专利名称：外压中空纤维膜分离装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及外压中空纤维膜分离装置及其使用方法技术，国际专利主分类号拟为Int.Cl7.BO1D6/02、BO1D65/02。
水是生命之源。随着生活水平的提高，一方面，人们对饮用水的要求不断提高。所谓纯净水，太空水或净化水已进入人们的日常生活。另一方面，生产和工业用水如生化、医药、食品、调料等领域对水的纯净或净度要求也越来越高。近年人们开发研制的微滤和超滤膜技术用于水质的净化，正适应了这种需要，并且取得了良好的实际效果。其中尤以外压中空纤维膜用的最多。这是因为外压中空纤维膜(以下简称膜)具有单位体积内装填膜的面积最大，可去除原水中的藻类，微生物和胶体物质等多种悬浮物，并且净化纯度高的优点。但在实际应用中，膜的内腔、孔隙及外壁由于各种悬浮物的滞留、淤积而使膜的透水通量迅速下降，甚至堵塞而不能正常工作。因此对膜的清洗是膜应用技术不可缺少重要组成部分。特别是在目前原水(包括河水、湖水、井水、海水和自来水)已经或正在受到日趋严重污染的情况下，对膜有效并高效的清洗有着特别重要的实际意义。
申请人已经就膜清洗技术申请了一件发明专利(98125099.8)。该项技术很好地解决了膜的在线清洗问题。但它存在着这样的一个不足即该“发明方法采用了反洗液和空气均从膜组件下端的管口进入，而洗后液和空气一并从膜组件的顶端排出的水气顺流清洗方式”(该申请说明书第5页3-5行)，且“洗后液携污物和空气一并可经阀门15排出，完成内外双洗任务。由于阀门15、11和14始终打开着，因此双洗过程是动态连续进行的，即随着携污洗后液及空气的不断排出，则有新的反洗液不断注入膜内进行反洗，同时又补充了透过液，进而又可使连续注入的压缩空气在透过液中不断地产生大量振荡气泡，对膜外进行有效的清洗，进而迅速高效地实现对膜内外的清洗。(该申请说明书第6页)”这种方法洗膜效果虽好，但由于在排污过程是“动态连续进行的”，“随着携污洗后液及空气的不断排出，则有新的反洗液不断注入膜内进行反洗，”因而需要和浪费了大量的原液和反洗液。这与节约和充分利用水资源的膜技术目的有所偏移。
另一方面，现有技术中的膜组件和水系统设计也存在着缺陷。对于膜组件而言，一是U型膜在膜组件内因折弯而不能填充的很满，或是说填充率较低；二是U型膜组件的高度也有一定的限制；三是在U型膜的折弯处容易形成流体死角而滞阻污物，不容易清洗干净。因此它不适应大口径膜组件和大规模生产用膜装置。对于水系统设计而言，由于从膜组件下端口或下侧口打入反洗液和原液，而从上端口或上侧口排出洗后液或污染水的自下而上的水流设计路线，因而以浓度较小和比重较轻的反洗液和原液顶出浓度较大和比重较大的洗后液或污染水的水流设计路线是不尽合理的，也因此要排净洗后液或污染水就需要较长的排污时间和大量的原液。从工业生产角度看，这种水系统设计不科学、不经济。
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种新型的外压中空纤维膜装置及其使用方法，它可以提高膜装置的清洗效果，节约清洗用水，缩短清洗时间，有利于大规模工业化连续生产和提高效率。
本发明的目的是如下实现的设计一种外压中空纤维膜分离装置，包括膜组件、控制阀、压力表、泵、空气压缩机、料液罐以及连接管路等部件；所述的膜组件内填充的外压中空纤维膜在其上浇铸端处开孔，而在其下浇铸端处闭孔，且在下浇铸端上有多个导流孔；所述的膜组件的下端口经压力表后一路经控制阀与泵管接，另一路经控制阀、压力表与空气压缩机管接，其特征在于所述膜组件的上端口经压力表后一路经控制阀与滤过液罐管接，另一路经控制阀与反洗液罐管接；所述膜组件的上侧口一路经压力表、控制阀与料液罐管接，另一路则经控制阀与排污管路管接；所述膜组件的下侧口经控制阀也与排污管路管接。
