系统组件

系统组件

一个膜系统不仅仅包括膜本身。本节将看重讨论膜系统中的主要组件。

加热/冷却和热交换器

在膜系统中常用多管(管式和壳形)热交换器用于加热和冷却。加热或冷却的介质在管子外面，而产品在内部。这种结构可以耐高压，因此可以耐压达70bar的设备还是比较常见的。

多管热交换器其工作方式不同于传统的盘式热交换器。主要不同点在于：

n 在一个信道内产品的温度变化很小，一般仅0.5℃或更小；

n 相比于热交换介质的流量，产品流量大。

由于产品的冷却需求不仅仅为了产品的加热或冷却还受水泵能耗的限制，因此一般选择多管热交换器。温度一般能保持一段较长时间。而通过一个多管热交换器的压降都比较低。

多管热交换器可以从APV-Pasilac和Uniq Filtra tion公司处购买。

阀门

在膜系统中不同行业需要不同类型的阀门，以下是一些例子：

n 乳制品行业：卫生级蝶阀和针式阀；

n 纯水行业：球阀和针式阀；

n 纸浆和造纸行业：任何型号，多数为球阀；

n 废水专案：任何型号，多数为球阀。

一些机械工程师声明，球阀和蝶阀不能用于流量或压力控制。理论上这可能是对的，但在模行业中实践同这种观点相矛盾。这些类型的阀门用于控制目的比较困难，但也不是不可能。球阀和蝶阀的一个有利的方面是，它们具有允许流量和压降有较大不同的性能，如此被用来获得生产和清洗的正确条件。

在膜系统设计中一个主要头痛的问题是高体积浓缩率的回流设备，这意味着系统必须根据小流量浓缩来控制。在这儿用的阀门是一种针式阀。如果浓液中不含有悬浮固体，这种类型一般能运行良好，但很少的悬浮固体却能通过针式阀，严重阻塞浓缩口而导致控制问题。

当在含有悬浮固体很多的液体中操作时，控制问题可以通过“止水浓缩阀”来解决。方法如下：系统中安装有两个定时器和一个自动阀，此阀一般情况下全关。定时器1控制阀门开启的周期长度，定时器2控制阀门开启的时间。当定时器1启动时，浓缩阀全开，浓缩快速进行。当定时器2启动时，浓缩阀完全关闭。用这种方法可以得到精确的浓缩控制。

用于浓缩的控制阀对在反冲洗过程(CIP)中所需的大水量来说太小。因此，需要平行于浓缩阀安装一个反冲洗阀门，(见图2)，反冲洗阀一般是一个3或4路蝶阀，如果从T形接头到阀门的管道的长度短于或等于管道内径的三倍，这种设计可以被认为是卫生级的。在RO系统中，可能可以使用一种大口径的低压活塞阀，虽然这有些违背原则。其诀窍是通过挤压出口的密封将高压引向活塞的一侧，换句话说将水流引向标准方向的相反，在生产过程中，压力使阀门保持关闭，阀门无法打开。在反冲洗和冲刷过程中，管线的压力很低以致阀门无法打开。(发明者：Tom Sirnes)

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图2 浓缩阀

根据教科书所说，球阀和蝶阀由于其性能因素不适合用于调节。但经验表明这类阀门在膜过滤工厂中可以用于调节。

泵也可用作特殊的阀门。在处理有高粘度产品和许多悬浮固体的液体的系统中，带变频器的正位移泵可以用作背压阀。这也可以用来剪切敏感产品如蛋白。

压力测量

在膜过滤系统中压力是驱动力，必须被监测。以前只可以使用含有振动板的测量仪，并且必须经过充分减振。使用Bourdon类型的测量仪的一个主要问题是无法调节并且无法精确地读出压力。

本人喜欢使用压力变速器，因为它们可以提供更加精确的读数并很容易标定。采用信号可以用于数据记录，并实现膜系统的电子控制。压力变速器的精确度一般高于Bourdon类型的测量仪10倍，这对于膜系统中压降的确定非常重要，是一个非常重要的测量参数。如果压降的增加超过正常值，而流量条件正确，那么表明发生了物理缩比例或膜阻塞。

