CN210905686U - 一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，包括清液串联段、浓液串联段或清液串联段和浓液串联段的组合；清液串联段由多级滤罐通过清液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过清液出管与清液出液系统连接，除第一级滤罐外，每一级滤罐的出浓液端均通过浓液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端；浓液串联段由多级滤罐通过浓液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过浓液出管与浓液出液系统连接，最后一级滤罐的出清液端通过清液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端，剩余每一级滤罐的出清液端均通过清液出管排至清液出液系统；清液串联段和浓液串联段中，每一级滤罐中均设置有滤膜。

Description

一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置

技术领域

本实用新型涉及环保及工业生产技术领域，具体涉及一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置。

背景技术

膜是一种具有特殊选择性分离功能的高分子材料。能把物料分隔成不相通的两部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其他物质分离出来，膜分离技术以其高效、节能、环保和高精度分离等特性，已广泛地应用于医药、化工、电子、食品、环保等领域，成为未来最重大产业技术之一。膜分离技术采用与传统“死端过滤”或“滤饼搭桥过滤”等过滤方式截然不同的动态“错流过滤”或“切向流过滤”方式：即在压力驱动下，原料液在膜表面以一定的流速高速流动，小分子物质(液体)沿与之垂直方向透过膜，大分子物质或固体被膜截留，并迅速被冲出膜表面，使物料达到分离、浓缩和纯化的目的。

现有液体过滤成套装置的基本操作有三种方式：开放系统，封闭系统，半开半闭系统。

其中开放系统通常用于工艺的可行性实验，典型操作流程图如图2所示，图中F表示流量计，P1/P2表示压力表，Q1表示渗透液，Q2表示截留液，该系统的错流速率和操作压力由单个水泵提供，其缺点是：每次都需要将截留液在泵进口处由大气压升至操作压力，系统的能量损失较大，而且由于料液不断的通过泵和各阀门，对进料的性质可能造成影响。

其中封闭系统的典型流程如图3所示，图中F表示流量计，P1/P2表示压力表，Q1表示原液，Q2表示回流液，Q3表示渗透液，该系统的错流速度和操作压力由低流量、高扬程的进料泵和高流量、低扬程的循环泵共同维持，减少了开放系统能量损失大的缺点，然而这种系统的负效应也是十分明显的，在循环回路中的料液浓度不断增加，加速了膜污染，降低了膜的过滤通量。

其中半开半闭系统是工业应用常见的一种系统，不仅克服了开放系统能耗高的缺点，也可防止组件内料液浓度不断升高，该系统一般采用三种操作方式：间歇、连续和多级连续。间歇操作流程图如图4所示，图中F表示流量计，P1/P2表示压力表，Q1表示渗透液，Q2表示回流液，Q3表示截留液，采用部分截留液回到料液槽的形式，减少了系统内浓度的快速增长；连续操作过程如图5所示，图中F表示流量计，P1/P2表示压力表，Q1表示渗透液，Q2表示回流液，Q3表示截留液，一部分截流液不断排出过滤回路，不能实现高倍浓缩；多级连续操作流程图如图6所示，这一方式可以达到较高的浓缩倍数，在给定的进料压力下，通过调节最后一级循环的截留侧压力就可以达到调节过滤压力差的目的，级数越多，过滤速率就越接近间歇操作，这种操作方式下，单位的膜面积可获得较高的过滤通量，但是在使用过程中仍然具有局限性。

实用新型内容

为了解决采用开放系统存在每次都需要将截留液在泵进口处由大气压升至操作压力，系统的能量损失较大，而且由于料液不断的通过泵和各阀门，对进料的性质可能造成影响的缺点；以及采用封闭系统存在负效应十分明显，在循环回路中的料液浓度不断增加，加速了膜污染，降低了膜的过滤通量的缺点。本申请提出了一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置及使用方法，解决了现有技术中存在的能量损失较大、对进料性质可能造成影响、负效应十分明显、在循环回路中的料液浓度不断增加，加速了膜污染、降低了膜的过滤通量的问题；同时解决了海水淡化、垃圾渗滤液脱盐、高盐蛋白溶液分离、浓缩以及蛋白多肽、氨基酸浓缩等、湿法冶金废水或湿法冶金工艺液体、明胶浓缩、动植物提取液及发酵液浓缩等高浓度原液浓缩、分离、纯化领域：膜过滤精度低，能实现物料浓缩倍数，但拦截率很难达到要求，容易“跑料”；膜过滤精度高，由于物料浓度过大容易造成“不出液”的技术难题；同时有效降低了渗透清夜浓度波动大或线性变化的特点。

