CN102512965A - 一种螺旋卷式汽体渗透膜组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋卷式汽体渗透膜组件及其制备方法，特征在于它由多叶膜袋组成，每一叶膜袋由两片正面相背的膜片和置于其间的渗透气流道隔网组成，该膜袋三边用胶粘剂密封，第四边开口于有孔的中心收集管上。将开口处的隔网固定在中心管上，并将多个膜袋叠加，同时在膜袋间插入一张大小相同的进气流道隔网，然后将多个膜袋按一定方向紧密绕在中心管上成圆柱状，用塑料薄膜将其密封固定后，于40-50℃下干燥12h，取出，在切割机上将膜元件两端切割平整，放置专用架上待用。将处理好的膜元件装入特定设计的耐压圆筒型容器内，该容器具有一个进气口和两个出气口，容器底端与膜元件中心管密封，防止原料气进入中心管，渗透气出气口则与中心管相连接，用于排放透过膜片的汽体，该系统组成了一个完整的膜组件。该组件具有设备紧凑、装填密度大、气体分布和交换效果好、占地面积小、原料成本低等优点，并可串、并联使用，大大提高了膜组件的处理能力，同时易于与其它分离设备集成使用，在大型工业中具有良好的应用前景。

Description

一种螺旋卷式汽体渗透膜组件及其制备方法

技术领域

本发明属于膜分离设备技术领域，特别涉及一种将有机蒸汽分离膜和流道隔网围绕中心管一起卷制的，利用溶解-扩散原理，用于回收挥发到空气中的有机蒸汽的螺旋卷式分离膜组件及其制备方法。 

背景技术

气体膜分离技术起源于上个世纪五十年代，主要研究膜分离的技术原理，到八十年代以来，随着加工技术和新材料的不断涌现，气体膜分离技术的工业化应用得到了大力开发，膜分离技术早期主要用于石油炼气厂和石化行业尾气中的氢回收，近年来，随着高性能膜材料和先进制模工艺的研究、开发，其应用领域不断扩大，在富氧、富氮、天然气工业、气体除湿和有机废气的脱除行业均得到了应用。其中，有机废气的脱除和回收越来越受到发展中国家的重视，膜法回收有机蒸气的过程可以回收很多有价值的有机物，从而既保护了环境，又节省了能源和原材料。气体膜分离作为一种“绿色技术”在与传统分离技术(吸附、吸收、深冷分离)的竞争中显示出独特的优势，其分离过程无相变产生，能耗低或无需能耗。由于压力是分离过程的推动力，尤其适合处理自身带压力的混合气体的分离与回收，且膜本身为环境友好材料，膜材料的种类日益增多，分离性能也得到了不断的改善。美国的MTR，德国的GKSS，我国的清华大学以及大连化物所在很多工业领域都成功应用了此项技术，GKSS生产的平板膜和MTR生产的管式膜是目前市场上最常见的两种有机汽体渗透膜组件，但是由于国外的技术封锁，气体渗透膜组件的生产，目前在国内还是一项空白，尚没有成熟技术和市场应用，且购买国外生产的膜组件费用昂贵，不利于工业化应用，因此有机汽体渗透膜组件的生产具有迫切的市场需求，本发明开发了一种具有高效分离性能的螺旋卷式汽体渗透 膜组件，该膜组件相比于GKSS的平板膜和MTR的管式膜具有更大的装填密度，更优越的气体分布性能和分离效果，同时具有占地面积小、价格低等优点。 

