專利名稱：變螺距膜分離性能的方法與膜組件裝置及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物理分離方法，屬于膜分離領(lǐng)域，尤其是指彎曲流道型(包括螺旋型和編織型)中空纖維膜組件和彎曲流道PP、PE管式與蠟燭芯式膜組件的方法和裝置，及其用途。
背景技術(shù)：
膜分離技術(shù)是清潔生產(chǎn)的理想載體，膜技術(shù)的技術(shù)進步正快速提高我們在許多工程技術(shù)方面的創(chuàng)新能力如革新生產(chǎn)工藝、保護生態(tài)環(huán)境與大眾健康、為經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新新技術(shù)等，膜技術(shù)作為單元操作在資源回收、環(huán)境保護、能源生產(chǎn)以及環(huán)境監(jiān)測和質(zhì)量控制方面起著日益重要的作用，同時也是燃料電池和生物分離應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。膜過程的經(jīng)濟性由膜的滲透通量、單位滲透通量能耗和膜使用壽命來評價，效率由選擇性和滲透阻力衡量。濃差極化和膜污染會顯著地降低膜滲透通量，使膜的使用壽命縮短，經(jīng)濟效益和效率降低，是制約膜過程的應(yīng)用和發(fā)展的主要因素。
大多數(shù)壓力驅(qū)動膜過程的設(shè)計，如反滲透、納濾、超濾和微濾，是基于單位體積的膜面積最大化和膜組件操作方便。目前減少濃差極化和膜污染的許多方法，包括膜表面的化學(xué)改性和物理方法如沖洗。眾所周知的水力學(xué)方法是一種物理方法，主要是依靠紊流中產(chǎn)生的渦流或誘導(dǎo)流體不穩(wěn)定性產(chǎn)生膜過程，這種流體不穩(wěn)定性可在流道中嵌入障礙物來形成，通過膜表面的不穩(wěn)定流也可用于減少溶質(zhì)—膜界面溶質(zhì)的堆積。目前，已采用的不同類型的流體不穩(wěn)定性包括渦流和粗糙膜表面、流體脈沖和振動膜表面引起的流體不穩(wěn)定。此外，除粗糙表面外，也可以采用旋轉(zhuǎn)過濾盤系統(tǒng)產(chǎn)生流體不穩(wěn)定。已采用的去濃差極化方法中最成功的方法是旋轉(zhuǎn)環(huán)形式過濾組件中產(chǎn)生的泰勒渦，這個設(shè)計的主要限制是難于放大膜面積以及高能耗。在直線膜流道中設(shè)置波狀障礙物，通過周期性的反向紊流(8Hz)也可以產(chǎn)生渦流(參見Stairmand，J.W.and Bellhouse，B.J.，″Mass transfer in a pulsating turbulent flow with deposition into furrowedwalls.″Int.Heat Mass Transfer，27，1405(1985))。壓力驅(qū)動流體流過平板膜上設(shè)置半圓柱形螺旋通道也能產(chǎn)生渦流(參見PCT patent application WO 90/09229of Aug.23，1990 to Winzeler)。所有這些方法都顯示存在渦流時能增加膜的性能，但每種都存在著無法克服的困難，如處理量放大和密封問題。在螺旋纏繞式膜組件采用間隔裝置被廣泛推薦和采用，可對大多數(shù)螺旋纏繞式膜組件來說，在低軸向雷諾數(shù)時采用的是典型的Poiseuille流(參見Toray Industries Inc.disclosed in their spiral flow filters brochure entitled Romembra Toray ReverseOsmosis Elements)。
流體不穩(wěn)定性的有效利用如渦流，在減少壓力驅(qū)動膜系統(tǒng)中濃差極化和自清潔合成膜應(yīng)用已為眾多的文獻廣泛證實(參見See Winzeler，H.B.and Belfort，G.(1993)，Enhanced performance for pressure-driven membrane processesTheargument for fluid instabilities，J.Membrane Sci.，in 80，35-47)。