为了实现上述目的，本实用新型提供一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，包括清液串联段、浓液串联段或清液串联段与浓液串联段的组合；所述清液串联段由多级滤罐通过清液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过清液出管与清液出液系统连接，除第一级滤罐外，每一级滤罐的出浓液端均通过浓液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端；所述浓液串联段由多级滤罐通过浓液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过浓液出管与浓液出液系统连接，最后一级滤罐的出清液端通过清液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端，剩余每一级滤罐的出清液端均通过清液出管排至清液出液系统；所述清液串联段和浓液串联段中，每一级滤罐中均设置有滤膜。

本技术方案的工作原理和过程如下：根据实际需要，设置滤罐的级数，在使用时，将需要处理的原液通过原液进液系统通入到第一级滤罐中，通过第一级滤罐将原液分为清液和浓液，浓液进入到浓液串联段，清液进入到清液串联段；进入到浓液串联段的浓液再次逐级将浓液分离为浓液和清液，终端的浓液从浓液出液管排出，终端的清液从清液回流管回到多级滤罐中的第一级滤罐中，各级滤罐上的清液通过清液排出管排出；进入清液串联段的清液再次逐级将清液分离成浓液和清液，终端的清液从清液出液管排出，各级滤罐上的浓液通过浓液回流管回到原液进液系统中。其中液体的输送通过输送泵提供动力源。

与传统的工艺装置相比，传统的工艺装置直接采用单一提高渗透压力的方式来提高清液的渗透量，所有的膜均处于高压、高浓度环境下运行，由于输送泵对所有液体做功，能耗相当高，同时所有膜在高浓度下运行，溶剂要克服的渗透阻力也很大，膜通量很低，导致工艺使用不经济。而本申请独特的工艺特点在于整套工艺，一方面采用不同或者相同过滤精度的膜进行清液串联(同时还可以使用不同和相同精度的膜交叉串联)，让高浓度料液过滤负荷不同程度的分配到各级滤罐，降低每级滤膜的过滤难度，从总体上达到较高的浓缩倍数；另一方面设置独立的浓液串联段，让浓液采用串联多级半开半闭连续运行工艺逐级提高物料浓度，使大部分滤膜在较低浓度下运行，稳定整个浓缩段的膜通量，最后一级采用清液回流的办法降低很高膜面浓度清液对整个浓缩段清液品质的影响。

传统的开式循环或间歇式半开半闭系统中的所有膜均在高浓度环境下运行，随着浓缩过程的不断进行，膜面浓度越来越高，膜面浓度过高，使膜长时间高浓度环境下运行，单级浓缩倍数过高，膜通量下降很快，对于提高浓液的浓度很难。本申请利用上述半开半闭多级连续运行工艺，采用在第一级浓液与后面各级浓液串联形成独立浓缩段，使循环于膜面浓液侧的溶液浓度逐级升高，让绝大部分膜都在低浓度下运行，最后浓液集中在独立浓缩段高压浓缩成浓度更高的浓缩液排出系统，与传统的技术相比，在高盐废水领域，在相同的配置和相同的运行指标下，本申请能提高盐浓度15％以上，并且能保证长时间运行膜通量的稳定。本申请具有膜清液通量大，高浓度清液回流不会混入浓缩段以前各级清液，清液品质更高，需要集中浓缩的浓液占比小，经济性好。

传统的开式循环或间歇式半开闭系统是整套系统从低浓度到高浓度运行，每批物料浓度很小的差异均能引起系统各项运行指标的波动。本申请采用上述半开半闭多级连续运行工艺，采用第一级清液与后面各级清液串联，后面各级浓液返回除本级外的前面各级，以稀释前面的进液，能充分克服原液浓度波动对出系统清液品质的影响；同时采用不同或相同过滤精度的膜进行清液串联，让高浓度料液过滤负荷不同程度的分配到各级，降低每级滤膜的过滤难度，从总体上达到较高的浓缩倍数；同时通过控制浓缩段清液返回第一级的量和独立浓缩段浓液的出料量，从而达到整个系统浓缩倍数可以调节的目的。在高浓度壳聚糖提取、纯化、浓缩时，在相同条件下本申请能够实现浓缩4倍的效果，而传统的开式循环或间歇式半开半闭系统最多只能浓缩1倍。

