CN108543424B - 一种具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件包括前端夹板、后端夹板和设置于前、后端夹板之间的n个支撑板，n≥1；前、后端夹板通过固定连接件固定连接在一起，夹紧、密封所述n个支撑板；前端夹板、n个支撑板与后端夹板依次形成n+1个空腔，其中，奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔。本发明结构简单、设计紧凑，通过非对称开孔设计配合密封圈分隔，构造出独立物料通道，显著降低了设备制造成本，提高了组件装填密度、增强了料液的分布均匀性，最重要的是同时还兼具了渗透侧膜面反冲洗清洁功能，大大拓展了组件的应用领域和使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及渗透汽化膜分离技术领域，尤其涉及一种具备反冲洗功能的渗透汽化膜组件。
背景技术
由于化工、制药等行业的迅速发展，随之产生的含盐有机废水总量巨大且呈逐年增加的趋势。如果在排放前不对其进行处理，会对土壤及地下水造成破坏，带来严重的环境污染。由于废水中盐分和有毒有机物的存在导致传统的生物法处理工艺难以奏效，因此，探索高效的含盐有机废水处理技术已经成为废水处理研究的热点和难点。
随着科学技术的进步，工业化水平的提高，膜分离技术作为新型分离技术已广泛应用水处等领域。渗透汽化是用于液体混合物分离的一种新型膜技术。它是在液体混合物中组分蒸汽分压差的推动下，利用组分通过致密膜溶解和扩散速度的不同实现分离的过程，其突出的优点是能够以较低的能耗实现蒸馏、萃取和吸收等传统方法难以完成的分离任务。渗透汽化特别适于蒸馏法难以分离或不能分离的近沸点、恒沸点有机混合物溶液的分离，对有机溶剂及混合溶剂中微量水的脱除、废水中有机污染物的分离及水溶液中高价值有机组分的回收具有明显的技术和经济的优势。
然而，当面向精细化工等行业含盐有机废水时，现有卷式膜组件由于会出现严重盐污染问题而无法应用，而管式膜组件成本高昂，不利于推广应用。相比较而言，板框式膜组件抗污染能力强、机械稳定性高、制备成本低、膜片更换过程简单，适合范围更广。目前工业上广泛应用的板框式膜组件来自德国GFT公司（DE3529175A1），该组件结构的缺点是结构复杂，料液流动阻力损失大、料液分布不均等。中国专利（CN 2321516Y）也公开了一些用于渗透汽化过程的板框式膜组件的设计方案，在GFT公司的组件结构基础上进行了一系列优化，但是整体结构仍然比较复杂、装填密度不高，而且对渗透侧膜面无法进行冲洗清洁，因此应用范围受到限制。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的问题，提供一种具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，以解决现有板框式渗透汽化膜组件结构复杂、装填密度低、无法清洗渗透液通道等技术缺点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，包括前端夹板、后端夹板和设置于前、后端夹板之间的n个支撑板，n≥1；所述前、后端夹板通过固定连接件固定连接在一起，夹紧、密封所述n个支撑板；所述前端夹板上设有料液进口和渗透液出口/反冲洗水进口；所述后端夹板上设有料液出口和反冲洗水出口；所述n个支撑板上设有若干渗透液孔道，用于蒸汽渗透；所述若干渗透液孔道上覆盖膜片；所述前端夹板、n个支撑板与后端夹板依次形成n+1个空腔，其中，奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔；支撑板上对应前端夹板和后端夹板上的各进、出口处设有贯通孔，与前端夹板、后端夹板上的各进、出口形成料液通道和渗透液/反冲洗水通道。前端夹板、后端夹板上的各进、出口处可以采用焊接的方式连接相应导管。
