一種在超重力條件下工作的膜組件的製作方法

2024-02-06 02:49:15

專利名稱：一種在超重力條件下工作的膜組件的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種膜組件，特別涉及一種可在超重力條件下進 行膜分離的，並且依靠剛性可轉動桶體作支撐的膜組件。
技術背景
膜分離技術因其高效、節能、過程容易放大等優點目前已經廣泛 應用於化工、醫藥、食品、能源、環保等領域。然而由於在膜分離過 程中濃差極化，膜汙染等方面問題的存在，膜分離技術的推廣應用受 到了很多的限制，儘管人們研發了很多方法試圖解決上述問題，但都 不是很理想。例如以壓力作為驅動力的膜分離過程，濃差極差現象 普遍存在。由於濃差極差化發生時膜分離過程中起關鍵作用的膜分離 層外表面物料的濃度遠遠高於物料的主體濃度，因此給膜分離過程帶 來了很多不利的影響，具體有1、在很多膜分離過程中溶質的截留 率降低(如反滲膜用於海水淡化)。2、膜滲透通量降低，裝置的生產 能力下降。3、膜界面上的滲透壓增高，為提高滲透通量必須提高進 料壓力或提高進料液流速，從而導致能耗的提高。4、膜汙染加劇， 膜壽命下降。5.膜濃縮倍率下降，難以獲得高濃度產物。為了減少濃 差極化以及濃差極化所帶來的不利影響，人們提出了許多解決方法， 並應用於膜分離過程，但實踐表明這些方法都不同程度地存在這樣或 那樣的缺陷如l.能耗加大(增大流速法，安裝湍流促進器，脈衝法， 攪拌法，提高擴散係數法，旋轉強化法等)2.膜的填充密度低。單位 膜面積膜組件成本高(填料法，安裝湍流器，旋轉強化法)3.膜分離 層易受損，膜壽命降低(安裝湍流器，填料法，旋轉強化法)
超重力指的是在比地球重力加速度(9.8m/》大得多的環境下物 質所受到力(包括引力或排斥力)，利用超重力的的科學原理所創造 的實用技術稱為超重力技術。在超重力條件下物質所受到的與物質質 量相關的力得到了極大的強化因而極大的強化了傳質效果，這一特徵 具有極大的應用價值，目前通過高速旋轉產生超重力環境的超重力機 己在分離工藝，納米材料製備等方面獲得了十分成功的應用。
超重力下的膜分離，是將膜分離的工藝過程置於超重力條件下進 行，這是膜分離技術與超重力技術的有機結合。在此方面目前可査的 資料很少，在已知的可査資料中有閻建民的《具有管式結構的旋轉床超重力場裝置》(申請專利號03115674.6)和《離心旋轉超重力—— 膜分離技術》(申請專利號03100089.4)上述2項專利已將膜分離技 術和超重力技術進行了結合，並提出了具體的實施方案。但仔細分析 研究上述2專利後不難發現上述2專利並沒有提及解決對膜分離過程 影響極大的濃差極化問題的工作原理和解決方案，在其結構和實施方 案中也存在明顯的缺陷，具體分析如下
專利《具有管式結構的旋轉床超重力場裝置》在其權利要求①中 強調其特徵在於管子的軸線與旋轉軸垂直或平行，管子的兩端固定， 事實上當管子為有機管式膜或中空纖維膜以及其他柔性材質膜時由 於膜組件內液體受到的哥氏力，旋轉床在啟動式停車時料液的慣性作 用都會將對管子產生巨大的側向力，在這種側向力的作用下管子的軸 線不可能為一條直線，因而也就不存在與旋轉軸的垂直，如果通過兩 端固定的方法保持其軸線為直線並與旋轉軸軸線垂直或平行那麼在 上述側向力的作用下膜很容易被拉斷而使膜分離裝置失效。在其說明 書及附圖中可以發現在其實施中無法解決截流物或滲餘液的排出問 題。
專利《離心旋轉超重力——膜分離技術》，在其權利要求書中強調 "以旋轉離心力為膜的分離驅動力為原理的膜分離技術，包括工藝過 程和理論計標"依據該項所及的原理，工藝過程和理論計算，都無法 解決對膜濃縮過程中影響極大的濃差極化問題。2.該專利所選用的平 板膜的分離層表面都是面向旋轉軸軸線，這樣的膜裝置在其工作時， 在離心力的作用下會加劇膜表面的濃差極化。 發明內容
