專利名稱：一種新型恒溫管式膜組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型恒溫管式膜組件，適用于滲透汽化、蒸汽滲透、微濾、超濾、反 滲透、納濾、電滲析等膜分離過程，也可適用與膜分離與催化反應(yīng)相結(jié)合以強化酯化反 應(yīng)、酯交換反應(yīng)等的催化膜反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
滲透汽化(pervaporation，簡稱PV，又稱為滲透蒸發(fā))和蒸汽滲透(VaporPermeation, 簡稱VP)是一種新型膜分離技術(shù)。該技術(shù)用于液體混合物的分離，其突出的優(yōu)點是能夠 以低能耗實現(xiàn)蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)的方法難于完成的分離任務(wù)。它特別適于蒸餾法 難于分離或不能分離的近沸點、恒沸點混合物以及同分異構(gòu)體的分離；對有機溶劑及混 合溶劑中少量、微量水的脫除及廢水中少量有機污染物的分離具有明顯的技術(shù)上和經(jīng)濟 上的優(yōu)勢；還可以同生物及化學(xué)反應(yīng)耦合，將反應(yīng)生成物不斷脫除，使反應(yīng)轉(zhuǎn)化率明顯 提高。所以，滲透汽化技術(shù)在醫(yī)藥化工及相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景及市場。它 是目前處于發(fā)展期的新型分離技術(shù)，國際學(xué)術(shù)界的專家們稱之為二十一世紀最有前途的 高技術(shù)之一。
滲透汽化膜分離過程研究和應(yīng)用比較成熟的大部分是有機高分子膜，但是由于有機膜 在熱穩(wěn)定性、機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性等方面具有很大的局限性，其應(yīng)用范圍受到很大的 限制。與有機膜相比，無機陶瓷膜在這些方面具有很大的優(yōu)勢，近20多年以來，無機膜 的制備和滲透汽化分離過程的開發(fā)是國內(nèi)外膜科學(xué)家和工程技術(shù)人員的研究熱點。在眾 多無機膜中，沸石分子篩膜因具有規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和強的吸附性能而 備受關(guān)注。如JP2003-210950， CN1597072, CN1274396C等均報道了高性能NaA分子篩 膜的制備方法，所制備的NaA分子篩膜可以用于含水共沸有機物的滲透汽化脫水。
無機陶瓷膜，特別是分子篩膜大多數(shù)情況下是以氧化鋁管或其它陶瓷管為載體通過水 熱合成法制備得到的。在滲透汽化膜分離過程中，透過組分蒸發(fā)所需要的熱量來自于原 料液，由于膜的滲透汽化分離性能與溫度密切相關(guān)，隨著溫度的降低，膜的通量和處理 能力將大幅度降低。因此，膜組件的形式直接影響分離過程的效率。 一般情況下，原料 液預(yù)熱到一定溫度后進入膜組件，隨著原料液在膜表面和組件中的流動，滲透組分汽化 帶走熱量導(dǎo)致原料液的溫度降低和膜分離效率的衰減。通常是將通過一個或數(shù)個膜組件 的原料液再次進行加熱以保持高的分離效率。這種膜組件的缺點是需要額外換熱器，溫度極化效應(yīng)導(dǎo)致膜分離性能的降低，從而增加了分離的成本和設(shè)備。滲透汽化或汽化滲 透過程是一個傳質(zhì)和傳熱同時存在的分離過程，和其他過程類似，也將產(chǎn)生濃度極化和 溫度極化現(xiàn)象，所以原料液在膜面上的流動狀態(tài)是影響分離過程的重要因素。增加料液 流動的湍流程度，減少濃度邊界層和溫度邊界層，保證流體在膜面分布更均勻，可以減 少濃度和溫度極化對膜分離性能的影響。為了降低管式膜滲透汽化分離過程中的溫度極 化和濃度極化效應(yīng)導(dǎo)致分子性能的降低，設(shè)計和改進膜組件顯得尤為重要，CN1795041、 JP2003-93843和JP2003-93844均提出了新型的滲透汽化膜組件，部分的降低了了分離過 程中的溫度極化對分離性能的影響，但是并未降低膜分離過程中的濃度極化，同時單位 膜組件體積裝填的膜面積低，這將增加膜分離設(shè)備的體積，增加制備成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對無機膜，特別是分子篩膜滲透汽化分離過程中的溫度極化和濃度 極化效應(yīng)導(dǎo)致膜分離性能降低和操作成本增加等技術(shù)問題，提供一種新型恒溫管式膜組 件，該膜組件可以用于滲透汽化、蒸汽滲透、微濾、超濾、反滲透、納濾、電滲析等膜 分離過程，也可以用于膜分離與催化反應(yīng)相結(jié)合以強化酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng)等的催化 膜反應(yīng)器。