膜接觸器中的膜組件
人們研究了不同組件制成的膜接觸器的性能。平板膜組件由于容易做成小型設 備而且膜易于更換，主要在實驗室中應用。通常是把一張平板膜夾在兩塊設有流體 ? 入口和出口通道的板中間（圖3.1）。
中試規模和實驗室規模的膜接觸器則要求單位體積設備能提供更大的膜面積, 平板膜用在板框式或者螺旋卷式結構中。在脫鹽實驗中，Andersson等人⑴應用了 板框式組件，而Gore⑵和Koschikowshi等人⑶應用的是螺旋卷式組件。
在高黏度流體的膜蒸憎中使用過管式膜組件。然而在工業規模的應用中，人們 更傾向于使用裝填密度高的中空纖維組件。
在組件的設計當中需要考慮的一個重要參數是為達到指定效果所需要的組件長 度。該長度可用下式計算：
? ?
L=HTUXNTU???????????????????????????????????????????????????????????????????（3-1）
式中HTU——傳質單元高度，m；
NTU——傳質單元數。
該式對于傳統的傳質設備和膜接觸器均適用。
與填料塔不同，膜接觸器還可以水平放置，此時用傳質單元長度LTU?（Length of the Transfer Unit）來代替?HTUO?? LTU?用下式計算⑷：
LTU=t?-?????????????????????????????????????????????????????????????????????（3-2）
Ka
式中?v---- 流體速度，m ??????????????;
K——整個組件的平均總傳質系數，m?sT；
a——相界面積，m2。
式（3-2）表明，由于膜接觸器提供了巨大的傳質面積，故其傳質單元長度?LTU比傳統的傳質設備小得多。
在考慮采用何種類型的組件時，應當依據以下幾個主要目標：
（1）???????達到盡可能高的傳質速率；
（2）???????減少和控制膜污染；
（3）???????流動阻力??；
（4）???????組件各個部位的性能均穩定。
為了限制濃差極化現象，這些年來人們對第一代的組件結構進行了幾點改進。 首先，在組件中引入湍流促進器來減小邊界層阻力⑸。在膜蒸憎時有人用超聲波 ? 處理來提高膜通量（增至200%）"]°采用彎曲的膜組件可在流場內造成迪恩 （Dean）渦流，從而有利于流體的混合⑺。
作為工業界最感興趣的結構形式，人們做了許多研究來改進中空纖維組件的性 能。在設計時，需要考慮很多因素，如膜的性能（孔隙率、厚度、曲折因子）、裝 ? 填密度、纖維的長度和直徑、操作的流速、壓力和濃度、流體的物理性質、壓降和 穿透壓。組件內的流動形式也需要仔細選擇。例如，錯流流動的傳質系數高于并流 和逆流，但其壓降也高于后者。正如在第4章將要提到的，膜接觸器放大的一個主 要障礙在于沒有一個通用的關聯式來預測殼程的傳質系數，這與殼程發生的因溝 流、旁流、混合和入口區現象引起的非均勻流動有關，這些非均勻流動現象常由纖 ? 維變形、纖維的不均勻分布、纖維直徑的多分散性和停滯區的存在等引起的。中空 纖維組件最初的設計是流體平行流動的管殼式結構（圖3.2）。
在這種結構中殼程容易發生如上所述的殼程液體的不均勻分布，從而降低傳質 效率。若料液在纖維管內流動，流動的不均勻分布會有所降低，但是也會造成壓降 ? 升高。因此，人們做了大量的研究來改進組件設計，提高殼程的傳質系數。例如在 殼程中引入折流擋板造成橫向流動，形成局部擾動，從而促進傳質〔8旬°圖3.3是 一個帶折流擋板的組件。在隨后本章的第3. 3小節和第3. 4小節我們將分別討論在 世界各國開展的對中空纖維組件的理論研究和實驗測定。
?中空纖維組件的理論研究
