一种内压式中空纤维膜组件的使用方法及其装置与流程

本发明属于膜分离领域，涉及内压式中空纤维膜组件，尤其是一种内压式中空纤维膜组件的使用方法及其装置。

背景技术：

内压式中空纤维膜分离技术现已被广泛用于化工、医药、食品、饮料、水处理等工业领域中的分离与纯化。

目前通用的内压式中空纤维膜组件结构中，中空纤维膜丝均为平行排布，两端用环氧树脂等封端密封胶固定在膜组件的外壳中。膜过滤时，料液从膜丝管程的一端进入膜丝内部，浓缩液从膜丝管程的另一端流出膜组件，滤过液则透过中空纤维膜壁，从膜组件的壳程流出膜组件，料液单向流动而完成膜过滤操作。在全管程流动过程中，料液侧压力都大于滤过液侧压力，中空纤维内压膜整体都处于过滤状态。

在实际的膜过滤操作过程中，都会因膜污染的发生，导致膜通量的显著下降。尤其是膜过滤技术用于生化发酵液等浓粘高污染物料体系时，靠近入口处的中空纤维膜污染问题严重，膜分离装置的过滤效率下降，甚至会使膜过滤过程无法正常进行。目前的解决方法是延长膜过滤时间，低效运作；或者停机，清洗或更换膜组件后，再继续膜过滤操作。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有内压式中空纤维膜使用方法的缺陷，提供一种新的内压式中空纤维膜组件的使用方法，具有膜过滤过程和膜清洗过程同时在线进行的优点，同时还具有简便易行、高效低耗的特点。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种内压式中空纤维膜组件的使用方法，在滤过液的出口管线上设置滤过液出口压力调节阀，膜过滤过程中，膜组件的滤过液侧出口压力值要高于膜组件浓缩液出口处的压力值，差值设定为0.02-0.08mpa，从而使靠近浓缩液出口端的膜处于反向冲洗状态。

而且，料液在膜组件管程中的流动方向周期性逆转。

而且，在浓缩液出口的管线上设置浓缩液出口压力调节阀及开关阀。

而且，调节浓缩液出口管线上压力调节阀使浓缩液出口侧压力为0.03-0.05mpa。

而且，使开关阀在每个膜过滤周期的中间时段开启1～5min，实现脉冲清洗。

一种内压式中空纤维膜组件装置，包括膜组件、料液槽、泵、压力调节阀、多个开关阀，料液槽连接进料管的一端，在进料管上安装有泵，进料压力调节阀，进料管的另一端连通连接两分支进料管的一端，两分支进料管的另一端分别连接膜组件的上端口和下端口，在连接上端口的分支进料管上安装上进料开关阀、在连接下端口的分支进料管上安装下进料开关阀，上端口连接上分支浓缩液管的一端，下端口连接下分支浓缩液管的一端，在上分支浓缩液管上安装上浓缩液开关阀，在下分支浓缩液管上安装下浓缩液开关阀，上分支浓缩液管与下分支浓缩液管的另一端共同连接浓缩液总管，浓缩液总管连接料液槽，在滤过液的出口管线上安装滤过液出口压力调节阀及压力表。

而且，在浓缩液总管上安装浓缩液出口压力调节阀及压力表。

而且，所述的膜组件内膜丝除了常规的平直排布，采用辫子状三股编织或螺旋状扭曲的形式更好。除了常规的1米长度，还可以加长至2米，减少膜装置占地。

而且，可以提高膜组件管程的进口压力值，提高膜过滤功效。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明克服了常规膜分离装置需要停止膜过滤、离线清洗的弊端，具有结构简单、使用方便、膜过滤功效提高等诸多优点。

2、本发明通过调节滤过液侧压力，使最靠近入口端区域的膜处于较高压力的膜过滤状态，最靠近出口端区域的膜处于反向冲洗状态。具有膜过滤过程和膜清洗过程同时在线进行的优点。而且，反洗恢复膜通量的效果要优于等压清洗，所以可以提高膜装置的过滤效率。

附图说明

图1为本发明第一种内压式中空纤维膜组件装置示意图；

图2为本发明第二种内压式中空纤维膜组件装置示意图；

图3为辫子状三股编织中空纤维膜组件示意图；

图4为螺旋状扭曲中空纤维膜组件示意图；

图5为常规的平直排布中空纤维膜组件示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种内压式中空纤维膜组件装置，如图1所示，包括膜组件18、料液槽1、泵2、压力调节阀3和14、多个开关阀5、6、7、8，在连接料液槽与膜组件18的进料管上安装有泵2和进料压力调节阀3，进料管的另一端分两支，分别连接膜组件18的上端口和下端口，在连接上端口的分支进料管上安装上进料开关阀5、在连接下端口的分支进料管上安装下进料开关阀6。膜组件18上端口连接上分支浓缩液管的一端，膜组件18下端口连接下分支浓缩液管的一端，在上分支浓缩液管上安装上浓缩液开关阀7，在下分支浓缩液管上安装下浓缩液开关阀8，上分支浓缩液管与下分支浓缩液管的另一端共同连接浓缩液总管，浓缩液总管连接料液槽1，在膜组件18滤过液的出口管线上安装滤过液出口压力调节阀14及压力表13。

