CN100434147C - 浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统 - Google Patents
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Abstract
一种浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统，它属于一般的物理方法分离技术领域。它要解决动态过滤存在的过滤介质表面浓差极化和介质物理阻塞等技术问题。它由料液输送系统、驱动系统、稳压系统和同轴双膜管动态过滤装置组成。其中同轴双膜管动态过滤装置采用的技术方案为：同轴双膜管动态过滤装置是由多孔轴体、旋转内膜管、固定外膜管、外罩圆筒和支架、上部固定密封座、下部固定密封座、多孔物料盘及其上的进料口、内滤液出口、外滤液出口和浓缩液出口组成。同轴双膜管动态过滤装置由微型三相电机驱动。采用外罩圆筒为正极、铜棒为负极，由可调稳压电源为其供电。它主要应用于浓缩或分离高粘度液相混合体系的分离或过滤。
Description
技术领域：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统属于一般的物理方法分离技术领域，特别是属于膜分离或膜过滤技术领域。
背景技术：
高粘度液相混合体系的分离或浓缩提纯是化工、环保、制药、食品等诸多领域面临的主要技术难题之一，尤其在乳化油污水深度处理、血液蛋白分离及生物制药的大分子物质提纯等工艺过程中，由于液相体系中有价物质具有高粘度、易变性或粒度超细等一系列特点。已有的离心分离、过滤和萃取等技术存在的技术问题是：不能解决确保回收精度、避免有价物质变性等问题，所以难以达到高效分离和提纯的目的。动态过滤是一种不借助任何化学药剂和辅助设施的物理分离技术，可以在一定程度上解决“确保回收精度、避免有价物质变性等问题”。已有的动态过滤技术的特征是被过滤物料相对过滤介质运动，过滤介质处于静止状态，利用被过滤物料的流动剪切力不断消减过滤介质表面形成的滤饼层，抑制过滤介质表面发生物质积累。一般来讲，从进料口到出料口的运动历程上，被过滤物料将得到有效浓缩富集，从而达到分离提纯的目的。但是，随着不同行业新产品持续研发和新工艺不断改进以及对产品回收的要求越来越严格，被过滤物料的性质日趋复杂，如粘度增大、粒度减小及抵抗长时间剪切变性的能力降低等。已有的动态过滤技术存在的技术问题是不能克服过滤介质表面浓差极化和介质物理阻塞等不利的现象发生。
发明内容：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统采用旋转过滤。旋转过滤是在已有的动态过滤基础上的改进技术，利用过滤介质高速运动和被过滤料液相对过滤介质的剪切运动，在被过滤物料和过滤介质之间形成强剪切力。本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统采用的同轴双膜管动态过滤装置，在复杂过滤条件下，可以克服已有的离心分离、过滤和萃取技术存在的技术问题；还可以克服已有的动态过滤存在的技术问题。从而实现液相混合体系快速分离。
为此，本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统采用同轴双膜管动态过滤装置，在合理计算膜管环隙间距、膜管长度和剪切力以及进料出料方式的基础上，利用直流电场强化分离过程，成功设计了一种可用于高粘度液相混合体系分离的本发明的浓缩或分离高粘度混合液相体系的膜过滤系统。