作为本发明的进一步改进，所述料液进口和渗透液出口/反冲洗水进口设置于前端夹板下部，渗透液出口/反冲洗水进口垂直高度低于料液进口；所述料液出口和反冲洗水出口设置于后端夹板上部，料液出口垂直高度低于反冲洗水出口。渗透液/反冲洗水通道设置在组件下方，有利于排出渗透液/反冲洗水通道中液化的渗透组分，减小渗透侧阻力损失，提高膜通量。
作为本发明的进一步改进，所述前端夹板、n个支撑板、后端夹板之间通过若干垫圈压紧连接。夹板、支撑板之间、支撑板相互之间仅采用垫圈压紧密封，相比传统板框式膜组件，无需装配框结构，减少了制备成本和安装难度，提高了组件装填密度，此外，组件料液通道和渗透蒸汽通道尺寸可通过垫圈的厚度选择实现可控调节；进一步的，所述若干垫圈厚度相等，确保挤压后组件密封性可靠。
本发明中支撑板与夹板、支撑板与支撑板（n＞1时）之间通过外力挤压和垫圈分隔形成料液通道、渗透液/反冲洗水通道。料液通道连接原料液入口和出口，料液通道属于并联结构。渗透蒸汽/反冲洗水通道均连接所述反冲洗水出口；反冲洗水出口在渗透汽化程序段保持关闭，在反冲洗程序段保持打开。
作为本发明的进一步改进，所述垫圈包括内垫圈、外垫圈和O形垫圈；其中，所述料液流通空腔处设置内垫圈，内垫圈内包括料液通道；所述渗透液/反冲洗水流通空腔处设置外垫圈，外垫圈和内垫圈之间为渗透液/反冲洗水通道；所述O形垫圈间隔设置于相邻夹板/支撑板对应的各流通孔之间，用于配合内垫圈、外垫圈形成奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔的流动空间。
作为本发明的进一步改进，所述膜片设置于支撑板上形成料液流通空腔的一面；所述膜片完全覆盖支撑板中间的渗透液孔道。
作为本发明的进一步改进，所述反冲洗水出口处连接截止阀；所述组件处于渗透汽化程序时，所述截止阀关闭；所述组件处于反冲洗程序时，所述截止阀打开，反冲洗液从渗透液出口/反冲洗水进口进入组件，冲刷渗透侧通道后从反冲洗水出口排出。
作为本发明的进一步改进，所述前端夹板（1）、后端夹板（5）和n个支撑板之间平行放置；n＞1时，n个支撑板之间平行放置。采用多层叠加支撑板时，可以提高组件的有效膜面积；
作为本发明的进一步改进，所述固定连接件为螺栓和螺母的组合；所述前端夹板和后端夹板四面设有固定孔，螺栓穿过固定孔并通过螺母旋紧固定，将前端夹板和后端夹板固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述膜片为复合膜，其中基膜为有机或无机超滤膜，膜皮层材料为改性的聚二甲基硅氧烷，改性的物质为无机晶体或有机聚合物。
本发明的渗透液/反冲洗水通道（即真空通道）属于内置式，相比于传统膜器结构，所述组件无需真空罩，节约了成本和使用空间；
本发明组件的工作原理：原料液通过前端夹板下方进口进入料液流道，原料液从下到上流经膜面，汇集到后端夹板上方料液出口排出。前端夹板下方渗透液出口/反冲洗水进口连接真空泵，渗透蒸汽沿着渗透侧通道汇集于渗透液出口/反冲洗水进口后进入后续冷凝装置。关闭真空泵，打开后夹板截止阀，从抽真空口通入反冲洗液，从反冲洗水出口排出，即可完成对渗透侧通道的冲洗清洁。
本发明的组件结构简单、设计紧凑，通过非对称开孔设计配合密封圈分隔，构造出独立物料通道，显著降低了设备制造成本，提高了组件装填密度、增强了料液的分布均匀性，最重要的是同时还兼具了渗透侧膜面反冲洗清洁功能，大大拓展了组件的应用领域和使用效率。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例1单支撑板组件的基本结构示意图（未设置垫圈连接）；
图2为本发明实施例1单支撑板组件组合状态的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例2双支撑板组件的基本结构示意图（未设置垫圈连接）；
图4为本发明实施例2单支撑板组件组合状态的侧视结构示意图；
