專利名稱：一種新型恒溫管式膜組件的制作方法
技術領域：
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相結合以強化酯化反 應、酯交換反應等的催化膜反應器。
背景技術：
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。該技術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。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上和經(jīng)濟 上的優(yōu)勢；還可以同生物及化學反應耦合，將反應生成物不斷脫除，使反應轉化率明顯 提高。所以，滲透汽化技術在醫(yī)藥化工及相關工業(yè)領域具有廣闊的應用前景及市場。它 是目前處于發(fā)展期的新型分離技術，國際學術界的專家們稱之為二十一世紀最有前途的 高技術之一。
滲透汽化膜分離過程研究和應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、機械強度和化學穩(wěn)定性等方面具有很大的局限性，其應用范圍受到很大的 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)是國內外膜科學家和工程技術人員的研究熱點。在眾 多無機膜中，沸石分子篩膜因具有規(guī)則的孔道結構、較大的比表面積和強的吸附性能而 備受關注。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，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，溫度極化效應導致膜分離性能的降低，從而增加了分離的成本和設備。滲透汽化或汽化滲 透過程是一個傳質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 化和濃度極化效應導致分子性能的降低，設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，這將增加膜分離設備的體積，增加制備成本。

發(fā)明內容
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 極化效應導致膜分離性能降低和操作成本增加等技術問題，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相結合以強化酯化反應、酯交換反應等的催化 膜反應器。
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動腔體12排出。加熱腔中的加熱介質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可以為熱水或蒸汽，也可以為任何一種導熱油。
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 化反應相結合以強化酯化反應、酯交換反應等的催化膜反應器。


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.熱介質進口32.熱介質出口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備，具有低能耗、低濃度極化效應、 低溫度極化效應、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。熱介質進口 31和熱 介質出口 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；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。透過管狀膜的滲透液通過膜通道25，進入動力驅動腔12，通過動力驅動如 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。
熱介質從膜組件底部由進口 31進入加熱腔33，然后熱介質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。熱介質保證了膜組件的絕熱性，減少了溫度 極化效應。
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備?，F(xiàn)有技術的膜組件在 分離過程由于滲透液帶走部分能量，導致原料液溫度降低，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)明的膜組件分離設備集分離和換熱為一 體，減少了設備，降低了能耗降低了溫度極化效應。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，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動腔體(12)排出；加熱腔中的加熱介質通過外部的換熱器加熱后經(jīng)由進口(31)和出口(32)在腔體內高速循環(huán)流動以保持恒溫狀態(tài)。
2. 按照權利要求1所述的恒溫管式膜組件，其特征在于所述膜組件的材質為不銹鋼 材料、有機玻璃、工程塑料或ABS樹脂。
3. 按照權利要求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為熱水、蒸汽 或導熱油。
6. 按照權利要求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裝填 膜面積的裝填密度為10 500m2/m3。
8. 按照權利要求1一7任一權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. 按照權利要求l一7任一權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相結合以強化酯化反應或酯交換反應催化膜反應器。
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、低溫度極化效應、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相結合的催化膜反應器。
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;中國科學院成都有機化學有限公司