CN111054221A - 一种制备中空纤维膜的装置及方法 - Google Patents

一种制备中空纤维膜的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种编织管输送装置，其包括编织管连接器、导丝轮和编织管盘安装架，其中所述编织管连接器设置在所述编织管盘安装架和所述导丝轮之间。本发明提供的装置避免原有工艺的编织管中途衔接牵引和在线编织速度受限问题，稳定了纺丝张力和速度，工艺方便操作，易于工业化连续生产，降低生产和使用成本。

Description

一种制备中空纤维膜的装置及方法
技术领域
本发明属于材料加工设备领域，具体涉及一种制备中空纤维膜的装置及方法。
背景技术
中空纤维膜作为最常用的分离膜之一，广泛应用污水处理与回用、纯水生产、化工、海水淡化、市政供水、电子工业、制药和生物工程、食品、纺织等领域，并且规模在逐步扩大。目前商品中空纤维膜主要制备方法有熔纺-拉伸(MSCS)法和浸没沉淀法(NIPS)。拉伸法制备中空纤维膜技术在上世纪70年代已经被公开了，一般采用挤出机将树脂熔体挤出后高速牵引，再经过冷拉伸，热拉伸和热定型，其原料单一，膜丝直径小，组件装填密度大，但是孔隙率低，孔径分布宽，难以满足大规模工业污水处理需求。传统的NIPS法是工业膜组件中采用的最多的方法，制备的膜为均质膜，通量高，但是膜丝强度较差，因此目前的解决途径之一是采用编织管或者长纤维增强的方式，此类设备往往需要同时加工增强材料，受限于增强材料的在线加工速度，而且通常采用线轴放卷，带来间歇操作问题，影响大规模生产的效率。
中国专利CN101543731A公开了一种增强型中空纤维膜的制备方法，采用了纤维在线编织-共挤出的方法，此方法在纺丝速度方面受限于增强材料在线编织速度，目前编织管的在线编织速度难以提高，因而影响整体生产效率。
中国专利CN104096485A公开的方案采用水平式的布置，虽然避免了加深一级凝固槽，但是膜丝在初生状态下受重力的影响，会造成膜丝的涂层的不均匀。
目前亟需提供一种增强中空纤维膜的制备装置以解决现有技术中增强中空纤维膜纺丝时编织管中途衔接牵引、编织管材料浪费等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供了一种制备增强中空纤维膜装置。本发明中提供的制备增强中空纤维膜的装置避免原有工艺的编织管中途衔接牵引和在线编织速度受限问题，稳定了纺丝张力和速度，工艺方便操作，易于工业化连续生产，降低生产和使用成本。
为此，本发明一方面提供一种编织管输送装置，其包括编织管连接器、导丝轮和编织管盘安装架，其中所述编织管连接器设置在所述编织管盘安装架和所述导丝轮之间。
根据本发明的一些优选实施例，所述编织管连接器中设置有上下凹槽，所述凹槽的直径与编织管的直径匹配。
根据本发明的一些优选实施例，还包括阻尼控制器和输送电机，其中，所述阻尼控制器和所述输送电机设置在编织管盘安装架上。
根据本发明的一些优选实施例，所述编织管连接器上还设置有加热装置。
本发明第二方面提供一种用于制备中空纤维膜的装置，包括所述的编织管输送装置。
根据本发明的一些优选实施例，还包括与所述编织管输送装置连接的喷丝装置和/或与所述喷丝装置连接的混合挤出装置；优选地，所述喷丝装置包括计量泵、管路和喷丝板，所述混合挤出装置包括反应釜、惰性气体供应装置、真空泵和过滤器；更优选地，所述惰性气体供应装置与所述反应釜的惰性气体入口连接，所述真空泵连接于所述反应釜上方，所述过滤器连接于所述反应釜的底部。
