一种基于中空纤维膜的垂直错流过滤集成装置的制作方法

本发明涉及一种错流过滤装置，尤其是涉及一种基于中空纤维膜的垂直错流过滤集成装置。

背景技术：

近年来，膜分离过滤技术越来越多地引起人们的关注。中空纤维膜组件因其独特的结构特点，如装填密度大、自支撑体系、成本低等已广泛应用于水处理等领域。但在应用过程中，膜污染问题会影响膜过滤效率以及缩短膜组件使用寿命，也关系到膜的清洗成本、运行成本、更换成本等经济效益。因此，为了降低膜污染，增加膜组件过滤有效面积，延长膜组件的使用寿命，增进膜组件优化，尤其是滤芯核心部位的优化设计需求日益突显。

针对上述问题，有不少发明专利通过优化膜组件浇注方法，或优化端头设计，或改变膜过滤模式等方式来减少膜污染，一定程度上提高了中空纤维的耐污染性，延长了膜组件运行周期等。例如中国发明专利申请200510015346.x采用在中空纤维根部实施二次浇注形成保护层，在一定程度上提高了出水质量，延长了膜组件运行周期。但是其二次浇注后的膜组件设计繁琐复杂，不能很好地兼顾膜丝的耐污染性以及膜元件的清洗后重复利用等问题。又如美国专利申请us524824公布的中空纤维膜组件“拱形”设计，即通过集水基板之间的优化设计，使膜丝处于浮游状态，该技术一定程度上降低了膜丝表面的污染物堆积量，但过滤时由于膜丝布置呈大幅面的屏幕状，因此也存在着膜组件受力不均匀，影响出水水质等问题。

现如今市面上针对膜污染普遍采用的措施为在膜组件下方增加曝气装置。如发明专利cn101549902b公开了一种通过曝气形成的气水二相流对膜丝进行冲刷的膜组件设计，通过曝气形式实现膜丝的冲刷清洗，达到减轻膜丝污染的目的。该技术从一定程度上减轻了膜丝中部的污染，但膜丝根部的积泥现象仍然较为严重。若增加曝气量运行膜组件，可以在一定程度上减缓膜污染问题，但运行能耗也会显著提高。若为了降低能耗而长期以偏小曝气量运行组件，其根部污染问题只会更加严重，膜丝根部的污染问题也仍然没有解决。如中国发明专利申请cn10859235a介绍了一种带曝气式的帘式膜生产方法，即在集气槽内安装多个曝气器以达到减少中空纤维膜上下两端的污染物堆积的目的。该方法能减缓膜丝两端的污染问题，但膜丝中部的污染问题仍然存在，且曝气过程中膜丝的大幅度摆动会使相邻组件的膜丝之间互相缠绕，缩短了膜组件的使用寿命。在膜过滤过程中，若出现污泥浓度突然升高或污泥劣化等状况时，常规的曝气擦洗对膜污染的减缓效果也将明显变差。

再如不少专利中提到的通过优化中空纤维膜组件过滤模式以增加膜过滤平衡通量，达到提高膜过滤效率的目的。传统的死端过滤时，过滤液体垂直于过滤膜面，沉积物堆积于过滤介质的表面，因此其过滤平衡通量衰减严重，优化后的错流过滤打破了这一传统。

