一种新型恒温管式膜组件 【技术领域】
本发明涉及一种新型恒温管式膜组件，适用于渗透汽化、蒸汽渗透、微滤、超滤、反渗透、纳滤、电渗析等膜分离过程，也可适用与膜分离与催化反应相结合以强化酯化反应、酯交换反应等的催化膜反应器。
背景技术
渗透汽化(pervaporation，简称PV，又称为渗透蒸发)和蒸汽渗透(Vapor Permeation，简称VP)是一种新型膜分离技术。该技术用于液体混合物的分离，其突出的优点是能够以低能耗实现蒸馏、萃取、吸附等传统的方法难于完成的分离任务。它特别适于蒸馏法难于分离或不能分离的近沸点、恒沸点混合物以及同分异构体的分离；对有机溶剂及混合溶剂中少量、微量水的脱除及废水中少量有机污染物的分离具有明显的技术上和经济上的优势；还可以同生物及化学反应耦合，将反应生成物不断脱除，使反应转化率明显提高。所以，渗透汽化技术在医药化工及相关工业领域具有广阔的应用前景及市场。它是目前处于发展期的新型分离技术，国际学术界的专家们称之为二十一世纪最有前途的高技术之一。
渗透汽化膜分离过程研究和应用比较成熟的大部分是有机高分子膜，但是由于有机膜在热稳定性、机械强度和化学稳定性等方面具有很大的局限性，其应用范围受到很大的限制。与有机膜相比，无机陶瓷膜在这些方面具有很大的优势，近20多年以来，无机膜的制备和渗透汽化分离过程的开发是国内外膜科学家和工程技术人员的研究热点。在众多无机膜中，沸石分子筛膜因具有规则的孔道结构、较大的比表面积和强的吸附性能而备受关注。如JP2003-210950，CN1597072，CN1274396C等均报道了高性能NaA分子筛膜的制备方法，所制备的NaA分子筛膜可以用于含水共沸有机物的渗透汽化脱水。
无机陶瓷膜，特别是分子筛膜大多数情况下是以氧化铝管或其它陶瓷管为载体通过水热合成法制备得到的。在渗透汽化膜分离过程中，透过组分蒸发所需要的热量来自于原料液，由于膜的渗透汽化分离性能与温度密切相关，随着温度的降低，膜的通量和处理能力将大幅度降低。因此，膜组件的形式直接影响分离过程的效率。一般情况下，原料液预热到一定温度后进入膜组件，随着原料液在膜表面和组件中的流动，渗透组分汽化带走热量导致原料液的温度降低和膜分离效率的衰减。通常是将通过一个或数个膜组件的原料液再次进行加热以保持高的分离效率。这种膜组件的缺点是需要额外换热器，温度极化效应导致膜分离性能的降低，从而增加了分离的成本和设备。渗透汽化或汽化渗透过程是一个传质和传热同时存在的分离过程，和其他过程类似，也将产生浓度极化和温度极化现象，所以原料液在膜面上的流动状态是影响分离过程的重要因素。增加料液流动的湍流程度，减少浓度边界层和温度边界层，保证流体在膜面分布更均匀，可以减少浓度和温度极化对膜分离性能的影响。为了降低管式膜渗透汽化分离过程中的温度极化和浓度极化效应导致分子性能的降低，设计和改进膜组件显得尤为重要，CN1795041、JP2003-93843和JP2003-93844均提出了新型的渗透汽化膜组件，部分的降低了了分离过程中的温度极化对分离性能的影响，但是并未降低膜分离过程中的浓度极化，同时单位膜组件体积装填的膜面积低，这将增加膜分离设备的体积，增加制备成本。
【发明内容】
本发明的目的是针对无机膜，特别是分子筛膜渗透汽化分离过程中的温度极化和浓度极化效应导致膜分离性能降低和操作成本增加等技术问题，提供一种新型恒温管式膜组件，该膜组件可以用于渗透汽化、蒸汽渗透、微滤、超滤、反渗透、纳滤、电渗析等膜分离过程，也可以用于膜分离与催化反应相结合以强化酯化反应、酯交换反应等的催化膜反应器。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于膜组件由管状膜16、组件封头11、组件外壳17和组件加热腔33等部分构成。其中管状膜16与密封垫圈15紧密连接，然后由法兰14固定在组件法兰13上。原料液通过进口21进入分离腔体23和由管状膜16与加热腔33形成的环形夹层24中。管状膜及原料液通过加热腔33中的恒温加热介质直接加热，供给渗透组分汽化所需要的热量。渗余液由出口23排除进入下一级膜组件，透过管状膜的渗透蒸汽通过驱动腔体12排出。