CN104785115B - 膜组件安装在螺旋输送器上与转鼓差速同轴转动的超重力膜分离机 - Google Patents
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Abstract
膜组件安装在螺旋输送器上与转鼓差速同轴转动的超重力膜分离机，将膜组件(8)固定安装在螺旋输送器(6)上，通过差速器或螺旋输送器驱动轮(19)输入转矩或通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整，实现转鼓(4)与螺旋输送器(6)之间的速度差，从而大大提高了膜截留浓缩液的排出能力。本发明具有：1、膜单位体积安装量高，2、单机处理量大，3、膜截留浓缩物浓度高的优点。可广泛应用于化工、食品、制药、水处理等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜分离机，是一种在超重力条件下工作的膜分离机，尤其是一种膜组件与转鼓同轴差速转动的在超重力条件下工作的膜分离机。
背景技术
膜分离技术是当今十大高新技术之一，被誉为21世纪最具发展前景的化工技术，目前，已经广泛应用于食品、饮料、化工、制药、环保、海水淡化、供水和污水处理等领域的分离、浓缩、纯化等工艺环节。然而，由于膜浓差极化和膜污染的广泛存在导致目前膜分离技术还存在如下问题：
1、膜通量快速下降、膜劣化加剧、膜寿命降低、膜分离购置成本和运行成本大幅度增加。
2、膜分离过程能耗大幅度增加，运行成本大幅度增加。
3、高浓度进料和高倍浓缩时，膜浓差极化和膜污染更加严重，导致膜分离难以在高进料浓度和高倍浓缩(如乳制品、果蔬汁)等工艺场合实施困难或根本不能实施。
膜浓差极化和膜污染是导致膜分离购置和运行成本高是限制其应用推广的最主要原因，已经成为普遍的共识。
另外，膜透过侧流道窄小(尤其是中空纤维膜)导致膜背部透过液压力大，是中空纤维膜通量低的另一个主要原因。
为解决上述问题，有人经过钻研，成功地将膜分离技术和超重力技术两项高新技术有机结合，创立超重力膜分离技术，提出了超重力膜分离概念、工作原理，设计原则，获得了如下发明专利：
A、依靠刚性可转动桶体作支撑在超重力条件下工作的膜组件(zl200810054213.7)
B、旋转离心超重力膜分离机(zl200910068949.4)
C、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(zl200910070253.5)
超重力膜分离技术是膜分离技术和超重力技术两大高新技术的有机结合，该技术是将膜分离过程中的各个要素(分离膜、进料液、透过液、清洗液)置于由旋转离心产生的超重力场中，1.利用膜分离过程中膜表面浓差极化层与主体料液的浓度差导致的密度差，借助于离心旋转产生的强大离心力使浓差极化层脱离膜表面，从而降低膜浓差极化和膜污染。2.利用离心旋转产生的离心力使膜透过侧的透过液甩出膜后透过液通道，从而降低膜后压力，进而提高膜通量。
超重力膜分离技术的优点
1、可有效降低膜浓差极化和膜污染。
2、可极大提高膜通量和膜效率。
3、可大幅度降低膜设备购置成本和运行成本。
4、可极大拓展膜分离技术的应用空间，尤其是高进料浓度和高浓度截留产物的膜浓缩。
然而，依托上述专利A和专利B制作超重力条件下工作的膜分离机具有：1、膜截留物不易排出，膜截留物浓度不高，2、转鼓长径比低，膜装入量低，设备不易放大的缺点。依托专利C制作的超重力膜分离机虽然可施加较大的进料压力，但具有膜装入量较低，设备不易放大，单机产量(处理量)低的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，从而提供一种新型的膜分离机，本发明具有：1、膜单机安装量高，2、单机处理量大，3、膜截留浓缩物浓度高的优点。
本发明的技术方案是：
一种一种膜组件安装在螺旋输送器上与转鼓差速同轴转动的超重力膜分离机由转鼓、螺旋输送器、膜组件、原料输入管、轻液气泡排出管、机座、透过液收集器、截留收集器、差速器、转鼓驱动轮、螺旋输送器驱动轮、等组成。膜组件固定安装在螺旋输送器上，并随螺旋输送器与转鼓同轴差速转动。
上述螺旋输送器由组成螺旋输送器左端盖、螺旋输送器中段、螺旋输送器膜组件压盖等组成，螺旋输送器左端盖与螺旋输送器中段固定连接共同形成螺旋输送器透过液汇聚腔，螺旋输送器中段与螺旋输送器膜组件压盖固定连接将膜组件固定在螺旋输送器上。
