CN102580557A - 一种低压降螺旋卷式膜元件 - Google Patents

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王丽华
邓子华
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王丽华
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Abstract

本发明关于一种降低螺旋卷式膜元件单支及系统运行压降的膜元件设计方法及一种使用该方法优化设计的低压降膜元件。本发明通过在膜元件卷制过程中，根据总的膜面积对膜元件卷制页数、每页长度、进水流道布宽度、入水角度进行综合设计，使同样尺寸、同样膜面积的单支膜元件在运行过程中，进水阻力最小，进水在膜元件中流动阻力也最小，则压力损失最小，从而降低整支膜壳及系统能耗。按照本发明设计的低压降膜元件与传统膜元件相比，压降可降低50％-55％，极大的降低了系统能耗。

Description

一种低压降螺旋卷式膜元件
技术领域
本发明涉及一种降低螺旋卷式膜元件使用压降的卷制设计方法及其产品，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、电渗析膜、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，经过膜元件的外形尺寸及所需膜面积，对一定宽度的膜片进行页数及长度的设计后进行折叠，用密封胶水将折叠后的膜片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，如图1所示。其中，进料流道布基本都是由纵向和横向的网丝交织而成，两个方向的网丝在交织过程中行成了一定的角度，同时在网丝交接处最大厚度表征为进料流道的宽度；因膜元件卷制工艺及使用场合不同，设计时可根据具体需要选择合适的进料流道布厚度及角度，卷式膜元件的入水角度一般指正对入水方向的给水流道布网丝相交的夹角，如图2所示。在膜元件运行中，压力在膜元件过滤过程中起到了很重要的作用，在实际运行过程中，压力损失是评估整套系统能耗的重要指标，以往在膜元件设计过程中，只考虑到膜元件的抗污堵性能及制造成本，而忽略了运行成本，使运行能耗增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种降低螺旋卷式膜元件使用压降的卷制设计方法及其产品，采用该设计可以降低膜元件自身压降、提高膜元件使用寿命，以降低膜元件系统运行能耗，从而降低膜元件系统运行成本。
本发明是这样实现的：
一种低压降反渗透膜元件的设计方法：在保证膜元件尺寸及膜面积的前提下，改变螺旋卷式膜元件卷制页数、每页长度、进水流道宽度、或入水角度其中之一个参数，或者同时改变其中两个或多个参数。
其中，增加所述螺旋卷式膜元件的卷制页数，降低每页长度；以八寸膜元件为例，页数为28-31页为最优。
其中，增加所述进水流道宽度；以八寸膜元件为例，进水流道宽度以34mil-36mil为最优。
其中，改变入水角度；以八寸膜元件为例，入水角度为55-80度为最优。
一种低压降反渗透膜元件，其是按照上述的设计方法制造得出。
与现有技术相比，本发明通过对膜元件卷制页数、每页长度、进水流道布宽度、入水角度进行综合卷制设计，即在保证膜元件尺寸及膜面积的前提下，1)增加卷制页数，降低每页长度，使进水涡流旋转加快，即进水流速大；以八寸膜元件为例，页数最优为28-31页。2)增加进水流道宽度，使进水在膜元件内部流动阻力减小，压力损失减小；以八寸膜元件为例，进水流道宽度最优为34-36mil最优。3)通过计算机理论模拟与膜元件实际运行相对应，通过改变进水角度及进水流道布经纬线的距离，进一步提高进水流速，降低进水在膜元件内部运行的阻力；以八寸膜元件为例，最优入水角度为55-80度。最终综合确定膜元件整体卷制工艺，使单支膜元件压降降低，从而降低系统能耗。
附图说明
图1是本发明组件卷制示意图；
图2是本发明的进料流道布示意图；
图3是入水角度与压降关系曲线图。
附图标记说明：
1-给水流道布；2-膜片；3-进料流道布；A-入水角度。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：
在同样直径、同样膜面积膜元件设计时，保证其他原材料及设计参数一致，只增加卷制膜片页数，使设计后的膜元件系统压降降低10％-15％。
以8寸膜元件为例，膜面积为400ft2，膜片性能保持一致的情况下，设计两种膜元件，其膜片页数为分别为20页及30页。在两套系统上对两种膜元件进行初始性能测试及长期运行5个月平均系统压降对比(单套系统为4支膜元件串联)。表1为两套系统的测试运行结果。该膜元件系统的进水压力均为225psi，进水盐浓度2000ppm。
表1增加膜元件卷制页数两套系统测试结果
  膜元件系统  初始通量(GPD)   脱盐率  压降(psi)
  20页卷制膜元件系统   30620   99.27％   23
