專利名稱：離心旋轉(zhuǎn)超重力－膜分離技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)各種混合物(主要為無(wú)相變液體)的分離、濃縮、提純及凈化技術(shù)。尤其適用于反滲透、納濾、超濾、微濾過(guò)程中以壓力差為膜分離推動(dòng)力的分離過(guò)程?？蓱?yīng)用于海水、苦咸水淡化，煉油、化工、生物工程、制藥中混合物料的分離，水溶液脫水濃縮、廢水再利用、飲料、食品、超凈化、生物醫(yī)藥廢水處理及進(jìn)行化工膜分離反應(yīng)等，以及各種工業(yè)用水的提純，貴重溶液濃縮等領(lǐng)域。
超重力技術(shù)，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，空間技術(shù)的迅速發(fā)展給人類提供了開(kāi)發(fā)利用空間環(huán)境的需要和條件。在地面上自然界的很多規(guī)律都受到地球重力場(chǎng)的作用和限制。作為兩種極端的物理?xiàng)l件——微重力環(huán)境和超重力環(huán)境，為物理學(xué)、生物學(xué)、流體力學(xué)、化學(xué)、化學(xué)工程學(xué)、材料力學(xué)、生命科學(xué)等學(xué)科的研究開(kāi)辟了新的天地，為科學(xué)的發(fā)展注入了新的活力，同時(shí)也孕育了新學(xué)科和新技術(shù)的誕生，使人們可以突破地球重力場(chǎng)的限制，創(chuàng)造出更多的新技術(shù)，造福人類，目前超重力環(huán)境主要是在高速離心旋轉(zhuǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的。
1976年，美國(guó)太空署(NASA)征求微重力場(chǎng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司(ICI)新學(xué)科組的Colin Ramshow教授等人做了微重力場(chǎng)對(duì)化工分離單元操作——蒸餾、吸收等影響效應(yīng)的研究。他們發(fā)現(xiàn)微重力場(chǎng)使控制多相流體動(dòng)力學(xué)行為的浮力因子Δpg接近于零，使相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度降低，非但對(duì)傳質(zhì)沒(méi)有任何好處，反而極大地削弱了傳質(zhì)過(guò)程。更嚴(yán)重的是，在幾乎沒(méi)有重力的情況下，液體的表面張力將起主導(dǎo)作用，液體凝聚在一起，組分基本上得不到分離。與此相反，超重力不僅使液體的表面張力微不足道，而且液體在巨大剪切力的作用下被拉伸成絲成滴，產(chǎn)生出巨大的相間接觸面積，更因此極大地提高了傳質(zhì)速率，也提高了氣液逆流操作的泛點(diǎn)氣速，這一切都對(duì)分離與操作有利。沿著這一思路，ICI著手進(jìn)行這方面的研究，設(shè)計(jì)出可生產(chǎn)200--1000g超重力環(huán)境的旋轉(zhuǎn)填充床。大約兩年以后，第一套示范裝置開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。1979年6月27日，公開(kāi)了在超重力機(jī)方面的第一個(gè)專利。在后來(lái)的幾年里，又陸續(xù)公開(kāi)了一些專利，從而形成了現(xiàn)代超重力機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和操作方式。ICI公司1983年報(bào)道了工業(yè)規(guī)模的超重機(jī)平行于傳統(tǒng)板式塔進(jìn)行乙醇與異丙醇分離和苯與環(huán)己烷分離，成功運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)千小時(shí)的情況，肯定了這一新技術(shù)的工程與工藝可行性。它的傳質(zhì)單元高度僅為1-3cm，較傳統(tǒng)的填料塔1-2m下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。它極大地降低了投資和能耗，顯示出十分重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。由于HIGEE(超重機(jī))技術(shù)可能帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)效益和可能在特殊場(chǎng)合的應(yīng)用，無(wú)論是ICI、Glitsch還是其他公司，都很少對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的技術(shù)報(bào)道，只是發(fā)表一些應(yīng)用性的研究成果與商業(yè)性報(bào)道。目前所能見(jiàn)到的專業(yè)技術(shù)性的文章都是出自一些大學(xué)。