根据本发明的一些优选实施例，还包括与所述混合挤出装置连接的上料装置和/或凝胶装置，优选地，所述上料装置包括预热罐和失重计量装置优选为固体失重计量装置和液体失重计量装置，其中，所述预热罐被配置为对液体原料和/或固体原料进行加热；优选地，所述凝胶装置位于所述喷丝装置下方优选喷丝板下方，和/或所述喷丝装置与所述凝胶装置之间设有空气，所述初生纤维经过一段空气后进入所述凝胶装置；优选的，所述凝胶装置设有凝胶槽、凝胶槽导丝轮和液面控制机构，所述凝胶槽为至少一级优选至少两级且上方的一级凝胶槽深度至少为1.5m；所述液面控制机构包括液位传感器和比例调节阀优选为进水比例调节阀和外排比例调节阀，所述液位传感器与所述比例调节阀相关联以控制所述凝胶槽液位；更优选的，所述凝胶装置还设有温控装置和/或在线检测装置。
根据本发明的一些优选实施例，所述计量泵包括通过所述管路串联的第一计量泵和第二计量泵；优选的地，所述喷丝装置还包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述第一计量泵和所述第二计量泵之间；和/或，所述喷丝板、所述计量泵和所述管路上设有加热装置；更优选地，所述喷丝板为双套管结构，中心管为编织管通道，所述中心管外侧为铸膜液通道。
根据本发明的一些优选实施例，还包括收丝装置，优选所述收丝装置包括膜丝传送机构和切刀，所述膜丝传送机构包括第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置，所述切刀位于所述第一膜丝传送装置和所述第二膜丝传送装置之间，所述切刀优选通过设定动作间隙时间关联切丝长度进行切丝。
本发明另一方面提供一种采用所述的装置制备中空纤维膜的方法，包括：通过编织管输送装置将编织管提供至喷丝装置。
根据本发明的一些优选实施例，还包括：通过混合挤出装置将铸膜液提供至所述喷丝装置；通过所述喷丝装置将所述铸膜液和所述编织管混合并喷丝以形成初生纤维。
根据本发明的一些优选实施例，所述编织管输送装置上的编织管盘的接头与后续编织管盘接头连接并放入编织管连接器，连接后编织管持续放卷，优选所述放卷的速度和/或张力通过阻尼控制器和输送电机闭路控制得到匹配，并通过配有输送电机的导丝轮传送，所述编织管垂直进入所述喷丝装置。
根据本发明的一些优选实施例，所述初生纤维进入凝胶装置，以固化为中空纤维膜丝，优选地，所述中空纤维膜丝经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，经切刀切丝后通过第二膜丝传送装置进行输送，所述第一膜丝传送装置的传送速度、编织管放卷速度和凝胶槽导丝轮速度相匹配并闭路控制。
根据本发明的一些优选实施例，所述预热罐的加热温度为常温至200℃；和/或，所述反应釜的搅拌速度为0-120r/min；和/或，所述反应釜、所述过滤器和所述管路通过加热装置加热至常温至250℃；和/或，所述喷丝板的加热温度为常温至200℃，优选加热方式为电热套和/或导热油；和/或，所述凝胶槽的加热温度为常温至90℃；和/或，当所述凝胶槽内有机物浓度超出设定上限时，通过所述比例调节阀、所述液面控制机构和所述升降机构降低所述凝胶槽内有机物浓度。
根据本发明的优选实施方式，本发明设计的增强中空纤维膜的制备装置，对编织管可以衔接并连续送丝，稳定膜丝张力，以及特定的喷丝板结构和连续定长切丝设计，工艺稳定，流程简单，克服了传统设备存在编织管中途重新穿线牵引，编织管材料利用率低，绕丝不稳定等问题，高效而且简便的生产孔径均匀的增强中空纤维分离膜，同时减少了生产成本。
根据本发明的优选实施例，采用有编织管连接器的编织管输送装置，在纺丝过程中更换编织管盘时可以将接头顺利连接，避免换盘时停机重新牵引编织管的操作，适合提高纺丝速度，连续生产；采用阻尼控制装置和主动输送形式稳定编织管放卷张力，避免编织管张力波动；第一膜丝传送装置传送速度与编织管放卷速度以及凝胶槽导丝轮速度匹配并闭路控制，稳定膜丝张力及涂层均匀性；采用定长切丝可以克服固定直径绕丝轮收丝线速率持续增长的问题，方便控制增强中空纤维膜，易于工业化连续生产，降低生产和使用成本。
