本發(fā)明涉及一種操作溫度可控的多組件式膜分離裝置及其工藝，屬于水和廢水處理、食品、生物、制藥、精細化工等的流體分離領域。

背景技術(shù)：

膜分離技術(shù)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、操作簡便等優(yōu)點，因而在當今工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用于不同物理、化學性質(zhì)的物料的分離、分級、除雜及濃縮。以壓力為驅(qū)動力的反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)、微濾(MF)等四種膜過程，是由于膜的孔徑依次增大，對不同分子尺寸或物質(zhì)尺寸的混合物能夠進行精細分離、提純和濃縮，能夠?qū)崿F(xiàn)針對特定的物料的特定分離目的而進行高效操作。RO、NF由于膜具有納米級甚至小至埃級尺寸的小孔徑，適用于分離料液中的一價或高價離子以及小分子量物質(zhì)和水，操作壓力高，為高壓膜分離過程；而UF、MF由于膜的孔徑在數(shù)十個納米甚至大到數(shù)個微米，僅需較低的操作壓力即可將混合物中的大分子與小分子物質(zhì)分離，為低壓膜分離過程。

迄今為止，可以進行大規(guī)模工業(yè)應用的膜元件型式主要有卷式、中空纖維式、管式和平板式。其中，用于RO、NF的大多為需高壓操作的卷式膜組件，而用于UF、MF的為可低壓操作的膜組件除了卷式外，比較常見的是平板式、中空纖維式。一種膜過程在進入大規(guī)模工業(yè)化應用前，通常需經(jīng)過膜分離的小試或小試擴大試驗研究，以確定料液分離純化的膜分離過程參數(shù)并確定其所能達到的分離效果及所得產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣等，為工業(yè)化膜分離系統(tǒng)的設計和膜分離裝置的制造提供科學依據(jù)。而當今市場上已有的試驗用或批次規(guī)模生產(chǎn)用的膜分離設備，均無有效的溫控系統(tǒng)，無法調(diào)控物料運行溫度，并都以單一形式例如平板式或卷式的膜元件，或以操作壓力僅為低壓或高壓采用單一膜元件的制造的成套化裝置，以此所得的實驗數(shù)據(jù)偏差太大。因而，已有成套化的膜分離裝置存在規(guī)格少、膜分離功能單一，無溫控系統(tǒng)，同一套設備不能在同時間內(nèi)采用同一料液進行多種不同膜的操作運行，更不能滿足含熱敏性物質(zhì)的物料控溫操作運行的需要，完成分離任務時工藝步驟繁雜、試驗設備多臺套、設備投資和運行費用大等問題。

基于不同構(gòu)型的分離膜元件和不同的壓力操作模式，面向各種物料的試驗研究和工業(yè)生產(chǎn)應用，開發(fā)操作溫度可控且具有特定膜過程的多種分離功能的分離膜裝置，實現(xiàn)成套裝置結(jié)構(gòu)緊湊化、操作簡便化、功能多樣化、用途廣泛化，以滿足當前功能分離膜科學研究與工業(yè)應用的日益增長的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種操作溫度可控的多組件式膜分離裝置，通過采取多項溫控措施，設置多種溫控裝置，使某些含熱敏性物質(zhì)的物料在分離過程中，其熱敏性不被破壞；同時，實現(xiàn)同一套裝置上對同一物料分別用兩種型式的膜組件，分別進行高壓和低壓操作，快速確定該料液進行不同膜分離的工藝操作參數(shù)，從而確定其所能達到的分離效果及所得產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，為大規(guī)模工業(yè)化膜分離系統(tǒng)的工藝設計及其成套化膜分離裝置的制造提供科學依據(jù)。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：一種操作溫度可控的多組件式膜分離裝置，包括由管路依次相連的原水池、壓力驅(qū)動裝置、膜組件，膜組件的兩個出水口分別連接有產(chǎn)水出水管路和濃水出水管路，還包括溫控系統(tǒng)，所述的溫控系統(tǒng)分為三部分，分別為原水池的恒溫控制器、濃水管路的熱交換裝置、包裹在管路上的保溫包覆材料；所述壓力驅(qū)動裝置具有兩個驅(qū)動部分，分別為并聯(lián)設置的高壓泵和低壓泵；所述膜組件具有兩種分離型式，分別為并聯(lián)設置平板式和螺旋卷式；所述管路上的設置有選擇驅(qū)動部分和分離型式的閥門。

