CN104923081A - 一种旋转盘式动态膜分离组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及膜过滤分离技术领域，特别涉及一种旋转盘式动态膜分离组件。包括机架、外筒和电机，所述外筒竖直设于安装板上且外筒下端口与安装板通过密封件连接，外筒内设有分离桶，安装板上设有动密封轴承，动密封轴承上可转动地设有中空轴，分离桶内设有若干过滤盘；所述动密封轴承下方的中空轴上设有皮带轮，电机设于外筒一侧的机架上且与皮带轮传动连接。本发明的过滤盘上可安装各种通量规格的有机滤材，扁平设计的过滤盘可以提高有机滤材装填密度，过滤盘之间设有按流体通道设计的镂空流挡板，流挡板使物料在过滤盘的膜表面形成较强的水力剪切效果和旋转流，可以减少膜污染和减轻浓度极化的产生，延缓膜通量的衰减速度和清洗维护周期。

Description

一种旋转盘式动态膜分离组件

技术领域

本发明涉及膜过滤分离技术领域，特别涉及一种旋转盘式动态膜分离组件。

背景技术

膜分离技术的核心就是通过各种过滤膜通过一定的方式组装在一起，以求实现将物料中所含的成分进行过滤和分离的装置。膜分离装置一般包括膜支撑件，分离膜，将膜支撑件以一定规律组装起来的连接件，与膜分离组件中物料流体分布相关的流动通道，以及各种密封件和接口等。膜分离装置在开发设计过程中，需要考虑几个基本要求：流体分布均匀无死角；具有良好的机械稳定性、化学稳定性和热稳定性；装填密度大、制造成本低、易于清洗、压力损失小。此外，在设计膜组件的结构时，还必须考虑传递阻力因素，应该注意传递阻力特别是浓差极化和压力损失及膜污染的程度。目前，膜分离技术的实现装置主要有以下几种形式：

一、管式膜组件

管式膜不是自支撑的。这种膜被固定在一个多孔的不锈钢、陶瓷或塑料管内，管直径通常6~24mm，每个膜组件中膜管数目一般为4~18根，当然也不局限于这个数目。原料一般是流经膜管中心，而渗透物通过多孔支撑管流入膜组件外壳。这种管状膜的装填密度是很低的。陶瓷膜组件的一种特殊类型为蜂窝结构，在陶瓷“块”中开有若干个孔，用溶胶－凝胶法在这些管的内表面上覆盖一层很薄的γ-氧化铝或氧化锆（ZrO2）皮层。管式膜组件的主要优点是能有效地控制浓差极化，流动状态好，可大范围地调节料液的流速；膜生成污垢后容易清洗；对料液的预处理要求不高并可处理含悬浮固体的料液。其缺点是投资和运行费用较高；单位体积内膜的面积较低。

二、中空纤维膜组件

中空纤维膜组件的开发成功有两项关键技术：一是制作能长期耐压的中空纤维并实现工业化生产；二是要使水在纤维间均匀流动。其特点在于组件能做到非常小型化，由于不用支撑体，在组件内能装几十万到上百万根中空纤维，所以有极高的膜装填密度；但是中空纤维膜组件透过水侧的压力损失大，透过膜的水是由极细的中空纤维膜的中心部位引出，压力损失能达数个大气压；膜面污垢去除较困难只能采用化学清洗而不能进行机械清洗；中空纤维膜一旦损坏是无法更换的；对进料液要求必须严格的预处理。

三、板框式膜组件

板框式膜组件构型与实验室用的平板膜最接近，在所有的板框式膜组件结构中，基本的部件是：平板膜、支撑膜的平盘与进料边起流体导向作用的平盘。将这些部件以适当的方式组合堆叠在一起，构成板框式膜组件。 板框式膜组件的一个突出优点是，每两片膜之间的渗透物都是被单独引出来的，因此，可以通过关闭各个膜组件来消除操作中的故障，而不必使整个膜组件停止运转。缺点是在板框式膜组件中需要个别密封的数目太多，另外内部压力损失也相对较高（取决于流体转折流动的情况）。

