CN108176235A - 一种新构型隔网 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新构型隔网，其特征在于：由相互交错的隔网丝构成网状结构，隔网丝为粗细过渡的圆柱结构，并保持一定的夹角，隔网流道呈现菱形结构；隔网丝交叉处利用节点小球支撑，节点小球与膜表面接触，隔网丝与膜表面不形成接触线，使隔网丝在流道中处于悬空状态。这种新构型隔网不仅可用于反渗透膜组件，而且也可用于纳滤、超滤、渗透汽化、气体分离等膜分离过程。新构型隔网还可有效减小膜过程的压降，降低操作过程中的能耗。

Description

一种新构型隔网

技术领域

本发明涉及一种新构型隔网，属于膜分离领域，具体涉及微滤膜、超滤膜、纳滤膜、反渗透膜、渗透汽化膜、电渗析膜、气体分离等膜组件或组器。

背景技术

膜分离技术已经广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、电子工业、食品工业、医药工业、环境保护和生物工程等领域，膜组件可分为板框式、管式、中空纤维帘式、卷式等，卷式膜组件因具有装填密度高、安装便利等优点而得到广泛应用。

卷式膜组件主要由膜、隔网、集水管、端盖等组成，作为卷式膜组件的流道的核心部件，隔网在起到支撑流道的作用，可增强传质，促进流体的湍流，减低浓差极化。一般隔网的设计应考虑流体传质，能耗，污染物沉积等因素，从而起到降低浓差极化、减少膜污染等目的。

因此，卷式膜组件隔网设计是膜分离领域的研究重点之一。中国专利申请公开号CN 201906567U提供一种技术方案，将夹置于纵向筋之间的横向筋从偏向流道一边改移到纵向筋中间部位，虽起到了横向筋不与膜表面接触的作用。但是纵向筋与进料方向一致，料液在进入流道后，横向的隔网不能对流体起到很好的扰动，边界层内的传质系数较低，会造成严重的浓差极化；中国专利申请公开号CN102600728B提供一种由多层纵向筋构成的流道组成且没有横向筋的X旋流卷式膜导流隔网，通过X旋流的促二次流作用，促进层流扰动转变为湍流，加强了溶质扩散的推动力和传质效应。但是该卷式膜导流隔网是一种多层结构，通过X旋流的促二次流的同时会造成流道内的流动阻力过大，在应用过程中能耗的增加，同时制造时需要耗费更多的原材料。中国专利申请公开号CN 104524979B设计的卷式膜新型静态混流隔网，能将膜表面附近和流道中心的流体相互迁移，改变膜表面流体力学条件，不会产生漩涡和湍流。但是混流隔网与膜形成的流道会出现狭小通道，容易造成有机物的聚集，加剧膜污染，出现通量下降的问题。美国专利US 3962096A则给出了一种瓦楞状波纹导流隔网设计方案，可扩大流道，减少隔网与膜面的接触污染，便于清洗维护。但是多条弯曲折叠呈瓦楞状结构会大幅减少膜的传质面积，扩大的流道对流体的扰动效果不佳，该发明不能有效的消除浓差极化现象。由于瓦楞状波纹导流隔网结构复杂，在生产制造有困难。

现有的卷式膜组件隔网与膜表面易形成接触线，从而出现回流死区，造成局部膜污染累积。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统隔网在应用过程中能耗大、通量降低、抗污染性差、结构复杂等问题而提供了一种新构型隔网。本发明通过相互交错粗细过渡丝的相贯设计，可以有效降低浓差极化和膜污染，同时增强传质，降低能耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新构型卷式膜隔网，包括隔网丝结构，隔网丝的组合方式，支撑小球，具有增强流体的传质，增大分离膜的有效传质面积，降低浓差极化与膜污染，提高膜渗透通量，减小膜过程的压降、能耗。本发明通过悬空的互成交错的导流隔网结构设计，可促进层流由于错流扰动而转变为湍流。

