連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)中陶瓷膜過濾特性研究

張鳳莉，孫亞峰，楊阿三

（1.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014；2.南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通226017）

連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)中陶瓷膜過濾特性研究

張鳳莉1，孫亞峰2，楊阿三1

（1.浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014；2.南通江山農(nóng)藥化工股份有限公司，江蘇南通226017）

陶瓷膜組件具有較高的分離效率且穩(wěn)定性好，本文是將多相反應(yīng)器與陶瓷膜過濾組件組成連續(xù)裝置，以期實現(xiàn)液固分離和操作的連續(xù)化，以空氣-水-活性炭三相為研究介質(zhì)，對其過濾特性進行研究，結(jié)果表明：陶瓷膜組件能夠確保在較長時間內(nèi)過濾的穩(wěn)定性；過濾通量受過濾壓力的影響較大，過濾壓力越大過濾通量越大；過濾通量隨著循環(huán)流量的增大而增大。

三相流化床；陶瓷膜組件；液固分離；過濾

陶瓷膜組件是指包括膜及其支撐體、與膜連接的管道、將膜密封起來的膠圈、膜的外殼、進出料口等在內(nèi)的，按照要求將其組合起來的從而使膜起到分離過濾作用的構(gòu)件。陶瓷膜組件在諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。陶瓷膜組件具有較高的分離效率，良好的抵抗能力且穩(wěn)定性好，可以耐酸堿、高溫以及大部分有機溶劑，因此，其具有良好的抵抗外界污染和再生的性能[1，2]。除此之外，陶瓷膜組件還具有較高的機械強度、較小的過濾阻力以及較低的能耗和較長的使用壽命，加之操作維護簡便，因而廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、精細化工和植物深加工等領(lǐng)域[3-7]。陶瓷膜分離屬于壓力驅(qū)動型分離，一般采用“錯流過濾[8]”的流體分離過程。錯流過濾是在過濾的時候，一部分料液平行的流過膜表面回到原釜中，在錯流過程中的切向水流會把膜表面的污染物帶走，從而減輕了膜污染，延長了反洗時間。

本文以水、空氣以及活性炭為三相實驗體系，在多相反應(yīng)器與陶瓷膜組件組成的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)中，對活性炭和物料進行過濾，以期達到活性炭與物料的有效分離。探討了陶瓷膜過濾組件過濾的穩(wěn)定性以及壓力、循環(huán)流量對陶瓷膜通量的影響，為以后的工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

本研究采用的陶瓷膜管的結(jié)構(gòu)見圖1，膜管數(shù)量為6，長度為1016mm；每根膜管通道個數(shù)為19，通道直徑為4mm。陶瓷膜的結(jié)構(gòu)分為支撐層、過渡層和膜層3部分。陶瓷膜由支撐層到膜層的孔徑分布逐漸減小，最終，形成非對稱結(jié)構(gòu)。陶瓷膜進行分離，主要是在外力的作用下，料液通過膜管時，含小分子物質(zhì)的滲透液沿與之垂直方向向膜外透過，而含大分子物質(zhì)的濃縮液被膜截留在陶瓷膜管中，沉積或者吸附在陶瓷膜表面的固體顆粒隨著物料通過膜管，從而使物料中不同的物質(zhì)達到分離到目的。

陶瓷膜組件過濾特性研究的實驗裝置見圖2，為了降低固體顆粒沉積形成濾餅，本設(shè)計采用“錯流過濾”方式對活性炭和水進行過濾。實驗流程分為兩部分：（1）外循環(huán)式多相反應(yīng)系統(tǒng)：料液經(jīng)進料泵1將物料輸送至多相反應(yīng)器3，由主循環(huán)泵4從反應(yīng)器底部吸出經(jīng)過電磁流量計5形成外循環(huán)；（2）過濾分離系統(tǒng)：主循環(huán)泵4排出的部分物料經(jīng)過陶瓷膜組件循環(huán)泵6將物料輸送至陶瓷膜，經(jīng)過陶瓷膜組件過濾之后，濃縮液經(jīng)陶瓷膜內(nèi)側(cè)回至反應(yīng)器3，水從陶瓷膜過濾出來經(jīng)由電磁流量計9流至液體罐10。

