一种中空纤维气体分离膜组件的清洗装置及方法与流程

本发明涉及分离膜清洗技术领域，特别是涉及一种中空纤维气体分离膜组件的清洗装置及方法。

背景技术：

膜分离技术是一项高效、快速、节能的新型分离技术，能够适应当代新型产业的要求，因此发展比较迅速并被认为是二十一世纪极具发展前景的高新技术。气体分离膜作为膜分离技术的重要组成部分，目前已广泛应用于空气分离、氢回收、天然气脱除酸性气体（H₂S、CO₂等）、有机蒸气（VOCs）回收以及气体脱湿等多个行业领域。根据分离膜行业“十二五”发展指南，世界气体分离膜市场规模2020年预计可升至7.6亿美元/年，国内气体膜分离市场以每年30％的速率递增，2015年膜及设备销售额可达到10亿元人民币。中空纤维膜由于其比表面积大、装填密度高、工艺简单、无支撑层以及生产成本低等特点，成为气体膜分离技术中的重要分支，广泛应用于煤炭、石油、合成氨、甲醇、天然气等化工、环保领域。

中空纤维气体分离膜组件（又称膜分离器）对原料气的要求较高，容易受到污染，在煤矿、油田等使用条件差的领域污染尤其严重。膜组件被污染后性能会有大幅度的衰减，无法满足正常的生产需要，然而更换新的膜组件的成本极其昂贵，单只膜组件的价格能到达几万甚至几十万元。通过科学有效的修复手段可使绝大部分受污染的膜组件性能得到大幅度提升，通过较低的成本保证生产正常进行，因此对受污染的膜组件进行清洗修复变得尤为重要。

目前液体分离膜（微滤、超滤、纳滤及反渗透）的清洗修复已经形成比较规范的流程和标准，但由于气体分离膜与液体分离膜的制膜材料、成膜机理、分离原理、使用条件、保存方式及应用领域等有着根本的区别，液体膜的清洗剂（比如水等）对于气体分离膜可能是污染来源，因此，需要研究适合气体分离膜的清洗方法，不能照搬液体分离膜组件清洗方法。目前有少量通过超声清洗、清洗液静置浸泡清洗部分特定气体分离膜组件的方法，但系统、规范的气体分离膜清洗方法仍属空白，因此，有必要研究可广泛应用于各种中空纤维气体分离膜组件的清洗方法。

在中国专利201310597800.1中，将被灰尘和油污染的聚砜气体过滤膜先进行超声波震荡清洗，再进行先次氯酸钠后柠檬酸钠的化学清洗。该专利中气体过滤膜为三维网状涤纶纤维经聚砜高分子发泡塑料硬挺化后热压定型形成，滤料表面有5-8微米均匀空隙。该气体过滤膜并不是严格意义上的气体分离膜而更像微滤膜（过滤介质由液体变为空气），因为该气体过滤膜是依靠微孔筛分原理进行分离，而真正意义上的气体分离膜表面是均匀致密无孔的，依靠溶解-扩散机理进行分离。在中国专利200510103122.4中，针对液体分离膜清洗，使用空气压缩机产生压缩气体使脉冲阀周期性开闭，产生周期性的脉冲高压气流，对反洗进水管路中的水流给出一个脉冲高压气流，使反洗水由平稳均匀流变成脉冲掺气水流对膜进行反清洗操作。

上述专利中的清洗装置和方法存在明显技术缺点：1、气体分离膜大部分是由支撑层和功能层靠物理吸附结合形成的复合膜，采用超声波震荡或高压气流清洗（尤其反洗）可能会破坏支撑层与功能层之间的结合，导致两层的剥离，甚至膜组件的报废。2、由于中空纤维气体分离膜组件的装填密度大、膜丝直径小、膜组件内部相对比较封闭、膜丝的毛细管效应以及膜材料的溶胀吸附使清洗后的膜组件内残余大量的清洗剂，次氯酸钠和柠檬酸钠清洗剂等溶剂挥发后会析出固体，对气体分离膜组件造成二次污染，降低了气体分离膜组件的清洗效率和效果。3、由于气体分离膜与液体分离膜的制膜材料、成膜机理、分离原理、使用条件、保存方式及应用领域等有着根本的区别，大部分气体分离膜丝的尺寸、强度等特性与液体分离膜相差较大，上述专利中脉冲高压气流很可能会造成膜丝与密封胶结合处发生断裂（此处膜丝最脆弱），造成膜组件不可修复的破坏，甚至导致膜组件的报废。因此，气体分离膜清洗过程中对产生气泡的大小、产生气流扰动强度等有严格的要求。4、气体分离膜组件在使用过程中要求膜丝干燥、清洁，上述专利中清洗方法会在膜组件内残留清洗液，在使用过程中引入清洗液杂质，影响分离产品质量。

