CN102600728A - X旋流卷式膜导流隔网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X旋流卷式膜导流隔网。是由多层流道叠合构成，各层流道均由纵向筋构成，每层流道互相平行，相邻层流道间相互呈X交错，即相邻层纵向筋互呈X交错叠合连接，以促进层流向湍流的转化，消除浓差极化所产生的影响。本发明的X旋流卷式膜导流隔网由多层纵向筋构成的流道组成，没有横向筋，这不同于现有各种方案，这样既减小了与膜面的接触，增大了分离膜的有效使用面积，同时又不会产生死角，还可以通过X旋流的促二次流作用，促进层流扰动转变为湍流，加强了溶质扩散的推动力和传质效应，使原液传质能力大大加强。提高膜分离的效率，提高分离膜体积透过通量，防止污染物的沉积，避免现有技术方案的缺陷。

Description

X旋流卷式膜导流隔网

技术领域

本发明涉及膜分离技术领域，尤其涉及一种应用于高纯分离用途（例如在食品、医疗和药品工业中）、环保污水处理或海水淡化工业中，使用工程化渗透法（例如：反渗透，正渗透）进行分离提取作业的正渗透、反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜、电渗析膜、渗透气化膜、膜生物反应器等的导流隔网。

背景技术

目前，各种螺旋卷式膜的结构大致相同，均由内置多孔导流网的膜袋与起间隔导流作用的导流隔网相叠，卷绕在一根中空多孔管——中心产品收集管上，然后密封连接而成。现有国内外螺旋卷式膜元件所使用的导流隔网，常见的是菱形隔网和矩形隔网，在结构上都是由沿流道方向的较粗的纵向筋，与横向夹置在流道内较细的横向筋构成，所有流道平铺一层，构成导流隔网。配合图1、图2所示矩形导流隔网，其横向筋1均偏向纵向筋2的某一侧相交，即都是横向筋1是和膜面6相接触的结构。进料原液沿着平行于中心产品收集管的方向——膜元件轴向流动，轴向线5是螺旋卷式膜元件轴线在导流隔网上的若干任意投影，轴向线5平行于膜元件轴线，是用于说明导流隔网结构的虚拟线。

为解决现有这类隔网结构在运行时存在的，在网眼四角和膜面6接触的位置形成死角，容易造成沉积污堵，以及由于横向筋1和膜面6紧密接触导致膜元件实际使用面积降低的问题。为此在中国专利 CN201906567U 中提供了一种解决方案，如图3所示，由隔网由多个横向筋和纵向筋组成，横向筋1夹置于纵向筋2之间，从偏向流道一边，改成移到纵向筋中间部位，使横向筋上下都不与膜面接触。另有中国专利 CN202151550U 和中国专利 CN202155150U 中都分别提供了通过减少膜面接触，增加径向流量，以及增宽加厚流道来减轻网眼四角易污染沉积的技术方案。美国专利 US3962096A 则给出了一种瓦楞状波纹导流隔网设计方案，来扩大流道，减少隔网与膜面的接触污染，便于清洗维护。

但是，现有的导流隔网产品都存在着一个问题，就是不能在膜分离过程中有效消除或降低浓差极化现象。

浓差极化现象是一种在膜分离过程中普遍存在，又亟需解决的问题。由于膜的选择透过性，原液中的溶剂从高压侧透过膜到达低压侧，大部分溶质则被阻拦积累在膜高压侧表面上。由于溶质的“聚集浓缩作用”造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度，引起溶质从膜表面通过边界层向主体溶液进行溶质的扩散传递。当这种溶质的扩散传递通量与随着透过膜的溶剂到达膜表面的溶质主体流动通量达到传递扩散平衡时，就称上述不再随时间而变化的过程达到了定常状态，即稳态。

在稳态情况下，当溶剂向膜面流动时，引起的溶质的流动速度与浓度梯度导致溶质从膜面向主体溶液扩散的速度达到平衡时，将在膜表面附近形成一个溶质浓度高、速度梯度很大的薄层——浓差极化边界层，这种现象即为浓差极化。为了区分层流的边界层和势流层，于是人们提出边界层厚度（                                               

