Công nghệ màng
description
Transcript of Công nghệ màng
1
Kỹ Thuật Màng và Ứng Dụng
Bài 5: Cấu trúc các loại mô đun màng
Giảng viên: Nguyễn Minh TânBộ môn QT-TB CN Hóa học & Thực phẩm
Trường Đại học Bách khoa Hà nộ[email protected]
Cấu trúc các loại mô đun màngNguyên lý cấu tạo Mô đun màng
Mô đun 3 đầu ra
Nguyên lý cấu tạo Mô đun màng
màng
Bơm
Bơm chân không
Dịch vàoF
Dịch đặcR
Nước trongR
2
Cấu trúc các loại mô đun màngBố trí dòng trong mô đun
Cùng chiều Ngược chiều
Vuông góc
Khuấy trộn
Chuyển động tự do
Cấu trúc các loại mô đun màngBố trí dòng trong mô đun
Cùng chiều
Cùng chiềuNgược chiều
Ngược chiều
cùng chiều
Ngược chiều
3
Cấu trúc các loại mô đun màngBố trí dòng trong mô đun
Phân bố nồng độ và áp suất trong mô đun với các phương án bố trí dòngkhác nhau
Trườnghợp 1
Trườnghợp 2
Cấu trúc các loại mô đun màngCác tiêu chuẩn đối với việc chế tạo các mô đun
Định nghĩa: Mô đun màng là một kết cấu kỹ thuật dùng màng
Yêu cầu đối với một mô đun màng:
- Dòng thấm qua màng lớn, đều (không có khu vực chết)- Bền nhiệt, hóa, cơ học- Kết cấu nhỏ gọn- Giá thành rẻ- Chi phí thay màng rẻ- Mất mát áp suất ít
4
Cấu trúc các loại mô đun màng
Màng phẳng
Phân loại mô đun
Màng ống
Mô đun bản
Mô đun hộp
Mô đun cuốn
Mô đun ống
Mô đun mao quản
Mô đun sợi rỗng
Mật độ bố trí màngGiá thành chế tạo
Khả năng vệ sinhKhả năng chịu cặn
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Đường kính: 5-25mm
Nguyên lý hoạt động của màng ống
Dòng vào
ống thu nước lọc
Màng
Ren nốiVòng đệm
Nước trong
Dịch đặc
Ống tăng bền
Dòng vào
Nước trong
5
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Đầu vào và đoạn cong trong mô đun ống
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Mô đun màng ống bằng gốm của công ty Sulzer Chemtech
Kênh dẫn dịch vào
Màng ống bằng gốm
Mô đun màng gốm có bộphận đun nóng
6
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Màng Zeolith lắp trong ống thép không gỉ
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng ống
Đặc điểm
-Đường kính 6- 24 mm
-Dòng chảy trong tâm ống
-Kèm theo ống tăng bền
Ưu điểm
-Vận hành với dòng chảy xoáy
-Ít đóng cặn
-Rửa dễ dàng
-Trong Mô đun có trở lực nhỏ
Nhược điểm
- Diện tích riêng nhỏ (<= 80m2/m3) Ít đóng cặn
-Trở lực của hệ thống khi cóchuyển hướng lớn
-Trong Mô đun có trở lực nhỏ
Phạm vi ứng dụng
- Vi lọc, Siêu lọc, Thẩm thấungược một bậc
7
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Sợi rỗng
Cấu tạo mô đun mao quản và mô đun sợi rỗng
Vỏ chịu áp Keo dán
IN-OUT OUT - IN
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Nguyên lý hoạt động của mô đun mao quản và mô đun sợi rỗng
Màng mao quản Vỏ
Dịch vào/Feed Dịch đặcKonzentrat
Màng
Nước trongPermeat
Keo
Đường kính0,5 – 5mm
8
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Lắp màng trong một ống vỏ
Vỏ chịu áp
Vòng đệm
Lõi mô đun
Khớp nối
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Multibore của công ty inge, CHLB Đức
9
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
Bố trí dòng và cấu tạo màng sợi rỗng dùng trong quá trinh tách khí
Lớp hoạt độngLớp đế
Lớp hoạtđộng
Lớp đế
Mô đun mao quản/ Capillary ModuleĐặc điểm-Đường kính 0,6 - 6 mm
-Dòng chảy trong tâm ống
-Tự tăng bền
Ưu điểm-Diện tích riêng lớn hơn Mô đun ống
-Giá thành chế tạo nhỏ hơn
Nhược điểm- Dòng chảy trong Mô đun thường làdòng chảy màng (chuyển khối kém)
-Độ bền áp nhỏ
Phạm vi ứng dụng- Siêu lọc, Tách khí, Thẩm tích, Bay hơi qua màng
Cấu trúc các loại mô đun màng
10
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun sợi rỗng/ Hollow Fiber Module