技术实现要素：

针对现有技术中清洗中空纤维气体分离膜组件方法的局限性，本发明提供了一种中空纤维气体分离膜组件清洗装置及方法。

本发明技术方案如下：一种中空纤维气体分离膜组件清洗装置，其特征在于：包括中空纤维气体分离膜组件、正反双向清洗系统、阶梯温度吹扫系统以及间歇气流扰动系统。所述中空纤维气体分离膜组件原料气口、渗余气口及两个渗透气口分别通过螺纹与正反洗管路连接；所述双向清洗系统由清洗液罐、清洗泵、压力表、正反洗管路及排空阀一、排空阀二组成，清洗液进液管路在清洗泵及压力表后经过三通分支成两路，再通过螺纹分别与膜组件原料气口和一侧的渗透气口一连接，膜组件渗余气口和另一侧的渗透气口二通过螺纹与管路相接并由三通合成一路形成清洗液回液管路；所述阶梯温度吹扫系统由空压机、流量计、控制系统、加热器、吹扫管路及排空阀二组成；所述间歇气流扰动系统由空压机、流量计、控制系统、扰动气流发生器、止逆阀及放气阀组成。所述阶梯温度吹扫和间歇气流扰动系统管路在经过空压机、流量计和控制系统后由三通分支为两路，一路通过加热器、阀门后由三通与膜组件原料气口管路相连，形成阶梯温度吹扫系统；另一路通过扰动气流发生器、阀门后由三通与膜组件渗余气口管路相连，形成间歇气流扰动系统。

所述控制系统包括温度控制、流量控制及间歇启停元件，可以实现对气体流量、温度及间歇频率的精确控制。

所述加热器为电加热套、热媒介质换热器等热交换器。

所述扰动气流发生器为不同尺寸颗粒烧结板、脉冲阀或针式气泡产生器等。

所述的一种中空纤维气体分离膜组件清洗装置清洗中空纤维气体膜组件（或膜分离器）方法，其特征在于：所述方法具体包括如下步骤：

（1）、确定中空纤维气体分离膜组件的材料，对被污染的气体膜组件性能进行测试，并与膜组件的初始性能（出厂性能）进行比较；

（2）、通过正、反双向清洗系统向膜组件泵入清洗液，静置浸泡一定时间使清洗液充分浸润、溶胀和溶解污染物，然后通过间歇气流扰动系统鼓入脉冲气流，在浸泡入清洗液中的膜丝表面形成气流扰动，从而使污染物脱离膜丝表面。清洗完成后将清洗液从排空阀排出；

（3）、清洗液通过正反双向清洗系统分别进行正、反双向加压清洗，清洗完成后将清洗液从排空阀排出；

（4）、按照控制系统设定的参数，通过阶梯温度吹扫系统温度由低到高逐步进行吹扫，进一步去除残留污染物和清洗剂。低温吹扫主要去除大部分残留的清洗剂和污染物，防止清洗试剂由于高温及在膜组件内聚集造成的危险，高温吹扫可以对残余的清洗剂和有机污染物等进行高温裂解并完全清除，使中空纤维气体膜组件的性能得到彻底修复。

（5）、对清洗及吹扫干净的中空纤维气体膜组件进行性能测试，并与膜组件的初始性能（出厂性能）进行比较。

所述中空纤维气体分离膜组件可以为内压式或外压式，膜组件的材料包括聚砜（PSF）、聚醚砜(PES)、聚酰亚胺(PI)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯醚(PPO)等高分子材料。

