CN215311492U - 单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，由下封头和上封头、气液流喷射管和多种几何中空纤维膜丝组成。下封头和上封头均由树脂封胶和中空纤维膜管组成，气液流喷射管四周管壁设有气液流喷孔，气液流喷射管通过螺纹或凹槽与气液流通道连接，气液流喷射管的根部插入气液流通道内；气液流喷射管一端插入上封头或不插入上封头内，多种几何形中空纤维膜丝的两端分别插入下封头的第一中空纤维膜管和上封头的第二中空纤维膜管。本实用新型可提高多种膜过程中物质分离能力。下端和膜束中心的气液流喷射定长支撑管中的气液流喷孔上涌出旋转的气液流，对膜表面给予清洁的同时，有效地洗脱了膜表面附着的物质，提高了膜元件的抗污染能力。

Description

单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件

技术领域

本实用新型涉及单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件。该膜元件装配成膜堆或机组可用于饮用水处理、污水处理、中水回用、食品饮料、膜蒸馏、膜萃取、膜透析、膜化学反应器，生物制药及细胞培养专用的膜生物反应器等多种用途。特别可用于制药业高粘度制剂或发酵相关膜过程的各种装置。

背景技术

经过多年应用与实践，发现原有膜元件在外压运行时受水溶液中浓物质或污泥污染，膜束会发生粘连，使得膜的传质速率下降从而使膜的水通量陡降。虽然有底部的鼓气清洗结构，但是其鼓气通道直径过大，且气流方向垂直向上，呈现气泡体积大且在水溶液中浮力增大，瞬间浮向水溶液表面，于是气泡与膜丝表面的接触时间短，故对膜丝清洗效果不明显，膜丝表面因此被浓物质粘连而影响了膜元件基本性能。此外在内压式膜元件运行中，膜管程内向膜外表面渗滤物质如不及时被清除，也会导致整束膜丝相互粘连，使膜表面积趋于减少，直接影响了膜功效与膜层内外介质中物质的传输，这种现象在膜接触器（如膜蒸馏、膜吸收、膜萃取、膜透析、膜化学反应、膜生物反应等多种膜过程）中会导致膜面功能改性，甚至使该膜过程减效或失效。

发明内容

本实用新型的目的是获得一种简单、高效、节能降耗、抗污染性好、产能高、用途广范及综合性能良好的产品，且可随意设计成多种几何形式，长短不受限制、应用范围广泛的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件。

本实用新型提出的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，由下封头1、上封头2、气液流喷射管3和多种几何形中空纤维膜丝4组成，下封头1由第一树脂封胶1.1和第一中空纤维膜管1.2组成，第一树脂封胶1.1上设有气液流通道3.3，所述气液流通道3.3呈L型结构，气液流通道3.3的L型一端从第一树脂封胶1.1的中部伸出，L型另一端从第一树脂封胶1.1的侧面伸出，上树脂封胶1.1上均匀分布有闭孔的第一中空纤维膜管1.2；上封头2由第二树脂封胶2.1和第二中空纤维膜管2.2组成，第二树脂封胶2.1均匀分布有通孔状的第二中空纤维膜管2.2；气液流喷射管3四周管壁设有气液流喷孔3.1，气液流喷射管3上设有螺纹或凹槽，气液流喷射管3通过螺纹或凹槽与气液流通道3.3连接，气液流喷射管3的根部插入气液流通道3.3内，气液流喷孔3.1四周开有斜孔，气液流从气液流喷孔的喷口喷出的角度为气液喷孔开口角度呈向上45°，气液喷孔倾斜角度为15°；多种几何形中空纤维膜丝4的两端分别插入下封头1的第一中空纤维膜管1.2和上封头2的第二中空纤维膜管2.2，构成直单通膜元件。