在國(guó)內(nèi)，1984年，汪家鼎院士在第二屆高校化學(xué)工程會(huì)議上增經(jīng)作過(guò)關(guān)于超重力技術(shù)及其應(yīng)用前景的報(bào)告；1989年浙江大學(xué)陳文炳等曾經(jīng)發(fā)表過(guò)常規(guī)填料超重機(jī)內(nèi)的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；天津大學(xué)朱慧銘于1991年，南京化工學(xué)院沈浩于1992年也都有關(guān)于超重力分離過(guò)程研究的碩士論文發(fā)表。1988年，北京化工大學(xué)與美國(guó)Case WesternReserve大學(xué)合作，由Glitsch公司提供超重力主機(jī)，在北京化工大學(xué)建立了一套實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)始進(jìn)行超重力技術(shù)的基礎(chǔ)研究以及用于油田注水脫氧、酵母發(fā)酵等應(yīng)用技術(shù)研究。1990年在北京化工大學(xué)建立了我國(guó)第一個(gè)超重力工程技術(shù)研究中心，2001年升級(jí)為教育部超重力工程研究中心，并開(kāi)展一系列的創(chuàng)新性研究工作。
近幾年，超重機(jī)在納米材料制備方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸被人類發(fā)現(xiàn)并利用。除此以外，超重力技術(shù)在能源、環(huán)境、制藥工程、生物化學(xué)等工業(yè)中也將起到重要的應(yīng)用和發(fā)展前景，利用超重力技術(shù)的高強(qiáng)的傳遞和微觀混合特點(diǎn)，人們可以將能源轉(zhuǎn)化效率、環(huán)境治理效率、制藥工程生產(chǎn)效率等大幅度的提高，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。超重力工程技術(shù)在近年來(lái)雖已取得了巨大進(jìn)步，但這一全新技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景，以及在這項(xiàng)技術(shù)中尚未揭示的現(xiàn)象和值得深入研究的理論，則還像冰山的水下部分一樣，有待人們進(jìn)一步的探索和研究。不過(guò)，現(xiàn)有實(shí)踐顯示，超重力反應(yīng)和分離技術(shù)，是一個(gè)全新的領(lǐng)域，是化學(xué)工程科學(xué)的新分支。由于它適用的廣泛性，可生產(chǎn)出傳統(tǒng)設(shè)備所無(wú)法生產(chǎn)出的更小、更精、更安全、更高質(zhì)量的產(chǎn)品，以及更能適應(yīng)環(huán)境和對(duì)環(huán)境友好等特殊性能，可望成為21世紀(jì)化學(xué)工程的支柱技術(shù)之一。
膜發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，膜在大自然中，特別是在生物體內(nèi)是廣泛存在的，但是人類對(duì)它的認(rèn)識(shí)、利用、模擬直至人工合成的歷史過(guò)程卻是漫長(zhǎng)而曲折的。人類發(fā)現(xiàn)滲透現(xiàn)象，首先是Nollet在1748年看到水會(huì)自發(fā)地?cái)U(kuò)散穿過(guò)豬膀胱而進(jìn)入到酒精中去而獲得到的。但是，直到19世紀(jì)中葉Graham發(fā)現(xiàn)了透析現(xiàn)象，人類才開(kāi)始重視對(duì)膜的研究。最初，許多生理學(xué)家所使用的膜主要是動(dòng)物膜，一直到1864年，Traube才成功地制成人類歷史上第一張人造膜——亞鐵氰化銅膜。后來(lái)Preffer用這種膜以蔗糖和其他溶液進(jìn)行試驗(yàn)，把滲透壓和溫度及溶液濃度聯(lián)系起來(lái)。