專利名稱：一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件及其滲透汽化分離工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管式分子篩膜組件的設(shè)計(jì)，尤其涉及一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件及其滲透汽化分離工藝，屬于無機(jī)膜領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
滲透汽化(蒸汽滲透)是一種新型的膜分離技術(shù)，其利用被分離液體(或蒸汽)混合物中各組分在膜中溶解(吸附)與擴(kuò)散速率不同的性質(zhì)達(dá)到分離的目的。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于能夠以較低的能耗實(shí)現(xiàn)蒸餾、萃取、吸附等傳統(tǒng)的方法難于完成的分離任務(wù)，如對于近沸、恒沸體系的分離。滲透汽化與傳統(tǒng)工藝中的共沸精餾技術(shù)相比，滲透汽化技術(shù)具有高效節(jié)能、過程易于控制、操作方便、便于放大與產(chǎn)業(yè)化、且不會(huì)引入新的雜質(zhì)及少污染或零污染等優(yōu)點(diǎn)。因此，滲透汽化技術(shù)被稱為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的“清潔工藝”。滲透汽化技術(shù)的應(yīng)用主要分為三方面:有機(jī)溶劑脫水，水中有機(jī)物的回收，以及有機(jī)物與有機(jī)物混合體系的分離。但在有機(jī)溶劑脫水方面，由于體系中有機(jī)物含量較大，且該有機(jī)物(特別是一些極性較強(qiáng)的有機(jī)物，如:酯類、醚類、苯類、環(huán)己酮、四氫呋喃、丙醛、N-甲基吡咯烷酮等)，往往對有機(jī)滲透汽化膜材料及橡膠類密封圈材料具有一定的溶解性，且隨著溫度的升高溶解性越強(qiáng)。在長期滲透汽化過程后，該類膜組件的分離特性會(huì)顯著下降，從而導(dǎo)致分離任務(wù)無法完成。分子篩膜是一種由無機(jī)多孔材料構(gòu)成的滲透汽化膜，具有良好的熱穩(wěn)定性、較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。其中，透水型分子篩膜特別適用于有機(jī)溶劑的滲透汽化脫水過程，且膜結(jié)構(gòu)不會(huì)被有機(jī)溶劑破壞，如=NaA型分子篩膜、T型分子篩膜、NaY型分子篩膜等。由于受密封方式的限制，一般分子篩膜滲透汽化組件通常使用受力易形變的橡膠類(如:三元乙丙橡膠、氟化橡膠、硅橡膠等)O型密封圈，實(shí)現(xiàn)膜前后兩側(cè)的隔離。該類膜組件一般耐壓性和耐溶解性較差，在高溫條件下尤為明顯，進(jìn)而使得滲透汽化膜技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用范圍受到限制。因此，須使用一種耐溶解性超強(qiáng)的材料作為O型密封圈，配以特殊的密封方式，以解決膜組件耐壓及耐有機(jī)溶劑的問題。而聚四氟乙烯和石墨均具有耐有機(jī)溶劑和耐高溫的特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件及其滲透汽化分離工藝，采用新的密封材料和密封方式，以解決滲透汽化膜組件的耐壓性和耐有機(jī)溶劑問題；同時(shí)也解決膜組件中膜管的大量填裝問題，實(shí)現(xiàn)膜組件拆卸和更換方便快捷的目的。本發(fā)明的技術(shù)方案為:其特征在于:膜組件由殼體1、開孔折流板2、夾套3、管式分子篩膜4、固定桿5、0型密封圈6、開孔螺栓7、上封頭8a、下封頭Sb、密封環(huán)9、螺栓10、螺母
