专利名称：一种变螺距膜组件装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种物理分离方法的装置，属于膜分离领域，尤其是指弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件和弯曲流道PP、PE管式与蜡烛芯式膜组件装置。
背景技术：
膜分离技术是清洁生产的理想载体，膜技术的技术进步正快速提高我们在许多工程技术方面的创新能力如革新生产工艺、保护生态环境与大众健康、为经济可持续发展创新新技术等，膜技术作为单元操作在资源回收、环境保护、能源生产以及环境监测和质量控制方面起着日益重要的作用，同时也是燃料电池和生物分离应用的关键技术。膜过程的经济性由膜的渗透通量、单位渗透通量能耗和膜使用寿命来评价，效率由选择性和渗透阻力衡量。浓差极化和膜污染会显著地降低膜渗透通量，使膜的使用寿命缩短，经济效益和效率降低，是制约膜过程的应用和发展的主要因素。
大多数压力驱动膜过程的设计，如反渗透、纳滤、超滤和微滤，是基于单位体积的膜面积最大化和膜组件操作方便。目前减少浓差极化和膜污染的许多方法，包括膜表面的化学改性和物理方法如冲洗。众所周知的水力学方法是一种物理方法，主要是依靠紊流中产生的涡流或诱导流体不稳定性产生膜过程，这种流体不稳定性可在流道中嵌入障碍物来形成，通过膜表面的不稳定流也可用于减少溶质一膜界面溶质的堆积。目前，已采用的不同类型的流体不稳定性包括涡流和粗糙膜表面、流体脉冲和振动膜表面引起的流体不稳定。此外，除粗糙表面外，也可以采用旋转过滤盘系统产生流体不稳定。已采用的去浓差极化方法中最成功的方法是旋转环形式过滤组件中产生的泰勒涡，这个设计的主要限制是难于放大膜面积以及高能耗。在直线膜流道中设置波状障碍物，通过周期性的反向紊流(8Hz)也可以产生涡流(参见Stairmand，J.W.and Bellhouse，B.J.，″Mass transfer in a pulsating turbulent flow with deposition into furrowedwalls.″Int.Heat Mass Transfer，27，1405(1985))。压力驱动流体流过平板膜上设置半圆柱形螺旋通道也能产生涡流(参见PCT patent application WO 90/09229of Aug.23，1990 to Winzeler)。所有这些方法都显示存在涡流时能增加膜的性能，但每种都存在着无法克服的困难，如处理量放大和密封问题。在螺旋缠绕式膜组件采用间隔装置被广泛推荐和采用，可对大多数螺旋缠绕式膜组件来说，在低轴向雷诺数时采用的是典型的Poiseuille流(参见Toray Industries Inc.disclosed in their spiral flow filters brochure entitled Romembra Toray ReverseOsmosis Elements)。
流体不稳定性的有效利用如涡流，在减少压力驱动膜系统中浓差极化和自清洁合成膜应用已为众多的文献广泛证实(参见See Winzeler，H.B.and Belfort，G.(1993)，Enhanced performance for pressure-driven membrane processesTheargument for fluid instabilities，J.Membrane Sci.，in 80，35-47)。
美国专利文献(US6709598、US6399031)及其它参考文献都证明了一个事实，弯曲管道中的迪恩涡流能显著改善膜组件的分离性能，编织型中空纤维膜性能优于螺旋型中空纤维膜。对螺旋型中空纤维膜，用单根或几根纤维缠绕在空心管(最小直径3mm)上，所有关于螺旋型中空纤维膜专利文献中虽提到各种缠绕方式，但均未考虑膜管流道内由于渗透作用引起的流速变化和迪恩数比急剧变化对系统渗透流量性能及能耗影响。由于结构上需要支撑空心管，因此单位体积的膜填充面积较小，产业化前景不佳。对于编织型中空纤维膜，目前尚未专利文献记载，国外只有一篇文章涉及，且仅提出进口迪恩数比数值适中(Di≥5)、出口迪恩数比必须大于1的的优化操作结论，也未进一步考虑膜管流道内由于渗透作用引起的流速变化和迪恩数比急剧变化对系统渗透流量性能及能耗影响。