其后Van`t Hoff以Preffer的結(jié)論為出發(fā)點(diǎn)，建立了完整的稀溶液理論。1911年Donnan研究了荷電體傳遞中的平衡現(xiàn)象。1930年Teorell，Meyer，Sievers等對(duì)膜電勢(shì)的研究，為電滲析和膜電極的發(fā)明打下了基礎(chǔ)。1950年W.Juda等試制成功了第一張具有實(shí)用價(jià)值的離子交換膜，電滲析過(guò)程得到迅速的發(fā)展。1960年Loeb和Sourirajan共同制成了具有高脫鹽率、高透水量的非對(duì)稱醋酸纖維素反滲透膜，使反滲透過(guò)程迅速由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)應(yīng)用。與此同時(shí)，這種用相轉(zhuǎn)化技術(shù)制備具有超薄皮層(分離層)的分離膜的新工藝，引起了學(xué)術(shù)、技術(shù)和工業(yè)界的廣泛重視，在它的推動(dòng)下，隨后迅速出現(xiàn)了一個(gè)研究各種分離膜，發(fā)展不同膜過(guò)程的高潮。60年代末期，Gulf General Atomics(后來(lái)稱作Universal Oil Products的Fluid Systems Division，而現(xiàn)在稱作Allied-Signal公司)與Aerojet General開(kāi)創(chuàng)了RO的商業(yè)時(shí)代，它們通過(guò)美國(guó)內(nèi)政部鹽水局的基金資助，開(kāi)發(fā)了采用Loeb-Sourirajan的二醋酸纖維素膜制成的螺旋卷式結(jié)構(gòu)型。同期，Du Pont公司開(kāi)發(fā)了中空纖維膜及其裝置并使之商品化。1971年Du Pont公司推出了含有幾百萬(wàn)根不對(duì)稱的芳香聚酰胺(aramid)中空細(xì)纖維的Permasep B-9透過(guò)器(Chemical Engineering 1971)。1973年末又推出了仍采用不對(duì)稱的芳香聚酰胺的Permasep B-10透過(guò)器，它可一級(jí)脫鹽由海水制成飲用水。70年代中期，Wow化學(xué)公司、繼而日本的Toyobo推出了三醋酸纖維素中空纖維透過(guò)器；Fluid Systems Division與Film Tec(現(xiàn)為Dow化學(xué)公司的子公司)推出了螺旋卷式的聚酰胺簿膜復(fù)合膜。整個(gè)80年代，改進(jìn)工作旨在提高這些膜(用于苦咸水及海水淡化)的脫鹽率及通量。今天，主要的膜材料仍然是芳香聚酰胺、聚酰胺、二醋酸與三醋酸纖維素；裝置則主要為卷式與中空纖維構(gòu)型。它們大量用于飲用水的生產(chǎn)，廢水回收，食品工業(yè)中的應(yīng)用，腎透析，鍋爐給水的高純水和電子行業(yè)的超純水。在1990年，RO技術(shù)用于處理的水量每天逾30億升。在未來(lái)的時(shí)間里，RO的市場(chǎng)需求渴望以每年約18％的速度增長(zhǎng)，到2030年時(shí)，有關(guān)專家預(yù)計(jì)我國(guó)淡水資源最為緊張時(shí)，僅水處理膜的用量將會(huì)有更大發(fā)展。截止目前為止，常用的膜分離過(guò)程按其成熟程度分類為成熟應(yīng)用的有D-透析；MF-微濾；UF-超濾；RO-反滲透；ED-電滲析。發(fā)展中的有CR-控制釋放；GS-氣體分離；PV-滲透汽化；BP-雙極膜；LM-液膜；MR-膜反應(yīng)器。探索中的有GM-閘膜；AT-活化傳遞。而且各種膜還在進(jìn)一步的發(fā)展。
1925年世界上第一個(gè)濾膜公司(sartorius)在德國(guó)Gottingen成立。50年代電滲析開(kāi)始在工業(yè)上推廣應(yīng)用。60年代以來(lái)，反滲透、超濾、氣體分離等多個(gè)膜過(guò)程也廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。1950年與膜相關(guān)的工業(yè)年銷售量?jī)H五百萬(wàn)美元，1981年增加至五億美元，現(xiàn)在已超過(guò)一百億美元。膜工業(yè)至今還集中在少數(shù)國(guó)家。根據(jù)1990年統(tǒng)計(jì)，美國(guó)占55％、日本占18％、西歐占23％。在大多數(shù)工業(yè)中，膜的費(fèi)用占整個(gè)設(shè)備的25％-40％。