美國專利文獻(US6709598、US6399031)及其它參考文獻都證明了一個事實，彎曲管道中的迪恩渦流能顯著改善膜組件的分離性能，編織型中空纖維膜性能優(yōu)于螺旋型中空纖維膜。對螺旋型中空纖維膜，用單根或幾根纖維纏繞在空心管(最小直徑3mm)上，所有關(guān)于螺旋型中空纖維膜專利文獻中雖提到各種纏繞方式，但均未考慮膜管流道內(nèi)由于滲透作用引起的流速變化和迪恩數(shù)比急劇變化對系統(tǒng)滲透流量性能及能耗影響。由于結(jié)構(gòu)上需要支撐空心管，因此單位體積的膜填充面積較小，產(chǎn)業(yè)化前景不佳。對于編織型中空纖維膜，目前尚未專利文獻記載，國外只有一篇文章涉及，且僅提出進口迪恩數(shù)比數(shù)值適中(Di≥5)、出口迪恩數(shù)比必須大于1的的優(yōu)化操作結(jié)論，也未進一步考慮膜管流道內(nèi)由于滲透作用引起的流速變化和迪恩數(shù)比急劇變化對系統(tǒng)滲透流量性能及能耗影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是根據(jù)現(xiàn)有彎曲流道型膜分離方法的不足，提供一種新的彎曲流道型膜分離方法，該方法是在現(xiàn)有彎曲流道型(包括螺旋型和編織型)中空纖維膜組件和具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件迪恩渦二次流強化傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出全流道迪恩數(shù)比均衡的控制方法，使單根膜在全流道內(nèi)處于幾乎相同強度迪恩渦流操作環(huán)境中，從而大大提高膜組件的性能。
本發(fā)明的目的之二是根據(jù)上述方法提供一種新的迪恩渦二次流強化的膜分離組件。
本發(fā)明的目的之三是提供上述方法和裝置的用途。
根據(jù)本發(fā)明的目的所提出的技術(shù)實施方案是迪恩流現(xiàn)象是W.R.Dean在研究彎曲管道中的流體運動產(chǎn)生的二次流時首先發(fā)現(xiàn)的。通過對彎曲流道迪恩渦流的分析，在正常條件下，流體以超過臨界流速流(層流和紊流轉(zhuǎn)換點)過直線管道時，壓力損失會經(jīng)歷突然的增加過程。Dr.Dean的研究顯示，彎曲管道中的流動出現(xiàn)不穩(wěn)定和二次流。但即使彎曲管道中流速遠高于臨界流速，壓力損失也不會突然增加。這種現(xiàn)象說明，在同一速度狀況下，彎曲管道中的壓力損失比直線管道中低得多。彎曲管道中的這種流動具有雙旋渦特征。在螺旋管中的水流迪恩數(shù)(De)被定義為
De=Redidc---(1)]]>Re為雷諾數(shù)(-)；di為內(nèi)直徑(m)；dc為螺圈直徑(m)。
在螺旋管中，所謂優(yōu)化了的迪恩數(shù)De’被用以考慮螺距(b)效果De′=Redid′c---(2)]]>dc’表示有效螺圈直徑，由數(shù)學(xué)推理可以得知該直徑隨著螺距(b)的變化而變化dc′=dc[1+(bπdc)2]---(3)]]>由此可以看出，彎曲管道中的迪恩數(shù)是與管徑和螺距都有關(guān)系的，實驗結(jié)果也證明了這一點。

圖1為編織型、螺旋型臨界雷諾數(shù)與螺距b關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，編織型、螺旋型臨界雷諾數(shù)與螺距b是成正比增長的；圖2為螺旋型中空纖維膜組件不同中心桿直徑臨界雷諾數(shù)與螺距關(guān)系曲線圖，從圖表中也可以看出，在相同的中心桿直徑下臨界雷諾數(shù)與螺距也是成正比增長；圖3為內(nèi)徑——螺距變化對臨界雷諾數(shù)影響(di＝0.3～2mm)，該實驗圖表更清楚說明了內(nèi)徑和螺距變化對臨界雷諾數(shù)影響。在膜組件的實際操作運行中，膜管進口段滲透量相對較小，管內(nèi)迪恩數(shù)比最大，迪恩渦流的強化傳質(zhì)作用最明顯；隨流程的增加，滲透液總量增加，管內(nèi)截留液量越來越小，即流速減少從而引起迪恩數(shù)比減少，而溶質(zhì)或懸浮液濃度成倍增加，在高溶質(zhì)濃度需要更強的強化傳質(zhì)作用時迪恩渦強度卻減弱了，這就是現(xiàn)有膜分離工藝存在的主要問題。本發(fā)明的技術(shù)原理就是在現(xiàn)有彎曲流道型(包括螺旋型和編織型)中空纖維膜組件或具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件迪恩渦二次流強化傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過采用變螺距方法改變膜管后段的臨界雷諾數(shù)，使膜管全程迪恩數(shù)比不隨流程增加而顯著減少。即本發(fā)明的膜組件是膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，設(shè)計的原則是膜管入口段與出口段的螺距比為1.1-5，膜管入口段臨界雷諾數(shù)為膜管出口的1.5～2倍，以保證膜管進出口壓差適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，膜管進口迪恩數(shù)比為5～7，出口迪恩數(shù)比為2～3。本發(fā)明充分利用彎曲管道中的迪恩流變化的特性，提出采用變螺距方法使被過濾液從膜組件的進口至出口產(chǎn)生迪恩數(shù)比變化較小的強迪恩渦流，這樣就充分發(fā)揮了膜組件的全程迪恩渦二次流強化傳質(zhì)、分離作用。該方法所適用的膜過程包括微濾(MF)、超濾(UF)和納濾(NF)。該方法可用來消除鹽類、大分子和懸浮液在高壓反滲透(RO)、超濾(UF)、微濾(MF)或納濾(NF)膜過程中濃差極化和膜污染。該方法所用的膜裝置包括迪恩渦二次流強化螺旋型、編織型中空纖維膜組件和PP、PE管式與蠟芯式微濾膜組件。