四、螺旋卷绕式膜组件

螺旋卷绕式膜组件中目前膜分离技术中最特殊亦是最重要的类型。它首先是为反渗透过程开发的但目前也被用于超滤和气体分离过程。为了使装置达到较高的收率，常常需要将多个元件（可多达6个）安装在一个耐压外壳中。螺旋卷式膜组件的特点是：结构简单、造价低廉、装填密度相对较高；由于有进料分隔板，物料交换效果良好；低能耗膜的更换及系统的投资较低。不足之处在于：渗透边流体流动路径较长难以清洗，膜必须是可焊接和可粘结的，对料液的预处理要求严格。

上述几种膜分离组件在运行过程中都会不同程度地存在膜污染和浓差极化的情况，对进料浓度有一定的要求，进料浓度的变化对膜分离系统影响较大，对料液在膜表面的流速有一定的要求，料液在膜表面的快速流动产生较好的水力剪切效果以减少膜污染和浓差极化的产生，但料液流速过快会产生较高的轴向压力梯度，导致沿膜面的过滤压力（TMP）分布不均匀，从而影响膜的渗透通量及传质过程；并且高速切向流需要较高的回流比才能实现，而回流比过高必然导致进料泵的能耗较高，物料发热严重；因此，如何减轻膜污染、延缓膜通量的衰减，使得膜分离系统能够连续进行分离延长清洗周期，降低膜分离工作发热量和能耗比，是膜分离技术发展面临的三个主要问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种能有效减轻过滤膜污染、延缓膜通量衰减，能长时间分离无需清洗，发热少、能耗更低的旋转盘式动态膜分离组件。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种旋转盘式动态膜分离组件，包括机架、外筒和电机，所述机架的上端面上设有安装板，外筒竖直设于安装板上且外筒下端口与安装板通过密封件连接，外筒上端口设有密封盖板；所述外筒内设有分离桶，分离桶的下端口与安装板通过密封件连接，所述分离桶中心投影处的安装板上设有动密封轴承，动密封轴承上可转动地设有中空轴，中空轴的上部穿设于分离桶内，分离桶内设有若干过滤盘，若干过滤盘沿竖直方向等距间隔设于中空轴上；所述动密封轴承下方的中空轴上设有皮带轮，电机设于外筒一侧的机架上且与皮带轮传动连接；所述安装板上设有与分离桶连通的进料管，密封盖板上设有出料管，中空轴的下端口上设有旋转接头。

进一步地，所述过滤盘呈扁平中空的梭形结构设置，且过滤盘的中心开有安装孔，安装孔套装在中空轴上与其一体转动，过滤盘的内腔填充有有机滤材。

进一步地，所述分离桶内的中空轴上设有若干定位环，若干定位环均两两相对地成组设置，且每组定位环分别夹设于对应的过滤盘的上下端面上，每组定位环依次叠加与中空轴连接使若干过滤盘等距间隔设置。

进一步地，所述分离桶内设有若干流挡板，若干流挡板分别对应间隔设于任一两个相邻的过滤盘之间。

进一步地，所述流挡板呈圆环状设置，流挡板的外缘与分离桶的内壁固定连接，流挡板的内孔直径大于定位环的外缘直径。

进一步地，所述流挡板包括同心设置的中心圈和固定环，中心圈和固定环之间连接有若干引流板。

进一步地，所述引流板呈弧形设置，且若干引流板均匀分布在中心圈和固定环的周向上，以中心圈为起点的引流板弯曲方向与过滤盘的旋转方向相反。

进一步地，所述分离桶包括若干立柱，若干立柱均匀分布在以中空轴为中心在同一圆周上，且若干立柱的下端与安装板固定连接，若干立柱分别穿设于依次叠加的若干流挡板上的对应固定孔内。

进一步地，所述任一两个相邻的固定环之间均设有密封件。

本发明有益效果为：本发明的过滤盘上可安装各种通量规格的有机滤材，扁平设计的过滤盘可以提高有机滤材装填密度，中空轴上安装多层过滤盘并以一定速度旋转，过滤盘之间设有按流体通道设计的镂空流挡板，分离物料流经过滤盘之间的流体通道，流挡板使物料在过滤盘的膜表面形成较强的水力剪切效果和旋转流，可以减少膜污染和减轻浓度极化的产生，延缓膜通量的衰减速度，延长清洗维护周期，降低分离过程中对物料浓度的要求。