優(yōu)選的，所述恒溫控制器為恒溫浴槽，恒溫浴槽內(nèi)設有作為降溫或者升溫的媒介物質(zhì)，所述原水池置于恒溫浴槽內(nèi)。

優(yōu)選的，所述恒溫浴槽與熱交換裝置之間設有循環(huán)管路，循環(huán)管路上設有循環(huán)泵。

優(yōu)選的，所述熱交換裝置為一套、兩套或者多套組合。

優(yōu)選的，所述平板式膜組件并聯(lián)運行有兩套，所述螺旋卷式膜組件并聯(lián)運行有兩套。

優(yōu)選的，所述熱交換裝置為蛇形管式或者板式。

優(yōu)選的，管道保溫包覆材料為橡塑棉。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種操作溫度可控的多組件式膜分離工藝，在保證了單支膜組件、單個膜過程的常規(guī)應用的基礎上，組合了兩類膜型式、多種膜功能的膜組件，集成了高壓膜系統(tǒng)和低壓膜系統(tǒng)，實現(xiàn)了成套系統(tǒng)分離功能多樣化，運行工藝組合化，操作管理簡便。

本發(fā)明的上述目的是通過以下技術(shù)方案得以實現(xiàn)的：

一種操作溫度可控的多組件式膜分離工藝，其特征是：

1)通過在恒溫浴槽內(nèi)投加冷源/熱源，對原水池中的物料溫度進行調(diào)節(jié)控制；

2)調(diào)整管路上的相應閥門，啟動低壓泵或高壓泵；

3)同時選擇單一或組合的平板式膜組件和/或螺旋卷式膜組件的運行，膜組件耐壓容器內(nèi)安裝適用于低壓環(huán)境的超濾膜/微濾膜或者適用于高壓環(huán)境的納濾膜/反滲透膜；

4)對膜組件進口、出口兩端的閥門進行調(diào)節(jié)，以改變膜的進水、出水流量，在0～1.5MPa壓力范圍內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)的相應操作壓力；

5)在濃水出水總管連接熱交換裝置，熱交換裝置是以恒溫浴槽內(nèi)冷源/熱源為媒介物質(zhì)，通過啟動冷/熱源循環(huán)泵實現(xiàn)換熱介質(zhì)流入熱交換裝置入口，經(jīng)熱交換裝置出口回流至恒溫浴槽或直接排放來達到調(diào)控物料運行溫度的目的。