所述清洗液静置浸泡时间为2-20小时。

所述控制系统中扰动气流启停频率为2-30次/分钟，启动与停止时间相同，扰动气流的流量为5-20 m3/h，清洗时间为0.5-4小时。

所述正、反双向加压清洗时间为0.5-4小时，清洗压力为0.05-0.2MPa。

所述阶梯温度吹扫空气流量30-120m³/h，吹扫温度分别为40-120^oC、吹扫时间分别为1-4小时。

由于以上技术方案的实施，本发明相较于现有技术具有如下显著特点及优势：

1、用清洗泵向膜组件内注入清洗液后静置浸泡并通过间歇气流扰动系统鼓入微细气泡，在浸入清洗液中的膜丝表面形成气流扰动，从而使污染物脱离膜丝表面；2、通过正、反双向清洗系统将清洗液对中空纤维膜组件分别进行正向、反向加压清洗，在清洗液快速剪切力作用下使污染物脱离膜丝表面。3、清洗之后的膜组件经过阶梯温度吹扫系统温度由低到高逐步进行吹扫，低温吹扫主要去除大部分残留的清洗剂和污染物，防止清洗试剂由于高温及在膜组件内聚集造成的危险，高温吹扫可以对残余的清洗剂和有机污染物等进行高温裂解并完全清除，使中空纤维气体膜组件的性能得到彻底修复。4、本发明可有效提高中空纤维气体膜组件的清洗效果及效率，缩短清洗时间，降低清洗成本，同时工艺简单，操作方便，可广泛应用于各种中空纤维气体膜组件清洗。

本发明涉及一种中空纤维气体分离膜组件清洗装置及方法，设备投资小，运行维护成本低，可以针对污染状况不同的膜组件进行清洗，通过静置浸泡气流扰动系统，正向、反向加压清洗和阶梯温度吹扫，提高清洗效果及效率，缩短清洗时间，使膜组件的性能得到全面修复，延长膜组件的使用寿命，节省了更换膜组件的巨额成本。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图1中：1. 清洗液罐；2. 清洗泵；3. 压力表；4.排空阀一；5.排空阀二；6.中空纤维气体分离膜组件；7. 空压机；8. 流量计；9. 控制系统；10. 加热器；11. 放气阀；12. 扰动气流发生器；13. 止逆阀；14.阀门一；15.阀门二；16.阀门三；17.阀门四；18.阀门五；19.阀门六；20.阀门七；21.原料气口；22.渗余气口；23.渗透气口一；24.渗透气口二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明公开了一种中空纤维气体分离膜组件清洗装置，包括中空纤维气体分离膜组件6、正反双向清洗系统、阶梯温度吹扫系统以及间歇气流扰动系统，所述中空纤维气体分离膜组件原料气口21、渗余气口22、渗透气口一23、渗透气口二24分别通过螺纹与正反洗管路连接；所述双向清洗系统由清洗液罐1、清洗泵2、压力表3、正反洗管路及排空阀一4、排空阀二5组成，清洗液进液管路在清洗泵2及压力表3后经过三通分支成两路，再通过螺纹分别与膜组件原料气21和一侧的渗透气口一23连接，膜组件渗余气口22和另一侧的渗透气口24通过螺纹与管路相接并由三通合成一路形成清洗液回液管路；所述阶梯温度吹扫系统由空压机7、流量计8、控制系统9、加热器10、吹扫管路及排空阀一4组成；所述间歇气流扰动系统由空压机7、流量计8、控制系统9、扰动气流发生器12、止逆阀13及放气阀11组成，所述阶梯温度吹扫和间歇气流扰动系统管路在经过空压机7、流量计8和控制系统9后由三通分支为两路，一路通过加热器10后由三通与膜组件原料气口21管路相连，形成阶梯温度吹扫系统；另一路通过扰动气流发生器12后由三通与膜组件渗余气口22管路相连，形成间歇气流扰动系统。

其工作原理为：确定中空纤维气体分离膜组件的材料，对膜组件初始性能进行测试。通过清洗液罐1、清洗泵2，打开阀门三16、阀门四17，正向打入清洗液后关闭阀门，然后打开阀门五18、阀门六19，反向打入清洗液后关闭阀门，止逆阀13防止清洗液进入气流扰动系统管路。静置浸泡一段时间后，通过空压机7、控制系统9、扰动气流发生器12，打开阀门七20通入间歇气流扰动清洗，脉冲气流从上端放空阀11排出，间歇气流扰动清洗完成后，打开排空阀4排除清洗液。清洗液通过正向清洗系统，打开阀门三16、阀门四17及反向清洗系统，打开阀门五18、阀门六19分别进行加压清洗，清洗完成后将清洗液分别从排空阀一4、排空阀二5排出。设定控制系统参数，打开阀门一14、阀门二15，通过由低到高阶梯温度吹扫膜组件，彻底清除残留污染物和清洗剂，吹扫气从排空阀4排空。对清洗完的中空纤维气体膜组件进行性能测试，并与膜组件的初始性能（出厂性能）进行比较。

实施例1

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚砜中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为6小时，控制系统中气流启停频率为10次/分钟，扰动气流的流量为10 m³/h，扰动气流清洗1小时，正反双向加压清洗时间为1小时，清洗压力为0.1MPa，阶梯温度吹扫流量50m³/h，吹扫温度分别为60、80、100℃，吹扫时间分别为2、2、1小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件分别为组件1-3，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表1。