本实用新型中，所述气液流喷射管3通过螺纹或凹槽和气液流通道3.3连接处，由树脂凝固后而呈固定连接状态。

本实用新型中，单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，由下封头1、上封头2、气液流喷射管3和多种几何形中空纤维膜丝4组成，下封头1由第一树脂封胶1.1和第一中空纤维膜管1.2组成，第一树脂封胶1.1上设有气液流通道3.3，所述气液流通道3.3呈L型结构，气液流通道3.3的L型一端从第一树脂封胶1.1的中部伸出，L型另一端从第一树脂封胶1.1的侧面伸出，上树脂封胶1.1上均匀分布有通孔的第一中空纤维膜管1.2；上封头2由第二树脂封胶2.1和第二中空纤维膜管2.2组成，第二树脂封胶2.1均匀分布有通孔状的第二中空纤维膜管2.2；气液流喷射管3四周管壁设有气液流喷孔3.1，气液流喷射管3上设有螺纹或凹槽，气液流喷射管3一端通过螺纹或凹槽与气液流通道3.3连接，气液流喷射管3的根部插入气液流通道3.3内，气液流喷射管3另一端伸入上封头2的一端，多种几何形中空纤维膜丝4的两端分别插入下封头1的第一中空纤维膜管1.2和上封头2的第二中空纤维膜管2.2，构成双通灯笼型膜元件。

本实用新型中，所述伸入上封头的气液流喷射管3的长度短于多种几何形中空纤维膜丝4长度，由此膜元件呈现灯笼状，而且前者越短，后者越长，灯笼形越明显，膜丝越松散，抗污染能力越强，表面积越大。

本实用新型中，所述气液流通道3.3插入上封头2中央的二分之一处。

本实用新型工作过程如下：本实用新型可任意组装成工程所需规模的膜堆与机组。然后将这类元件浸没于工程水池中或装入各种特殊形状的容器或器壳内。膜元件在污水池或浓溶液池容器或器壳内运行、以本专利膜元件的分离功能可实现液体中物质的分离（如细菌、病毒、有机物（蛋白质等），也可用于膜蒸馏、膜萃取、膜透析等多种膜过程中物质分离与提纯。下端和膜束中心的气液管涌出旋转的气液流（气泡和液流），对膜元件的膜表面给予清洁的同时，有效地洗脱了膜表面附着的物质，提高了膜分离的功效、降低了膜运行过程中的能耗、提高膜的使用寿命和经济效益。

本实用新型中，膜机组可采用正压或负压运行。负压运行时在上通封头2的膜孔中抽出清水或有用溶剂，分离了浓物质（如污泥、有机物、蛋白质等）。从而实现了污水处理或中水回用及生物制药过程中的相关功能。根据设计，在运行过程中实施低压抽吸并对膜进行必要的反清洗后，该膜元件可以长期使用。本实用新型在程序控制系统下使用，将体现更优良的性能。

本实用新型中，膜机组还可采用正压运行。正压运行时在下封头1或上封头2均可输入气液介质，且可受膜机组程序控制，由电磁阀自动切换正压气液流向，使之达到下进上出或上进下出的运行模式，防止了两个膜端面在运行过程中的堵塞现象。

本实用新型可以做成任意尺寸的多几何形祼露膜组件，因其外表没有器壳固定，所以其长短不受限制。这对提高膜面积和工作效率有着极为重要的意义。

本实用新型利用表面结构的膜材料，可把细胞或细菌固定在膜的外表面（DH特殊的单皮层膜结构），从而起到了高效生物反应器的作用，大大提高了溶液与气体处理的效果及中水回用和制药业及细胞培养的效率与产量，缩短了物质分离时间，提高了功效与效益。

本实用新型中的膜元件还可制成压力式超滤器或微滤器，组装成为外置式的膜生物应器和化学反应器，提高膜的功效，有利于膜的清洗与反清洗。大幅度提高了膜的抗污染性能及使用寿命。

本实用新型中的膜元件可用于膜蒸馏、膜吸收、膜萃取、膜透析等多种膜过程，满足这些特殊膜过程运行中的物质传输要求，并能通过气液流喷射管3的作用及时地清理膜外表面物质的沉积与粘附、及时恢复膜表面面积、防止膜性能的早期衰退、稳定了膜的功效、提高了膜的使用寿命。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型产品直单通膜元件浸没在液体中可以随着下端气液流道的压力与流量而发生膜丝顺流摆动，从气液流喷射管3中吹出的空气形成气泡或液体从气液流喷孔3.1中溢出，并顺着包括气液流喷孔3.1的开口角度，使气液流形成旋涡旋转并向上浮动或向四周扩散。起着吹扫与脱附膜丝表面吸附物质的作用、或将某种物质通过液体传输便于及时加以收集，保证了膜的高抗污染性，提高了制药业中生物物质的有效活性。其中下端气液流喷射管3上的所有结构与下封头1的螺纹连接结构均属于本专利的保护范围。