比如中国发明专利cn205948686u公开介绍了一种管式陶瓷膜错流过滤装置，专利公开了错流过滤与传统死端过滤的区别，错流过滤时，料液流经膜面时产生的剪切力能够把膜面上滞留的一部分积泥带走，降低了污染层的堆积厚度，从而达到了延长过滤时间的过滤效果。再如中国发明专利cn105311966a公开介绍了一种平板膜错流过滤设计装置，与传统死端过滤相比，所述装置在一定程度上提高了膜过滤效率，提高了膜工业经济效益。但上述所例举的都是平行错流过滤，指进料液流向平行于过滤膜面的过滤方式。由于平行错流过滤时，流体流动方向平行于过滤膜面，因此，靠近膜面的层流底层冲刷作用并不是很强烈，且相关专利的介绍中平行错流过滤装置中流道比较狭窄，会造成流体流动时的摩擦阻力比较大，导致运行能耗较高，长时间的运行期内也很难维持较好的膜过滤通量等问题，因而上述专利中提到的错流过滤工艺仍然不能充分体现错流过滤的优势。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效减缓中空纤维膜污染问题，维持膜组件过滤效率，且能显著提高中空纤维膜内部组件的有效利用率，延长膜组件重复使用周期的基于中空纤维膜的垂直错流过滤集成装置。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于中空纤维膜的垂直错流过滤集成装置，包括压力容器，所述的压力容器的一端设置有原料液进口且其另一端设置有浓缩液出口，所述的压力容器内设置有至少一个滤芯集成组件，所述的压力容器内的料液流动方向垂直绕过所述的滤芯集成组件的过滤膜面，所述的滤芯集成组件内设置有滤过液收集腔室，所述的压力容器的底板下方设有滤过液汇集管道，各个所述的滤过液收集腔室分别与所述的滤过液汇集管道相连通，所述的滤过液汇集管道的一端设置有滤过液出口。

所述的压力容器呈立方体状结构，所述的压力容器的上方通过盖板进行密封，所述的压力容器上且位于所述的浓缩液出口的一侧设置有废液排出口。废液经废液排出口排出

所述的滤芯集成组件包括若干个滤芯、两块用于安装所述的滤芯的多孔支撑板和位于两块所述的多孔支撑板之间的空心板，所述的滤芯包括若干根对折呈u型的中空纤维膜丝和束口环，若干根所述的中空纤维膜丝的根部用胶黏剂固定在所述的束口环中，所述的束口环通过第一螺栓连接件固定在所述的多孔支撑板的安装孔中，所述的多孔支撑板与所述的空心板之间通过第二螺栓连接件固定连接形成与所述的中空纤维膜丝内腔连通的所述的滤过液收集腔室，所述的空心板的底部穿设有接头连接管，所述的接头连接管的一端与所述的滤过液收集腔室相连通且其另一端穿过所述的压力容器的底板与所述的滤过液汇集管道相连通。

所述的压力容器的一侧壁沿长度方向依次交替设置有c型固定支架和凹型固定支架，所述的压力容器的另一侧壁相应的依次交替设置有凹型固定支架和c型固定支架，所述的多孔支撑板和所述的空心板的一侧卡嵌在所述的c型固定支架中且所述的多孔支撑板和所述的空心板的另一侧卡嵌在所述的凹型固定支架的凹槽中，所述的多孔支撑板和所述的空心板的一侧与所述的c型固定支架之间的空隙形成用于使过滤液流经所述的滤芯集成组件后再折返流经相邻的所述的滤芯集成组件的第一过滤液折返通道。压力容器内的料液可经交错设计的过滤液折返通道进入下一个垂直错流过滤通道进行过滤。

所述的接头连接管通过t型接头或者l型接头与所述的滤过液汇集管道连接。滤过液经t型接头或者l型接头汇集至滤过液汇集管道，再经滤过液出口排出。

所述的空心板的中央通孔边缘与所述的多孔支撑板之间设置有o型密封圈，所述的空心板与所述的直通接头之间设置有密封垫片。通过o型圈与垫片保证良好的密封性。

所述的原料液进口位于所述的压力容器的正面右下端，所述的浓缩液出口位于所述的压力容器左侧面上端，所述的废液排出口位于所述的压力容器的左侧面下端。

所述的滤芯集成组件为通过可拆卸方式固定在所述的压力容器内的帘式膜组件，各个所述的帘式膜组件并排均布在所述的压力容器中，所述的帘式膜组件的上下两端分别设置有所述的滤过液收集腔室，下端所述的滤过液收集腔室连通设置有出水管，所述的出水管穿过所述的压力容器的底板与所述的滤过液汇集管道相连通，所述的出水管与所述的压力容器的底板之间设置有密封圈。过滤产生的滤液通过出水管流入滤过液汇集管道后，再经滤过液出口排出。