传统的开式循环或间歇式半开半闭系统是整套系统从低浓度到高浓度运行，膜面浓度在高压下运行则容易造成清液平均通量低、清液品质差、浓缩倍数很小的缺点。本申请利用清液串联和浓液串联形成独立浓缩段，浓缩段的最后一级的清液返回前一级或本段以前各级和清液串联段第一级后面各级浓液返回前一级或本段以前的各级，加大了前面各级膜系统的循环量，这对膜面凝胶或膜面阻力冲刷效果相当明显，通过调节浓液串联段清液和清液串联段各级回流的回流量，减小以前各段膜面污染情况，使整个系统膜通量更大，能够达到更大的浓缩倍数，浓缩倍数调节工艺远优于传统工艺装置。

传统的开式循环或间歇式半开半闭系统原液进入系统后总体浓缩升高，料液在浓液形成凝胶阻力下很难在低压下透过膜，所以通量很小，技术实施难度非常大。本申请利用多级并联或串联并设置独立浓液浓缩段，浓缩段的清液返回前一级或本段以前的各级，以稀释前面的进液，因此，无论料液环境再差，通过调节浓液回流液的比例均能对原液进行稀释，并能够通过前段串联的低浓度工作段确保一定的膜通量；本申请对原液稀释易于透过膜，适用范围广。

进一步的，一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，包括清液串联段和浓液串联段的组合；所述清液串联段由多级滤罐通过清液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过清液出管与清液出液系统连接，第一级滤罐的出浓液端与浓液串联段连接，剩余每一级滤罐的出浓液端均通过浓液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端；所述浓液串联段由多级滤罐通过浓液出管依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过浓液出管与浓液出液系统连接，最后一级滤罐的出清液端通过清液回流管返回至前任意一级滤罐的进液端，剩余每一级滤罐的出清液端均通过清液出管排至清液出液系统。

进一步的，所述滤膜的结构为板式膜、卷式膜、管式、中空纤维膜中的任意一种；所述滤膜为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜中的任意一种。

进一步的，连接在所述滤罐上的清液回流管和浓液回流管与该滤罐的上级滤罐连通，所述滤罐上还连接有内循环管路。即本申请中的清液和滤液不仅可以回到原液中，还可以回到上级各级滤罐中再次分离过滤，还可以实现内循环，进一步实现了本申请中的回流比的调节功能。本申请通过在滤罐上连接内循环管路，即可使被分离之后的滤液能在原有滤罐中进行再次的分离，提高浓液浓度。同时在循环过程中，浓液和清液可以实现全部返回，也可以实现部分返回的效果；同时还能实现部分返回本级，部分返回到其他各级的效果；同时还可以设置与原液进液系统连通的循环管路，通过与原液进液系统连通的循环管路使各级的浓液和清液实现返回到原液进液系统实现再循环的效果；同时在循环过程中可以实现调节每级清液与浓液的比值实现整套工艺和最终出液溶质含量的调节，其中调节回流比值可以是1∶1，也可以是2∶1，以及根据工艺需要的任何比值均可。

进一步的，所述滤罐还可以采用并联连接方式、串联和并联组合连接方式中的任意一种；所述滤罐的级数为2级以上。无论采用串联还是并联、亦或部分串联部分并联的连接方式，均能实现本申请中的技术效果。同时本申请中的滤罐级数为2级、3级、4级、5级以上均可，进一步实现了该装置的可调节功能。

进一步的，包括浓液串联段和清液串联段两者同时实施膜分离工艺和分别单独实施膜分离工艺两种实施方式。本申请在使用过程中可以单独利用浓液串联段而不使用清液串联段，也可以单独使用清液串联段而不使用浓液串联段，当然也可以清液串联段和浓液串联段两者同时使用，进一步扩大了该装置的使用范围。

进一步的，该装置的运行工艺包括开放式运行流程、封闭式运行流程、半开半闭式运行流程中的任意一种或多种组合；该装置的操作方式包括间歇式、连续式、多级连续式、多级间歇式中的任意一种或多种组合。

进一步的，该装置在微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(R0)膜分离高浓度溶液中分离不同组分的物质的应用。

