CN101992027A - 由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机 - Google Patents
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Abstract
一种由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，将单一的膜组件分散成多个独立的膜组件安装在转盘上，通过转盘转动，实现在超重力条件下的膜分离，通过膜透过侧吹扫物的低压均匀给入实现了在超重力条件下的双向流高倍浓缩和渗透蒸发膜分离，该机除具有超重力条件下膜分离所具有的浓差极化低，膜污染低，渗透通量大，截留物浓度高的优点外，还具有结构简单，膜组件易于修复等优点，可用于分离，浓缩、纯化、污水处理有机物脱水等工艺操作。
Description
技术领域：
本发明涉及一种新型的膜分离机，特别是一种将膜分离过程置于旋转离心超重力场中进行的超重力膜分离机。
背景技术：
膜分离过程作为一门新型的高分离、浓缩、提纯及净化技术，以其高效、节能、环保，已在化工、食品、医药、环保等领域得到了广泛的应用。但是由于浓差极化和膜污染的存在导致了膜分离技术在许多方面的推广和应用受到限制。超重力技术因其能极大强化“三传”“一反”，已被开发研制成多种超重力应用设备，在化工、环保、纳米材料制造等方面应用。
超重力条件下工作的膜分离技术，是指利用旋转离心产生超重力场，将膜分离过程所需的实物要素如分离膜、原料液、截留液、透过液等置于超重力场中，使膜分离过程在超重力场中进行。由于膜分离过程是在数倍乃至数万倍的重力加速度(g＝9.8m/s2)的超重力场中进行，其膜分离过程发生很多重安变化，会产生很多有益的效果，具体如下：
1、有效降低浓差极化和膜污染。
在膜分离过程中膜的表面会产生浓度远高于主体料液浓度的浓差极化层，浓差极化层的存在会减低膜渗透通量，增加膜污染，在绝大多数情况下，料液的密度会随浓度的增加而增大或减小，(如盐水会随盐的浓度增加密度变大，酒精会随水的脱除，酒精浓度的增加密度变小)在强大的离心力作用下膜表面的高浓度物料，会沿离心场的方向或其相反方向离开膜表面，从而使浓差极化降低，膜污染减小。同样，在膜表面的温差极化层，也会产生膜表面的料液温度与主体料液温度的不同，因而其密度与主体料的密度不同，在强大的离心力的作用下，膜表面的物料也会沿离心力的方向或其反方向离开膜表面从而减弱温差极化层对膜分离的影响。
2、可提高单位膜分面积的渗透通量。
在膜分离过程中，透过液从膜组件排出必须有一定的压力，当膜的渗透通量大而透过液排出通道截面很小时，所需的膜后压力很大，这部分压力会大大降低膜分离的跨膜压差。使渗透通量大大降低。而在超重力条件下膜渗透侧的渗透液会在离心力的作用下从膜渗透侧甩出而不会增加膜后压力，从而使膜保持较高的渗透通量。
3、可获得较高浓度的截留物。
由于超重力条件下的膜分离，既具有膜分离的高截留率，又具有离心沉降的工艺特性，通过膜分离将截留物截留并在离心沉降作用下沉降，所以其截留物浓度高于相同工艺条件下的膜分离。
4、便于实现膜渗透侧的吹扫。
膜渗透侧的吹扫，要求选用的吹扫物料在膜渗透侧分布均匀，且不增加或少增加膜渗透侧的压力。传统的方法中当膜选用中空纤维膜或毛细管膜，虽然吹扫物分布均匀但膜后压力增加很大，卷式膜、平板膜则存在吹扫物分布不均匀的情况。而在超重力条件下，膜渗透侧的透过物和吹扫物可以在离心力的作用下沿离心场的方向向膜外排除且不增加膜后压力，分布均匀，所以，超重力膜分离可实现渗透蒸发，和双向流膜高倍浓缩。