图中阀门5、6、7、8为开关阀，可以为手动蝶阀或球阀，最好为自动阀，如气动或电动的球阀、蝶阀等。

料液从料液槽1经过输送泵2提升压力，通过进料压力调节阀3调节膜组件18的入口压力表4的值为0.05-0.30mpa，首先通过全开的阀门6，从膜组件18下口9进入膜组件18中，浓缩后的料液从上口10流出膜组件18，经过全开的阀门7，返回料液槽1，膜过滤的滤过液从膜组件18侧出口11流出膜装置，再经过调节阀14排出膜过滤装置，此时阀门5和8为全闭状态。

如果没有设置阀门14和压力表13。膜过滤的滤过液从膜组件18侧出口11流出膜装置，膜组件18侧出口11无压，因膜装置中膜滤过液出口管路长度、粗细等原因，可能稍带有低压，如果测试的话，一般压力表13的读数为0-0.02mpa。在膜过滤过程中，由于膜浓缩液出口阀门7或8为全开状态，由于浓缩液出口管路长度、粗细等原因，使膜组件18浓缩液出口处9或10压力为0-0.02mpa。本发明调节阀门14的开度，使压力表13的读数值比膜组件18浓缩液出口压力表17的压力值高0.02-0.08mpa，优选为0.03-0.05。

当膜分离装置过滤运行一定时间后，随着膜污染加重，膜分离装置的滤过液通量明显降低时，将料液在膜管程中的流动方向进行逆转，即，全开阀门5和8，全闭阀门6和7。这时，料液通过全开的阀门5，从膜组件18上口10进入膜组件18中，浓缩后的料液从下口9流出膜组件18，经过全开的阀门8，返回料液槽1，膜过滤的滤过液仍旧从膜组件18侧出口11流出，再经过调节阀14排出膜过滤装置，此时阀门6和7为全闭状态。维持运行一定时间后，通过阀门5、6、7、8的再次开闭切换，使料液在膜管程流动方向再次逆转。由此通过阀门5、6、7、8的周期性开闭切换，最终完成料液的膜过滤操作。依据膜过滤时，实际滤过液通量的下降速度，来确定料液的流动方向的逆转周期，本发明的逆转周期一般为10-60分钟。阀门5、6、7、8的周期性开闭切换，可以通过plc等程序控制，进行自动操作，也可以手动操作。图中阀门12为膜装置的低位排空阀，膜过滤时处于关闭状态。

在膜装置滤过液出口管路中本发明新增设置了压力表13和调节阀14，在膜过滤过程中，通过调节阀14使滤过液压力表13读数值为0.02-0.08mpa，优选为0.03-0.05。这样，当料液从膜组件18下端口9进入，上端口10流出时，因料液进入端区域的跨膜压力较大，使靠近入口端区域的膜丝处于较高压力的膜过滤状态。由于料液在膜内流动阻力造成的压力损失，会使远离入口端(即靠近出口端)的膜丝的跨膜压力逐渐减小；当膜组件18侧口11处用阀门14调整压力表13读数为0.02-0.08mpa的压力后，由于膜组件18内滤过液侧压力会大于膜组件18料液浓缩出口处压力，这样靠近中空纤维膜出口端的膜丝跨膜压力为负值，所以，最靠近出口端的膜实际上不是处于膜过滤状态，而是依次处于反洗、等压冲洗和微压状态。即，最靠近入口端区域的膜处于较高压力的膜过滤状态，最靠近出口端区域的膜处于反向冲洗状态。当料液的流动方向逆转后，中空纤维膜的进口端与出口端互换，同样由于膜组件18内滤过液侧压力会大于料液浓缩出口处压力，那么，刚反洗过的膜组件18的上部膜丝进入膜过滤状态，膜污染最严重的下部膜丝则进入反洗状态。通过料液的周期性流向逆转，原处于较高压力的膜过滤状态的膜丝被置于反向冲洗状态，原处于反向冲洗状态的膜丝被置于较高压力的膜过滤状态。即，膜污染重的入口区域处于清洗效果最好的反洗状态，膜污染次严重区域处于等压清洗状态。

现有知识，反洗恢复膜通量的效果要优于等压清洗，所以可以提高膜装置的过滤效率。如果调节阀14开度过小，滤过液压力表13读数过大，则会使处于膜过滤状态的膜丝的跨膜压力降低，同时反洗会减少滤过液的实际滤过量，则会降低膜装置整体的过滤功效，因此，要依据料液的实际污染情况，调整适宜的滤过液压力表13的压力值。可以手动，也可以按气动或电动方式自动调节预设压力值。

本发明的膜组件使用方法，是在膜组件每工作一定时间后，利用设计的料液流向逆转系统，使膜组件中的料液逆向流动，使膜过滤过程和膜清洗(反洗与等压清洗)过程同时进行，即，膜组件的一部分处于膜过滤状态，同时膜组件的另一部分处于反冲洗和等压清洗状态。处于工作状态的膜某端，随工作时间的推移，越靠近其端面，污染就越严重，持续工作的能力就越差；而在膜组件两端的料液进出口互换后，即，膜污染重的入口区域处于清洗效果最好的反洗状态，膜污染次严重区域处于等压清洗状态，使膜分离和膜清洗最大作用都可以理想和充分地发挥出来。克服常规膜分离装置需要停止膜过滤、离线清洗的弊端，明显具有结构简单、使用方便、膜过滤功效提高等诸多优点。

