膜分离设备

12.2.2 圆管式膜组件
• 圆管式膜组件是指在圆筒状支撑体的内侧或外侧刮制上 半透膜而得的圆管形分离膜，其支撑体的构造或半透膜 的刮制方法随处理原料液的输入方式及透过液的导出方 式而异。
• 在所有膜组件中，圆管式膜组件的表面积／体积比是最 低的。
• 管式膜组件主要应用于超滤（UF），微滤（MF）和单级 反渗透（RO）。
◆ 膜器件主要型式：板框式、圆管式、螺旋卷式、 中空纤维式和毛细管式。
表12-1 各种类型膜组件的主要特征
膜组件类型
板框式
圆管式
螺旋卷式 中空纤维 毛细纤维
生产成本/（$/m2 ）①
100~300
50~200
30~100 5~20 20~100
装填密度
低
低
适中
高
适中
抗污染能力 产生压降
好 适中
很好 低
膜 水分子
醇分子
膜分离特点
★ 处理效率高，设备易于放大； ★ 可在室温或低温下操作，适宜于热敏感 物质分
离浓缩； ★ 化学与机械强度最小，减少失活； ★ 无相转变，省能； ★ 有相当好选择性，可在分离、浓缩的同时达到部
分纯化目的； ★ 选择合适膜与操作参数，可得到较高回收率； ★ 系统可密闭循环，防止外来污染； ★ 不外加化学物，透过液（酸、碱或盐溶液）可循
• 国外有关专家夸大地把膜技术的发展称为“第三次工业革命” • 日本则把膜技术作为21世纪的基盘技术进行研究和开发。 • 在1987年日本东京国际膜与膜过程会议上，明确指出“在21
世纪多数工业中，膜过程扮演着战略的角色”。 • 世界著名的化工与膜专家，美国国家工程院院士，北美膜学
会会长黎念之博士在 1994年应邀访问我国化工部及所属大学 时说：“要想发展化工就必须发展膜技术”。 • 他也非常赞同国际上流行的说法“谁掌握了膜技术，谁就掌 握了化工的未来”。
自学
是分子级的分离。
压力
12.1 膜分离原理及特点
膜分离技术是用半透膜作为选择障碍层，允许某
些组份透过而保留混和物中其他组份，从而达到分离
目的的技术总称。
压力
发酵液中可能存在的主要成分
组
份
酵母和真菌
细
菌
胶
体
病
毒
蛋白质
多
糖
酶
抗
体
单
糖
有机酸
无机 离 子
分子量（D）
104~106 104~106 104~106 300~103 200~400 100~500 10~100
环使用，降低了成本，并减少对环境的污染。
• 膜分离也有很多缺点，比如膜面易发生污染， 膜分离性能降低，故需采用与工艺相适应的膜 面清洗方法；稳定性、耐药性、耐热性、耐溶 剂能力有限，故使用范围有限；单独的膜分离 技术功能有限，需与其他分离技术连用。
膜分离技术的重要性评论
• 美国官方文件曾说"18世纪电器改变了整个工业进程，而20世 纪膜技术将改变整个面貌”，又说“目前没有一种技术，能 像膜技术这么广泛地被应用”。
固体粒子
>10000
体积大小 0.05~10μm的固体粒子 50~10000
体积大小 1000~1000000 道尔顿 2~50
的大分子，胶体
溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <2
溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <0.5
溶解扩散 离子、分子量<100的有机物 <0.5
微滤分离原理
利用筛分原理，分离、截留直径为 0.05 m 到 10 m 大小的粒子， 即微滤膜的孔径为 0.05 m 到 10 m。采用压力为 0.05～ 0.5MPa。
第12章 膜分离设备 （P136）
12.1 膜分离原理及特点 12.2 膜组件 12.3 膜分离在制药工业中的应用
12.1 膜分离原理及特点
膜是一种起分子级分离过滤作用的介质，当溶液或混和气体
与膜接触时，在压力下，或电场作用下，或温差作用下，某
些物质可以透过膜，而另些物质则被选择性的拦截，从而使
溶液中不同组分，或混和气体的不同组分被分离，这种分离
水分子
离子
大分子
颗粒与胶体
反渗透分离原理
在高于溶液渗透压的压力作用下，只有溶液中的水透过膜，而 所有溶液中大分子、小分子有机物及无机盐全被截留住。理想的 反渗透膜应被认为是无孔的，它分离的基本原理是溶解扩散（也 有毛细孔流学说）。 “膜孔径”为 1 到 10埃。采用压力为 1～10 MPa.