综上所述，超重力条件下的膜分离技术是一项新型的复合型的应用技术。目前，研究应用的成果并不多，相关的论文和专利文献也不多，在已知的可查资料中，仅有《具有管式结构的旋转床超重力场装置》(专利申请号03115674.6)和《离心旋转超重力-膜分离技术》(专利申请号03100089.4)两项专利发表，该两项专利虽然提出了将分离膜、进料液和透过液置于旋转超重力场中的膜分离方案，但并未认识到上述的超重力条件下膜分离的特点及产生的原因，也未能根据其特征及其产生的原因在膜材料的部置上强化其特征，如《离心旋转超重力-膜分离技术》其特征强调，膜表面面向转鼓轴心，这样的膜布置，会使浓差极化和膜污染更加严重。《管式结构的旋转超重力场装置》强调管式膜或中空纤维膜两端固定，并沿径向排列，但在膜分离过程中由于哥氏力和液流冲击力的存在，中空纤维膜无法呈直线并保持径向排列，如通过两端固定强制其沿径向排列，则中空纤维膜极易拉断。《一种在超重力条件下工作的膜组件》(专利申请号2008207417002)提出了一种在超重力条件下工作的膜组件，较好地解决了以上二专利的不足，但其仅提出了一种膜组件，并没有解决该膜组件在超重离心场中实现超重力膜分离的许多实际应用问题，也无法成机应用。专利《超重力膜分离机》(专利申请号200920096834.1)针对以上专利的不足采用专利《一种在超重力条件下工作的膜组件》所及的膜组件，并通过各部件的合理组合解决了超重力膜分离过程的许多关键问题，但该专利仍有许多不足，具体为：1、整机只有一个膜组件且结构较大，如膜任何一部损坏则整个膜组件无法修复，甚至报废。2、膜组件加工难度大、成本高。3、无法实现膜渗透侧吹扫物料的给入。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种超重力条件下工作的膜分离机，该机除具有超重力膜分离所具有的浓差极化低、膜污染小、渗透通量大和截留物浓度高的特点外，还具有结构简单、膜组件可修复，可实现渗透边的吹扫的特点。
本发明的技术方案是：一种由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：由多个独立的膜组件(1)、转盘(2)、机架(3)、中心导液管(4)、主轴(9)、多孔支承板(23)、旋塞(24)、上盖(13、压盖(17)、轴承(8)、支承套(12)和主轴传动部件(11)组成；多个独立的膜组件(1)的轴心线沿转盘(2)的径向分布排列，并安装在转盘(2)上，膜组件(1)的底部装有多孔支承板(23)，多孔支撑板(23)的底部侧边通过旋塞(24)与转盘(2)连接；
转盘(2)上装有的中心导液管(4)其一端伸入膜组件(1)的中央，另一端与转盘(2)固定连结；转盘(2)的中央装有主轴(9)，主轴(9)的下方安装有轴承(8)，并通过轴承(8)与支承套(12)相连，支承套(12)安装于机架(3)上，机架(3)上装有上盖(13)，主轴(9)的下端部装有主轴传动部件(11)，转盘(2)的上部中央装有压盖(17)，压盖(17)上开有上部导液通道(16)；
主轴上部开有下部料液口(10)、料液腔(14)和上部料液口(15)。
上述多个独立的膜组件(1)可直接安装在转盘(2)内加工形成的锥形孔内。
上述多个独立的膜组件(1)可以通过不可拆卸非承压膜组件外壳(32)安装在转盘(2)上。
上述多个独立的膜组件(1)可通过可拆卸承压膜组件外壳(30)安装于转盘(2)上。
上述膜组件(1)由分离膜(21)、膜罩壳(20)、膜固定用环氧树脂(22)和细丝线(29)组成；分离膜(21)安装于膜罩壳(20)内成伞状或锥形蜗旋状分布，其远离主轴(9)的一端用膜固定环氧树脂(22)固定，且膜固定环氧树脂(22)的底端切开使分离膜(21)的透过侧与外界连通，而其另一端呈凹面形，分离膜(21)靠近主轴(9)的一端用胶粘剂使分离膜(21)透过侧与外界封闭并通过柔韧的细丝线(29)与膜罩壳(20)上端内侧相连；膜罩壳的上部端面开有膜罩壳导液孔(19)。
上述转盘(2)的中部分别开有外料液平衡分配槽(5)和内料液平衡分配槽(6)，下导液通道(7)导液通道(18)，下导液通道(7)的一端与内料液平衡分配槽(6)相通，另一端与主轴(9)的下部料液口(10)相通。
上述旋塞(24)上开有旋塞导液通道(26)，旋塞(24)可以用螺纹连结或法兰螺栓连结的方式与转盘(2)或可拆卸承在膜组件外壳(30)相连接。
上述中心导液管远离主轴(9)的一端，底部侧边开有槽形的中心导液管侧开孔(25)。
上述分离膜(21)靠近主轴(9)的一端也可以用环氧树脂固定后切割使分离膜(21)的透过侧通过膜组件罩壳(37)与外界相通。
上述分离膜(21)可以是中空纤维膜、螺旋卷式膜、毛细管膜或管式膜。