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的目的在于：将经典流体力学的旋转库特(Couette)流场发生和维持理论应用于动态膜过滤过程，在合理计算流态保持条件的基础上，综合考虑流体运行距离等各影响因素的协同作用，设计制造同轴双膜管动态过滤装置，利用同轴膜管相对旋转运动和料液轴向流动激发环隙间流体产生沿轴运动、自旋方向相反的泰勒(Taylor)涡，达到抑制膜污染和过滤介质表面浓差极化以及介质物理阻塞现象发生的目的，同时将有效过滤空间置于直流电场中，在电场力的强化作用下，获得最佳分离或浓缩过滤效果。
为实现本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的上述目的，本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统采用的技术方案如下：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统由料液输送系统、驱动系统、稳压系统和同轴双膜管动态过滤装置四部分组成。其中：料液输送系统由空压机利用管路经过压力表A、空气过滤器，供空气给隔膜泵；料液在储料箱中经机械搅拌机搅拌均匀后，由隔膜泵将空气和科液利用管路，一并经过压力表B、流量计给入同轴双膜管动态过滤装置。同轴双膜管动态过滤装置排出的浓缩液利用管路经过压力表C排入浓缩液收集池；而滤液则利用管路排入外滤液收集池和内滤液收集池。料液输送系统的料液流量由安装在管路上的阀门控制。驱动系统包括微型三相电机和无极变频调速器。并由传动销和联轴器与同轴双膜管动态过滤装置相联接，以驱动同轴双膜管动态过滤装置；稳压系统由带有电压表的可调稳压电源通过导线、电刷、电极滑动圈、引线给同轴双膜管动态过滤装置的铜棒(负极)供电；由带有电压表的可调稳压电源通过导线给同轴双膜管动态过滤装置的外罩圆筒(正极)供电。以上均为已有技术，各部分组件均按照机械设计标准执行，配件均为标准件，符合国标，均为市售品。
同轴双膜管动态过滤装置采用的新的技术方案为：同轴双膜管动态过滤装置是在多孔轴体的外部依次套装有旋转内膜管(外半径R1)、固定外膜管(内半径R2)和外罩圆筒，同轴双膜管动态过滤装置由支架来调整其平衡。在多孔轴体、旋转内膜管、固定外膜管和外罩圆筒的端部，分别由旋转内膜管上部固定密封座和旋转内膜管下部固定密封座密封。在旋转内膜管下部固定密封座的上方焊接有多孔物料盘，多孔物料盘上的小孔直径为2mm，多孔物料盘上的进料口的半径为5mm。同轴双膜管动态过滤装置的下部装有内滤液出口和外滤液出口。同轴双膜管动态过滤装置的上部装有浓缩液出口。同轴双膜管动态过滤装置由无极变频调速器进行调速的微型三相电机驱动。微型三相电机与同轴双膜管动态过滤装置的多孔轴体之间由传动销和联轴节联结。同轴双膜管动态过滤装置的旋转内膜管外半径为R1、固定外膜管内半径为R2、滤室有效长度为L0、滤室长度为L、旋转内膜管与固定外膜管间隙为d。
同轴双膜管动态过滤装置的有效过滤空间置于直流电场中，采用外罩圆筒作为正极，外罩圆筒套装于固定外膜管外部，外罩圆筒与固定外膜管外壁间距为5±0.5mm，外罩圆筒通过导线与调稳压电源连接；采用绝缘处理后的φ＝5mm铜棒作为负极，铜棒置于旋转内膜管的中心位置，固定于同轴双膜管动态过滤装置的底端，铜棒的引线通过电极滑动圈、电刷和导线与可调稳压电源连接。供电方式：带有电压表的可调稳压电源经导线给外罩圆筒和铜棒供电，调压范围0-220V，精度±0.5V。
按照电极分布特征计算电场强度，有效电场强度为50-100V cm-1。
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的同轴双膜管动态过滤装置的具体设计方案：
