一种变螺距膜组件装置制造方法及图纸

一种变螺距膜组件装置，属于膜分离领域，在弯曲流道型中空纤维膜组件和具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，采用变螺距方法使被过滤液从膜组件的进口至出口产生迪恩数比变化较小的强迪恩涡流，充分发挥了膜组件全程迪恩涡二次流强化传质、分离作用。即膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的１．５～２倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为５～７，出口迪恩数比为２～３。该方法所适用的膜过程包括微滤、超滤和纳滤。该方法可用来消除盐类、大分子和悬浮液在高压反渗透、超滤、微滤或纳滤膜过程中浓差极化和膜污染。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种物理分离方法的装置，属于膜分离领域，尤其是指弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件和弯曲流道PP、PE管式与蜡烛芯式膜组件装置。
技术介绍
膜分离技术是清洁生产的理想载体，膜技术的技术进步正快速提高我们在许多工程技术方面的创新能力如革新生产工艺、保护生态环境与大众健康、为经济可持续发展创新新技术等，膜技术作为单元操作在资源回收、环境保护、能源生产以及环境监测和质量控制方面起着日益重要的作用，同时也是燃料电池和生物分离应用的关键技术。膜过程的经济性由膜的渗透通量、单位渗透通量能耗和膜使用寿命来评价，效率由选择性和渗透阻力衡量。浓差极化和膜污染会显著地降低膜渗透通量，使膜的使用寿命缩短，经济效益和效率降低，是制约膜过程的应用和发展的主要因素。大多数压力驱动膜过程的设计，如反渗透、纳滤、超滤和微滤，是基于单位体积的膜面积最大化和膜组件操作方便。目前减少浓差极化和膜污染的许多方法，包括膜表面的化学改性和物理方法如冲洗。众所周知的水力学方法是一种物理方法，主要是依靠紊流中产生的涡流或诱导流体不稳定性产生膜过程，这种流体不稳定性可在流道中嵌入障碍物来形成，通过膜表面的不稳定流也可用于减少溶质一膜界面溶质的堆积。目前，已采用的不同类型的流体不稳定性包括涡流和粗糙膜表面、流体脉冲和振动膜表面引起的流体不稳定。此外，除粗糙表面外，也可以采用旋转过滤盘系统产生流体不稳定。已采用的去浓差极化方法中最成功的方法是旋转环形式过滤组件中产生的泰勒涡，这个设计的主要限制是难于放大膜面积以及高能耗。在直线膜流道中设置波状障碍物，通过周期性的反向紊流(8Hz)也可以产生涡流(参见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))。压力驱动流体流过平板膜上设置半圆柱形螺旋通道也能产生涡流(参见PCT patent application WO 90/09229of Aug.23，1990 to Winzeler)。所有这些方法都显示存在涡流时能增加膜的性能，但每种都存在着无法克服的困难，如处理量放大和密封问题。在螺旋缠绕式膜组件采用间隔装置被广泛推荐和采用，可对大多数螺旋缠绕式膜组件来说，在低轴向雷诺数时采用的是典型的Poiseuille流(参见Toray Industries Inc.disclosed in their spiral flow filters brochure entitled Romembra Toray ReverseOsmosis Elements)。流体不稳定性的有效利用如涡流，在减少压力驱动膜系统中浓差极化和自清洁合成膜应用已为众多的文献广泛证实(参见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)。美国专利文献(US6709598、US6399031)及其它参考文献都证明了一个事实，弯曲管道中的迪恩涡流能显著改善膜组件的分离性能，编织型中空纤维膜性能优于螺旋型中空纤维膜。对螺旋型中空纤维膜，用单根或几根纤维缠绕在空心管(最小直径3mm)上，所有关于螺旋型中空纤维膜专利文献中虽提到各种缠绕方式，但均未考虑膜管流道内由于渗透作用引起的流速变化和迪恩数比急剧变化对系统渗透流量性能及能耗影响。由于结构上需要支撑空心管，因此单位体积的膜填充面积较小，产业化前景不佳。对于编织型中空纤维膜，目前尚未专利文献记载，国外只有一篇文章涉及，且仅提出进口迪恩数比数值适中(Di≥5)、出口迪恩数比必须大于1的的优化操作结论，也未进一步考虑膜管流道内由于渗透作用引起的流速变化和迪恩数比急剧变化对系统渗透流量性能及能耗影响。
