錯流微濾過程中的反沖規(guī)律研究

鄭 博，唐曉津，毛俊義，宗保寧

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

錯流微濾過程中的反沖規(guī)律研究

鄭 博，唐曉津，毛俊義，宗保寧

(中國石化石油化工科學研究院，北京 100083)

采用水-氧化鋁顆粒組成的混合物，模擬石油化工領域中常見的液-固分離體系，重點研究該體系錯流微濾過程中的反沖規(guī)律。以濾膜滲透通量、操作周期內(nèi)平均濾膜滲透通量和反沖后濾液中顆粒濃度作為評價反沖效果的重要參數(shù)，系統(tǒng)考察了反沖時間和反沖壓差對反沖效果的影響。結(jié)果表明：采用液相反沖技術可以有效降低過濾阻力，恢復濾膜滲透通量，在固含率分別為1%和5%的條件下，反沖過程均在瞬間內(nèi)完成，反沖時間為1～2 s；反沖壓差越高，反沖效果越好，優(yōu)選的反沖壓差為0.5～0.6 MPa。

反沖 錯流微濾 滲透通量 過濾阻力

膜分離技術被認為是21世紀最具有應用前景的技術之一，其中無機膜材料由于具有化學穩(wěn)定性好、機械強度高、抗微生物能力強和分離效率高等優(yōu)點，被廣泛應用于環(huán)保化工、生物化工、石油及煤化工等領域[1-4]，尤其是采用無機膜錯流微濾技術分離含有超細固體顆粒體系時具有顯著的技術優(yōu)勢，可處理顆粒質(zhì)量分數(shù)高達20%的濃漿體系[4-5]。雖然錯流微濾技術與死端微濾技術相比，可有效抑制濾膜污染，但不能消除污染。隨操作時間的延長，過濾阻力緩慢增加，使濾膜在較低滲透通量下操作，增加了工藝運行成本。為了消除過濾阻力、恢復膜滲透通量，國內(nèi)外學者進行了大量的研究工作，并認為反沖技術是最為有效的恢復濾膜滲透通量的方法[4，6-10]。

Redkar等[10]以平均滲透通量最優(yōu)為目標，開發(fā)了高頻率反沖技術，發(fā)現(xiàn)平均滲透通量隨反沖次數(shù)和漿液濃度的降低而增加，但同漿液錯流速度和反沖壓差無關。Gabrus等[6]在研究無機膜TiO2Al2O3分離酵母懸浮液時，提出最優(yōu)反沖條件為：反沖壓差150 kPa，反沖時間60 s，反沖周期10 min。崔鵬等[4]在研究微粉CaCO3懸浮液的微濾過程中，對比了有無反沖操作的過濾數(shù)據(jù)，證實了反沖是可以有效控制濾膜污染的技術手段，優(yōu)化的氣體反沖技術條件為：反沖壓差0.6 MPa，反沖時間3 s，反沖周期10 min。

1 實 驗

1.1 實驗工藝流程

實驗工藝流程示意見圖1，包括漿液原料罐、錯流過濾器、濾液罐和反沖液罐等主要設備。錯流過濾器內(nèi)徑77 mm，高0.948 m，內(nèi)部裝有一根懸掛式金屬膜管，膜管外徑37.12 mm，長0.274 m，過濾面積0.032 m2，平均孔徑10 μ m。

實驗過程中，原料儲罐內(nèi)的漿液由出料泵送入錯流過濾器，在器內(nèi)濾膜兩側(cè)壓差的驅(qū)動下，濾液由殼程向管程內(nèi)流動并收集進入濾液儲罐，濃縮后的漿液經(jīng)循環(huán)泵返回原料罐內(nèi)。為維持漿液原料濃度不變，將濾液罐內(nèi)收集的濾液經(jīng)循環(huán)泵送回原料儲罐內(nèi)。當濾膜受到污染，需要對其進行反沖操作時，關閉過濾管線閥門，同時開啟反沖管線閥門，在反沖壓差的作用下，反沖液罐內(nèi)的液相介質(zhì)瞬間對濾膜進行反向沖洗操作，進而達到恢復濾膜通量的目的。反沖操作結(jié)束后，關閉反沖管線閥門，同時開啟過濾管線閥門，繼續(xù)過濾操作。

圖1 實驗工藝流程示意1—漿液原料罐； 2—漿液出料泵； 3—錯流過濾器； 4—不銹鋼膜管； 5—漿液循環(huán)泵； 6—反沖液罐； 7—濾液罐； 8—濾液循環(huán)泵

1.2 分析儀器和測量方法

采用2100P 便攜式濁度儀對濾液濁度進行測量，采用Mastersizer激光粒度分析儀對氧化鋁顆粒的粒徑分布進行測量。

采用質(zhì)量法測量原料罐內(nèi)漿液的固含率，采用液體質(zhì)量流量計測量濾液流量，并結(jié)合濾膜面積，計算濾膜滲透通量。根據(jù)濾液濁度計算濾液中固體顆粒質(zhì)量濃度，計算式[12]如下：

