一种用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳以及装置的制作方法

本发明涉及腐蚀性液体反渗透处理技术领域，具体涉及一种用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳以及包含该膜壳的腐蚀性液体反渗透处理装置。

背景技术：

在水处理技术中，反渗透法以其设备简单、易于维护和设备模块化的优势已迅速占领市场，不仅适用于海水淡化,也适合于苦咸水淡化。反渗透膜分离的特点是它的“广谱”分离，即它不但可以脱除水中的各种离子，而且可以脱除比离子大的微粒，如大部分的有机物、胶体、病毒、细菌、悬浮物等，故反渗透分离法又有广谱分离法之称。

由于在反渗透过程的推动力是压力，过程中没有发生相变化，反渗透膜仅起着“筛分”的作用，因此反渗透分离过程所需能耗较低。在现有海水和苦咸水淡化中，反渗透法是最节能的，生产同等质量的淡水，其能源消耗仅为蒸馏法的1/40。因此，世界上的发达国家均将反渗透法作为海水淡化的主流研究方向。据报道，目前反渗透法海水淡化处理的市场占有率高达40％左右，具有具有广泛的应用前景。

装载反渗透膜元件的膜壳是反渗透水处理装置中的重要部件，属于压力容器，在高压、高流速、浓缩介质等不利条件下长期、连续操作运行，不仅要承受高压力，而且内壁表面还要承受浓缩介质的高压、高速冲刷而造成的内壁表面侵蚀和磨损。因此，作为装载反渗透膜元件的膜壳，主要有以下几方面的技术要求：

(1)膜壳的内表面与反渗透介质直接接触，因此有耐化学腐蚀的要求；

(2)膜壳的内表面与反渗透介质直接接触，并需长期连续承受浓缩介质的高压、高速冲刷，因此有耐机械物理侵蚀和磨损的要求；

(3)膜壳整体承受高压力，因此具有耐高压的要求；

(4)膜壳外表面不与介质接触，仅有耐环境化学腐蚀的要求。

目前，膜壳根据所用的材料，可划分为不锈钢类、玻璃钢类以及工程塑料类等三大类。

从理论上来说，金属壳体的内表面光滑、硬度高、质地均匀致密，表面耐高压冲刷而造成的磨损性能更强，比玻璃钢等非金属材料更适应浓缩液体高压、高速冲刷的工况。但是，普通金属材料的耐化学腐蚀性远低于玻璃钢材料，其受损的机理主要是化学腐蚀。因此，不锈钢膜壳的材质选择取决于介质溶液的化学腐蚀性，处理腐蚀性弱的介质时，可采用304等低牌号不锈钢，但处理盐水、浓盐水或其他腐蚀性强的溶液时，需选用316l、双相钢等高牌号不锈钢，甚至钛合金材料，价格高昂。

在如图5所示的不锈钢膜壳反渗透装置200中，传统的不锈钢膜壳210是用同种材质的金属材料制成的，在压力较低的反渗透系统中，不锈钢膜壳210的壁厚较薄，重量较轻，价格较低，因此在低压反渗透系统中不锈钢膜壳尚有较广泛的应用。但在高压系统中，如图6所示，(a)中膜壳的设计承受压力≤1.0mpa、膜壳的厚度为3mm，(b)中膜壳的设计承受压力为6.4mpa、膜壳的厚度为5mm，可以看出，不锈钢膜壳的壁厚、重量将随耐压等级的提升而大幅度增加，价格也大幅度提升，因此，不锈钢等金属膜壳在高压反渗透系统中很少应用。

在如图7所示的玻璃钢膜壳反渗透装置300中，玻璃钢膜壳310的主要材料是环氧树脂311和玻璃纤维312(如图8所示)，采用微机控制自动化缠绕、灌胶并经特殊工艺处理固化成型，具有强大的耐压、耐温、耐化学腐蚀性能，与金属膜壳相比，具有重量轻、耐化学腐蚀性强、绝热性好、价格低等优势，因此在反渗透系统，尤其是在高压反渗透系统中得到极其广泛的应用。