技术实现思路
本技术的目的是根据现有弯曲流道型膜分离方法装置的不足，提供一种新的弯曲流道型膜分离膜组件，该组件是在现有弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件和具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，根据全流道迪恩数比均衡的控制方法，使单根膜在全流道内处于几乎相同强度迪恩涡流操作环境中，从而大大提高膜组件的性能。根据本技术的目的所提出的技术实施方案是在现有弯曲流道型(包括螺旋型和编织型)中空纤维膜组件或具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件迪恩涡二次流强化传质的基础上，通过采用变螺距方法改变膜管后段的临界雷诺数，使膜管全程迪恩数比不随流程增加而显著减少。即本技术的膜组件是膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，设计的原则是膜管入口段与出口段的螺距比为1.1-5，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的1.5～2倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为5～7，出口迪恩数比为2～3。本技术充分利用弯曲管道中的迪恩流变化的特性，提出采用变螺距方法使被过滤液从膜组件的进口至出口产生迪恩数比变化较小的强迪恩涡流，这样就充分发挥了膜组件的全程迪恩涡二次流强化传质、分离作用。该方法所适用的膜过程包括微滤(MF)、超滤(UF)和纳滤(NF)。该方法可用来消除盐类、大分子和悬浮液在高压反渗透(RO)、超滤(UF)、微滤(MF)或纳滤(NF)膜过程中浓差极化和膜污染。该方法所用的膜装置包括迪恩涡二次流强化螺旋型、编织型中空纤维膜组件和PP、PE管式与蜡芯式微滤膜组件。迪恩流现象是W.R.Dean在研究弯曲管道中的流体运动产生的二次流时首先发现的。通过对弯曲流道迪恩涡流的分析，在正常条件下，流体以超过临界流速流(层流和紊流转换点)过直线管道时，压力损失会经历突然的增加过程。Dr.Dean的研究显示，弯曲管道中的流动出现不稳定和二次流。但即使弯曲管道中流速远高于临界流速，压力损失也不会突然增加。这种现象说明，在同一速度状况下，弯曲管道中的压力损失比直线管道中低得多。弯曲管道中的这种流动具有双旋涡特征。在螺旋管中的水流迪恩数(De)被定义为De=Redidc----(1)]]>Re为雷诺数(-)；di为内直径(m)；dc为螺圈直径(m)。在螺旋管中，所谓优化了的迪恩数De’被用以考虑螺距(b)效果De'=Redid'c----(2)]]>dc’表示有效螺圈直径，由数学推理可以得知该直径随着螺距(b)的变化而变化dc'=dc----(3)]]>由此可以看出，弯曲管道中的迪恩数是与管径和螺距都有关系的。因此采用变螺距方式可以提高迪恩涡二次流强化膜分离的方法，该方法使被分离液从膜组件的进口至出口全程迪恩数比变化很小，从而保证整个膜管长度管内迪恩涡强度恒定，大大提高膜组件的渗透分离性能。采用优化设计制作的变螺距编织型/螺旋型中空纤维膜与等距编织型/螺旋型中空纤维膜进行渗透性能对比试验研究证明，得到变螺距编织型/螺旋型中空纤维膜的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变螺距膜组件装置，包括原料入口（１２）、膜外壳（１３）、分离膜（１４）、渗透液出口（１５）、浓缩液出口（１６）几部分，分离膜（１４）是弯曲流道型中空纤维膜组件或具有螺旋内流道蜡烛芯型微滤膜组件分离膜（１４），分离膜（１４）安装在膜外壳（１３）内，分离液从原料入口（１２）进入分离膜（１４）进行分离，分离出的渗透液流入膜外壳（１３）的腔体，再经渗透液出口（１５）排出，分离液分离完的浓缩液经浓缩液出口（１６）排出，其特征在于：分离膜（１４）膜组件的螺距是变螺距，膜组件的膜管入口段螺距比膜管出口螺距大，膜管入口段与出口段的螺距比为１．１－５，膜管入口段临界雷诺数为膜管出口的１．５～２倍，以保证膜管进出口压差适当的操作条件下，膜管进口迪恩数比为５～７，出口迪恩数比为２～３。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建文，湛含辉，张晶晶，
申请(专利权)人：株洲工学院科技开发部，
类型：实用新型
国别省市：43[中国|湖南]