本发明涉及一种操作温度可控的多组件式膜分离装置及其工艺，属于水和废水处理、食品、生物、制药、精细化工等的流体分离领域。
背景技术：
膜分离技术具有高效、节能、环保、操作简便等优点，因而在当今工业生产中广泛应用于不同物理、化学性质的物料的分离、分级、除杂及浓缩。以压力为驱动力的反渗透(RO)、纳滤(NF)、超滤(UF)、微滤(MF)等四种膜过程，是由于膜的孔径依次增大，对不同分子尺寸或物质尺寸的混合物能够进行精细分离、提纯和浓缩，能够实现针对特定的物料的特定分离目的而进行高效操作。RO、NF由于膜具有纳米级甚至小至埃级尺寸的小孔径，适用于分离料液中的一价或高价离子以及小分子量物质和水，操作压力高，为高压膜分离过程；而UF、MF由于膜的孔径在数十个纳米甚至大到数个微米，仅需较低的操作压力即可将混合物中的大分子与小分子物质分离，为低压膜分离过程。
迄今为止，可以进行大规模工业应用的膜元件型式主要有卷式、中空纤维式、管式和平板式。其中，用于RO、NF的大多为需高压操作的卷式膜组件，而用于UF、MF的为可低压操作的膜组件除了卷式外，比较常见的是平板式、中空纤维式。一种膜过程在进入大规模工业化应用前，通常需经过膜分离的小试或小试扩大试验研究，以确定料液分离纯化的膜分离过程参数并确定其所能达到的分离效果及所得产品质量的优劣等，为工业化膜分离系统的设计和膜分离装置的制造提供科学依据。而当今市场上已有的试验用或批次规模生产用的膜分离设备，均无有效的温控系统，无法调控物料运行温度，并都以单一形式例如平板式或卷式的膜元件，或以操作压力仅为低压或高压采用单一膜元件的制造的成套化装置，以此所得的实验数据偏差太大。因而，已有成套化的膜分离装置存在规格少、膜分离功能单一，无温控系统，同一套设备不能在同时间内采用同一料液进行多种不同膜的操作运行，更不能满足含热敏性物质的物料控温操作运行的需要，完成分离任务时工艺步骤繁杂、试验设备多台套、设备投资和运行费用大等问题。
基于不同构型的分离膜元件和不同的压力操作模式，面向各种物料的试验研究和工业生产应用，开发操作温度可控且具有特定膜过程的多种分离功能的分离膜装置，实现成套装置结构紧凑化、操作简便化、功能多样化、用途广泛化，以满足当前功能分离膜科学研究与工业应用的日益增长的要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种操作温度可控的多组件式膜分离装置，通过采取多项温控措施，设置多种温控装置，使某些含热敏性物质的物料在分离过程中，其热敏性不被破坏；同时，实现同一套装置上对同一物料分别用两种型式的膜组件，分别进行高压和低压操作，快速确定该料液进行不同膜分离的工艺操作参数，从而确定其所能达到的分离效果及所得产品质量的优劣，为大规模工业化膜分离系统的工艺设计及其成套化膜分离装置的制造提供科学依据。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种操作温度可控的多组件式膜分离装置，包括由管路依次相连的原水池、压力驱动装置、膜组件，膜组件的两个出水口分别连接有产水出水管路和浓水出水管路，还包括温控系统，所述的温控系统分为三部分，分别为原水池的恒温控制器、浓水管路的热交换装置、包裹在管路上的保温包覆材料；所述压力驱动装置具有两个驱动部分，分别为并联设置的高压泵和低压泵；所述膜组件具有两种分离型式，分别为并联设置平板式和螺旋卷式；所述管路上的设置有选择驱动部分和分离型式的阀门。
优选的，所述恒温控制器为恒温浴槽，恒温浴槽内设有作为降温或者升温的媒介物质，所述原水池置于恒温浴槽内。
优选的，所述恒温浴槽与热交换装置之间设有循环管路，循环管路上设有循环泵。
优选的，所述热交换装置为一套、两套或者多套组合。
优选的，所述平板式膜组件并联运行有两套，所述螺旋卷式膜组件并联运行有两套。
