CN201423249Y - 超重力膜分离机 - Google Patents

Abstract

一种超重力膜分离机，通过紧固连接的杯形转鼓罩壳和转鼓底盖形成可安装膜组件，容纳进料液和截留液气泡轻液的转鼓，通过转鼓的旋转产生超重力环境，从而使膜分离过程得以在超重力条件下进行。本实用新型有效地解决了超重力膜分离的进料截留液、透过液、轻液气泡的收集、排出以及膜的正向冲洗和反向冲洗、透过液和截留液的能量回收、利用等问题，具有膜浓差极化及膜污染低、单位膜面和通量大的特点。可用于反渗、纳滤、超滤、微滤等膜分离，可用于分离、纯化、浓缩等工艺。

Description

超重力膜分离机

技术领域：

本实用新型提出了一种新型的膜分离机，尤其是一种将膜分离过程置于旋转离心超重力场中进行的超重力膜分离机。

背景技术：

膜分离技术是一种高效、节能、环保的高新技术、该技术目前已广泛应用于化工、食品、制药环保等领域，但是由于浓差极化，膜污染、膜的单位面积通量低导致的膜工艺中，运行成本高，设备投资高等原因极大限制了膜技术的应用，超重力技术是一种能极大强化“三传”“一反”效果的应用技术，越来越受到了科技人员的重视和研究开发，目前已在环保、化工、纳米材料制造等方面获得了成功应用。

超重力膜分离技术，是利用旋转离心产生超重力场，将膜组件置于超重力场中，使膜分离过程在超重力条件下完成，由于膜分离过程由传统的重力场进行，变为在数十倍场至数万倍重力加速度(g＝9.8m/s²)的超重力场下进行，其膜分离过程发生了重要变化，产生了以下效果：

1、有效降低膜污染和浓差极化

膜分离过程中，膜表面产生浓差极化层，浓差极化层的浓度远高于主体料液的浓度，由于浓度不同在绝大数情况下浓差极化层的密度会高于或低于主体料液的密度，在强大的离心场内产生沿场的方向或其反方向的运动，从而离开膜表面，进而减少浓差极化和膜污染.

2、可提高单位膜面积的通透量

当透过液膜后流出通道横截面面积很小时，要使大量的透过液排出，必须对其施以较大的膜后压力，由于较大的膜后压力，大大减小了跨膜压差，因此单位面积膜的通透两会降低，这种现象在长度较大的外压中空纤维膜，毛细管膜中表现的很严重，超重力膜分离可解决以上问题，以中空纤维膜为例，当中空纤维膜的长度沿离心场或近似沿离心场方向分布时，透过液会在离心力的作用下沿膜管甩出，而在此过程中由于哥氏产生的膜后压力极小且仅对极小部分膜背面产生的作用所以膜的跨膜压差不会产生大的变化，因此膜可以保持较高的通透量。

3、可获得浓度较高的截留物

由于超重力膜分离机兼具膜浓缩和离心沉降的工艺特点，所以在进料压力相同的条件下，其截留物浓度高于传统的膜浓缩。

超重力膜分离技术是一门新型的应用技术，目前，研究和应用的成果并不多在已知的可查资料中，仅有《具有管式结构的旋转床超重力场装置》(专利申请号03115674.6)和《离心旋转超重力-膜分离技术》(专利申请号03100089.4)两项专利发表，该两项专利提出了在超重力条件下膜分离的技术方案，但都存在一些问题导致可行性差，如《具有管式结构的旋转床超重力场装置》强调管式膜或中空纤维膜两端固定，沿径向排列，实际上在超重力膜分离过程中由于哥氏力的存在中空纤维膜无法保持沿径向排列，由于哥氏力进出料及开机停机产生的液流冲击中空纤维膜极易拉断，造成膜组件报废。《离心旋转超重力-膜分离技术》其特征是膜表面面向转鼓轴心，这样会使浓差极化及膜污染更加严重，另外，该两项专利也没有对膜的清洗、进出料提出可行的解决方案。《一种在超重力条件下工作的膜组件》(专利申请号2008207417002)提出了一种依靠转鼓作支撑，膜一端固定的新的膜组件，较好地解决了以上二专利的问题，该专利也提出了截留液、透过液、轻液气泡的排出和原料液的给入的解决方案，但仅仅是对膜组件的排出和给入，该专利也没有能对超重力场的产生以及透过液和截留液的能量回收利用给出解决方案。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，而提供一种超重力膜分离机，该分离机具有膜浓差极化及膜污染低、单位膜面和通量大的特点。