本发明的具体技术方案：一种新构型隔网，其特征在于：由相互交错的隔网丝构成网状结构，隔网丝为粗细过渡的圆柱结构，并保持一定的夹角，隔网流道呈现菱形结构；隔网丝交叉处利用节点小球支撑，节点小球与膜表面接触，隔网丝与膜表面不形成接触线，使隔网丝在流道中处于悬空状态。

本发明所述的隔网丝是一种粗细过渡的圆柱结构，粗细过渡的隔网丝能够有效促进流道中流体的扰动，促进层流转变为湍流，增强了溶质扩散的推动力和传质效应，使流道中的原料液传质能力大大加强。使得流道内的流体混合更加的均一，同时获得更为均一的剪切应力，降低了能耗。优选所述的隔网粗丝直径0.5～1mm，隔网细丝直径0.4～0.8mm，细丝长度为0.5～0.8mm，过渡丝长度0.3～0.5mm，粗丝长度为0.5～0.8mm，交错的隔网丝的间距2.4～3.6mm，隔网丝交叉处支撑小球直径0.7～1.6mm，支撑小球与膜面上下挤压0.003～0.006mm。

粗细过渡的隔网丝与膜面之间存在一定的间隙，不形成接触线，大大增加了膜的传质面积，相对于现有隔网流道的传质面积增加10％～20％，在相同操作条件下，膜的渗透通量大大提高。流道中悬空的隔网丝，不但促进了流体的扰动，减少了流道内的流动死区和沟流，而且加剧了垂直膜面方向的流体混合，避免了有机物在隔网附近沉积，有效降低了膜污染。增加了流体的湍流尾流，有效削弱了浓差极化现象。

新构型相贯隔网的制造材料可以是醋酸纤维素、聚丙烯(PP)、金属等材料，也可以具有适宜的硬度、强度，满足应用行业的卫生指标、较好的抗污染性能的材料。可以根据需要选择不同的材料，新构型隔网材料的技术指标满足以下要求：拉伸强度在40～50MPa，缺口冲击强度在16～20kJ/m²，熔融指数10～15g/10min，弯曲强度在32～38MPa，洛氏硬度在65～68R，伸长率在150％～170％，收缩率在1.1％～1.3％，满足更好的温度适用范围。

新构型隔网性能优异，可以应用于纳滤膜、超滤膜、渗透汽化膜、电渗析膜、气体分离等不同尺寸的卷式膜组件，可以制作成包括但不限于4吋、8吋、16吋卷式膜组件。

本发明的关键在于提供相互交错隔网丝与支撑小球一种独特的组合方式，粗细过渡的隔网丝与支撑小球相贯连接，新构型的相贯连接隔网与膜表面只形成接触点，隔网丝与膜表面不形成接触线，从而减少了回流死区，降低了膜污染，同时增加了分离膜的有效传质面积，提高了渗透通量。同时，隔网丝之间夹角成35°～85°，隔网丝与进料方向成45°～90°，在合适的湍流混合下，使得流道内的流动阻力大大减小，从而降低了压降和能耗。

有益效果：

1)、本发明克服了现有隔网的缺陷，相互交错的粗细过渡隔网丝一方面可以促进层流扰动转变为湍流，加强了溶质扩散的推动力和传质效应，使原液传质能力大大加强，另一方面使得流道中局部剪切力和传质系数分布更加均一，能耗降低。支撑小球在支撑膜面的同时避免了隔网丝与膜面的接触，有效避免了在膜过程中有机物在流道内聚集引起膜通量下降的问题，膜组件能够长期稳定运行，减少膜的清洗。