用普通的测量仪几乎无法测量压降，因为对于一个40bar的操作压力，压力测量仪可能的最大压力指示会达到60或100bar。即使是很好的压力计其误差值有1％，通过转换达1bar。为了计算压降，用读出的进口压力减去出口压力。如果一个压力计显示40bar，另一个为38bar，由于压力计本身的误差，真正的差值一般在0～4bar。换句话说，压力计导致较高的错误结果，而压力变速器可以提供更可靠的资料。

流量测定仪

在膜系统中需要严格的流量测量和控制。一般使用转子流量计，它们在由操作员进行日常读数的系统中足够了，但也有些缺点，它们一般只提供一个视觉的读数而不提供可以数据记录的数据。因此，如果产品是比较混浊或带有颜色，它们几乎没有用，且如果产品的密度或粘度不同于水它们的读数也不正确。总之，它们只能用于日常监测。

如今一直使用的流量计是电磁流量计。虽然电磁流量计看起来较贵，但它非常精确，可以测出系统中的实际流量。丹麦Sikeborg公司的ProcesData流量计价格不贵且质量相当好，可以满足乳制品行业的卫生级标准，还有许多大的电磁流量计供货商，如Krohne(德国)、Siemens(德国)Fischerard、Porter(英国)、Danfoss(丹麦)。

市场上多数流量计都用于普通场合，其实还有许多其它的类型，如Burchert流量计使用一个小的信号装置指示流量。由于这种流量计可以耐受90℃高温和高压，因此可以用于许多案例的测试。但不适用于流量大、产品中颗粒和纤维多的场合。

我们应该特别注意透过液流量计。这里的问题主要是用于生产和反冲洗循环过程的透过液流量计是很不同的。在超滤系统中，反冲洗流量一般要高10～30倍。在这种情况下，流量计变成了一个喉结，这不是我们所希望和接受的。解决的方法之一是为反冲洗装置设置一个旁路阀，另一种方法是选择的电磁流量计口径应同时适合于生产和反冲洗的流量。

极少的流量计能耐受RO和NF系统中的压力、pH和温度。因此为这类膜过程选择流量计时必须特别注意。

储罐设计

膜系统中使用的储罐为了便于排水彻底应作成圆锥形或斜底。否则一些颗粒、晶体或其它沈淀物质将积在储罐底部，迟早导致一些化学的、机械的或生物细菌的问题，或者三种问题同时发生。同时储罐的盖子应较松，便于冲洗和人工清洗。

不管是否可能，储罐内部不设加热盘或液位开关也是非常重要的。所有的测量装置应该置于储罐外部。液位控制最好使用压力传感器，温度测量装置可以用管子连通装置而不要置于储罐内。

储罐最适宜的材料是不锈钢。其它多数材料都有内在的温度限制。

在大型的超滤(UF)系统中，一般在进水平衡槽旁设置一个渗透液槽，按 一般惯例是建两个储罐作为一个溢流单元。这样可以在生产过程中将透过液和浓液分离开，但是当把超大流量作为透过液时，在冲刷过程和反冲洗过程中允许透过液自流入进水平衡槽，这样的作法在许多膜系统中被证明是很切实可行的。

图3 两个进水储罐

使用一个压力传感器和两个气动阀可以使液位控制比较便宜。储罐内的液位传感器可以将液位转换成3～15psi的信号，而两个控制进水和出水压力的气动阀负担各自的范围，一个在3～9psi(水阀)下操作，而另一个在9～15psi(产品阀)下操作。见图3，两个进水储槽。Uniq Filtration生产了用于食品行业的卫生级液位传感器。

当储罐是空的时候，两个阀门全开。当液位上升时，水阀全关，到达某一稍高液位时，产品阀门开始关闭，准备调节进入储罐的产品的量。这是一个很好的方法，供水作为一个安全措施，也使清渣和清洗变得容易，开始清渣时，先停止产品流量。

我们建议采用手动的可调节的压力传感器进行进水阀门的调节；这种方法比较简单，而且在实际运用中工作良好。

夹子、法兰和螺纹

在所有的项目中被证明使用良好、稳定、可靠的唯一的连接系统是三叶型夹子(Trillaer type clamp)。虽然此类夹子价格有些贵，但它对于夹住直径6英寸内的管件时有许多优点。对于直径超过6英寸的管件，一般使用其它品牌的高质量的法兰，因为三叶夹子(Tri-clamp®type)允许的压力有限。人们不太接受三叶夹(Triclamp)，但还被广泛使用，Tri-clamp®的名称已被广泛使用，且被用来取代传统的Triclover产品的名称。

