CN115487681A - 一种应用于卷式膜的静态混流隔网 - Google Patents

一种应用于卷式膜的静态混流隔网 Download PDF

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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Abstract

本发明公开一种应用于卷式膜的静态混流隔网，由若干个隔网条组成，通过隔网条框架进行固定，以相等的间隔沿进料方向均匀分布，每个隔网条由若干个隔网单元所组成，隔网单元具有三个垂直于进料流体方向的流体通道，流体在隔网单元内进行静态混流，不产生漩涡和湍流，且流体流经隔网时不存在流体死角。本发明的卷式膜静态混流隔网，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，这不同于现有各种方案，不仅降低了膜截留物质的表面浓度，增加传质速率，强化了流体混合，而且在有效降低浓差极化和膜污染的同时，减小了因隔网的加入导致膜运行时增加的压降和泵耗，提高了能量利用率。

Description

一种应用于卷式膜的静态混流隔网
技术领域：
本发明属于膜分离技术领域，涉及一种卷式膜隔网，特别涉及一种卷式膜静态混流隔网。
背景技术：
膜分离技术具有设备简单、操作方便、无相变、处理效率高和节能等优点，作为一种单元操作日益受到人们的重视，已在海水淡化、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得到广泛应用。但在使用过程中，一个主要问题是透过流量随运行时间延长而降低，其影响因素有：①浓差极化使得膜表面溶质要向本体溶液扩散，从而形成阻力，使透过流量降低；②被分离溶质与膜的相互作用或在膜表面的浓度高于溶解度，使溶质在膜表面或膜孔内产生吸附或沉积，即膜污染，使膜透过流量降低。浓差极化和膜污染一直制约着膜技术的发展和应用，不仅使膜分离效率的降低，而且还极大地缩短了膜的使用寿命。
为了减少浓差极化和膜污染的影响，可以采取多种措施和控制方法，如原料液预处理、膜表面改性、改变膜表面流体力学条件、附加场强化、膜清洗和改变膜结构等，其中加入隔网改变膜表面流体力学条件是一种常见且有效的方法。进料液隔网能够帮助进料液创造均匀的流体通道，通过增加进料液流道的剪切速率以及混合垂直于膜表面方向的流体，减少靠近膜表面的截留物质，实现传质速率的增加，降低膜污染速率。
现有国内外螺旋卷式膜元件所使用的导流隔网大多采用缠绕式或者层叠式网筋结构，网筋间呈矩形或菱形排列。在结构上都是由沿流道方向的较粗的纵向筋，与横向夹置在流道内较细的横向筋构成，所有流道平铺一层，构成导流隔网，但在网眼四角和膜面接触的位置形成死角，容易造成原料液溶质的沉积污堵，并且由于横向筋和膜面的紧密接触降低了膜元件实际使用面积。为此，中国专利CN201906567U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，使横向筋不与膜表面接触；中国专利CN202151550U和中国专利CN202155150U提供一种技术方案，通过减少膜面接触，增加径向流量，以及增宽加厚流道来减轻网眼四角易污染沉积；中国专利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，现有的导流隔网都在有效降低浓差极化和膜污染、提高传质的同时，增加了膜运行时的压降和泵耗。
发明内容：
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种卷式膜静态混流隔网，使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，强化流体混合，提高能量利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：由若干个相互平行的隔网条组成，隔网条垂直于进料流体方向，每个隔网条两端固定在带有卡槽的隔网条框架上；隔网条框架平行于进料流体方向，每个隔网条由若干个隔网单元组成，隔网单元与隔网单元两两相互紧贴，隔网单元由上半部分和下半部分组成，隔网单元上半部分由一块后置面板、两块正挡板、一块前置斜挡板和两块侧板组成，其中两块正挡板分为左挡板和右挡板，都垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、前置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，后置面板垂直于正挡板和侧板且平行于进料流体方向，并紧连左右挡板与两块侧板底部；隔网单元下半部分由一块前置面板、两块挡板、一块后置斜挡板、两块侧板组成，左右挡板和后置挡板垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、后置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，前置面板垂直于挡板和侧板，并紧连左右挡板；隔网单元上半部分和隔网单元下半部分关于面板反向对称；隔网单元上半部分左侧板与下半部分左侧板是共同组成左侧板，隔网单元上半部分右侧板与下半部分右侧板共同组成右侧板，并与隔网单元上半部分的前置斜挡板、隔网单元下半部分的左右挡板共同形成中心流体通道。
所述静态混流，是指流体经过隔网单元时有两类流动方式，一种是经过隔网单元前置面板上表面的流体通过隔网单元的两侧流体通道进入隔网单元后置面板下表面，另一种是经过隔网单元前置面板下表面的流体通过隔网单元的中心流体通道进入隔网单元后置面板上表面。
所述挡板宽度与侧板长度、面板高度是相等的，标记为t，隔网单元上半部分左右挡板、下半部分左右挡板和后置挡板的长度是相等的，标记为A，隔网单元上半部分左右挡板、下半部分左右挡板和后置挡板的高度是相等的，标记为B，左右侧板之间的间距标记为C，前置面板和后置面板的间距标记为D，隔网单元的长度和宽度分别标记为E和F，满足关系：t＝0.5～1.5mm，A＝3t～5t，B＝2t～4t，C＝4t～7t，D＝2t～5t，E＝2A+C，F＝2B+t。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：