2)、新构型相贯隔网结构简单、易制造，可广泛用于反渗透、纳滤、超滤、渗透汽化、电渗析、气体分离等卷式膜分离过程，具有很好的社会效益和经济效益。

3)、流道中流动阻力大大减小，从而降低了压降和能耗，有良好的工业化前景。

4)、本发明可以使分离膜的渗透通量提高15％左右。

附图说明

图1为新构型隔网构型示意图；其中a为支撑小球，c为膜面，b为粗细过渡隔网丝。

图2为粗细隔网过渡丝与支撑小球尺寸细节图；其中D1为细丝直径，D2为粗丝直径，L1为细丝长度，L2为过渡丝长度。L3为粗丝长度，D为支撑小球的直径。

图3为流体与隔网丝流动作用示意图；其中d为隔网丝之间夹角，e为流体与隔网丝间的夹角。

图4为实施例5新构型隔网流道与传统隔网流道相同条件下压降对比图。

图5为实施例5新构型隔网流道与传统隔网流道相同条件下传质效果与流动死区对比图；A为传统隔网膜截面处的速度场分布，B为新构型隔网膜截面处的速度场分布。

图6为实施例5新构型隔网流道与传统隔网流道相同条件下渗透通量关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施案例对本发明进行进一步阐述。需要说明的是，在实施例中，新构型卷式膜导流隔网由架空的相互交错粗细过渡丝和支撑小球构成的流道，但是，在实际生产中，根据具体产品设计的要求，本发明的卷式膜相贯导流隔网可以由若干层流道组成。以下实施例只是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，本领域技术人员在无创造性劳动前提下仅对本发明作条件改动所获得的结果，均属于本发明的保护范围。

实施例1：

选择一种隔网尺寸1，如附表1所示，其示意图如图1，图2和图3所示：

40个隔网单元尺寸构成一个隔网条，40个隔网条构成隔网，隔网丝材料采用醋酸纤维素，拉伸强度为40MPa，缺口冲击强度为16kJ/m2，熔融指数为10min，弯曲强度为32MPa，洛氏硬度为65R，伸长率为150％，收缩率为1.1％。隔网丝夹角为35°，隔网细丝与流体进料方向成45°，膜面与隔网支撑小球挤压0.003mm，隔网丝间距2.4mm。将隔网安装在长16寸卷式反渗透膜上，在卷式反渗透膜装置上以浓度为0.5％的NaCl溶液进行测试，在温度为30℃、膜面流量为393L/h，操作压力为16bar的条件下过滤，与传统隔网相比，新构型相贯隔网具有更大的渗透通量，新构型隔网RO膜的渗透通量提高了近10％，无机盐氯化钠的截留率为98％，提高0.5个百分点。

实施例2：

选择一种隔网尺寸2，如附表1所示，

20个隔网单元尺寸构成一个隔网条，20个隔网条构成隔网，隔网丝材料采用聚丙烯，拉伸强度为45MPa，缺口冲击强度为18kJ/m2，熔融指数为12min，弯曲强度为35MPa，洛氏硬度为66R，伸长率为160％，收缩率为1.2％。隔网丝夹角为45°，隔网细丝与流体进料方向成90°，膜面与隔网支撑小球挤压0.004mm，隔网丝间距2.6mm。将隔网安装在长8寸卷式反渗透膜上，在卷式反渗透膜装置上浓度为以1％的NaCl溶液进行测试，在温度为30℃、膜面流量为393L/h，操作压力为20bar的条件下过滤，与传统隔网相比，新构型相贯隔网具有更大的渗透通量，新构型隔网RO膜的渗透通量提高了近15％，无机盐氯化钠的截留率为98.5％，提高0.5个百分点。

实施例3：

选择一种隔网尺寸3，如附表1所示，

20个隔网单元尺寸构成一个隔网条，20个隔网条构成隔网，隔网丝材料采用聚丙烯，拉伸强度为46MPa，缺口冲击强度为18kJ/m2，熔融指数为14min，弯曲强度为36MPa，洛氏硬度为67R，伸长率为160％，收缩率为1.2％。隔网丝夹角为50°，隔网细丝与流体进料方向成65°，膜面与隔网支撑小球挤压0.005mm，隔网丝间距2.8mm。将隔网安装在长8寸卷式反渗透膜上，在卷式反渗透膜装置上以造纸废水进行循环实验，在温度为30℃，压力为16bar，流量为393L/h，120min的循环过滤，传统隔网的渗透通量由39.7L·m^-2·h^-1衰减至36.5L·m^-2·h^-1，下降率为8.1％，新构型相贯隔网的通量由43.1L·m^-2·h^-1衰减至42.3L·m^-2·h^-1，下降率仅为1.8％。