圖1 膜管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram ofmembrane tube

圖2 實驗裝置與流程Fig.2 Experimental device and flow 1.進料泵2.電磁流量計3.反應(yīng)器4.主循環(huán)泵5.電磁流量計6.循環(huán)泵7.陶瓷膜組件8.電磁流量計9.電磁流量計10.液體罐

1.2 實驗條件

氣液固三相分別為空氣、水以及活性炭（粒徑5～10μm）。反應(yīng)釜工作壓力為0.3MPa；活性炭：1% (wt.%)；進氣量為3～4m3·h-1；主循環(huán)泵上的流量為17m·3h-1；陶瓷膜工作壓力為0.3～0.6MPa。

1.3 實驗方法

1.3.1 陶瓷膜組件過濾壓力的測定過濾壓力是指膜管內(nèi)壓力與滲透側(cè)壓力的差值，是影響過濾通量的一個重要因素。膜管內(nèi)壓力的大小主要是通過陶瓷膜組件進料閥門進行調(diào)節(jié)，壓力可通過壓力表A、C直接讀取，滲透側(cè)壓力則可直接通過壓力表D讀取。

1.3.2 陶瓷膜組件循環(huán)流量的調(diào)節(jié)陶瓷膜組件過濾管路上的循環(huán)是指兩個過濾器之間的循環(huán)，是影響過濾通量的一個因素。循環(huán)量的增加會使過濾器內(nèi)流體的湍動程度增強，增大料液對膜管污染物的沖刷作用。本文主要是通過調(diào)節(jié)陶瓷膜組件循環(huán)泵6的變頻器的大小來控制循環(huán)量的大小。

1.3.3 陶瓷膜組件過濾通量的測定陶瓷膜過濾通量是表示陶瓷膜過濾能力的物理量，定義式為：Φ=Q/A g，表示單位面積的陶瓷膜管所能過濾出的濾液的速度。

式中A g：陶瓷膜管有效過濾面積，約為1.5m2，Q：陶瓷膜過濾清液的體積流量（m3·h-1），在連續(xù)化生產(chǎn)過程中，當過濾穩(wěn)定時，陶瓷膜過濾清液的體積流量即為物料進入反應(yīng)器的液體體積流量，由電磁流量計2直接測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷膜組件的過濾穩(wěn)定性

對于反應(yīng)與過濾組合的連續(xù)操作來說，只有在保證過濾相對穩(wěn)定的前提下，才能夠使多相反應(yīng)器內(nèi)液位的相對穩(wěn)定，確保連續(xù)化操作的正常進行。

圖3為空氣進氣量3～4m3·h-1、反應(yīng)釜3內(nèi)工作壓力0.3MPa、主循環(huán)體積流量為17m3·h-1時，不同過濾壓力下測定的過濾通量隨時間的變化。

圖3 過濾穩(wěn)定性Fig 3 The stability of the filtering

由圖3可以很明顯看出，在不同過濾壓力下，過濾通量受其過濾時間的影響很小，基本處于恒定值。其原因分析如下：本研究所用到的料液濃度較低，在過濾過程中對膜的污染很小；本研究所用到的過濾方式為錯流過濾，在過濾的時候，部分料液平行的流過膜表面回到原釜中，在錯流過程中的切向水流會把膜表面的污染物帶走，從而減輕了對陶瓷膜內(nèi)表面的污染，因此，陶瓷膜可以在一定時間內(nèi)維持膜管內(nèi)的抗污染能力。

因此，采用“錯流過濾”方式設(shè)計的陶瓷膜組件，在一定的過濾時間內(nèi)，可以確保陶瓷膜能夠維持一定的過濾通量，表明過濾具有良好的穩(wěn)定性，因此，多相反應(yīng)器與陶瓷膜組件組成的連續(xù)裝置進行液固分離可以長期穩(wěn)定的運行。

2.2 過濾壓力對過濾通量的影響

在空氣進氣量為3～4m3·h-1，反應(yīng)釜內(nèi)工作壓力為0.3MPa，主循環(huán)體積流量為17m3·h-1時，探究了陶瓷膜組件不同過濾壓力對過濾通量的影響，過濾通量隨其過濾壓力的變化見圖4。