上述膜组件由膜组件上盖、膜组件下盖、膜帘状组件组成，膜帘状组件的对称轴沿着膜组件直径方向向外放射布置与膜组件上盖、膜组件下盖固定连接共同组成膜组件。
上述螺旋输送器左端盖底部开有螺旋输送器左端螺旋状脊，其上固定安装有透过液排出通道形成盖板。
上述螺旋输送器中段，其筒状外璧有螺旋输送器螺旋，开有螺旋输送器截留液透过孔、其左端开有透过液排出口，中部安装向心泵叶轮轴承。
上述螺旋输送器膜组件压盖，其上固定连接有第一隔板、第二隔板，大底板部与第一隔板之间固定连接有第二叶片，第一隔板与第二隔板之间固定连接有第一叶片，大底板部上开有原料液膜组件入孔M、轻液气泡膜组件排出口G，其筒状部上开有原料液入孔O、原料液入孔N。
上述膜帘状组件由膜底端固定板、膜顶端固定板、膜、环氧树脂组成。膜下端通过环氧树脂与膜底端固定板、膜顶端固定板固定连接，膜底端膜透过侧开口与膜透过液汇集腔连通，膜顶端封闭，膜底端固定板左侧开有膜底端固定板左斜沟槽，膜底端固定板右侧开有膜底固定板右斜沟槽，共同形成膜截留浓缩液排出通道S，膜顶端固定板上的上固定端头与膜组件上盖固定相连，膜顶端固定板的下固定端头与膜组件下盖固定相连，膜顶端固定板的左侧开有膜顶端固定板左斜沟槽，膜顶端固定板的右侧开有膜顶端固定板右斜沟槽，形成原料液进入通道T。
转鼓与螺旋输送器之间的差速度可以通过差速器：螺旋输送器驱动轮输入转矩：原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现。
透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式可以是：向心泵排出，离心虹吸排出，透过液排出口D负压抽吸。
上述膜可以是中空纤维膜、毛细管膜、管式膜、平板膜，其膜材料可以是有机膜材料、陶瓷膜材料、金属膜材料。
本发明的优点是：1、有效改善了膜截留浓缩物的排出条件。2、大大提高了转鼓的长径比，大大提高了膜单机安装量，2、单机处理量大，3、膜截留浓缩物浓度高。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为向心泵排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮输入转矩实现的示意图；
图2是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为向心泵排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的示意图。
图3是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出方式为离心虹吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮输入转矩实现的示意图。
图4是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为离心虹吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的示意图。
图5是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮输入转矩实现的示意图。
图6是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的示意图。
图7是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为向心泵排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过差速器实现的示意图。
图8是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为离心虹吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过差速器实现的示意图。
图9是透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓与螺旋输送器之间的差速度通过差速器实现的示意图。
图10是螺旋输送器的剖面图。
图11是图10的A-A剖面图。表达叶片的断面形状和排列形式。