由于滤过侧有一定的压力，在维持原跨膜压力的膜组件过滤条件下，可以提高膜组件的入口压力值，即压力表4的读数，提高的具体差值可以接近甚至超过压力表13的数值，这样，可以提高料液在膜丝管程的流速，可提高料液在膜表面的剪切速度，进一步降低膜污染，同时，由于料液压力入口提高，相应可以将通常长度为1米的内压式中空纤维膜组件，增加到1.2-2.0米，这样可以减小单位膜面积的占地面积，提高膜装置单位占地面积的处理能力。

如图1，本发明的所有膜过滤工艺图中，仅示意性画出1支膜组件，依据实际膜过滤处理量的需求，按照常规方式，并列排布多支膜组件，构成膜装置。

本发明的阀门转换系统，可以采用时间继电器顺序循环控制，可以采用plc编程控制，也可以采用计算机控制。本发明所述的泵2，既可以是普通的离心水泵，也可以是变频调速水泵，以确保膜分离系统的压力稳定和满足实际工作的质量要求。

本发明进而设计了另外一种膜过滤工艺及其膜分离装置(参见图2)。增设料液浓缩液出口调节阀15、开关阀16和压力表17。开关阀16可以为手动蝶阀或球阀，最好为自动阀，如气动或电动的球阀、蝶阀等。可以手动，也可以按气动或电动方式自动调节预设压力值。

通过新增设料液浓缩液出口调节阀15、开关阀16和压力表17，在膜过滤过程中，使膜组件浓缩液出口侧也保持一定的压力。设置阀门16在每个流向逆转周期的中间时段，全开1-5分钟，形成料液的脉冲，以减缓膜污染导致的膜通量下降。例如当逆转周期为14分钟，阀门16全开1分钟，就是指，当料液以下进上出方式运行到第7分钟时，阀门16全开1分钟，然后关闭，等料液逆转为上进下出方式，运行到第7分钟时，阀门16全开1分钟，然后关闭。

调整回流阀15的开度，使压力表17读数为0.03-0.05mpa，调整阀门14的开度，使压力表13的读数高于压力表17的读数值0.01-0.05mpa，以保障阀门16全关闭时，膜组件有一端仍处于反洗状态。当阀门16全开时，料液浓缩出口泄压，实现脉冲清洗的作用。

实施例1

采用图3所示的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，

将10根膜丝作为1股，将3股膜丝辫子状编织成小的膜丝束，多个膜丝束平直排布，构成膜组件中的全部膜丝。聚偏氟乙烯中空纤维内压膜的内径为0.80mm。并列14支膜组件，构成膜装置。采用图1所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.10mpa，调节阀门14使压力表13的压力为0.030mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为20分钟，进行浓缩。42分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

实施例2

采用图4所示的的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，将膜丝整体螺旋状扭曲，装入膜组件外壳中，制备成膜组件，其中h为10厘米。并列14支膜组件，构成膜装置。采用图1所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.10mpa，调节阀门14使压力表13的压力为0.030mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为20分钟，进行浓缩。51分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

比较例1，

采用图5所示的常规结构的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，并列14支膜组件，构成膜装置。采用图1所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.10mpa，取消设置阀门14。通过plc设置料液流向逆转周期为20分钟，进行浓缩。86分钟后，发酵液浓缩倍数达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

实施例3

采用图3所示的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，并列14支膜组件，构成膜装置。采用图1所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.3mpa，调节阀门14使压力表13的压力为0.030mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为14分钟，进行浓缩。35分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

实施例4

采用图3所示的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(膜组件直径仍为)，长度常规的是1米长，可以增加为1.5米，并列14支膜组件，构成膜装置。采用图1所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.25mpa，调节阀门14使压力表13的压力为0.030mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为14分钟，进行浓缩。16分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

实施例5

采用图3所示的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，并列14支膜组件，构成膜装置。采用图2所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.18mpa，调节阀门15使压力表17的压力为0.030mpa，调节阀门14使压力表13的压力为0.050mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为30分钟，设置阀门16为每个周期开始的第14分钟全开2分钟，进行浓缩。31分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

实施例6

采用图3所示的内压式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件(规格为)，并列14支膜组件，构成膜装置。采用图2所示的膜分离装置用于氨基酸发酵液体的浓缩。发酵液体的湿菌重43g/l，处理发酵液5.3m3。调整进口压力表4的压力值为0.20mpa，调节阀门15使压力表17的压力为0.030mpa，压力表13设定值为0.05mpa。通过plc设置料液流向逆转周期为60分钟，设置阀门16为每个周期开始的第28分钟全开5分钟，进行浓缩。33分钟后，发酵液浓缩倍数即达到了12倍；湿菌重达到了浓缩要求。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。