CN101721912B - 一种增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是一种增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法。该方法中，在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n由无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径D0、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布厚度&2、产水流道布厚度&3和膜元件所需卷径&，根据公式&＝D0+2mn(2&1+&2+&3)确定。本发明可以充分利用膜片提高膜元件的膜面积，对于同样规格的膜片，采用本发明卷制成的膜元件较普通折叠方式的膜元件，膜面积可提高8.5％以上，通量也提高9％以上。同时也可在确定相同膜面积的基础上减少用料，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法，属于净水装置中过滤器的技术领域。
背景技术
膜技术以其简洁、填装密度大、处理水质好、宜于自动化操作，维护方便被广泛应用，目前用于膜技术中过滤装置的膜元件主要包括：螺旋卷式膜元件，中空纤维膜元件，管式膜元件，板框式膜元件等等，由于卷式膜元件紧凑的设计、低廉的价格使其占据了很大一部分市场份额。其中包括微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、渗透气化膜等，这些膜元件均利用膜片本身的分离作用，去除流体中的某种或多种物质，起到净化、提纯、浓缩等目的。
目前螺旋卷制膜元件主要是由膜片、进料流道布、产水流道布、集水管和密封胶水按一定顺序组合卷制而成。集水管外先卷绕最内圈多层产水流道布，再卷绕夹有一层进料流道布的折叠过的膜片，再卷绕一层产水流道布，以此顺序绕制。在生产过程中，经过对一定尺寸的膜片进行折叠，用密封胶水将折叠后的膜片除与集水管相连的另外三端密封(折叠端放置在集水管端)后卷制，这样就形成了收集产水的膜袋，流体平行于集水管从进料流道布进入膜元件，通过压力作用及膜片本身的分离特性，使进料通过膜面分离后，沿产水流道布垂直集水管方向，收集于集水通道形成产水。其中，一般都是中间相邻膜片膜背和产水流道布形成膜袋，首末两页和产水流道布形成膜袋。在卷制前的膜片折叠工序中，一般只考虑到了底边留有足够尺寸使之与产水流道布和胶水充分粘合，而忽略了膜片未完全充分利用，有效水处理面积较小，进而降低了膜元件的产水效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法，采用该方法可以降低生产成本及提高膜元件有效膜面积，以保证膜片的充分利用，提高膜元件的产水量。
本发明所提供的增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法，其特征在于：在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n由无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径D0、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布厚度&2、产水流道布厚度&3和膜元件所需卷径&，根据公式&＝D0+2mn(2&1+&2+&3)确定。
上述的增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法中，膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL由折叠后膜片页数m和无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径D0，根据公式ΔL＝πD0(1/m)确定，以保证1～m页折叠后膜片在集水管上均匀分布。
前述的增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法中，所述折叠后膜片的上半页较下半页多出的长度L，由在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n、膜元件所需卷径&、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布厚度&2、产水流道布厚度&3和膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL，根据公式L＝π&-2nπ【(2m-2)&1+m&2+(m-1)&3】-(m-1)ΔL确定，使折叠后膜片卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第一页折叠后膜片下半页末端重合。