優(yōu)選的，壓力驅(qū)動裝置與膜組件的運行方式有以下幾種，

1)低壓泵驅(qū)動的平板式膜組件與平板式膜組件并聯(lián)運行；

2)高壓泵驅(qū)動的平板式膜組件與平板式膜組件并聯(lián)運行；

3)低壓泵驅(qū)動的螺旋卷式膜組件與螺旋卷式膜組件并聯(lián)運行；

4)高壓泵驅(qū)動的螺旋卷式膜組件與螺旋卷式膜組件并聯(lián)運行；

5)低壓泵驅(qū)動的平板式膜組件與螺旋卷式膜組件并聯(lián)運行；

6)高壓泵驅(qū)動的平板式膜組件與螺旋卷式膜組件并聯(lián)運行；

7)調(diào)整相應閥門的開和關的狀態(tài)，料液通過低壓泵或高壓泵的輸送，分離系統(tǒng)實施單支膜組件運行。

優(yōu)選的，利用低壓泵作為清洗膜系統(tǒng)的清洗泵。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明基于壓力驅(qū)動膜分離原理，巧妙地設計管、閥系統(tǒng)，靈活地組合結(jié)構(gòu)型式相同和不相同的膜組件，有機地集成高壓和低壓驅(qū)動運行模式，創(chuàng)新性地設置了多項溫度控制裝置以控制運行物料溫度，確保運行物料的安全性和系統(tǒng)工藝數(shù)據(jù)的可靠性，提高了成套膜分離裝置的集成度和科技含量，強化了膜分離功能的多樣性。創(chuàng)新膜清洗方式多樣化，實現(xiàn)單組件或多組件全面清洗，徹底清除膜面污染物甚至膜孔內(nèi)的污堵物。因此，在同等運行條件下，與傳統(tǒng)膜分離裝置相比，本發(fā)明裝置具有適用性更廣，分離效率更高，運行條件更易控制，運行數(shù)據(jù)更為準確，獲得的結(jié)果更具可靠性等的顯著優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。

附圖標記：W-01為恒溫浴槽；W-02為熱交換裝置；ZF-01、ZF-02、ZF-03、ZF-04、ZF-05、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13均為閥門；M-01、M-02為平板式膜組件；M-03、M-04為螺旋卷式膜組件；B-01為低壓泵；B-02為高壓泵；B-03為循環(huán)泵；P為壓力表；F為流量表。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，操作溫度可控的多組件式膜分離裝置主要由四大部分組件成，依次為原水池部分、壓力驅(qū)動部分、膜組件部分和熱交換部分，相互之間由硅膠管/鋼管相連，且在管路上包覆橡塑棉等具有環(huán)保阻燃、隔熱保溫、隔音減震的保溫材料。

原水池部分包括原水池、恒溫浴槽，恒溫浴槽內(nèi)部裝有冷媒/熱媒，根據(jù)需要可以選用水、酒精、油等作為降溫或升溫的媒介物質(zhì)；原水池置于恒溫浴槽內(nèi)。

壓力驅(qū)動部分包括并聯(lián)設置的低壓泵和高壓泵以及回流量調(diào)節(jié)用閥門ZF-03，低壓泵的進水管道上設置有閥門ZF-01,低壓泵的出水管道上設置有閥門ZF-04，高壓泵的進水管道上設置有閥門ZF-02,高壓泵的出水管道上設置有閥門ZF-05；壓力驅(qū)動部分的總進水口通過硅膠管與原水池連通，將原水根據(jù)需要通過兩條管道進入壓力泵；在兩個壓力泵的進口前分別裝置一個流量表，壓力驅(qū)動部分的總出水管道上設置有壓力表P，該總出水管道與膜組件部分的總進水口相連。

膜組件部分包括并聯(lián)設置的平板式膜組件M-01、平板式膜組件M-02、螺旋卷式膜組件M-03、螺旋卷式膜組件M-04；平板式膜組件M-01進水口依次設置有閥門ZF-06和壓力表P，平板式膜組件M-01的兩個出水口分別為產(chǎn)水出水口和濃水出水口，濃水出水口的管道上依次設置有閥門ZF-10和流量表F；

平板式膜組件M-02進水口依次設置有閥門ZF-07和壓力表P，平板式膜組件M-02兩個出水口分別為產(chǎn)水出水口和濃水出水口，濃水出水口的管道上依次設置有閥門ZF-11和流量表F；

螺旋卷式膜組件M-03進水口依次設置有閥門ZF-08和壓力表P，螺旋卷式膜組件M-03兩個出水口分別為產(chǎn)水出水口和濃水出水口，濃水出水口的管道上依次設置有閥門ZF-12和流量表F；

螺旋卷式膜組件M-04進水口依次設置有閥門ZF-09和壓力表P，螺旋卷式膜組件M-04的兩個出水口分別為產(chǎn)水出水口和濃水出水口，濃水出水口的管道上依次設置有閥門ZF-13和流量表F；

