CN102092866B - 一种压力驱动的多功能膜分离装置及分离工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压力驱动的多功能膜分离装置和分离工艺，包括高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、低压膜分离分路、低压供水干路、高压供水干路，在高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、低压膜分离分路中分别设置不同的膜组件，组合结构型式相同和不相同的膜组件，集成高压运行与低压运行的并联或串联等多种膜分离模式，快速方便地对同一种或两种不同的料液实施反渗透、纳滤、超滤、微滤膜分离。本发明强化了膜分离的功能多样性和工艺灵活性，降低了膜分离设备的投资费用，减少了料液处理的运行时间，条件易控，效率更高，结果可靠，适用性广，可用作水和废水、食品、生物、制药、精细化工等工业物料的批次处理或规模化生产的单元操作设备。

Description

一种压力驱动的多功能膜分离装置及分离工艺

技术领域

本发明属于水处理以及食品、制药、生物化工、农产品加工、精细化工等的流体分离领域，尤其涉及一种压力驱动的多功能膜分离装置及工艺。

背景技术

膜分离技术具有高效、节能、环保、操作简便等优点，因而在当今工业生产中广泛应用于不同物理、化学性质的物料的分离、分级、除杂及浓缩。以压力为驱动力的反渗透（RO）、纳滤（NF）、超滤（UF）、微滤（MF）等四种膜过程，是由于膜的孔径依次增大，对不同分子尺寸或物质尺寸的混合物能够进行精细分离提纯和浓缩，能够实现针对特定的物料的特定分离目的而进行高效操作。RO、NF由于膜具有纳米级甚至小至埃级尺寸的小孔径，适用于分离料液中的一价或高价离子以及小分子量物质和水，操作压力高，为高压膜分离过程；而UF、MF由于膜的孔径在数十个纳米甚至大到数个微米，仅需较低的操作压力即可将混合物中的大分子与小分子或盐等物质分离，为低压膜分离过程。

迄今为止，可以进行大规模工业应用的压力驱动的膜元件型式主要有卷式、中空纤维式、管式和平板式。其中，用于RO、NF的大多为需高压操作的卷式膜组件，而用于UF、MF的为可低压操作的膜组件除了卷式外，更多的是中空纤维式。一种膜过程或一个待分离的物料在进入大规模工业化应用前，通常需经过膜分离的小试或中试试验研究，以确定料液分离纯化的膜分离过程参数并确定其所能达到的分离效果及所得产品质量的优劣等，为工业化膜分离系统的设计和膜分离装置的制造提供科学依据。而当今市场上已有的试验用或批次规模生产用的膜分离设备，都以单一形式例如中空纤维式或卷式的膜元件，或以操作压力仅为低压或高压采用单一膜元件的制造的成套化装置。因而，成套化的膜分离装置存在规格少、膜分离功能单一，同一套设备不能在同时间内采用同一料液进行多种不同膜以及不同膜过程的操作运行，更不能满足来自多领域的不同物料进行多样化试验运行的需要，完成分离任务时试验步骤繁杂、试验设备多台套、设备投资和运行费用大等问题。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种压力驱动的多功能膜分离装置，能通过简单的结果实现多种膜分离工艺的并行运行和串联运行，能方便和低成本地为大规模工业化膜分离系统的工艺设计及其成套化膜分离装置的制造提供依据，以及为相关产品多批次规模生产提供新型膜分离成套装置。为此，本发明采用以下技术方案：它包括高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路、低压供水干路、高压供水干路；低压供水干路上设有低压泵，高压供水干路上设有高压泵，高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路在其膜组件上游分别设有阀门；

高压膜分离分路在它的所述阀门的上游和高压供水干路连接；

第一低压膜分离分路在它的所述阀门的上游、第二低压膜分离分路在它的所述阀门的上游与低压供水干路连接；

压力可变膜分离分路在它的所述阀门的上游与低压供水干路连接并在连接管路上设有第一工作状态切换阀门；

压力可变膜分离分路在它的所述阀门的上游还与高压供水干路连接并在连接管路上设有第二工作状态切换阀门；

所述高压膜分离分路中的膜组件为反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，所述压力可变膜分离分路的膜组件为与高压膜分离分路中膜组件不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，或者为超滤用的卷式膜组件，或者为微滤用的卷式膜组件；