但是，玻璃钢膜壳310的制造和应用中存在以下问题：

1.如图8所示，玻璃钢制品的基材是环氧树脂311和玻璃纤维312，其中，玻璃纤维312是补强材料，环氧树脂311是粘合剂。玻璃钢制品的耐压性能与玻璃纤维312的缠绕结构和环氧树脂311的固化工艺相关，当结构尺寸合理、固化工艺稳定、内在质量可靠时，玻璃钢膜壳310可承受静态高压工况，并能保持长期稳定的运行

2.玻璃钢制品的表面硬度和耐机械、物理磨损性能则取决于环氧树脂。环氧树脂311是一种有机材料，其表面硬度和机械、物理耐磨性能远低于不锈钢等金属材料，在浓缩介质长期、连续、高压、高速冲刷膜壳内表面的工况下，介质对玻璃钢膜壳310内表面的冲刷、侵蚀是不可避免的。如图9所示，玻璃钢膜壳310的受损机理不是介质的化学腐蚀，而是有机材料的表面硬度低、受高压、高速流体冲刷所造成的机械性侵蚀破坏。

3.玻璃钢膜壳310的受损破坏速度与以下因素有关：

(1)如图10所示，在投入运行之初，膜壳内表面有环氧树脂311保护，补强材料玻璃纤维312不与高压高速流动的液体接触，膜壳内壁的侵蚀与磨损速度大体上呈线性规律上升，但当内表面的环氧树脂311被磨损到一定程度后，补强材料玻璃纤维312就将暴露出来，而高压浓缩介质的流动冲刷方向与玻璃纤维312的缠绕方向几乎是垂直的，不仅加大了膜壳内壁对流体的阻力，同时也加剧了流体对膜壳内壁的磨损和破坏作用，如此恶性循环的结果，将导致膜壳内壁的加速磨损，损害速度将呈指数规律上升。长期运行后，膜壳厚度将因内壁的磨损而逐渐下降，导致膜壳整体耐压能力的下降，如不能及时发现和更换，将产生严重后果。

(2)玻璃钢制品的性能与环氧树脂固化成型后包含的气隙、气孔量有密切关系。为提高玻璃钢制品的性能，需要采用“真空、压力灌注，模压固化成型”工艺，以降低树脂中的气隙含量，提高玻璃钢制品的密度，甚至达到无气隙的程度。但该工艺价格高昂。由于膜壳体积庞大，规格繁多，长度可达8m以上，故目前玻璃钢膜壳制造均采用“玻璃纤维连续浸胶、微机控制自动缠绕上胶固化成型”工艺，并未采用“无气隙真空压力模压成型”工艺，因此固化后的环氧树脂中含有大量微小气孔、气泡313，在高压、高速浓缩液体的冲刷下，这些小气孔将逐渐被侵蚀、连接成片，最终导致膜壳内表面的受损、剥脱、损坏。

(3)目前的玻璃钢膜壳制造工艺是采用“玻璃纤维丝缠绕”作为补强(如图11所示)，而不是采用“玻璃纤维布缠绕”作为补强材料(如图12所示)，因此，膜壳只有径向玻璃纤维312补强，而没有轴向的玻璃纤维补强，导致膜壳轴向、径向耐压水平差距很大，当膜壳内表面被侵蚀到一定程度后，由于应力集中而率先产生轴向破坏。

(4)膜壳的固化成型工艺是在非密闭的烘箱内进行，而不是在模具内固化成型。玻璃纤维浸胶缠绕在芯棒上后在烘箱内旋转加热固化，环氧树脂的固化度受烘箱热场分布均匀度的影响很大，导致膜壳制品各部位的的质量分散性也很大，而且工件愈大，膜壳制品的质量分散性也愈大。而高压、高速介质在膜壳各部位中的侵蚀作用是一致的，膜壳的薄弱部位易先受损，产生应力集中，导致膜壳由于应力集中而迅速损坏。

(5)玻璃钢膜壳属单件制造，每件制品、每批产品、不同厂家的产品质量均不相同，相同规格、不同厂商的价格差异可达数倍之巨，而验收方式又只有静态耐压试验，不能反映耐高压高速冲刷性能，也难以评估质量的高下，只能在长期运行后才能暴露，用户风险较大。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺点或不足，本发明要解决的技术问题是提供一种用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳以及包含该膜壳的腐蚀性液体反渗透处理装置。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

