專利名稱：X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及膜分離技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用于高純分離用途(例如在食品、醫(yī)療和藥品工業(yè)中)、環(huán)保污水處理或海水淡化工業(yè)中，使用工程化滲透法(例如反滲透，正滲透)進(jìn)行分離提取作業(yè)的正滲透、反滲透膜、納濾膜、超濾膜、微濾膜、電滲析膜、滲透氣化膜、膜生物反應(yīng)器等的導(dǎo)流隔網(wǎng)。
背景技術(shù)：
目前，各種螺旋卷式膜的結(jié)構(gòu)大致相同，均由內(nèi)置多孔導(dǎo)流網(wǎng)的膜袋與起間隔導(dǎo)流作用的導(dǎo)流隔網(wǎng)相疊，卷繞在一根中空多孔管一中心產(chǎn)品收集管上，然后密封連接而成?，F(xiàn)有國內(nèi)外螺旋卷式膜元件所使用的導(dǎo)流隔網(wǎng)，常見的是菱形隔網(wǎng)和矩形隔網(wǎng)，在結(jié)構(gòu)上都是由沿流道方向的較粗的縱向筋，與橫向夾置在流道內(nèi)較細(xì)的橫向筋構(gòu)成，所有流道平鋪一層，構(gòu)成導(dǎo)流隔網(wǎng)。配合圖I、圖2所示矩形導(dǎo)流隔網(wǎng)，其橫向筋I(lǐng)均偏向縱向筋2的某一側(cè)相交，即都是橫向筋I(lǐng)是和膜面6相接觸的結(jié)構(gòu)。進(jìn)料原液沿著平行于中心產(chǎn)品收集管的方向——膜元件軸向流動(dòng)，軸向線5是螺旋卷式膜元件軸線在導(dǎo)流隔網(wǎng)上的若干任意投影，軸向線5平行于膜元件軸線，是用于說明導(dǎo)流隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的虛擬線。為解決現(xiàn)有這類隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)存在的，在網(wǎng)眼四角和膜面6接觸的位置形成死角，容易造成沉積污堵，以及由于橫向筋I(lǐng)和膜面6緊密接觸導(dǎo)致膜元件實(shí)際使用面積降低的問題。為此在中國專利CN201906567U中提供了一種解決方案，如圖3所示，由隔網(wǎng)由多個(gè)橫向筋和縱向筋組成，橫向筋I(lǐng)夾置于縱向筋2之間，從偏向流道一邊,改成移到縱向筋中間部位，使橫向筋上下都不與膜面接觸。另有中國專利CN202151550U和中國專利 CN202155150U中都分別提供了通過減少膜面接觸，增加徑向流量，以及增寬加厚流道來減輕網(wǎng)眼四角易污染沉積的技術(shù)方案。美國專利US3962096A則給出了一種瓦楞狀波紋導(dǎo)流隔網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，來擴(kuò)大流道，減少隔網(wǎng)與膜面的接觸污染，便于清洗維護(hù)。但是，現(xiàn)有的導(dǎo)流隔網(wǎng)產(chǎn)品都存在著一個(gè)問題，就是不能在膜分離過程中有效消除或降低濃差極化現(xiàn)象。濃差極化現(xiàn)象是一種在膜分離過程中普遍存在，又亟需解決的問題。由于膜的選擇透過性，原液中的溶劑從高壓側(cè)透過膜到達(dá)低壓側(cè)，大部分溶質(zhì)則被阻攔積累在膜高壓側(cè)表面上。由于溶質(zhì)的“聚集濃縮作用”造成由膜表面到主體溶液之間的濃度梯度，引起溶質(zhì)從膜表面通過邊界層向主體溶液進(jìn)行溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞。當(dāng)這種溶質(zhì)的擴(kuò)散傳遞通量與隨著透過膜的溶劑到達(dá)膜表面的溶質(zhì)主體流動(dòng)通量達(dá)到傳遞擴(kuò)散平衡時(shí)，就稱上述不再隨時(shí)間而變化的過程達(dá)到了定常狀態(tài)，即穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)情況下，當(dāng)溶^晌膜面流動(dòng)時(shí)，弓咆的溶質(zhì)的流動(dòng)速度與濃度梯度導(dǎo)致溶質(zhì)從膜面向主麵夜擴(kuò)散的速度達(dá)到平衡時(shí)，將在膜表面附近形成一個(gè)溶質(zhì)濃度高、速 梯度很大的薄層~濃差極化邊界層，這種現(xiàn)象即為濃差極化。為了區(qū)分層流的邊界層和勢流層，于是人們提出邊界層厚度( J )日猶，邊界層厚度會(huì)直麟響溶質(zhì)的擴(kuò)散，進(jìn)而影響濃差極化的雛。膜分離過程中的濃差極化現(xiàn)象會(huì)帶來以下不良影響第一、膜表面滲透壓的升高將導(dǎo)致產(chǎn)品液(溶劑)通量的下降；