本发明一种应用于卷式膜的静态混流隔网，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，且流体流经隔网时不存在流体死角。此外，斜挡板的设置可以极大地增加中心流道的面积，还可以减少传质阻力。因此，该隔网不仅降低了膜截留物质的表面浓度，增加传质速率，强化了流体混合，而且在有效降低浓差极化和膜污染的同时，减小了因隔网的加入导致膜运行时增加的压降和泵耗，提高了能量利用率。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是静态混流隔网的示意图；
图2是隔网单元中流体流向的示意图；
图3-6隔网单元三维模型图；
其中，1隔网条、2隔网单元、3隔网条框架、4隔网条框架卡槽、5隔网单元前置面板、6隔网单元后置面板、7隔网单元下半部分左右挡板、8隔网单元上半部分左右侧板、9斜挡板、10隔网单元两侧流体通道、11隔网单元中心流体通道，箭头表示流体的流动方向。
具体实施方式：
一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：由若干个相互平行的隔网条组成，隔网条垂直于进料流体方向，每个隔网条两端固定在带有卡槽的隔网条框架上；隔网条框架平行于进料流体方向，每个隔网条由若干个隔网单元组成，隔网单元与隔网单元两两相互紧贴，隔网单元由上半部分和下半部分组成，隔网单元上半部分由一块后置面板、两块正挡板、一块前置斜挡板和两块侧板组成，其中两块正挡板分为左挡板和右挡板，都垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、前置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，后置面板垂直于正挡板和侧板且平行于进料流体方向，并紧连左右挡板与两块侧板底部；隔网单元下半部分由一块前置面板、两块挡板、一块后置斜挡板、两块侧板组成，左右挡板和后置挡板垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、后置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，前置面板垂直于挡板和侧板，并紧连左右挡板；隔网单元上半部分和隔网单元下半部分关于面板反向对称；隔网单元上半部分左侧板与下半部分左侧板是共同组成左侧板，隔网单元上半部分右侧板与下半部分右侧板共同组成右侧板，并与隔网单元上半部分的前置斜挡板、隔网单元下半部分的左右挡板共同形成中心流体通道；
流体经过隔网单元时有两类流动方式，一种是经过隔网单元前置面板上表面的流体通过隔网单元的两侧流体通道进入隔网单元后置面板下表面，另一种是经过隔网单元前置面板下表面的流体通过隔网单元的中心流体通道进入隔网单元后置面板上表面。流体在隔网单元内进行静态混流，不产生漩涡和湍流。
实例1
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000041
13个隔网单元尺寸构成一个隔网条，13个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为19cm、宽为14cm的聚醚砜超滤膜上，在膜测试装置上以葡聚糖(医药、食品、化妆品等行业重要原料)为溶质进行测试。测试压力为120kPa，葡聚糖浓度为5.0kg/m3，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近42％。
实例2
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000042
13个隔网单元尺寸构成一个隔网条，13个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为19cm、宽为14cm的聚醚砜超滤膜上，在膜测试装置上以葡聚糖(医药、食品、化妆品等行业重要原料)为溶质进行测试。测试压力为120kPa，葡聚糖浓度为5.0kg/m3，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近36％。
实例3
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000043
13个隔网单元尺寸构成一个隔网条，13个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为19cm、宽为14cm的聚醚砜超滤膜上，在膜测试装置上以葡聚糖(医药、食品、化妆品等行业重要原料)为溶质进行测试。测试压力为120kPa，葡聚糖浓度为5.0kg/m3，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近51％。
实例4
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000044
16个隔网单元尺寸构成一个隔网条，15个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为21cm、宽为18cm的芳香聚酰胺复合纳滤膜上，在膜测试装置上以重金属废水为料液进行测试。测试压力为1.2MPa，温度为25℃、重金属废水中离子含量为Cu2+100mg/L、Ni2+40mg/L、Pb2+10mg/L、Zn2+20mg/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近58％。
实例5
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000051
16个隔网单元尺寸构成一个隔网条，15个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为21cm、宽为18cm的芳香聚酰胺复合纳滤膜上，在膜测试装置上以重金属废水为料液进行测试。测试压力为1.2MPa，温度为25℃、重金属废水中离子含量为Cu2+100mg/L、Ni2+40mg/L、Pb2+10mg/L、Zn2+20mg/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近79％。
实例6
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000052
