CN1703270A - 多管式分离膜模件 - Google Patents

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Abstract

一种多管式分离膜模件，其包括：具有密封端和开孔端的多个管形分离膜元件(3)；外管(13)，其将各管形分离膜元件(3)以间隙包围，在管形分离膜元件(3)的密封端具有第一开孔(131)，在管形分离膜元件的开孔端的附近具有第二开孔(133)；与外管(13)的第一开孔(131)连通的入口装置(4a)；与管形分离膜元件(3)的开孔端连通的第一出口装置(4b)；与外管(13)的第二开孔(133)连通的第二出口装置(1)。经入口装置(4a)从前述外管的第一开孔(131)流入的流体(F1)在管形分离膜元件(3)与外管(13)之间的间隙内流动，利用管形分离膜元件(3)从流体(F1)分离出的成分(F2)具经由管形分离膜元件(3)的开孔端从第一出口装置(4b)流出，残留的流体(F3)从第二出口装置(1)流出。

Description

多管式分离膜模件
技术领域
本发明涉及用于从溶液或混合气体等流体中分离特定成分的多管式分离膜模件。
背景技术
作为用于分离溶液或混合气体中成分的设备多管式分离膜模件是众所周知的。该多管式分离膜模件中使用的分离膜元件是将由具有应被分离物质分子程度尺寸微细孔的沸石等构成的分离膜形成在多孔管上而得的。
图6表示了现有多管式分离膜模件的一个例子。该多管式分离膜模件包括圆筒形壳体1、在圆筒形壳体1内布置的多个管形分离膜元件3、具有用于支承前述多个管形分离膜元件3的多个开孔且固定在圆筒形壳体1的一端及另一端的支承板2a和2b、安装在壳体1上覆盖各支承板2a和2b的端盖4a和4b、以及安装在圆筒形壳体1内支承多个管形分离膜元件3的多个挡板5。圆筒形壳体1在支承板2a附近具有流体的入口6，在支承板2b附近具有流体的出口7。各个挡板5是局部形成缺口的圆板形，其作用是，一边使壳体1内的流体在垂直方向流向管形分离膜元件3，一边使流体从圆筒形壳体1的入口6向出口7移动。
在端盖4a和4b上分别设有膜穿透成分的出口8a和8b。流体F1从入口6向壳体1内提供，同时从膜穿透成分出口8a和8b吸引到端盖4a和4b内，则流体F1中的膜穿透流体F2透过管形分离膜元件3从出口8a和8b流出，残留的流体F3从出口7流出。该多管式分离膜模件，由于在圆筒形壳体1内密集布置管形分离膜元件3，尽管是小型的，但分离膜的总面积大，流体的处理能力大。
但是，这样的现有的多管式分离膜模件没有充分发挥管形分离膜元件3的处理能力，多管式分离膜模件整体的处理能力与各个管形分离膜元件3本来具有的处理能力的总和相比差了很多。考虑其原因在于：(a)、用挡板能够得到改变流体流向的效果，但因为很难使其流速足够大，对管形分离膜元件周围的流体的扰动不足，膜穿透成分从流体中向管形膜元件表面的扩散速度慢；(b)、壳体内存在流体流不到的死空间，死空间内的分离膜不能参与膜穿透成分的分离。
发明内容
因此本发明的目的在于提供能够有效地发挥各管形分离膜元件处理能力的多管式分离膜模件。
对上述目的进行努力研究的结果，本发明的发明者们发现，在用于从流体分离膜穿透成分的具有多个管形分离膜元件的多管式分离膜模件中，设置将各管形分离膜元件用小间隙包围的管形材料，从而流体从前述间隙高速通过，促进管形分离膜元件附近流体的湍流，且使流体流遍整个分离膜，这样提高多管式分离膜模件的处理能力，从而实现了本发明的设想。