本发明采用的增强中空纤维分离膜的制备装置避免换盘时停机重新牵引编织管的操作和在线编织速度受限问题，适合提高纺丝速度，减少编织管盘米数不一致带来批量浪费；采用阻尼控制装置，电机主动输送设计，纺丝速度闭路控制，提高了膜丝的均匀性；原有收丝设备采用收丝轮只能恒定转速，对膜丝的前伸随着纺丝时间发生持续变化，需要频繁将膜丝从收丝轮上切下，调整收丝长度时需要人工将不同周长的收丝轮进行拆卸更换；本发明提供的制备设备可以稳定控制增强中空纤维膜生产工艺质量，效率高，产品强度高，均匀性好，在水处理、生物、医药、能源等领域有广泛的使用，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明一些实施例中的编织管连接器结构示意图；
图2是本发明一些实施例中的混合挤出装置结构示意图；
图3是本发明一些实施例中的编织管输送装置结构示意图；
图4是本发明一些实施例中的喷丝装置结构示意图；
图5是本发明一些实施例中的凝胶装置结构示意图；
图6是本发明一些实施例中的收丝装置结构示意图；
图7是本发明一些实施例中的喷丝板结构示意图。
附图标记：1上料装置；2惰性气体供应装置；3搅拌机构；4真空泵；5反应釜；6过滤器；7阻尼控制器；8导丝轮；9编织管连接器；10编制管盘安装架；11上模具；12下模具；13编织管通道；14加热装置；15第一计量泵；16第二计量泵；17压力传感器；18喷丝板；19凝液槽；20温控装置；21在线检测装置；22进水比例调节阀；23外排比例调节阀；24凝胶槽支架；25电机；26循环阀；27循环泵；28Y型过滤器；29放空阀；30第一膜丝传送装置；31第二膜丝传送装置；32切刀；33编织管通道；34铸膜液通道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案以及优点更加容易理解，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下列实施例中未提及的具体实验方法，通常按照常规实验方法进行。
实施例1
图1-7示出了本发明一些实施方式中所提供的一种制备增强中空纤维膜的装置，具体包括上料装置、混合挤出装置、编织管输送装置、喷丝装置、凝胶装置和收丝装置。
优选实施方式中的上料装置1，该上料装置1包括固体失重计量装置、液体失重计量装置和预热罐。其中，所述液体原料经液体失重计量装置向混合挤出装置中添加，所述固体原料经固体失重计量装置向混合挤出装置中添加，具体可为固体失重计量装置配置为将固体原料添加到反应釜5中，固体失重计量装置位于反应釜5进料口上方，固体失重计量装置出料口与反应釜5进料口正对；预热罐用于对液体原料进行加热，加热后的液体原料通过液体失重计量装置添加到反应釜5中，预热罐和液体管路均可以加热，加热方式为电热套或导热油，加热温度为常温至200℃可调，预热罐上方安装有搅拌电机，罐内有搅拌桨，搅拌电机与搅拌桨通过联轴器连接。
优选实施方式中的混合挤出装置，该混合挤出装置包括反应釜5、搅拌机构3、惰性气体供应装置2、真空泵4、过滤器6和用于连接的管路，其中反应釜5、过滤器6和管路上设有加热装置进行温度控制，加热温度为常温至250℃。搅拌机构3包括电机、减速机、机械密封和搅拌桨，搅拌速度为0-120r/min。如图1所示，原料通过上料装置1加入反应釜5中，在一定的温度条件下进行搅拌，同时通过惰性气体供应装置2通入惰性气体进行保护，搅拌完成后的铸膜液通过真空泵4抽真空脱泡，出料时使用惰性气体将铸膜液压出，铸膜液经过滤器6过滤后进入喷丝装置。
优选实施方式中的编织管输送装置，该编织管输送装置包括编织管盘安装架10、阻尼控制器7、输送电机、导丝轮8和编织管连接器9。其中，编织管连接器9包括上模具11和下模具12，该编织管连接器9中有上下凹槽，上凹槽设置于上模具11，下凹槽设置于下模具12，上、下凹槽直径与编织管直径匹配，上、下凹槽构成编织管通道13；编织管连接器9上设有加热装置14，在上模具11和下模具12均设有加热装置14，在上凹槽上部设置加热装置14，且在下凹槽下部设置加热装置14，加热温度为常温至300℃，编织管输送速度为0-40m/min。当每盘编织管放卷接近完成时留有接头，将接头与后续编织管盘接头内部使用一定长度的热熔丝连接，并放入编织管连接器9，加热连接后编织管可持续放卷，放卷后的编织管通过多个配有输送电机的导丝轮8，放卷速度与张力通过阻尼控制器7和输送电机闭路控制得到匹配，然后编织管垂直进入喷丝板18。