先介紹幾個殼程存在不均勻流動時分析中空纖維組件性能的數學模型。文 獻U。,11］研究了隨機裝填組件內的流動分布和纖維分布。最近，Wu和Chen"2］針 對用于水脫氧的隨機裝填的中空纖維組件，估算了當流體平行流動時殼程流體的不 均勻分布對于傳質的影響。他們利用纖維隨機分布模型和Leveque方程建立了傳質 系數模型，并比較了理論預測值與實驗結果，得到的結論是：只有當流體沿殼程發 生軸向層流流動時，該模型才能較好地預測系統的性能。Lipniski和Fields］計算 了在殼程發生軸向流動時殼程的分傳質系數，該模型考慮了填充率和入口效應對傳 質的影響。他們用局部傳質系數來分析殼程的不均勻流動對傳質的影響，預測出的 ? 趨勢與那些在更寬操作流速和填充率范圍內適用的許多經驗關聯式的結果一樣。 Lemanski和Lipscomb】⑷分析了殼程流動對中空纖維氣體分離器性能的影響。在 其系統中，既有流體在進口和出口之間橫穿纖維流動的錯流，同時也有沿著纖維長 度方向的流動即平行流，因此建立了二維模型來描述這兩種流動。該模型還考慮了 ? 纖維填充率、壓力場和流場（達西方程）的影響。該模型的預測值與實驗數據（取 自一殼程進料的空氣分離器）的吻合程度優于一維柱塞流模型。
纖維尺寸不一致是非均勻流動的另一個重要原因。例如，Lemanski^J等人研 究了纖維性質（尺寸、滲透性和選擇性）對于錯流中空纖維氣體分離器性能的影 響，發現尺寸分布對該過程的影響最大。Wickramasinghe等人［⑹提出了預測管內 分傳質系數的關聯式，該式考慮到了纖維尺寸差異的因素，并假設纖維半徑呈高斯 分布：
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3.4新型膜組件
為了提高膜接觸器的效率，人們開發了不同類型的新組件。如前所述，最早的 嘗試是在管殼式的組件內引入折流擋板，旨在促使流體橫向流動，提高傳質系數。 ? Wang和Cussler⑻在裝有編織纖維的方形和圓柱形組件中應用了折流擋板。方形 組件由于相鄰纖維間存在停滯區，因此傳質系數較低。Wickramasinghe等人⑴]的 實驗發現編織纖維組件的性能優于纖維自由裝填的情況，因為此時纖維的分布更 均勻。
Bhaumik等人[⑼設計的組件實現了管程和殼程流體的錯流流動。他們將一個 ? 由纖維編織成的纖維墊纏繞在中央管上，液體由這個中央管即液體分布器來分布， 將這種組件用于水吸收CO?氣體，并測定了其操作效率。圖3.4給出了這種組件 的結構。
Wickramasinghe等人[閭在四種均是錯流的組件中進行了水脫氧實驗，并將結 果與平行流圓柱形組件相比較。所有錯流組件的氧脫除率均高于平行流圓柱形組件 ? （7%）。脫除率最高的是方形纖維束組件（脫除率98%）,其次是螺旋形纖維束組 件（86%）,然后是圓柱形纖維束組件（82%）,波紋平板組件的脫除率為72%。
Wladisavljeme和Mitrovic^o〕最近提出了具有框單元的三相中空纖維膜接觸器。該組件由一系列子單元構成。每個子單元由多邊形的帶有內框和外框的板構 ? 成，內框上裝填了中空纖維，外框上有供流體流入和流出纖維的入口和出口。板可 以是單軸的用于兩相傳質，亦可是雙軸的用于三相傳質。圖3. 5示出了單軸和雙軸 的內框。
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研究者指出這種組件與傳統平行流組件相比的優勢：纖維長度可單獨調整而不 影響組件長度；纖維規律排放，防止纖維外部的流動不均勻；可以僅僅更換帶有損 ? 壞纖維的子組件。該組件的殼程壓降小于管程壓降。他們發現管程的阻力損失主要 取決于局部阻力，而非流體沿纖維長度流動的阻力。
最近公開了一些關于組件設計的專利。
荷蘭專利［21］設計了方形組件，將纖維的位置均勻固定，以保證流動均勻分布。 該系統的傳質系數高、壓降小、易于放大。其中試規模的設備已經在不同場合中成 ? 功應用［22］。該公司還獲得了另一新型膜組件的專利權，可以分離高壓氣體［23］。該 組件將中空纖維放置于壓力容器內，可用于吸收像CO2和H2S等通常存在于天然 氣或石化氣中的組分。
日本的Nitto Denk。公司取得了一個螺旋卷式膜接觸器的專利權⑵］。該裝置 中膜纏繞在一個中央進料管上。用該組件將水臭氧化，測得它比中空纖維組件能達 到的水臭氧含量高10%。
組件排列