即本发明的多管式分离膜模件包括：具有密封端和开口端的多个管形分离膜元件；外管，其将各管形分离膜元件用间隙包围，在前述管形分离膜元件的密封端侧具有第一开孔且在前述管形分离膜元件的开孔端附近具有第二开孔；与前述外管的第一开孔连通的入口装置；与前述管形分离膜元件的开孔端连通的第一出口装置；以及与前述外管的前述第二开孔连通的第二出口装置。经由前述入口部从前述外管的前述第一开孔流入的流体从前述管形分离膜元件与前述外管之间的间隙内流过，通过前述管形分离膜元件从前述流体分离出的成分经由前述管形分离膜元件的前述开孔从前述第一出口装置流出，残留的流体从前述第二出口装置流出。
如下是本发明的多管式分离膜模件的理想的一例。其包括：具有出口的壳体；固定在前述壳体一端的第一支承板；固定在前述壳体另一端的第二支承板；用前述第一和第二支承板支承的沿前述壳体的长度方向布置的多个外管；设于各个外管内的管形分离膜元件；以及安装在前述第一支承板的第一端盖；安装在前述第二支承板的第二端盖。各个外管在前述第一端盖侧具有流体流入的第一开孔，在前述第二端盖侧具有分离处理后残留流体流出的第二开孔，各个管形分离膜元件在前述第一端盖侧有密封端，在前述第二端盖侧有开孔端，前述外管与前述管形分离膜元件之间的间隙在第一端盖侧开放，在第二端盖侧密封。这样利用前述管形分离膜元件从前述外管的前述第一开孔流入前述外管和前述管形分离膜元件之间间隙的流体分离出的膜穿透成分从前述管形分离膜元件的前述开孔端向前述第二端盖流出，残留的流体经由前述第二开孔从前述壳体的出口流出。
也可以在前述的第一端盖安装隔板，使前述隔板的两侧成为第一室和第二室。流入前述第一室的流体通过前述第一室具有第一开孔的前述外管与前述管形分离膜元件之间的间隙从前述外管的第二开孔流出，然后从前述第二室具有第一开孔的前述外管的第二开孔流入，通过与前述管形分离膜元件间的间隙流入前述第二室。
前述管形分离膜元件的密封端最好利用设置在前述外管或前述密封端的任一个上的销子以前述间隔固定在前述外管内。前述外管的内径最好是前述管形分离膜元件外径的1.1～2倍。
前述管形分离膜元件最好是形成有具有应被分离物质的分子程度的尺寸微细孔的分离膜制成的中空陶瓷管。前述分离膜最好是由沸石构成。
附图说明
图1是表示本发明一实施例的多管式分离膜模件的纵剖面图；
图2是表示如图1所示的多管式分离膜模件内的外管和管形分离膜元件的放大剖面图；
图3是图2的B-B剖面图；
图4是图1的A-A放大剖面图；
图5是表示本发明其他一实施例的多管式分离膜模件的纵剖面图；
图6是表示现有的多管式分离膜模件一个实例的纵剖面示意图；
图7是表示现有的多管式分离膜模件另一个实例的纵剖面示意图。
具体实施方式
图1表示本发明一实施例的多管式分离膜模件。该多管式分离膜模件包括：圆筒形的壳体1；沿圆筒形壳体1的长度方向布置的多个外管13；固定在圆筒形壳体1的一端和另一端而支承多个外管的支承板2a、2b；沿长度方向间隔设置在外管13内的管形分离膜元件3；安装在圆筒形壳体1上覆盖支承板2a、2b的端盖4a、4b。
圆筒形壳体1具有向外侧突出的非透过流体F3的出口7。非透过流体出口7设于固定在圆筒形壳体1一端的支承板2b附近。端盖4a具有向外侧突出的流体F1的入口6，端盖4b具有向外侧突出的膜穿透流体(被分离的成分)F2的出口8。另外，端盖4a、4b的突缘分别与在圆筒形壳体1两端固定的支承板2a、2b气密卡合。
