CN103157380B - 一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件及其渗透汽化分离工艺 - Google Patents
一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件及其渗透汽化分离工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件及其渗透汽化分离工艺，膜组件由壳体、开孔折流板、夹套、管式分子筛膜、固定杆、O型密封圈、开孔螺栓、上封头、下封头、密封环、螺栓、螺母和阀门组成。分子筛膜通过开孔螺栓挤压O型密封圈固定于壳体的螺纹孔上，达到了膜前侧与膜后侧的隔离的目的；采用在封头与壳体之间压以密封环的方法获得了一定空间的真空室，实现了膜组件装填大量膜管的目的。本发明提供的膜组件特别适用于极性较强有机溶剂的渗透汽化脱水过程，同时保证了一定的耐压性。渗透汽化分离工艺为混合原料由待分离原料进口进入壳体内部，流经管式分子筛膜表面后从待分离原料出口流出；加热介质由加热介质进口流入夹套，并从加热介质出口流出，以加热混合原料。
Description
技术领域
本发明涉及一种管式分子筛膜组件的设计，尤其涉及一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件及其渗透汽化分离工艺，属于无机膜领域。
背景技术
渗透汽化(蒸汽渗透)是一种新型的膜分离技术，其利用被分离液体(或蒸汽)混合物中各组分在膜中溶解(吸附)与扩散速率不同的性质达到分离的目的。其突出的优点在于能够以较低的能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务，如对于近沸、恒沸体系的分离。渗透汽化与传统工艺中的共沸精馏技术相比，渗透汽化技术具有高效节能、过程易于控制、操作方便、便于放大与产业化、且不会引入新的杂质及少污染或零污染等优点。因此，渗透汽化技术被称为可持续发展战略的“清洁工艺”。
渗透汽化技术的应用主要分为三方面：有机溶剂脱水，水中有机物的回收，以及有机物与有机物混合体系的分离。但在有机溶剂脱水方面，由于体系中有机物含量较大，且该有机物(特别是一些极性较强的有机物，如：酯类、醚类、苯类、环己酮、四氢呋喃、丙醛、N-甲基吡咯烷酮等)，往往对有机渗透汽化膜材料及橡胶类密封圈材料具有一定的溶解性，且随着温度的升高溶解性越强。在长期渗透汽化过程后，该类膜组件的分离特性会显著下降，从而导致分离任务无法完成。
分子筛膜是一种由无机多孔材料构成的渗透汽化膜，具有良好的热稳定性、较高的机械强度等优点。其中，透水型分子筛膜特别适用于有机溶剂的渗透汽化脱水过程，且膜结构不会被有机溶剂破坏，如：NaA型分子筛膜、T型分子筛膜、NaY型分子筛膜等。由于受密封方式的限制，一般分子筛膜渗透汽化组件通常使用受力易形变的橡胶类(如：三元乙丙橡胶、氟化橡胶、硅橡胶等)O型密封圈，实现膜前后两侧的隔离。该类膜组件一般耐压性和耐溶解性较差，在高温条件下尤为明显，进而使得渗透汽化膜技术的工业应用范围受到限制。
因此，须使用一种耐溶解性超强的材料作为O型密封圈，配以特殊的密封方式，以解决膜组件耐压及耐有机溶剂的问题。而聚四氟乙烯和石墨均具有耐有机溶剂和耐高温的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件及其渗透汽化分离工艺，采用新的密封材料和密封方式，以解决渗透汽化膜组件的耐压性和耐有机溶剂问题；同时也解决膜组件中膜管的大量填装问题，实现膜组件拆卸和更换方便快捷的目的。