中國(guó)膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是從1958年研究離子交換膜開(kāi)始的。60年代是開(kāi)創(chuàng)階段。1965年著手反滲透的探索，1967年開(kāi)始的全國(guó)海水淡化會(huì)戰(zhàn)，大大促進(jìn)了我國(guó)膜科技的發(fā)展。70年代進(jìn)入開(kāi)發(fā)階段。這時(shí)期，電滲析、反滲透、超濾和微濾等各種膜和組器件都相繼研究開(kāi)發(fā)出來(lái)，80年代跨入了推廣應(yīng)用階段。80年代又是氣體分離和其他新膜過(guò)程的開(kāi)發(fā)階段。隨著我國(guó)膜科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的學(xué)術(shù)、技術(shù)團(tuán)體也相繼建立。
目前的膜分離過(guò)程主要包括高壓泵、膜組件及前后處理系統(tǒng)、儲(chǔ)存設(shè)施等，其中膜組件的設(shè)計(jì)，自從60年代RO技術(shù)起步以來(lái)，已經(jīng)設(shè)計(jì)并利用了四種組件結(jié)構(gòu)形式板框式、管式、螺旋卷式和中空纖維式都為靜態(tài)膜結(jié)構(gòu)形式。有趣的是，迄今為止沒(méi)有設(shè)計(jì)出新的組件結(jié)構(gòu)形式。因此，有關(guān)專家提出要發(fā)展新的膜組件結(jié)構(gòu)，以擴(kuò)大膜的應(yīng)用。
離心旋轉(zhuǎn)超重力—膜分離技術(shù)是，利用離心旋轉(zhuǎn)超重力機(jī)的旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的離心力，等效于膜的推動(dòng)力壓力，并產(chǎn)生高效傳質(zhì)能力，結(jié)合膜的分離混合物的功能，高效完成混合物的分離，提高膜的分離效率。這是以離心旋轉(zhuǎn)超重機(jī)和膜分離兩種高科技技術(shù)相結(jié)合而形成的全新動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)，就膜分離技術(shù)而言是將提供高壓的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備—高壓泵和分離膜組件結(jié)合為一體，完成微濾、超濾、反滲透的膜分離過(guò)程；就超重機(jī)而言是為膜分離提供一個(gè)高效操作平臺(tái)，也是其開(kāi)發(fā)應(yīng)用新領(lǐng)域的又一次探索；就離心機(jī)而言是離心機(jī)分離技術(shù)的擴(kuò)展，使離心分離的最小分離范圍從10μm達(dá)到0.0001μm的范圍。根據(jù)理論推測(cè)，它結(jié)合超重機(jī)和各種膜的特點(diǎn)，具有分離效率高、能耗低、操作簡(jiǎn)單，可靠度高，極大地縮小設(shè)備尺寸和重量，極大地強(qiáng)化傳遞過(guò)程，易于操作，易于開(kāi)停車，維護(hù)與維修方便，便于應(yīng)用自動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)備的處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，具有占地小、投資少的特點(diǎn)，適用于微濾、超濾、反滲透的膜分離過(guò)程，特別適宜對(duì)熱過(guò)敏物質(zhì)的處理，也可應(yīng)用于化學(xué)分離反應(yīng)過(guò)程，及海水淡化、苦咸水脫鹽、液體濃縮、工業(yè)污水處理、食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、生物技術(shù)等領(lǐng)域，特別由于該裝置具有持夜量小而且處理量大，可動(dòng)態(tài)清洗，可垂直、水平或任意方向安裝，不怕顛簸，可安裝于運(yùn)動(dòng)物體上的特點(diǎn)，可用于船舶、海上設(shè)施等的海水淡化處理等方面。
目前，膜分離過(guò)程(以壓力為推動(dòng)力的壓力驅(qū)動(dòng)膜)是在各種靜止設(shè)備內(nèi)填裝膜組件結(jié)構(gòu)，以膜分隔原料液體和透過(guò)物液體。在原料液側(cè)施加足夠的壓力使原料中的溶劑或小分子通過(guò)膜達(dá)到膜的另一側(cè)，使原料液濃縮并排除，達(dá)到分離的目的。