附图说明

图1是本发明的整体剖面结构示意图；

图2是图1的A处局部放大结构示意图；

图3是本发明的流挡板结构示意图；

图4是本发明的过滤盘剖面结构示意图。

图中：

1、机架；      2、外筒；     3、电机；         4、分离桶；

5、电机；      11、安装板；  12、动密封轴承；  13、中空轴；

14、皮带轮；   15、进料管；  16、旋转接头；    21、密封盖板；

22、出料管；   31、定位环；  32、安装孔；      33、有机滤材；

41、流挡板；   42、立柱；    43、中心圈；      44、固定环；

45、引流板；   46、固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明所述的一种旋转盘式动态膜分离组件，包括机架1、外筒2和电机5，所述机架1的上端面上设有安装板11，外筒2竖直设于安装板11上且外筒2下端口与安装板11通过密封件连接，外筒2上端口设有密封盖板21；所述外筒2内设有分离桶4，分离桶4的下端口与安装板11通过密封件连接，所述分离桶4中心投影处的安装板11上设有动密封轴承12，动密封轴承12上可转动地设有中空轴13，中空轴13的上部穿设于分离桶4内，分离桶4内设有若干过滤盘3，若干过滤盘3沿竖直方向等距间隔设于中空轴13上；所述分离桶4内设有若干流挡板41，若干流挡板41分别对应间隔设于任一两个相邻的过滤盘3之间；所述动密封轴承12下方的中空轴13上设有皮带轮14，电机5设于外筒2一侧的机架1上且与皮带轮14传动连接；所述安装板11上设有与分离桶4连通的进料管15，密封盖板21上设有出料管22，中空轴13的下端口上设有旋转接头16；上述部件为本发明主体结构，过滤盘3上可以安装各种规格的规律材料，电机5带动中空轴13旋转使过滤盘3在分离桶4的流挡板41之间转动，物料通过增压设备从进料管15进入分离桶4，从出料管22排出，其过滤渗透液通过中空轴13从旋转接头16排出，物料经过过滤盘3和流挡板41之间的流体通道，过滤盘3与流挡板41之间的相对旋转提高过滤膜与物料之间的速度差，在膜表面产生较强的水力剪切效果和旋转流，更新和限制膜表面滤饼的生长，减少膜污染和减轻浓差极化的产生，进而延缓膜通量的衰减，提高分离组件的清洗周期。

所述过滤盘3呈扁平中空的梭形结构设置，且过滤盘3的中心开有安装孔32，安装孔32套装在中空轴13上与其一体转动，过滤盘3的内腔填充有有机滤材33，扁平中空的过滤盘3可以提高有机滤材33的装填密度，从而强化有机滤材33的过滤效率，延缓膜通量的衰减。

所述分离桶4内的中空轴13上设有若干定位环31，若干定位环31均两两相对地成组设置，且每组定位环31分别夹设于对应的过滤盘3的上下端面上，每组定位环31依次叠加与中空轴13连接使若干过滤盘3等距间隔设置；通过定位环31的夹持固定使过滤盘3固定在中空轴13上，可以方便的拆除过滤盘3进行清洗和更换。

所述流挡板41呈圆环状设置，流挡板41的外缘与分离桶4的内壁固定连接，流挡板41的内孔直径大于定位环31的外缘直径。

所述流挡板41包括同心设置的中心圈43和固定环44，中心圈43和固定环44之间连接有若干引流板45，若干流挡板41层叠呈桶装结构，其固定环44组成分离桶4的桶壁，中心圈43和引流板45将若干过滤盘3间隔设置，过滤盘3旋转与物料形成流速差，流挡板41通过引流板45引导物料形成旋转流，从而使过滤盘3上的过滤膜表面的滤饼得到及时的更新和限制，减缓膜污染和减轻浓差极化的产生。

所述引流板45呈弧形设置，且若干引流板45均匀分布在中心圈43和固定环44的周向上，以中心圈43为起点的引流板45弯曲方向与过滤盘3的旋转方向相反。

所述分离桶4包括若干立柱42，若干立柱42均匀分布在以中空轴13为中心在同一圆周上，且若干立柱42的下端与安装板11固定连接，若干立柱42分别穿设于依次叠加的若干流挡板41上的对应固定孔内46，所述任一两个相邻的固定环44之间均设有密封件。

上述结构为本发明旋转盘式动态膜分离组件优选实施方案，根据上述模型进行过滤分离操作得到试验结果如下：

旋转盘式动态膜分离组件已经制造出二套样机。以下实施例中的二套实验机均安装了同样的滤膜。二套样机同时进行实验以考察样机运行时密封的可靠性和旋转的稳定性及过滤性能的一致性。