所述的原料液进口位于所述的压力容器的左侧面下端，所述的浓缩液出口端位于所述的压力容器的右侧面上端，所述的废液排出口位于所述的压力容器的右侧面下端。

所述的滤芯集成组件为通过可拆卸方式固定在所述的于压力容器内的帘式膜组件，所述的压力容器内通过纵向隔板分隔为若干个腔体，每个所述的腔体内并排均布有若干个所述的帘式膜组件，所述的帘式膜组件的上下两端分别设置有所述的滤过液收集腔室，下端所述的滤过液收集腔室连通设置有出水管，所述的出水管穿过所述的压力容器的底板与所述的滤过液汇集管道相连通，所述的纵向隔板上设置有用于使过滤液流经所述的腔体后进入相邻所述的腔体的第二过滤液折返通道，所述的出水管与所述的压力容器的底板之间设置有密封圈，所述的原料液进口位于所述的压力容器的首个腔体左侧面下端，所述的浓缩液出口位于所述的压力容器的末尾腔体右侧面上端，所述的废液排出口位于所述的压力容器的末尾腔体右侧面下端。过滤装置运行时，原料液经原料液进口进入集合体压力容器内，经垂直错流过滤模式进行过滤，再经交错设计的过滤液折返通道流至另一腔室，继续进行垂直错流过滤，过滤直至达到工业的过滤水质需要，浓缩液经浓缩液出口流出。滤过液经滤过液汇集管道流至滤过液出口排出，过滤后的废液经废液排出口排出，由此完成整个过滤过程。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）从流体力学的角度来讲，错流过滤又可分为垂直错流过滤以及平行错流过滤。垂直错流过滤意指进料液流向垂直绕过过滤膜面的过滤方式，因而垂直错流过滤时，流体流动的方向垂直绕过过滤膜面，料液在膜表面形成了强烈的湍流效果，相较于平行错流过滤，循环泵产生的剪切力对膜丝表层的污染物有更好的冲刷作用；

（2）组件运行时采用垂直错流的过滤模式，增加了膜过滤平衡通量，提高了膜过滤效率。在膜组件设计中，流体流动的方向均垂直于滤芯，流体过滤的同时实现了对膜丝的冲刷清洗，其过滤和冲刷清洗两项工作同时进行，很好地避免了现有膜分离设备存在的膜丝根部容易积泥的问题，始终保持膜过滤过程中膜丝有效面积的充分利用以及过滤的均匀性，提高了膜过滤效率、延长了膜组件使用周期，降低了膜组件运行成本；

（3）组件上的滤芯装置采用的是可拆卸设计，且滤芯集成件之间采用错开位置定位模式，既满足了大部分水处理工业对水质以及其他液体过滤的要求，也简化了组件的安装程序，方便后期膜组件的清洗与更换，提高了设备的维护维修性能。

综上所述，本发明提供的可拆卸式基于中空纤维膜的垂直错流过滤装置，通过垂直错流过滤模式，增加了膜过滤通量，有效减缓了膜工业过程中的污染物堆积以及膜孔堵塞等膜污染问题，提高了膜过滤效率，延长了膜组件使用寿命，且可拆卸式以及重复循环的过滤程序能满足大部分膜工业对水质以及其他处理液的过滤要求，也方便后期的膜清洗与更换。减缓膜污染问题的同时增加了社会经济效益，具有很高的市场推广价值。

附图说明

图1为具体实施例一中中空纤维膜滤芯组件垂直错流过滤集成装置的主视图；

图2为具体实施例一中中空纤维膜滤芯组件垂直错流过滤集成装置的俯视图；

图3为图1的a-a截面剖视图；

图4为具体实施例一中滤芯集成组件的结构示意图；

图5为具体实施例一中滤芯的结构示意图；

图6为具体实施例二中帘式膜组件垂直错流过滤装置主视图；

图7为具体实施例二中帘式膜组件垂直错流过滤装置俯视图；

图8为具体实施例二中单个帘式膜组件的结构示意图；

图9为具体实施例三中帘式膜组件集合体垂直错流过滤装置俯视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