优选的，所述热交换装置为蛇形管式或者板式。
优选的，管道保温包覆材料为橡塑棉。
本发明的另一目的在于提供一种操作温度可控的多组件式膜分离工艺，在保证了单支膜组件、单个膜过程的常规应用的基础上，组合了两类膜型式、多种膜功能的膜组件，集成了高压膜系统和低压膜系统，实现了成套系统分离功能多样化，运行工艺组合化，操作管理简便。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种操作温度可控的多组件式膜分离工艺，其特征是：
1)通过在恒温浴槽内投加冷源/热源，对原水池中的物料温度进行调节控制；
2)调整管路上的相应阀门，启动低压泵或高压泵；
3)同时选择单一或组合的平板式膜组件和/或螺旋卷式膜组件的运行，膜组件耐压容器内安装适用于低压环境的超滤膜/微滤膜或者适用于高压环境的纳滤膜/反渗透膜；
4)对膜组件进口、出口两端的阀门进行调节，以改变膜的进水、出水流量，在0～1.5MPa压力范围内调整系统的相应操作压力；
5)在浓水出水总管连接热交换装置，热交换装置是以恒温浴槽内冷源/热源为媒介物质，通过启动冷/热源循环泵实现换热介质流入热交换装置入口，经热交换装置出口回流至恒温浴槽或直接排放来达到调控物料运行温度的目的。
优选的，压力驱动装置与膜组件的运行方式有以下几种，
1)低压泵驱动的平板式膜组件与平板式膜组件并联运行；
2)高压泵驱动的平板式膜组件与平板式膜组件并联运行；
3)低压泵驱动的螺旋卷式膜组件与螺旋卷式膜组件并联运行；
4)高压泵驱动的螺旋卷式膜组件与螺旋卷式膜组件并联运行；
5)低压泵驱动的平板式膜组件与螺旋卷式膜组件并联运行；
6)高压泵驱动的平板式膜组件与螺旋卷式膜组件并联运行；
7)调整相应阀门的开和关的状态，料液通过低压泵或高压泵的输送，分离系统实施单支膜组件运行。
优选的，利用低压泵作为清洗膜系统的清洗泵。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明基于压力驱动膜分离原理，巧妙地设计管、阀系统，灵活地组合结构型式相同和不相同的膜组件，有机地集成高压和低压驱动运行模式，创新性地设置了多项温度控制装置以控制运行物料温度，确保运行物料的安全性和系统工艺数据的可靠性，提高了成套膜分离装置的集成度和科技含量，强化了膜分离功能的多样性。创新膜清洗方式多样化，实现单组件或多组件全面清洗，彻底清除膜面污染物甚至膜孔内的污堵物。因此，在同等运行条件下，与传统膜分离装置相比，本发明装置具有适用性更广，分离效率更高，运行条件更易控制，运行数据更为准确，获得的结果更具可靠性等的显著优点。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
附图标记：W-01为恒温浴槽；W-02为热交换装置；ZF-01、ZF-02、ZF-03、ZF-04、ZF-05、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13均为阀门；M-01、M-02为平板式膜组件；M-03、M-04为螺旋卷式膜组件；B-01为低压泵；B-02为高压泵；B-03为循环泵；P为压力表；F为流量表。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，操作温度可控的多组件式膜分离装置主要由四大部分组件成，依次为原水池部分、压力驱动部分、膜组件部分和热交换部分，相互之间由硅胶管/钢管相连，且在管路上包覆橡塑棉等具有环保阻燃、隔热保温、隔音减震的保温材料。
原水池部分包括原水池、恒温浴槽，恒温浴槽内部装有冷媒/热媒，根据需要可以选用水、酒精、油等作为降温或升温的媒介物质；原水池置于恒温浴槽内。