Đặc điểm-Đường kính 0,04 – 0,5 mm
-Dòng chảy hướng tâm và ly tâm
-Tự tăng bền
Ưu điểm-Diện tích riêng rất lớn
-Giá thành chế tạo nhỏ
-Chịu áp tôt
Nhược điểm- Dễ bị bẩn và tắc
-Tổn thất áp suất trong màng lớn
Phạm vi ứng dụng- Tách khí, Thẩm thấu ngược
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng sợi rỗng/ màng mao quản
11
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳngMô đun khung bản/ Plate and Frame Module
Ưu điểm-Các mảnh màng được thay thế riêng rẽ
-Ít bị đóng cặn bẩn
-Có thể được sử dụng mà không cần keodán
Nhược điểm- Dùng nhiều bản phụ trợ
-Tổn thất áp suất cao khi chuyển hướng dòngchảy trong mô đun
-Diện tích riêng tương đối nhỏ (<400m2/m3)
Phạm vi ứng dụng- Vi lọc, Siêu lọc, Thẩm thấu ngược, Bay hơi qua màng, Điện thẩm tích
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng Pleiade của công ty Rhodia
Kênh thunước trong
Cửa ranướctrong
Cửa dẫndịch vào
Cấu tạo một bảnphẳng
12
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mô đun màng phẳng
Mô đun màng phẳng dùng trong thấm bốc của Sulzer Chemtech
Mô đun màng phẳngvỏ thép không gỉ với
diện tích 50m2 và 10m2
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun túi
Ưu điểm
-Ít dùng đệm hơn mô đun cuốn
- Tính chịu áp cao
-Tổng thất ap suất phía nước trongthấp
-Ít bị dóng cặn
Nhược điểm
- Diện tích riêng nhỏ (< 400m2/m3)
- Phải dùng đến keo để kết dính
Phạm vi ứng dụng
- Thẩm thấu ngược, Lọc Nano, Tách khí
13
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun túi
Mô đun túi dùng trong UF, MF hoặc PV, Dp và GP
Dịch đặc
nướctrong
HÌnh chiếu bằng mộttúi màng
Dịch vào
Dịch vào
nướctrong
Dịch đặc
Dịchđặcnướctrong
Vỏ
Túimàng
Bảnchuyểnhướng
Nướctrong
ống thunước trong
2000mm
Viền
Vòng dẫnnước ra
Màng
Spacer
Lớp đệmbằng sợi
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun hộp
Mô đun hộp kiểu FM của Rocher
nướctrongLớp đỡ
Spacer
Dịchvào
màng
Chiều cao hộp 1-3mm
Hộp màng
14
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun quấn
Ưu điểm-Chế tạo đơn giản, chi phí thấp
-Diện tích riêng tương đối cao (1000 m2/m3)
-Quá trình chuyển khối hiệu quả thông qua cáclớp đệm
Nhược điểm- Không gian di chuyển của dịch trong tươngđối lớn
-Khó vệ sinh
-Phải dùng đến keo để kết dính
Phạm vi ứng dụng- Thẩm thấu ngược, Lọc Nano, Bay hơi qua màng, Tách khí
Cấu trúc các loại mô đun màng
Trạm tách nước muối từ nước biển Maagan (Israel) vớicông suất 8.500.000 m3 nước/năm(Suất đầu tư 100.000 USD do Công ty Ionic Inc)
15
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun màng phẳng
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Nguyên lý sử dụng các mô đun nhúng chìm trong xử lý nước thải
Nước thải Nước trongBơm chân
không
16
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Các vấn đề gặp phải khi sử dụng mô đun màng nhúng, dùng màngmao quản cố định cả hai đầu
Dòng khí thổi tạo điềukiện cho các vật thể xơtích phía trên mô đun
Khi không sục khí hiệu quả, bùn đọng phía dưới chân mô
đun
Tích bùn bẩnphía dưới
Tích bùn bẩnphía trên
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Các vấn đề gặp phải khi sử dụng mô đun màng nhúng, dùng màng phẳng
Vận tốc dòng nhỏ tạo điềukiện cho việc tích cặn trên
màng
Tạo cặn trênthành
Sục khí không đều dẫn đếnhiện tượng tắc một số rãnh
nhỏ
Tạo cặn trongkênh
17
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Mô đun nhúng chìm dùng màng mao quan của công ty Zenon
Sụcngược
Lấy nướctrong Khí vào
Đầu mô đuncó gắn ốngthu nước
trongMàng mao
quản
Chân mô đun
Đầu thổi khí
Khung đỡ cógắn lỗ thổi
