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


Cùng chiều

Cùng chiềuNgược chiều

Ngược chiều

cùng chiều

Ngược chiều

3


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


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



Đầu vào và đoạn cong trong mô đun 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



Màng Zeolith lắp trong ống thép không gỉ



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


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



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



Lắp màng trong một ống vỏ

Vỏ chịu áp

Vòng đệm

Lõi mô đun

Khớp nối



Multibore của công ty inge, CHLB Đức

9



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


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



11


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


Mô đun màng phẳng Pleiade của công ty Rhodia

Kênh thunước trong

Cửa ranướctrong

Cửa dẫndịch vào

Cấu tạo một bảnphẳng

12


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


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


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


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


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


Mô đun nhúng chìm của công ty Koch

Bọt khí

Màng maoquản

Nướctrong

Sục khí ở tâm

18


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


Đan chéo các ống màng


Màng phẳng có hình dạng khác nhau

20


Mô đun quay


Cấu trúc mô đun màng quay dùng trong MF/UF của Westfalia

Nướctrong

Màng

Dịch vào

21


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


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


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


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

=


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


Ápsuất

phía

dịch

đặc

Đường kính trong của sợi màng

Năn

gsuất

riêng

25


Phạm vi sử dụng của các loại mô đun màng


Tổng kết

Documents

Công nghệ màng