固定于圆筒形壳体1一端的支承板2a具有多个开孔21a，固定于圆筒形壳体1另一端的支承板2b具有多个开孔21b。支承板2a的各个开孔21a与支承板2b的各个开孔21b对准而正确定位。外管13的前端131固定于支承板2a的开孔21a，在与其相对的支承板2b的开孔21b处固定有同一外管13的后端132，这样各外管13就用支承板2a、2b支承了。各外管13在支承板2b附近具有第二个开孔(流体通过口)133。
图2表示用支承板2a、2b支承的外管13和管形分离膜元件3。管形分离膜元件3的前端(端盖4a侧)为密封端31，后端(端盖4b侧)为开孔端32。密封端31用密封部件9密封，在密封端31和密封部件9之间为确保密封性而装有密封圈114。在管形分离膜元件3的开孔端32隔着密封圈115固定有固定部件10，固定部件10与外管13的后端螺纹结合。
在外管13的内表面，在支承板2a附近设有多个销子34，各个销子34的前端与密封部件9接触。各个销子34支承嵌入密封部件9的管形分离膜元件3。销子34可以设于密封部件9。此外，外管13的内表面和密封部件9之间也可以放置具有开孔的衬垫。因为由销子34支承的管形分离膜元件3在外管13内能够自由滑动，因此在高温流体F1流入外管13时，能够防止由于外管13和管形分离膜元件3的热膨胀率不同而使管形分离膜元件3产生裂缝。
外管13与支承板2a、2b间气密状态的固定是用焊接实现的。支承板2b与外管13的焊接是边养护使得保证外管13和固定部件10的螺纹结合部不产生扭曲边进行的。
外管13内表面也可以有突起。由于外管13内表面具有突起，可以促进在外管13内流动的流体F1形成湍流。对于突起的形状不作特别限定。此外，也可以是与外管13不是一体的突起。例如也可以是将具有与外管13内径相等外径的弹簧沿按外管13的长度方向设置成与外管13同轴。
图3是图2的B-B放大剖面图，详细地表示了外管13和管形分离膜元件3。管形分离膜元件3的外径M与外管13的内径L的比率最好是1.1～2.0，更理想的是1.2～1.5。如果L/M的值过大在外管13与管形分离膜元件3之间的间隙通过的流体F1的流速会过小，所以是不理想的。
图4是图1的A-A放大剖面图，表示在圆筒形壳体1内均等配置的外管13和管形分离膜元件3。另外，为简化图示，少画了外管13和管形分离膜元件3的数量。由支承板2a、2b支承的外管13的中心距不作特别限定，但在实用上最好是外管13外径的1.2～2倍，更理想的是1.25～1.5倍。
如图1和图2所示，从流体入口6提供给圆筒形壳体1的流体F1通过外管13和管形分离膜元件之间的间隙向第二开孔133侧流动。此时，从端盖4b的膜穿透流体出口8吸引到端盖4b内，则膜穿透流体F 2透过各管形分离膜元件3在端盖4b汇合，然后从膜穿透流体出口8流出。没有透过各管形分离膜元件3的残留流体F3(非透过流体)从第二开孔133向外管13的外侧流出，在圆筒形壳体1的内部汇合从流体出口7流出。
流体F1从外管13和管形分离膜元件3之间的间隙通过，流体F1的流速增大，扰动了管形分离膜元件3周围的流体，且促进流体F1中的膜穿透物质向管形分离膜元件3附近移动。由此，因为这样增加了管形分离膜元件3的透过流体F2的流速，因而提高了管形分离膜元件3的处理能力。在外管13与管形分离膜元件3之间的间隙内流体F1的流速，在流体F1为液体时最好是0.2～2m/s。将流体F1的流速保持在这个范围，由于对在管形分离膜元件3与外管13之间的间隙内通过的流体产生阻力，所以进入端盖4a的流体在各个管形分离膜元件3与外管13之间的间隙内均匀分散流动。这样使整个膜面积都参与成分的透过，提高了多管式分离膜模件整体的处理能力。当流体F1为气体时，最好是2～20m/s。