进一步的，所述浓液包括高浓度含盐溶液、湿法冶金废水或湿法冶金工艺液体、垃圾渗出高盐废水、高盐蛋白质溶液以及蛋白多肽、氨基酸、高浓度动、植物胶或化学合成胶体、固体悬浮物溶液、高浓度果汁、中药在酒类中浸泡形成的保健药酒、高浓度植物提取液或动物提取液以及上述各类发酵液等。其中有机溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇等。

进一步的，所述盐溶液、湿法冶金废水、湿法冶金工艺液体、垃圾渗出高盐废水、高盐蛋白质溶液、蛋白多肽、氨基酸、高浓度动、植物胶、化学合成胶体、固体悬浮物溶液、高浓度果汁、中药在酒类中浸泡形成的保健药酒、高浓度植物提取液、动物提取液以及上述各类发酵液的浓度为0-80％。包括2％、5％、8％等。

综上所述，本实用新型相较于现有技术的有益效果是：

(1)本申请独特的工艺特点在于整套工艺，一方面采用不同或者相同过滤精度的膜进行清液串联，让高浓度料液过滤负荷不同程度的分配到各级滤罐，降低每级滤膜的过滤难度，从总体上达到较高的浓缩倍数；另一方面设置独立的浓液串联段，让浓液采用串联多级半开半闭连续运行工艺逐级提高物料浓度，使大部分滤膜在较低浓度下运行，稳定整个浓缩段的膜通量，最后一级采用清液回流的办法降低很高膜面浓度清液对整个浓缩段清液品质的影响。

(2)本申请利用上述半开半闭多级连续运行工艺，采用在第一级浓液与后面各级浓液串联形成独立浓缩段，使循环于膜面浓液侧的溶液浓度逐级升高，让绝大部分膜都在低浓度下运行，最后浓液集中在独立浓缩段高压浓缩成浓度更高的浓缩液排出系统，与传统的技术相比，在高盐废水领域，在相同的配置和相同的运行指标下，本申请能提高盐浓度15％以上，并且能保证长时间运行膜通量的稳定。本申请具有膜清液通量大，高浓度清液回流不会混入浓缩段以前各级清液，清液品质更高，需要集中浓缩的浓液占比小，经济性好。

(3)本申请采用上述半开半闭多级连续运行工艺，采用第一级清液与后面各级清液串联，后面各级浓液返回除本级外的前面各级，以稀释前面的进液，能充分克服原液浓度波动对出系统清液品质的影响；同时采用不同或相同过滤精度的膜进行清液串联，让高浓度料液过滤负荷不同程度的分配到各级，降低每级滤膜的过滤难度，从总体上达到较高的浓缩倍数；同时通过控制浓缩段清液返回第一级的量和独立浓缩段浓液的出料量，从而达到整个系统浓缩倍数可以调节的目的。在高浓度壳聚糖提取、纯化、浓缩时，在相同条件下本申请能够实现浓缩4倍的效果，而传统的开放式循环或间歇式半开半闭系统最多只能浓缩1倍。

(4)本申请利用清液串联和浓液串联形成独立浓缩段，浓缩段的最后一级的清液返回前一级或本段以前各级和清液串联段第一级后面各级浓液返回前一级或本段以前的各级，加大了前面各级膜系统的循环量，这对膜面凝胶或膜面阻力冲刷效果相当明显，通过调节浓液串联段清液和清液串联段各级回流液的回流量，减小以前各段膜面污染情况，使整个系统膜通量更大，能够达到更大的浓缩倍数，浓缩倍数调节工艺远优于传统工艺装置。

(5)本申请利用多级并联或串联并设置独立浓液浓缩段，浓缩段的清液返回前一级或本段以前的各级，以稀释前面的进液，因此，无论料液环境再差，通过调节回流液的比例均能对原液进行稀释，并能够通过前段串联的低浓度工作段确保一定的膜通量；本申请对原液稀释易于透过膜，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型中一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置的结构示意图；

图2是传统技术中的开放式体系结构示意图；

图3是传统技术中的封闭式体系结构示意图；

图4是传统技术中的半开半闭间歇式体系结构示意图；

图5是传统技术中的半开半闭连续式体系结构示意图；

图6是传统技术中的半开半闭多级连续式体系结构示意图；

图中标记为：1-清液串联段，2-滤罐，3-浓液出管，4-浓液串联段，5-清液回流管，6- 浓液回流管，7-滤膜，8-清液出管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合图1-6和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

