连续反应系统中陶瓷膜过滤特性研究

张凤莉，孙亚峰，杨阿三

（1.浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014；2.南通江山农药化工股份有限公司，江苏南通226017）

连续反应系统中陶瓷膜过滤特性研究

张凤莉1，孙亚峰2，杨阿三1

（1.浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014；2.南通江山农药化工股份有限公司，江苏南通226017）

陶瓷膜组件具有较高的分离效率且稳定性好，本文是将多相反应器与陶瓷膜过滤组件组成连续装置，以期实现液固分离和操作的连续化，以空气-水-活性炭三相为研究介质，对其过滤特性进行研究，结果表明：陶瓷膜组件能够确保在较长时间内过滤的稳定性；过滤通量受过滤压力的影响较大，过滤压力越大过滤通量越大；过滤通量随着循环流量的增大而增大。

三相流化床；陶瓷膜组件；液固分离；过滤

陶瓷膜组件是指包括膜及其支撑体、与膜连接的管道、将膜密封起来的胶圈、膜的外壳、进出料口等在内的，按照要求将其组合起来的从而使膜起到分离过滤作用的构件。陶瓷膜组件在诸多领域应用广泛。陶瓷膜组件具有较高的分离效率，良好的抵抗能力且稳定性好，可以耐酸碱、高温以及大部分有机溶剂，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，陶瓷膜组件还具有较高的机械强度、较小的过滤阻力以及较低的能耗和较长的使用寿命，加之操作维护简便，因而广泛应用于食品、医药、精细化工和植物深加工等领域[3-7]。陶瓷膜分离属于压力驱动型分离，一般采用“错流过滤[8]”的流体分离过程。错流过滤是在过滤的时候，一部分料液平行的流过膜表面回到原釜中，在错流过程中的切向水流会把膜表面的污染物带走，从而减轻了膜污染，延长了反洗时间。

本文以水、空气以及活性炭为三相实验体系，在多相反应器与陶瓷膜组件组成的连续反应系统中，对活性炭和物料进行过滤，以期达到活性炭与物料的有效分离。探讨了陶瓷膜过滤组件过滤的稳定性以及压力、循环流量对陶瓷膜通量的影响，为以后的工业连续化生产提供参考依据。

1 实验部分

1.1 实验装置及流程

本研究采用的陶瓷膜管的结构见图1，膜管数量为6，长度为1016mm；每根膜管通道个数为19，通道直径为4mm。陶瓷膜的结构分为支撑层、过渡层和膜层3部分。陶瓷膜由支撑层到膜层的孔径分布逐渐减小，最终，形成非对称结构。陶瓷膜进行分离，主要是在外力的作用下，料液通过膜管时，含小分子物质的渗透液沿与之垂直方向向膜外透过，而含大分子物质的浓缩液被膜截留在陶瓷膜管中，沉积或者吸附在陶瓷膜表面的固体颗粒随着物料通过膜管，从而使物料中不同的物质达到分离到目的。

陶瓷膜组件过滤特性研究的实验装置见图2，为了降低固体颗粒沉积形成滤饼，本设计采用“错流过滤”方式对活性炭和水进行过滤。实验流程分为两部分：（1）外循环式多相反应系统：料液经进料泵1将物料输送至多相反应器3，由主循环泵4从反应器底部吸出经过电磁流量计5形成外循环；（2）过滤分离系统：主循环泵4排出的部分物料经过陶瓷膜组件循环泵6将物料输送至陶瓷膜，经过陶瓷膜组件过滤之后，浓缩液经陶瓷膜内侧回至反应器3，水从陶瓷膜过滤出来经由电磁流量计9流至液体罐10。

图1 膜管结构示意Fig.1 Schematic diagram ofmembrane tube

图2 实验装置与流程Fig.2 Experimental device and flow 1.进料泵2.电磁流量计3.反应器4.主循环泵5.电磁流量计6.循环泵7.陶瓷膜组件8.电磁流量计9.电磁流量计10.液体罐

1.2 实验条件

气液固三相分别为空气、水以及活性炭（粒径5～10μm）。反应釜工作压力为0.3MPa；活性炭：1% (wt.%)；进气量为3～4m3·h-1；主循环泵上的流量为17m·3h-1；陶瓷膜工作压力为0.3～0.6MPa。

1.3 实验方法

1.3.1 陶瓷膜组件过滤压力的测定过滤压力是指膜管内压力与渗透侧压力的差值，是影响过滤通量的一个重要因素。膜管内压力的大小主要是通过陶瓷膜组件进料阀门进行调节，压力可通过压力表A、C直接读取，渗透侧压力则可直接通过压力表D读取。

1.3.2 陶瓷膜组件循环流量的调节陶瓷膜组件过滤管路上的循环是指两个过滤器之间的循环，是影响过滤通量的一个因素。循环量的增加会使过滤器内流体的湍动程度增强，增大料液对膜管污染物的冲刷作用。本文主要是通过调节陶瓷膜组件循环泵6的变频器的大小来控制循环量的大小。