具体实施例一

一种中空纤维膜滤芯组件垂直错流过滤集成装置，如图1和图2所示，包括立方体结构的压力容器1，压力容器1的正面右下端设置有原料液进口2，压力容器1的左侧面上端设置有浓缩液出口3，左侧面下端设置有废液排出口4，压力容器1内设置有至少一个滤芯集成组件5，压力容器1内的料液流动方向垂直绕过滤芯集成组件5的过滤膜面，滤芯集成组件5内设置有滤过液收集腔室6，压力容器1的底板下方设有滤过液汇集管道7，各个滤过液收集腔室6分别与滤过液汇集管道7相连通，滤过液汇集管道7的一端设置有滤过液出口8。

在此具体实施例中，如图3、图4和图5所示，滤芯集成组件5包括若干个滤芯9、两块用于安装滤芯9的多孔支撑板10和位于两块多孔支撑板10之间的空心板11，滤芯9包括若干根对折呈u型的中空纤维膜丝12和束口环13，若干根中空纤维膜丝12的根部用胶黏剂固定在束口环13中，束口环13通过第一螺栓连接件14固定在多孔支撑板10的安装孔中，多孔支撑板10与空心板11之间通过第二螺栓连接件15固定连接形成与中空纤维膜丝12内腔连通的滤过液收集腔室6，空心板11的底部穿设有接头连接管16，接头连接管16的一端与滤过液收集腔室6相连通且其另一端穿过压力容器1的底板与滤过液汇集管道7相连通。其中滤芯9的制备方式如下：通过工业常规封膜方式，将中空纤维膜丝12的一端用胶黏剂固定于束口环13中，使得整个中空纤维膜束呈现“u型”，待胶黏剂固化后，使用切刀切开使其在切口处露出中空纤维膜丝12内腔，切口处连通的u形区通道即形成中空纤维膜丝12内腔通道，如图5所示。

在此具体实施例中，如图2和图3所示，压力容器1的一侧壁沿长度方向依次交替设置有c型固定支架17和凹型固定支架18，压力容器1的另一侧壁相应的依次交替设置有凹型固定支架18和c型固定支架17，多孔支撑板10和空心板11的一侧卡嵌在c型固定支架17中且多孔支撑板10和空心板11的另一侧卡嵌在凹型固定支架18的凹槽中，多孔支撑板10和空心板11的一侧与c型固定支架18之间的空隙形成用于使过滤液流经滤芯集成组件5后再折返流经相邻的滤芯集成组件5的第一过滤液折返通道19。

在此具体实施例中，接头连接管16通过t型接头或l型接头20与滤过液汇集管道7连接。空心板11的中央通孔边缘与多孔支撑板10之间设置有o型密封圈21，空心板11与接头连接管16之间设置有密封垫片22。压力容器1的上方通过盖板23密封设置。

工作过程如下：原料液经原料液进口2进入压力容器1后，沿图1所示箭头方向通过滤芯集成组件5进行垂直错流过滤，再经交错设计的过滤液折返通道19进入下一个垂直错流过滤通道，继续进行过滤，过滤直至达到膜工业的过滤需要，浓缩液经浓缩液出口3排出。每个滤芯集成组件5的滤过液经接头连接管16汇集至滤过液汇集管道7，再经滤过液出口8排出。废液经废液排出口4排出，整个压力容器1装置固定在支架或设有地沟的土建支撑体上。