khí
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Mô đun nhúng chìm của công ty Koch
Bọt khí
Màng maoquản
Nướctrong
Sục khí ở tâm
18
Cấu trúc các loại mô đun màngMô đun nhúng dùng trong xử lý nước
Lắp ráp mô đun nhúng chìm của công ty Koch
Giữ các sợimàng
Dãy mô đun
Bó màng
Khí vàoMột mô đun
Độ linh động cao
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Mô đun Liqui-cel
Màng sợirỗng
Ống phânphối
Hút chânkhông Thanh
đổihướng
Khí vào
Dòngnước
Vỏốngthu
Đầu ốngtăng bền
Dòngnước
19
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Đan chéo các ống màng
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Màng phẳng có hình dạng khác nhau
20
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Mô đun quay
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Cấu trúc mô đun màng quay dùng trong MF/UF của Westfalia
Nướctrong
Màng
Dịch vào
21
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu hóa cấu trúc mô đun
Mô đun gắn với hệ thống sục ngược
Van xoay
Dịchđặc
Màng
Dịchvào
Nước trong
Môđun
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
Các bước tối ưu hóa mô đun màngHàm mục
tiêuThông số tối
ưu hóaĐiều kiện biên Phương trình
- Giá thành-Tiêu hao năng lượng- Chất lượng sản phẩm- Bề mặt màng- Năng suất riêng củathiết bị (tính trên mọtđvi thể tích )
- Kích thước hìnhhọc- Áp suất-Nhiệt độ dòngvào- Bố trí dòng
-Áp suất cao nhất/ thấp nhất- Nhiệt độ caonhất/thấp nhất-Hệ chất-Đặc trưng màng
- Cân bằng: vậtchất, nhiệt lượng- Mô hình chuyểnkhối-Hàm mục tiêu
22
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tối ưu hóa mô đun sợi rỗng dùng trong RO
• Các yếu tố thay đổi– - Áp suất trước màng– - Đặc trưng của sợi màng ( chiều dài, đường kính)– - Tính thẩm thấu của màng
• Các yếu tố không thay đổi– Áp suất tại đầu cuối của mô đun– Tỉ lệ đường kính ngoài/đường kính trong– Tỉ lệ màng trong môđun, độ rỗng của mô đun
• Các giả thiết:– Tổn thất áp suất trước màng pF không phải là hàm của vị trí– Phân cực nồng độ phía dịch đặc có thể được bỏ qua– Bỏ qua áp suất thẩm thấu
Cấu trúc các loại mô đun màng
Mod
FaPFaSpecP V
mnm ,
,
&& =
( ) ( ) ( )saFa
sMod LLdnLLDV +−
=+=ε
ππ144
22
Sơ đồ nguyên lý mô đun sợi rỗng dùng trong thẩm thấu ngược/RO
Nướctrong
Các ốngmàng
Dịch vào
ống phânphối
Dịch đặc
( )( )sa
FaPSpecP LLd
mm
+−
= 2,
,
14π
ε&&
Năng suất riêng của toàn mô đun
23
Cấu trúc các loại mô đun màng
Sơ đồ phân tố màng
Năng suất lọc của một sợi màng
( ) zapFPP ddzppAmd πρ )(−=&
P
P
i
p zmddz
dpρπ
μ )(1284=
1)(4
)( 2
<<′′
zmdzm
P
iP
&
& π
( )).cosh().cosh()()(
LHzHLzpppzp PFFp =−−=
Dòng nước lọc đi vào mô đun màngdựa vào phương trình cân bằng vật liệu
Tổn thất áp suất theo phương trìnhHagen-Poiseulle:
Điệu kiện: chảy dòng ổng địnhDòng thấm qua màng nhỏ hơn dòng chảy trongống rất nhiều
Tổn thất áp suất trong một ống màng
4128
i
a
dAdH μ
=
Cấu trúc các loại mô đun màng
Chiều dài tương đối
Áp
suất
tươ
ngđố
itươ
ngđố
i
Hệ số dẫn của màng A
( )).cosh().cosh()()(
LHzHLzpppzp PFFp =−−=
24
Cấu trúc các loại mô đun màngTối ưu CHI PHÍ CHẾ TẠO
Chiề
udà
isợ
i màn
gNăn
gsuất
riêng
Đường kính trong của sợimàng
( )).tanh(
).tanh(20, LHLHH
LHppAdms
PFPaFap +−= ρπ&
Dòng nước lọc trong ống dài L
( )( ) ( )
).tanh().tanh(14
20,
, LHLHHLHppA
LLdVmn
ms
PFPsaMod
FaPspecp +
−+−
== ρε&&
Năng suất lọc riêng của toàn mô đun
Cấu trúc các loại mô đun màng
Ápsuất
phía
dịch
đặc
Đường kính trong của sợi màng
Năn
gsuất
riêng
25
Cấu trúc các loại mô đun màng
Phạm vi sử dụng của các loại mô đun màng
Cấu trúc các loại mô đun màng
Tổng kết