发明内容

本发明的目的是提供一种螺旋卷式汽体渗透膜组件及其制备方法，以解决现有有机蒸汽回收装置设备笨重、分离效率低的问题，同时也致力于填补国内汽体渗透膜组件生产的空白。 

本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件，其特征在于它由多叶膜袋组成，每一叶膜袋由两片正面相背的膜片和置于其间的渗透气流道隔网组成，该膜袋三边用胶粘剂密封，第四边开口于有孔的中心收集管上。将开口处固定在中心管上，将多个膜袋叠加，并在膜袋间插入一张相同大小的进气流道隔网，然后将多个膜袋按一定方向紧密绕在中心管上成圆柱状，用塑料薄膜将其密封固定后，于40-50℃下干燥12h，取出，在切割机上将膜元件两端切割平整，放置专用架上待用。将处理好的膜元件装入特定设计的耐压圆筒型容器内，该容器具有一个进气口和两个出气口，其中原料混合气从进口处由导流隔网引导进入膜元件，在微负压的情况下，易于在膜片表面溶解的汽体首先透过膜片，进入膜袋，然后由渗透气导流隔网引导回收入中心管，中心管一端与渗透气出口管相连接，另一端用橡胶塞密封，未透过膜片的气体则在气流的推动下由进气导流隔网引导经未渗透气出口管直接排出膜组件。 

本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的制备方法，特征在于：将裁剪为一定尺寸的膜片以正面相对的方式对折，按膜片长度的0.5-0.6倍裁剪导流隔网，在折叠好的膜片中间插入一张进气导流隔网，渗透气导流隔网则置于膜片上方，将端头对齐，放置一边以备用，重复裁剪、折叠过程，完成一定数量后，将折叠好的“隔网-膜片-隔网”进行多个叠加，平铺于卷膜台上，在正面朝下的底层膜片下方铺上一张渗透气导流隔网，并将其粘于中心管上，然后一齐绕 着中心管卷绕成圆柱状，在卷绕过程中，在每一层渗透气导流隔网上涂密封胶，涂胶于导流隔网的边缘两侧和外侧位置，用于密封，防止渗透气泄漏，密封完成后，膜片的上半部分和另外一张膜片的下半部分与渗透气导流网形成了一个完整的膜袋，将卷绕好的膜元件用塑料薄膜缠绕保护，缠绕完成后的膜元件在40-50℃下干燥12h，经干燥后，取出膜元件，放置切割机上将元件两端平整切割，最后即可得到合格的膜元件，放置专用架上待用。该膜元件的进气通道和未渗透气通道均为进气导流隔网，渗透气通道为渗透气导流隔网和中心管相连组成的通道。 

所述汽体分离膜主要适用于回收易挥发性气体，包括：低碳链烷烃、烯烃，甲苯，二甲苯和低碳链醇等。 

所述的汽体分离膜是由有机汽体优先透过型膜材料制备得到的。 

所述流道隔网可由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯或聚酰胺材料所编织制成，单张流道隔网长度为所用单张离子交换膜的0.5-0.6倍，可采用单层或多层，为了减小流动阻力，可以适当增加流道隔网厚度。 

所述密封胶涂胶密封后的烘干温度为40-80℃，优选40-50℃，干燥时间为6-24h，优选12h。 

所述中心管可由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯材料制成。

所述压力容器外壳的截面可采用圆形、椭圆形或矩形，优选为圆形；进气方式可选择为侧路进气或底端进气；外壳的材质可以是聚氯乙烯、聚丙烯等高分子材料，也可以是玻璃钢或不锈钢等金属材料。 

本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件在用作有机汽体回收时使用，膜组件内的汽体分离膜选用有机汽体优先透过型膜，渗透气走产品流道网格，气体从膜片正面进入膜袋，沿螺旋方向在膜袋内导流层流动，最终汇集于中心收集管内而被导出，膜袋数目的增加可以增加膜面积，但不加长渗透气的流道长度，也不增加渗透气的流动阻力，未渗透气则沿着外导流层进入下一个膜 组件或直接排放，其中原料气与渗透气的流动既非逆流也非并流，组件内每一点出原料气与渗透气的流动方向呈垂直状态。采用的膜片材料为橡胶态高分子膜，利用了溶解-扩散原理来达到有机汽体与空气分离的目的，由于膜材料对于有机汽体具有较强的亲和性，有机蒸汽会优先在膜表面吸着，而空气在膜片上的吸着能力则较差，该过程为主要分离过程，具有明显的选择性，然后吸着的气体在膜两侧压力差、浓度差的推动下，扩散透过膜的另一侧，最后扩散透过的气体在膜背侧表面解吸、脱附。一般来讲，气体在膜表面的吸着和解吸过程都能较快地达到平衡，而气体在膜内的扩散较慢，是气体透过膜的速率控制步骤。 