所述第一低压膜分离分路中的膜组件为超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件，第二低压膜分离分路中的膜组件为与第一低压膜分离分路中膜组件不同的超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件；

所述多功能膜分离装置设有原水箱和第一储液箱，

所述原水箱和高压供水干路和低压供水干路管路相连，并在连接管路上设有阀门，

所述第一储液箱的进水口和第一低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有阀门，所述第一储液箱的进水口和第二低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有阀门，所述第一储液箱的出水口和高压供水干路相连并在连接管路上设有阀门。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供上述压力驱动的多功能膜分离装置分离工艺。为此，本发明采用以下技术方案：它包括以下组合模式：

第一组合模式，低压卷式膜和低压中空纤维式膜并联运行，所述第一组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载用于超滤或用于微滤的卷式膜，开启第一工作状态切换阀门，关闭第二工作状态阀门，接通压力可变膜分离分路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵，进行低压卷式超滤膜分离或低压卷式微滤膜分离、中空纤维式超滤膜分离和/或中空纤维式微滤膜分离的并行运行；

第二组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的并联运行，所述第二组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载与高压膜分离分路中膜组件不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，关闭第一工作状态切换阀门，高压膜分离分路和压力可变膜分离分路中至少接通一路，压力可变膜分离分路接通时，第二工作状态切换阀门开启，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵和高压泵，进行反渗透和/或纳滤、超滤和/或微滤的并行运行；

第三组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的二级串联运行，

关闭第一工作状态切换阀门，在高压膜分离分路及其与第一储液箱的连接、压力可变膜分离分路及其与第一储液箱的连接中至少接通一路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中接通其中一路，断开所述原水箱和高压供水干路的连接，接通第一低压膜分离分路或第二低压膜分离分路的产水出口与第一储液箱的连接管路，进行中空纤维式膜与高压卷式膜二级串联膜分离运行。

由于采用本发明的技术方案，本发明所提供的膜分离装置基于压力驱动膜分离原理，巧妙地设计管、阀系统，灵活地组合结构型式相同和不相同的膜组件，通过简单的结构有机地集成高压和低压驱动运行模式，能实现高压运行与低压运行的并联运行、串联运行等多种膜分离模式，对同一种原水能快速方便地得到它们反渗透、纳滤、超滤、微滤以及串联组合的膜分离结果，提高了成套膜分离装置的集成度和科技含量，强化了膜分离功能的多样性和灵活性，极大地减少了膜分离设备的投资费用和分离运行时间。在同等运行条件下，本发明与传统膜分离装置相比，本发明装置和分离工艺具有适用性更广，效率更高，运行条件更易控制，重复运行数据更为准确，获得的结果更具可靠性等的显著优点，可用作规模化批次处理量的单元操作设备，更能为大规模工业化膜分离系统的工艺设计及其成套化膜分离装置的制造提供依据。

附图说明

图1为本发明的多功能膜分离装置的系统与分离工艺示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明包括高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路、低压供水干路、高压供水干路；

低压供水干路上设有低压泵B-02、球阀QF-07、保安过滤器LQ、与低压泵B-02并联的球阀QF-6，所述低压泵的低压是指该压力能满足超滤和微滤膜处理的要求，并因此而将低压泵所在的供水干路称为低压供水干路。

高压供水干路上设有高压泵B-01、球阀QF-10、与高压泵B-01的进出口连接用于回流的截止阀JF-01，所述高压泵的高压是指该压力能满足反渗透和纳滤膜处理的要求，并因此而将高压泵所在的供水干路称为高压供水干路。

高压膜分离分路在其膜组件上游设有截止阀JF-02，浓水出水管路上设有截止阀JF-04，所述高压膜分离分路中的膜组件1＃为反渗透用或纳滤用的卷式膜组件。所述高压膜分离分路因该分路专由高压供水干路供水而称为高压膜分离分路。