方案一：

本发明提供了一种用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳，其特征在于，包括：外侧层；以及与外侧层相结合的内侧层，用于与腐蚀性液体接触，其中，外侧层为碳素钢层，内侧层为钛合金层。

本发明提供的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳，还可以具有这样的特征：还包括：结合层，设置在钛合金层和碳素钢层之间，钛合金层通过结合层与碳素钢层相结合。

本发明提供的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳，还可以具有这样的特征：其中，结合层为由铜基钎料、镍基钎料、铝基钎料和银基钎料中任一种材料制成的层，结合层的厚度为0.02～0.05mm。

本发明提供的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳，还可以具有这样的特征：其中，钛合金层为由ti1、ti2、ti3、ti4、ti5、ti6、ti7、ti8、ti9和ti10中任一种材料制成的层，钛合金层的厚度为0.2～2.0mm，碳素钢层的厚度为2～100mm。

方案二：

本发明提供的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳，还可以具有这样的特征：其中，膜壳呈圆筒状，具有两个端部，钛合金层沿膜壳的中心轴方向伸出碳素钢层的端部而形成伸出端部。

方案三：

本发明还提供了一种腐蚀性液体反渗透处理装置，其特征在于，包括：呈筒状且具有两个端部的膜壳；以及分别设置在膜壳的两个端部上的二个法兰圈、二个法兰端盖和二个卡箍，其中，膜壳为方案一中的膜壳，法兰圈固定设置在膜壳的端部上，法兰端盖安装在法兰圈上，卡箍将法兰端盖的外缘部与法兰圈的外缘部卡紧。

本发明还提供了一种腐蚀性液体反渗透处理装置，其特征在于，包括：膜壳；以及分别设置在膜壳的两个端部上的二个法兰圈、二个法兰端盖和二个卡箍，其中，膜壳为方案二中的膜壳，法兰圈的内环面套接在钛合金层的伸出端部上，一个端面和碳素钢层的端部焊接连接，另一个端面和法兰端盖相接触，卡箍将法兰端盖的外缘部与法兰圈的外缘部卡紧。

本发明提供的腐蚀性液体反渗透处理装置，还可以具有这样的特征：还包括：设置在膜壳内的反渗透膜元件，内部设置有收集淡水的收集管；以及与收集管相连通并将淡水导出的导出管，其中，导出管的外壁套设有挡圈，法兰端盖的内端上设置有与挡圈相匹配的凹槽，导出管的一端与收集管相连接，另一端穿过法兰端盖而伸出法兰端盖，挡圈嵌入在凹槽内，端盖上设置有供导出管穿过的通孔。

本发明提供的腐蚀性液体反渗透处理装置，还可以具有这样的特征：其中，导出管伸出法兰端盖的外端的部分上安装有紧固螺母。

本发明提供的腐蚀性液体反渗透处理装置，还可以具有这样的特征：其中，挡圈与导出管是一体成型的。

发明作用与效果

本发明涉及的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳以及包含该膜壳的腐蚀性液体反渗透处理装置，首先，因为膜壳包括外侧层和用于与腐蚀性液体相接触的内侧层，外侧层为具有优异的机械性能且价格低廉的碳素钢层，内侧层为具有优异的耐化学腐蚀、耐机械侵蚀性能的钛合金层，碳素钢层用来承担膜壳的耐高压要求，钛合金层用来承担膜壳的高压、高速流动的高浓度腐蚀性液体侵蚀的要求，使膜壳同时满足耐高压工况以及耐高速流动的高浓度腐蚀性液体侵蚀工况的要求，并且承受压力越大、碳素钢层与钛合金层的厚度比差越大，经济效果越明显，大大降低了制造成本，提高了运行寿命和可靠性，具有显著的技术、经济和社会效应。

其次，由于钛合金层沿膜壳的中心轴方向伸出碳素钢层的端部而形成伸出端部，法兰圈套设在伸出端部上并与碳素钢层的端部焊接连接，有效地增加了膜壳的密封性，也方便生产制造。