當(dāng)前膜分離技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中，有以下幾個(gè)問(wèn)題需要解決(1)現(xiàn)用膜分離生產(chǎn)設(shè)備多，投資較大，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜；(2)膜表面的原料液濃度總是高于離膜較遠(yuǎn)處的濃度(稱為“濃差極化”)即靜止設(shè)備內(nèi)的膜“濃差極化”嚴(yán)重，難以減小(因?yàn)樵弦阂砸欢ǖ乃俾释ㄟ^(guò)膜，在表面為層流)。
(3)膜表面長(zhǎng)期使用必然有一些物質(zhì)粘附在膜表面，減少了膜的有效面積，現(xiàn)有靜態(tài)膜分離過(guò)程為封閉容器中無(wú)法徹底清洗。
以上問(wèn)題雖然在某些方面得以部分解決，但由于結(jié)構(gòu)問(wèn)題無(wú)法徹底解決。
為解決上述膜過(guò)程中出現(xiàn)的不足，充分發(fā)揮膜的特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新型的膜分離過(guò)程，將膜的工作狀態(tài)，由靜止?fàn)顟B(tài)改變?yōu)樵诟咚傩D(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)下工作。即以超重力(離心力)為膜的驅(qū)動(dòng)力，透過(guò)物在超重力的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)膜達(dá)到使透過(guò)物與原料液分離的目的。
現(xiàn)論述如下(一)理論計(jì)算方法對(duì)于以壓力為驅(qū)動(dòng)力的膜要分離混合液，必須對(duì)原料液一側(cè)施加一定的壓力，使其大于膜的滲透壓力，(對(duì)不同的混合液π值也不相同)，使混合液中欲分離的組分從膜中析出，達(dá)到分離的作用，其基本公式為1.對(duì)靜態(tài)膜(膜兩側(cè)都有液體)時(shí)Qw＝Kw(ΔP-Δπ)A/τ --------------------------①Q(mào)w-通過(guò)膜的透過(guò)液流動(dòng)速率Kw-溶劑的膜透過(guò)系數(shù)ΔP-膜兩側(cè)溶液的壓力差Δπ-膜兩側(cè)溶液的滲透壓差A(yù)-膜表面積τ-膜厚度說(shuō)明a.上式①中Kw與溶質(zhì)和膜的性質(zhì)有關(guān)、A、τ是由膜的性質(zhì)所確定；b.π滲透壓，π＝υiCiRT取決于溶液濃度和溫度，(υi為可離解溶質(zhì)生成的離子數(shù)；Ci為溶質(zhì)的摩爾濃度；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度)Δπ-膜兩側(cè)溶液的滲透壓差，Δπ＝π1-π2(π1為濃溶液的滲透壓，π2為清溶液的滲透壓)。
2.對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)膜(膜只一側(cè)有液體)時(shí)Qw＝Kw(P-π)A/τ ---------------------------②Qw-通過(guò)膜的透過(guò)液流動(dòng)速率Kw-溶劑的膜透過(guò)系數(shù)P-膜內(nèi)側(cè)溶液的壓力
π＝膜內(nèi)側(cè)溶液的滲透壓A-膜表面積τ-膜厚度3.本發(fā)明推導(dǎo)出離心力與壓力P的匹配關(guān)系，以離心力作為膜分離的驅(qū)動(dòng)力，解決現(xiàn)用靜壓力膜分離的缺陷，達(dá)到高效分離的目的。原理為，旋轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)表面安裝有很薄膜構(gòu)件，內(nèi)部裝有混合液體，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)液體由于自身質(zhì)量而引起的離心力F，此離心力對(duì)膜壁的作用與薄壁圓筒承受內(nèi)壓的情況基本相同。因此，可以把離心力看作是與內(nèi)壓相當(dāng)?shù)碾x心力。