(1)式中：Ccal為濾液中顆粒質(zhì)量濃度，mgL；d32，fil為濾液中顆粒的平均粒徑，μ m；d32，sta為標準T～C實驗中的固體顆粒平均粒徑，μ m；T為濾液的濁度，NTU；T0為實驗中去離子水的濁度，其數(shù)值為0.13 NTU。

1.3 物料性質(zhì)

實驗中涉及的物料有去離子水、氧化鋁顆粒和氮氣，性質(zhì)如表1所示。

表1 物料性質(zhì)

1)氮氣為標準狀態(tài)。

1.4 實驗條件

實驗條件如表2所示。

表2 實驗條件

1.5 反沖必要性討論

錯流微濾技術可以顯著延長過濾操作周期。但隨過濾時間的延長，過濾阻力亦會增加。在固含率為5%、過濾壓差為0.27 MPa、漿液錯流速度為0.649 ms的條件下，進行連續(xù)無反沖運行10 h的過濾試驗，根據(jù)達西定律[見式(2)]，計算出過濾阻力隨時間的變化關系，如圖2所示。

(2)

式中：R為過濾總阻力，m-1；Δp為過濾壓差，Pa；μ為濾液黏度，Pa·s；J為濾膜滲透通量，m/s。

從圖2可以看出，過濾阻力在前100 min內(nèi)迅速增加，但是由于錯流微濾技術對濾膜污染有較好的抑制作用，所以在100～600 min內(nèi)，過濾阻力的增加明顯遲緩，但是依舊呈增加趨勢。因此，為了提高分離效率，有必要采用反沖技術來恢復濾膜滲透通量。

圖2 長周期過濾試驗中過濾阻力隨時間的變化

2 結(jié)果與討論

考察反沖時間和反沖壓差對反沖效果的影響，以反沖操作結(jié)束后，再過濾0～60 min的濾膜滲透通量作為評價反沖效果的參數(shù)。

2.1 反沖時間的影響

圖3和圖4分別為在固含率為1%和5%(對應實驗條件1和條件2)、反沖壓差為0.6 MPa的條件下，反沖時間對恢復濾膜滲透通量的影響。從圖3和圖4可以看出，在反沖壓差為0.6 MPa的條件下，不同反沖時間下操作后得到的濾膜滲透通量變化規(guī)律比較接近。說明在液相反沖過程中，反沖操作是在瞬間完成的，時間在1～2 s內(nèi)，延長時間不會顯著提高反沖效果。

圖3 固含率為1%時反沖時間對恢復濾膜滲透通量的影響

圖4 固含率為5%時反沖時間對恢復濾膜滲透通量的影響

2.2 反沖壓差的影響

反沖操作是在瞬間完成的，作為該過程的推動力，反沖壓差決定了反沖效果的優(yōu)劣。為了更好地對比不同反沖壓差的反沖效果，考察反沖結(jié)束后再過濾10～60 min的濾膜滲透通量變化情況。圖5和圖6分別為固含率為1%和5%(對應實驗條件1和條件2)、反沖時間為2 s的條件下，反沖壓差對恢復濾膜滲透通量的影響。從圖5和圖6可以看出，隨反沖壓差的增加，濾膜滲透通量增加。反沖壓差越大，相當于反沖過程的推動力越大，在相同的反沖時間內(nèi)，對濾膜表面覆蓋和膜孔堵塞的顆粒沖擊力越大，因而反沖效果越好。另外，從圖5可以看出，當固含率為1%時，反沖壓差為0.3 MPa時的反沖效果明顯優(yōu)于0.1 MPa和0.2 MPa的情況，在反沖壓差為0.1～0.3 MPa下操作后，過濾進行至50 min時，濾膜污染的加重情況較為明顯，而反沖壓差為0.6～0.7 MPa時，過濾后期濾膜的污染程度相對較弱，這說明只有當反沖壓差在0.6 MPa以上時，才能較好地消除過濾阻力，降低濾膜污染。從圖6可以看出，當固含率為5%時，反沖壓差為0.1～0.3 MPa時的反沖效果相差不大，而只有當反沖壓差提高至0.5 MPa以上時，反沖效果才有明顯改善，說明當固含率提高至5%時，濾膜污染加劇，在反沖壓差為0.3 MPa時，反沖過程推動力不足，不能有效消除過濾阻力，只有當反沖壓差提高至0.5 MPa時，反沖效果才明顯改善。

圖5 固含率為1%時反沖壓差對恢復濾膜滲透通量的影響反沖壓差， MPa： ■—0.1; ●—0.2; ▲—0.3; ◆—0.6;

圖6 固含率為5%時反沖壓差對恢復濾膜滲透通量的影響反沖壓差， MPa： ■—0.1; ●—0.2; ▲—0.5; ◆—0.6;