图5表示本发明其他多管式分离膜模件的实施例。因为在图5表示的例子除了在具有流体F1入口6的端盖4a内侧设置隔板41之外，与图1～4所示的例子几乎相同，因此下面仅说明不同之处。隔板41在端盖4a的内侧固定，将端盖4a纵向分为二部分。隔板以气密状态向端盖4a的固定是用焊接实现的。在隔板41的端部41a与支承板2a之间为确保气密性夹有密封116。
隔板41使端盖4a的流体入口6一侧成为第一室42，相反侧成为第二室43。在隔板41的第二室43侧设有向外侧突出的流体出口7。外管由第一室42有前端131的第一外管13a和第二室43有前端131的第二外管13b组成。
从流体入口6提供给圆筒形壳体1的流体F1，通过第一外管13a与管形分离膜元件3之间的间隙，向第一外管13a的第二开孔133a侧流动。此时，从端盖4b的膜穿透流体出口8吸引到端盖4b内，则如图1～4所示一样，就也会吸引到在端盖4b中开孔的管形分离膜元件3内，对管形分离膜元件3的分离膜具有穿透性的物质就穿过分离膜，进入管形分离膜元件3内。穿过各个管形分离膜元件3的流体F2在端盖4b汇合，从膜穿透流体出口8流出。
没有穿透第一外管13a内的管形分离膜元件3的一次处理流体F4，从第一外管13a的第二开孔133a流入圆筒形壳体1内。在圆筒形壳体1内充满的一次处理流体F4从在第二室43内具有前端131的第二外管13b的第二开孔133b流入外管13b与管形分离膜元件3之间的间隙，通过第二外管13b与管形分离膜元件3之间的间隙，在端盖4a的第二室43汇合，从在第二室43设置的流体出口7流出。
如果使用图5所示的多管式分离膜模件，即便流体F1的流量设定为图1～4所示多管式分离膜模件的二分之一左右，第一和第二外管13a、13b，与管形分离膜元件3间隙内流体F1的流速仍比较大。因此，该多管式分离膜模件可以说是在供给流体F1的流量小的情况下是理想的实施例。
对于任何一种方式的多管式分离膜模件，管形分离膜元件3最好是在由陶瓷或金属构成的管形多孔质支承体上制模出沸石等的分离膜。例如当分离由水和乙醇构成的流体F1时，可以使用在由多孔质陶瓷构成的管形基体上制模出A型沸石膜的管形分离膜元件。这时，水为透过管形分离膜元件的透过流体F2，乙醛为非透过流体F3。
实施例1
制造出在由氧化铝制的管型多孔质支承体(长80cm，外径10mm，内径9mm)上制模出沸石膜的管形分离膜元件3，使用25根该管形分离膜元件组装成如图1和图4所示同样的多管式分离膜模件(长110cm，外径14cm)。向该多管式分离膜模件的壳体1内提供水和乙醇的混合蒸气[水∶乙醛＝0.05∶0.95(质量比)]。混合蒸气的供给速度取100kg/h，流体入口6的温度为110℃，压力为300kPa。通过在供给混合蒸气且从膜穿透流体出口8以1.3kPa将其吸引，膜穿透流体F2从膜穿透流体出口8流出，非透过流体F3从流体出口7流出。膜穿透流体出口8的膜穿透流体F2即水蒸气的流出速度为1.8kg/h。
比较例1
如图7所示的多管式分离膜模件(长110cm，外径14cm，25根管形分离膜元件)除组装以外同实施例1相同，分离水和乙醇的混合蒸气。
如图7所示的多管式分离膜模件与如图6所示例子几乎相同，只是前端密封的多个管形分离膜元件3的后端悬臂梁状地安装在安装于壳体1的一端的支承板2a和安装于壳体的另一端的支承板2b上。从入口6向壳体1内提供水和乙醇的混合蒸气，同时从膜穿透成分出口8a、8b吸引到通路部件4a、4b，则混合蒸气中的水蒸气作为膜穿透流体F2透过管形分离膜元件3从出口8a、8b流出，乙醇作为非透过流体从出口7流出。