圖4 過濾壓力對過濾通量的影響Fig 3 Effect of filtering pressure drop on filtering rate

由圖4可以看出，陶瓷膜組件過濾壓力對其過濾通量影響很大。隨著陶瓷膜組件過濾壓力逐漸增加，陶瓷膜組件過濾通量逐漸增大，但增大的趨勢逐漸變緩。主要原因分析如下：陶瓷膜分離屬于壓力驅(qū)動型分離，過濾壓力增加則過濾推動力增大，料液中小于膜孔徑的小分子物質(zhì)受擠壓透過膜孔進入到滲透測，因此，過濾通量增加。但過濾壓力增加也會加速固體顆粒在膜內(nèi)表面的沉積，從而導(dǎo)致陶瓷膜的過濾阻力增大，抵消掉了部分增加過濾壓力對增加過濾通量的作用，因此，出現(xiàn)隨過濾壓力的增加，過濾通量增大的趨勢變緩的現(xiàn)象。

2.3 陶瓷膜組件循環(huán)流量對過濾通量的影響

在空氣進氣量為3～4m3·h-1，流化床反應(yīng)器內(nèi)工作壓力為0.3MPa，主循環(huán)體積流量為17m3·h-1時，在陶瓷膜組件不同過濾壓力下，探究陶瓷膜組件循環(huán)量對其過濾通量的影響，由于循環(huán)泵頻率與循環(huán)流量成正比，因此，本研究用循環(huán)泵變頻來表示循環(huán)量的變化，見圖5。

圖5 不同過濾壓力下循環(huán)流量對過濾通量的影響Fig 5 Effect of liquid circulation velocity on filtering rate at different filtering pressure drop

由圖5可以看出，在不同陶瓷膜組件過濾壓力下，陶瓷膜組件過濾通量隨循環(huán)泵變頻變化趨勢一致，即隨著陶瓷膜組件循環(huán)泵頻率增大，過濾通量增大。原因分析如下：在其他條件都不變的前提下，隨著循環(huán)泵頻率的增加，循環(huán)流量增大，即物料在陶瓷膜組件中的流動速度加快，提高了物料在陶瓷膜內(nèi)表面的剪切速率和沖刷效果，能有效地將陶瓷膜內(nèi)表面沉積和吸附的固體顆粒清洗掉，減少固體顆粒對陶瓷膜的污染，因此，陶瓷膜的過濾通量將隨著循環(huán)泵頻率的增大而增大。

3 結(jié)論

（1）在多相反應(yīng)器與陶瓷膜組件組成的連續(xù)反應(yīng)系統(tǒng)中，在一定的過濾時間內(nèi)，過濾通量幾乎沒有變化，因此，此連續(xù)系統(tǒng)能夠確保在較長時間內(nèi)過濾的穩(wěn)定性，為以后的連續(xù)化生產(chǎn)提供依據(jù)。

（2）過濾通量受過濾壓力的影響較大，過濾壓力較低時，隨過濾壓力的增加過濾通量增加的較快；過濾壓力較高時，隨著過濾壓力的增加，過濾通量增加的的趨勢逐漸平緩。

（3）陶瓷膜組件循環(huán)流量對過濾通量有影響，循環(huán)量越大過濾通量越大。

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Research of ceram icmembrane filtration characteristics in continuous reaction system

Z HANG Feng-li1，S UN Ya-feng2，Y ANG A-san3
（1.Institute of Chemical Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014，China；2.Nantong Jiangshan Pesticide Chemical Co.,LTD,Nantong 226017，China）

s：Ceramic membrane module has high separation efficiency and good stability.In this thesis,we makemultiphase reactor and ceram ic membrane filtration components a continuous device,in order to realize the solid-liquid separation and continuous operation,we used three phases system including air,water and activated carbon as our study medium,studying its filtration characteristics,investigating the stability of the ceram ic membrane filter components and membrane filtrating pressure and the effect of circulation pump frequency conversion on the components of ceramic membrane filtration flux.The results showed that the ceramic membrane components can ensure the stability to filter in the longer term;Filtration flux are greatly affected by the filtration pressure proportionally,the greater the filtrating pressure,the larger the filtration flux will be;In addition to this,the filtration flux increaseswith the growth of circulation flow rate.

three phase fluidized bed；ceramicmembrane component；solid-liquid separation filtration

1002-1124（2014）07-0077-04

2014-04-14

張鳳莉（1987-），女，在讀研究生碩士，研究方向：多相反應(yīng)器的連續(xù)氧化過濾。

導(dǎo)師簡介：楊阿三（1967-），男，副教授，從事化工技術(shù)與裝備的研究。