优选实施方式中的喷丝装置，该喷丝装置包括计量泵、压力传感器17、管路和喷丝板18。其中，计量泵为两台：第一计量泵15和第二计量泵16，第一计量泵15和第二计量泵16通过管路串联；铸膜液过滤后，利用第一计量泵15将铸膜液输送至第二计量泵16，第一计量泵15和第二计量泵16通过管路串联。物料通过反应釜5混合脱泡后经过过滤器6，利用第一计量泵15输送至第二计量泵16，同时在第一计量泵15和第二计量泵16之间设置压力传感器17，并将压力传感器17与第一计量泵15和第二计量泵16转速关联，稳定了铸膜液挤出压力。由于中空纤维膜制备纺丝过程中在喷丝板18对压力稳定性要求较高，传统釜式中空纤维膜挤出纺丝设备仅采用一级计量泵，压力波动较大，本发明采用两级计量泵，并且采用压力关联计量泵转速的设计，达到稳定第二计量泵16出口压力的目的，然后铸膜液进入喷丝板18；喷丝板18为双套管结构，中心管为编织管通道33，中心管外侧为铸膜液通道34，计量泵，管路和喷丝板18上设有加热装置，喷丝板18加热温度为常温至200℃可控，加热方式为电热套或者导热油。铸膜液和编织管通过喷丝板18形成初生纤维，初生纤维从喷丝板18喷出后经过一段空气后垂直进入凝胶装置。
优选实施方式中的凝胶装置，该凝胶装置包括凝胶槽19、循环系统、升降机构、凝胶槽导丝轮和液面控制机构。凝胶槽19最好设置成两级，其中位于喷丝板18下方的一级凝胶槽深度≥1.5m；凝胶槽19位于喷丝板18下方，凝胶槽19设有温控装置20和在线检测装置21，温控装置20可调节凝胶槽19温度范围为常温至90℃；在线检测装置21为总有机碳(TOC)在线检测装置和/或化学需氧量(COD)在线检测装置，可以在线检测凝胶槽19内有机物浓度。由于凝胶槽19内有机物浓度随着纺丝时间的延长而增加，影响后续纺丝初生纤维内液体向凝胶槽19内扩散的速度，进一步影响中空纤维膜膜孔结构，因而为了保证中空纤维膜在长时间的生产过程中的孔结构均一性，本发明采用在线监测的方式控制凝胶槽19内有机物浓度，有机物浓度与进水比例调节阀22和外排比例调节阀23关联，当凝胶槽19内有机物浓度超出设定上限时，通过外排比例调节阀23，进水比例调节阀22和液面控制机构及升降机构降低凝胶槽19内有机物浓度。循环系统包含循环阀26、循环泵27和Y型过滤器28。该升降机构包括凝胶槽支架24、限位开关和电机25；该液面控制机构包括液位传感器和比例调节阀，比例调节阀包括进水比例调节阀22和外排比例调节阀23，通过液位传感器与比例调节阀的关联控制凝胶槽19液位。中空纤维膜膜丝在凝胶槽19内固化后进入收丝装置。
优选实施方式中的收丝装置，该收丝装置包括膜丝传送机构和切刀32。其中，膜丝传送机构分为第一膜丝传送装置30和第二膜丝传送装置31，切刀32位于第一膜丝传送装置30和第二膜丝传送装置31之间；凝胶固化的膜丝经过第一膜丝传送装置30垂直进入切刀32，切丝之后通过第二膜丝传送装置31输送切好的膜丝；该第一膜丝传送装置30传送速度与编织管放卷速度以及凝胶槽导丝轮速度匹配并闭路控制；该切刀32可以通过设定动作间隙时间关联切丝长度，实现定长切丝功能。
在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (13)

1.一种编织管输送装置，其包括编织管连接器、导丝轮和编织管盘安装架，其中所述编织管连接器设置在所述编织管盘安装架和所述导丝轮之间。
2.根据权利要求1所述的编织管输送装置，其特征在于，所述编织管连接器中设置有上下凹槽，所述凹槽的直径与编织管的直径匹配。