  30页卷制膜元件系统   30639   99.21％   19.5
实施例2：
在同样直径、同样膜面积膜元件设计时，保证其他原材料及设计参数一致，只增加进水流道宽度(即增加进水流道布厚度)，使进水在膜元件内部流动阻力减小，从而使计后的膜元件系统压降降低20％-25％。
以8寸膜元件为例，膜面积为400ft2，膜片性能保持一致的情况下，设计两种膜元件，其进水流道宽度分别为28mil及34mil。在两套系统上对两种膜元件进行初始性能测试及长期运行5个月平均系统压降对比(单套系统为4支膜元件串联)。表2为两套系统的测试运行结果。该膜元件系统的进水压力均为225psi，进水盐浓度2000ppm。
表2增加进水流道宽度后两套系统测试结果
  膜元件系统  初始通量(GPD)   脱盐率  压降(psi)
  28mil进水流道系统   29991   99.27％   21
  34mil进水流道系统   30012   99.31％   16
实施例3：
在同样直径、同样膜面积膜元件设计时，保证其他原材料及设计参数一致，通过计算机理论模拟与膜元件实际运行相对应，通过改变进水角度及进水流道布经纬线的距离，进一步提高进水流速，降低进水在膜元件内部运行的阻力，从而使计后的膜元件系统压降降低25％-30％。
理论依据：根据8寸膜元件的结构进行特定的假设，进行模拟计算，本模拟计算选取流道宽度为28mil，入水角度从30度至120度模拟计算，进水流道布网格对角线长度从1.553mm-5.196mm(不同对角线长度经纬线距离不同)。理论模拟后，入水角度与压降关系曲线图如图3所示。从中可以看出，最佳入水角度为55度-80度时，膜元件压降最低。
卷制依据：以8寸膜元件为例，膜面积为400ft2，膜片性能保持一致的情况下，设计两种膜元件，其入水角度分别为55-80度及常用的90度。在两套系统上对两种膜元件进行初始性能测试及长期运行5个月平均系统压降对比(单套系统为4支膜元件串联)。表3为两套系统的测试运行结果。该膜元件系统的进水压力均为225psi，进水盐浓度2000ppm。
表3改变入水角度后两套系统测试结果
  膜元件系统  初始通量(GPD)   脱盐率  压降(psi)
  55-80度入水流道系统   29987   99.30％   15
  90度入水流道系统   29898   99.29％   21
本发明为集中上述分别优势为一体，设计一种新型膜元件，其通过增加膜元件卷制页数，增加进水流道宽度，改变入水角度范围，使其具有低于正常膜元件的系统压降，从而降低运行中系统能耗，减少运行成本，节能减排。按照本发明三个特征，设计一种膜元件，与同样直径、同样膜面积、初始水通量、脱盐率的传统膜元件进行两套系统运行压降比较(单套系统为4支膜元件串联)，表4为两套系统的测试运行结果。该膜元件系统的进水压力均为225psi，进水盐浓度2000ppm。
表4本发明与传统膜元件两套系统测试结果
  膜元件系统  初始通量(GPD)   脱盐率  压降(psi)
  本发明膜元件系统   30152   99.31％   10
  传统膜元件系统   30159   99.30％   22
通过以上叙述，可看出本发明根据增加膜元件卷制页数，增加进水流道宽度，改变入水角度范围，使其具有低于正常膜元件的系统压降，在单支膜壳4支膜元件系统中，压降较正常膜元件降低50％-55％，从而降低膜元件运行中系统能耗，减少运行成本，节能减排，减少浪费。

Claims (8)

1.一种低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：在保证膜元件尺寸及膜面积的前提下，改变螺旋卷式膜元件卷制页数、每页长度、进水流道宽度、或入水角度其中之一个参数，或者同时改变其中两个或多个参数。
2.根据权利要求1所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：所述螺旋卷式膜元件增加卷制页数，降低每页长度。
3.根据权利要求2所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：以八寸膜元件为例，页数为28-31页为最优。
4.根据权利要求1所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：增加所述进水流道宽度。
5.根据权利要求4所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：以八寸膜元件为例，进水流道宽度以34mil-36mil为最优。
6.根据权利要求1所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：改变入水角度。
7.根据权利要求6所述的低压降反渗透膜元件的设计方法，其特征在于：以八寸膜元件为例，入水角度为55-80度为最优。
8.一种低压降反渗透膜元件，其特征在于：其以权利要求1-7任意之一项的设计方法制造得出。
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