优化参数和系统的操作

优化参数和系统的操作

一个良好运行的膜过滤系统必须具有合理和稳定的通量，并且能耗尽可能低。为了达到这些目标，必须优化相关的物料通量、压力和温度方面的操作参数。就象前文所说的那样，过分大的渗透通量并不是系统的目标，而且还会导致不稳定的操作。

如图23所示，通量是压力的函数，它是一个综合性图表，然而却是基本正确的。

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图23 通量——压力的函数

通量——压力的函数

反渗透系统中的一般原则是：当平均压力(NDP)翻倍，通量也翻倍。

纳滤和反渗透相同，但通量和NDP的关系并不象反渗透一样是线性的。

超滤则更困难些。如果进水压力提高几个巴，而通量实际上却下降。对大多数的物料来说，最大的有用的压力在3~5bar，很少有例外。这就意味着事实上超滤系统的容量更依赖于物料而不是膜本身。几乎所有的用户都赞成观察通量，并选择最优化的操作系统。

从选择操作压力立场看，微滤是最难操作的膜工艺。通量几乎要减少超过0.5bar左右。因此几乎不可能在理想的压力和流量条件下运行一个微滤系统。这就是为什么微滤系统供货商15年来一直在宣传“明年微滤的销售将真正迅速发展”的原因之一。事实上，1995年微滤系统只占整个膜销售额的1%以下。

综上说述，得出以下结论：

n 在反渗透和纳滤工艺中压力被用作一个优化渗透通量的变数；

n 在超滤和微滤工艺中压力不能决定渗透通量。

通量——温度的函数

如果一定要改变物料的温度，那么我们建议尽可能采用简单的方法提高温度，因为通量随温度的增加而增加。但是物料的特性或容量或经济原因，使我们不得不接受任何温度下的物料。

多数膜的水通量每升高1℃增加3.3%，因此温度提高30℃，将使水通量翻倍。但可惜仅对极少数物料是正确的，因为化学和微生物现象会在许多方面限制通量。实际上根据温度增长的这么大的通量只发生在纯水或纸浆造纸行业的排水上。大多数情况下，以每增加1℃提高1%通量计算更合理些。

提高操作温度可能引起：

n 钙盐的沈淀，如磷酸氢钙(CaHPO4);

n 蛋白质的沈淀，如蛋白；

n 微生物的生长，导致粘泥的形成。

对许多乳制品和医药产品而言，更应该“少即是更多”，意思是如果在低温和低通量下启动系统，结果在运行一天后会获得比在高温、高通量时启动更高的渗透通量。

只有当物料有粘性时，例如处理凝胶剂，高温操作才是真正有好处的。可能并不能提高通量，但至少可以防止系统被物料堵塞。

计算通量变化很容易。

<25℃ 系数=(1+TC/100)^{(温度-测试温度)}

>25℃ 系数=1+(TC/100)×(温度-测试温度)

其中

系数是25℃时增加通量的系数。

TC=每升高1℃增加的通量百分比。

水 薄膜 3.3%/℃

水 PSO(聚醚砜)、CA（醋酸纤维膜） 2.7%/℃

多数物料 所有膜 1%/℃

系统操作优化

首先应选择操作温度，然后必须定出或选择优化的压力。

反渗透和纳滤的优化相对简单。应该根据供货商的建议选择进水流量、压力。当渗透通量增加到适当时，通量一般在20~35Lmh之间。

超滤则稍微更困难些，压力和通量的函数关系曲线前文已举过一个例子。如果通量曲线是根据实验的结果建立的，那就具有实际应用价值。

一个超滤系统的操作优化可以从以下几点入手：

1、 采纳供货商的建议；

2、 将压力设置得低些，如浓缩压力为0.5bar，并在这个压力下至少操作1.5小时，最好几小时；

3、 然后将压力升高至1.0bar，再操作一段时间；

4、 继续升高0.5bar压力，直到通量不再增加。

在工业应用条件下，一个系统的操作压力应比我们建议的优化值更低些。因为实际上经过一段时间的操作通量可能降低。起始通量越低，超时压降可能更小。

微滤系统的优化这里不讨论，因为相对于其它工艺，微滤系统具有复杂性和完全不同的特性。

不要做……

A、——强制系统传输高渗透通量。一般来说，对于极少的物料才能这么做，并且不能持续长时间。同时高渗透通量在所有的项目中会增加膜的污染。对卷式组件通量应限制在≤35Lmh。对大多数的其它系统则应不超过50~70Lmh。

B、——在处理工业物料时执行渗透通量》100Lmh的承诺——排除你能得到书面保证。到目前为止只有Valmet Flootek生产的CR过滤器在通量超过100Lmh时能持续稳定地运行一段时间，且可以运行24小时不清洗。

C、——超越膜制造商的限制。虽然有些限制可以被打破，但需要许多实际经验、洞察力或与膜相关的许多知识。

D、——希望超过以下行业列出的总固体浓度：

文献引用值经常高于这里列出的值。这在实验室的试验或短期的工业应用中可能实现，但大多数的这类信息被列入纯理论范畴。

E、——希望或要求不切实际的产品保证。因为保证是保险的一种，而保险是需要钱的。因此最好先进行安全试验性质的测试，并且在确定操作责任前与膜和系统的供货商一起优化系统的设计和操作。当优化成功后，还应牢记：

n 未来产品会发生变化；

n 系统操作员是最了解产品的。