四個膜組件的濃水出水的管道最后匯集到一支濃水出水總管上，然后連接到熱交換部分的進水口。

熱交換部分主要為熱交換裝置，根據(jù)需要設置成一套、兩套或者多套組合式，其換熱器形式可以為蛇形管式或者板式；熱交換裝置是以恒溫浴槽內(nèi)冷源/熱源為媒介物質(zhì)，通過啟動冷/熱源循環(huán)泵泵入換熱介質(zhì)，然后經(jīng)出口回流至恒溫浴槽或直接排放來達到控制物料運行溫度的目的。

該裝置的具體操作工藝過程如下：

1)通過在恒溫浴槽內(nèi)投加冷源/熱源，對原水池中的物料溫度進行調(diào)節(jié)控制；

2)調(diào)整管路上的相應閥門，啟動低壓泵或高壓泵；

3)同時選擇單一或組合的平板式膜組件和/或螺旋卷式膜組件的運行，膜組件耐壓容器內(nèi)安裝適用于低壓環(huán)境的超濾膜/微濾膜或者適用于高壓環(huán)境的納濾膜/反滲透膜；

4)壓力驅(qū)動裝置與膜組件的運行方式有以下幾種：

1、低壓泵B-01驅(qū)動的平板式膜組件M-01與驅(qū)動的平板式膜組件M-02的并聯(lián)運行；

2、高壓泵B-02驅(qū)動的平板式膜組件M-01與驅(qū)動的平板式膜組件M-02的并聯(lián)運行；

3、低壓泵B-01驅(qū)動的螺旋卷式膜組件M-03與驅(qū)動的螺旋卷式膜組件M-04的并聯(lián)運行；

4、高壓泵B-02驅(qū)動的螺旋卷式膜組件M-03與驅(qū)動的螺旋卷式膜組件M-04的并聯(lián)運行；

5、低壓泵B-01驅(qū)動的平板式膜組件(M-01或M-02)與驅(qū)動的螺旋卷式膜組件(M-03或M-04)的并聯(lián)運行；

6、高壓泵B-02驅(qū)動的平板式膜組件(M-01或M-02)與驅(qū)動的螺旋卷式膜組件(M-03或M-04)的并聯(lián)運行；

7、調(diào)整相應閥門的開和關的狀態(tài)，料液通過低壓泵M-01或高壓泵M-02的輸送，分離系統(tǒng)實施單支膜組件(M-01或M-02或M-03或M-04)運行。

5)低壓平板式膜(M-01或M-02)和低壓螺旋卷式膜(M-03或M-04)的并聯(lián)運行時，即啟動低壓泵同時進行M-01和/或M-02的平板式超濾膜或微濾膜與M-03和/或M-04的螺旋卷式超濾膜或微濾膜的運行，指打開閥門ZF-01、ZF-03、ZF-04、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13，關閉其余閥門，同時調(diào)節(jié)閥門ZF-03、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13的閉合度，以改變膜的進水、出水流量，同時在0～0.5MPa壓力范圍內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)的相應操作壓力。

6)高壓平板式膜和高壓螺旋卷式膜的并聯(lián)運行，即啟動高壓泵同時進行M-01和/或M-02的平板式納濾膜或反滲透膜與M-03和/或M-04的螺旋卷式納濾膜或反滲透膜的運行，指打開閥門ZF-02、ZF-03、ZF-05、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13，關閉其余閥門，同時調(diào)節(jié)閥門ZF-03、ZF-06、ZF-07、ZF-08、ZF-09、ZF-10、ZF-11、ZF-12、ZF-13的閉合度，以改變膜的進水、出水流量，在0～1.5MPa壓力范圍內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)的相應操作壓力。