压力驱动部分包括并联设置的低压泵和高压泵以及回流量调节用阀门ZF-03，低压泵的进水管道上设置有阀门ZF-01,低压泵的出水管道上设置有阀门ZF-04，高压泵的进水管道上设置有阀门ZF-02,高压泵的出水管道上设置有阀门ZF-05；压力驱动部分的总进水口通过硅胶管与原水池连通，将原水根据需要通过两条管道进入压力泵；在两个压力泵的进口前分别装置一个流量表，压力驱动部分的总出水管道上设置有压力表P，该总出水管道与膜组件部分的总进水口相连。
膜组件部分包括并联设置的平板式膜组件M-01、平板式膜组件M-02、螺旋卷式膜组件M-03、螺旋卷式膜组件M-04；平板式膜组件M-01进水口依次设置有阀门ZF-06和压力表P，平板式膜组件M-01的两个出水口分别为产水出水口和浓水出水口，浓水出水口的管道上依次设置有阀门ZF-10和流量表F；
平板式膜组件M-02进水口依次设置有阀门ZF-07和压力表P，平板式膜组件M-02两个出水口分别为产水出水口和浓水出水口，浓水出水口的管道上依次设置有阀门ZF-11和流量表F；
螺旋卷式膜组件M-03进水口依次设置有阀门ZF-08和压力表P，螺旋卷式膜组件M-03两个出水口分别为产水出水口和浓水出水口，浓水出水口的管道上依次设置有阀门ZF-12和流量表F；
螺旋卷式膜组件M-04进水口依次设置有阀门ZF-09和压力表P，螺旋卷式膜组件M-04的两个出水口分别为产水出水口和浓水出水口，浓水出水口的管道上依次设置有阀门ZF-13和流量表F；
四个膜组件的浓水出水的管道最后汇集到一支浓水出水总管上，然后连接到热交换部分的进水口。
热交换部分主要为热交换装置，根据需要设置成一套、两套或者多套组合式，其换热器形式可以为蛇形管式或者板式；热交换装置是以恒温浴槽内冷源/热源为媒介物质，通过启动冷/热源循环泵泵入换热介质，然后经出口回流至恒温浴槽或直接排放来达到控制物料运行温度的目的。
该装置的具体操作工艺过程如下：
1)通过在恒温浴槽内投加冷源/热源，对原水池中的物料温度进行调节控制；
2)调整管路上的相应阀门，启动低压泵或高压泵；
3)同时选择单一或组合的平板式膜组件和/或螺旋卷式膜组件的运行，膜组件耐压容器内安装适用于低压环境的超滤膜/微滤膜或者适用于高压环境的纳滤膜/反渗透膜；
4)压力驱动装置与膜组件的运行方式有以下几种：
1、低压泵B-01驱动的平板式膜组件M-01与驱动的平板式膜组件M-02的并联运行；
2、高压泵B-02驱动的平板式膜组件M-01与驱动的平板式膜组件M-02的并联运行；
3、低压泵B-01驱动的螺旋卷式膜组件M-03与驱动的螺旋卷式膜组件M-04的并联运行；
4、高压泵B-02驱动的螺旋卷式膜组件M-03与驱动的螺旋卷式膜组件M-04的并联运行；
5、低压泵B-01驱动的平板式膜组件(M-01或M-02)与驱动的螺旋卷式膜组件(M-03或M-04)的并联运行；
6、高压泵B-02驱动的平板式膜组件(M-01或M-02)与驱动的螺旋卷式膜组件(M-03或M-04)的并联运行；
7、调整相应阀门的开和关的状态，料液通过低压泵M-01或高压泵M-02的输送，分离系统实施单支膜组件(M-01或M-02或M-03或M-04)运行。
5)低压平板式膜(M-01或M-02)和低压螺旋卷式膜(M-03或M-04)的并联运行时，即启动低压泵同时进行M-01和/或M-02的平板式超滤膜或微滤膜与M-03和/或M-04的螺旋卷式超滤膜或微滤膜的运行，指打开阀门ZF-01、ZF-03、ZF-04、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13，关闭其余阀门，同时调节阀门ZF-03、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13的闭合度，以改变膜的进水、出水流量，同时在0～0.5MPa压力范围内调整系统的相应操作压力。