实用新型内容本实用新型的目的是根据现有弯曲流道型膜分离方法装置的不足，提供一种新的弯曲流道型膜分离膜组件，该组件是在现有弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件和具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，根据全流道迪恩数比均衡的控制方法，使单根膜在全流道内处于几乎相同强度迪恩涡流操作环境中，从而大大提高膜组件的性能。
根据本实用新型的目的所提出的技术实施方案是在现有弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件或具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，通过采用变螺距方法改变膜管后段的临界雷诺数，使膜管全程迪恩数比不随流程增加而显著减少。即本实用新型的膜组件是膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，设计的原则是膜管入口段与出口段的螺距比为1.1-5，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的1.5～2倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为5～7，出口迪恩数比为2～3。本实用新型充分利用弯曲管道中的迪恩流变化的特性，提出采用变螺距方法使被过滤液从膜组件的进口至出口产生迪恩数比变化较小的强迪恩涡流，这样就充分发挥了膜组件的全程迪恩涡二次流强化传质、分离作用。该方法所适用的膜过程包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)。该方法可用来消除盐类、大分子和悬浮液在高压反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)或纳滤(NF)膜过程中浓差极化和膜污染。该方法所用的膜装置包括迪恩涡二次流强化螺旋型、编织型中空纤维膜组件和PP、PE管式与蜡芯式微滤膜组件。
迪恩流现象是W.R.Dean在研究弯曲管道中的流体运动产生的二次流时首先发现的。通过对弯曲流道迪恩涡流的分析，在正常条件下，流体以超过临界流速流(层流和紊流转换点)过直线管道时，压力损失会经历突然的增加过程。Dr.Dean的研究显示，弯曲管道中的流动出现不稳定和二次流。但即使弯曲管道中流速远高于临界流速，压力损失也不会突然增加。这种现象说明，在同一速度状况下，弯曲管道中的压力损失比直线管道中低得多。弯曲管道中的这种流动具有双旋涡特征。在螺旋管中的水流迪恩数(De)被定义为De=Redidc----(1)]]>Re为雷诺数(-)；di为内直径(m)；dc为螺圈直径(m)。
在螺旋管中，所谓优化了的迪恩数De’被用以考虑螺距(b)效果De'=Redid'c----(2)]]>dc’表示有效螺圈直径，由数学推理可以得知该直径随着螺距(b)的变化而变化dc'=dc[1+(bπdc)2]----(3)]]>由此可以看出，弯曲管道中的迪恩数是与管径和螺距都有关系的。因此采用变螺距方式可以提高迪恩涡二次流强化膜分离的方法，该方法使被分离液从膜组件的进口至出口全程迪恩数比变化很小，从而保证整个膜管长度管内迪恩涡强度恒定，大大提高膜组件的渗透分离性能。采用优化设计制作的变螺距编织型/螺旋型中空纤维膜与等距编织型/螺旋型中空纤维膜进行渗透性能对比试验研究证明，得到变螺距编织型/螺旋型中空纤维膜的迪恩涡二次流能增强编织型中空纤维膜纯水渗透性能、显著降低渗透能耗；编织型中空纤维膜中产生的迪恩涡二次流显著减少各种污染液过滤时的浓差极化和膜污染、渗透回收率增加5～6倍，能耗降低40％，显著减少膜过滤过程的衰减速率。
附图及说明
图1为本实用新型的结构原理示意图；图2为迪恩涡螺旋流道管式微滤膜结构示意图；图3为三角形断面变螺距螺旋流道示意图；图4为编织型中空纤维管螺纹联接管式膜组件结构示意图；图5为编织型中空纤维管螺纹联接管式膜组件断面结构示意图。