2、本实用新型产品将灯笼双通膜元件设计成灯笼型，使膜束呈散丝状在气液介质中，避免了运行中的膜丝外表面互相粘连（降低了膜表面积而减少产能及提高能耗）。这种膜束形式可大幅度提高膜面与介质的接触面积，提高了膜的分离效率，更有利于膜蒸馏中膜束在运行过程中散发蒸汽和有用物质、也有利于膜吸收、膜萃取、膜透析工艺中膜面及时更新界面，从而提高膜的传输、萃取效率。

3、本实用新型产品将膜元件按照膜过程工艺及机组设备的设计要求，可以制成20mm-5000mm等不同长度的膜元件，使其应用面广泛而实用，经过正确安装后，可发挥明显的功效，见图3。成套膜元件中的配置由动力源5、正压动力5.1、负压动力5.2、正负压切换阀门组6、上正负压液流管道7、上正负压腔8、支架9、下正负压腔10、气液流阀门11、下正负压气液流管道12、气液流动力源13与本实用新型膜元件连接，可置于气液池或箱体及器壳内，这些产品可以串联或并联，以组成相应规模的成套设备，用于多种膜过程。

4、本实用新型产品将膜元件根据技术要求可做成上述中任一种型状，其尺寸以对角线或边长或直径为20mm到任意尺寸，使之适应于多种膜过程的要求。

附图说明

图1为本实用新型直单通膜元件结构示意图，其中：(a)为直单通裸垂束状气液式中空纤维膜元件的整体结构，（b）为直单通下封头1的横截面，（c）为直单通下封头和气液流喷射管3的剖面，（d）为3.2螺纹连接剖面图，（e）为气液流喷孔3.1的开口角度，（f)为气液流喷孔3.1的开口倾斜角度、（g)为单通上封头2的横截面。图中标号：1为下封头，1.1为第一树脂封胶，1.2为第一中空纤维膜管，2为上封头，2.1为第二树脂封胶，2.2为第二中空纤维膜管，3为气液流喷射管，3.1为气液流喷孔，3.2为螺纹连接，3.2.1为螺纹连接图形，3.2.2为凹槽连接图形，4为多种几何形中空纤维膜丝；

图2为本实用新型灯笼双通裸垂束状气液式中空纤维膜元件整体结构示意图，其中：(a)为灯笼双通膜元件的正视外形，（b）为灯笼双通膜元件的剖面，（c）为下封头的截面，（d）为上封头的截面，图2中标号：1为下封头，1.1为第一树脂封胶，1.2为第一中空纤维膜管，2为上封头，2.1为第二树脂封胶，2.2为第二中空纤维膜管，3为气液流喷射管，3.1为气液流喷孔，其中的开口角度和气液喷孔倾斜角度参见图1气液流喷射管3中的（e）和（f），3.2为螺纹连接，3.3气液流通道，3.4为外接管，3.5为气液流喷射管上嵌入段，4为多种几何形中空纤维膜丝；

图3 为本实用新型膜元件成套安装运行结构示意图；(a)为安装运行结构示意图，（b）为膜元件的剖面，图中标号：5为动力源，其是有5.1为正压动力，5.2为负压动力，6为正负压切换阀门组，7为上正负压液流管道，8为上正负压腔，9为支架，10为下正负压腔，11为气液流阀门，12为下正负压气液流管道，13为气液流动力源；

图4为本实用新型膜束外型几何结构图，图中包括了a、b、c、d、e、f、g、h、i截面结构。所述膜元件按任意要求可设计成矩形、棱形、三角形、五边形、六边形、八边形、十二边形、圆形、十二边形几何截面。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本实用新型。