采用變螺距方式可以提高迪恩渦二次流強化膜分離的方法，該方法使被分離液從膜組件的進口至出口全程迪恩數(shù)比變化很小，如圖4分析所示，從而保證整個膜管長度管內(nèi)迪恩渦強度恒定，大大提高膜組件的滲透分離性能。采用優(yōu)化設(shè)計制作的變螺距編織型/螺旋型中空纖維膜與等距編織型/螺旋型中空纖維膜進行滲透性能對比試驗研究證明，得到變螺距編織型/螺旋型中空纖維膜的迪恩渦二次流能增強編織型中空纖維膜純水滲透性能、顯著降低滲透能耗；編織型中空纖維膜中產(chǎn)生的迪恩渦二次流顯著減少各種污染液過濾時的濃差極化和膜污染、滲透回收率增加5～6倍，能耗降低40％，顯著減少膜過濾過程的衰減速率。
附圖及說明圖1為編織型/螺旋型臨界雷諾數(shù)與螺距b關(guān)系曲線；圖2為螺旋型中空纖維膜組件不同中心桿直徑臨界雷諾數(shù)與螺距關(guān)系曲線；圖3為內(nèi)徑—螺距變化對臨界雷諾數(shù)影響(di＝0.3～2mm)；
圖4為變螺距膜管全程迪恩數(shù)比控制分析示意圖；圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖6為迪恩渦螺旋流道管式微濾膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為三角形斷面變螺距螺旋流道示意圖；圖8為編織型中空纖維管螺紋聯(lián)接管式膜組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為編織型中空纖維管螺紋聯(lián)接管式膜組件斷面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1、分離膜；2、螺旋流道導(dǎo)向裝置；3、膜外殼；4、螺旋流道；5、原料入口；6、滲透液出口；7、濃縮液排口；8、管式膜底封帽；9、螺旋流道入口環(huán)形進料管；10、管式膜頂封帽；11、頂蓋；12、原料入口；13、膜外殼；14、分離膜；15、滲透液出口；16、濃縮液出口；17、膜外殼螺紋；18、編織型中空纖維膜；19、隔離板；20、原料入口；21、滲透液出口；22、濃縮液排口；23、膜外殼；24、編織型內(nèi)外徑比；25、中心桿3mm螺旋型內(nèi)外徑比；26、編織型臨界雷諾數(shù)；27、中心桿3mm螺旋型臨界雷諾數(shù)；28、中心桿3mm內(nèi)外徑比；29、中心桿3.5mm內(nèi)外徑比；30、中心桿3mm臨界雷諾數(shù)；31、中心桿3.5mm臨界雷諾數(shù)；32、等螺距迪恩數(shù)比；33、變螺距迪恩數(shù)比；34、等螺距臨界雷諾數(shù)；35、變螺距臨界雷諾數(shù)；36、管內(nèi)徑(di＝0.3～2mm)。
具體實施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的描述，附圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖，從附圖中可以看出，本發(fā)明是一種膜分離組件，包括原料入口12、膜外殼13、分離膜14、滲透液出口15、濃縮液出口16幾部分，其中分離膜14是彎曲流道型(包括螺旋型和編織型)中空纖維膜組件或具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件，分離膜14安裝在膜外殼13內(nèi)，分離液從原料入口12進入分離膜14進行分離，分離出的滲透液流入膜外殼13的腔體，再經(jīng)滲透液出口15排出，分離液分離完的濃縮液經(jīng)濃縮液出口16排出。其特點在于分離膜14膜組件的螺距是變螺距，即膜組件的膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，設(shè)計的原則是膜管入口段與出口段的螺距比為1.1-5，膜管入口段臨界雷諾數(shù)為膜管出口的1.5～2倍，以保證膜管進出口壓差適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，膜管進口迪恩數(shù)比為5～7，出口迪恩數(shù)比為2～3。