計(jì)算方法如下，在內(nèi)半徑為R的旋轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)表面安裝有很薄的膜構(gòu)件，筒內(nèi)混合液在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的液膜厚度為S，混合液密度為ρ，轉(zhuǎn)筒角速度為ω，筒體長(zhǎng)度為L(zhǎng)，若在圓周方向上寬度為a的范圍內(nèi)液體對(duì)筒壁膜的離心力為F，則F＝LaSρRω2；-------------------------- ③壓力p=FLa=SρRω2.----(4)]]>這樣求出壓力P與角速度ω，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)半徑R，混合液膜厚度S，混合液密度為ρ的關(guān)系式，1)S和R為定值時(shí)調(diào)整ω的大小就可以控制壓力P的大小，當(dāng)ω達(dá)到一定數(shù)值使P＞π時(shí)，就可使膜達(dá)到分離的目的。
2)調(diào)整ω的范圍就可以控制壓力P的大小，控制分離液通過(guò)膜的速率。
3)調(diào)整ω的范圍就可以控制膜內(nèi)液體的流速，減少濃差極化現(xiàn)象；并自動(dòng)清洗膜的表面，清除膜表面的粘著物。
4)調(diào)整膜結(jié)構(gòu)，如采用V形膜組件，改變R值，也可改變液體的流動(dòng)分布，減少濃差極化現(xiàn)象。
5)從以上公式①，②中可以看出，對(duì)靜態(tài)膜，因膜的兩側(cè)都有液體，需要的壓力為ΔP(膜兩側(cè)的壓差)，而動(dòng)態(tài)膜只一側(cè)有液體，需要的壓力P(膜一側(cè)有壓力，另一側(cè)無(wú)壓力)；同樣滲透壓對(duì)靜態(tài)膜為Δπ(膜兩側(cè)的滲透壓差，)，動(dòng)態(tài)膜為π(膜一側(cè)有液體，另一側(cè)無(wú)液體)因此動(dòng)態(tài)膜的效率高。
4.引入分離因數(shù)Fr，則Rω2＝gFr (g為重力加速度)P＝SρgFr --------------------------- ⑤目前工業(yè)用離心機(jī)的分離因數(shù)Fr值由數(shù)百到數(shù)十萬(wàn)，完全能夠滿足膜分離的要求。
5.膜的問(wèn)題1)膜組件的結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度要高，而且滿足離心力場(chǎng)的要求，這一問(wèn)題需通過(guò)試驗(yàn)或新膜的開(kāi)發(fā)來(lái)解決。
2)解決膜的耐磨、耐沖刷問(wèn)題。(二)機(jī)械結(jié)構(gòu)原理示意圖(見(jiàn)

圖1、圖2)離心旋轉(zhuǎn)超重力——膜分離床是由離心旋轉(zhuǎn)超重力機(jī)和膜組件構(gòu)成1離心旋轉(zhuǎn)超重力—膜分離床是由電機(jī)為原動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鼓做高速離心轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)鼓內(nèi)安裝膜組件，被分離液進(jìn)入膜組件內(nèi)，在離心力的作用下被分離液的一部分通過(guò)膜被分離，并被收集，另一部分被濃縮后排除，完成分離過(guò)程；原料液(被分離液)從超重力—膜分離床的底部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)膜組件中，并向上溢流，原料液在向上溢流過(guò)程中，在離心力的作用下，透過(guò)液通過(guò)膜進(jìn)入分離室，剩下的原料液被濃縮繼續(xù)向上溢流，并從頂部溢流口流出(剩下濃縮液的濃度可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì))，完成分離過(guò)程。也可從超重力—膜分離床的上部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)膜組件中，并向下順流，原料液在向下順流過(guò)程中，在離心力的作用下，透過(guò)液通過(guò)膜進(jìn)入分離室，剩下的原料液被濃縮繼續(xù)向下順流，并從底部排除口流出(剩下濃縮液的濃度可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì))，完成分離過(guò)程。本發(fā)明主要推薦底部進(jìn)料的溢流結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、圖2)。