实施例4：

选择一种隔网尺寸4，如附表1所示，

20个隔网单元尺寸构成一个隔网条，20个隔网条构成隔网，隔网丝材料采用醋酸纤维素，拉伸强度为48MPa，缺口冲击强度为20kJ/m2，熔融指数为15min，弯曲强度为38MPa，洛氏硬度为68R，伸长率为170％，收缩率为1.3％。隔网丝夹角为75°，隔网细丝与流体进料方向成65°，膜面与隔网小球挤压0.004mm，隔网丝间距3.0mm。将隔网安装在长4寸卷式纳滤膜上，在卷式纳滤膜装置上以造纸废水进行循环实验，在温度为30℃，跨膜压差为1.4bar，流量为150L/h，120min的循环过滤，传统隔网的渗透通量由72L·m^-2·h^-1衰减至53L·m^-2·h^-1，下降率为26％，新构型相贯隔网的通量由82L·m^-2·h^-1衰减至71.2L·m^-2·h^-1，下降率仅为13％。

实施例5：

选择一种隔网尺寸5，如附表1所示，

利用计算流体力学的方法，按照附表隔网参数建立新构型相贯隔网流道单元和传统隔网单元，隔网丝材料采用聚丙烯，拉伸强度为50MPa，缺口冲击强度为19kJ/m2，熔融指数为14min，弯曲强度为37MPa，洛氏硬度为68R，伸长率为160％，收缩率为1.3％。隔网丝夹角为60°，隔网细丝与流体进料方向成60°，膜面与隔网小球挤压0.005mm，隔网丝间距3.4mm。分别在8种雷诺数下，进水压力为1MPa进行计算，对比两种隔网流道的压力损失。计算结果如图4所示，新构型相贯隔网流道较现有隔网流道在相同条件下具有较低的压降，流道内压力损失下降25％左右。

在进料流速为0.3m/s，进水压力为0.5MPa进行计算，结果表明：在相同条件下，新构型相贯隔网构成的流道较传统隔网构成的流道内的流动死区面积减少了近30％，结果如图5所示，可以看出，现有隔网由于上下隔网丝与膜面的挤压，形成接触线，造成流体流动过程中出现较多死区，有机物更容易沉积在隔网丝附近，造成严重的膜污染，而新构型相贯隔网与膜面之间存在间隙，有利于流体的流动，可以有效降低膜污染。

在流速为0.225m/s，进水压力分别为0.5MPa，1MPa，1.5MPa，2MPa，下进行计算，比较两种隔网流道渗透通量，结果如图6所示，新构型相贯隔网具有较高的渗透通量，在相同能耗的膜过程中，与传统隔网相比，采用新构型相贯隔网的渗透通量提高了近15％。

附表1

Claims (5)

1.一种新构型隔网，其特征在于：由相互交错的隔网丝构成网状结构，隔网丝为粗细过渡的圆柱结构，并保持一定的夹角，隔网流道呈现菱形结构；隔网丝交叉处利用节点小球支撑，节点小球与膜表面接触，隔网丝与膜表面不形成接触线，使隔网丝在流道中处于悬空状态。

2.根据权利要求1所述的一种新构型隔网，其特征是：隔网丝之间的夹角为35°～85°。

3.根据权利要求1所述的一种新构型隔网，其特征是：所述的隔网丝为粗细过渡，粗丝直径0.5～1mm，细丝直径0.4～0.8mm，粗丝长度为0.5～0.8mm，过渡丝长度0.3～0.5mm，细丝长度为0.5～0.8mm；交错的隔网丝的间距为2.4～3.6mm，隔网丝交叉处支撑小球直径为0.7～1.6mm；膜面上下挤压0.003～0.006mm。

4.根据权利要求1所述的一种新构型隔网，其特征在于新构型隔网的材料为醋酸纤维素、聚丙烯、金属材料。

5.根据权利要求1所述的一种新构型隔网，其特征在于新构型隔网材料的技术指标满足以下要求：拉伸强度在40～50MPa，缺口冲击强度在16～20kJ/m²，熔融指数10～15g/10min，弯曲强度在32～38MPa，洛氏硬度在65～68R，伸长率在150％～170％，收缩率在1.1％～1.3％。