該方法的膜組件工作方式是錯流過濾，所適用的膜過程包括微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。該方法所用的膜裝置包括迪恩渦二次流強化螺旋型、編織型中空纖維膜組件和PP、PE管式與蠟芯式微濾膜組件。膜組件殼管、進料管等材料采用衛(wèi)生級不銹鋼或不透明工程塑料(透明管易誘發(fā)生物污染)。中空纖維膜可以是微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)和反滲透(RO)。管式膜一般為不同開孔尺寸的微濾(MF)、超濾(UF)。
實施例一附圖6為一個迪恩渦螺旋流道管式微濾膜組件結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，迪恩渦螺旋流道管式微濾膜結(jié)構(gòu)組件包括分離膜1、膜外殼3、原料入口5、滲透液出口6、濃縮液排口7、幾部分，其中膜組件原料入口5和濃縮液排口7分別處于管式膜組件的進口端和相對進口方向的管的末端，膜外殼3內(nèi)為分離液分離腔體，膜外殼3下端設(shè)有濃縮液排口7；分離膜1為管式膜，置于膜外殼3內(nèi)，為不同開孔尺寸的微濾(MF)、超濾(UF)結(jié)構(gòu)的空心狀濾膜體，分離膜1的下面有管式膜底封帽8封住，上面有管式膜頂封帽10蓋住，管式膜頂封帽10為中間開孔狀，中間開孔與管式膜頂封帽10上的滲透液出口6相通，在管式膜頂封帽10上連接有頂蓋11，頂蓋11上安有滲透液出口6，在分離膜1與膜外殼3之間還設(shè)有螺旋流道4，螺旋流道4由螺旋流道導(dǎo)向裝置2構(gòu)成，螺旋流道導(dǎo)向裝置2的螺旋形環(huán)流通道斷面形狀是矩形，且為變螺距螺旋流道，入口段與出口段的螺距比為2-4，膜外殼3的上螺旋端口與螺旋流道入口環(huán)形進料管9相通，螺旋流道入口環(huán)形進料管9又與原料入口5相連，分離液從原料入口5進入螺旋流道入口環(huán)形進料管9，再由螺旋流道4流入膜外殼3下端，經(jīng)濃縮液排口7排出。該裝置可用來消除鹽類、大分子和懸浮液在高壓反滲透(RO)、超濾(UF)、微濾(MF)或納濾(NF)膜過程中濃差極化和膜污染。
實施例二附圖6為迪恩渦螺旋流道管式微濾膜組件另一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖，該實施例其它部分均與實施例一樣，所不同的地方是，螺旋流道導(dǎo)向裝置2的螺旋形環(huán)流通道斷面形狀是三角形，且為變螺距螺旋流道，入口段與出口段的螺距比為8-15。根據(jù)實施例一和二可以推知，螺旋流道導(dǎo)向裝置2的螺旋形環(huán)流通道斷面形狀還可以是正方形或半圓形的。
實施例三附圖7-9為一種編織型中空纖維管螺紋聯(lián)接管式膜組件結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，編織型中空纖維膜組件包括編織型中空纖維膜18、膜外殼螺紋17、隔離板19、原料入口20、滲透液出口21、濃縮液排口22和膜外殼23幾部分。其中分離液從原料入口20進入，經(jīng)編織型中空纖維膜18分離后，滲透液排到外殼23內(nèi)，再由滲透液出口21排出，分離后的濃縮液由濃縮液排口22排出管外，其特點是，編織型中空纖維膜18的編織螺距為變螺距螺旋流道，入口段與出口段的螺距比為3-4。
權(quán)利要求
1.一種變螺距膜分離性能的方法，其特征在于本方法是在現(xiàn)有彎曲流道型中空纖維膜組件和具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件迪恩渦二次流強化傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，利用彎曲管道中的迪恩流變化的特性，通過變螺距方法改變膜管后段的臨界雷諾數(shù)，使膜管全程迪恩數(shù)比不隨流程增加而顯著減少，使被過濾液從膜組件的進口至出口產(chǎn)生迪恩數(shù)比變化較小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種變螺距膜分離性能的方法，其特征在于該方法的膜組件工作方式是錯流過濾，所適用的膜過程包括微濾、超濾和納濾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，包括原料入口(12)、膜外殼(13)、分離膜(14)、滲透液出口(15)、濃縮液出口(16)幾部分，分離膜(14)是彎曲流道型中空纖維膜組件或具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