2膜組件外形設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3、圖4、圖5、圖6、圖7；主要的膜組件可采用筒形、V型、U型、拋物線型等曲面結(jié)構(gòu)，各種形狀的膜邊結(jié)構(gòu)可為直線型或正弦曲線型等；將上述的各種膜組件(根據(jù)操作工藝需要，采用不同的膜材料)安裝到不同型式的離心旋轉(zhuǎn)超重機(jī)(離心機(jī))轉(zhuǎn)鼓內(nèi)，完成不同的分離工作；膜組件的組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，是由膜及膜的支承物和轉(zhuǎn)鼓等組成；膜組件可由單一整張膜組成，也可由幾張膜拼接組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9、圖10、圖11、圖12。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是超重力—膜分離床是由電機(jī)為原動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鼓做高速離心轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)鼓內(nèi)安裝膜組件，被分離液進(jìn)入膜組件內(nèi)，在離心力的作用下被分離液的一部分通過(guò)膜被分離，并被收集，另一部分被濃縮后排除，完成分離過(guò)程。在分離過(guò)程中，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的的控制，達(dá)到對(duì)液體流速的控制，控制原料液的排出濃度，使膜表面在流速的沖刷下產(chǎn)生自清潔作用，改變膜表面的濃差極化傾向，另外也可通過(guò)改變R值的方法減少膜表面的濃差極化傾向。
具體實(shí)施過(guò)程超重力—膜分離床操作過(guò)程為，原料液(被分離液)從超重力—膜分離床的底部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)膜組件中，并向上溢流，原料液在向上溢流過(guò)程中，在離心力的作用下，透過(guò)液通過(guò)膜進(jìn)入分離室，剩下的原料液被濃縮繼續(xù)向上溢流，并從頂部溢流口流出(剩余濃縮液的濃度可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì))，完成分離過(guò)程。也可從超重力—膜分離床的上部進(jìn)入旋轉(zhuǎn)膜組件中，并向下順流，原料液在向下順流過(guò)程中，在離心力的作用下，透過(guò)液通過(guò)膜進(jìn)入分離室，剩下的原料液被濃縮繼續(xù)向下順流，并從底部排除口流出(剩下濃縮液的濃度可根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì))，完成分離過(guò)程。本發(fā)明主要推薦底部進(jìn)料的溢流結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1、圖2)。
本發(fā)明的有益效果是(1)效率高?，F(xiàn)有靜態(tài)膜兩側(cè)均有液體和壓力，而動(dòng)態(tài)膜只有一側(cè)有壓力(離心力)和液體，因此所需的推動(dòng)力——壓力較??；低濃差極化和膜表面的自清潔性也提高了效率；(2)占地面積小。將高壓泵與靜態(tài)膜組件合二為一；并且本身設(shè)備尺寸很?。?3)可通過(guò)改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)鼓直徑改變液體流動(dòng)的形式，減小濃差極化；(4)便于膜表面的清洗；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。(6)在同一設(shè)備中通過(guò)更換不同用途的膜組件達(dá)到不同的分離目的，通用性好；(7)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)處理不同量的混合液，放大簡(jiǎn)單，可通過(guò)設(shè)計(jì)達(dá)到需要的濃縮液濃度；(8)應(yīng)用范圍廣。適用于反滲透、納濾、超濾、微濾過(guò)程。(9)易于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)、串聯(lián)組合操作。