本實用新型的目的就在於克服上述現有技術中存在的不足，而提 供一種依靠剛性可轉動桶體作支撐在超重力條件下工作的膜組件，該 膜組件可有效地克服膜分離過程中的濃差極化帶來的不利影響，從而 提高了膜分離的效果。
本實用新型的技術方案是 一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於由膜組件殼體、原料液分配器、分離膜和氣泡輕液導出 器組成；分離膜的一端固定在膜組件殼體的側壁上，且膜組件殼體側 壁的外側對應於分離膜的端部開有溝槽，溝槽與分離膜的內腔連通； 分離膜的另一端為可自由移動的封閉端；膜組件殼體上端蓋的外邊 緣開有一倒角，膜組件下端蓋外邊緣開有濃縮液出口，膜組件殼體的 中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中央裝有氣泡輕液導出器，其側壁開有原料液導出口，並且在其側壁外側開有氣泡輕液導出
上述膜組件殼體的中心線可垂直於水平面安裝，也可以與水平面 呈一定角度安裝。
上述分離膜可為管狀膜、中空纖維膜和平板膜。
上述原料液導出口沿膜組件中心軸對稱分布，形狀相同，其中心 線可以與直徑方向相同，也可以呈一定角度。 上述膜組件殼體的上端蓋內側呈錐形。
上述分離膜的封閉端可採用膠、環氧樹脂、加熱或燒結的方法進 行封閉。
上述膜組件殼體可以是圓臺形、圓柱形；其材料可以是環氧樹脂、 也可以是環氧樹脂與金屬材料或塑料尼龍組成的複合材料。
上述中空纖維膜的內徑為0.005-0.1mm之間。
上述分離膜的材料可採用具有柔性的有機膜或無機膜，也可採用 由金屬絲、玻璃纖維、尼龍絲、化學纖維、動植物纖維、蠶絲編織的 篩網。
上述平板膜的分離層表面背向轉動軸軸線，且背面粘貼有薄板， 薄板的材料可以是塑料、尼龍板、金屬板；平板膜靠近轉動軸線的一 端也可通過平板膜支架固定；平板膜的母線可以與膜組件的中心軸線 平行，也可以與膜組件中心軸線呈一定角度。
本實用新型的工作原理是同一種料液在溶劑脫除後其濃度加 大，隨其濃度加大其密度會發生變化，在多數情況下料液的密度會隨 其濃度的加大而升高，高濃度料液的沉降與稀料液的沉降不同為幹涉 沉降，即高濃度物料沉降時溶質小顆粒相互作用，沉降過程呈集體性， 宏觀性沉降。膜分離過程中由於濃差極化，膜表面的料液濃度遠高於 料液的主體濃度，所以膜表面的料液密度與料液的主體密度存在差別 由於這種密度差的存在特別是超重力條件下高濃度料液會沿超重力 場的相同或相反方向快速移動，從而脫離膜表面，而新的稀料液補充 因高濃物料脫離膜表面而讓出的空間從而使膜表面料液濃度降低(即 濃差極化降低)。膜表面高濃物料的不斷脫離和稀物料的不斷補充， 達到本衡時膜表面及其附近講形成一個濃度高於料液主題濃度但遠 低於非超重力條件下濃差極化層料液濃度的一個較為穩定的區域層， 這個區域層的存在，類似於動態膜，對膜分離過程產生較好的效果。
本實用新型的優點是將膜分離技術和超重力技術有效地結合起來，具有較高的可行性，可有效地克服膜分離過程中的濃差極化帶來
的不利影響，從而提高了膜分離的效果。

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圖1是本實用新型採用管狀膜或中空纖維膜分離膜時的主視剖面圖。
圖2是圖1的俯視剖面圖。 圖3是本實用新型採用平板膜時的主視剖面圖。 圖4是圖3的俯視剖面圖。
具體實施方式
圖1、圖2是分離膜3選用管狀膜或中空纖維膜時膜組件的主視 剖面圖和俯視剖面圖。膜組件殼體中心線可垂直於水平面安裝，也可 以與水平面呈一定角度安裝。膜組件殼體1固定安裝在剛性殼轉動桶 體4內。