水分子
12.2.1 板框式膜组件
一、特点： （1）组装比较简单 （2）操作比较方便 （3）膜的机械强度பைடு நூலகம்
隔板
膜 支撑板
膜
应用： 超滤、微滤、反渗透、渗透 气化和电渗析
二、类型与结构 （1）系紧螺栓式板框膜组件 圆形承压板
多孔支撑板
膜经黏结密 封构成滤板
（2）耐压容器式板框膜组件
（3）折叠式膜组件 特点：单位体积中的膜面积大，因而过滤效率高。
水分子
离子
大分子
颗粒与胶体
超滤分离原理
超滤的分离原理也可基本理解为筛分原理，但在有些情况下受到粒 子荷电性及其与荷电膜相互作用的影响。它可分离分子量从1000 到 1000000 道尔顿的可溶性大分子物质，对应孔径为 20 ~500 埃 （0.002m 到 0.05m）。采用压力为0.1~1MPa。
• 膜的种类很多，可分为有机高分子膜和无机膜 两类。
• 目前在制药工业生产中使用最为广泛的是聚砜 (PS)类材料，约占32％；纤维素材料中的醋酸 纤维素(CA)和三醋酸纤维素(CTA)分别占13％ 和7％；聚丙烯腈(PAN)占6％；无机膜占22％ ；其他的膜材料约为20％。
常用的膜材料
有机： 纤维素、聚砜、聚酰胺、聚酯等
尺寸大小（nm） 103 ~104 300~104 100~103 30~300
2~10 2~10 2~10 0.6~1.2 0.8~1.0 0.4~0.8 0.2~0.4
各种分离法及适用范围
各种膜分离技术分离范围
膜过程 粒子过滤 微滤 超滤
纳滤 反渗透 渗透蒸发
分离机理
分离对象
孔径（nm）
体积大小
离子
大分子
颗粒与胶体
电渗析分离原理
料
液
阴极
阳极
阴离子交换膜
盐水
淡水 盐水
阳离子交换膜
渗 透 汽化 分 离 原 理
它的基本原理是利用膜与被分离有机液体混和物中各组份的亲 合力不同而有选择地优先吸附溶解某一组份，及各组份在膜中扩散 速度不同来达到分离的目的，因此它不存在蒸馏法中的共沸点的限 制，可连续分离、浓缩，直至得到纯有机物。
12.2.2 圆管式膜组件
一、特点： （1）流动状态好 （2）容易清洗 （3）设备操作费用较高 （4）膜装填密度较低
二、类型与结构： （1）内压型单管式
二、类型与结构： （2）内压型管束式
二、类型与结构： （3）外压型圆管式
12.2.3 螺旋卷式膜组件 12..2.4 中空纤维式和毛细管式膜组件
无机：金属、陶瓷等
中空纤维超滤膜结构
示意图
中空纤维超滤膜结构
单内皮层
双皮层
单内皮层中空纤维超滤膜结构
膜组件
◆ 膜分离装置：膜组件、泵过滤器、阀、仪表及管 路等构成。
◆ 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，然后在外界驱动力作用下实现 对混合物中各组分分离的器件，它又被称为膜 器件或简称膜分离器。
适中 适中
很差 高
好 适中
适合高压操作
可以，有一定 可以，有一定
困难
困难
适合
适合 不适合
限于专门类型的 膜
非
非
非
是
是
①以聚砜为标准聚合物的估计价格。
性能良好的膜器件应达到的要求：
1、对膜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。 2、在能耗最小的条件下，使原料液（气）在膜面 上的流动状态均匀合理，以减少浓差极化。 3、具有尽可能高的装填密度（即单位体积的膜组 件中填充较多的有效膜面积）并使膜的安装和更 换方便。 4、装置牢固、安全可靠、价格低廉和容易维护。
膜
膜组件：膜、膜的支撑体或连接物，与膜器件中流 体分布有关的流道、膜的密封，外壳或外套以及外 接口等。
膜分离过程实质：小分子物质透过膜，而大分子物 质或固体粒子被阻挡。
膜分离的推动力：浓度差、压力差、电位差等
12.2.1 板框式膜组件 板和框堆积而成
隔板
膜 支撑板
膜
• 板框式膜组件主要是由许多板和框堆积组装在一起而得 名，其外观很像普通的板框式压滤机。所不同的是后者 用的过滤介质为帆布、棉饼等，而前者用的是膜。