本实用新型的技术方案是：一种超重力膜分离机，其特征在于：由膜组件(1)、杯形转鼓罩壳(2)、转鼓底盖(7)、机座(13)、外罩壳(8)、主轴(6)、上永磁铁(10)、下永磁铁(11)、支承座(16)、原料液气泡轻液分配器(38)、进料液流出可转动套筒(31)和正反洗材料截留液分配器(20)组成；杯形转鼓罩壳(2)与转鼓底盖(7)紧固连接形成转鼓(30)，膜组件(1)安装于转鼓(30)内，杯形转鼓罩壳(2)的上部通过转鼓轴承(37)与原料液气泡轻液分配器(38)连接，原料液气泡分配器(38)内装有转轴(40)和进料液流出可转动套筒(31)；转鼓底盖(7)中央装有主轴(6)，主轴(6)中部依次装布有：上主轴轴承(26)、上永磁铁(10)、下永磁铁(11)和下主轴轴承(25)，主轴(6)通过上主轴轴承(26)、下主轴轴承(25)与支承座(16)连接；支承座(16)固定在机座(13)上，机座(13)上装有外罩壳(8)，外罩壳(8)通过转鼓轴承支架(36)将原料液气泡轻液分配器(38)固定，主轴(6)的中央装有正反洗材料导管(24)，主轴(6)的下部装有传动部件(19)，主轴(6)的下端装有正反洗材料截留液分配器(20)；转鼓底盖(7)上装有边置透过液排出器(28)或底置透过液排出器(56)，边置透过液排出器(28)内镶有透过液耐磨喷嘴(51)。

上述转鼓底盖(7)下部的上端面上开有环形的透过液环形汇流槽(47)、截留液环形汇流槽(48)、斜向向外开出的透过液侧置槽(50)和截留液侧置槽(49)；转鼓底盖(7)内设有截留液排出通道(15)和透过液排出通道(27)；透过液排出通道(27)的走向为远离主轴至转鼓底盖边缘后向主轴(6)折返至跃过，透过液汇流槽≥10mm，然后向远离主轴方向折返并与边置透过液排出器(28)连接；透过液排出通道(27)也可以直接与底置透过液排出器(56)连接。

上述转鼓底盖(7)内设有正向清洗材料进入通道(57)，正向清洗材料进入通道(57)始于转鼓底盖(7)顶部止于截留液环形汇流槽(48)。

上述主轴(6)为中空结构，其中心装有正反洗材料导管(24)。

上述原料液轻液气泡分配器(38)上开有原料液入口(41)和轻液气泡排出口(42)；原料液轻液气泡分配器(38)下部为圆柱状套筒结构，且其上沿圆柱母线成列开有圆柱状的下部外排料孔(33)，上部外排料孔(35)，下部外排料孔(33)列中心线与上部外排料孔(35)列中心线错开且错开距离大于或等于下部外排料孔孔径。

上述进料液流出可转动套筒(31)上开有与下部外排料孔(33)一一对应的大小相同的下部内排料孔(32)，和与上部外排料孔(35)大小相同一一对应的上部内排料孔(34)。

上述上永磁铁(10)下用磁铁均为环形圆柱状且同性磁极相对安装。

上述杯形转鼓罩壳(2)内腔及外轮廓均为圆柱形状或圆台状，其上部开有反洗材料转鼓罩壳通道(46)，且反洗材料转鼓罩壳通道(46)通过反洗材料连通管(3)与反洗材料连通罩(4)连接。