应用实施例1

采用液致相分离法制备的pvc中空纤维支撑膜，用聚氨酯pu胶封装成“u型”膜组件，单个滤芯9的有效过滤面积为0.2m²，每个滤芯集成组件5上安装了140个滤芯9，每个集满滤芯9的滤芯集成组件5上有效过滤面积为28m²，将4个滤芯集成组件5并排固定于食品级不锈钢厢体内，膜丝过滤总有效面积为112m²。将该膜组件应用于生啤的过滤过程中，当过滤压力为60kpa，进料液流动雷诺数为328时，垂直错流过滤平衡通量为50l·m^-2·h^-1，而同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为39l·m^-2·h^-1。

应用实施例2

采用液致相分离法制备的聚醚砜中空纤维膜，用聚氨酯pu胶封装成“u型”膜组件，单个滤芯9的过滤有效面积为0.2m²，每个滤芯集成组件5上安装了180个滤芯9，每个集满滤芯9的滤芯集成组件5膜过滤有效面积为36m²，将4个滤芯集成组件5并排固定于水箱中，膜丝过滤总有效面积为144m²。将该膜组件应用于自来水的过滤过程中，当过滤压力为60kpa，进料液流动雷诺数为984时，垂直错流过滤平衡通量为98l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为77l·m^-2·h^-1。

应用实施例3

采用液致相分离法制备的聚砜中空纤维膜，用聚氨酯pu胶封装成“u型”膜组件，单个滤芯9的过滤有效面积为0.3m²，每个滤芯集成组件5上安装了200个滤芯9，每个集满滤芯9的滤芯集成组件5上有效过滤面积为60m²，将4个滤芯集成组件5并排固定于食品级不锈钢厢体内，膜丝过滤总有效面积为240m²。将该膜组件应用于酱油的过滤过程中，当过滤压力为60kpa,进料液流动雷诺数为1134时，垂直错流过滤平衡通量为43l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为30l·m^-2·h^-1。

应用实施例4

采用液致相分离法制备的pvdf中空纤维膜，用聚氨酯pu胶封装成“u型”膜组件，单个滤芯9的有效过滤面积为0.3m²，每个滤芯集成组件5上安装了120个滤芯，每个集满滤芯9的滤芯集成组件5上有效过滤面积为36m²，将6个滤芯集成组件5并排固定于食品级不锈钢厢体内，膜丝过滤总有效面积为216m²。将该膜组件应用于茶叶的深加工过滤过程中，当过滤压力为60kpa，进料液流动雷诺数为1886时，垂直错流过滤平衡通量为43l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为30l·m^-2·h^-1。

具体实施例二

一种帘式膜组件垂直错流过滤集成装置，如图6、图7和图8所示，包括立方体结构的压力容器1，压力容器1的左侧面下端设置有原料液进口2，压力容器1的右侧面上端设置有浓缩液出口3且其右侧面下端设置有废液排出口4，压力容器1内设置有至少一个滤芯集成组件5，压力容器1内的料液流动方向垂直绕过滤芯集成组件5的过滤膜面，滤芯集成组件5内设置有滤过液收集腔室6，压力容器1的底板下方设有滤过液汇集管道7，各个滤过液收集腔室6分别与滤过液汇集管道7相连通，滤过液汇集管道7的一端设置有滤过液出口8。

在此具体实施例中，滤芯集成组件5为通过可拆卸方式固定在压力容器1内的帘式膜组件，各个帘式膜组件并排均布在压力容器1中，帘式膜组件1的上下两端分别设置有滤过液收集腔室6，下端滤过液收集腔室6连通设置有出水管24，出水管24穿过压力容器1的底板与滤过液汇集管道7相连通，出水管24与压力容器1的底板之间设置有密封圈（图中未显示）。压力容器1的上方通过盖板23密封设置。出水管24通过t型接头或l型接头20与滤过液汇集管道7连接。

应用实施例1

采用液致相分离法制备的pvc中空纤维支撑膜，用聚氨酯pu胶将膜丝封装成帘式膜组件，单个帘式膜组件的有效膜面积为8m²，整个垂直错流过滤集成装置内安装了7个帘式膜组件，总过滤面积为56m²。将封装好的帘式膜组件安装于食品级不锈钢厢体内，应用于黄酒的过滤过程中，过滤压力为40kpa，进料液流动雷诺数为983时，垂直错流过滤平衡通量为54l·m^-2·h^-1，而同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为38l·m^-2·h^-1。