16个隔网单元尺寸构成一个隔网条，15个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为21cm、宽为18cm的芳香聚酰胺复合纳滤膜上，在膜测试装置上以重金属废水为料液进行测试。测试压力为1.2MPa，温度为25℃、重金属废水中离子含量为Cu2+100mg/L、Ni2+40mg/L、Pb2+10mg/L、Zn2+20mg/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近64％。
实例7
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000053
10个隔网单元尺寸构成一个隔网条，11个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为16cm、宽为12cm的醋酸纤维素反渗透膜上，在膜测试装置上以模拟海水为料液进行测试。测试压力为3MPa，模拟海水中含NaCl20g/L、MgCl22g/L、MgSO43g/L、CaCl21g/L、KCl0.8g/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近41％。
实例8
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000061
13个隔网单元尺寸构成一个隔网条，13个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为19cm、宽为14cm的聚醚砜超滤膜上，在膜测试装置上以模拟海水为料液进行测试。测试压力为3MPa，模拟海水中含NaCl20g/L、MgCl22g/L、MgSO43g/L、CaCl21g/L、KCl0.8g/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近52％。
实例9
选择一种隔网单元尺寸，如表所示。
Figure BDA0003819457290000062
13个隔网单元尺寸构成一个隔网条，13个隔网条构成一个隔网，将隔网安装在长为19cm、宽为14cm的聚醚砜超滤膜上，在膜测试装置上以模拟海水为料液进行测试。测试压力为3MPa，模拟海水中含NaCl20g/L、MgCl22g/L、MgSO43g/L、CaCl21g/L、KCl0.8g/L，并与常规隔网进行对比。实验结果显示，在相同的泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，静态混流隔网具有相近或更高的传质性能，在最低泵耗下的膜过程中，与常规隔网相比，采用静态混流隔网后的传质系数提高了近31％。
本发明卷式膜静态混流隔网，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，这不同于现有各种方案，不仅降低了膜截留物质的表面浓度，增加传质速率，强化了流体混合，而且在有效降低浓差极化和膜污染的同时，减小了因隔网的加入导致膜运行时增加的压降和泵耗，提高了能量利用率。
上述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，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：由若干个相互平行的隔网条组成，隔网条垂直于进料流体方向，每个隔网条两端固定在带有卡槽的隔网条框架上；隔网条框架平行于进料流体方向，每个隔网条由若干个隔网单元组成，隔网单元与隔网单元两两相互紧贴，隔网单元由上半部分和下半部分组成，隔网单元上半部分由一块后置面板、两块正挡板、一块前置斜挡板和两块侧板组成，其中两块正挡板分为左挡板和右挡板，都垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、前置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，后置面板垂直于正挡板和侧板且平行于进料流体方向，并紧连左右挡板与两块侧板底部；隔网单元下半部分由一块前置面板、两块挡板、一块后置斜挡板、两块侧板组成，左右挡板和后置挡板垂直于进料流体方向，斜挡板与进料流体方向成一定夹角，侧板平行于进料流体方向，其中挡板与侧板按照“左挡板、左侧板、后置斜挡板、右侧板、右挡板”顺序呈“几字型”组合，前置面板垂直于挡板和侧板，并紧连左右挡板；隔网单元上半部分和隔网单元下半部分关于面板反向对称；隔网单元上半部分左侧板与下半部分左侧板是共同组成左侧板，隔网单元上半部分右侧板与下半部分右侧板共同组成右侧板，并与隔网单元上半部分的前置斜挡板、隔网单元下半部分的左右挡板共同形成中心流体通道。
2.根据权利要求1所述的一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：所述隔网条框架的卡槽以相等的间隔固定隔网条，隔网条沿进料方向均匀分布。
3.根据权利要求1所述的一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：隔网单元上半部分的前置斜挡板与进料流体方向成135°～165°夹角，隔网单元下半部分的后置斜挡板与进料流体方向成15°～45°夹角。
4.根据权利要求1所述的一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：所述隔网单元是对称的，隔网单元的左挡板和左侧板分别与其右挡板和右侧板具有相同的尺寸；所述前置斜挡板是斜方体，左右挡板、隔网单元下半部分侧板和面板都是长方体或正方体，隔网单元上半部分侧板是底边为直角梯形的四棱柱。
5.根据权利要求1所述的一种应用于卷式膜的静态混流隔网，其特征是：所述挡板宽度、侧板长度和面板高度是相等的，标记为t，隔网单元上半部分左右挡板长度、下半部分左右挡板长度和面板宽度是相等的，标记为A，隔网单元上半部分左右挡板高度、下半部分左右挡板高度和后置挡板高度是相等的，标记为B，左右侧板之间的间距标记为C，前置面板和后置面板的间距标记为D，隔网单元的长度和宽度分别标记为E和F，满足关系：t＝0.5～2m，A＝2.5t～4t，B＝2t～3t，C＝5t～6t，D＝1～3t，E＝2A+C，F＝2A+D。
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