第二、通過膜的溶質(zhì)通量上升；
第三、溶質(zhì)因在膜表面的濃度超過其溶度積，而形成沉淀并堵塞膜孔，減少產(chǎn)品液(溶劑)通量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致膜分離性能的改變；
第四、膜污染的出現(xiàn)，特別是膜污染嚴(yán)重時(shí)，幾乎等于在膜表面又形成了一層二次薄膜，勢必導(dǎo)致膜分離性能的大幅下降，甚至完全消失。由于濃差極化屬于可逆性污染，可以通過提高溶質(zhì)反向傳質(zhì)系數(shù)，減少濃差極化邊界層厚度來消除或減輕極化。傳質(zhì)系數(shù)是傳質(zhì)過程方程式中的一個(gè)比例系數(shù)，以傳質(zhì)速率(G)與傳質(zhì)面積(F)和傳質(zhì)推動(dòng)力(Λ均)成正比為依據(jù),傳質(zhì)面積是相際接觸面積。推動(dòng)力可采用各種不同濃度差或壓力差的平均值，即G= k F Λ均，其中α)是膜面濃差極化邊界層的傳質(zhì)系數(shù)。通過改變膜表面的流體力學(xué)條件可以減小濃差極化邊界層厚度，提高邊界層內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)，進(jìn)而降低濃差極化，減輕膜污染，在膜分離技術(shù)中稱為改變流態(tài)消除濃差極化。 圖4所示，是穩(wěn)態(tài)時(shí)膜表面附近的濃差極化示意圖。傳質(zhì)系數(shù)是α)定義為溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù) (仍和邊界層厚度(5)之比，左=/v J。溶質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)與分子量的平方根成反比關(guān)系，即分子量越大，溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)越小，傳質(zhì)系數(shù)隨溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的下降而減小，因而體積透過通量對膜面溶質(zhì)濃度的影響提高。膜面溶質(zhì)濃度是隨著體積透過通量的增加而升高，在體積透過通量相同的情況下，溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)越小，則膜面溶質(zhì)濃度與原料液溶質(zhì)濃度的比值越大。對于不同的液體分離膜過程濃差極化與透過通量有著對應(yīng)的關(guān)系，如正滲透、反滲透、納濾、超濾、微濾、 電滲析膜、滲透氣化膜、膜生物反應(yīng)器等，根據(jù)膜的截留分子量而有所差別。由于濃差極化是導(dǎo)致膜污染的主要原因，因此分離膜的截留分子量越大，體積透過通量越高，膜面污染越嚴(yán)重。對于大分子量的溶質(zhì)體系，如在超濾和微濾膜分離過程中， 因原料液中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)小，所以濃差極化現(xiàn)象會(huì)十分嚴(yán)重。在流程一定的情況下，極化會(huì)因流速降低而變大，當(dāng)流動(dòng)處于滯留區(qū)時(shí)極化程度會(huì)最大，處于過渡區(qū)時(shí)次之，湍流區(qū)時(shí)極化最小。要提高溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)就需要促進(jìn)層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，理論上?dāng)切向流速超過臨界后就會(huì)形成湍流，但膜面切向流速的大小是由原液供給流量、膜元件、導(dǎo)流隔網(wǎng)流道的寬度厚度等因素所決定，由于流量的限制，現(xiàn)有導(dǎo)流隔網(wǎng)的雷諾數(shù)都是100左右，這個(gè)數(shù)值使隔網(wǎng)水流完全處于雷諾數(shù)O 2000的層流范圍內(nèi)，一般不會(huì)出現(xiàn)渦流或湍流，所以，單純地通過進(jìn)一步提高膜表切向流速，并不能起到明顯降低濃差極化的作用，因而需要一些方法， 如通過改變流態(tài)來加快膜表面的傳質(zhì)過程。