再次，在钛合金层与碳素钢层之间设置有结合层，有效地增加了碳合金层与碳素钢层之间的结合强力。

附图说明

图1是本发明的实施例中腐蚀性液体反渗透处理装置的结构示意图；

图2是本发明的实施例中法兰端盖的结构示意图；

图3是本发明的实施例中导出管的结构示意图；

图4是本发明的实施例中膜壳和法兰圈的相对位置关系的局部放大示意图；

图5是现有技术中不锈钢膜壳反渗透装置的结构示意图；

图6是现有技术中不锈钢膜壳的壁厚随承受压力变化示意图；

图7是现有技术中玻璃钢膜壳反渗透装置的结构示意图；

图8是现有技术中玻璃钢膜壳的横截面结构示意图；

图9是现有技术中玻璃钢膜壳在冲刷磨损工况下的侵蚀受损机理示意图；

图10是现有技术中玻璃钢膜壳长期冲刷磨损而加速侵蚀破坏机理示意图；

图11是现有技术中玻璃纤维缠绕的玻璃钢膜壳的轴向、径向耐压能力示意图；

图12是现有技术中玻璃布缠绕补强的玻璃钢膜壳的轴向、径向耐压能力示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

<实施例一>

本实施例以反渗透海水淡化为例，来说明腐蚀性液体反渗透处理装置的构思、具体结构以及工作原理。

图1是本发明的实施例中腐蚀性液体反渗透处理装置的结构示意图。

如图1所示，一种腐蚀性液体反渗透处理装置100，包括呈圆筒状的膜壳10、二个法兰圈20、二个法兰端盖30、二个卡箍40、反渗透膜元件50、导出管60、原水进水管70和浓水出水管80。

如图1所示，膜壳10呈圆筒状且具有两个端部，包括外侧层以及与外侧层相结合的内侧层，内侧层用于与海水相接触。本实施例中，膜壳10的内径为2～32英寸。

外侧层为碳素钢层11，用于承受反渗透海水淡化系统的静态高压。碳素钢层11的厚度根据膜壳10的承受压力等级计算得到。本实施例中，碳素钢层11的厚度为2～100mm，膜壳10的承受压力为300psi～3000psi，能够很好地满足反渗透海水淡化系统的压力要求。

当用于其他腐蚀性液体的反渗透处理时，压力等级可根据不同要求进行选择，只需增大碳素钢层的壁厚，耐压等级即可提高到3000～10000psi，甚至更高，但钛合金层厚度不变。

内侧层为钛合金层12，用于承受高压、高速流动的高浓度腐蚀性海水的冲刷和侵蚀。钛合金层12为由ti1、ti2、ti3、ti4、ti5、ti6、ti7、ti8、ti9和ti10中任一种材料制成的层，具有良好的耐化学腐蚀、耐侵蚀的性能。钛合金层12厚度的选择视海水的腐蚀性和反渗透海水淡化处理的要求等而定，与膜壳10的耐压等级无关。本实施例中，钛合金层12的厚度为0.2～2.0mm，能够使膜壳10很好地满足反渗透海水淡化系统的耐化学腐蚀、耐物理侵蚀的要求。

如图1所示，法兰圈20、法兰端盖30和卡箍40设置在膜壳10的端部上，具体为：

法兰圈20固定设置在膜壳10的端部上，本实施例中是通过焊接方式固定的。

图2是本发明的实施例中法兰端盖的结构示意图。

如图1和图2所示，法兰端盖30安装在法兰圈20上，法兰端盖30的中央位置上设置有通孔31，内端上设置有用于嵌设的凹槽32。

如图1所示，卡箍40将法兰端盖30的外缘部与法兰圈20的外缘部卡紧。具体实施例中，相对应的法兰圈20的端面与法兰端盖30的端面之间设置有o形密封圈33；法兰端盖30与钛合金层12之间设置有二道密封圈34。