權(quán)利要求
本發(fā)明是一種方式方法的發(fā)明，包括理論計(jì)算、機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)想和膜組件構(gòu)想。為解決靜態(tài)膜過(guò)程中出現(xiàn)的不足，充分發(fā)揮膜的特點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新型的膜分離過(guò)程，將膜的工作狀態(tài)，由靜止?fàn)顟B(tài)改變?yōu)樵诟咚傩D(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)下工作。即以超重力(離心力)為膜的驅(qū)動(dòng)力，透過(guò)物在超重力的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)膜達(dá)到使透過(guò)物與原料液分離的目的。本發(fā)明是一種新形膜分離方法，由離心旋轉(zhuǎn)床和膜組件組成的動(dòng)態(tài)膜分離過(guò)程，體現(xiàn)離心旋轉(zhuǎn)超重機(jī)(離心機(jī))和膜過(guò)程的結(jié)合及應(yīng)用。其特征是1.以旋轉(zhuǎn)離心力為膜的分離驅(qū)動(dòng)力為原理的膜分離技術(shù)，包括工藝過(guò)程和理論計(jì)算。2.發(fā)明的新形膜組件結(jié)構(gòu)包括膜組件外形設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3、圖4、圖5、圖11、圖12；主要的膜組件可采用筒形、V型、U型、拋物線型等曲面結(jié)構(gòu)，各種形狀的膜邊結(jié)構(gòu)可為直線型或正弦曲線型等；膜組件的組成見(jiàn)圖6，是由膜及膜的支承物和轉(zhuǎn)鼓等組成；膜組件可由單一整張膜組成，也可由幾張膜拼接組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7、圖8、圖9、圖10。對(duì)以上要求予以保護(hù)。
全文摘要
離心旋轉(zhuǎn)超重力—膜分離技術(shù)，是利用離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，等效于膜的推動(dòng)力—壓力，結(jié)合膜的高效分離液體混合物的能力，完成混合物的分離，充分提高膜的分離效率。這是以離心旋轉(zhuǎn)超重機(jī)和膜分離兩種高科技技術(shù)相結(jié)合，而形成的全新動(dòng)態(tài)膜分離技術(shù)，就膜分離技術(shù)而言是將提供高壓的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備——高壓泵和分離膜組件結(jié)合為一體，完成膜分離過(guò)程；就超重機(jī)而言是為膜分離提供一個(gè)高效操作平臺(tái)，也是其開(kāi)發(fā)應(yīng)用新領(lǐng)域的又一次探索；就離心機(jī)而言是離心機(jī)分離技術(shù)的擴(kuò)展，使離心分離從10μm達(dá)到0.0001μm的范圍。它具有分離效率高，極大地縮小設(shè)備尺寸和重量，極大地強(qiáng)化傳遞過(guò)程，便于應(yīng)用自控設(shè)備進(jìn)行操作，設(shè)備的處理能力可在很大范圍內(nèi)變化，適用于微濾、超濾、反滲透的膜分離過(guò)程，特別適宜對(duì)熱過(guò)敏物質(zhì)的處理，及海水淡化、苦咸水脫鹽、液體濃縮、工業(yè)污水處理、食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、生物技術(shù)等領(lǐng)域，特別由于該裝置具有持夜量小而且處理量大，可動(dòng)態(tài)清洗，不怕顛簸，可安裝于運(yùn)動(dòng)物體上的特點(diǎn)，可用于船舶、海上設(shè)施等的海水淡化處理等方面。
文檔編號(hào)B01D63/16GK1424134SQ03100089
公開(kāi)日2003年6月18日 申請(qǐng)日期2003年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月9日
發(fā)明者邵顯東, 郭鍇, 劉博學(xué), 金玲玲 申請(qǐng)人:邵顯東, 譚軍