应用实施例2

采用液致相分离法制备的聚醚砜膜，用聚氨酯pu胶将膜丝封装成帘式膜组件，单个帘式膜组件的有效膜面积为12m²，整个垂直错流过滤集成装置内安装了10个帘式膜组件，总过滤面积为120m²。将封装好的帘式膜组件安装于食品级不锈钢厢体内，应用于酱油的过滤过程中，过滤压力为40kpa，进料液流动雷诺数为1312时，垂直错流过滤平衡通量为46l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为33l·m^-2·h^-1。

具体实施例三

当需要增加设备的膜过滤面积时，上述所述的错流过滤膜组件还可按照图9所示进行集成组合。结构同上述具体实施例二，其区别在于：压力容器1内通过纵向隔板25分隔为若干个腔体26，每个腔体26内并排均布有若干个帘式膜组件，帘式膜组件的上下两端分别设置有滤过液收集腔室6，下端滤过液收集腔室6连通设置有出水管24，出水管24穿过压力容器1的底板与滤过液汇集管道7相连通，纵向隔板25上设置有用于使过滤液流经腔体26后进入相邻腔体26的第二过滤液折返通道27，原料液进口2位于压力容器1的首个腔体左侧面下端，浓缩液出口3位于压力容器1的末尾腔体右侧面上端，废液排出口4位于压力容器1的末尾腔体右侧面下端。如图9所示，过滤装置运行时，原料液经原料液进口2进入集合体压力容器1内，经垂直错流过滤模式进行过滤，再经交错设计的第二过滤液折返通道27流至另一腔体26，继续进行垂直错流过滤，过滤直至达到工业的过滤水质需要，浓缩液经浓缩液出口3流出。滤过液经滤过液汇集管道7流至滤过液出口8排出，过滤后的废液经废液排出口4排出，由此完成整个过滤过程。

应用实施例1

采用液致相分离法制备的聚砜膜，用聚氨酯pu胶将膜丝封装成帘式膜组件，单个帘式膜组件的有效膜面积为40m²，将封装好的膜组件安装固定于土建膜池内，土建膜池内安装有两排隔离板形成三个折流通道。整个垂直错流过滤集成装置内安装了120个帘式膜组件，总过滤面积为4800m²。将该帘式膜组件垂直错流过滤装置应用于自来水过滤过程中，滤过液通过地上设有的地沟排出，当过滤压力为40kpa，进料液流动雷诺数为1886时，垂直错流过滤平衡通量为68l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为51l·m^-2·h^-1。

应用实施例2

采用液致相分离法制备的聚氯乙烯膜，用聚氨酯pu胶将膜丝封装成帘式膜组件，单个帘式膜组件的有效膜面积为9m²，整个垂直错流过滤集成装置内安装了10个帘式膜组件，总过滤面积为90m²。将封装好的膜组件安装于食品级不锈钢箱体内，将该帘式膜组件垂直错流过滤装置应用于茶叶加工的过滤过程中，当过滤压力为20kpa，进料液流动雷诺数为328时，垂直错流过滤平衡通量为28l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为23l·m^-2·h^-1。

应用实施例3

采用液致相分离法制备的聚偏氟乙烯膜，用聚氨酯pu胶将膜丝封装成帘式膜组件，单个帘式膜组件的有效膜面积为8m²，整个垂直错流过滤集成装置内安装了10个帘式膜组件，总过滤面积为80m²。将封装好的膜组件安装于食品级不锈钢箱体内，将该帘式膜组件垂直错流过滤装置应用于生啤的过滤过程中，当过滤压力为20kpa，进料滤液流动雷诺数为1886时，垂直错流过滤平衡通量为37l·m^-2·h^-1，同一膜组件在平行错流模式下过滤时平衡通量仅为27l·m^-2·h^-1。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。