本发明的技术方案为：其特征在于：膜组件由壳体1、开孔折流板2、夹套3、管式分子筛膜4、固定杆5、O型密封圈6、开孔螺栓7、上封头8a、下封头8b、密封环9、螺栓10、螺母11和阀门12组成；其中，壳体上下两端设有螺纹孔13，壳体内设有开孔折流板2，壳体下端设有待分离原料进口14，壳体下端设有待分离原料原料出口15，壳体外设有夹套3；夹套3上端设有加热介质进口16，夹套3下端设有加热介质出口17；管式分子筛膜4穿过开孔折流板2，开孔折流板2通过固定杆5固定在壳体内1，固定杆5两端分别焊接于壳体1上下两端以固定；管式分子筛膜4上下两端分别套有O型密封圈6，穿过螺纹孔13后通过开孔螺栓7挤压O型密封圈6将管式分子筛膜4固定于壳体1内；壳体1与上封头8a、下封头8b之间压有密封环9，上封头中部设有真空接口18，下封头8b中部设有阀门12；利用螺栓10和螺母11连接并压紧壳体1与上封头8a、下封头8b，形成上真空室19a和下真空室19b。
优选所述管式分子筛膜为LTA分子筛膜、T型分子筛膜、FAU型分子筛膜、CHA分子筛膜、ZSM-5分子筛膜或MOR分子筛膜。
优选所述管式分子筛膜管外径为6～20mm，内径为4～18mm，长度为0.07～1.0m，数量为3～400根，每三根膜管呈等边三角形排布。
优选所述壳体直径为0.05～1.0m，夹套厚度为壳体直径的0.05～0.15倍。
优选所述折流板数量为0～15块，孔径大于管式分子筛膜外径1～1.5mm。
上述壳体上下两端螺纹孔13分内外两层，为螺纹孔内层13-a和螺纹孔外层13-b；其中螺纹孔内层13-a未设螺牙，优选螺纹孔内层13-a孔径大于管式分子筛膜外径1～1.5mm；螺纹孔外层13-b设有螺牙，螺牙为内螺纹，优选孔径等于O型密封圈6外径，O型密封圈6内径等于管式分子筛膜4外径。
优选所述开孔螺栓7上部为六棱柱，下部为圆柱，中间贯通；开孔螺栓7孔径大于管式分子筛膜4外径1～1.5mm；下部圆柱外径等于壳体螺纹孔13的直径，外部设有螺牙，螺牙为外螺纹。
优选折壳体1、折流板2、固定杆5、开孔螺栓7、上封头8a、下封头8b、螺栓10、螺母11和阀门12材质均为不锈钢。
优选所述O型密封圈6和密封环9材料为聚四氟乙烯或石墨，更优选石墨。
本发明还提供了利用上述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件进行渗透汽化的分离工艺，其具体步骤为：待分离原料由待分离原料进口14进入壳体1内部，流经管式分子筛膜4后从待分离原料出口15流出；同时，加热介质由加热介质进口16流入夹套3，并从加热介质出口17流出。
本发明提供的膜组件是特别针对含有强溶解性的有机物的混合原料渗透汽化脱水过程所设计，也适用于一般混合原料。所述混合原料为单一或多种有机物与水的混合物，以液态或气态形式由待分离原料进口进入壳体内部，流经管式分子筛膜表面后从待分离原料出口流出；同时加热介质由加热介质进口流入夹套，并从加热介质出口流出，以加热混合原料。过程中，膜组件的操作压力一般优选为0～0.8MPa，操作温度为0～200℃。
有益效果：
本发明选用聚四氟乙烯或石墨材料的O型密封圈，并通过开孔螺栓挤压O型密封圈的方法将分子筛膜固定于壳体的螺纹孔，提供了一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，特别适用于溶解性较强的有机溶剂渗透汽化脱水过程，可以在高温、高压条件下使用。通过在封头与壳体之间压以密封环的方法获得了具有一定空间的真空室，使得膜组件可装填大量的膜管。整个膜组件的设计便于拆装和膜的更换，有利于膜组件的大型化，使得渗透汽化技术的应用范围大大拓展。
附图说明
图1为耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件竖直剖面示意图，其中1为壳体，2为开孔折流板，3为夹套，4为管式分子筛膜，5为固定杆，6为O型密封圈，7为开孔螺栓，8a为上封头，8b为下封头，9为密封环，10为螺栓，11为螺母，12为阀门，13为螺纹孔，14为待分离原料进口，15待分离原料出口，16为加热介质进口，17为加热介质进口出口；18为真空接口，19a为上真空室，19b为下真空室，M为开孔螺栓7、O型密封圈6、螺纹孔13以及管式分子筛膜4连接部位；