上述边置透过液排出器(28)内腔，与透过液耐磨喷嘴(51)的外表面组成环状空腔(52)，透过液耐磨喷咀(51)的腰部开有吸气孔(54)，边置透过液排出器(28)上开有进气孔(53)；边置透过液排出器(28)和底置透过液排除器(56)，料液的喷出方向与转鼓的转动方向相反。

上述转鼓(30)的驱动力可以是由传动部件(19)通过主轴(6)获得的轴动力，也可以是原料液转鼓驱动器(60)和截留液转鼓驱动器(62)传给转鼓(30)的流体动力。

本实用新型的优点是：通过转鼓的旋转产生超重力环境，使膜分离过程得以在超重力条件下进行。有效地解决了超重力膜分离的进料、截留液、透过液、轻液气泡的收集、排出以及膜的正向冲洗和反向冲洗、透过液和截留液的能量回收、利用等问题，具有膜浓差极化及膜污染低、单位膜面和通量大的特点。可用于反渗、纳滤、超滤、微滤等膜分离，可用于分离、纯化、浓缩、污水处理等工艺。

附图说明：

图1是具有反向冲洗功能的超重力膜分离机结构示意图；

图2是图1的A向视图；

图3是不具反向冲洗可正向气液冲洗的超重力膜分离机结构示意图；

图4是图3的C向视图；

图5是图1的B向剖面视图；

图6是图4的D向视图；

图7是转鼓转动驱动力为进料液和截留液的流体动力时的超重力膜分离机结构示意图。

具体实施方式：

首先以图1、图2、图5描述具有反冲洗功能，驱动力为传动力部件19的超重力膜分离机的结构，工作原理和实施方法。

该机由膜组件1，杯形转鼓罩壳2，转鼓底盖7，机座13，外罩壳8，主轴6，上永磁铁10，下永磁铁11，支承座16，原料液气泡轻液分配器38，进料液流出可转动套筒31，正反洗材料截留液分配器20，等主要结构件组成。

杯形转鼓罩壳2与转鼓底盖7，紧固共同形成转鼓30，膜组件1，安装于转鼓30内腔，转鼓底盖7与转鼓30中央的主轴6，通过键29实现键转动，主轴6上端，通过主轴锁紧螺母5使主轴6和转鼓底盖7锁紧。主轴6从上至下依次装有上主轴轴承26、上支撑套9、上永磁铁10、下永磁铁11、下支撑套12、下主轴承25、下主轴轴承25端部有轴承压紧盖18，主轴6腰部装有传动部件19，主轴6的下端部装有的正反洗材料截留液分配器20，通过弹簧21、支架17与机座13连结，转鼓30通过主轴6，上主轴轴承26，下主轴轴承25与支承座16连结，支承座16固定在机座13上，从而保证转鼓30转动平稳。主轴6的中央装有正反洗材料导管24。

转鼓底盖7上的上端装有的反洗材料连通罩4，上端装有反洗材料连通管3，反洗材料连通管3其管内孔道与杯形转鼓罩壳2上端的反洗材料杯形转鼓罩壳通道46连通。

转鼓底盖7的底部边缘装有边置透过液排出器28边置透过液排除器28内镶有透过液耐磨喷咀51.

杯形转鼓罩壳2的上端装有转鼓轴承37，转鼓轴承37的外圈与转鼓轴承支架36相连，转鼓轴承支架36通过外罩壳8与机座13相连，轴承支架36上装有原料液气泡轻液分配器38原料液气泡轻液分配器38的中央装有，可通过转轴40实现转动的进料液流出可转动套筒31，转轴40通过上压盖39与原料料液气泡轻液分配器38保持位置稳定。

以下结合实际工作情况描述本机的工作原理和实施方法：

由电机或液压马达内燃机等产生的轴动力通过传动部件19使主轴6转动，主轴6通过键29使转鼓30转动，并使转鼓30内的膜组件1、原料液、透过液、截留液、气泡轻液、反洗正洗材料均置于超重离心场中，从而实现超重力条件下的膜分离过程。