图5为本发明实施例3三支撑板组件的基本结构示意图（未设置垫圈连接）；
图6为本发明实施例3三支撑板组件组合状态的侧视结构示意图；
图7为本发明实施例4四支撑板组件的基本结构示意图（未设置垫圈连接）；
图8为本发明实施例4四支撑板组件组合状态的侧视结构示意图；
图9为本发明实施例3支撑板2主视结构示意图；
图10为本发明实施例3支撑板3主视结构示意图；
图11为本发明实施例3支撑板4主视结构示意图；
图12为本发明实施例3支撑板5主视结构示意图；
图中，1.前端夹板；5.后端夹板；2/3/4/8. 支撑板；6. 膜片；7. 螺栓；9. 渗透液孔道；11. 料液进口；12. 渗透液出口/反冲洗水进口；13/53. 夹板固定孔；21/31/41/81.料液进口通道贯通孔；22/32/42. 渗透液出口通道贯通孔；23/33/43/83. 料液出口通道贯通孔；51. 料液出口；34/44/84. 反洗水出口通道贯通孔；52. 反冲洗水出口；25/45. 内垫圈；36/56. 外垫圈；27/37/47/57. O形垫圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作详细说明。
实施例1
本实施例以单支撑板为例，进一步说明本发明的组件结构。
如图1~图2所示，本实施例的组件包括前端夹板1、后端夹板5和设置于前、后端夹板之间的支撑板2，所述前、后端夹板通过固定连接件固定连接在一起，夹紧、密封所述支撑板2；所述固定连接件为螺栓7和螺母的组合；所述前端夹板1和后端夹板5四边设有固定孔13，螺栓穿过固定孔13并通过螺母旋紧固定，将前端夹板1和后端夹板5固定连接。
所述前端夹板1上设有料液进口11和渗透液出口/反冲洗水进口12；所述后端夹板5上设有料液出口51和反冲洗水出口52；
所述支撑板2上设有若干渗透液孔道9，用于蒸汽渗透；所述若干渗透液孔道9上覆盖膜片6；支撑板上对应前端夹板1上的渗透液出口/反冲洗水进口处设有渗透液出口通道贯通孔22，对应后端夹板5上的料液出口51处设有料液出口通道贯通孔23；料液进口11和渗透液出口/反冲洗水进口12设置于前端夹板1下部，渗透液出口/反冲洗水进口12垂直高度低于料液进口11；料液出口51和反冲洗水出口52设置于后端夹板5上部，料液出口51垂直高度低于反冲洗水出口52；
前端夹板1、支撑板2、后端夹板5之间通过等厚度的内垫圈、外垫圈和O形垫圈压紧连接。所述料液流通空腔处设置内垫圈，内垫圈内包括料液通道；所述渗透液/反冲洗水流通空腔处设置外垫圈，外垫圈和内垫圈之间为渗透液/反冲洗水通道；所述O形垫圈间隔设置于相邻夹板/支撑板对应的各流通孔之间，用于配合内垫圈、外垫圈形成奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔的流动空间。
所述反冲洗水出口52处连接截止阀；组件处于渗透汽化程序时，截止阀关闭；所述组件处于反冲洗程序时，截止阀打开。
如图2所示，前端夹板1、支撑板2与后端夹板5依次形成2个空腔，支撑板2左侧为第一空腔（奇数空腔），为料液流通空腔，料液自料液进口11进入料液流通空腔，在内垫圈、O型垫圈的限制下自料液出口51流出；支撑板2右侧为第二空腔（偶数空腔），为渗透液/反冲洗水流通空腔；料液自第一空腔从膜片6和孔道9处渗透至第二空腔，渗透液自渗透液出口12处流出。进入反冲洗程序时，反冲洗水自渗透液出口12（即反冲洗水进口12）流入，冲刷渗透侧通道（偶数空腔）后从反冲洗水出口52排出。
所述膜片6为复合膜，其中基膜为有机或无机超滤膜，膜皮层材料为改性的聚二甲基硅氧烷，改性的物质为无机晶体或有机聚合物。
实施例2
本实施例以双支撑板为例，进一步说明本发明的组件结构。
本发明的组件根据支撑板的数目不同，采用不同的支撑板组件，当n＞1时，n为奇数时，则支撑板由图5所示的支撑板2+（n-2）个支撑板3+支撑板4组成；n为偶数时，则支撑板由图7所示的支撑板2+（n-2）个支撑板3+支撑板8组成；具体将在实施例2、实施例3和实施例4中进一步说明。