1.3.3 陶瓷膜组件过滤通量的测定陶瓷膜过滤通量是表示陶瓷膜过滤能力的物理量，定义式为：Φ=Q/A g，表示单位面积的陶瓷膜管所能过滤出的滤液的速度。

式中A g：陶瓷膜管有效过滤面积，约为1.5m2，Q：陶瓷膜过滤清液的体积流量（m3·h-1），在连续化生产过程中，当过滤稳定时，陶瓷膜过滤清液的体积流量即为物料进入反应器的液体体积流量，由电磁流量计2直接测定。

2 结果与讨论

2.1 陶瓷膜组件的过滤稳定性

对于反应与过滤组合的连续操作来说，只有在保证过滤相对稳定的前提下，才能够使多相反应器内液位的相对稳定，确保连续化操作的正常进行。

图3为空气进气量3～4m3·h-1、反应釜3内工作压力0.3MPa、主循环体积流量为17m3·h-1时，不同过滤压力下测定的过滤通量随时间的变化。

图3 过滤稳定性Fig 3 The stability of the filtering

由图3可以很明显看出，在不同过滤压力下，过滤通量受其过滤时间的影响很小，基本处于恒定值。其原因分析如下：本研究所用到的料液浓度较低，在过滤过程中对膜的污染很小；本研究所用到的过滤方式为错流过滤，在过滤的时候，部分料液平行的流过膜表面回到原釜中，在错流过程中的切向水流会把膜表面的污染物带走，从而减轻了对陶瓷膜内表面的污染，因此，陶瓷膜可以在一定时间内维持膜管内的抗污染能力。

因此，采用“错流过滤”方式设计的陶瓷膜组件，在一定的过滤时间内，可以确保陶瓷膜能够维持一定的过滤通量，表明过滤具有良好的稳定性，因此，多相反应器与陶瓷膜组件组成的连续装置进行液固分离可以长期稳定的运行。

2.2 过滤压力对过滤通量的影响

在空气进气量为3～4m3·h-1，反应釜内工作压力为0.3MPa，主循环体积流量为17m3·h-1时，探究了陶瓷膜组件不同过滤压力对过滤通量的影响，过滤通量随其过滤压力的变化见图4。

图4 过滤压力对过滤通量的影响Fig 3 Effect of filtering pressure drop on filtering rate

由图4可以看出，陶瓷膜组件过滤压力对其过滤通量影响很大。随着陶瓷膜组件过滤压力逐渐增加，陶瓷膜组件过滤通量逐渐增大，但增大的趋势逐渐变缓。主要原因分析如下：陶瓷膜分离属于压力驱动型分离，过滤压力增加则过滤推动力增大，料液中小于膜孔径的小分子物质受挤压透过膜孔进入到渗透测，因此，过滤通量增加。但过滤压力增加也会加速固体颗粒在膜内表面的沉积，从而导致陶瓷膜的过滤阻力增大，抵消掉了部分增加过滤压力对增加过滤通量的作用，因此，出现随过滤压力的增加，过滤通量增大的趋势变缓的现象。

2.3 陶瓷膜组件循环流量对过滤通量的影响

在空气进气量为3～4m3·h-1，流化床反应器内工作压力为0.3MPa，主循环体积流量为17m3·h-1时，在陶瓷膜组件不同过滤压力下，探究陶瓷膜组件循环量对其过滤通量的影响，由于循环泵频率与循环流量成正比，因此，本研究用循环泵变频来表示循环量的变化，见图5。

图5 不同过滤压力下循环流量对过滤通量的影响Fig 5 Effect of liquid circulation velocity on filtering rate at different filtering pressure drop

由图5可以看出，在不同陶瓷膜组件过滤压力下，陶瓷膜组件过滤通量随循环泵变频变化趋势一致，即随着陶瓷膜组件循环泵频率增大，过滤通量增大。原因分析如下：在其他条件都不变的前提下，随着循环泵频率的增加，循环流量增大，即物料在陶瓷膜组件中的流动速度加快，提高了物料在陶瓷膜内表面的剪切速率和冲刷效果，能有效地将陶瓷膜内表面沉积和吸附的固体颗粒清洗掉，减少固体颗粒对陶瓷膜的污染，因此，陶瓷膜的过滤通量将随着循环泵频率的增大而增大。

3 结论

（1）在多相反应器与陶瓷膜组件组成的连续反应系统中，在一定的过滤时间内，过滤通量几乎没有变化，因此，此连续系统能够确保在较长时间内过滤的稳定性，为以后的连续化生产提供依据。

（2）过滤通量受过滤压力的影响较大，过滤压力较低时，随过滤压力的增加过滤通量增加的较快；过滤压力较高时，随着过滤压力的增加，过滤通量增加的的趋势逐渐平缓。

（3）陶瓷膜组件循环流量对过滤通量有影响，循环量越大过滤通量越大。

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［8］卜建伟.浸没式中空微滤膜处理滦河原水的中试研究［D］.硕士论文,西安:西安建筑科技大学,环境与市政工程学院,2007.

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

张凤莉（1987-），女，在读研究生硕士，研究方向：多相反应器的连续氧化过滤。

导师简介：杨阿三（1967-），男，副教授，从事化工技术与装备的研究。