本发明技术方案为达到本发明目的，首先采用了较新型的膜组件，即膜组件内填充的外压中空纤维膜为上端开孔而下端闭孔的1字型膜组件。采用这种膜组件可以解决现有技术U型膜折弯处容易形成流体死角，滞阻污物，不容易清洗干净的问题，也可以提高膜纤维在膜组件内的填充率，同时还有利于膜组件尺寸作大，适用于大规模工业化生产。其次，但更重要的是重新设计了水流系统和污水排放方法，使排污水流从现有技术由下而上的水流路线改变为由上而下的水流路线，充分利用了“水向低处流”的自然规律，克服了现有技术依靠清水或原液“顶出”污染液水要大量水和较长时间的弊病。而且原液与气流从下浇铸端的环行导流孔进入，流体分布均匀。试验表明，以5英寸的膜装置为例，原来清洗一次需要2分钟，本发明装置则仅需要20～60秒；每次可节约水50％以上，同时也意味着减少排污水50％以上。本发明即是按这种水流方案设计的膜装置(包括零部件和其管路连接方式以及工艺方法)，所以，与现有技术相比，可以节约水资源，提高膜的清洗效果和清洗效率，进而提高膜装置的生产效率。
下面结合实施例及其附图进一步详细叙述本发明
图1是本发明装置的一种整体结构示意图；图2是本发明装置的另一种整体结构示意图；图3是本发明装置膜组件1的整体结构示意图；图4是本发明装置图3所示的膜组件1的B向结构示意图；图5是本发明装置图3所示的膜组件1的A-A向剖视结构示意图；图6是本发明装置图3所示的膜组件1所用的另一种挡片10的形状结构示意图。
本发明装置是在现有外压中空纤维膜分离装置(以下简称膜装置)的基础上改进设计(参见图1、3)的，原膜装置设计包括膜组件1、控制阀、压力表、泵、空气压缩机、料液罐以及连接管路等，所述的膜组件1内填充的外压中空纤维膜11为在其上浇铸端14处开孔，而在其下浇铸端14’处的闭孔，且在下浇铸端14’上有多个导流孔19，所述的膜组件1的下端口18经压力表22后一路经控制阀4与泵25管接，另一路经控制阀5、压力表23与空气压缩机26管接，其特征设计在于所述膜组件1的上端口15经压力表20后一路经控制阀2与滤过液罐管接，另一路经控制阀8与反洗液罐管接；所述膜组件1的上侧口16一路经压力表21、控制阀3与料液罐24管接，另一路则经控制阀7与排污管路管接；所述膜组件1的下侧口17经控制阀6也与排污管路管接。这种设计既充分利用了膜组件的所有四个开口(即上、下端口15、18和上、下侧口16、17)，又使污水排放水流设计更加合理，有利于节约水资源，提高膜的清洗效果和清洗效率，进而提高膜装置的生产效率。
为了在更有效地排放污水的情况下，保护好膜纤维11，本发明膜装置的进一步特征是所述膜组件1的下浇铸端14’靠近下侧口17的内侧处安装有挡片10，在所述上浇铸端14的上侧口16相应位置处安装有挡圈9(参见图3、5)。设计挡片10和挡圈9的主要目的除了保护上、下侧口处的膜纤维11之外，另一个目的是保证上、下侧口处的流体流路畅通。
挡片10的形状设计对实现本发明目的有一定的影响。实施例设计为弧形(如图5所示)。挡片10的长度和有效高度(即不包括安装在下浇铸端14’内的高度)要与所述下侧口7的直径相匹配，一般可比下侧口17的直径大3-20毫米，厚度没有特殊要求，但在满足挡片强度的条件下越薄越好。实施例的挡片10也可以为半圆形(如图6所示)，其结构尺寸也应与下侧口17的直径相匹配，并稍大些。挡片10的安装位置也十分重要。它应当安装在膜组件下浇铸端14’靠近下侧口17的内侧处。挡片10与下侧口17内侧处的距离要设计好。该距离太大，将会减少中空纤维膜11在套管12内的数量，也即相对减少了膜组件的工作效率；而如果该距离太小，改进作用将不明显，影响本发明目的的完美实现。该距离也与膜组件的直径有关，直径大的膜组件，该距离也相应地大。3-9英寸膜组件该距离较理想的设计是3-12毫米。实施例6英寸膜组件该距离设计为10毫米。还应当说明的是挡片10所谓的“安装”实际是指与中空纤维膜11于下浇铸端14’一同浇注。