与现有技术相比，本发明通过无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径、所选膜片厚度、折叠后膜片页数、进料流道布厚度、产水流道布厚度和膜元件所需卷径确定折叠后膜片所需的卷绕圈数，并通过确定卷式膜元件卷制第n圈时耗用膜片长度及在卷制中第一页膜片下半页和第m页膜片上半页膜片耗用长度差距及折叠后膜片放置差距，进而确定折叠后膜片的上下半页的长度差距(即折叠尺寸)，以便充分利用膜片提高膜元件的膜面积。膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离和折叠后膜片的上半页较下半页多出的长度，使得膜片在集水管上均匀分布，并使最后一页折叠后膜片在完成卷制后，上半页膜片与第一页膜片下半页的末端重合，从而使底边胶线最大化下移，提高膜元件有效膜面积，降低生产成本，保证了膜片的充分利用，从而提高了膜元件的产水量。
取相同膜片型号、相同长度的膜片使用本方法折叠卷制20支膜元件与普通折叠尺寸的20支膜元件进行水通量对比实验，结果如下：
| 普通方法折叠卷制的膜元件通量平均值 | 54.4GPD |
| 使用本发明的方法折叠卷制的膜元件通量平均值 | 59.3GPD |
| 通量增加百分比 | 9％ |
通过对上述40支膜元件剖开对膜面积准确测量，对比结果如下：
| 普通方法折叠卷制的膜元件膜面积平均值 | 4.24ft2 |
| 使用本发明的方法折叠卷制的膜元件通量膜面积平均值 | 4.6ft2 |
| 膜面积增加百分比 | 8.5％ |
由此可知，对于同样规格的膜片，通过本发明的方法可得出最佳折叠尺寸，采用本发明卷制成的膜元件较普通折叠方式的膜元件，膜面积可提高8.5％以上，通量也提高9％以上。同时也可在确定相同膜面积的基础上减少用料，降低成本。
说明书附图
图1是本发明的示意图；
图2是本发明密封胶线示意图。
附图中的标记为：1-产水流道布，2-膜片，3-进料流道布，A-两侧密封胶线，B-普通方法折叠卷制的膜元件的底边密封胶线，C-本发明的方法折叠卷制的膜元件的底边密封胶线。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
实施例。一种增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法，其特征是：在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n由无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布1的总直径D0、所选膜片2厚度&1、折叠后膜片(所选膜片经过一次折叠后形成的，分上半页和下半页)页数m、进料流道布3厚度&2、产水流道布1厚度&3和膜元件所需卷径&，根据公式&＝D0+2mn(2&1+&2+&3)确定。膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL由折叠后膜片页数m和无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布1的总直径D0，根据公式ΔL＝πD0(1/m)确定，以保证1～m页折叠后膜片在集水管上均匀分布。折叠后膜片的上半页较下半页多出的长度L，由在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n、膜元件所需卷径&、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布3厚度&2、产水流道布1厚度&3和膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL，根据公式L＝π&-2nπ【(2m-2)&1+m&2+(m-1)&3】-(m-1)ΔL确定，使折叠后膜片卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第一页折叠后膜片下半页末端重合。
理论依据：根据不同的膜元件型号选择不同的膜片页数m，根据所选膜片2的厚度&1以及进料流道布3厚度&2，产水流道布1的厚度&3，我们可以得出卷制膜元件时用此类膜片2卷制时的每圈增厚系数k，同时根据集水管的直径以及产水流道布1和膜片的缠绕方式可知道D0(即无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径)，则推导出第n圈的直径公式为 Dn＝D0+kn，①
其中 k＝2m(2&1+&2+&3) ②
则第n圈耗用折叠后膜片长度公式为：Cn＝πDn ③
知道了每一圈所耗用的膜片长度Cn，即可知道绕n圈所需膜片2的总长度Sn，
Sn＝C1+C2+C3+…+Cn
＝πD1+πD2+πD3…+πDn
＝π(D0+k×1+D0+k×2+D0+k×3+…D0+kn)
＝π(nD0+k×1+k×2+k×3+…k×n)