）的概念，边界层厚度会直接影响溶质的扩散，进而影响浓差极化的程度。

膜分离过程中的浓差极化现象会带来以下不良影响：

第一、膜表面渗透压的升高将导致产品液（溶剂）通量的下降；

第二、通过膜的溶质通量上升；

第三、溶质因在膜表面的浓度超过其溶度积，而形成沉淀并堵塞膜孔，减少产品液（溶剂）通量，严重时会导致膜分离性能的改变；

第四、膜污染的出现，特别是膜污染严重时，几乎等于在膜表面又形成了一层二次薄膜，势必导致膜分离性能的大幅下降，甚至完全消失。

由于浓差极化属于可逆性污染，可以通过提高溶质反向传质系数，减少浓差极化边界层厚度来消除或减轻极化。传质系数是传质过程方程式中的一个比例系数，以传质速率（G）与传质面积（F）和传质推动力（△均）成正比为依据，传质面积是相际接触面积。推动力可采用各种不同浓度差或压力差的平均值，即G= k F△均，其中（k）是膜面浓差极化边界层的传质系数。

通过改变膜表面的流体力学条件可以减小浓差极化边界层厚度，提高边界层内的传质系数，进而降低浓差极化，减轻膜污染，在膜分离技术中称为改变流态消除浓差极化。图4所示，是稳态时膜表面附近的浓差极化示意图。传质系数是（k）定义为溶质扩散系数（D）和边界层厚度（

）之比，k=D/

 。

溶质在水中的扩散系数与分子量的平方根成反比关系，即分子量越大，溶质的扩散系数越小，传质系数随溶质扩散系数的下降而减小，因而体积透过通量对膜面溶质浓度的影响提高。膜面溶质浓度是随着体积透过通量的增加而升高，在体积透过通量相同的情况下，溶质的扩散系数越小，则膜面溶质浓度与原料液溶质浓度的比值越大。对于不同的液体分离膜过程浓差极化与透过通量有着对应的关系，如正渗透、反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析膜、渗透气化膜、膜生物反应器等，根据膜的截留分子量而有所差别。

由于浓差极化是导致膜污染的主要原因，因此分离膜的截留分子量越大，体积透过通量越高，膜面污染越严重。对于大分子量的溶质体系，如在超滤和微滤膜分离过程中，因原料液中溶质的扩散系数小，所以浓差极化现象会十分严重。在流程一定的情况下，极化会因流速降低而变大，当流动处于滞留区时极化程度会最大，处于过渡区时次之，湍流区时极化最小。要提高溶质的扩散系数就需要促进层流转变为湍流，理论上当切向流速超过临界后就会形成湍流，但膜面切向流速的大小是由原液供给流量、膜元件、导流隔网流道的宽度厚度等因素所决定，由于流量的限制，现有导流隔网的雷诺数都是100左右，这个数值使隔网水流完全处于雷诺数0～2000的层流范围内，一般不会出现涡流或湍流，所以，单纯地通过进一步提高膜表切向流速，并不能起到明显降低浓差极化的作用，因而需要一些方法，如通过改变流态来加快膜表面的传质过程。

发明内容

为了克服现有导流隔网在实际应用中，不能有效地通过产生湍流，提高溶质扩散系数，消除浓差极化的不足，本发明提供了一种X旋流卷式膜导流隔网及应用，本发明通过多层流道互成X交错的导流隔网结构设计，引导层流和湍流两种不同流态间的转化，促进层流由于错流扰动而转变为湍流。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种X旋流卷式膜导流隔网，其特征是，它由若干层流道组成，每层流道由若干条相互平行的纵向筋所组成，纵向筋与X旋流卷式膜导流隔网的轴向线的夹角