实施例1：

如图1所示，膜元件由下封头1、上封头2、气液流喷射管3（在图1（a）中被膜丝遮隐在里面）和多种几何形中空纤维膜丝4（见图1（a)）构成。下封头1结构见图1（b）和(c)所示，由第一树脂封胶1.1和闭孔第一中空纤维膜管1.2组成见图1（b），第一树脂封胶1.1中央及侧面设有气液流通道3.3，第一树脂封胶1.1上均匀分布有闭孔第一中空纤维膜管1.2。上封头2由第二树脂封胶2.1和通孔状第二中空纤维膜管2.2组成，第二树脂封胶2.1均匀分布有通孔状第二中空纤维膜管2.2见图1（g）。气液流喷射管3与下封头1连接，气液流喷射管3四周管壁设有气液流喷孔3.1，所述连接处通过螺纹连接或凹槽连接3.2，气液流喷射管3上设有螺纹连接3.2.1或凹槽3.2.2与气液流通道3.3连接，气液流喷射管3的根部插入气液流通道3.3内，气液流喷孔3.1四周开有斜孔，气液流从气液喷口喷出的角度为气液喷孔开口角度呈向上45°，气液喷孔倾斜角度为15°。所述连接处通过螺纹连接3.2.1或凹槽连接3.2.2和气液流通道3.3由树脂凝固后而呈固定连接状态，构成直单通膜元件。

制造时将气液流喷射管3和多种几何形中空纤维膜丝4分别放置在特定的模具中，并浇入树脂、待其凝固后则成为下封头1和上封头2。

下封头2在浇注树脂时预先安置气液流通道模具和气液流喷射管3的根部插入气液流通道3.3内，其膜丝最下端距离浇注底坐一定尺寸，使之浇注时让树脂自然封堵膜管而形成闭孔中空纤维膜管1.2的状态。上封头2在浇注时膜丝的最下端应露出浇注模具并沉入浇注底座，当树脂凝固后切头，则成为通孔状中空纤维膜管2.2的状态。

两端封头浇注完毕切头后必须全数检验，合格后方可进入图3的最后组装。

直单通膜元件运行时，连接水泵等动力装置，由上封头2抽吸多种几何形中空纤维膜丝4外表面的水溶液，其抽吸方向为Ⅰ-1，而清洗时则由上封头2的顶端进入正压清水溶液，方向为Ⅰ-2，进入清水溶液从多种几何形中空纤维膜丝4外表面渗出，从而完成了清洗过程。

如图2所示，灯笼双通膜元件见图2。由下封头1、上封头2、气液流喷射管3、多种几何形中空纤维膜丝4所构成。下封头1结构见图2（b)和2（c)所示，包括第一树脂封胶1.1、通孔状第一中空纤维膜管1.2。上封头2包括第二树脂封胶2.1、通孔状第二中空纤维膜管2.2。气液流喷射管3浇注时需与图2上封头2嵌入连接气液流喷射管上嵌入段3.5，并深入上封头2中央的二分之一处，构成双通灯笼型膜元件。

灯笼双通膜元件下封头1浇注时和直单通下封头工艺相似，先将多种几何形中空纤维膜丝4和气液流通道3.3预置于模具之中，其膜丝的最下端应露出浇注模具并沉入浇注底座，然后浇入树脂使之凝固后切头即成灯笼双通膜元件下封头1。

灯笼双通膜元件上封头2的浇注时除了膜丝的最下端应露出浇注模具并沉入浇注底座外，还需将气液流喷射管3的上顶端放入模具中央的二分之一深度，然后浇入树脂，待树脂凝固切头后则成为具有图2中气液流喷射定长支撑管上嵌入段3.5形状的上双通封头2状态。

灯笼双通膜元件灯笼直径大小，取决于气液流喷射管3多种几何形中空纤维膜丝4两者长度的比例。

如图3所示，将按照本实用新型中图1和图2要求制造而成的膜元件，按照图3进行装配。分别将上正负压腔8和上封头2粘接，再将下正负压腔10分别和下封头1粘接，然后将上正负压腔8和下正负压腔10分别与上正负压气液流管道7和下正负压气液流管道12连接，将两端的正负压气液流管道7和12与正负压切换阀门组6接通，最后与动力源5中的正压动力5.1和负压动力5.2接通即完成膜元件管程运行连接。

下封头外侧向的外接管3.4与气液流动力源13接通，在外接管3.4上安装气液流阀门11，此阀门应安装在气液流动力源13之前。由此，在膜元件或膜机组运行时通过气液流动力源将气液通过气液流喷孔3.1定向流出，并顺孔形角度旋转，从而使膜丝外表面及时得到清理。