1)、同轴双膜管动态过滤装置的主体结构参数计算：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的同轴双膜管动态过滤装置的主要结构参数为：d-旋转内膜管与固定外膜管间隙，L-滤室长度；L0-滤室有效长度；R1-旋转内膜管外半径，R2-固定外膜管内半径。通过流场特征及泰勒涡形成条件计算，确定各参数范围为：d＝8-10mm；L＝480-520mm；L0＝450-490mm；R1＝25.8-26.4mm，R2＝33.8-36.4mm
2)、同轴双膜管动态过滤装置的直流电场形式设计和电场强度计算：
电极配置形式：采用外罩圆筒作为正极，外罩圆筒套装于固定外膜管的外部，外罩圆筒与固定外膜管的外壁间距为5±0.5mm，外罩圆筒通过导线与可调稳压电源连接；采用绝缘处理后的φ＝5mm铜棒作为负极，铜棒置于旋转内膜管的中心位置，固定于旋转内膜管的底端，铜棒的引线通过电极滑动圈、电刷和导线与可调稳压电源连接。供电方式：带有电压表的可调稳压电源经导线供电，调压范围0-220V，精度±0.5V。
按照电极分布特征计算电场强度，有效电场强度为50-100V cm-1。
3)、同轴双膜管动态过滤装置的膜管选型：
旋转内膜管：旋转内膜管为旋转部件；选用化学性能优越、耐酸碱腐蚀、抗高温、机械强度高、无毒的聚丙烯PA-8型精密微滤膜管作为旋转内膜管(主要技术指标：最大孔径小于10μm，平均孔径4-8μm，孔隙率大于45％，过滤精度小于0.5μm)。经机械加工，外形尺寸满足：d＝8-10mm；L＝480-520mm；L0＝450-490mm；R1＝25.8-26.4mm。
固定外膜管：固定外膜管为固定部件；选用对电场无屏蔽性、加工方便、刚度大的钛钢多孔膜管作为支撑体(主要技术指标：最大孔径为16μm、过滤精度为1μm)，在其内表面粘贴有机滤膜(主要技术指标：平均孔径小于2μm，过滤精度小于0.5μm)。经机械加工，外形尺寸为：d＝8-10mm；L＝480-520mm；L0＝450-490mm；R2＝33.8-36.4mm。
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统具有下列有益效果：旋转内膜管和固定外膜管均为多孔管，构成双极渗流结构，极大地提高了过滤效率；旋转内膜管和固定外膜管的环隙窄缝宽度与滤室长度适宜，有利于泰勒涡生成并维持，充分保证了沿环隙长度方向泰勒涡数量足够多(泰勒涡沿轴数量大于60个)，实现了流场对过滤过程的强化作用；泰勒涡形成后，旋转内膜管转速在较大的范围内调整，对环隙三维流动机制不产生显著影响，过滤过程连续可靠；施加了特定形式的直流电场，利用外加场力的作用进一步强化了膜分离过程；旋转内膜管转速范围0-2800rpm，可根据实际情况进行无极调速，操作简单；最大工作压力15mpa，满足多种料液的过滤需求，适应性强；采用立式结构，入料方式灵活，上部或下部给料转换方便。当采用下部给料、上部出料的料液输送方式时，可最大限度地消除由于料液本身重力导致的进料波动，减弱了滤室端效应对过滤过程的负影响，因而不降低过滤效率；料液进入滤室之前，首先通过多孔物料盘，均匀布料，无进料波动；反向压力清洗方便，安装、维修简单；设备整体设计优化，运行能耗低。使用本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统处理油田含乳化油污水(乳化油含量1000mg l-1)时，滤液含乳化油量低于4mg l-1，浓缩液含乳化油量可达到5000mg l1。滤液产率大于65％，滤速大于500l m-2h-1的有益效果。
附图说明：
图1：浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统组成示意图，包括：内滤液收集池(1)、外滤液收集池(2)、浓缩液收集池(3)、无极变频调速器(4)、压力表C(5)、微型三相电机(6)、铜棒(7)、流量计(8)、压力表B(9)、隔膜泵(10)、空气过滤器(11)、压力表A(12)、空压机(13)、机械搅拌机(14)、储料箱(15)、可调稳压电源(16)、导线(17)、同轴双膜管动态过滤装置(18)、支架(19)。