6)高压平板式膜和高压螺旋卷式膜的并联运行，即启动高压泵同时进行M-01和/或M-02的平板式纳滤膜或反渗透膜与M-03和/或M-04的螺旋卷式纳滤膜或反渗透膜的运行，指打开阀门ZF-02、ZF-03、ZF-05、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13，关闭其余阀门，同时调节阀门ZF-03、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13的闭合度，以改变膜的进水、出水流量，在0～1.5MPa压力范围内调整系统的相应操作压力。
以下结合具体样品实验对本方案作进一步说明。
实例一、金银花水提液中绿原酸的超滤纯化试验
称取2.5kg金银花，按1.0、0.7、0.5、0.5、0.5倍加水量提取回流5次，每次1.5h，粗滤，合并滤液即得金银花水提液。测定水提液绿原酸含量，并以该水提液作为超滤的原料液进行超滤膜分离。分别选择切割分子量(MWCO)均为20～50kDa的平板式超滤膜和螺旋卷式超滤膜，对绿原酸水提液进行并联试验运行。具体操作如下：将平板式膜装入M-02组件，螺旋卷式膜安装至M-03组件。绿原酸为热敏性物质，温度应控制在40℃以下，因此可选用水作为冷媒。在恒温浴槽内加入适量的水，开启恒温浴槽电源按钮，设定温度为25℃，接好热交换装置及循环管道，并开启循环泵B-03进行循环降温。取10L金银花水提液置于原水池，打开阀门ZF-01、ZF-04，其余阀门关闭，启动低压泵B-01，同时打开ZF-03，调节阀门ZF-07、ZF-08、ZF-11及ZF-12的闭合度以改变膜的进水、出水流量，在0～0.5MPa压力范围内调整系统的相应操作压力。即启动M-02的平板式超滤膜和M-03螺旋卷式超滤膜的运行。分别取浓水、产水进行绿原酸的高效液相色谱检测，记录下试验数据及试验的温度、压力、流量等操作条件。由于两种不同型式膜组件的有效膜面积不同，导致两个膜组件的进水流量差异较大，因此，在考察两种结构型式不同的膜组件的分离效果的研究中，应将进水流量换算成膜面流速进行流量调控。经超滤后，原料液中90％的绿原酸透过膜，而绝大多数大分子杂质得到去除。通过对不同组件结构型式分离膜的膜材料、膜的切割分子量和操作压力等参数的对比运行研究、深度探讨，获得的试验结果可用于指导绿原酸水提液纯化分离的超滤膜的选择及其工业应用。
实例二、金银花水提液中绿原酸的膜法纯化浓缩试验
按实例一方法，得到金银花水提液。选取MWCO分别为20～50kDa、150～300Da的螺旋卷式超滤膜和螺旋卷式纳滤膜，装入M-03和M-04组件内，另自备一只水池。在恒温浴槽内加入适量的水作为冷媒，开启恒温浴槽电源按钮，设定温度为25℃，接好热交换装置及循环管道，并开启循环泵B-03进行循环降温。取10L金银花水提液，置于原水池内，打开阀门ZF-01、ZF-04，启动低压泵B-01，调节ZF-03、ZF-08、ZF-12等阀门的闭合度以控制进料流量和操作压力。在操作压力为0～0.5MPa，一定的料液温度(25℃±1℃)和流量下，进行超滤膜纯化分离工艺参数的优化试验。在M-03运行过程中，取超滤后的渗透液5L置于自备水池中，关闭阀门ZF-01、ZF-03、ZF-04、ZF-08、ZF-12，打开阀门ZF-02、ZF-05，启动高压泵B-02，调节阀门ZF-03、ZF-09、ZF-13等阀门的闭合度，在操作压力为0.5～1.5MPa，一定的物料温度(25℃±1℃)及流量下，运行纳滤过程，进行绿原酸浓缩的工艺试验研究。当原水池中有效成分的浓度为初始料液的3倍(即浓缩倍数)时，停止运行。
通过变换操作参数并重复上述两个试验，即可优选得到最佳的膜分离、纯化、浓缩工艺参数，如操作压力、运行温度、膜面流速等。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。