许多情况下，仅用一个分离级达不到所希望的分离效果，这是由于膜的选择性不够高，或者是因为在所要求的产率条件下产品的纯度达不到要求。于是就要使用多级的装置，即膜级联。
级联理论通常是将级联形式区分为一维的和多维的，如图17-7所示。多维的级联原则上能够将多组分的混合物分解成纯组分。多维级联的理论与液—液萃取理论密切相关。最简单的一维级联，即将物料混合物分离成两股流体的级联。
在级联的分类中，所谓“对称”或者“不对称”，是指以怎样的形式将单个的梯级结合起来。在对称的级联中，每个梯级的渗透物都被输送到下一个梯级中（从n向n-1输送），而滞留物则被送回到前一个梯级（从n向n+1输送），如图17-8所示。
原则上讲，级联式膜装置的操作可以是有循环，也可以是没有循环。采用或不采用滞留物（或者渗透物）的再循环取决于混合物中组分的价值。在这种情况下必须权衡比较带与不带循环的级联膜装置的缺点，后者会导致产物损失，而前者需要较高投资和操作费用。
以生产富氧空气的气体渗透过程为例，说明不同的装置连接法对分离结果和膜面积、功耗以及压缩机/泵的尺寸的影响。简化起见，不考虑对过程作具体的费用评估。
图17-6 带有再循环的组件排布法
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图17-7 级联形式的分类
由于膜的选择性所限，只用一级的简单连续式操作不可能达到任意所需的产品质量。图17-8列出了从经济的观点来看是合理的、几种可以提高产品质量或产率的连接方案：
①带有渗透物再循环的一级式装置，提高装置进料的氧含量。
②带有渗透物再循环的二级抽提式级联。
③带有渗透物再循环的二级浓缩式级联。
需要注意的是，连接法3（浓缩式级联）需要使用一个附加的压缩机。一般来说，每增加一个梯级，就要相应增加一个压缩机，这正是为什么多于2～3个梯级的膜级联装置，与其他工艺相比较，在经济上要慎重考虑的重要原因。
图17-8 进行氧增浓的几种组件排布方案
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