图12是图10的C向视图。表达螺旋输送器左端盖截留浓缩液排出所采用的结构。
图13是图12的D-D放大图。
图14是膜组件的剖面图。
图15膜帘状组件水平的剖面图。
图16是膜帘状组件的垂直剖面图。
图17是膜帘状组件在膜组件中水平方向布置示意图。
具体实施方式
本发明技术要解决的问题是：依托上述专利A和专利B制作超重力条件下工作的膜分离机存在的：膜截留物不易排出的问题，以及由此导致的：1、膜截留物浓度不高，2、转鼓长径比低，膜装入量低，设备不易放大的缺点。
要解决膜截留物不易排出的问题不易排出的问题，最有效的方法是：使膜8-3分离过程产生的高浓度的膜截留产物沿着离心力的方向从膜组件8的靠近转鼓4的膜的底部排出，根据上述专利A、B、C的超重力条件下的膜分离原理，膜透过液也必须从膜的底部排出，上述专利A、B、C膜透过液从膜的底部排出，而膜的截留浓缩液却留在膜组件内，由于膜组件内通道狭小，膜截留物的浓度高、粘度大，甚至还会有颗粒物，所以很难从膜组件内排出。
本发明技术解决了上述问题。以下从图14、图15、图16、图17、图10、图11、图12、图13，结合图1、图2、图3、图4、图5、图6图7、图8、图9等根据实际操作情况，详细阐述上述问题的解决方案。
原料液由原料液入口A经原料液输入管16由原料液转鼓内排出口F进入转鼓4，经第一隔板6-7、第二隔板6-8间的通道Q、和第一隔板6-7与大底板部6-9间的通道R由原料液膜组件入孔M进入膜组件8。通道Q、通道R内装有第一叶片6-5，第一叶片6-5可加速离心分离，经初步离心分离产生的沉渣沉入转鼓4底部，由螺旋输送器6推动向前。
经过初步离心分离进入膜组件8的原料液经膜顶端固定板8-5膜顶端固定板左斜沟槽8-12和膜顶端固定板右斜沟槽8-13形成的原料液进入通道T进入膜组件8内与膜8-3接触进行超重力条件下的膜分离。膜顶端固定板8-5两侧开有的左右斜沟槽，左右斜可避免膜顶端固定板8-5叠压堵塞原料液通过。
在超重力条件下的膜分离过程中，膜透液进入膜透过侧，在离心力的作用下在膜透过侧开口8-10处进入膜透过液汇集腔8-11汇聚，经透过液汇集腔排出端口8-9、透过液排出口7在螺旋输送器透过液汇聚腔5汇集。由于透过液是在离心力的作用下排出膜透过侧的，这样可大大降低膜透过侧的净压力，从而大大提高膜两侧的净压力差，大幅度提高膜通量。这种效能在膜透过侧通道极小的中空纤维膜的应用中意义巨大。
膜截留物被截留在膜表面形成浓差极化层，浓差极化层的料液浓度大大高于主体料液的浓度，在绝大多数情况下其密度高于主体料液的密度，在离心力的作用下甩向膜底端固定板8-2，膜底端固定板8-2左侧开有膜底端固定板左斜沟槽8-14、右侧开有膜底固定板右斜沟槽8-15形成膜截留浓缩液排出通道S排出膜组件8后经螺旋输送器6上开有的螺旋输送器截留液透过孔6-3进入转鼓4底部，与初步离心分离产生的沉渣一同在螺旋输送器6的作用下经螺旋输送器右端浓缩液排出通道I、截留收集器2截留液排出口C排出。
螺旋输送器左端盖6-1有螺旋输送器左端螺旋状脊6-2有助于膜截留物的排出。
膜底端固定板8-2开有膜底端固定板左斜沟槽8-14、膜底固定板右斜沟槽8-15，两侧开有的左右斜沟槽，左右斜可避免膜底端固定板8-2叠压堵塞截留液通过。
通道Q离心分离产生的轻液、气泡经轻液气泡排出口V进入轻液气泡排出管15，通道R离心分离产生的轻液、气泡经轻液气泡排出口U进入轻液气泡排出管15，膜组件8内经超重力膜分离产生的轻液气泡经轻液气泡膜组件排出口G进入轻液气泡排出管15。进入轻液气泡排出管15的轻液气泡由轻液气泡排出口B排出。
聚集到螺旋输送器透过液汇聚腔5的透过液，可通过三种方式经透过液排出孔K、在透过液收集器1收集后，经透过液排出口D排出。三种方式分别为：1、向心泵排出，2、离心虹吸，3、透过液排出口D负压抽吸。现分别介绍如下：
1、向心泵排出
螺旋输送器中段6-6通过向心泵叶轮轴承21安装向心泵叶轮22，向心泵叶轮22与向心泵叶轮传动轴23固定连接，当向心泵叶轮传动轴23相对机座13静止时向心泵叶轮22相对螺旋输送器透过液汇聚腔5的透过液有较高的速度，透过液依靠自身的动能排出。当不需要排出透过液和利用透过液膜反向冲洗时，向心泵叶轮22可随螺旋输送器6转动，而不增加能量消耗。
2、离心虹吸排出
螺旋输送器左端盖6-1与透过液排出通道形成盖板20固定连接，形成透过液排出通道H，在虹吸作用下，透过液在透过液收集器1汇集，经透过液排出口D排出。