原料液通过原料液、气泡轻液分配器38上的原料液入口41，进入进料液流出可转动套筒31内腔，原料液流出可转动套筒31，上开有很多，沿其圆柱母线成列状分布的下部内排料孔32和上部内排料孔34，且上下两种孔不在同一列上，原料液气泡轻液分配器38的下部也为开有下部外排料孔33和上部外排料孔35且与相应的上下内排料孔一一对应，当上排料孔或下排料孔对齐时内外排料孔连通，原料液便可以进入转鼓30内的膜组件1与膜表面接触，并借助原料液进料压力和离心产生的进料液压力，实现膜分离。由于上下排料孔不在同一列上，并且其列轴线相距大于等于下排料孔孔径，所以上下排料孔不能同时内外对齐连通，也就是原料液不能同时通过山下排料孔排料，所以当转轴40带动进料液流出可转动套筒31转动时，就可分别实现上进料和下进料，采用上下进料的方式有利于气泡轻液的排除。

膜组件1内的原料液经过膜分离成为截留液汇入转鼓底盖7上开有的截留液环形汇流槽48，并在原料液压力和离心力的作用下流入截留液侧置槽49，由于截留液侧置槽49是侧向向外开出的，所以可使截留液在截留液环形汇流槽48内产生沿环形槽的流动，从而保证截留液较均衡地从膜组件1内流出，亦可减低截留液在截留液环形汇流槽48内的沉积，通过截留液侧置槽49的截留液进入并经过转鼓底盖7上设有的截留液排出通道15进入主轴6内孔壁与正反洗材料导管24外壁形成的空腔，经正反洗材料截留液分配器20上开有的截留液排出口23排出。

从膜组件1排出的透过液，从膜组件1与转鼓30内壁形成的透过液转鼓内排出通道44，进入透过液环形汇流槽47，并经过透过液侧置槽50进入透过液排出通道27，从透过液嘴排出通道27排出的透过液进入边置透过液排除器28，并从镶入其中的透过液耐磨喷嘴51喷出，由于透过液喷出口到转鼓30转动轴中心线的距离大于透过液环形汇流槽47到转鼓30转动轴心的距离，所以在离心力的作用下会产生一定得透过液压力，在其作用下使透过液能以一定得速度沿转鼓30转动的相反方向喷出，并将透过液所携带的能量传给转鼓30.透过液在透过液耐磨喷嘴51喷出时可将通过进气孔53进入环形空腔52的空气，经吸气孔54，吸入透过液耐磨喷嘴51内控，并与透过液混合，在透过液喷出后形成大量气泡，从而在一定程度上实现透过液的泡沫分离，该过程在本机用于市政污水脱出阴离子洗涤剂时很有价值。

在膜分离和气体反冲洗时，会有轻液及大量气体气泡产生，在离心力及地球重力场产生的浮力的作用下气泡及轻液会向转鼓30中央上部集中，经轻液气泡排出通道43，从开在原料液轻液气泡分配器38上的轻液气泡排出口42排出。

本机可实现转鼓不停转在线气体反冲洗，具体工作原理及实施方法为，压缩气体从正反洗材料入口22，经距反洗材料截留液分配器20、正反洗材料导管24、反洗材料连通管3和反洗材料罩壳通道46进入反洗材料分配腔45和透过液转鼓内排出通道44，进入膜透过侧，在其压力的作用下反向透过膜，从而实现膜气体反向冲洗，为防止压缩空气经透过液排出通道27，从边置透过液排出器28排出，透过液排出通道27的走向采用了如下方式，透过液排出通道27首先远离转鼓轴心至转鼓底边缘然后折反交叉越过透过液环形汇流槽47一定距离后折返，至转鼓底的边缘并与边置透过液排除器28内腔相连，以下描述其工作原理及实施方法，当反洗气体进入膜透过侧并反向透过膜时，透过液产量减少或停止，在离心力和压缩气体压力的作用下，透过液在透过液排出通道27的靠近主轴的折返点以前仍为连续流体，并形成液体密封，而在此折返点以后则为不连续状或无液体，此时空气便进入该折反点以后的通道，该折返点的压力与大气压相近，而在该折反点以前的连续流体在离心力的作用下，会产生一定得压力，从而阻止了压缩气体的排出。