在實際應用中，用單個組件通常不能達到預定要求，需要將多個組件組合起 來。與其它的膜單元一樣，膜接觸器可以串聯或并聯排列（圖3.6）。串聯的優點 是效率較高（例如，可將料液處理至較高的純度），而并聯的好處是處理量大。為 達到預期的性能，有時這兩種形式都需要，就有了并聯和串聯組合的排列方式。
在確定組件的排列方式時，控制系統內的壓降至關重要。由于穿透壓的問題， 對于膜接觸器而言，壓降限制比其它的膜設備要嚴格得多。一般而言，并聯組件的 ? 數目隨串聯組件數目的增加而減少，但是串聯組件的數目越多，壓降越大。因此, 存在一個最優化的問題。另外，串聯組件的數目越多，流體流動的速度越低，因此 不利于傳質。有時采用“樹形結構”可使流體在所有組件中的流速一致。在這種排 ? 列中，流體流動過程中截面積逐漸減小。在圖3.7中，總的膜面積逐漸減小，然而 ? 壓降逐漸增大。
膜組件的排列方式應根據應用條件、設備投資和操作成本來優化。選擇設計組 件排列時應考慮的主要因素有：處理量、壓降、膜面積、泵消耗的能量、產品所需 ? 的純度和傳質效率等等。
商品膜組件
一些商業組件可用于膜接觸器，有的由不專門設計膜接觸器的公司生產。比如 德國的Microdyn ? Technologies公司(Enka)主要生產用于過濾的組件，但也提供 用于膜蒸懈的帶聚丙烯毛細管膜的組件宙，26］。
為了減少膜接觸器內的污染和阻力損失問題，Membrane公司(Minneapolis, ? MN)開發了一種無泡氣液傳質組件，其內的多個纖維束可被外部流動的流體流 化。將纖維的一端封閉，100%的氣體可通過膜傳遞。在低裝填密度、高湍動的條 件下運行時，不會出現懸浮固體的堵塞，阻力損失較小。
W. L. Gore & Associates公司(Elkon, ? MD)向市場推出了水的無泡臭氧 ? 化組件(DISSO3 LVETM),該組件的特點是抗臭氧的PTFE纖維呈螺旋狀 排列。
Sepracor公司的產品是管殼式疏水和親水中空纖維微孔膜組件。
GVS Spa公司(意大利)生產專用于調節空氣濕度的平板膜接觸器。采用微 ? 孔的超疏水膜(PTFE、PVDF或PP,經處理增加其疏水性)、板框式結構。該組 件與傳統的空氣除濕器相比具有若干優點，如設備的投資和操作費用降低了 ? 50%, 阻力損失小，噪聲低MJ。
Membrana-Charlotte 公司是 Cellgard ? LCC 公司的一部分，擁有包括 ? Liqui-Cel Extra-Flow在內的各種商品中空纖維組件。
該組件主要用于氣液體系，例如電子工業所用的超純水、水碳酸化、水脫氣 等，但是它也曾被成功地用于液液萃取和滲透蒸懈28,29］。其特征在于殼程設立了 中央折流擋板，強迫殼程液體在垂直于纖維的方向流動，從而強化傳質，并且流動 阻力小。與平行流相比，可減少傳質阻力和改善殼程液體饒流的情況。此外，由于 ? 采用了編織纖維使纖維的分布更均勻。圖3. 8是一個用于水脫氧的組件。圖中有關 于殼程流體的流動方式和纖維尺寸、纖維排列及組件結構的信息。
圖3. 9是幾組不同規格商品組件的照片。Sengupta等人開發了一個程序用
于預測各種規格的結構相似（相近裝填密度，相同中空纖維）的LiquiCel組件的 分離性能。
?Compact Membrane Systems公司（美國）開發了一種復合膜，在幾種多孔支 撐層（聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚硯等）上涂上無孔的全氟分離層。有中空纖維膜， 也有平板膜。該復合膜的特征在于其無孔層的接觸角比支撐層的大，并有優異的熱 ? 穩定性。此外，無孔層保證了在高壓操作時不存在穿透的問題。該膜的氣體通量較 大，可在諸多領域中應用，如無泡進氣/脫氣、便攜式呼吸治療器、排放控制等等。 該公司平板組件和中空纖維組件都生產。
Mykrolis公司（美國）設計了用于水臭氧化的組件，其中的氣體滲透膜是用 ? 專利技術生產的中空纖維。
幾種商品組件的主要特點總結于表3. 3。
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