3、透过液排出口D负压抽吸排出
在透过液排出口D施加负压透过液经透过液排出通道H透过液收集器1经透过液排出口D排出。
不论是透过液离心虹吸排出还是透过液排出口D负压抽吸排出螺旋输送器透过液汇聚腔5都要保持常压，气体进出器26可保证螺旋输送器透过液汇聚腔5腔内气体的自由进出。
螺旋输送器6和固定安装在螺旋输送器6上的膜组件8与转鼓4
之间的速度差可通过三种方式实现：
1、通过差速器实现
2、通过螺旋输送器驱动轮19输入转矩实现
3、通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入和流出方向调整实现
三种透过液排出方式与三种螺旋输送器6和固定安装在螺旋输送器6上的膜组件8与转鼓4差速度实现方式结合可实现九种机型，具体为：
1、图1所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为向心泵排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮19输入转矩的超重力膜分离机
2、图2所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为向心泵排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的超重力膜分离机。
3、图3所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出方式为离心虹吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮19输入转矩实现的超重力膜分离机。
4、图4所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为离心虹吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的超重力膜分离机。
5、图5所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过螺旋输送器驱动轮19输入转矩实现的超重力膜分离机。
6、图6所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的超重力膜分离机。
7、图7所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为向心泵排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过差速器25实现的超重力膜分离机。
8、图8所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为离心虹吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过差速器25实现的超重力膜分离机。
9、图9所示的透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔5排出的方式为透过液排出口D负压抽吸排出，转鼓4与螺旋输送器6之间的差速度通过差速器25实现的超重力膜分离机。
上述机型的传动方式和总体结构具体为：
转鼓4通过转鼓右端轴承11、转鼓左端轴承3安装在机座13上，转鼓驱动轮12带动转鼓4转动。螺旋输送器6通过螺旋输送器左端轴承17、螺旋输送器右端轴承18安装在转鼓4上。由于螺旋输送器6的安装以转鼓4的轴线定位通过螺旋输送器左端轴承17、螺旋输送器右端轴承18连接可实现转鼓4、螺旋输送器6同轴转动。
原料液输入管托架14用于原料液输入管16的定位固定，并保证原料液输入管16置于转鼓4的中心线上。
综合上述分析，本发明克服了现有依托上述专利A和专利B制作超重力条件下工作的膜分离机所具有：1、膜截留物不易排出，膜截留物浓度不高，2、转鼓长径比低，膜装入量低，设备不易放大的缺点。依托专利C制作的超重力膜分离机虽然可施加较大的进料压力，但具有膜装入量较低，设备不易放大，单机产量(处理量)低的缺点。本发明具有：1、有效改善了膜截留浓缩物的排出条件。2、大大提高了转鼓4的长径比，大大提高了膜单机安装量，2、单机处理量大，3、膜截留浓缩物浓度高等优点。具有良好的可行性，可广泛应用于化工、食品、制药等领域的分离、纯化、浓缩等工艺环节。