图2为图1中M的剖面示意图，其中4为管式分子筛膜，6为O型密封圈，7为开孔螺栓，13-a为螺纹孔内层，13-b为螺纹孔外层；
图3为耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件用于丙醛/水体系蒸汽渗透的分离稳定性测试。其中，A为原料水含量，B为渗透液水含量；
图4为耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件用于四氢呋喃/水体系渗透汽化脱水。其中，A为原料水含量，B为渗透液水含量。
具体实施方式
为了更好的说明本发明耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，现给出具体实施例，但本专利的保护范围并不局限于该实施例。
实施例1
膜组件的组装步骤为：如图1所示。管式分子筛膜(4)穿过开孔折流板(2)，开孔折流板(2)通过固定杆(5)固定在壳体(1)内，固定杆(5)两端分别焊接于壳体(1)上下两端以固定；管式分子筛膜(4)上下两端分别套有O型密封圈(6)，穿过螺纹孔(13)后通过旋拧开孔螺栓(7)挤压O型密封圈(6)将管式分子筛膜(4)固定于壳体(1)内；壳体(1)与上封头(8a)、下封头(8b)之间压有密封环(9)，上封头设有真空接口(18)，下封头(8b)设有阀门(12)；利用螺栓(10)和螺母(11)连接并压紧壳体(1)与上封头(8a)、下封头(8b)，形成上真空室(19a)、下真空室(19b)。
实施例2
选取226根外径为12.8mm、内径为7.8mm、长度为80cm的管式NaA型分子筛膜(属LTA分子筛膜)，将膜管穿过壳体内的6块孔径为14mm的开孔折流板和壳体两端的螺纹孔(螺纹内层孔径为14mm，开孔螺栓内径为14mm)，两端套以四氟乙烯O型密封圈后旋拧开孔螺栓，通过螺纹孔底部与开孔螺栓挤压O型密封圈，实现对膜管的密封；利用螺栓和螺母，将聚四氟乙烯密封环压于封头和壳体(直径为90mm，夹套为厚度10cm)之间形成真空室，构成不锈钢膜组件。关闭膜组件下端阀门，以用于体系渗透汽化过程。在操作温度100℃、操作压力为0.1MPa的条件下，94wt.%异丙醇/水体系以蒸汽的形式进入原料进口，经过5个串联膜组件后，在原料出口处异丙醇被提浓至水含量2wt.%以下，渗透液含水量大于80wt.%。
实施例3
按照实施例1中的方法，采用聚四氟乙烯O型圈和密封环，将7根外径为12mm、内径为6mm长度为50cm的管式T型分子筛膜管封装于具有2块开孔折流板(孔径为13mm)的不锈钢膜组件(其中，螺纹孔内层孔径为13mm，开孔螺栓孔径为13mm)。其中，壳体的直径为12cm，夹套为厚度1cm。采用料液循环模式，在操作温度为115℃、操作压为0.6MPa的条件下，将2个膜组件串联用于溶解性较强的96wt.%丙醛/水体系蒸汽渗透的分离稳定性测试，测试过程中通过向原料罐中补水的方式，以维持原料水含量在4wt.%左右。结果如图3所示，在300h运行时间内，渗透液含水量维持在96wt.%左右。
实施例4
按照实施例1中的方法将3支外径为16mm、内径为12mm、长度为7cm的管式NaY型分子筛膜(属FAU型分子筛膜)装于壳体直径为5cm、夹套为厚度0.5cm的聚四氟乙烯膜组件内(其中，螺纹孔内层孔径为17mm，开孔螺栓孔径为17mm)。其中，O型圈和密封环的材料均为石墨。将该组件用于最强极性醚类之一的四氢呋喃渗透汽化脱水，以测试膜组件在高溶解性有机溶剂中的渗透汽化分离特性。采用料液循环模式，在操作温度为55℃、操作压力为一个大气压的条件下，膜组件可将93wt.%四氢呋喃/水体系的水含量脱至0.6wt.%以下，平均渗透液水含量达到90wt.%。原料和渗透液中水含量随操作时间的变化关系如图4所示。
Claims (9)