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于膜組件由管狀膜16、組件封頭11、 組件外殼17和組件加熱腔33等部分構(gòu)成。其中管狀膜16與密封墊圈15緊密連接，然 后由法蘭14固定在組件法蘭13上。原料液通過進口 21進入分離腔體23和由管狀膜16 與加熱腔33形成的環(huán)形夾層24中。管狀膜及原料液通過加熱腔33中的恒溫加熱介質(zhì)直 接加熱，供給滲透組分汽化所需要的熱量。滲余液由出口23排除進入下一級膜組件，透 過管狀膜的滲透蒸汽通過驅(qū)動腔體12排出。加熱腔中的加熱介質(zhì)通過外部的換熱器加熱 后經(jīng)由進口 31和出口 32在腔體內(nèi)高速循環(huán)流動以保持恒溫狀態(tài)。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件的材質(zhì)可以為不銹鋼材 料，也可以為有機玻璃，工程塑料，ABS樹脂等任何易于加工和成型的材料。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述管狀膜可以為分子篩膜，也可 以其它任何無機陶瓷膜。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述管狀膜的外徑為10-13mm， 壁厚為l-3mm，長度為1-100厘米。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述加熱介質(zhì)可以為熱水或蒸汽，也可以為任何一種導(dǎo)熱油。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件可以是單通道，也可以 是多通道。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述單位膜組件體積內(nèi)裝填膜面 積的裝填密度為10 500m2/m3。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件可以用于滲透汽化， 汽化滲透膜分離過程中混合物的分離，也可以用于微濾、超濾、反滲透、納濾、電滲析 等膜分離過程。
本發(fā)明提供一種新型恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件可以用于膜分離與催 化反應(yīng)相結(jié)合以強化酯化反應(yīng)、酯交換反應(yīng)等的催化膜反應(yīng)器。


圖1為膜組件的剖面圖。
具體實施例方式
附圖編號說明
11.組件封頭 12.驅(qū)動腔體 13.組件法蘭
14,法蘭 15.密封墊圈 16.管狀膜
17.組件外殼 18.連接頭
21.原料液進口22.濾余液出口23.分離腔體
24.環(huán)形夾層 25.膜通道
31.熱介質(zhì)進口32.熱介質(zhì)出口33.加熱腔
參照圖l，本發(fā)明是一種新型管狀膜組件分離設(shè)備，具有低能耗、低濃度極化效應(yīng)、 低溫度極化效應(yīng)、高裝填密度和足夠機械強度等優(yōu)點。包括膜組件和管狀膜16，膜組件 由組件封頭11、組件外殼17和膜組件加熱腔33構(gòu)成。封頭11和組件法蘭13以螺栓做 緊固連接，他們之間有密封圈。封頭11上有連接頭18，透過管狀膜的滲透液通過驅(qū)動腔 體12排出。原料液進口 21和濾余液出口 22分別位于組件外殼17底部和頂部。
圖1中，管狀膜16與密封墊圈15緊密連接，然后由法蘭14固定在組件法蘭13上。 圖1中，膜組件加熱腔33通過隔板34焊接在組件外殼17上。熱介質(zhì)進口 31和熱 介質(zhì)出口 32分別位于組件外殼17底部和頂部。圖1中，在膜組件法蘭13上，管狀膜16和密封圈15可法蘭14單獨密封固定，也 可由法蘭14整體密封固定。
管狀膜組件用于分離過程如下
待分離的原料液由進口接頭21進入膜組件分離腔體23,然后進入管狀膜與加熱腔之 間的中間層24，原料液在由管狀膜16與加熱腔形成的環(huán)形夾層24被加熱，減少了溫度 極化效應(yīng)；原料液在由管狀膜16與加熱腔形成的環(huán)形夾層24容易形成湍流，減少了濃 度極化效應(yīng)。透過管狀膜的滲透液通過膜通道25，進入動力驅(qū)動腔12，通過動力驅(qū)動如 載氣吹掃或抽真空將滲透液排出連接頭18。分離完的濾余液由出口 21排出。原料液由膜 組件底部進入，由膜組件頂部排出，保證原料液充滿膜組件。