圖中膜組件殼體l為圓臺形，其側壁內側固定有分離膜3、側壁 外側對應於分離膜3外端出口處沿側壁母線方向開有溝槽13，溝槽 13與分離膜3的內腔連通，以便透過液通過分離膜滲透液出口 5排 出。膜組件殼體1側壁外緣與上端蓋外緣交匯處開有一倒角17，以 便從壓縮空氣入口 11處進入的壓縮空氣可以通過溝槽13進入分離膜 3的內腔，從而實現氣體的反衝洗。膜組件殼體1的下端蓋外邊緣處 開有濃縮液出口 6，以便在離心力的作用下匯集在膜組件殼體1側壁 內側的濃縮液排出，膜組件殼體l的上端蓋內側呈錐形，便於膜分離 過程中產生的氣泡及低於料液主體密度的輕液以及氣體反衝洗產生 的氣泡及氣體通過固定在原料液分配器2上方的氣泡輕液導出器8導 出。氣泡輕液導出器8上開有便於氣泡和輕液導出的導出口 9。分離 膜一端固定在膜組件殼體1側壁的內側，膜組件殼體1側壁內側塗刷 環氧樹脂以保證膜組件殼體內的料液不外洩，分離膜3的另一端為可 自由移動的封閉端，以保證料液不通過膜的內腔與透過液混合。密封 處理可採用膠或環氧樹脂粘接，也可採用燒結或高溫加熱的方法進 行。分離膜可採用中空纖維膜，其內徑為0.005-0.1mm之間，是具有 柔性的有機膜或經過處理具有足夠柔性的無機膜，其靠近旋轉軸的一 端不作固定，這樣分離膜即使受到哥氏力和料液流動產生的側向力也 會隨波順勢而動，而不會折斷或拉斷。膜組件殼體的中央固定有原料 液分配器2，其側壁開有原料液導出口 7，且在其側壁外側開有氣泡 輕液導出槽12。原料液導出口沿膜組件中心軸對稱分布，形狀相同，其中心線可以與直徑方向相同，也可以呈一定角度。原料液經原料液
入口 10進入原料液分配器2內腔，通過原料液導出口 7均勻進入膜 組件殼體內腔。由於膜組件殼體l多由塑料尼龍、環氧樹脂製成，並 且壁薄，不能承受較高的壓力，但是因其固定在剛性殼轉動桶體4上 且粘合穩定，所以其承受的壓力均勻傳導給剛性殼轉動桶體4上，並 且不會變形損壞。剛性殼轉動桶體4轉動時，膜組件殼體隨著其同步 轉動，從而使膜分離過程在超重力條件下進行。
圖3和圖4是分離膜選用平板膜時膜組件的主視剖面和俯視剖面 圖。膜組件的結構與圖l、圖2所示的膜組件結構大致相同，只是平 板膜的分離層表面在安裝時必須背向轉動軸軸線，這樣由於濃差極化 產生的膜表面的高濃物料可在離心力的作用下遠離膜表面，從而降低 濃差極化的影響。平板膜16的背面粘貼有薄板15，以承接濃料液並 將其導出，薄板的材料可以是塑料、尼龍板、金屬板。平板膜靠近轉 動軸線的一端也可通過平板膜支架14固定，以保證膜與膜的間距均 衡。平板膜的母線可以與膜組件的中心軸線平行，也可以與膜組件中 心軸線呈一定角度。該平板膜可為有機膜和無機膜，也可以是由金屬 絲、玻璃纖維、尼龍絲、化學纖維、動植物纖維、蠶絲編織的篩網。
本實用新型的工作過程是安裝在剛性可轉動桶體內的膜組件殼 體在剛性可轉動桶體轉動時隨其轉動，並使膜組件及其體內的原料 液、透過液處於超重條件下，原料液通過原料液入口進入原料液分配 器的中部腔體，在原料液的輸入壓力和離心力的作用下，原料液通過 原料液導出口均勻地進入膜組件殼體內腔，與分離膜接觸，在原料液 的輸入壓力和離心力的作用產生的原料液壓力而共同形成的原料液 壓力作用下，原料液中的水或溶劑透過分離膜的離層進入分離膜的內 腔，並在離心力及膜後餘壓的作用下經透過液出口排出。隨著水或溶 劑不斷透過分離膜，分離膜的分離層表面表面處物料的濃度不斷增 加，且其密度也隨著濃度的增加而加大，形成與主體物料的密度差。 在超重離心力的作用下濃物料脫離膜表面並向膜組件殼體內腔邊緣 集中，並通過濃縮液出口排出。低於料液主體濃度的輕料液和氣泡在 浮力的作用下向原料液分配器外邊緣集中，並通過氣泡輕液導出槽向 上匯集經過氣泡輕液體導出口排出。