在膜穿透流体出口8a、8b膜穿透流体F2即水蒸气的流出速度为0.8kg/h。
工业上使用的可能性
本发明的多管式分离膜模件是用于利用管形分离膜元件来分离流体的膜穿透成分(膜穿透流体)的，通过设置用小间隙包围各管形分离膜元件的部件，使流体通过前述间隙。这样，由于流体的流动得到改善，并且流体与管形分离膜元件间的接触状态得到改善，所以能够有效地发挥各个管形分离膜元件的处理能力。此外，由于增大了管形分离膜元件附近的流体的流速，因而增加了透过管形分离膜元件的流体的流速，大幅度提高了多管式分离膜模件整体的处理能力。

Claims (7)

1.一种多管式分离膜模件，其特征在于，包括：具有密封端和开孔端的多个管形分离膜元件；外管，其将各管形分离膜元件以间隙包围，在所述管形分离膜元件的密封端侧具有第一开孔，在所述管形分离膜元件的开孔端的附近具有第二开孔；与所述外管的第一开孔连通的入口装置；与所述管形分离膜元件的开孔端连通的第一出口装置；与所述外管的第二开孔连通的第二出口装置，
经由所述入口装置从前述外管的所述第一开孔流入的流体在所述管形分离膜元件与所述外管之间的间隙内流动，利用所述管形分离膜元件从所述流体分离出的成分经由所述管形分离膜元件的所述开孔端从所述第一出口装置流出，残留的流体从所述第二出口装置流出。
2.一种多管式分离膜模件，其特征在于，包括：具有出口的壳体；固定在前述壳体的一端的第一支承板；固定在前述壳体的另一端的第二支承板；由前述第一及第二支承板支承并沿前述壳体的长度方向布置的多个外管；设于各外管内的管形分离膜元件；安装在前述第一支承板上的第一端盖；以及安装在前述第二支承板上的第二端盖，其中，各外管在第一端盖侧具有流体流入的第一开孔，在前述第二端盖侧具有分离处理后残留流体流出的第二开孔，各管形分离膜元件在前述第一端盖侧具有密封端，并且在前述第二端盖侧具有开孔端，而且前述外管与前述管形分离膜元件之间的间隙第一端盖侧开放而第二端盖侧密封，这样，从前述外管的前述第一开孔流入前述外管和前述管形分离膜元件之间间隙的流体利用前述管形分离膜元件分离出的成分从前述管形分离膜元件的前述上述开孔向前述第二端盖流出，残留的流体经由前述第二开孔从前述壳体的出口流出。
3.如权利要求2所述的多管式分离膜模件，其特征在于，在前述第一端盖上安装隔板，使前述隔板两侧成为第一室和第二室，流入前述第一室的流体从前述第一室内具有第一开孔的前述外管与前述管形分离膜元件之间的间隙通过，从前述外管的前述第二开孔流出，然后从前述第二开孔流入前述第二室内具有第一开孔的前述外管，通过与前述管形分离膜元件之间的间隙流入前述第二室。
4.如权利要求书第1～3任一项所述的多管式分离膜模件，其特征在于，前述外管的内径是前述管形分离膜元件外径的1.1～2倍。
5.如权利要求书第1～4任一项所述的多管式分离膜模件，其特征在于，前述管形分离膜元件的密封端利用设于前述外管或前述密封端任一个上设置的销子以所述间隙固定在前述外管内。
6.如权利要求书第1～5任一项所述的多管式分离膜模件，其特征在于，前述管形分离膜元件是由形成有具有应被分离物质的分子程度的尺寸的微细孔的分离膜的中空陶瓷管。
7.如权利要求书第6项所述的多管式分离膜模件，其特征在于，前述分离膜是由沸石构成的。
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