件分離膜(14)，分離膜(14)安裝在膜外殼(13)內(nèi)，分離液從原料入口(12)進入分離膜(14)進行分離，分離出的滲透液流入膜外殼(13)的腔體，再經(jīng)滲透液出口(15)排出，分離液分離完的濃縮液經(jīng)濃縮液出口(16)排出，其特征在于分離膜(14)膜組件的螺距是變螺距，膜組件的膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段與出口段的螺距比為1.1-5，膜管入口段臨界雷諾數(shù)為膜管出口的1.5～2倍，以保證膜管進出口壓差適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，膜管進口迪恩數(shù)比為5～7，出口迪恩數(shù)比為2～3。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，其特征在于膜組件原料入口(5)和濃縮液排口(7)分別處于管式膜組件的進口端和相對進口方向的管的末端，膜外殼(3)內(nèi)為分離液分離腔體，膜外殼(3)下端設(shè)有濃縮液排口(7)；分離膜(1)為管式膜，置于膜殼(3)內(nèi)，為不同開孔尺寸的微濾(MF)、超濾(UF)結(jié)構(gòu)的空心狀濾膜體，分離膜(1)的下面有管式膜底封帽(8)封住，上面有管式膜頂封帽(10)蓋住，管式膜頂封帽(10)為中間開孔狀，中間開孔與管式膜頂封帽(10)上的滲透液出口(6)相通，在管式膜頂封帽(10)上連接有頂蓋(11)，頂蓋(11)上安有滲透液出口(6)，在管式膜(1)與膜殼(3)之間還設(shè)有螺旋流道(4)，螺旋流道(4)由螺旋流道導(dǎo)向裝置(2)構(gòu)成，且為變螺距螺旋流道，入口段與出口段的螺距比為2-3，膜殼(3)的上螺旋端口與螺旋流道入口環(huán)形進料管(9)相通，螺旋流道入口環(huán)形進料管(9)又與原料入口(5)相連，分離液從原料入口(5)進入螺旋流道入口環(huán)形進料管(9)，再由螺旋流道(40流入膜殼(3)下端，經(jīng)濃縮液排口(7)排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，其特征在于所述的膜組件包括迪恩渦二次流強化螺旋型、編織型中空纖維膜組件和PP、PE管式與蠟芯式微濾膜組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，其特征在于所述的膜組件殼管、進料管等材料是衛(wèi)生級不銹鋼或不透明工程塑料的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，其特征在于所述的螺旋流道導(dǎo)向裝置(2)的螺旋形環(huán)流通道斷面形狀是矩形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變螺距膜分離性能方法的裝置，其特征在于所述的螺旋流道導(dǎo)向裝置(2)的螺旋形環(huán)流通道斷面形狀是三角形或正方形或半圓形的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的變螺距膜分離性能方法及裝置的用途，其特征在于該方法可用來消除鹽類、大分子和懸浮液在高壓反滲透、超濾、微濾或納濾膜過程中濃差極化和膜污染。
全文摘要
變螺距膜分離性能的方法與膜組件裝置及用途，屬于膜分離領(lǐng)域，在現(xiàn)有彎曲流道型中空纖維膜組件和具有螺旋內(nèi)流道蠟燭芯型微濾膜組件迪恩渦二次流強化傳質(zhì)的基礎(chǔ)上，提出采用變螺距方法使被過濾液從膜組件的進口至出口產(chǎn)生迪恩數(shù)比變化較小的強迪恩渦流，充分發(fā)揮了膜組件的全程迪恩渦二次流強化傳質(zhì)、分離作用。即本發(fā)明的膜組件是膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段臨界雷諾數(shù)為膜管出口的1.5～2倍，以保證膜管進出口壓差適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件下，膜管進口迪恩數(shù)比為5～7，出口迪恩數(shù)比為2～3。該方法所適用的膜過程包括微濾、超濾和納濾。該方法可用來消除鹽類、大分子和懸浮液在高壓反滲透、超濾、微濾或納濾膜過程中濃差極化和膜污染。
文檔編號B01D63/16GK1660480SQ20041004708
公開日2005年8月31日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者劉建文, 湛含輝, 張晶晶 申請人:株洲工學(xué)院科技開發(fā)部