如图3~图4所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于，增加了一个支撑板3。
前端夹板1、支撑板2、支撑板3与后端夹板5依次形成3个空腔，依次为第一空腔、第二空腔和第三空腔，其中奇数空腔（第一空腔、第三空腔）为料液流通空腔，料液自料液进口11进入第一空腔，在内垫圈、O型垫圈的限制下经料液进口通道贯通孔21、31进入第三空腔，后自料液出口51流出。
支撑板2、3上形成料液流通空腔的一面设有膜片6。料液自第一空腔、第三空腔从膜片6和孔道9处渗透至第二空腔，渗透液自渗透液出口12处流出，之后进入后续冷凝收集装置。
进入反冲洗程序时，反冲洗水自渗透液出口12（即反冲洗水进口12）流入，冲刷渗透侧通道（第二空腔）后从反冲洗水出口52排出。
实施例3
本实施例以三支撑板为例，说明本发明的组件结构。
如图5~6，图9~12所示。本实施例与实施例1的不同之处仅在于，增加了支撑板3和支撑板4。
前端夹板1、支撑板2、支撑板3、支撑板4与后端夹板5依次形成4个空腔，依次为第一空腔、第二空腔、第三空腔和第四空腔，其中奇数空腔（第一空腔、第三空腔）为料液流通空腔，料液自料液进口11进入第一空腔，在内垫圈、O型垫圈的限制下经料液进口通道贯通孔21、31进入第三空腔，后经料液出口通道贯通孔23、33、43形成的出口通道，自料液出口51流出。
支撑板2、3、4上形成料液流通空腔的一面设有膜片6。料液自第一空腔、第三空腔从膜片6和孔道9处渗透至第二空腔、第四空腔，渗透液经渗透液出口通道贯通孔22、32、42形成的渗透液出口通道，自渗透液出口12处流出。
进入反冲洗程序时，反冲洗水自渗透液出口12（即反冲洗水进口12）流入冲刷渗透侧通道（第二空腔、第四空腔）后经反洗水出口通道贯通孔34、44形成的反洗水出口通道，从反冲洗水出口52排出，完成反冲洗程序。
本实施例中分离膜采用以有机超滤膜为基膜，PDMS为皮层材料制备而成的有机复合膜。质量分数为5%、温度为40℃的乙醇溶液在循环泵的压力下进入本实施例的组件，原料液流经料液通道从出口回到料液罐。关闭反冲洗水出口52背面截止阀，待系统稳定后，启动真空泵，渗透组分汽化后沿着渗透通道汇集于渗透液出口/反冲洗水进口12后进入冷凝收集装置。对冷凝器中冷凝液称重、分析后，计算得到所述组件的通量达到1180 g/m2·h，分离因子超过9。打开反冲洗水出口52背面截止阀，从渗透液出口/反冲洗水进口12通入反冲洗水，流经渗透侧通道后从反冲洗水出口52流出，完成反冲洗程序。
实施例4
本实施例以四支撑板为例，说明本发明的组件结构。
如图7~图8所示。本实施例与实施例1的不同之处仅在于，增加了支撑板3、支撑板4和支撑板8。
前端夹板1、支撑板2、支撑板3、支撑板4、支撑板8与后端夹板5依次形成4个空腔，依次为第一空腔、第二空腔、第三空腔、第四空腔和第五空腔，其中奇数空腔（第一空腔、第三空腔、第五空腔）为料液流通空腔，料液自料液进口11进入第一空腔，在内垫圈、O型垫圈的限制下经料液进口通道贯通孔21、31进入第三空腔，经料液进口通道贯通孔21、31、41、81进入第三空腔，后经料液出口通道贯通孔23、33、43、83形成的出口通道，自料液出口51流出。
支撑板2、3、4、8上形成料液流通空腔的一面设有膜片6。启动真空泵后，料液自第一空腔、第三空腔、第五空腔从膜片6和孔道9处渗透至第二空腔、第四空腔，渗透液经渗透液出口通道贯通孔22、32、42形成的渗透液出口通道，自渗透液出口12处流出。