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有導(dǎo)流隔網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中，不能有效地通過產(chǎn)生湍流，提高溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，消除濃差極化的不足，本發(fā)明提供了一種X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)及應(yīng)用，本發(fā)明通過多層流道互成X交錯(cuò)的導(dǎo)流隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)層流和湍流兩種不同流態(tài)間的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)層流由于錯(cuò)流擾動(dòng)而轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，它由若干層流道組成，每層流道由若干條相互平行的縱向筋所組成，縱向筋與X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)的軸向線的夾角β均大于0°且小于90°，相鄰層流道的縱向筋之間互成夾角沒，呈X交錯(cuò)，沒大于F且小于180°，所述軸向線是卷式膜的中軸線在導(dǎo)流隔網(wǎng)上的投影，軸向線平行于卷式膜的中軸線。進(jìn)一步地，所述相鄰層流道的縱向筋之間互呈X交錯(cuò)疊合連接。所述卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)的入口和出口可以在同一層流道，也可以在不同流道。流體沿流道有兩類設(shè)計(jì)流動(dòng)路由方式，一種是從本層流道入口流入，至本層流道終端流出；另一種是從本層流道入口流入，至本層流道終端與相鄰層流道交匯處的隔網(wǎng)網(wǎng)眼，流入相鄰層流道，再從相鄰層流道終端流出。相鄰層流道互成X交錯(cuò)，在相鄰層流道間交匯的隔網(wǎng)網(wǎng)眼處，流體在接觸面相互擾動(dòng)成渦。由于導(dǎo)流隔網(wǎng)與膜袋相互疊合卷繞在中心產(chǎn)品收集管上，呈X斜向交錯(cuò)的兩層或多層流道被圍繞中心產(chǎn)品收集管卷成螺旋形，當(dāng)進(jìn)料原液進(jìn)入導(dǎo)流隔網(wǎng)后，離膜元件軸心較遠(yuǎn)，較外一側(cè)流道內(nèi)的原液圍繞螺旋卷繞膜面螺旋流動(dòng)。需要特別說明的是，通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)模型分析，流體在橫向力的作用下，沿著螺旋形的流道前進(jìn)的流體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生迪恩(Dean)渦流。渦流能促進(jìn)層流轉(zhuǎn)變成湍流，湍流是常在流體流過固體表面，或者相同流體的分層流動(dòng)中出現(xiàn)的一種不規(guī)則情形，利用湍流的動(dòng)量橫向擴(kuò)散和傳遞特性，以大大提高混合效率及減少膜分離過程中的濃差極化與膜污染。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)由多層縱向筋構(gòu)成的流道組成，沒有橫向筋，這不同于現(xiàn)有各種方案，這樣既減小了與膜面的接觸，增大了分離膜的有效使用面積，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生死角，還可以通過X旋流的促二次流作用，促進(jìn)層流擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，加?qiáng)了溶質(zhì)擴(kuò)散的推動(dòng)力和傳質(zhì)效應(yīng)，使原液傳質(zhì)能力大大加強(qiáng)。提高膜分離的效率，提高分離膜體積透過通量，防止污染物的沉積，避免現(xiàn)有技術(shù)方案的缺陷。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明
圖I是現(xiàn)有隔網(wǎng)主視圖2是圖I結(jié)構(gòu)剖視圖3是中國專利CN201906567 U方案的剖視圖4是膜表面附近濃度的濃差極化現(xiàn)象示意圖5是X旋流卷式膜隔網(wǎng)主視圖6是圖5剖視圖7是圖5側(cè)剖視圖8是上層流道剖視圖9是圖I沿流道流動(dòng)方向縱橫筋?yuàn)A角示意圖中，橫向筋I(lǐng)、縱向筋2、流道3、原液流4、軸向線5、膜6、下層縱向筋7、上層縱向筋