本发明装置膜组件1还在所述的上浇铸端14与上侧口16相应位置处安装有挡圈9(参见图5)。在上浇铸端14处增加设计挡圈9的目的是保护上侧口16附近处的膜纤维11，避免上侧口16处的浓缩液因流速快，压力大，容易引起对该处膜纤维11的伤害，以提高膜组件的使用寿命；同时也可克服因浇铸时该处膜纤维容易靠近上侧口16，使流体流路变窄的弊病，保证膜装置连续化工业生产的顺利进行。也因此，挡圈9与上侧口16内口的距离应当与所述的挡片10与下侧口17内口之间的距离要求一样。这同时也决定了挡圈9的直径尺寸，即套管12的内径减去所述的距离就是所述挡圈9的直径。挡圈9的安装位置与膜组件的中心重合。同理，挡圈9的有效高度应当比上侧口16的直径稍大。
本发明膜组件1的具体应用是把膜组件1的下侧口17接在膜装置的清洗回路中(参见图1、2)。当膜工作一定时间需要清洗时，利用下端口18打入压缩空气，利用震荡空气清洗膜纤维11，洗后液体从下侧口17排出。这种清洗是在线的，可以提高膜分离效能，适于连续化工业生产。而使用现有技术的膜组件(如日本旭化成公司产品)就存在一个问题清洗后液体从上侧口16流出时，一方面由于上侧口16处的液体流速快，容易伤害该处的膜纤维11；另一方面也影响污染物的排净，降低膜纤维11的分离效果，不利于长时间连续化工业生产。本发明只简单地分别在膜组件1上、下浇铸端14、14’靠近上、下侧口16、17的内侧(或内口)或相应位置处设计安装了挡片10和挡圈9，就可以巧妙地解决了上述问题，也使膜组件1现有资源(闲置的下侧口17)得到了充分利用，有效地保护了膜纤维，进而使膜装置的连续化工业生产得以实际有效并高效地进行。
为了保证料液由膜组件下端口18进入膜组件1后在套管12内所有的膜纤维11上分布均匀，导流孔19的均匀分布乃是关键。本发明的进一步特征是对所述导流孔19的分布进行了改进设计，即在圆形导流孔、孔径相等的基础上，把导流孔19由现有的直线型分布设计为环形(当膜组件直径尺寸较大，如5--9英寸时为多环行分布；而当膜组件直径尺寸较小，如3或4英寸时，也可以为单环形或圆形分布)均匀分布(参见图4)。圆形分布或环形内圈分布的导流孔19的数目应当设计为3个或4个，不能出现只有一个中心孔的情况，而且不论圆形或是环行分布，任意相邻两个导流孔19之间的距离差都不应当超过30％。导流孔19的孔径大小与数目的多少虽与膜组件的直径尺寸直接相关，但更重要的是与其是否均匀分布直接相关。导流孔19的孔径越小，分布越容易均匀，但浇铸加工越困难；导流孔19的孔径越大，分布相对越不容易均匀，但浇铸加工相对越容易。因此，导流孔19的孔径大小应当适度掌握，通常为620mm。本发明实施例5英寸膜组件设计导流孔19的孔径为12毫米，数目为12个，分为内外两圈，内圈设计为4个。显然，为达到均匀分布的目的，导流孔19的设计并不为具体实施例所限制。
本发明设计的外压中空纤维膜分离装置(参见图1、3)，包括膜组件1、控制阀2、3、4、5、6、7和8、压力表20、21、22和23、泵25、空气压缩机26、料液罐24以及连接管路等常用零部件；所述的膜组件1内填充的外压中空纤维膜11为在其上浇铸端14处开孔，而在其下浇铸端14’处闭孔，且在下浇铸端14’上有多个导流孔19。各零部件的连接方式是所述的膜组件1的下端口18经压力表22后一路经控制阀4与泵25管接(用管路连接)，另一路经控制阀5、压力表23与空气压缩机26管接，其特征设计连接在于所述膜组件1的上端口15经压力表20后，一路经控制阀2与滤过液罐(图中未画出)或管线管接，另一路经控制阀8与反洗液罐(图中未画出)或管线管接；所述膜组件1的上侧口16一路经压力表21、控制阀3与料液罐24管接，另一路则经控制阀7与排污管路管接；所述膜组件1的下侧口17经控制阀6也与排污管路管接。