图中1、分离膜；2、螺旋流道导向装置；3、膜外壳；4、螺旋流道；5、原料入口；6、渗透液出口；7、浓缩液排口；8、管式膜底封帽；9、螺旋流道入口环形进料管；10、管式膜顶封帽；11、顶盖；12、原料入口；13、膜外壳；14、分离膜；15、渗透液出口；16、浓缩液出口；17、膜外壳螺纹；18、编织型中空纤维膜；19、隔离板；20、原料入口；21、渗透液出口；22、浓缩液排口；23、膜外壳。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型作进一步的描述，附
图1为本实用新型的结构原理示意图，从附图中可以看出，本实用新型是一种膜分离组件，包括原料入口12、膜外壳13、分离膜14、渗透液出口15、浓缩液出口16几部分，其中分离膜14是弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件或具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件，分离膜14安装在膜外壳13内，分离液从原料入口12进入分离膜14进行分离，分离出的渗透液流入膜外壳13的腔体，再经渗透液出口15排出，分离液分离完的浓缩液经浓缩液出口16排出。其特点在于分离膜14膜组件的螺距是变螺距，即膜组件的膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，设计的原则是膜管入口段与出口段的螺距比为1.1-5，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的1.5～2倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为5～7，出口迪恩数比为2～3。该方法的膜组件工作方式是错流过滤，所适用的膜过程包括微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。该方法所用的膜装置包括迪恩涡二次流强化螺旋型、编织型中空纤维膜组件和PP、PE管式与蜡芯式微滤膜组件。膜组件壳管、进料管等材料采用卫生级不锈钢或不透明工程塑料(透明管易诱发生物污染)。中空纤维膜可以是微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)和反渗透(RO)。管式膜一般为不同开孔尺寸的微滤(MF)、超滤(UF)。
实施例一附图2为一个迪恩涡螺旋流道管式微滤膜组件结构示意图，从图中可以看出，迪恩涡螺旋流道管式微滤膜结构组件包括分离膜1、膜外壳3、原料入口5、渗透液出口6、浓缩液排口7、几部分，其中膜组件原料入口5和浓缩液排口7分别处于管式膜组件的进口端和相对进口方向的管的末端，膜外壳3内为分离液分离腔体，膜外壳3下端设有浓缩液排口7；分离膜1为管式膜，置于膜壳3内，为不同开孔尺寸的微滤(MF)、超滤(UF)结构的空心状滤膜体，分离膜1的下面有管式膜底封帽8封住，上面有管式膜顶封帽10盖住，管式膜顶封帽10为中间开孔状，中间开孔与管式膜顶封帽10上的渗透液出口6相通，在管式膜顶封帽10上连接有顶盖11，顶盖11上安有渗透液出口6，在分离膜1与膜外壳3之间还设有螺旋流道4，螺旋流道4由螺旋流道导向装置2构成，螺旋流道导向装置2的螺旋形环流通道断面形状是矩形，且为变螺距螺旋流道，入口段与出口段的螺距比为2-4，膜外壳3的上螺旋端口与螺旋流道入口环形进料管9相通，螺旋流道入口环形进料管9又与原料入口5相连，分离液从原料入口5进入螺旋流道入口环形进料管9，再由螺旋流道4流入膜壳3下端，经浓缩液排口7排出。该装置可用来消除盐类、大分子和悬浮液在高压反渗透(RO)、超滤(UT)、微滤(MF)或纳滤(NF)膜过程中浓差极化和膜污染。
实施例二附图3为迪恩涡螺旋流道管式微滤膜组件另一个实施例结构示意图，该实施例其它部分均与实施例一样，所不同的地方是，螺旋流道导向装置2的螺旋形环流通道断面形状是三角形，且为变螺距螺旋流道，入口段与出口段的螺距比为8-15。根据实施例一和二可以推知，螺旋流道导向装置2的螺旋形环流通道断面形状还可以是正方形或半圆形的。