参照图1-6，将需要处理的硫酸镁溶液通过原液进液系统通入到浓液串联独立浓缩段，进入到浓液串联段4的浓液再次逐级将浓液分离为浓液和清液，终端的浓液从浓液出液管排出，终端的清液从清液回流管5回到多级滤罐中的第一级的滤罐2中，各级的滤罐2上的清液通过清液排出管排出。

工艺处理前硫酸镁溶液成分情况如下：

表1

表2

表3

表4

其中表1-4中“＜”加检出限表示未检出。

采用传统工艺装置处理数据统计如表5：

表5

采用本申请工艺装置处理数据统计如表6：

表6

数据计算分析

从以上实验数据和计算数据可以看出：

1、为了统一对比标准，两种工艺相同工位均用同一品牌的泵，以上可以看出本申请能耗低于传统工艺57.3KW，说明传统工艺能耗比本专利高55％；

2、技术实施难易度可以看出，本专利膜面浓度均在低浓度运行，实施难度小，各段浓度梯次增长，设计科学、合理。

3、本专利技术路线先进，膜面浓度低，因此，清液出系统浓度更低。

4、本专利技术侧重点提高浓液浓度，浓液浓度在传统工艺基础上提高了23％。

5、采用本专利浓缩倍数由传统工艺的1.82倍提高到2.22倍，提高率23％

综上所述，采用专利工艺后能够提高浓液浓度和浓缩倍数均为23％；节能约能耗30％以上。

实施例2

参照图1-6，将需要处理的黑构杞干果提取液通入清液串联段1逐级将黑枸杞干果提取液分离成浓液和清液，终端的清液从清液出液管排出，各级滤罐2上的浓液通过浓液回流管6回到原液进液系统中。

处理前黑枸杞干果提取液成分如表7：

表7

采用传统的开式循环或间歇式半开半闭系统原液进入系统后没有清夜出来，根本不能满足较高浓度原液浓缩的需要。

本申请工艺处理装置处理之后的浓缩液化验数据如表8：

表8

根据检测数据说明，采用本申请中的工艺处理装置进行浓缩，不仅浓缩液浓度能达到 50g/100ml以上，同时膜对清液出液中花青素的拦截也达到了98％，很好的满足了工艺的要求

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：包括清液串联段(1)、浓液串联段(4)或清液串联段(1)与浓液串联段(4)的组合；

所述清液串联段(1)由多级滤罐(2)通过清液出管(8)依次串和/或并联形成，最后一级滤罐通过清液出管(8)与清液出液系统连接，除第一级滤罐(2)外，每一级滤罐(2)的出浓液端均通过浓液回流管返回至前任意一级滤罐(2)的进液端；

所述浓液串联段(4)由多级滤罐(2)通过浓液出管(3)依次串和/或并联形成，最后一级滤罐(2)通过浓液出管(3)与浓液出液系统连接，最后一级滤罐(2)的出清液端通过清液回流管(5)返回至前任意一级滤罐(2)的进液端，剩余每一级滤罐(2)的出清液端均通过清液出管排至清液出液系统；

所述清液串联段(1)和浓液串联段(4)中，每一级滤罐(2)中均设置有滤膜(7)。

2.根据权利要求1所述的一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：第一级滤罐(2)的出浓液端与浓液串联段(4)连接。

3.根据权利要求1所述的一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：所述滤膜(7)的结构为板式膜、卷式膜、管式、中空纤维膜中的任意一种；所述滤膜(7)为微滤膜、超滤膜、纳滤膜和反渗透膜中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：连接在所述滤罐(2)上的清液回流管(5)和浓液回流管(6)与该滤罐(2)的上级滤罐(2)连通，所述滤罐(2)还连接有内循环管路。

5.根据权利要求1所述的一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：所述滤罐(2)还可以采用并联连接方式、串联和并联组合连接方式中的任意一种；所述滤罐(2)的级数为2级或2级以上。

6.根据权利要求1所述的一种提高膜浓缩倍数和浓液浓度的装置，其特征在于：该装置包括浓液串联段(4)和清液串联段(1)两者同时实施膜分离工艺和分别单独实施膜分离工艺两种实施方式。

Images