图2：同轴双膜管动态过滤装置的主体结构示意图，包括内滤液出口(2-1)、进料口(2-2)、外滤液出口(2-3)、浓缩液出口(2-4)、微型三相电机(2-5)、无极变频调速器(2-6)、外罩圆筒(2-7)、旋转内膜管与固定外膜管间隙d(2-8)、固定外膜管(2-9)、旋转内膜管(2-10)、导线(2-11)、多孔轴体(2-12)。
图3：同轴双膜管动态过滤装置的主轴示意图，包括传动销(3-1)、旋转内膜管外半径R1(3-2)、内膜管上部固定密封座(3-3)、滤室有效长度L0(3-4)、滤室长度L(3-5)、多孔轴体(3-6)、内膜管下部固定密封座(3-7)、电极滑动圈(3-8)。
图4：同轴双膜管动态过滤装置的物料盘示意图，包括进料口(4-1)和多孔物料盘(4-2)。
具体实施方式：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统由料液输送系统、驱动系统、稳压系统和同轴双膜管动态过滤装置四部分组成。其中：料液输送系统由空压机(13)利用管路(附图中未标记编号)经过压力表A(12)、空气过滤器(11)，供空气给隔膜泵(10)；料液在储料箱(15)中经机械搅拌机(14)搅拌均匀后，由隔膜泵(10)将空气和科液利用管路(附图中未标记编号)，一并经过压力表B(9)、流量计(8)给入同轴双膜管动态过滤装置(18)。同轴双膜管动态过滤装置(18)排出的浓缩液利用管路(附图中未标记编号)经过压力表C(5)排入浓缩液收集池(3)；而滤液则利用管路(附图中未标记编号)排入外滤液收集池(2)和内滤液收集池(1)。料液输送系统的料液流量由安装在管路上的阀门(图中未图示)控制。驱动系统包括微型三相电机(6、2-5)和无极变频调速器(4、2-6)。并由传动销(3-1)和联轴器(图中未图示)与同轴双膜管动态过滤装置(18)相联接，以驱动同轴双膜管动态过滤装置(18)；稳压系统由带有电压表(图中未图示)的可调稳压电源(16)通过导线(17、2-11)、电刷(图中未图示)、电极滑动圈(3-8)和引线(图中未图示)给同轴双膜管动态过滤装置(18)的负极铜棒(7)供电；由带有电压表(图中未图示)的可调稳压电源(16)通过导线(17、2-11)给同轴双膜管动态过滤装置(18)的正极铜质外罩圆筒(2-7)供电。以上均为已有技术，各部分组件均按照机械设计标准执行，配件均为标准件，符合国标，均为市售品。
同轴双膜管动态过滤装置(18)采用的新的技术方案为：
同轴双膜管动态过滤装置(18)是在多孔轴体(2-12、3-6)的外部依次套装有旋转内膜管(外半径R1)(2-10、3-2)、固定外膜管(内半径R2)(2-9)和外罩圆筒(19、2-7)，同轴双膜管动态过滤装置(18)由支架(19)来调整其平衡。在多孔轴体(2-12、3-6)、旋转内膜管(2-10)、固定外膜管(2-9)和外罩圆筒(19、2-7)的端部，分别由旋转内膜管(2-10)上部固定密封座(3-3)和旋转内膜管(2-10)下部固定密封座(3-7)密封。在旋转内膜管(2-10)下部固定密封座(3-7)的上方焊接有多孔物料盘(4-2)，多孔物料盘(4-2)上的小孔直径为2mm，多孔物料盘(4-2)上的进料口(2-2、4-1)的半径为5mm。同轴双膜管动态过滤装置(18)的下部装有内滤液出口(2-1)和外滤液出口(2-3)。同轴双膜管动态过滤装置(18)的上部装有浓缩液出口(2-4)。同轴双膜管动态过滤装置(18)由无极变频调速器(4、2-6)进行调速的微型三相电机(6、2-5)驱动。微型三相电机(6、2-5)与同轴双膜管动态过滤装置(18)的多孔轴体(2-12、3-6)之间由传动销(3-1)和联轴节(图中未图示)联结。同轴双膜管动态过滤装置(18)的旋转内膜管外半径为R1＝25.8mm(2-10)、固定外膜管内半径为R2＝33.8mm(2-9)、滤室有效长度为L0＝450mm(3-4)、滤室长度为L＝33.8mm(2-9)、旋转内膜管与固定外膜管间隙为d＝8mm(2-8)。
