清洗。清 冼工 艺翻 次 数取 决 于 被 过 滤物料特性和滤膜组件的阻力。大多数情况 下采用的是液体消洗 与化学请洗相结 的方 法。最简单的液体清洗技术是采用 水洗或用 滤液反冲。对于化学 清

17、洗，可采用许 箩不同 的助剂，其作用是分散和 溶解。分散剂 将沉积物破坏成能从滤膜上除去 的细粒 洗涤剂是最 普通 的分敬剂。在食品 工业中采用加有朊酶的加 酶洗涤剂 以水解蛋 白沉 秘 物。在 溶解 工艺中，沉识物可通过物理或化 学方法溶解。沉积物 的溶解性受 p H 值和温 度的影响。所用膜的化学耐蚀性在清冼中是 十分重要的优 点。对于聚丙烯滤膜，可 采用 p H 值 1 1 4 的非氧化酸和碱溶液。笔者建议经常采用液体清洗，必要 时偶 尔采 用化学 清洗。6 装置设计实例 图 t所示 为周 期性 反冲洗，问墩操 干#武 C MF 装置的流程图。流程率 必须有一小贮 槽 存放滤液，以便在压

18、 缩空气 作用下进行反冲 洗。反冲洗间隔 时闻和 洗液 体积可 由计 时器 和 阀门 自动控制。本装 置也可用 于 连 续 操 怍。=圈 7流 程盈(间破 操作，周 期反 冲洗)在 连 续 操 作 方 式 中(图 8)，反 冲洗 通 过 活 塞装 置 完 成。反 冲洗 滤 液 体 积 由 活 塞 装 置 第二室 的浓缩液 平衡。采 用这种方式，可 催 证反 冲冼 时浓缩刨的压 力不变。大型c 幢 装 置内数 -C MF 元并联在 一起 每一e MF 维普资讯 http:/ 4 6 横 流微 滤技 术现 状与应用 单元配 有一 台泵和管系。周 期性反冲洗可 由 象和空气垫联合进行。翻为 有大 最

19、 滤 膜 组 件，当每一组件单独进行反冲洗则有可能 实 现 泵 的 亚连 续操 作(网 9)。件计 蟹 8施 翟目(莲 续操作 cMF装 置周 辨反 冲穗)圜 9 藏 程臣(有雨 组 滤厦 组件的CMF 装置 带反 冲冼蕞 毵)图1 O 所示 为有周期 性反冲洗 系统和集 成 j c I P(在 位清洗)装 置的 MF装置。清洗 工序包括几个清 洗步 骤 7 结构材 料 结构材科 由操作条件 决定。额定压力，热胀 缩性，热稳定性和 机械 强度是选材中匣 该考虑 的一些 因素。选 择合适的材料必须保 证在应甩过程 中耐化学腐蚀。有些情 况下 的 C MF 装 置，比如对水和污 水处理中 金属腐蚀

20、 艰敏感。减巾腐蚀最有效 方法是限制金属的 使用。枉这种情况下应采用工程塑料和塑料 圈1 0斑翟 圈(带CI P装置舯CMP袭 置)复合材料。聚丙 烯适用于许多应用领域。在 有 些情 况下，可采用 P V c-对某些使用 场合，例 如在食品、饮料和 医药工业 以及生 物工程中，还包括有加 热灭 菌或化学灭菌工序。在这种情况下，采 用不 锈钢作为结构材料。对于无菌过滤，管道和 接头内表面要很光滑，不得有凹痕、裂纹和 折 皱 有 时候为保 证很高的光洁度表面可采 用 电抛 光技术。管道、阀门、泵等滤膜 组件 上下 游设 备 的选材原则与此相 同 8 应 用 横流擞滤 应用 范围报广，以下所述为各

21、工业部t 嗍 一 些应用实例：化学工 业：分 散晶体颗粒回收，净化液 生产，污水处理，特定产品分离，热 交换 器 表面防堵。冶金工 业：磨 料水循环，特定废物(如 金属氢氧化物)去除，油水分 离。食品饮料工业：工 艺水和溶液的无 简过 滤如葡萄 酒、苹果汁、啤酒和果 汁澄清。清 洗液 循环，废 水过滤(例如 降低B OD)。生物 技术 与医药工业：通过过滤等生产 酵 母(细 胞回收，产 品去除)，连续发酵过 滤 发 酵脚l料净化，发酵废水净化 水技术：超纯水生产(离子交换后)，维普资讯 http:/ 他工装备技 术 2(：9 9 1)4 连 续 式 压 滤 机 日本Ku l i 化学工程师公司

22、推出一种 受人 欢迎 的连续式I E 滤机。据 称。它集压滤和螺 目 1压 蕾机录 掌置 旋挤压 的优点于一 体，效率 高，使 用 效 果 好。其 结构如图所示。上 部是立武 圆柱形容 器，底 部呈 圆锥 俸。过滤介质衬在 圆柱体 内 壁四周。在设 备中心部装有 螺旋器。与过滤 介质相配合的那段螺旋片，转黼，起刮刀 作用。而底部的螺旋器在装配时就紧贴在锥 滤上，起到 螺旋挤压作用。把浆浪泵八滤机容器 内，用足够的压力 使滤液穿过过滤元件。螺旋器缓慢地转动，不断地把 沉积在过滤介质上的 固体刮下，使 之落到锥腐，再被压缩，然后 注 出 料 润 排 出。由于螺旋轴的 电机转动力矩 与过滤速度 接近

23、 成正 比，固此 利用 转动 力矩 控 制 排 放 量，可 以使滤饼达到 预定的湿 含盛。典型的过滤介质是一 种孔隙 为 2 5 m的 楔 式金属筛 网。螺旋器留下一薄层渣 饼，起 厦渗透(1R()水的璜处理 已有 文献 2 5，1 0，1 4)论述 丁横 流徽 滤 的应用。每一种用逮部 处在 不同 的 开 发 阶 段。就滤液质 量丽 言，攒流微滤的滤液质量 癌 冀它传统方法可比拟的 符号说瞬 1 1 1 2】t面积 c f k g m叫)，浓度 c B (k g m)，主流内的浓度 C L (k g m一 )基教 层上边再的豫窟 d (m)，膜 臂内径 D (m z r )，分散性 d p(

24、m)，囊粒直径】(I n r)t垃健灌率 k (一)。常 数 K(ms-)，传质蒜敛 L (m】挂麟 组件 长度 P (W)，功 率 A PI (P 横 膜压 力降 A PI T(P a)横臂压力阵 P J f P a)，挂虞组件内压 P z (P a)，蕾瑛组件外压 PF c P a)!遗压 RM (m 1)，虞曲木力阻力 RL (m-j，囊粒层木力阻力 t 【5)射 闻 At F(s)t过蕾 周 期 t b【5)匣冲斑周期、，b (m)，单位对滤面摹 I 反冲境体税 (ms )，切拽莲度(t十 曩邋的平均僵)x m h 距墟 虞甩鼻 6 m)逝再属耳度 扫 c (m)赦霸边界层 度 8 L (m)，麓牲层年度 (一)，空尊 率(P a 5)，粘度 f m0 t 】，砧 力 度 P(k g m )t宙度 参考 文献(1 4 篇略)虚 都科拄 太学化 工熹张刽鸣译 自 Ch e mE吣 Te h n M 静Vo I t 1(1 0 8 8)No 1，P”维普资讯 http:/