压力可变膜分离分路在其膜组件上游设有截止阀JF-03，浓水出水管路上设有截止阀JF-05，所述压力可变膜分离分路中的膜组件2＃为与膜组件1＃不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件（比如，膜组件1＃为一种膜产品性能的纳滤用或反渗透用的卷式膜组件，膜组件2＃为另一种膜产品性能的纳滤用或反渗透用的卷式膜组件，反之亦然），或者，膜组件2＃为超滤用的卷式膜组件，或者，膜组件2＃为微滤用的卷式膜组件。压力可变膜分离分路因该分路既可由高压供水干路供水又可由低压供水干路供水而称为压力可变膜分离分路。

第一低压膜分离分路在其膜组件上游设有球阀QF-11，浓水出水管路上设有球阀QF-17，所述第一低压膜分离分路中的膜组件3＃为超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件。

第二低压膜分离分路在其膜组件上游设有球阀QF-12，浓水出水管路上设有球阀QF-18，第二低压膜分离分路中的膜组件4＃为与膜组件3＃不同的超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件（比如，膜组件3＃为一种膜产品性能的超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件，膜组件4＃为另一种膜产品性能的超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件，反之亦然）。

第一低压膜分离分路和第二低压膜分离分路因该两分路专由低压供水干路供水而称为第一低压膜分离分路和第二低压膜分离分路。

这样，上述四路膜分离分路上的膜组件可根据分离任务，分别安装（或更换）高压（或低压）的卷式膜组件，或低压的不同切割分子量（MWCO）的中空纤维式膜组件。

高压膜分离分路在它的所述截止阀JF-02的上游和高压供水干路连接；

第一低压膜分离分路在它的所述球阀QF-11的上游、第二低压膜分离分路在它的所述球阀QF-12的上游与低压供水干路连接；

压力可变膜分离分路在它的截止阀JF-03的上游与低压供水干路连接并在连接管路上设有第一工作状态切换阀门QF-08，其为球阀；

压力可变膜分离分路在它的截止阀JF-03的上游还与高压供水干路连接并在连接管路上设有第二工作状态切换阀门QF-09，其为球阀；

所述多功能膜分离装置设有原水箱YW和第一储液箱CW-01，

所述原水箱YW和高压供水干路相连并在连接管路上设有球阀QF-02和QF-04，所述原水箱YW还和低压供水干路管路相连并在连接管路上设有球阀QF-02和QF-05。

所述第一储液箱CW-01的进水口和第一低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有球阀QF-19，所述第一储液箱CW-01的进水口和第二低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有球阀QF-20，所述第一储液箱的出水口和高压供水干路相连并在连接管路上设有球阀QF-01。

本发明还可设有第二储液箱CW-02，所述第二储液箱CW-02与低压供水干路相连并在连接管路上设有球阀QF-03。

所述低压供水干路还与第一低压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有球阀QF-15，所述低压供水干路还与第二低压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门QF-16；以上结构可使低压泵能起到清洗泵的作用，对第一低压膜分离分路的膜组件和第二低压膜分离分路的膜组件进行膜面清洗，清洗污水分别从反向出水球阀QF-13和QF-14中流出。

所述低压供水干路还与第一低压膜分离分路的膜组件的产水出口连接并在连接管路上设有阀门，所述低压供水干路还与第二低压膜分离分路的膜组件的产水出口连接并在连接管路上设有阀门；以上结构可使低压泵能起到反冲洗泵的作用，对第一低压膜分离分路的膜组件和第二低压膜分离分路的膜组件进行反向冲洗，清洗污水分别从反向出水球阀QF-13和QF-14中流出。

所述低压供水干路还与高压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门JF-04，所述低压供水干路还与压力可变膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门JF-05。以上结构可使低压泵能起到清洗泵的作用，对高低压膜分离分路的膜组件和压力可变膜分离分路的膜组件进行膜面清洗。