均大于且小于

，相邻层流道的纵向筋之间互成夹角

，呈X交错，大于

且小于，所述轴向线是卷式膜的中轴线在导流隔网上的投影，轴向线平行于卷式膜的中轴线。

进一步地，所述相邻层流道的纵向筋之间互呈X交错叠合连接。所述卷式膜X旋流导流隔网的入口和出口可以在同一层流道，也可以在不同流道。流体沿流道有两类设计流动路由方式，一种是从本层流道入口流入，至本层流道终端流出；另一种是从本层流道入口流入，至本层流道终端与相邻层流道交汇处的隔网网眼，流入相邻层流道，再从相邻层流道终端流出。相邻层流道互成X交错，在相邻层流道间交汇的隔网网眼处，流体在接触面相互扰动成涡。

由于导流隔网与膜袋相互叠合卷绕在中心产品收集管上，呈X斜向交错的两层或多层流道被围绕中心产品收集管卷成螺旋形，当进料原液进入导流隔网后，离膜元件轴心较远，较外一侧流道内的原液围绕螺旋卷绕膜面螺旋流动。需要特别说明的是，通过计算流体力学（CFD）模型分析，流体在横向力的作用下，沿着螺旋形的流道前进的流体内部会产生迪恩（Dean）涡流。涡流能促进层流转变成湍流，湍流是常在流体流过固体表面，或者相同流体的分层流动中出现的一种不规则情形，利用湍流的动量横向扩散和传递特性，以大大提高混合效率及减少膜分离过程中的浓差极化与膜污染。

本发明的有益效果是，本发明的X旋流卷式膜导流隔网由多层纵向筋构成的流道组成，没有横向筋，这不同于现有各种方案，这样既减小了与膜面的接触，增大了分离膜的有效使用面积，同时又不会产生死角，还可以通过X旋流的促二次流作用，促进层流扰动转变为湍流，加强了溶质扩散的推动力和传质效应，使原液传质能力大大加强。提高膜分离的效率，提高分离膜体积透过通量，防止污染物的沉积，避免现有技术方案的缺陷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是现有隔网主视图；

图2是图1结构剖视图；

图3是中国专利CN201906567 U方案的剖视图；

图4是膜表面附近浓度的浓差极化现象示意图；

图5是X旋流卷式膜隔网主视图；

图6是图5剖视图；

图7是图5侧剖视图；

图8是上层流道剖视图；

图9是图1沿流道流动方向纵横筋夹角示意图；

图中，横向筋1、纵向筋2、流道3、原液流4、轴向线5、膜6、下层纵向筋7、上层纵向筋8、下层流道9、上层流道10、上层流道原液流11、下层流道原液流12。

具体实施方式

结合附图对实施例做进一步说明，如图5至图9所示，本发明X旋流卷式膜导流隔网由下层流道9和上层流道10组成，上层流道10由多条相互平行的上层纵向筋8所组成，下层流道9由多条相互平行的下层纵向筋7所组成。流道内原液的流动方向构成了流道的矢量方向，轴向线5是卷式膜中轴线在导流隔网上的投影，轴向线5平行于卷式膜中轴线，是用于说明导流隔网结构的虚拟线。下层纵向筋7、上层纵向筋8与轴向线5的夹角

均大于

且小于

，下层纵向筋7和上层纵向筋8之间互成夹角

，呈X交错，大于

且小于等于

。下层纵向筋7和上层纵向筋8之间可通过焊接、一体浇铸、粘结、铆接等方式固定。

导流隔网有平铺和卷绕安装两种状态。

当导流隔网在平铺时，可以看到是由上下相邻两层互成X交错的，并且沿流动方向互成夹角

的纵向流道构成，流道中没有横向筋。实施中根据模组元件的长度进行选择

的取值范围，推荐90^o、60^o两个角度。每层由若干条相互平行的下层纵向筋7和上层纵向筋8构成的若干条相互平行流道所组成，各层流道相互交错。过于宽厚的流道在流量一定时，会降低流速，因此选纵向筋直径0.35mm，同一层两条相邻平行纵向筋的间隔2mm。 

各流道内的进料原液在相邻两层流道的交汇网眼处，相互交错扰动，形成横向涡流，使流道内的原液呈现围绕流道轴线螺旋前进的流态。在相邻两层流道的导流隔网中，原液流动路径多变，尤其在三层及以上流道的隔网中更为错综复杂，设计路径大致可分为两类：