權利要求1、一種在超重力條件下工作的膜組件，其特徵在於由膜組件殼體、原料液分配器、分離膜和氣泡輕液導出器組成；分離膜的一端固定在膜組件殼體的側壁上，且膜組件殼體側壁的外側對應於分離膜的端部開有溝槽，溝槽與分離膜的內腔連通；分離膜的另一端為可自由移動的封閉端，；膜組件殼體上端蓋的外邊緣開有一倒角，膜組件下端蓋外邊緣開有濃縮液出口，膜組件殼體的中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中央裝有氣泡輕液導出器，其側壁開有原料液導出口，並且在其側壁外側開有氣泡輕液導出槽。
2、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述膜組件殼體的中心線可垂直於水平面安裝，也可以 與水平面呈一定角度安裝。
3、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述分離膜可為管狀膜、中空纖維膜和平板膜。
4、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述原料液導出口沿膜組件中心軸對稱分布，形狀相同， 其中心線可以與直徑方向相同，也可以呈一定角度。
5、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述膜組件殼體的上端蓋內側呈錐形。
6、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述分離膜的封閉端可採用膠、環氧樹脂、加熱或燒結 的方法進行封閉。
7、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述膜組件殼體可以是圓臺形、圓柱形；其材料可以是 環氧樹脂、也可以是環氧樹脂與金屬材料或塑料尼龍組成的複合材 料。
8、 根據權利要求1所述的一種在超重力條件下工作的膜組件， 其特徵在於上述中空纖維膜的內徑為0.005-0.1mm之間。
9、 根據權利要求1或3所述的一種在超重力條件下工作的膜組 件，其特徵在於上述分離膜的材料可採用具有柔性的有機膜或無機 膜，也可採用由金屬絲、玻璃纖維、尼龍絲、化學纖維、動植物纖維、蠶絲編織的篩網。
10、根據權利要求3所述的一種在超重力條件下工作的膜組件，其特徵在於上述平板膜的分離層表面背向轉動軸軸線，且背面粘貼 有薄板，薄板的材料可以是塑料、尼龍板、金屬板；平板膜靠近轉動 軸線的一端也可通過平板膜支架固定；平板膜的母線可以與膜組件的 中心軸線平行，也可以與膜組件中心軸線呈一定角度。
專利摘要一種在超重力條件下工作的膜組件，由膜組件殼體、原料液分配器、分離膜和氣泡輕液導出器組成；分離膜的一端固定在膜組件殼體的側壁上，且膜組件殼體側壁的外側對應於分離膜的端部開有溝槽，溝槽與分離膜的內腔連通；分離膜的另一端為可自由移動的封閉端；膜組件殼體上端蓋的外邊緣開有一倒角，膜組件下端蓋外邊緣開有濃縮液出口，膜組件殼體的中央固定有原料液分配器，原料液分配器上端中央裝有氣泡輕液導出器，其側壁開有原料液導出口，並且在其側壁外側開有氣泡輕液導出槽。本實用新型的優點是將膜分離技術和超重力技術有效地結合起來，可有效地克服膜分離過程中的濃差極化帶來的不利影響，從而提高了膜分離的效果。
文檔編號B01D63/16GK201244450SQ200820141700
公開日2009年5月27日 申請日期2008年8月22日 優先權日2008年8月22日
發明者周志傑 申請人:周志傑