如果是经济上的原因，不应使用螺纹接头。因为它们不够卫生且难于正确地拆卸和安装。

法兰的类型很多，但卫生级的实际上只有一种类型，它们一般都是体积庞大且重，因此一般用于化学工业。

结构材料

根据作者的观点，有一个简单的原则可以避免膜系统中的许多机械问题：在膜系统中和液体接触的所有部件和设备都使用高质量的不锈钢。这听起来似乎是一个昂贵的建议，但是当您经过几年的操作运行后，看到了高分子材料、非不锈钢材料的失败和缺陷，不得不耗资改型时，对于我的建议就不会感到奇怪了。和分离液体直接接触的组件不能使用普通的钢铁，否则铁锈的形成，并且铁屑、薄片进入膜系统将带来无数的麻烦。

在许多行业中，使用不锈钢作为结构材料不仅普遍而且还是强制性的，象乳制品、制药和石油化工行业。在水脱盐处理一般还使用pvc、铜和一些低档的不锈钢。但实践证明，长期运行后，其缺陷将较难被接受。

一般直径3英寸以内的不锈钢的价格还较易被接受，甚至直径4英寸的也不是太贵。但4英寸以上的价格却涨势惊人，因为大口径不锈钢的需求量很小。

注意“不锈钢”这个定义并不是很确切，因为材料的耐腐蚀性只是在特定的条件下的。例如，北海(North Sea)的海水问题较多，但可以用普通不锈钢处理，大概是因为海水较冷。而来自红海(Red Sea)的海水比较温热，具有很强的腐蚀性，因此需要使用更好、更贵的不锈钢。

在膜系统中，有效的清洗系统有助于防止不锈钢的部分锈蚀，而且终有一天通过彻底地清洗可以解决这个问题。更好的清洗方式可以用硝酸使不锈钢表面钝化。实践证明这种 操作可以使系统保持许多年，除非系统很快被腐蚀。

在膜系统中一般只使用高质量的高分子材料，包括聚砜(PSO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、C－PVC、Delrin和一些其它耐化学品、耐温的机械强度较高的材料。然而，在低价水市场中应用最广泛的是聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，因为对于这类场合它们已可以适用了。

以下产品是纯质材料：

ABS－在水脱盐系统中是非常有用的材料；

Delrin－亦称为DOM；是一种非常好的材料，最大的缺陷是抗低pH环境的能力较差；

PE－聚乙烯化学稳定性好，但温度稳定性有限；

PP－聚丙烯是一个纯化学的耐受力强的高分子材料，温度稳定性有限，但已有增强的趋势；

PSO－在膜应用工程中有许多不同类型的聚砜材料。在膜系统中它具有完全地耐温和耐pH能力。其主要缺点是易脆，且对酮和芳香族化合物较敏感；

PVC－PVC大都用于低压管，价格便宜，但有很严格的温度限制，只能用于无特殊要求的项目，如地面水脱盐等；

C－PVC－氯化PVC比一般的PVC的温度稳定性更好些。但目前由于PVC行业的政治原因可能在将来会把PVC材料排除在外；

PVDF－一种非常好的材料，但价格相当贵，其热稳定性好，且化学稳定性几乎和特氟隆(Teflon)一样稳定。

以下是一些复合材料：

GRP－玻璃纤维增强聚酯(玻璃钢)被广泛应用于膜壳。虽然它有一些明显的缺点，但已成为水脱盐处理中的标准材料，其主要的优点是防腐性能好，价格低廉；

Epoxy(环氧)－一种仅由德国Membratec制造的很特殊的类型，膜壳是薄壁型的，但不能耐高压。

确定垫圈的材料往往是一个容易被人遗忘的部分。在许多场合经常适用EPDM。在这里，不要仅为了省钱，象腈橡胶这种便宜的材料使用寿命短。因此每次更换垫圈的费用和麻烦都比较大。

管道

在膜系统中许多管道，通常很容易找到需要材料。通常乳制品类型的管道最好，且价格最便宜，只因此其生产数量庞大，乳制品管的内壁的质量和性质非常好。

由于焊接产生许多潜在的腐蚀危险，因此应尽可能避免焊接。在管道系统中使用抽拔方式制造T型接头和支管。这种方式在乳制品行业应用广泛，且对薄壁管道很容易制作。