同轴双膜管动态过滤装置(18)的有效过滤空间置于直流电场中，采用铜质外罩圆筒(2-7)作为正极，铜质外罩圆筒(2-7)套装于固定外膜管(2-9)外部，铜质外罩圆筒(19、2-7)与固定外膜管(2-9)外壁间距为5±0.5mm，铜质外罩圆筒(2-7)通过导线(17、2-11)与可调稳压电源(16)连接；采用绝缘处理后的φ＝5mm铜棒(7)作为负极，铜棒(7)置于旋转内膜管(2-10)的中心位置，固定于同轴双膜管动态过滤装置(18)的底端，铜棒(7)的引线(图中未图示)通过电极滑动圈(3-8)、电刷(图中未图示)和导线(17、2-11)与可调稳压电源(16)连接。供电方式：带有电压表(图中未图示)的可调稳压电源(16)经导线(17、2-11)给铜质外罩圆筒(2-7)和铜棒(7)供电，调压范围0-220V，精度±0.5V。
按照电极分布特征计算电场强度，有效电场强度为50-100V cm-1。
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的同轴双膜管动态过滤装置的具体设计方案：
1)、同轴双膜管动态过滤装置(18)的主体结构参数计算：
本发明的浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统的同轴双膜管动态过滤装置的主要结构参数为：d-旋转内膜管与固定外膜管间隙(2-8)，L-滤室长度(3-5)；L0-滤室有效长度(3-4)；R1-旋转内膜管外半径(2-10、3-2)，R2-固定外膜管内半径(2-9)。
通过流场特征及泰勒涡形成条件计算，确定各参数范围为：d＝8mm(2-8)；L＝480mm(3-5)；L0＝450mm(3-4)；R1＝25.8mm(2-10、3-2)，R2＝33.8mm(2-9)。
2)、同轴双膜管动态过滤装置(18)的直流电场形式设计和电场强度计算：
电极配置形式：采用铜质外罩圆筒(2-7)作为正极，铜质外罩圆筒(2-7)套装于固定外膜管(2-9)的外部。铜质外罩圆筒(2-7)与固定外膜管(2-9)的外壁间距为5±0.5mm，铜质外罩圆筒(2-7)通过导线(17、2-11)与可调稳压电源(16)连接；采用绝缘处理后的φ＝5mm铜棒(7)作为负极，铜棒(7)置于旋转内膜管(2-10)的中心位置，固定于旋转内膜管(2-10)的底端，铜棒(7)的引线(图中未图示)通过电极滑动圈(3-8)、电刷(图中未图示)和导线(17、2-11)与可调稳压电源(16)连接。供电方式：带有电压表(图中未图示)的可调稳压电源(16)经导线(17、2-11)供电，调压范围0-220V，精度±0.5V。
按照电极分布特征计算电场强度，有效电场强度为50-100V cm-1。
3)、同轴双膜管动态过滤装置(18)的膜管选型：
旋转内膜管(2-10)：旋转内膜管(2-10)为旋转部件；选用化学性能优越、耐酸碱腐蚀、抗高温、机械强度高、无毒的聚丙烯PA-8型精密微滤膜管作为旋转内膜管(2-10)(主要技术指标：最大孔径小于10μm，平均孔径4-8μm，孔隙率大于45％，过滤精度小于0.5μm)。经机械加工，外形尺寸满足：d＝8mm(2-8)L＝480mm(3-5)；L0＝450mm(3-4)；R1＝25.8mm(2-10)。