Claims (9)
1.一种膜组件安装在螺旋输送器上与转鼓差速同轴转动的超重力膜分离机，包括转鼓(4)、螺旋输送器(6)、膜组件(8)、原料输入管(16)、轻液气泡排出管(15)、机座(13)、透过液收集器(1)、截留收集器(2)、差速器(25)、转鼓驱动轮(12)、螺旋输送器驱动轮(19)，其特征在于：膜组件(8)固定安装在螺旋输送器(6)上，并随螺旋输送器(6)与转鼓(4)同轴差速转动；
所述的螺旋输送器(6)包括螺旋输送器左端盖(6-1)、螺旋输送器中段(6-6)、螺旋输送器膜组件压盖(9)，所述螺旋输送器左端盖(6-1)与螺旋输送器中段(6-6)固定连接共同形成螺旋输送器透过液汇聚腔(5)，螺旋输送器中段(6-6)与螺旋输送器膜组件压盖(9)固定连接将膜组件(8)固定在螺旋输送器(6)上。
2.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于所述膜组件(8)由膜组件上盖(8-1)、膜组件下盖(8-8)、膜帘状组件(8-16)组成，膜帘状组件(8-16)的对称轴(8-17)沿着膜组件(8)直径方向向外放射布置与膜组件上盖(8-1)、膜组件下盖(8-8)固定连接共同组成膜组件(8)。
3.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于所述螺旋输送器左端盖(6-1)底部开有螺旋输送器左端螺旋状脊(6-2)，螺旋输送器左端盖(6-1)上固定安装有透过液排出通道形成盖板(20)。
4.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于所述的螺旋输送器中段(6-6)的筒状外壁有螺旋输送器螺旋(6-4)，开有螺旋输送器截留液透过孔(6-3)，所述螺旋输送器中段(6-6)左端开有透过液排出口(7)，中部安装向心泵叶轮轴承(21)。
5.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于所述螺旋输送器膜组件压盖(9)上固定连接有第一隔板(6-7)、第二隔板(6-8)，大底板部(6-9)与第一隔板(6-7)之间固定连接有第二叶片(6-11)，第一隔板(6-7)与第二隔板(6-8)之间固定连接有第一叶片(6-5)，大底板部(6-9)上开有原料液膜组件入孔M、轻液气泡膜组件排出口G，所述螺旋输送器膜组件压盖(9)的筒状部(6-10)上开有原料液入孔O、原料液入孔N。
6.根据权利要求2所述的超重力膜分离机，其特征在于所述膜帘状组件(8-16)由膜底端固定板(8-2)、膜顶端固定板(8-5)、膜(8-3)、环氧树脂(8-4)组成，膜(8-3)下端通过环氧树脂(8-4)与膜底端固定板(8-2)、膜顶端固定板(8-5)固定连接，膜(8-3)底端膜透过侧开口(8-10)与膜透过液汇集腔(8-11)连通，膜(8-3)顶端封闭，膜底端固定板(8-2)左侧开有膜底端固定板左斜沟槽(8-14)，膜底端固定板(8-2)右侧开有膜底端固定板右斜沟槽(8-15)，共同形成膜截留浓缩液排出通道S，膜顶端固定板(8-5)上的上固定端头(8-6)与膜组件上盖(8-1)固定相连，膜顶端固定板(8-5)的下固定端头(8-7)与膜组件下盖(8-8)固定相连，膜顶端固定板(8-5)的左侧开有膜顶端固定板左斜沟槽(8-12)，膜顶端固定板(8-5)的右侧开有膜顶端固定板右斜沟槽(8-13)，形成原料液进入通道T。
7.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：转鼓(4)与螺旋输送器(6)之间的差速度是通过差速器调整，或螺旋输送器驱动轮(19)输入转矩调整，或通过原料液、透过液、截留液的压力、流速、流量、流入流出方向调整实现的。
8.根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：透过液从螺旋输送器透过液汇聚腔(5)通过向心泵排出，或通过离心虹吸排出，或通过透过液排出口D负压抽吸排出。
9.根据权利要求6所述的超重力膜分离机，其特征在于膜(8-3)是中空纤维膜、毛细管膜、管式膜或平板膜，其膜材料是有机膜材料、陶瓷膜材料或金属膜材料。
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