如图4所示，按照不同的膜过程与技术要求，可以在图4中选择不同的截面形式并按照图1或图2的技术关键设计制造成膜元件，有矩形、三角形、棱形、五边形、六边形、八边形、十边形、十二边形或圆形，再根据图3所述的安装方法，即可达到本实用新型明显有效、节能降耗的功能。上述膜元件使用本实用新型中的设计进行组装，所有管接头均可采用国标管接件，使生产成本大幅度下降。根据工程应用的不同需要，可以制造不同膜面积的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，再将本实用新型中的膜元件依照工程设备的具体设计要求，组装各种规格的膜堆或膜机组及成套设备。这种机组设备均能符合大型、中型或小型工程的要求，同时还可以适用于小型实验室装置。

Claims (5)

1.单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，由下封头（1）、上封头（2）、气液流喷射管（3）和多种几何形中空纤维膜丝（4）组成，其特征在于：下封头（1）由第一树脂封胶（1.1）和第一中空纤维膜管（1.2）组成，第一树脂封胶（1.1）上设有气液流通道（3.3），所述气液流通道（3.3）呈L型结构，气液流通道（3.3）的L型一端从第一树脂封胶（1.1）的中部伸出，L型另一端从第一树脂封胶（1.1）的侧面伸出，上树脂封胶（1.1）上均匀分布有闭孔的第一中空纤维膜管（1.2）；上封头（2）由第二树脂封胶（2.1）和第二中空纤维膜管（2.2）组成，第二树脂封胶（2.1）均匀分布有通孔状的第二中空纤维膜管（2.2）；气液流喷射管（3）四周管壁设有气液流喷孔（3.1），气液流喷射管（3）上设有螺纹或凹槽，气液流喷射管（3）通过螺纹或凹槽与气液流通道（3.3）连接，气液流喷射管（3）的根部插入气液流通道（3.3）内，气液流喷孔（3.1）四周开有斜孔，气液流从气液流喷孔的喷口喷出的角度为气液喷孔开口角度呈向上45°，气液喷孔倾斜角度为15°；多种几何形中空纤维膜丝（4）的两端分别插入下封头（1）的第一中空纤维膜管（1.2）和上封头（2）的第二中空纤维膜管（2.2），构成直单通膜元件。

2.根据权利要求1所述的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，其特征在于：所述气液流喷射管（3）通过螺纹或凹槽和气液流通道（3.3）连接处，由树脂凝固后而呈固定连接状态。

3.单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，由下封头（1）、上封头（2）、气液流喷射管（3）和多种几何形中空纤维膜丝（4）组成，其特征在于：下封头（1）由第一树脂封胶（1.1）和第一中空纤维膜管（1.2）组成，第一树脂封胶（1.1）上设有气液流通道（3.3），所述气液流通道（3.3）呈L型结构，气液流通道（3.3）的L型一端从第一树脂封胶（1.1）的中部伸出，L型另一端从第一树脂封胶（1.1）的侧面伸出，上树脂封胶（1.1）上均匀分布有通孔的第一中空纤维膜管（1.2）；上封头（2）由第二树脂封胶（2.1）和第二中空纤维膜管（2.2）组成，第二树脂封胶（2.1）均匀分布有通孔状的第二中空纤维膜管（2.2）；气液流喷射管（3）四周管壁设有气液流喷孔（3.1），气液流喷射管（3）上设有螺纹或凹槽，气液流喷射管（3）一端通过螺纹或凹槽与气液流通道（3.3）连接，气液流喷射管（3）的根部插入气液流通道（3.3）内，气液流喷射管（3）另一端伸入上封头（2）的一端，多种几何形中空纤维膜丝（4）的两端分别插入下封头（1）的第一中空纤维膜管（1.2）和上封头（2）的第二中空纤维膜管（2.2），构成双通灯笼型膜元件。

4.根据权利要求3所述的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，其特征在于：所述伸入上封头的气液流喷射管（3）的长度短于多种几何形中空纤维膜丝（4）长度。

5.根据权利要求3所述的单双通祼垂异形束状气液流式中空纤维膜元件，其特征在于：所述气液流通道（3.3）插入上封头（2）中央的二分之一处。

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