本发明膜装置的工艺过程或使用方法(参见图1、3)是A工作时，打开控制阀2、3和4，并调节控制阀2、3的开度，使膜11的进出口工作压力分别为0.05--0.15MPa和0.03--0.10MPa，关闭控制阀5、6、7和8；B清洗时，关闭控制阀2、3、4和6，打开控制阀5、7和8，并调节控制阀5的开度，以控制气量，调节控制阀8的开度，以控制反洗液量；其特征在于C排污时，先关闭控制阀2、3、4、7和8，然后打开控制阀5和6，利用从控制阀5打入的压缩空气清洗膜11，并通过控制阀6将膜组件1内的洗后污水全部排净。
本发明膜装置所述的控制阀可以采用自动控制开度的自动控制阀，也可以采用普通的手动阀门。但是，对于料液供给流路和反洗液流路而言，其控制阀4和8的开度至关重要，因此，当采用普通控制阀时，在相应的流路中应当串入手动阀28和27(参见图2)，以控制其适当的开度。
权利要求
1.一种外压中空纤维膜分离装置，包括膜组件(1)、控制阀、压力表、泵、空气压缩机、料液罐以及连接管路等，所述的膜组件(1)内填充的外压中空纤维膜(11)在其上浇铸端(14)处开孔，而在其下浇铸端(14’)处闭孔，且在下浇铸端(14’)上有多个导流孔(19)，所述的膜组件(1)的下端口(18)经压力表(22)后一路经控制阀(4)与泵(25)管接，另一路经控制阀(5)、压力表(23)与空气压缩机(26)管接，其特征在于所述膜组件(1)的上端口(15)经压力表(20)后一路经控制阀(2)与滤过液罐管接，另一路经控制阀(8)与反洗液罐管接；所述膜组件(1)的上侧口(16)一路经压力表(21)、控制阀(3)与料液罐(24)管接，另一路则经控制阀(7)与排污管路管接；所述膜组件(1)的下侧口(17)经控制阀(6)也与排污管路管接。
2.根据权利要求1所述的外压中空纤维膜分离装置，其特征在于所述膜组件(10的下浇铸端(14’)靠近下侧口(17)的内侧处安装有挡片(10)，在所述上浇铸端(14)的上侧口(16)相应位置处安装有挡圈(9)。
3.根据权利要求2所述的外压中空纤维膜分离装置，其特征是所述的挡片(10)为弧形或半圆形。
4.根据权利要求3所述的外压中空纤维膜分离装置，其特征是所述的导流孔(19)呈环形均匀分布，其内圈导流孔(19)的数目为3个或4个，且任意相临两个导流孔(19)之间的距离差不超过30％。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的外压中空纤维膜分离装置的使用方法，A工作时，打开控制阀(2)、(3)和(4)，并调节控制阀(2)、(3)的开度，使膜(11)的进出口工作压力分别为0.05--0.15MPa和0.03--0.10MPa，关闭控制阀(5)、(6)、(7)和(8)；B清洗时，关闭控制阀(2)、(3)、(4)和(6)，打开控制阀(5)、(7)和(8)，并调节控制阀(5)的开度，以控制气量，调节控制阀(8)的开度，以控制反洗液量；其特征在于C排污时，先关闭控制阀(2)、(3)、(4)、(7)和(8)，然后打开控制阀(5)和(6)，利用从控制阀(5)打入的压缩空气清洗膜(11)，并通过控制阀(6)将膜组件(1)内的洗后污水全部排净。
全文摘要
本发明涉及膜分离技术。它设计了一种外压中空纤维膜分离装置,包括膜组件等常用零部件;膜组件内填充的膜在其上浇铸端处开孔,而在其下浇铸端处闭孔,且在下浇铸端上有多个导流孔;膜组件下端口一路与泵管接,另一路与空压机管接,其特征在于膜组件上端口经压力表后一路经控制阀与滤过液罐管接,另一路经控制阀与反洗液罐管接;膜组件的上侧口一路经压力表、控制阀与料液罐管接,另一路则经控制阀与排污管路管接;膜组件下侧口经控制阀也与排污管路管接。本发明装置可以节约水资源,提高膜的清洗效果和清洗效率,进而提高膜装置的生产效率。
文档编号B01D65/00GK1333080SQ0112964
公开日2002年1月30日 申请日期2001年6月26日 优先权日2001年6月26日
发明者吕晓龙 申请人:天津膜天膜工程技术有限公司