本发明采用了螺旋卷式的膜组件结构，具有排列紧凑，装填密度大，体积小，重量轻，占地面积小等优点，相比于板框式膜组件和管式膜组件，由于添加隔网的存在，还具有气体分布均匀和分离效果良好的优点。 

本发明的螺旋卷式有机废气回收膜组件卷制工艺简单，卷制操作易行，生产过程相对自动化要求低，适用于填补国内螺旋卷式汽体渗透膜组件生产的空白。 

附图说明

图1为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的总体结构图； 

图2为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件膜片、隔网、中心管装配示意图； 

图3为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件制作工艺流程图； 

图4为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的一种外壳压力容器结构图； 

图5为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的油气分离性能测试装置示意图； 

具体实施方式

下面结合附图以实施例对本螺旋卷式汽体渗透膜组件作详细说明。 

实施例1：直径为4时的螺旋卷式汽体渗透膜组件的制备过程。 

图1为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的总体结构示意图；图2为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件膜片、隔网、中心管装配示意图。膜组件主体由中心管(1)、膜片(3)、进气导流层(2)、渗透气导流层(4)组成，将膜片(3)折叠成两片正面相对的膜片，中间夹带一层网格较粗的导流网做进气导流层，膜片背面分别夹带一层网格较密的导流网做渗透气导流层，在渗透气导流层左右两侧和外端涂胶与上下两层背面相对的膜片组成膜袋，其中渗透气导流隔网出口直接连接中心管，中心管上分布有一定数量的进气孔(6)用于收集渗透气，涂胶后将一定数量的膜袋以环绕的方式围绕中心管卷成圆筒状，最后用塑料薄膜对圆筒外围进行缠绕式密封。所述的膜袋是由两片正面相背的膜片、置于两片膜片间的渗透气体流道和放置在膜表面的进气流道组成的；所述的进气导流层的密封是通过膜片本身折叠后形成的顶端密封完成的；所述的膜片(3)和分布在其两侧的渗透气体流道隔网(2、4)组成一个完整的“进气导流-气体分离-渗透气导流”通道；所述的“中心管-渗透气流道隔网”通道为膜元件的渗透气流道，“进气流道隔网”则同时作为进气流道和未渗透气流道。 

在所制成的螺旋卷式汽体分离膜组件中混合气进料管(11)和未渗透气的出气管道(10)相通，渗透气管道(8)与中心管(5)相通，渗透气通过膜袋集中到中心管后，再经渗透气管道排出；膜组件可以设计成侧边进料和底端进料，以侧路进料为例，进料混合气从进气管道(11)进入膜元件底端，底端中心管进行严格密封处理，混合气通道进气导流隔网进入膜元件，在微负压的情况下，更容易溶解在膜表面的有机蒸汽大部分透过膜片，在渗透气导流隔网的作用下汇集于中心管，然后随着压差的推动通过渗透气管道排出，未能够透过膜片的空气则顺着进气导流管继续流动，在进气压力的作用推动下，未渗透气则顺着出气管道直接从顶端侧路排出膜组件。 

本实例中，图1给出了本发明专利的螺旋卷式汽体渗透膜组件的总体结构 图，中心管(1、5)采用了耐酸碱的聚氯乙烯塑料管，其主体截面为圆形，内径为15mm，中心管两侧轴向分布了大小均匀的孔径为2mm的进气孔道。图2为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件膜片、隔网、中心管装配示意图，本实例中用于折叠成膜袋的膜片(3)是自制的PVDF/PDMS复合膜，膜片以正面相对的方式对折，中间插入一张进气导流隔网，渗透气导流隔网则置于膜片上方，并端头对齐，重复过程，将一定数量的膜片和导流隔网叠加，然后绕着中心管卷绕成圆柱形，密封胶涂于渗透气导流网的边缘两侧和外侧位置，折叠后的膜片上半部分和另外一张膜片的下半部分与中间侧边均涂有密封胶的渗透气导流网形成了一个完整的膜袋，其特征为两个半张的膜片正面相背，且除了靠近中心管侧其余三边均为中间导流隔网相黏合，两个半张正面相背的膜片和渗透气导流网组成了一个完整的膜袋。 