以上结构使本发明集正向清洗和逆向清洗以及从膜背面实施的对膜面反向清洗于一体，实现单组件或多组件全面清洗，彻底清除膜面污染物甚至膜孔内的污堵物。

上述膜分离装置分离工艺包括以下组合模式：

第一组合模式，低压卷式膜和低压中空纤维式膜并联运行，所述第一组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载用于超滤或用于微滤的卷式膜，开启第一工作状态切换阀门QF-08，关闭第二工作状态阀门QF-09，接通压力可变膜分离分路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵B-02，进行低压卷式超滤膜分离或低压卷式微滤膜分离、中空纤维式超滤膜分离和/或中空纤维式微滤膜分离的并行运行。在本实施例中，第三膜分离分路和第四膜分离分路全部接通。

本模式的操作为：启动低压泵，打开球阀QF-02、QF-05、QF-06、QF-07、QF-11、QF-12、QF-17、QF-18、QF-19、QF-20以及QF-08、截止阀JF-03、JF-05、JF-07，关闭其余阀门，同时调节球阀QF-06、QF-11、QF-12、 QF-17、QF-18以及截止阀JF-03、JF-05的闭合度以改变膜的进水、出水流量，在0~0.5MPa的低工作压力范围内调整系统的相应操作压力，实现在同一套膜分离装置采用膜组件结构完全不同的功能分离膜，在同一时间内相同的低操作压力下对同一种物料的分离运行，获得不同结构膜组件的分离性能。

第二组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的并联运行，所述第二组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载与高压膜分离分路中膜组件不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，关闭第一工作状态切换阀门QF-08，高压膜分离分路和压力可变膜分离分路中至少接通一路，压力可变膜分离分路接通时，第二工作状态切换阀门开启QF-09，否则关闭，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵和高压泵，进行反渗透和/或纳滤、超滤和/或微滤的并行运行。在本实施例中，所有膜分离分路全部接通，即同时进行反渗透、纳滤、超滤、微滤膜分离运行。

在本模式下，除了能对一种物料进行上述的膜处理实验之外，在连接第二储液箱CW-02后，可以同时对两种物料进行膜处理试验，在打开球阀QF-02和QF-03，关闭球阀QF-05和QF-08后，在原水箱的物料经由高压供水干路而进行反渗透和/或纳滤膜分离，在第二储液箱CW-02中的物料经由低压供水干路而进行超滤和/或微滤膜分离，从而实现在同一套膜分离装置采用不同功能分离膜，在同一时间内不同的操作压力下对同一种物料或两种不同物料的分离运行，获得两套甚至更多的膜分离运行数据及其膜分离的产品。 

第三组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的二级串联运行，

关闭第一工作状态切换阀门QF-08，在高压膜分离分路及其与第一储液箱CW-01的连接、压力可变膜分离分路及其与第一储液箱CW-01的连接中至少接通一路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中接通其中一路，断开所述原水箱和高压供水干路的连接，接通第一低压膜分离分路或第二低压膜分离分路的产水出口与第一储液箱的连接管路，进行中空纤维式膜与高压卷式膜二级串联膜分离运行。

本模式的操作为：关闭球阀QF-04、QF-08，将膜组件3#或膜组件4#的透过液引至第一储液箱CW-01，供给膜组件1#和膜组件2#作进一步提纯浓缩运行，实现在同一套膜分离装置采用膜组件结构完全不同的功能分离膜组件之间的二级连接，在同一时间内不同的操作压力下对初始一种含多种不同分子量和盐的水混合物，先UF/或微滤分离分子量大小不同的组分，而后NF进行小分子和盐分或RO进行小分子、盐和水的深度分离，达到逐级提纯浓缩的目的。

Claims (5)

1.一种压力驱动的多功能膜分离装置，其特征在于它包括高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路、低压供水干路、高压供水干路；低压供水干路上设有低压泵，高压供水干路上设有高压泵，高压膜分离分路、压力可变膜分离分路、第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路在其膜组件上游分别设有阀门；

