一种新型管式膜组件

本发明涉及膜分离领域，特别涉及一种新型管式膜组件。

背景技术：

1、膜分离技术主要涉及液体分离和气体分离等领域，主要是利用被分离物与膜材料之间的物理性质或化学性质的差异实现对被分离体系的分离。在液体分离中可用于有机溶剂脱水或从水中脱出少量有机物，也可用于有机-有机混合物的分离；在气体分离中可用于易挥发有机物的脱除。膜分离技术具有工艺流程简单，易于自动化控制、运行稳定、低能耗、占地面积小、便于放大等优点，但膜分离的优势还需要通过膜组件来进一步体现。管式膜的装配则需要对应的管式膜组件。

2、在膜组件的设计过程中，必须考虑到物料在组件内部的流向分布以及浓差极化，不论是气体还是液体在膜组件内的流动实现无死角分布，方可最大化发挥管式膜的效果。现有管式膜组件普遍存在膜面料液速率低、湍流程度弱、滞留区体积较大、压降较高、膜组件利用率低等问题。在膜分离过程中，被截留物质会使膜表面的浓度逐渐升高，导致膜面处的浓度高于物料主体浓度而使物料向主体反向扩散，这就是浓差极化现象。浓度极化现象会增加从溶液主体到膜面的传质阻力，从而降低膜的通量。专利号为201510976259.4，专利名称为《一种套管式膜组件》提供了一种在组件内增加套管，能够使物流充分混合，提高传质效果，但该种套管制作和安装程序复杂，且还需要将其固定在膜管上，不方便操作，同时可能会损伤膜管。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有的管式膜组件结构设计不合理的地方如膜组件膜面料液速率低、湍动程度较弱、滞留区较多、膜分离效率低下等问题，为此提供一种新型管式膜组件的设计方法，以提高膜的分离效率。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种新型管式膜组件，该膜组件的一端为封头，另一端为封盖，膜组件的内腔中设置若干管式膜，所述的管式膜通过管板进行固定，管式膜的两端设有密封垫圈，封盖上设有法兰、螺栓进行固定，所述封头上设有透过液管道，截留物出口管道位于管式膜所在壳程的上端，膜组件的内腔中设有原料进口管道，原料进口管道的顶部位于膜组件的外部。

4、本发明技术方案中：位于膜组件内腔中的原料进口管道上设有若干小孔结构。

5、本发明技术方案中：所述的小孔结构是孔径为2-20mm的圆孔，或所述的小孔结构是长为10-100cm，宽为2-20mm矩形孔；

6、优选：小孔结构是孔径为3-10mm的圆孔，或所述的小孔结构是长为10-50cm，宽为3-10mm的矩形孔。

7、本发明技术方案中：小孔结构为圆孔，且圆孔的孔径从上到下梯度增大；

8、优选：所述圆形递增梯度开孔的第一个孔孔径为2-10mm，递增量为0.2-2mm；

9、进一步优选：所述圆形递增梯度开孔的第一个孔孔径为3-8mm；递增量为0.6-1.2mm。

10、本发明技术方案中：位于膜组件内腔中的原料进口管道上设有3-15个小孔结构；优选：位于膜组件内腔中的原料进口管道上设有若5-10个小孔结构。

11、本发明技术方案中：小孔的开孔方向为垂直于水平面90°、270°位置开孔或垂直于水平面0°、90°、270°位置开孔或垂直于水平面90°、180°、270°位置开孔或垂直于水平面0°、90°、180°、270°位置开孔；

12、优选：小孔的开孔方向为垂直于水平面0°、90°、270°位置开孔。优选结果的膜组件压降降低至400-700pa，混合程度提高至0.6269-0.8620，滞留区体积减少2-5％。

13、本发明技术方案中：所述新型膜组件膜管的排布方式为正方形排布、三角形排布或环形排布；优选：所述新型膜组件膜管的排布方式为正方形排布；进一步优选：管式膜的间距为3-50mm；最优选：管式膜的间距为6-30mm。

14、本发明技术方案中：原料进口管道、截留物出口管道的内径为为1-20cm，优选2-10cm；透过液管道的内径为1-20cm，优选2-10cm；膜组件壳程内壁内径为10-150cm，组件壳体壳程壁厚为1-10mm，组件壳体壳程长度为50-120cm，优选60-100cm。