转鼓30的重力通过主轴6上主轴轴承26内圈、上支撑套9、传给上永磁铁10，上永磁铁10与下永磁铁11同性磁极相对依靠磁极的斥力将转鼓重力隔空传给下永磁铁11，并通过下支撑套12、下主轴轴承25外圈轴承压紧盖18传给机座13，这种结构可有效降低轴承受力，减少轴承摩擦功率损耗。

以图3、图4、图5、图6为基础描述不作反向冲洗只做气液正向冲洗的以电机液压马达内燃机作转鼓驱动力的超重力膜分离机的结构和工作原理、实施方法。

本机与前述的超重力膜分离机的结构、工作原理等基本相同以下仅对其不同之处作描述，当膜组件1选用反渗膜或纳滤膜时不能采用气体液体反向冲洗，所以，应采用以下设计，去掉气体反洗所用的元件和结构，而增加气体液体正向清洗，由于反渗膜、纳滤膜透水量较小，透过液所含的能量较小，所以本机可采用图1、图2所示的透过液排出方式，也可采用图3、图4、图6所示的排出方式。

转鼓底盖7的上端装有正向清洗材料罩55，转鼓底盖7上设有正向清洗材料通道57，正向清洗材料通道57，始于转鼓底盖7上端终止于截留液环形汇流槽48，当进行正向冲洗时，清洗材料从正反洗材料入口22经正反洗材料导管24，正向清洗材料通道57，截留液汇流槽48，进入膜组件1与膜表面按触实现正清洗，正向清洗材料，可以是压缩气体也可以是清水清洗液。

转鼓底盖7的下端面装有底置透过液排出器56，其上设有透过液排出口58，其开口方向与转鼓30的转动方向相反，且通过底置透过液排出器56内孔道与透过液排出通道27相通，经过透过液排出通道27的透过液经底置透过液排出器56从其上的透过液排出口58喷出，由于透过液朝与转鼓30转动方向相反的方向喷出，所以能将其所携带的一部分能量传给转鼓从而实现一定得能量回收利用。

在膜分离过程中，常常会发生截留液排出压力大流量大的现象，如海水淡化，这时截留液会携带很大的能量，如不能加以利用将会增加膜工艺的运行成本，图7所示的是转鼓驱动力是进料液、截留液的流体动力时的超重力膜分离机的结构示意图，转鼓30的上部中央装有原料液转鼓驱动器60，下部装有截留液转鼓驱动器62，转鼓中央有原料液进入转鼓孔61。

当高压原料液从原料液驱动器料液入口59进入原料液转鼓驱动器60时，一部分原料液能量通过原料液转鼓驱动器60使转鼓30转动，通过原料液转鼓驱动器60的原料液经原料液进入转鼓孔61，进入转鼓30内部和膜组件1进行膜分离经过膜分离的原料液成为截留液，经截留液排出通道15进入截留液转鼓驱动器62，并将其所携带的能量传给转鼓30后流出转鼓30。当转鼓30启动或转速低于一定值时，进料液转鼓驱动器60可提高转鼓30的转速，但转鼓30转速高于一定值时，原料液转鼓驱动器60，可提高原料液的进料压力，原料液转鼓驱动器60和截留液转鼓驱动器62，可以是螺旋铰笼、螺杆、涡轮也可以是螺旋桨叶。

综合以上分析本实用新型通过合理的设计解决了超重力膜分离过程中，无法避免的超重力场的产生，膜分离中的原料液的送进，截留液，透过液、轻液和气泡的排出，以及透过液和截留液的能量回收和利用等实际问题，并对反渗、纳滤与超滤和微滤两类不同性质(反渗、纳滤为致密膜，不能反向冲洗，超滤微滤为多孔膜，可以反向冲洗)提出了两种不同的膜清洗解决方案，因此本实用新型是具有可行性的适合于多种膜工艺过程的超重力膜分离机。

Claims (10)