固定外膜管(2-9)：固定外膜管(2-9)为固定部件；选用对电场无屏蔽性、加工方便、刚度大的钛钢多孔膜管作为支撑体(主要技术指标：最大孔径为16μm、过滤精度为1μm)，在其内表面粘贴有机滤膜(主要技术指标：平均孔径小于2μm，过滤精度小于0.5μm)。经机械加工，外形尺寸为：d＝8mm(2-8)；L＝480mm(3-5)；L0＝450mm(3-4)；R2＝33.8mm(2-9)。
Claims (1)
1.一种浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统，该浓缩或分离高粘度液相混合体系的膜过滤系统由料液输送系统、驱动系统、稳压系统和同轴双膜管动态过滤装置四部分组成；其中：料液输送系统由空压机利用管路经过压力表A、空气过滤器，供空气给隔膜泵，料液在储料箱中经机械搅拌机搅拌均匀后，由隔膜泵将空气和料液利用管路，一并经过压力表B、流量计给入同轴双膜管动态过滤装置，同轴双膜管动态过滤装置排出的浓缩液利用管路经过压力表C排入浓缩液收集池，而滤液则利用管路排入外滤液收集池和内滤液收集池，料液输送系统的料液流量由安装在管路上的阀门控制；驱动系统包括微型三相电机和无极变频调速器，并由传动销和联轴器与同轴双膜管动态过滤装置相联接，以驱动同轴双膜管动态过滤装置；稳压系统由带有电压表的可调稳压电源通过导线、电刷、电极滑动圈、引线给同轴双膜管动态过滤装置的铜棒供电，由带有电压表的可调稳压电源通过导线给同轴双膜管动态过滤装置的外罩圆筒供电；其特征是同轴双膜管动态过滤装置是在多孔轴体的外部依次套装有旋转内膜管、固定外膜管和外罩圆筒，同轴双膜管动态过滤装置由支架来调整其平衡；在多孔轴体、旋转内膜管、固定外膜管和外罩圆筒的端部，分别由旋转内膜管上部固定密封座和旋转内膜管下部固定密封座密封，在旋转内膜管下部固定密封座的上方焊接有多孔物料盘，多孔物料盘上加工有进料口，同轴双膜管动态过滤装置的下部装有内滤液出口和外滤液出口，同轴双膜管动态过滤装置的上部装有浓缩液出口；同轴双膜管动态过滤装置由无极变频调速器进行调速的微型三相电机驱动，微型三相电机与同轴双膜管动态过滤装置的多孔轴体之间由传动销和联轴节联结；同轴双膜管动态过滤装置的旋转内膜管外半径R1＝25.8-26.4mm、固定外膜管内半径R2＝33.8-36.4mm、滤室有效长度L0＝450-490mm、滤室长度L＝480-520mm、旋转内膜管与固定外膜管间隙d＝8-10mm；同轴双膜管动态过滤装置采用外罩圆筒作为正极，外罩圆筒套装于固定外膜管外部，外罩圆筒通过导线与调稳压电源连接，同轴双膜管动态过滤装置采用铜棒作为负极，铜棒置于旋转内膜管的中心位置，固定于同轴双膜管动态过滤装置的底端，铜棒的引线通过电极滑动圈、电刷和导线与可调稳压电源连接；供电方式：带有电压表的可调稳压电源经导线给外罩圆筒和铜棒供电，调压范围0-220V，精度±0.5V。
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| 旋转管式膜分离器流场特征与过滤机理研究. 左小红，第23页第1段－第25页第1段，东北大学，硕士学位论文. 2005 * |
| 旋转管式膜分离器环隙间涡区域速度场分析. 齐莹，说明书第17－20页"流场测试实验系统"，东北大学，硕士学位论文. 2005 旋转管式膜分离器流场特征与过滤机理研究. 左小红，第23页第1段－第25页第1段，东北大学，硕士学位论文. 2005 |
| 旋转管式膜分离器环隙间涡区域速度场分析. 齐莹，说明书第17－20页"流场测试实验系统"，东北大学，硕士学位论文. 2005 * |
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| CN1706539A (zh) | 2005-12-14 |
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