本发明的优点是：1、多个独立的膜组件分别固定在转盘上，转盘转动带动膜组件内的分离膜及膜组件内的原料液、透过液、截留液和吹扫物转动，从而使膜分离过程在超重力条件下进行，因而本机具有超重力膜分离具有的浓差极化、膜污染低、单位膜面积通量大和截留物浓度高的特点。2、由于膜组件是多个独立安装的并且可拆卸，所以本机具有结构简单，膜组件可修复的特点。3、由于膜的透过侧易于加入吹扫物，而吹扫物在离心力的作用下易于从膜渗透侧排除且不增加膜后压力，分布均匀，所以本机可实现膜后吹扫且性能良好，本机可用于反渗、钠滤、超滤、微滤、渗透蒸发和双向流膜分离等膜分离过程，可用于分离、纯化、浓缩，有机物脱水，污水处理等工艺操作。
附图说明：
图1是膜组件安装于转盘内的加工成形的锥孔中的在超重力条件下工作的膜分离机结构示意图。
图2是膜组件通过可拆卸承压膜组件外壳安装在转盘上的在在超重力条件下工作的膜分离机结构示意图。
图3是膜组件通过不可拆卸非承压膜组件外壳安装在转盘上的在超重力条件下工作的膜分离机结构示意图。
图4是膜组件内的分离膜靠近主轴的一端可向膜渗透侧加入吹扫物，可用作渗透蒸发和双向流高倍浓缩的超重力条件下工作的膜分离机结构示意图。
具体实施方式：
首先以图1描述膜组件(1)安装于转盘(2)内加工成形的锥孔中的在超重力条件下工作的膜分离机的结构、工作原理和实施方法。
图1所描述的超重力膜分离机由膜组件(1)、转盘(2)、机架(3)、中心导液管(4)、轴承(8)、主轴(9)、主轴传动部件(11)、支承套(12)、上盖(13)、压盖(17)、多孔支承板(23)和旋塞(24)组成。其中膜组件(1)由分离膜(21)、膜罩壳(20)、膜固定环氧树脂(22)和细丝线(29)组成。分离膜可以是中空纤维膜、毛细管膜或管式膜。分离膜(21)呈伞形或锥状蜗旋形布置于膜罩壳(20)内，其远离主轴(9)的一端用膜固定环氧树脂(22)固定且其外端通过切削使分离膜(21)的透过侧与外界相通，从而使透过液得以从膜透过侧排除，分离膜(21)靠近主轴(9)的一端封闭，以保证原料液不进入分离膜(21)的透过侧，该端通过细丝线(29)与膜罩壳(20)上端内侧相连，从而保证分离膜(21)既可以相对固定又可以在小范围摆动，从而避免了刚性固定时分离膜(21)的损坏。膜罩壳(20)的上部端面开有膜罩壳导液孔(19)可以使原料液进入膜组件(21)或使截留液从膜组件(21)内排除，膜固定环氧树脂(22)的内端面呈凹面形，其作用是有利于截留的浓缩液在离心力的作用下集中排出。
多个独立的膜组件(1)安装在转盘(2)通过加工形成的锥形孔内，膜组件(1)中央装有中心导液管(4)，下部装有多孔支撑板(23)，侧边与旋塞(24)内孔侧边静态密封连接；旋塞(24)与转盘(2)紧固密封连接，使膜组件(1)密封于转盘(2)的锥形腔体内；转盘(2)的中部装有压盖(17)和主轴(9)，主轴(9)的中部装有轴承(8)并通过与轴承(8)相连的固定在机架(3)上的支承套(12)相连，从而保证转盘(2)稳定转动；机架(3)上方装有上盖(13)，机架(3)与上盖(13)形成封闭的腔体，有利于透过液的收集和操作的安全；转盘(2)的中部分别开有内料液平衡分配槽(6)和外料液平衡分配槽(5)；主轴(9)的下端装有主轴传动部件(11)它可以将外界动力传给主轴(9)并带动转盘(2)和安装于转盘(2)上的膜组件(1)以及其中的原料液、截留液和透过液转动，使膜分离过程在超重力条件下进行。
以下结合本机的实际工作情况描述其工作原理及具体实施方法：
外界轴动力通过主轴传动部件(11)使主轴(9)绕轴承(8)转动，并带动转盘(2)和转盘(2)上的膜组件(1)以及原料液、截留液和透过液转动，使整个膜分离过程在超重力条件下进行，从而实现超重力条件下的膜分离。
原料液通过主轴(9)上部的上部料液口(15)和料液腔(14)经压盖(17)上开出的上部导液通道(16)进入外料液平衡分配槽(5)并在外料液平衡分配槽(5)内在离心力的作用下平衡，然后经多个导液通道(18)进入膜组件(1)并经膜罩壳导液孔(19)与分离膜(21)接触，在进料液压力和离心作用产生的压力作用下实现膜分离。在膜分离过程中膜表面产生浓差极化层，由于浓差极化层的密度远高于主体料液的密度，所以在离心力的作用下会快速沿离心力方向运动，并在膜固定环氧树脂(22)内凹面聚集并向内凹面中心集中，在进料液压力的作用下经中心导管(4)的中心导液管侧开孔(25)和中心导液管(4)内控进入内料液平衡分配槽(6)。聚集平衡后经下导液通道(7)和主轴(9)内孔，下部料液口(10)排出机器，由于如上所述超重力条件下有利于浓差极化层快速离开膜表面。所以本机可降低浓差极化，减少膜污染。