实施例2

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚砜（PSF）中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为6小时，控制系统中气流启停频率为15次/分钟，扰动气流的流量为20 m³/h，扰动气流清洗2小时，正反双向加压清洗时间为1小时，清洗压力为0.1MPa，阶梯温度吹扫流量50m³/h，吹扫温度分别为60、80、100^oC，吹扫时间分别为2、2、1小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件分别为组件4-6，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表1。

对比例1

运用本发明公开的浇注中空纤维膜组件的方法，采用清洗液浸泡2天，不采用脉冲气流扰动系统，其余条件与实施例1和实施例2相同。按照前述的具体操作流程分别清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件，分别为组件7-9，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表1。

表1 实施例1、2及对比例1的膜组件清洗情况对比

从表1可以看出，采用间歇气流扰动系统清洗膜组件后，膜组件的性能由初始性能的50%左右提升到90%以上，采用清洗液静置浸泡处理的膜组件的性能由初始性能的50%左右提升到70%左右。间歇气流扰动系统可以有效去除膜丝表面的污染物，使膜组件的修复率提高了20%以上，完全达到使用标准。

实施例3

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚酰亚胺中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为10小时，控制系统中气流启停频率为10次/分钟，扰动气流的流量为15 m³/h，扰动气流清洗1.5小时，正向加压清洗时间为3小时，反向加压清洗时间为1小时，清洗压力为0.1MPa，阶梯温度吹扫流量70m³/h，吹扫温度分别为60、90、120℃，吹扫时间分别为2、1、2小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件 (组件1-3)进行平行实验，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表2。

实施例4

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚酰亚胺中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为10小时，控制系统中气流启停频率为10次/分钟，扰动气流的流量为15 m³/h，扰动气流清洗1.5小时，正向加压清洗时间为2小时，反向加压清洗时间为1.5小时，清洗压力为0.15MPa，阶梯温度吹扫流量70m³/h，吹扫温度分别为60、90、120℃，吹扫时间分别为2、1、2小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件 (组件4-6)进行平行实验，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表2。

对比例2

运用本发明公开的浇注中空纤维膜组件的方法，不采用正反双向加压清洗，其余条件与实施例3和实施例4相同。按照前述的具体操作流程分别清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件，分别为组件7-9，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表2。

表2 实施例3、4及对比例2的膜组件清洗情况对比

从表2可以看出，采用正反双向加压清洗系统清洗膜组件与不采用该系统相比，膜组件的修复率提高了20%以上，使膜组件的性能由初始值的13%左右恢复到80%以上，有效地去除膜丝表面的污染物，提高清洗效率。

实施例5

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚酰亚胺中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为12小时，控制系统中气流启停频率为6次/分钟，扰动气流的流量为15 m³/h，扰动气流清洗1小时，正向加压清洗时间为2小时，反向加压清洗时间为1小时，清洗压力为0.1MPa，阶梯温度吹扫流量100m³/h，吹扫温度分别为60、90、120℃，吹扫时间分别为2、3、2小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件 (组件1-3)进行平行实验，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表3。

实施例6

运用本发明公开的清洗中空纤维气体分离膜组件的方法，清洗聚酰亚胺中空纤维气体分离膜组件，对膜组件初始性能进行测试，泵入清洗液静置浸泡时间为12小时，控制系统中气流启停频率为6次/分钟，扰动气流的流量为15 m³/h，扰动气流清洗1小时，正向加压清洗时间为2小时，反向加压清洗时间为1小时，清洗压力为0.1MPa，阶梯温度吹扫流量80m³/h，吹扫温度分别为80、95、115℃，吹扫时间分别为3、2、2小时。按照前述的具体操作流程清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件 (组件4-6)进行平行实验，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表3。

对比例3

运用本发明公开的浇注中空纤维膜组件的方法，采用常温吹扫5小时，不采用阶梯温度吹扫系统，其余条件与实施例5和实施例6相同。按照前述的具体操作流程分别清洗同批次、污染程度相近的三根膜组件，分别为组件7-9，清洗结束后对膜组件性能进行测试，结果参见表3。

表3 实施例5、6及对比例3的膜组件清洗情况对比

从表3可以看出，采用阶梯温度吹扫系统可以去除残余的清洗剂并在高温吹扫条件下使有机污染物裂解，与不采用该系统相比，膜组件的修复率提高了30%以上，使膜组件的性能由初始值的10%左右恢复到80%以上，取得很好的清洗效果，完全达到使用标准。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。