1、一种超重力膜分离机，其特征在于：由膜组件(1)、杯形转鼓罩壳(2)、转鼓底盖(7)、机座(13)、外罩壳(8)、主轴(6)、上永磁铁(10)、下永磁铁(11)、支承座(16)、原料液气泡轻液分配器(38)、进料液流出可转动套筒(31)和正反洗材料截留液分配器(20)组成；杯形转鼓罩壳(2)与转鼓底盖(7)紧固连接形成转鼓(30)，膜组件(1)安装于转鼓(30)内，杯形转鼓罩壳(2)的上部通过转鼓轴承(37)与原料液气泡轻液分配器(38)连接，原料液气泡分配器(38)内装有转轴(40)和进料液流出可转动套筒(31)；转鼓底盖(7)中央装有主轴(6)，主轴(6)中部依次装布有：上主轴轴承(26)、上永磁铁(10)、下永磁铁(11)和下主轴轴承(25)，主轴(6)通过上主轴轴承(26)、下主轴轴承(25)与支承座(16)连接；支承座(16)固定在机座(13)上，机座(13)上装有外罩壳(8)，外罩壳(8)通过转鼓轴承支架(36)将原料液气泡轻液分配器(38)固定，主轴(6)的中央装有正反洗材料导管(24)，主轴(6)的下部装有传动部件(19)，主轴(6)的下端装有正反洗材料截留液分配器(20)；转鼓底盖(7)上装有边置透过液排出器(28)或底置透过液排出器(56)，边置透过液排出器(28)内镶有透过液耐磨喷嘴(51)。

2、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述转鼓底盖(7)下部的上端面上开有环形的透过液环形汇流槽(47)、截留液环形汇流槽(48)、斜向向外开出的透过液侧置槽(50)和截留液侧置槽(49)；转鼓底盖(7)内设有截留液排出通道(15)和透过液排出通道(27)；透过液排出通道(27)的走向为远离主轴至转鼓底盖边缘后向主轴(6)折返至跃过，透过液汇流槽≥10mm，然后向远离主轴方向折返并与边置透过液排出器(28)连接；透过液排出通道(27)也可以直接与底置透过液排出器(56)连接。

3、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述转鼓底盖(7)内设有正向清洗材料进入通道(57)，正向清洗材料进入通道(57)始于转鼓底盖(7)顶部止于截留液环形汇流槽(48)。

4、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述主轴(6)为中空结构，其中心装有正反洗材料导管(24)。

5、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述原料液轻液气泡分配器(38)上开有原料液入口(41)和轻液气泡排出口(42)；原料液轻液气泡分配器(38)下部为圆柱状套筒结构，且其上沿圆柱母线成列开有圆柱状的下部外排料孔(33)，上部外排料孔(35)，下部外排料孔(33)列中心线与上部外排料孔(35)列中心线错开且错开距离大于或等于下部外排料孔孔径。

6、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述进料液流出可转动套筒(31)上开有与下部外排料孔(33)一一对应的大小相同的下部内排料孔(32)，和与上部外排料孔(35)大小相同一一对应的上部内排料孔(34)。

7、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述上永磁铁(10)下用磁铁均为环形圆柱状且同性磁极相对安装。

8、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述杯形转鼓罩壳(2)内腔及外轮廓均为圆柱形状或圆台状，其上部开有反洗材料转鼓罩壳通道(46)，且反洗材料转鼓罩壳通道(46)通过反洗材料连通管(3)与反洗材料连通罩(4)连接。

9、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述边置透过液排出器(28)内腔，与透过液耐磨喷嘴(51)的外表面组成环状空腔(52)，透过液耐磨喷咀(51)的腰部开有吸气孔(54)，边置透过液排出器(28)上开有进气孔(53)；边置透过液排出器(28)和底置透过液排除器(56)，料液的喷出方向与转鼓的转动方向相反。

10、根据权利要求1所述的超重力膜分离机，其特征在于：上述转鼓(30)的驱动力可以是由传动部件(19)通过主轴(6)获得的轴动力，也可以是原料液转鼓驱动器(60)和截留液转鼓驱动器(62)传给转鼓(30)的流体动力。

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