具有改进的进料隔离装置的螺旋缠绕元件制造方法及图纸

本发明专利技术为改进的进料隔离装置、包括所述进料隔离装置的螺旋缠绕元件、过滤系统及其制造方法和应用。在一个实施方式中本发明专利技术包括改进的螺旋缠绕元件，其具有：一个沿长度方向具有多个开口以接收渗透物的中心收集管；至少一个从所述收集管外部延伸并在其周围缠绕的过滤封皮和至少一个缠绕在所述收集管周围的进料隔离片，其中所述进料隔离片与至少一个过滤封皮的外表面平面接触。所述进料隔离片是由第一组充分平行的长丝与第二组充分平行的长丝交叉形成的具有小于７０°锐角的多个平行四边形构成的网，对所述网定向使所述锐角的平分线与中心收集管的轴线大致平行而且其中所述网具有大于１．３的丝束细化参数。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术为改进的进料隔离装置、包括所述进料隔离装置的螺旋缠绕元件及其制造方法和应用。压力驱动膜分离方法可以从流体中去除大范围的中性和离子物质。为了降低孔隙尺寸，通常将膜分成几类微孔过滤(MF)，超滤(UF)，纳米过滤(NF)和逆渗透(RO)。微孔过滤用于去除颗粒尺寸大于0.1微米的悬浮颗粒。超滤通常用于排除分子量大于5,000道尔顿的溶解的分子。纳米过滤膜可通过至少一些盐但通常可高保留分子量大于200道尔顿的有机化合物。逆渗透膜几乎可以高保留所有物质。一种表征膜的可选方法是基于它们的形成方法。MF和UF膜可通过很多种的技术和商业上有效的方法来制备，包括蚀刻、烧结、通过拉伸局部破裂和转相。NF和RO膜通常通过转相或界面聚合来制备。界面聚合生成具有高选择性并贴附于多孔载体上的非常薄的区别层的组合物结构，到目前为止它是制造NF和RO膜的主要方法。界面聚合可以用如整体引入此处作为参考的US专利No.6337018所述的很多种单体来完成。NF和RO膜最常用于海水或微咸水的脱盐、超纯水的制备、去色、废水处理和用于食品的液体浓缩。几乎所有NF和RO应用的临界因素是当保持高流速时膜达到对小溶质分子的高去除率。螺旋缠绕元件是RO和NF膜最普通的配置。附图说明图1表示经典的螺旋缠绕元件的设计。“进料”液体轴向流过进料隔离片并作为“浓缩物”从另一端流出。“渗透物”在压力下通过膜封皮并通过渗透物载体片直接进入渗透物收集管。与可选的配置(中空纤维，板-和-框，和管状组件)相比较，螺旋缠绕元件通常具有低成本、低极化和低压降穿过元件的有利结合。用最佳的元件设计可以进一步提高元件性能。举例来说，同时地改变元件中封皮的数量及其长度以达到最佳效率是可能的。对于相同的元件直径，由于封皮越多意味着无效端区域越多，因此增加元件中封皮的数量会导致有效面积的减少。然而，增加封皮长度(从垂直于收集管的轴的方向测量)会在较长的渗透物载体片内部导致更大的压降并且这也会降低操作期间元件的流量。(渗透物载体片内增加的压降会导致膜的流速—每单位膜面积的流量—的减少。)对于给定的一系列条件，可以在膜的封皮长度和封皮数量之间达到最佳平衡使流量最大化。同样的平衡也影响溶质的去除率，具有较大的封皮数量和较短的单个封皮长度的元件设计能使该去除率最大化。假定知道包括预期操作条件、所需的元件直径、膜封皮的有效宽度和元件材料(进料隔离装置、渗透物载体和膜)的厚度的几个参数，就可以预知并优化流量和去除率之间的平衡冲突。操作时通常将螺旋缠绕元件置于圆筒形压力容器内。虽然有例外，但螺旋缠绕元件及放置该元件的容器的制造者已经汇集了一些标准尺寸。50毫米、60毫米、100毫米和200毫米的公称直径对RO/NF元件是最普通的。通常可以获得的具有60毫米直径的元件的长度大约为350毫米、530毫米或1米，从稍微延长的渗透物收集管的两端沿轴线测量。可以获得的具有100毫米或200毫米直径的元件通常只有1米长。制造容器使其能容纳整数个数的串连的元件。使用这些标准的元件长度的一个理由是工业上已经普遍用大约1米的宽度来制造膜，而且指定的长度考虑到了膜的有效使用。渗透物载体和进料隔离片也可以有效的从米宽辊上切断。指定螺旋缠绕元件的轴向尺寸为1米的整分数使得单个膜封皮的长度不受材料的约束。在商业的RO和NF应用中，一个大型的过滤系统可能由超过10,000个元件组成，每个压力容器中通常分配有4到7个元件。压力容器具有用以输入加压的进料溶液并去除浓缩物和渗透溶液的开口。进料轴向流经每个串连的元件。通过连接不同元件的渗透物收集管，在容器中产生一个长元件的效应。每个压力容器可以进一步以串连或并联的方式和其它的容器联合以产生一个过滤系统。