8、下層流道9、上層流道10、上層流道原液流11、下層流道原液流12。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對實(shí)施例做進(jìn)一步說明，如圖5至圖9所示，本發(fā)明X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)由下層流道9和上層流道10組成，上層流道10由多條相互平行的上層縱向筋8所組成，下層流道9由多條相互平行的下層縱向筋7所組成。流道內(nèi)原液的流動(dòng)方向構(gòu)成了流道的矢量方向，軸向線5是卷式膜中軸線在導(dǎo)流隔網(wǎng)上的投影，軸向線5平行于卷式膜中軸線， 是用于說明導(dǎo)流隔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的虛擬線。下層縱向筋7、上層縱向筋8與軸向線5的夾角《均大于0°且小于90°，下層縱向筋7和上層縱向筋8之間互成夾角4呈X交錯(cuò)4大于0°且小于等于180°。下層縱向筋7和上層縱向筋8之間可通過焊接、一體澆鑄、粘結(jié)、鉚接等方式固定。導(dǎo)流隔網(wǎng)有平鋪和卷繞安裝兩種狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)流隔網(wǎng)在平鋪時(shí)，可以看到是由上下相鄰兩層互成X交錯(cuò)的，并且沿流動(dòng)方向互成夾角t 的縱向流道構(gòu)成，流道中沒有橫向筋。實(shí)施中根據(jù)模組元件的長度進(jìn)行選擇 5的取值范圍，推薦90°、60°兩個(gè)角度。每層由若干條相互平行的下層縱向筋7和上層縱向筋8構(gòu)成的若干條相互平行流道所組成，各層流道相互交錯(cuò)。過于寬厚的流道在流量一定時(shí)，會(huì)降低流速，因此選縱向筋直徑O. 35mm,同一層兩條相鄰平行縱向筋的間隔2mm。各流道內(nèi)的進(jìn)料原液在相鄰兩層流道的交匯網(wǎng)眼處，相互交錯(cuò)擾動(dòng)，形成橫向渦流，使流道內(nèi)的原液呈現(xiàn)圍繞流道軸線螺旋前進(jìn)的流態(tài)。在相鄰兩層流道的導(dǎo)流隔網(wǎng)中，原液流動(dòng)路徑多變，尤其在三層及以上流道的隔網(wǎng)中更為錯(cuò)綜復(fù)雜，設(shè)計(jì)路徑大致可分為兩類
第一類，是從本層流道入口流入，至本層流道終端流出；
第二類，是從本層流道入口流入，至本層流道終端與相鄰層流道交匯處的隔網(wǎng)網(wǎng)眼，流入相鄰層流道，再從鄰層流道終端流出。如圖6、圖7所示，分別是沿著上下層縱向筋方向的橫截剖視圖。圖6所示中12是從尾部看下層流道原液流視圖，圖7所示中11是從尾部看上層流道原液流視圖，相鄰兩層流道的流體相互錯(cuò)流，擾動(dòng)成渦，形成二次流。圖8所示是上層流道剖視圖，圖中12是從頭部看下層流道原液流視圖，相鄰兩層流道中的液流互相錯(cuò)流，擾動(dòng)成渦，各流道均能形成二次流。如果按現(xiàn)有隔網(wǎng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，單純靠提高切向速度，不能形成這樣的效果。渦流的擾動(dòng)作用大幅提高膜面溶質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)，強(qiáng)化了膜分離過程中的界面?zhèn)髻|(zhì)效應(yīng)。同時(shí)，在X斜向互相交錯(cuò)的相鄰兩層流道網(wǎng)眼交匯處，兩個(gè)流道中的原液在接觸面上相互擾動(dòng)成渦，形成邊向前流動(dòng)邊圍繞流道軸心線旋轉(zhuǎn)的二次流。原液中隨溶劑到達(dá)膜面的溶質(zhì)，被各種在膜面附近疊加的點(diǎn)匯流、點(diǎn)渦流等形成的湍流和漩渦所帶走，通過流體間不斷擾動(dòng)攪拌，達(dá)到減薄濃差極化界面層的厚度，改善擴(kuò)散系數(shù)，增強(qiáng)溶質(zhì)的遷移作用，使溶質(zhì)離開膜表面區(qū)域返回到錯(cuò)流的主體原液中。通過對改善流動(dòng)和傳質(zhì)實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可明顯抑制膜面附近出現(xiàn)濃差極化現(xiàn)象和膜污染，增強(qiáng)膜的分離性能，提高分離膜體積透過通量。當(dāng)導(dǎo)流隔網(wǎng)進(jìn)行卷繞安裝時(shí)，上下兩層互成X交錯(cuò)的，并且沿流動(dòng)方向互成夾角5 的縱向流道，就成為兩層螺旋方向相反的螺旋形流道。流道內(nèi)的流體在沿流道螺旋流動(dòng)時(shí)， 會(huì)產(chǎn)生迪恩(Dean)渦流，在并且兩層互成反螺旋的流道交匯網(wǎng)眼處，上下液流之間互相錯(cuò)流，擾動(dòng)傳質(zhì)，起到提高擴(kuò)散系數(shù)，增大傳質(zhì)能力的作用。本發(fā)明導(dǎo)流隔網(wǎng)各層流道均由互相平行的縱向筋構(gòu)成，沒有橫向筋，既減小了與膜面的接觸，增大了膜分離的有效面積，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生死角。