熱介質(zhì)從膜組件底部由進口 31進入加熱腔33，然后熱介質(zhì)和原料液通過并流或逆流 進行換熱，最后從組件頂部由出口32排出。熱介質(zhì)保證了膜組件的絕熱性，減少了溫度 極化效應(yīng)。
本發(fā)明的膜組件可以通過并聯(lián)或串連多個膜組件組成膜分離設(shè)備?，F(xiàn)有技術(shù)的膜組件在 分離過程由于滲透液帶走部分能量，導(dǎo)致原料液溫度降低，使得分離性能通量大大降低， 從而需要對原料液通過換熱器再次加熱，而本發(fā)明的膜組件分離設(shè)備集分離和換熱為一 體，減少了設(shè)備，降低了能耗降低了溫度極化效應(yīng)。在該組件中，原料在膜面上的流動 狀態(tài)容易達到湍流狀態(tài)，降低了濃度極化效應(yīng)，分離所需要的膜面積減少和成本降低。 同時該膜組件具有高的裝填密度，膜的安裝和維修方便。
權(quán)利要求
1、一種恒溫管式膜組件，其特征在于膜組件由管狀膜(16)、組件封頭(11)、組件外殼(17)和組件加熱腔(33)等部分構(gòu)成；其中管狀膜(16)與密封墊圈(15)緊密連接，然后由法蘭(14)固定在組件法蘭(13)上；原料液通過進口(21)進入分離腔體(23)和由管狀膜(16)與加熱腔(33)形成的環(huán)形夾層(24)中；管狀膜及原料液通過加熱腔(33)中的恒溫加熱介質(zhì)直接加熱，供給滲透組分汽化所需要的熱量；滲余液由出口(23)排除進入下一級膜組件，透過管狀膜的滲透蒸汽通過驅(qū)動腔體(12)排出；加熱腔中的加熱介質(zhì)通過外部的換熱器加熱后經(jīng)由進口(31)和出口(32)在腔體內(nèi)高速循環(huán)流動以保持恒溫狀態(tài)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件的材質(zhì)為不銹鋼 材料、有機玻璃、工程塑料或ABS樹脂。
3. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述管狀膜為分子篩膜，或 無機陶瓷膜。
4. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述管狀膜的外徑為5-50 毫米，壁厚為l-5毫米，長度為1-500厘米。
5. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述加熱介質(zhì)為熱水、蒸汽 或?qū)嵊汀?br> 6. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件為單通道或多通 道。
7. 按照權(quán)利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述單位膜組件體積內(nèi)裝填 膜面積的裝填密度為10 500m2/m3。
8. 按照權(quán)利要求1一7任一權(quán)利要求所述的恒溫管式膜組件，其特征在于恒溫管式 膜組件用于滲透汽化、汽化滲透膜分離過程中混合物的分離、微濾、超濾、反滲透、 納濾或電滲析膜分離過程。
9. 按照權(quán)利要求l一7任一權(quán)利要求所述的恒溫管式膜組件，其特征在于恒溫管式膜 組件用于膜分離與催化反應(yīng)相結(jié)合以強化酯化反應(yīng)或酯交換反應(yīng)催化膜反應(yīng)器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型恒溫管式膜組件，該新型恒溫管式膜組件具有低能耗、低濃度極化效應(yīng)、低溫度極化效應(yīng)、高裝填密度和足夠機械強度等優(yōu)點，適用于滲透汽化、蒸汽滲透、微濾、超濾、反滲透、納濾、電滲析等膜分離過程，也可適用與膜分離與催化反應(yīng)相結(jié)合的催化膜反應(yīng)器。
文檔編號B01D63/06GK101623597SQ200910127979
公開日2010年1月13日 申請日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月25日
發(fā)明者呂高孟, 張小明, 索繼栓, 騫 雷 申請人:中科院嘉興中心成都有機所分中心;中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司