第一类，是从本层流道入口流入，至本层流道终端流出；

第二类，是从本层流道入口流入，至本层流道终端与相邻层流道交汇处的隔网网眼，流入相邻层流道，再从邻层流道终端流出。

如图6、图7所示，分别是沿着上下层纵向筋方向的横截剖视图。图6所示中12是从尾部看下层流道原液流视图，图7所示中11是从尾部看上层流道原液流视图，相邻两层流道的流体相互错流，扰动成涡，形成二次流。图8所示是上层流道剖视图，图中12是从头部看下层流道原液流视图，相邻两层流道中的液流互相错流，扰动成涡，各流道均能形成二次流。如果按现有隔网产品结构，单纯靠提高切向速度，不能形成这样的效果。

涡流的扰动作用大幅提高膜面溶质的传质系数，强化了膜分离过程中的界面传质效应。同时，在X斜向互相交错的相邻两层流道网眼交汇处，两个流道中的原液在接触面上相互扰动成涡，形成边向前流动边围绕流道轴心线旋转的二次流。原液中随溶剂到达膜面的溶质，被各种在膜面附近叠加的点汇流、点涡流等形成的湍流和漩涡所带走，通过流体间不断扰动搅拌，达到减薄浓差极化界面层的厚度，改善扩散系数，增强溶质的迁移作用，使溶质离开膜表面区域返回到错流的主体原液中。通过对改善流动和传质实现过程进行优化设计，可明显抑制膜面附近出现浓差极化现象和膜污染，增强膜的分离性能，提高分离膜体积透过通量。

当导流隔网进行卷绕安装时，上下两层互成X交错的，并且沿流动方向互成夹角

的纵向流道，就成为两层螺旋方向相反的螺旋形流道。流道内的流体在沿流道螺旋流动时，会产生迪恩（Dean）涡流，在并且两层互成反螺旋的流道交汇网眼处，上下液流之间互相错流，扰动传质，起到提高扩散系数，增大传质能力的作用。

本发明导流隔网各层流道均由互相平行的纵向筋构成，没有横向筋，既减小了与膜面的接触，增大了膜分离的有效面积，同时又不会产生死角。

本技术方案与现有螺旋卷式膜进料原液导流隔网相比，具有明显消除或降低膜面浓差极化和膜面污染的效果，节约动力能耗，并明显提高分离效率和体积透过通量。本技术方案可用于正渗透、反渗透、纳滤、超滤、微滤、电渗析、渗透气化、膜生物反应器等膜分离应用领域中。

需要说明的是，该实施例中，X旋流卷式膜导流隔网由上下两层流道组成，但是，在实际生产中，根据具体产品设计的要求，本发明的X旋流卷式膜导流隔网可以由若干层流道组成。上述实施例只是用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种X旋流卷式膜导流隔网，其特征是，它由若干层流道组成，每层流道由若干条相互平行的纵向筋所组成，纵向筋与X旋流卷式膜导流隔网的轴向线的夹角                                               

均大于

且小于

，相邻层流道的纵向筋之间互成夹角，呈X交错，

大于

且小于

，所述轴向线是卷式膜的中轴线在导流隔网上的投影，轴向线平行于卷式膜的中轴线。

2.根据权利要求1所述的卷式膜X旋流导流隔网，其特征是，所述相邻层流道纵向筋之间互呈X交错叠合连接。

3.根据权利要求1所述的卷式膜X旋流导流隔网，其特征是，所述卷式膜X旋流导流隔网的入口和出口可以在同一层流道，也可以在不同流道。

4.根据权利要求3所述的卷式膜X旋流导流隔网，其特征是，流体沿流道有两类设计流动路由方式，一种是从本层流道入口流入，至本层流道终端流出；另一种是从本层流道入口流入，至本层流道终端与相邻层流道交汇处的隔网网眼，流入相邻层流道，再从邻层流道终端流出。

5.根据权利要求1所述的卷式膜X旋流导流隔网，其特征是，相邻层流道互成X交错，在相邻层流道间交汇的隔网网眼处，流体在接触面相互扰动成涡。

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