本技術(shù)方案與現(xiàn)有螺旋卷式膜進(jìn)料原液導(dǎo)流隔網(wǎng)相比，具有明顯消除或降低膜面濃差極化和膜面污染的效果，節(jié)約動(dòng)力能耗，并明顯提高分離效率和體積透過通量。本技術(shù)方案可用于正滲透、反滲透、納濾、超濾、微濾、電滲析、滲透氣化、膜生物反應(yīng)器等膜分離應(yīng)用領(lǐng)域中。需要說明的是，該實(shí)施例中，X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)由上下兩層流道組成，但是，在實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，本發(fā)明的X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)可以由若干層流道組成。上述實(shí)施例只是用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，它由若干層流道組成，每層流道由若干條相互平行的縱向筋所組成，縱向筋與X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)的軸向線的夾角 Oi均大于0°且小于，相鄰層流道的縱向筋之間互成夾角士呈X交錯(cuò)，0大于0°且小于 180°,所述軸向線是卷式膜的中軸線在導(dǎo)流隔網(wǎng)上的投影，軸向線平行于卷式膜的中軸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，所述相鄰層流道縱向筋之間互呈X交錯(cuò)疊合連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，所述卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)的入口和出口可以在同一層流道，也可以在不同流道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，流體沿流道有兩類設(shè)計(jì)流動(dòng)路由方式，一種是從本層流道入口流入，至本層流道終端流出；另一種是從本層流道入口流入，至本層流道終端與相鄰層流道交匯處的隔網(wǎng)網(wǎng)眼，流入相鄰層流道，再從鄰層流道終端流出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的卷式膜X旋流導(dǎo)流隔網(wǎng)，其特征是，相鄰層流道互成X交錯(cuò)， 在相鄰層流道間交匯的隔網(wǎng)網(wǎng)眼處，流體在接觸面相互擾動(dòng)成渦。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)。是由多層流道疊合構(gòu)成，各層流道均由縱向筋構(gòu)成，每層流道互相平行，相鄰層流道間相互呈X交錯(cuò)，即相鄰層縱向筋互呈X交錯(cuò)疊合連接，以促進(jìn)層流向湍流的轉(zhuǎn)化，消除濃差極化所產(chǎn)生的影響。本發(fā)明的X旋流卷式膜導(dǎo)流隔網(wǎng)由多層縱向筋構(gòu)成的流道組成，沒有橫向筋，這不同于現(xiàn)有各種方案，這樣既減小了與膜面的接觸，增大了分離膜的有效使用面積，同時(shí)又不會(huì)產(chǎn)生死角，還可以通過X旋流的促二次流作用，促進(jìn)層流擾動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，加?qiáng)了溶質(zhì)擴(kuò)散的推動(dòng)力和傳質(zhì)效應(yīng)，使原液傳質(zhì)能力大大加強(qiáng)。提高膜分離的效率，提高分離膜體積透過通量，防止污染物的沉積，避免現(xiàn)有技術(shù)方案的缺陷。
文檔編號B01D65/00GK102600728SQ20121009566
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月1日
發(fā)明者王旭東 申請人:王旭東