高压膜分离分路在它的所述阀门的上游和高压供水干路连接；

第一低压膜分离分路在它的所述阀门的上游、第二低压膜分离分路在它的所述阀门的上游与低压供水干路连接；

压力可变膜分离分路在它的所述阀门的上游与低压供水干路连接并在连接管路上设有第一工作状态切换阀门；

压力可变膜分离分路在它的所述阀门的上游还与高压供水干路连接并在连接管路上设有第二工作状态切换阀门；

所述高压膜分离分路中的膜组件为反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，所述压力可变膜分离分路的膜组件为与高压膜分离分路中膜组件不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，或者为超滤用的卷式膜组件，或者为微滤用的卷式膜组件；

所述第一低压膜分离分路中的膜组件为超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件，第二低压膜分离分路中的膜组件为与第一低压膜分离分路中膜组件不同的超滤用或微滤用的中空纤维式膜组件；

所述多功能膜分离装置设有原水箱和第一储液箱，

所述原水箱和高压供水干路和低压供水干路管路相连，并在连接管路上设有阀门，

所述第一储液箱的进水口和第一低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有阀门，所述第一储液箱的进水口和第二低压膜分离分路产水出口相连并在连接管路上设有阀门，所述第一储液箱的出水口和高压供水干路相连并在连接管路上设有阀门。

2.如权利要求1所述的一种压力驱动的多功能膜分离装置，其特征在于它设有第二储液箱，所述第二储液箱与低压供水干路相连并在连接管路上设有阀门。

3.如权利要求1或2所述的一种压力驱动的多功能膜分离装置，其特征在于所述低压供水干路还与第一低压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门，所述低压供水干路还与第二低压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门；

所述低压供水干路还与第一低压膜分离分路的膜组件的产水出口连接并在连接管路上设有阀门，所述低压供水干路还与第二低压膜分离分路的膜组件的产水出口连接并在连接管路上设有阀门；

所述低压供水干路还与高压膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门，所述低压供水干路还与压力可变膜分离分路的膜组件的浓水出口连接并在连接管路上设有阀门。

4.根据权利要求1所述的压力驱动的多功能膜分离装置分离工艺，其特征在于它包括以下组合模式：

第一组合模式，低压卷式膜和低压中空纤维式膜并联运行，所述第一组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载用于超滤或用于微滤的卷式膜，开启第一工作状态切换阀门，关闭第二工作状态阀门，接通压力可变膜分离分路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵，进行低压卷式超滤膜分离或低压卷式微滤膜分离、低压中空纤维式超滤膜分离和/或低压中空纤维式微滤膜分离的并行运行；

第二组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的并联运行，所述第二组合模式包括以下步骤：

在压力可变膜分离分路上装载与高压膜分离分路中膜组件不同的反渗透用或纳滤用的卷式膜组件，关闭第一工作状态切换阀门，高压膜分离分路和压力可变膜分离分路中至少接通一路，压力可变膜分离分路接通时，第二工作状态切换阀门开启，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中至少接通一路，启动低压泵和高压泵，进行高压卷式反渗透膜和/或高压卷式纳滤膜分离、低压中空纤维式超滤膜和/或低压中空纤维式微滤膜分离的并行运行；

第三组合模式，低压中空纤维式膜与高压卷式膜的二级串联运行，

关闭第一工作状态切换阀门，在高压膜分离分路及其与第一储液箱的连接、压力可变膜分离分路及其与第一储液箱的连接中至少接通一路，第一低压膜分离分路、第二低压膜分离分路中接通其中一路，断开所述原水箱和高压供水干路的连接，接通第一低压膜分离分路或第二低压膜分离分路的产水出口与第一储液箱的连接管路，进行低压中空纤维式膜与高压卷式膜二级串联膜分离运行。

5.如权利要求4所述的压力驱动的多功能膜分离装置分离工艺，其特征在于在进行第二组合模式时，还在低压供水干路上连接第二储液箱，切断原水箱和低压供水干路的连接，接通原水箱和高压供水干路的连接。

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