如图1所示，反渗透膜元件50设置在膜壳10内，其内部设置有收集淡水的收集管51。

图3是本发明的实施例中导出管的结构示意图。

如图1和图3所示，导出管60与收集管51相连通并用于将淡水导出，外壁套设有与其一体成型的挡圈61，该挡圈61的形状和尺寸与法兰端盖30的内端上的凹槽32相匹配。

导出管60的一端与收集管51相连接，另一端穿过法兰端盖30的通孔31而伸出法兰端盖30；挡圈61嵌入在凹槽32内。导出管60伸出法兰端盖30的外端的部分上安装有紧固螺母62。通过挡圈61和紧固螺母62相配合的结构，能够将导出管60牢固地固定在法兰端盖30上。

具体实施例中，收集管51的端部插置在相对应的导出管60的端部内，收集管51的端部的外壁与导出管60的端部的内壁之间设置有二道密封圈51a。凹槽32的内端面与相对应的挡圈61的端面之间设置有o形密封圈32a。通孔31与相对应的导出管60的部分的外面之间设置有密封圈31a。

如图1和图2所示，原水进水管70和浓水出水管80分别设置在膜壳10的两端的壳壁上，并与膜壳10的内部相连通。

本实施例的腐蚀性液体反渗透处理装置的工作过程为：

高压水泵将待反渗透处理的腐蚀性液体或原海水高压输出，从原水进水管70进入膜壳10中，使整个膜壳10的内部充满高压原海水。在高压作用下，一部分原海水(10～30％)透过反渗透膜元件50形成淡水，由收集管51进行收集，再经导出管60流出膜壳10；大部分的原海水(70～90％)形成浓海水，在膜壳10的内壁与反渗透膜元件50之间的空腔内高速流动，经浓水出水管80流出膜壳10。

<实施例二>

本实施例二是实施例一的进一步改进，对于和实施例一中相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

图4是本发明的实施例中膜壳和法兰圈的相对位置关系的局部放大示意图。

如图4所示，钛合金层12沿膜壳10的中心轴方向伸出碳素钢层11的端部而形成伸出端部12a。法兰圈20的内环面20a套接在钛合金层12的伸出端部12a上；法兰圈20的一个端面20b和碳素钢层11的端部焊接连接，另一个端面20c和法兰端盖30相接触，

如上所述，膜壳10的端部形成由碳素钢层11和钛合金层12的伸出端部12构成的结构，有效地增加了膜壳的密封性，也方便生产制造。

<实施例三>

本实施例三是对实施例一或实施例二的进一步改进，对于和实施例一以及实施例二中相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。

钛合金层12和碳素钢11之间还设置有结合层，钛合金层12通过该结合层与碳素钢层11相结合，有效地增加了碳合金层12与碳素钢层11之间的结合强力。

结合层为由铜基钎料、镍基钎料、铝基钎料和银基钎料中任一种材料制成的层，结合层的厚度为0.02～0.05mm。

实施例作用与效果

本实施例涉及的用于腐蚀性液体反渗透处理装置的膜壳以及包含该膜壳的腐蚀性液体反渗透处理装置，首先，因为膜壳包括外侧层和用于与海水相接触的内侧层，外侧层为具有优异的机械性能且价格低廉的碳素钢层，内侧层为具有优异的耐化学腐蚀、耐机械侵蚀性能的钛合金层，碳素钢层用来承担膜壳的耐高压要求，钛合金层用来承担膜壳的耐高压、高速流动的高浓度腐蚀性液体侵蚀的要求，使膜壳同时满足耐高压工况以及耐高速流动的高浓度腐蚀性液体侵蚀工况的要求，并且承受压力越大、碳素钢层与钛合金层的厚度比差越大，经济效果越明显，大大降低了制造成本，提高了运行寿命和可靠性，具有显著的技术、经济和社会效应。

其次，由于钛合金层沿膜壳的中心轴方向伸出碳素钢层的端部而形成伸出端部，法兰圈套设在伸出端部上并与碳素钢层的端部焊接连接，有效地增加了膜壳的密封性，也方便生产制造。

再次，在钛合金层与碳素钢层之间设置有结合层，有效地增加了碳合金层与碳素钢层之间的结合强力。