加热腔中的加热介质通过外部地换热器加热后经由进口31和出口32在腔体内高速循环流动以保持恒温状态。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述膜组件的材质可以为不锈钢材料，也可以为有机玻璃，工程塑料，ABS树脂等任何易于加工和成型的材料。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述管状膜可以为分子筛膜，也可以其它任何无机陶瓷膜。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述管状膜的外径为10-13mm，壁厚为1-3mm，长度为1-100厘米。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述加热介质可以为热水或蒸汽，也可以为任何一种导热油。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述膜组件可以是单通道，也可以是多通道。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述单位膜组件体积内装填膜面积的装填密度为10～500m2/m3。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述膜组件可以用于渗透汽化，汽化渗透膜分离过程中混合物的分离，也可以用于微滤、超滤、反渗透、纳滤、电渗析等膜分离过程。
本发明提供一种新型恒温管式膜组件，其特征在于所述膜组件可以用于膜分离与催化反应相结合以强化酯化反应、酯交换反应等的催化膜反应器。
【附图说明】
图1为膜组件的剖面图。
【具体实施方式】
附图编号说明：
11.组件封头 12.驱动腔体 13.组件法兰
14.法兰 15.密封垫圈 16.管状膜
17.组件外壳 18.连接头
21.原料液进口 22.滤余液出口 23.分离腔体
24.环形夹层 25.膜通道
31.热介质进口 32.热介质出口 33.加热腔
参照图1，本发明是一种新型管状膜组件分离设备，具有低能耗、低浓度极化效应、低温度极化效应、高装填密度和足够机械强度等优点。包括膜组件和管状膜16，膜组件由组件封头11、组件外壳17和膜组件加热腔33构成。封头11和组件法兰13以螺栓做紧固连接，他们之间有密封圈。封头11上有连接头18，透过管状膜的渗透液通过驱动腔体12排出。原料液进口21和滤余液出口22分别位于组件外壳17底部和顶部。
图1中，管状膜16与密封垫圈15紧密连接，然后由法兰14固定在组件法兰13上。
图1中，膜组件加热腔33通过隔板34焊接在组件外壳17上。热介质进口31和热介质出口32分别位于组件外壳17底部和顶部。
图1中，在膜组件法兰13上，管状膜16和密封圈15可法兰14单独密封固定，也可由法兰14整体密封固定。
管状膜组件用于分离过程如下：
待分离的原料液由进口接头21进入膜组件分离腔体23，然后进入管状膜与加热腔之间的中间层24，原料液在由管状膜16与加热腔形成的环形夹层24被加热，减少了温度极化效应；原料液在由管状膜16与加热腔形成的环形夹层24容易形成湍流，减少了浓度极化效应。透过管状膜的渗透液通过膜通道25，进入动力驱动腔12，通过动力驱动如：载气吹扫或抽真空将渗透液排出连接头18。分离完的滤余液由出口21排出。原料液由膜组件底部进入，由膜组件顶部排出，保证原料液充满膜组件。
热介质从膜组件底部由进口31进入加热腔33，然后热介质和原料液通过并流或逆流进行换热，最后从组件顶部由出口32排出。热介质保证了膜组件的绝热性，减少了温度极化效应。
本发明的膜组件可以通过并联或串连多个膜组件组成膜分离设备。现有技术的膜组件在分离过程由于渗透液带走部分能量，导致原料液温度降低，使得分离性能通量大大降低，从而需要对原料液通过换热器再次加热，而本发明的膜组件分离设备集分离和换热为一体，减少了设备，降低了能耗降低了温度极化效应。在该组件中，原料在膜面上的流动状态容易达到湍流状态，降低了浓度极化效应，分离所需要的膜面积减少和成本降低。同时该膜组件具有高的装填密度，膜的安装和维修方便。