实施例一：

如附图一所示，本发明的旋转盘式动态膜分离组件包括机架、过滤盘、旋转中空轴、电动机、轴承座、电动机底板、旋转流挡板、动密封装置、外筒、盖板、旋转接头等组成。过滤盘安装在一个封闭的筒体内，封闭的筒体上有一个进料口（物料）和一个出料口（浓缩液），过滤盘上安装0.０８μm滤膜，在旋转中空轴上安装5盘过滤盘并且以一定的速度旋转，渗透液由旋转中空轴中经过旋转接头排出。物料为市售大豆。大豆浸泡17小时后用饮食店专用豆浆机粉碎，并且经过100目过滤网（豆浆机自带）过滤后得到过滤原料。过滤后得到的原料中含有大豆淀粉、纤维、油脂、不溶性蛋白等。无预过滤。经过5分钟之后稳定运行在Q= X L/㎡*h 。在近7个小时膜分离过程中渗透液流量始终保持在Q= X L/㎡*h 附近。渗透液带有浅黄色但清晰透明。实验中的压力由离心泵提供，物料循环回流。物料最高温度上升3.5℃。实验终了是因为离心泵很难推动物料进行循环回流。实验终了浓度为15%。二套样机测量的数据无差别。

实施例二：

旋转盘式动态膜分离组件的结构与实施例1相同，过滤盘上安装0.1μm微滤膜。物料为某封缸酒脚底泥，含固量和粘度都比较大。渗透液清晰，符合业主对成品酒的要求。无预过滤。在近7个小时膜分离过程中渗透液流量始终保持在Q=X L/㎡*h附近。实验中的压力由离心泵提供物料循环回流。实验终了是因为离心泵很难推动物料进行循环回流。因为实验条件有限实验终了浓度没有测量。物料最高温度上升3℃。二套样机测量的数据无差别。

实施例三：

旋转盘式动态膜分离组件的结构与实施例1相同，过滤盘上安装0.1μm微滤膜。物料是河水（河水直接提取自某河流）。0.1μm微滤膜直接过滤。渗透液很清晰，离心泵进水口设置一个竹筐阻挡大的颗粒，无絮凝剂。在近6个小时膜分离过程中渗透液流量始终保持在Q=X L/㎡*h附近。实验中的压力由离心泵提供。物料无循环回流，物料温度无变化。微滤膜截留浓水直接排放。本实验只使用一套样机。

通过这个实验我们可以得到以下结论：

1.以上实施例实验说明旋转盘式动态膜分离组件能够明显减小膜污染和浓差极化的发生程度。旋转盘式动态膜分离组件能够明显延迟二次化学清洗之间的时间；

2.在以上三个实施例的实验终了之前曾经将压力上升至3kg/cm² 时间为5分钟，外筒没有泄漏，物料的渗透液流量有变化但清晰度没有变化。这个实验说明旋转盘式动态膜分离组件中的旋转过滤盘的密封和旋转中空轴动密封装置的设计和制造是适当和可靠的；

3.实施例一的实验终了时物料浓缩液的浓度为1５%。大豆经粉碎后淀粉、大豆纤维、油脂都在液体里，由于没有预过滤所以这个实验物料的起始浓度比较高，因此起始流量下降比较多，有温度上升的情况。但是这个实验说明旋转盘式动态膜分离组件对物料的浓缩可以达到一定程度。物料浓缩倍数视物料特性而定，同时在实验中观察到物料的含固量比较高时对膜分离是有益的；

4.实施例一的实验目的是考察该膜分离系统在植物水提取中的应用。安装不同规格的有机膜可以应用在中药有效成分提取和植物蛋白的提取及浓缩；

5.实施例二的实验目的是考察该膜分离系统在植物醇提中的应用。安装不同规格的有机膜可以有效截留植物中的有效成分并且进行浓缩；

6.实施例三的实验目的是考察该膜分离系统在饮用水微污染、应急供水和海水淡化的预过滤中的应用；

7. 旋转盘式动态膜分离组件对物料进料浓度的要求比较低。其一在该膜组件上安装微滤膜时可以作为超滤、纳滤和反渗透的预过滤器，浓缩液中的固体则可以考虑用离心机或者其他方法去除之。其二在该膜组件上安装各种规格的超滤膜时可以作为纳滤和反渗透精度更高的预过滤器，同时截留和浓缩物料中的大分子溶质。由于该膜组件对物料的浓缩程度比较高，在膜分离系统工作时可以用中空纤维或卷式超滤膜进行预浓缩，最后由旋转盘式动态膜分离组件进行进一步的浓缩。物料是否能够达到喷雾干燥的浓度视物料特性而定；