进入反冲洗程序时，反冲洗水自渗透液出口12（即反冲洗水进口12）流入冲刷渗透侧通道（第二空腔、第四空腔）后经反洗水出口通道贯通孔34、44、84形成的反洗水出口通道，从反冲洗水出口52排出，完成反冲洗程序。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。本发明的创新之处在于通过非对称开孔和密封圈的设计，可以分隔得到的原料通道和渗透侧通道，同时组件还具备了对渗透侧膜面冲洗清洁功能。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，包括前端夹板（1）、后端夹板（5）和设置于前、后端夹板之间的n个支撑板，n≥1；所述前、后端夹板通过固定连接件固定连接在一起，夹紧、密封所述n个支撑板；
所述前端夹板（1）上设有料液进口（11）和渗透液出口/反冲洗水进口（12）；所述后端夹板（5）上设有料液出口（51）和反冲洗水出口（52）；
所述n个支撑板上设有若干渗透液孔道，用于蒸汽渗透；所述若干渗透液孔道（9）上覆盖膜片；所述前端夹板（1）、n个支撑板与后端夹板（5）依次形成n+1个空腔，其中，奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔；支撑板上对应前端夹板（1）和后端夹板（5）上的各进、出口处设有贯通孔，与前端夹板（1）、后端夹板（5）上的各进、出口形成料液通道和渗透液/反冲洗水通道；
所述料液进口（11）和渗透液出口/反冲洗水进口（12）设置于前端夹板（1）下部，渗透液出口/反冲洗水进口（12）垂直高度低于料液进口（11）；
所述料液出口（51）和反冲洗水出口（52）设置于后端夹板（5）上部，料液出口（51）垂直高度低于反冲洗水出口（52）。
2.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述前端夹板（1）、n个支撑板、后端夹板（5）之间通过若干垫圈压紧连接。
3.根据权利要求2所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述若干垫圈厚度相等。
4.根据权利要求2所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述垫圈包括内垫圈、外垫圈和O形垫圈；
其中，所述料液流通空腔处设置内垫圈，内垫圈内包括料液通道；
所述渗透液/反冲洗水流通空腔处设置外垫圈，外垫圈和内垫圈之间为渗透液/反冲洗水通道；
所述O形垫圈间隔设置于相邻夹板/支撑板对应的各流通孔之间，用于配合内垫圈、外垫圈形成奇数空腔为料液流通空腔，偶数空腔为渗透液/反冲洗水流通空腔的流动空间。
5.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述膜片设置于支撑板上形成料液流通空腔的一面；所述膜片完全覆盖支撑板中间的渗透液孔道。
6.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述反冲洗水出口（52）处连接截止阀；所述组件处于渗透汽化程序时，所述截止阀关闭；所述组件处于反冲洗程序时，所述截止阀打开，反冲洗液从渗透液出口/反冲洗水进口（12）进入组件，冲刷渗透侧通道后从反冲洗水出口（52）排出。
7.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述前端夹板（1）、后端夹板（5）和n个支撑板之间平行放置；n＞1时，n个支撑板之间平行放置。
8.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述固定连接件为螺栓和螺母的组合；所述前端夹板（1）和后端夹板（5）四边设有固定孔（13），螺栓穿过固定孔（13）并通过螺母旋紧固定，将前端夹板（1）和后端夹板（5）固定连接。
9.根据权利要求1所述的具备反冲洗功能的板框式渗透汽化膜组件，其特征在于，所述膜片为复合膜，其中基膜为有机或无机超滤膜，膜皮层材料为改性的聚二甲基硅氧烷，改性的物质为无机晶体或有机聚合物。
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