15、一种采用上述的新型管式膜组件进行分离的方法，原料液由进料管通入膜组件中，进料流速在0.1-5.0m/s之间，原料液浓度为0.5-50wt％，原料液的温度为-20-200℃，原料液粘度为0.3-5cp，分离膜的渗透侧压力为0.2-20kpa，从原料进料管小孔出来的液体分为多股，从而与膜管进行接触，膜管的渗透侧通过真空泵抽真空提供分离所需的压差，使原料分离。

16、优选：进料流速为0.5-3m/s，原料液的温度为0-80℃，溶液粘度为0.3-3cp，渗透侧压力为0.5-10kpa。优选结果的膜组件压降降低至400-800pa，混合程度提高至0.7133-0.8620，滞留区体积减少4-7％。

17、上述方法中：对于液体粘度大于3.0cp时，进料管圆形梯度开孔直径优选6-15mm，递增量优选1-3mm，对应正方形膜管排布时膜管间距优选15-50mm；

18、上述方法中：所述的新型管式膜组件适用于液-液体系的分离，所述的液-液体系种类包括烷烃类、芳烃类、醇类、酯类及各类发酵液或其中两种或多种的混合物中的至少一种。

19、本发明技术方案中：原料液与透过液通过密封垫圈隔开，透过液通过透过液端管道汇集并排出，在膜分离过程中，针对不同粘度的被分离物，在进料管上设置不同形状、不同大小和不同方向的开孔，同时对应改变膜管的排列方式，从而增大流体在组件内的湍动程度，降低膜组件的压降，并减少膜组件中滞留区的体积，从而降低浓差极化对分离过程的影响，提高膜的分离性能，并且提高膜组件的利用率。

20、本发明技术方案中：所述管式膜采用的膜材料包括硅橡胶聚合物膜、聚醚嵌段酰胺聚合物膜，所述管式膜均可采用外壁涂覆或内壁涂覆在支撑体上的聚合物分离膜。优选采用外壁涂覆在支撑体上的聚合物分离膜。

21、本发明技术方案中：所述膜组件膜管间距a、b为3-50mm，优选6-30mm。

22、本发明技术方案中：所述新型膜组件中的流体在组件内的混合程度提高到了0.6269-0.8620，流体通过组件的压降下降至400-800pa，膜组件的滞留区体积减少9-17％。

23、本发明技术方案中：对于液体粘度大于3.0cp时，进料管圆形梯度开孔直径优选6-15mm，递增量优选1-3mm，对应正方形膜管排布时膜管间距优选15-50mm。

24、本发明技术方案中：所述的新型管式膜组件适用于液-液体系的分离，所述的液-液体系种类包括烷烃类、芳烃类、醇类、酯类及各类发酵液或其中两种或多种的混合物中的至少一种。

25、本发明技术方案中：根据分离体系的不同，所述的新型管式膜组件能够减少5-40％的膜污染。

26、所述的新型管式膜组件在同样的实验条件下：原料液浓度为0.5-50wt％，温度为-20-200℃，进料流速为0.1-5.0m/s，溶液粘度为0.3-5cp，渗透侧压力为0.2-20kpa，与普通膜组件相比，通量提高了5-20％，选择性提高了5-25％，综合性能提高了6-17％；所述的新型管式膜组件适用于液-液体系的分离，所述的液-液体系种类包括烷烃类、芳烃类、醇类、酯类及各类发酵液或其中两种或多种的混合物中的至少一种。

27、本发明的有益效果：

28、本发明所述新型膜组件通过改进物料进料方式以及膜组件的膜管排列方式，使流体能够更好的在组件内进行分布，提高流体整体的湍动程度，从而减小膜表面处的流体流动的边界层，提高流体的传质能力，并且高的湍动程度能够有效冲刷膜表面，这不仅能够减小原料在膜表面处的浓差极化现象，还能够减少膜表面的污染物沉积现象，提高膜材料的使用寿命，从而进一步降低生产成本。并且能够减少膜组件内滞留区的体积，提高膜组件的利用率。

29、本发明通过设计不同构型的进料管，并将进料管伸入到组件内部，从进料端改善流体在组件内的分布，增大流体在膜组件内的湍流程度。当开孔为圆形递增开孔时能在组件内形成漩涡，能够降低流体流动的边界层，从而有利于传质。此外流动介质横向冲刷膜表面，能够减少膜表面污染物沉积，改善膜污染，并且能够减少膜组件内的滞留区体积，提高膜组件的利用率。