8. 由旋转盘式动态膜分离组件组成的系统是全封闭和全自动化运行。利用互联网技术可以进行远程监控和控制参数调整；

9. 旋转盘式动态膜分离组件组成的系统在实验过程中的转速的变化、循环压力的变化、进料和出料流量等参数运用PLC自动控制技术控制。但是根据该系统在各实施例中因物料不同而表现出各项参数变化的离散性，今后研究的重点将是旋转盘式动态膜分离组件中PLC对各参数运行状态的控制程序。控制程序因物料不同而异。

综上所述，旋转盘式动态膜分离组件可以和现有膜分离技术组成的膜分离系统，可以简化和缩短物料的分离工艺并且减少运行能耗，提高膜分离系统的效率。在旋转盘式动态膜分离组件和各种离心机组成物料分离系统，将提高分离系统的整体效率。但万变不离其宗的是要根据被分离物料的特性设计分离工艺是做好分离工程的必要条件。

Claims (9)

1. 一种旋转盘式动态膜分离组件，包括机架（1）、外筒（2）和电机（5），其特征在于：所述机架（1）的上端面上设有安装板（11），外筒（2）竖直设于安装板（11）上且外筒（2）下端口与安装板（11）通过密封件连接，外筒（2）上端口设有密封盖板（21）；所述外筒（2）内设有分离桶（4），分离桶（4）的下端口与安装板（11）通过密封件连接，所述分离桶（4）中心投影处的安装板（11）上设有动密封轴承（12），动密封轴承（12）上可转动地设有中空轴（13），中空轴（13）的上部穿设于分离桶（4）内，分离桶（4）内设有若干过滤盘（3），若干过滤盘（3）沿竖直方向等距间隔设于中空轴（13）上；所述动密封轴承（12）下方的中空轴（13）上设有皮带轮（14），电机（5）设于外筒（2）一侧的机架（1）上且与皮带轮（14）传动连接；所述安装板（11）上设有与分离桶（4）连通的进料管（15），密封盖板（21）上设有出料管（22），中空轴（13）的下端口上设有旋转接头（16）。

2.根据权利要求1所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述过滤盘（3）呈扁平中空的梭形结构设置，且过滤盘（3）的中心开有安装孔（32），安装孔（32）套装在中空轴（13）上与其一体转动，过滤盘（3）的内腔填充有有机滤材（33）。

3.根据权利要求2所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述分离桶（4）内的中空轴（13）上设有若干定位环（31），若干定位环（31）均两两相对地成组设置，且每组定位环（31）分别夹设于对应的过滤盘（3）的上下端面上，每组定位环（31）依次叠加与中空轴（13）连接使若干过滤盘（3）等距间隔设置。

4.根据权利要求1-3任一所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述分离桶（4）内设有若干流挡板（41），若干流挡板（41）分别对应间隔设于任一两个相邻的过滤盘（3）之间。

5.根据权利要求4所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述流挡板（41）呈圆环状设置，流挡板（41）的外缘与分离桶（4）的内壁固定连接，流挡板（41）的内孔直径大于定位环（31）的外缘直径。

6.根据权利要求5所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述流挡板（41）包括同心设置的中心圈（43）和固定环（44），中心圈（43）和固定环（44）之间连接有若干引流板（45）。

7.根据权利要求6所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述引流板（45）呈弧形设置，且若干引流板（45）均匀分布在中心圈（43）和固定环（44）的周向上，以中心圈（43）为起点的引流板（45）弯曲方向与过滤盘（3）的旋转方向相反。

8.根据权利要求5所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述分离桶（4）包括若干立柱（42），若干立柱（42）均匀分布在以中空轴（13）为中心在同一圆周上，且若干立柱（42）的下端与安装板（11）固定连接，若干立柱（42）分别穿设于依次叠加的若干流挡板（41）上的对应固定孔内（46）。

9.根据权利要求8所述的旋转盘式动态膜分离组件，其特征在于：所述任一两个相邻的固定环（44）之间均设有密封件。