过滤系统可以进行再循环操作，其中对浓缩物再加压并让其几次或以“一次通过”方式通过容器，溶液只一次通过该系统的任何部分。大型的一次通过过滤系统典型的以锥形设计排列，其中浓缩物从若干上游容器喂入较少数量的下游容器。当所述系统可以用高错流获得高回收率时，它们也表现出具有长的连续进料路径和高压降的特点。系统设计可以通过结合多种其它可选物来进一步复杂化，包括升压泵、渗透加压和阶式平台。适当的系统设计可以获得所需要的回收率和渗透物质量，在Marcel Mulder，“Basic Principles of Membrane Technology”，Chapter 8，Kluwer Academic Publishers，Dordrecht，The Netherlands，(1991)中描述和图示了许多可用的可选物。利用通过膜的压力和浓度梯度来控制RO或NF螺旋缠绕元件的分离效率。溶剂(最常用的为水)的流速(每单位膜面积的体积流量)通常与净驱动压力(net-driving pressure)成比例。该净驱动压力定义为进料和渗透物的作用压力差减去差速通过膜的渗透压力的差值。溶剂流速下降，获得高溶质浓度和低透膜压力。相反地，溶质分子基于扩散而普遍通过RO和NF膜，而且这一过程理想地被浓度梯度驱动并且实质上不受压力梯度的影响。因此，渗透物中被充分去除的溶质的浓度与净驱动压力成反比。元件的净驱动压力受螺旋缠绕元件流体进口端和出口端之间压降的影响。在操作中，在压力下将进料溶液施加到螺旋缠绕元件的进口端并且使其轴向流过圆筒形元件。产生的压降取决于流过元件的进料的体积以及进料隔离片对该流动的阻力。该压降小于(通常小很多)净驱动压力。当通道中的进料具有15cm/sec的表观速度时，通过1米长RO/NF元件的典型压降为25kPa。可以将表观速度定义为被空的通道的横截面面积除的体积流量。对于标准商用的具有35m2(380ft2)膜的Film TecTM200mm直径(8英寸)的元件，15cm/sec相当于进料溶液的200m3/天。压降与流动速率近似成线性。在串连的元件如容器中，串连的第一个元件用高于下游端的净驱动压力进行操作导致了不均匀的流速分布。该差异的一个原因是在连续元件中的进料浓度的增加产生了更大的渗透压力。该效果沿着串连元件被压降放大(有时不明显)。由于膜的这个不均匀利用而存在着若干问题。对于先导元件，由于污垢和结垢，高流速会明显缩短元件的寿命。高流速也会促使浓差极化而极化降低了膜的有效去除率。尾部元件的较低流速也是不合需要的，不仅是因为降低了生产率，也是因为较低的流速意味着渗透物中具有更高的溶质浓度。压降导致对较高的总压力的需求，该压力要求较大的能量输入和需要较高成本的装备(泵、管道、容器等)。为了减小压降，在制造某些容器时，在容器中部开口，使进料溶液在两个方向上最远流至容器一半的距离。可选择的是，该问题可以通过在容器间使用升压泵或通过先导元件的渗透加压来解决。无论如何，这些补救措施都会产生更大的复杂性和成本。理想地，压降问题会在源头—进料隔离片上解决。不幸地是，最佳进料隔离片的选择是个复杂的工作，这是因为从进料隔离片的结构来预测它的几个关键方面是非常困难的。除了对进料流动具有低阻力以保持通过元件的低压降外，理想的进料隔离装置还具有其它特征。进料隔离装置的首要目的是分离两个膜片，以使进料溶液流经它们的前表面。为了该目的，理想的渗透隔离片(也称作“隔离装置”、“网”或“隔离片”)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的螺旋缠绕元件，其具有：确定了轴线并且沿长度方向具有多个开口以接收渗透物的中心收集管；至少一个从所述收集管外部延伸并在其周围缠绕的过滤封皮，所述过滤封皮由两个膜片和夹在所述膜片之间的渗透物载体片构成；所述渗透物载体片 直接以流体连系所述收集管的所述开口；至少一个缠绕在所述收集管周围的进料隔离片，所述进料隔离片与至少一个过滤封皮的外表面平面接触；其中改进的特征是所述进料隔离片是由第一组充分平行的长丝与第二组充分平行的长丝交叉形成的具有小于７ ０°锐角的多个平行四边形构成的网，对所述网定向，使所述锐角的平分线与中心收集管的轴线大致平行，其中所述网具有大于１．３的丝束细化参数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：JE约翰逊，
申请(专利权)人：膜技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]