从膜表面透过膜进入膜透过侧的透过液在透过液压力和离心力的作用下沿膜透过侧通道，从膜组件(1)底部排出，经多孔支撑板(22)和旋塞(24)上开出的旋塞导液通道(26)和转盘排液孔(28)从转盘(2)排出，并在机架(3)和上盖(13)形成的腔体内聚集，并经机架(3)底部开出的机架排液孔(27)排出机器。由于离心力的作用透出液可在离心力的作用下从膜透过侧排出而无需增加膜后压力，所以可保证较高的跨膜压差，从而保证较高的膜通量。
由于本机采用的是多个独立的膜组件，如发现透过液中截面物的含量升高，可从转盘排液孔(28)取样确定那一个膜组件发生故障。确定故障膜组件后，可打开旋塞(24)将故障膜组件取出，如分离膜(21)为中空纤维膜、毛细管膜或管式膜时，可将膜组件置于压缩空气内从其底部透过液出口，查出出现问题的膜丝或膜管并将其透过液导出口封闭，膜组件即可修复。
图2、图3所示的在超重力条件下工作的膜分离机，与图1所示的膜分离机，其工作原理，具体实施方法，都完全相同，只是其结构有所不同，以下仅就其不同之处作说明。
与图1所示的在超重力条件下工作的膜分离机不同图2中的膜组件(1)不是装在转盘(2)的锥形腔内，而是通过可拆卸承压膜组件外壳(30)安装在转盘(2)上。为降低空气阻力，转盘(2)上部装有转盘上盖(31)。本结构的设计有利于降低转盘(2)和整机的重量，降低机器造价。
与图1和图2不同，图3所示的在超重力条件下工作的膜分离机，其膜组件(1)安装于由不可拆卸非承压膜组件外壳(32)内，为抵抗膜组件(1)内的料液压力，不可拆卸非承任膜组件外壳(32)与转盘(2)间的间隙用间隙填充用环氧树脂(43)填充。本结构的设计可以降低转盘(2)和整机的重量，减少机器震动。
与图1、图2、图3所示的超重力条件下工作的膜分离机不同图4所示的是膜透过侧可通入吹扫物的膜分离机，为实现这一功能，膜组件(1)的结构作了改进，同时增加了吹扫物进入元件和通道，而在传动、原料液、透过液和截留液的排出均与图1、图2、图3所示的再超重力条件下工作的膜分离机相同，以下仅就其不同之处作详细说明：
分离膜(21)靠近主轴(9)的一端，用上部膜固定环氧树脂(33)固定后，将其外端面切开，使分离膜(21)透过侧与外界相通，在上部膜固定环氧树脂(33)外侧通过粘合安装膜组件上部罩壳(37)使分离膜(21)的膜内外侧分开，转盘(2)和压盖(17)的上部增加盘形压板(40)以形成吹扫物的给入通道。
以下以双向流膜法高倍浓缩为例结合图4描述其工作原理和实施方法：
在膜分离工艺中可以用膜透过侧通入高渗透压溶液(盐溶液或糖溶液)的方法，在低进料压力的条件下实现物料的高倍浓缩，也可以通过在膜透过侧通入空气或氮气的方法实现渗透蒸发，当膜的透过侧通入溶液或气体(吹扫物)时要求通入的液体或气体(吹扫物)具有1、在膜后分布均匀，2、压力不可太高的特点。当分离膜为螺旋卷式膜时。由于膜后流道宽，所以吹扫物压力可不必太高，但由于流道宽，却很难保证吹扫物在膜后均匀分布，当分离膜为中空纤维时，由于其膜后流道窄，虽然膜后吹扫物分布均匀，但要使吹扫物从膜的一端以一定的流量从另一端流出，吹扫物必须具有足够的压力。在超重力条件下透过液和吹扫物在膜后的流动是在离心力的作用下进行的只要膜后的流道保持与离心场的方向一致，就可以在不增加膜后压力的情况下保证透过物和吹扫物均匀地从膜后流过。
较高浓度的盐水从盘形压板(40)上的透过侧外加液(气)进入口(42)经透过侧外加液(气)槽形进入通道(41)和透过侧外加液(气)转盘进入通道(39)，经透过侧外加液(气)膜组件进入通道(38)进入透过侧外加液(气)进入腔(34)后进入分离膜(21)透过侧，并在离心力及浓盐水压力的作用下，携带着透过液从分离膜(21)的底端流出。
当提高进料液温度，吹扫物选用空气或氮气，分离膜(21)选用渗透蒸发膜时按上述同样的原理和流程，图4所示的在超重力条件下的膜分离机可实现渗透蒸发膜分离操作。