所述的中心管除了可用聚氯乙烯材料所制成外，也可由聚乙烯、聚丙乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯等材料所制成。 

所述的流道隔网除可由聚丙烯材料所编织制成外，也可由聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯或聚酰胺等材料所编织制成，单张流道隔网的长度可为所用单张离子交换膜的0.5-1倍。 

所述的外壳的截面可采用圆形、椭圆形或矩形，优选为圆形；可用玻璃钢、不锈钢、聚氯乙烯等材料制成，考虑到密封、成本、耐压等问题，优选为玻璃钢材料。 

图3为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的制作工艺流程图。将裁剪好的汽体渗透膜片和导流隔网按一定方式夹层，将敷层好的膜袋平铺于卷膜台上，绕着中心管卷绕成圆柱状并作密封处理，完成后将卷绕好的膜元件用塑料薄膜缠绕保护，并于40-50℃下干燥12h，干燥后，取出膜元件，放置切割机上将元件两端平整切割，检测合格后，包装待用。 

图4为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的一种可选外壳压力容器结构图。如图4所示，管路8为渗透气出口管，直接连接中心管；9为膜组件外壳； 管路10为未渗透气出口管；管路11为混合气进料口；12为底端密封塞，其中侧路进料的方式可以用底端进料替代。 

图5为本发明的螺旋卷式汽体渗透膜组件的加油站油气分离性能测试装置示意图。如图5所示，13为回油管，14为真空泵，15为进气管，16为电控按钮，17为膜组件。 

Claims (7)

1.一种螺旋卷式汽体渗透膜组件，其特征在于它由多叶膜袋组成，每一叶膜袋由两片正面相背的膜片和置于其间的渗透气流道隔网组成，该膜袋三边用胶粘剂密封，第四边开口于有孔的中心收集管上。将开口处固定在中心管上，将多个膜袋叠加，并在膜袋间插入一张相同大小的进气流道隔网，然后将多个膜袋按一定方向紧密绕在中心管上成圆柱状，用塑料薄膜将其密封固定后，于40-50℃下干燥12h，取出，在切割机上将膜元件两端切割平整，放置专用架上待用。将处理好的膜元件装入特定设计的耐压圆筒型容器内，该容器具有一个进气口和两个出气口，其中原料混合气从进口处由导流隔网引导进入膜元件，在压力差的推动作用下，易于在膜片表面溶解的气体首先透过膜片，进入膜袋，然后由渗透气导流隔网引导收集入中心管中，中心管一端与渗透气出口管相连接，另一端用橡胶塞密封，未透过膜片的气体则在气流的推动下经进气导流隔网直接排出膜元件。

2.根据权利要求1所述汽体渗透膜主要适用于回收易挥发性气体，包括：低碳链烷烃、烯烃，甲苯，二甲苯和低碳链醇等。

3.根据权利要求1所述汽体渗透膜是由有机汽体优先透过型膜材料制得的。

4.根据权利要求1所述流道隔网可由聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚酯或聚酰胺材料所编织制成，单张流道隔网长度为所用单张气体渗透膜的0.5-0.6倍，可采用单层或多层，为了减小流动阻力，可以适当增加流道隔网厚度。

5.根据权利要求1所述密封胶涂胶密封后的烘干温度为40-80℃，优选40-50℃，干燥时间为6-24h，优选12h。

6.根据权利要求1所述中心管可由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯等材料制成。

7.根据权利要求1所述压力容器外壳的截面可采用圆形、椭圆形或矩形，优选为圆形；进气方式可选择为侧路进气或底端进气；外壳的材质可以是聚氯乙烯、聚丙烯等高分子材料，也可以是玻璃钢或不锈钢等金属材料。

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