以下結(jié)合具體樣品實驗對本方案作進一步說明。

實例一、金銀花水提液中綠原酸的超濾純化試驗

稱取2.5kg金銀花，按1.0、0.7、0.5、0.5、0.5倍加水量提取回流5次，每次1.5h，粗濾，合并濾液即得金銀花水提液。測定水提液綠原酸含量，并以該水提液作為超濾的原料液進行超濾膜分離。分別選擇切割分子量(MWCO)均為20～50kDa的平板式超濾膜和螺旋卷式超濾膜，對綠原酸水提液進行并聯(lián)試驗運行。具體操作如下：將平板式膜裝入M-02組件，螺旋卷式膜安裝至M-03組件。綠原酸為熱敏性物質(zhì)，溫度應控制在40℃以下，因此可選用水作為冷媒。在恒溫浴槽內(nèi)加入適量的水，開啟恒溫浴槽電源按鈕，設定溫度為25℃，接好熱交換裝置及循環(huán)管道，并開啟循環(huán)泵B-03進行循環(huán)降溫。取10L金銀花水提液置于原水池，打開閥門ZF-01、ZF-04，其余閥門關閉，啟動低壓泵B-01，同時打開ZF-03，調(diào)節(jié)閥門ZF-07、ZF-08、ZF-11及ZF-12的閉合度以改變膜的進水、出水流量，在0～0.5MPa壓力范圍內(nèi)調(diào)整系統(tǒng)的相應操作壓力。即啟動M-02的平板式超濾膜和M-03螺旋卷式超濾膜的運行。分別取濃水、產(chǎn)水進行綠原酸的高效液相色譜檢測，記錄下試驗數(shù)據(jù)及試驗的溫度、壓力、流量等操作條件。由于兩種不同型式膜組件的有效膜面積不同，導致兩個膜組件的進水流量差異較大，因此，在考察兩種結(jié)構(gòu)型式不同的膜組件的分離效果的研究中，應將進水流量換算成膜面流速進行流量調(diào)控。經(jīng)超濾后，原料液中90％的綠原酸透過膜，而絕大多數(shù)大分子雜質(zhì)得到去除。通過對不同組件結(jié)構(gòu)型式分離膜的膜材料、膜的切割分子量和操作壓力等參數(shù)的對比運行研究、深度探討，獲得的試驗結(jié)果可用于指導綠原酸水提液純化分離的超濾膜的選擇及其工業(yè)應用。

實例二、金銀花水提液中綠原酸的膜法純化濃縮試驗

按實例一方法，得到金銀花水提液。選取MWCO分別為20～50kDa、150～300Da的螺旋卷式超濾膜和螺旋卷式納濾膜，裝入M-03和M-04組件內(nèi)，另自備一只水池。在恒溫浴槽內(nèi)加入適量的水作為冷媒，開啟恒溫浴槽電源按鈕，設定溫度為25℃，接好熱交換裝置及循環(huán)管道，并開啟循環(huán)泵B-03進行循環(huán)降溫。取10L金銀花水提液，置于原水池內(nèi)，打開閥門ZF-01、ZF-04，啟動低壓泵B-01，調(diào)節(jié)ZF-03、ZF-08、ZF-12等閥門的閉合度以控制進料流量和操作壓力。在操作壓力為0～0.5MPa，一定的料液溫度(25℃±1℃)和流量下，進行超濾膜純化分離工藝參數(shù)的優(yōu)化試驗。在M-03運行過程中，取超濾后的滲透液5L置于自備水池中，關閉閥門ZF-01、ZF-03、ZF-04、ZF-08、ZF-12，打開閥門ZF-02、ZF-05，啟動高壓泵B-02，調(diào)節(jié)閥門ZF-03、ZF-09、ZF-13等閥門的閉合度，在操作壓力為0.5～1.5MPa，一定的物料溫度(25℃±1℃)及流量下，運行納濾過程，進行綠原酸濃縮的工藝試驗研究。當原水池中有效成分的濃度為初始料液的3倍(即濃縮倍數(shù))時，停止運行。

通過變換操作參數(shù)并重復上述兩個試驗，即可優(yōu)選得到最佳的膜分離、純化、濃縮工藝參數(shù)，如操作壓力、運行溫度、膜面流速等。

上述實施例僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非依此限制本發(fā)明的保護范圍，故：凡依本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、形狀、原理所做的等效變化，均應涵蓋于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。