分別對采用反沖操作后再過濾0～10 min和0～60 min時的濾膜平均滲透通量進行討論，進而可以更全面地理解反沖壓差對整個過濾操作周期內(nèi)濾膜滲透通量的影響。雖然在本研究中過濾操作周期為60 min，但考慮到當反沖結(jié)束后過濾0～10 min時的濾膜滲透通量很高，說明這段周期內(nèi)濾膜通透性最好，因此有必要對這期間的反沖效果進行單獨討論。反沖操作結(jié)束后再過濾0～10 min內(nèi)濾膜平均滲透通量JAVG0-10的計算見式(3)，其隨反沖壓差的變化規(guī)律見圖7。反沖操作結(jié)束后再過濾0～60 min內(nèi)濾膜平均滲透通量JAVG0-60的計算見式(4)，其隨反沖壓差的變化規(guī)律見圖8。

(3)

(4)

從圖7可以看出：在固含率為1%時，反沖壓差從0.1 MPa升至0.3 MPa時，過濾初始0～10 min的濾膜平均滲透通量顯著增加，說明隨著反沖壓差增加，反沖效果明顯改善，但是當反沖壓差繼續(xù)升至0.5～0.7 MPa時，濾膜的平均滲透通量增加遲緩，由此可以說明，當固含率較低時，濾膜污染較輕，采用反沖壓差0.3 MPa即可得到理想的反沖效果；當固含率增至5%時，隨反沖壓差的增加，濾膜平均滲透通量增加，當反沖壓差由0.1 MPa升至0.3 MPa左右時，反沖效果改善并不明顯，說明固含率增加，濾膜的污染程度加重，需要采用較高的反沖壓差(大于0.5 MPa)時，才能取得較好的反沖效果。

圖7 不同反沖壓差下沖洗后過濾0～10 min內(nèi)平均滲透通量的變化固含率： ■—1%； ●—5%

從圖8可以看出：將過濾操作周期延長至60 min 時，對于固含率為1%的情況，總趨勢是隨反沖壓差的增加，濾膜平均滲透通量增加；而固含率增至5%時，濾膜污染程度加重，過濾阻力增加，在較低的反沖壓差(0.1～0.3 MPa)區(qū)間內(nèi)，由于反沖推動力不足，導致濾膜的平均滲透通量基本無變化，只有將反沖壓差提高至大于0.5 MPa時，濾膜的平均滲透通量才明顯提高。

圖8 不同反沖壓差下沖洗后過濾0～60 min內(nèi)平均滲透通量的變化固含率： ■—1%； ●—5%

圖9為在固含率為5%(實驗條件2)、反沖時間為2 s時，采用不同反沖壓差對濾膜進行沖洗后，再過濾0～60 min時濾液中顆粒濃度隨時間的變化關系。從圖9可以看出，采用不同反沖壓差條件對濾膜進行反沖后，濾膜仍保持較高的分離效率，濾液中的顆粒質(zhì)量濃度一直保持在1.3 mgL以下。

圖9 不同反沖壓差下沖洗后濾液中顆粒質(zhì)量濃度隨時間的變化反沖壓差，MPa：■—0.1； ●—0.2； ▲—0.3；； ◆—0.6；

3 結(jié) 論

(1) 采用液相反沖技術可以有效地降低過濾阻力，恢復濾膜滲透通量，保證濾膜長周期連續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

(2) 液相反沖過程是在短時間內(nèi)完成的，反沖時間為1～2 s。

(3) 在液相反沖過程中，隨反沖壓差的增加，反沖效果改善明顯，針對固含率為1%～5%的體系，優(yōu)選反沖壓差為0.5～0.6 MPa。

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STUDYONBACKFLUSHINGPERFORMANCEINCROSSFLOWMICROFILTRATIONPROCESS

Zheng Bo， Tang Xiaojin， Mao Junyi， Zong Baoning

(SINOPECResearchInstituteofPetroleumProcessing，Beijing100083)

The slurry containing water and alumina fine particles was used to simulate conventional liquid-solid separation system in petrochemical industry.The backflushing performance in the process of cross-flow microfiltration was studied emphatically.The permeate flux，average permeate flux of the whole duration and the particle concentration in filtrate were used to evaluate the influence of backflushing time and backflushing pressure difference.The experimental results showed that the liquid backflushing technology could reduce filtration resistance and recover permeate flux.In the cases of the suspension system with solid holdup 1% and 5%，respectively，the backflushing operation was finished instantly within 1—2 s.The larger the backflushing pressure difference，the better the backflushing performance.The optimal backflushing pressure difference is 0.5—0.6 MPa.

backflushing； crossflow microfiltration； permeation flux； filtration resistance

2016-12-01；修改稿收到日期： 2017-03-16。

鄭博，博士研究生，工程師，研究方向為反應工程與分離工程。

宗保寧，E-mail：zongbn.ripp@sinopec.com。

國家重點研發(fā)計劃(2016YFB0301601，2016YFB0301602)。