综合以上分析发明专利通过合理的设计，解决了现有超重力膜分离中的膜组件结构大复杂，不易修复，以及不易实现透过侧吹扫物的给入和低压均匀流入流出等问题。除具有超重力分离所具有的膜浓差极低，膜污染低，渗透通量高，截留物浓度大的优点外，还具有结构简单及膜组件可修复，能实现透过侧吹扫物的给入和低压均匀流出等优点，实现了在超重力条件下渗透蒸发和双流高倍浓缩。
Claims (10)
1.一种由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：由多个独立的膜组件(1)、转盘(2)、机架(3)、中心导液管(4)、主轴(9)、多孔支承板(23)、旋塞(24)、上盖(13、压盖(17)、轴承(8)、支承套(12)和主轴传动部件(11)组成；多个独立的膜组件(1)的轴心线沿转盘(2)的径向分布排列，并安装在转盘(2)上，膜组件(1)的底部装有多孔支承板(23)，多孔支撑板(23)的底部侧边通过旋塞(24)与转盘(2)连接；
转盘(2)上装有的中心导液管(4)其一端伸入膜组件(1)的中央，另一端与转盘(2)固定连结；转盘(2)的中央装有主轴(9)，主轴(9)的下方安装有轴承(8)，并通过轴承(8)与支承套(12)相连，支承套(12)安装于机架(3)上，机架(3)上装有上盖(13)，主轴(9)的下端部装有主轴传动部件(11)，转盘(2)的上部中央装有压盖(17)，压盖(17)上开有上部导液通道(16)；
主轴上部开有下部料液口(10)、料液腔(14)和上部料液口(15)。
2.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述多个独立的膜组件(1)可直接安装在转盘(2)内加工形成的锥形孔内。
3.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述多个独立的膜组件(1)可以通过不可拆卸非承压膜组件外壳(32)安装在转盘(2)上。
4.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述多个独立的膜组件(1)可通过可拆卸承压膜组件外壳(30)安装于转盘(2)上。
5.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述膜组件(1)由分离膜(21)、膜罩壳(20)、膜固定用环氧树脂(22)和细丝线(29)组成；分离膜(21)安装于膜罩壳(20)内成伞状或锥形蜗旋状分布，其远离主轴(9)的一端用膜固定环氧树脂(22)固定，且膜固定环氧树脂(22)的底端切开使分离膜(21)的透过侧与外界连通，而其另一端呈凹面形，分离膜(21)靠近主轴(9)的一端用胶粘剂使分离膜(21)透过侧与外界封闭并通过柔韧的细丝线(29)与膜罩壳(20)上端内侧相连；膜罩壳的上部端面开有膜罩壳导液孔(19)。
6.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述转盘(2)的中部分别开有外料液平衡分配槽(5)和内料液平衡分配槽(6)，下导液通道(7)导液通道(18)，下导液通道(7)的一端与内料液平衡分配槽(6)相通，另一端与主轴(9)的下部料液口(10)相通。
7.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述旋塞(24)上开有旋塞导液通道(26)，旋塞(24)可以用螺纹连结或法兰螺栓连结的方式与转盘(2)或可拆卸承在膜组件外壳(30)相连接。
8.根据权利要求1所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述中心导液管远离主轴(9)的一端，底部侧边开有槽形的中心导液管侧开孔(25)。
9.根据权利要求5所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述分离膜(21)靠近主轴(9)的一端也可以用环氧树脂固定后切割使分离膜(21)的透过侧通过膜组件罩壳(37)与外界相通。
10.根据权利要求5所述的由多个独立的固定在转盘上的膜组件构成的超重力膜分离机，其特征在于：上述分离膜(21)可以是中空纤维膜、螺旋卷式膜、毛细管膜或管式膜。
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