＝π[nD0+k×n+n(n-1)k/2]
＝nπ(D0+k)+n(n-1)kπ/2 ④
根据所需膜元件的卷径&，可利用公式①计算出卷绕的圈数n，从而其他公式可解。同时也可根据公式④计算出来的膜片耗用总长来判断所选膜片尺寸是否合理以及根据实际膜片长度验证判断卷制后是否符合卷径。
本发明充分利用膜片之处在于使卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第一页膜片下半页末端重合，即第m页膜片上半页卷制后较第一页膜片下半页多出Cn的长度，以使底边胶线最大化下移(如图2)；同时，为了保证膜元件的圆度，需使m页折叠后膜片均匀分布在集水管上，则每页折叠后膜片放置位置均不同；且在卷制过程中由于第一页与第m页之间所隔物厚度相对较大，使其卷制半径不同，则第一页与第m页在共同卷制n圈时耗用长度不同，其他相邻页折叠后膜片卷制半径几乎相同，可忽略。以上所述条件均制约着卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第一页折叠后膜片下半页末端是否重合，所以我们所需要的参数为：Cn，ΔLn，ΔLm
通过公式③已知道Cn、则还需知道第一页较第m页卷制n圈后多耗用的长度ΔLn及各页折叠后膜片放置的位置之间的距离ΔL及总距离ΔLm。计算公式如下：
ΔL1＝2πΔ&m(ΔL1为每卷制1圈时第一页较第m页多耗用长度)
⑤
ΔLn＝nΔL1(ΔLn为卷制n圈时第一页较第m页多耗用长度)
⑥
其中(Δ&m为第1页折叠后膜片与第m页折叠后膜片之间所隔物的厚度)
Δ&m＝(2m-2)&1+m&2+(m-1)&3 ⑦
以及为了使1～m页折叠后膜片均匀在集水管上分布，每页之间的距离ΔL，
ΔL＝1/mC0 ⑧
则第1页与第m页放置距离ΔLm为
ΔLm＝(m-1)ΔL ⑨
所以为了保证卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第1页折叠后膜片下半页末端重合，需设定膜片2折叠尺寸L(上半页较下半页多出的长度)：
L＝Cn-ΔLn-ΔLm ⑩
即膜片折叠尺寸满足公式⑩即可保证膜片2充分利用，使相同尺寸的膜片卷制出的膜元件膜面积最大化。
选择膜元件所需膜片2尺寸及进料流道布3、产水流道布1、集水管规格，按尺寸裁减膜片2后，根据各原材料规格利用公式②及公式⑦确定增厚系数k及Δ&m，根据所要求卷制卷径范围应用公式①确定所需卷绕圈数n，再根据公式④求出n圈需耗用总的膜片2长度(可估算出所需膜片尺寸，也可检查所定膜片尺寸是否合格)，同时用公式③计算出第n圈所耗用膜片2长度Cn；再根据所选膜片2页数及C0用公式⑧和⑨计算出卷制时每页膜片2放置的距离ΔL及第一页与第m页的距离ΔLm，以及用公式⑤和⑥求出ΔLn，最后应用公式⑩计算出膜片2折叠尺寸，并以图1方式折叠及按顺序及距离放置膜片进行卷制，卷制过程中除集水管端，其余三端均涂密封胶后卷制以成多个膜袋，按本发明的方法折叠的膜片，形成膜袋的膜片底边均重合，在涂密封胶过程中胶线可尽量下移(如图2所示)，以保证膜片2充分利用及膜面积的增加。待处理流体平行于集水管从进料流道布3进入膜元件，通过压力作用及膜片的分离特性，进料通过膜片形成产水，经过产水流道布1以垂直于集水管的方向进入集水通道，收集于集水管内流出。
通过以上叙述，可看出本发明根据不同页膜片2在卷制过程中的各方面差异，采取折叠尺寸的不同，弥补了差异中的浪费，充分利用了膜片2，达到了提高膜面积及产水量，减少浪费，降低成本目的。
Claims (1)
1.一种增大螺旋卷式膜元件膜面积的方法，其特征在于：在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n由无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径D0、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布厚度&2、产水流道布厚度&3和膜元件所需卷径&，根据公式&＝D0+2mn(2&1+&2+&3)确定；膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL由折叠后膜片页数m和无膜片缠绕时集水管和最内圈多层产水流道布的总直径D0，根据公式ΔL＝πD0(1/m)确定，以保证1～m页折叠后膜片在集水管上均匀分布；所述折叠后膜片的上半页较下半页多出的长度L，由在膜元件上卷绕折叠后膜片的圈数n、膜元件所需卷径&、所选膜片厚度&1、折叠后膜片页数m、进料流道布厚度&2、产水流道布厚度&3和膜元件卷制时每页折叠后膜片放置的间隔距离ΔL，根据公式L＝π&-2nπ【(2m-2)&1+m&2+(m-1)&3】-(m-1)ΔL确定，使折叠后膜片卷制n圈后第m页折叠后膜片的上半页与第一页折叠后膜片下半页末端重合。
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