1.一种耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件,其特征在于：膜组件由壳体(1)、开孔折流板(2)、夹套(3)、管式分子筛膜(4)、固定杆(5)、O型密封圈(6)、开孔螺栓(7)、上封头(8a)、下封头(8b)、密封环(9)、螺栓(10)、螺母(11)和阀门(12)组成；其中，壳体(1)上下两端设有螺纹孔(13)，壳体(1)内设有开孔折流板(2)，壳体(1)下端设有待分离原料进口(14)，壳体(1)下端设有待分离原料原料出口(15)，壳体(1)外设有夹套(3)；夹套(3)上端设有加热介质进口(16)，夹套(3)下端设有加热介质出口(17)；管式分子筛膜(4)穿过开孔折流板(2)，开孔折流板(2)通过固定杆(5)固定在壳体内，固定杆(5)两端分别焊接于壳体(1)上下两端以固定；管式分子筛膜(4)上下两端分别套有O型密封圈(6)，穿过螺纹孔(13)后通过开孔螺栓(7)挤压O型密封圈(6)将管式分子筛膜(4)固定于壳体(1)内；壳体(1)与上封头(8a)、下封头(8b)之间压有密封环(9)，上封头中部设有真空接口(18)，下封头 (8b) 中部设有阀门(12)；利用螺栓(10)和螺母(11)连接并压紧壳体(1)与上封头(8a)、下封头(8b)，形成上真空室(19a)和下真空室(19b)。
2.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述管式分子筛膜(4)为LTA分子筛膜、T型分子筛膜、FAU型分子筛膜、CHA分子筛膜、ZSM-5分子筛膜或MOR分子筛膜。
3.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述管式分子筛膜管外径为6~20 mm，内径为4~18 mm，长度为0.07~1.0 m，数量为3~400根，每三根膜管呈等边三角形排布。
4.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述壳体直径为0.05~1.0 m，夹套厚度为壳体直径的0.05~0.15倍。
5.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述壳体(1)上下两端螺纹孔(13)分内外两层，为螺纹孔内层(13-a)和螺纹孔外层(13-b)；螺纹孔内层(13-a)未设螺牙，螺纹孔内层(13-a)孔径大于管式分子筛膜(4)外径1~1.5 mm；螺纹孔外层(13-b)设有螺牙，螺牙为内螺纹，孔径等于O型密封圈(6)外径，O型密封圈(6)内径等于管式分子筛膜(4)外径。
6.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述开孔螺栓(7)上部为六棱柱，下部为圆柱，中间贯通；开孔螺栓(7)孔径大于管式分子筛膜(4)外径1~1.5 mm；下部圆柱外径等于壳体（1）螺纹孔(13)的直径，外部设有螺牙，螺牙为外螺纹。
7.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述壳体(1)、折流板(2)、固定杆(5)、开孔螺栓(7)、上封头(8a)、下封头(8b)、螺栓(10)、螺母(11)和阀门(12)材质均为不锈钢。
8.根据权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件，其特征是所述O型密封圈(6)和密封环(9)材料为聚四氟乙烯或石墨。
9.一种利用如权利要求1所述耐压耐有机溶剂管式分子筛膜组件的渗透汽化分离工艺，其具体步骤为：待分离原料由待分离原料进口(14)进入壳体(1)内部，流经管式分子筛膜(4)后从待分离原料出口(15)流出；同时，加热介质由加热介质进口(16)流入夹套(3)，并从加热介质出口(17)流出。
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