实施例三附图4-5为一种编织型中空纤维管螺纹联接管式膜组件结构示意图，从图中可以看出，编织型中空纤维膜组件包括编织型中空纤维膜18、膜外壳螺纹17、隔离板19、原料入口20、渗透液出口21、浓缩液排口22和膜外壳23几部分。其中分离液从原料入口20进入，经编织型中空纤维膜18分离后，渗透液排到外壳23内，再由渗透液出口21排出，分离后的浓缩液由浓缩液排口22排出管外，其特点是，编织型中空纤维膜18的编织螺距为变螺距螺旋流道，入口段与出口段的螺距比为3-4。
权利要求1.一种变螺距膜组件装置，包括原料入口(12)、膜外壳(13)、分离膜(14)、渗透液出口(15)、浓缩液出口(16)几部分，分离膜(14)是弯曲流道型中空纤维膜组件或具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件分离膜(14)，分离膜(14)安装在膜外壳(13)内，分离液从原料入口(12)进入分离膜(14)进行分离，分离出的渗透液流入膜外壳(13)的腔体，再经渗透液出口(15)排出，分离液分离完的浓缩液经浓缩液出口(16)排出，其特征在于分离膜(14)膜组件的螺距是变螺距，膜组件的膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段与出口段的螺距比为1.1-5，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的1.5～2倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为5～7，出口迪恩数比为2～3。
2.根据权利要求1所述的一种变螺距膜组件装置，其特征在于所述的膜组件原料入口(5)和浓缩液排口(7)分别处于管式膜组件的进口端和相对进口方向的管的末端，膜外壳(3)内为分离液分离腔体，膜外壳(3)下端设有浓缩液排口(7)；分离膜(1)为管式膜，置于膜外壳(3)内，为不同开孔尺寸的微滤(MF)、超滤(UF)结构的空心状滤膜体，分离膜(1)的下面有管式膜底封帽(8)封住，上面有管式膜顶封帽(10)盖住，管式膜顶封帽(10)为中间开孔状，中间开孔与管式膜顶封帽(10)上的渗透液出口(6)相通，在管式膜顶封帽(10)上连接有顶盖(11)，顶盖(11)上安有渗透液出口(6)，在管式膜与膜外壳(3)之间还设有螺旋流道(4)，螺旋流道(4)由螺旋流道导向装置(2)构成，且为变螺距螺旋流道，入口段与出口段的螺距比为2-3，膜外壳(3)的上螺旋端口与螺旋流道入口环形进料管(9)相通，螺旋流道入口环形进料管(9)又与原料入口(5)相连，分离液从原料入口(5)进入螺旋流道入口环形进料管(9)，再由螺旋流道(4)流入膜外壳(3)下端，经浓缩液排口(7)排出。
3.根据权利要求1或2所述的一种变螺距膜组件装置，其特征在于所述的膜组件包括迪恩涡二次流强化螺旋型、编织型中空纤维膜组件和PP、PE管式与蜡芯式微滤膜组件。
4.根据权利要求1或2所述的一种变螺距膜组件装置，其特征在于所述的螺旋流道导向装置(2)的螺旋形环流通道断面形状是矩形的。
5.根据权利要求1或2所述的一种变螺距膜组件装置，其特征在于所述的螺旋流道导向装置(2)的螺旋形环流通道断面形状是三角形或正方形或半圆形的。
专利摘要一种变螺距膜组件装置，属于膜分离领域，在弯曲流道型中空纤维膜组件和具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，采用变螺距方法使被过滤液从膜组件的进口至出口产生迪恩数比变化较小的强迪恩涡流，充分发挥了膜组件全程迪恩涡二次流强化传质、分离作用。即膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的1.5～2倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为5～7，出口迪恩数比为2～3。该方法所适用的膜过程包括微滤、超滤和纳滤。该方法可用来消除盐类、大分子和悬浮液在高压反渗透、超滤、微滤或纳滤膜过程中浓差极化和膜污染。
文档编号B01D65/08GK2761253SQ200420113720
公开日2006年3月1日 申请日期2004年12月23日 优先权日2004年12月23日
发明者刘建文, 湛含辉, 张晶晶 申请人:株洲工学院科技开发部