3.根据权利要求1或2所述的编织管输送装置，其特征在于，还包括阻尼控制器和输送电机，其中，所述阻尼控制器和所述输送电机设置在编织管盘安装架上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的编织管输送装置，其特征在于，所述编织管连接器上还设置有加热装置。
5.一种用于制备中空纤维膜的装置，包括权利要求1-4中任一项所述的编织管输送装置。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括与所述编织管输送装置连接的喷丝装置和/或与所述喷丝装置连接的混合挤出装置；
优选地，所述喷丝装置包括计量泵、管路和喷丝板，所述混合挤出装置包括反应釜、惰性气体供应装置、真空泵和过滤器；
更优选地，所述惰性气体供应装置与所述反应釜的惰性气体入口连接，所述真空泵连接于所述反应釜上方，所述过滤器连接于所述反应釜的底部。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括与所述混合挤出装置连接的上料装置和/或凝胶装置，优选地，所述上料装置包括预热罐和失重计量装置优选为固体失重计量装置和液体失重计量装置，其中，所述预热罐被配置为对液体原料和/或固体原料进行加热；
优选地，所述凝胶装置位于所述喷丝装置下方优选喷丝板下方，和/或所述喷丝装置与所述凝胶装置之间设有空气，所述初生纤维经过一段空气后进入所述凝胶装置；优选的，所述凝胶装置设有凝胶槽、凝胶槽导丝轮和液面控制机构，所述凝胶槽为至少一级优选至少两级且上方的一级凝胶槽深度至少为1.5m；所述液面控制机构包括液位传感器和比例调节阀优选为进水比例调节阀和外排比例调节阀，所述液位传感器与所述比例调节阀相关联以控制所述凝胶槽液位；更优选的，所述凝胶装置还设有温控装置和/或在线检测装置。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述计量泵包括通过所述管路串联的第一计量泵和第二计量泵；优选的地，所述喷丝装置还包括压力传感器，所述压力传感器设置在所述第一计量泵和所述第二计量泵之间；和/或，所述喷丝板、所述计量泵和所述管路上设有加热装置；更优选地，所述喷丝板为双套管结构，中心管为编织管通道，所述中心管外侧为铸膜液通道。
9.根据权利要求6-8中任意一项所述的装置，其特征在于，还包括收丝装置，优选所述收丝装置包括膜丝传送机构和切刀，所述膜丝传送机构包括第一膜丝传送装置和第二膜丝传送装置，所述切刀位于所述第一膜丝传送装置和所述第二膜丝传送装置之间，所述切刀优选通过设定动作间隙时间关联切丝长度进行切丝。
10.一种采用根据权利要求5-9中任一项所述的装置制备中空纤维膜的方法，包括：通过编织管输送装置将编织管提供至喷丝装置。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
通过混合挤出装置将铸膜液提供至所述喷丝装置；
通过所述喷丝装置将所述铸膜液和所述编织管混合并喷丝以形成初生纤维。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述编织管输送装置上的编织管盘的接头与后续编织管盘接头连接并放入编织管连接器，连接后编织管持续放卷，优选所述放卷的速度和/或张力通过阻尼控制器和输送电机闭路控制得到匹配，并通过配有输送电机的导丝轮传送，所述编织管垂直进入所述喷丝装置。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述初生纤维进入凝胶装置，以固化为中空纤维膜丝，优选地，所述中空纤维膜丝经过第一膜丝传送装置垂直进入切刀，经切刀切丝后通过第二膜丝传送装置进行输送，所述第一膜丝传送装置的传送速度、编织管放卷速度和凝胶槽导丝轮速度相匹配并闭路控制。
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