11和閥門12組成；其中，殼體上下兩端設(shè)有螺紋孔13，殼體內(nèi)設(shè)有開孔折流板2，殼體下端設(shè)有待分離原料進(jìn)口 14，殼體下端設(shè)有待分離原料原料出口 15，殼體外設(shè)有夾套3;夾套3上端設(shè)有加熱介質(zhì)進(jìn)口 16，夾套3下端設(shè)有加熱介質(zhì)出口 17 ;管式分子篩膜4穿過開孔折流板2，開孔折流板2通過固定桿5固定在殼體內(nèi)1，固定桿5兩端分別焊接于殼體I上下兩端以固定；管式分子篩膜4上下兩端分別套有O型密封圈6，穿過螺紋孔13后通過開孔螺栓7擠壓O型密封圈6將管式分子篩膜4固定于殼體I內(nèi)；殼體I與上封頭8a、下封頭8b之間壓有密封環(huán)9，上封頭中部設(shè)有真空接口 18，下封頭8b中部設(shè)有閥門12 ;利用螺栓10和螺母11連接并壓緊殼體I與上封頭8a、下封頭8b，形成上真空室19a和下真空室19b。優(yōu)選所述管式分子篩膜為LTA分子篩膜、T型分子篩膜、FAU型分子篩膜、CHA分子篩膜、ZSM-5分子篩膜或MOR分子篩膜。優(yōu)選所述管式分子篩膜管外徑為6 20mm,內(nèi)徑為4 18mm,長度為0.07 1.0m,
數(shù)量為3 400根，每三根膜管呈等邊三角形排布。優(yōu)選所述殼體直徑為0.05 1.0m，夾套厚度為殼體直徑的0.05 0.15倍。優(yōu)選所述折流板數(shù)量為O 15塊，孔徑大于管式分子篩膜外徑I 1.5mm。上述殼體上下兩端螺紋孔13分內(nèi)外兩層，為螺紋孔內(nèi)層13-a和螺紋孔外層13_b ；其中螺紋孔內(nèi)層13-a未設(shè)螺牙，優(yōu)選螺紋孔內(nèi)層13-a孔徑大于管式分子篩膜外徑I
1.5mm ;螺紋孔外層13-b設(shè)有螺牙，螺牙為內(nèi)螺紋，優(yōu)選孔徑等于O型密封圈6外徑，O型密封圈6內(nèi)徑等于管式分子篩膜4外徑。優(yōu)選所述開孔螺栓7上部為六棱柱，下部為圓柱，中間貫通；開孔螺栓7孔徑大于管式分子篩膜4外徑I 1.5mm ;下部圓柱外徑等于殼體螺紋孔13的直徑，外部設(shè)有螺牙，螺牙為外螺紋。優(yōu)選折殼體1、折流板2、固定桿5、開孔螺栓7、上封頭8a、下封頭Sb、螺栓10、螺母11和閥門12材質(zhì)均為不銹鋼。優(yōu)選所述O型密封圈6和密封環(huán)9材料為聚四氟乙烯或石墨，更優(yōu)選石墨。本發(fā)明還提供了利用上述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件進(jìn)行滲透汽化的分離工藝，其具體步驟為:待分離原料由待分離原料進(jìn)口 14進(jìn)入殼體I內(nèi)部，流經(jīng)管式分子篩膜4后從待分離原料出口 15流出；同時(shí)，加熱介質(zhì)由加熱介質(zhì)進(jìn)口 16流入夾套3，并從加熱介質(zhì)出口 17流出。本發(fā)明提供的膜組件是特別針對含有強(qiáng)溶解性的有機(jī)物的混合原料滲透汽化脫水過程所設(shè)計(jì)，也適用于一般混合原料。所述混合原料為單一或多種有機(jī)物與水的混合物，以液態(tài)或氣態(tài)形式由待分離原料進(jìn)口進(jìn)入殼體內(nèi)部，流經(jīng)管式分子篩膜表面后從待分離原料出口流出；同時(shí)加熱介質(zhì)由加熱介質(zhì)進(jìn)口流入夾套，并從加熱介質(zhì)出口流出，以加熱混合原料。過程中，膜組件的操作壓力一般優(yōu)選為O 0.8MPa，操作溫度為O 200°C。有益效果:本發(fā)明選用聚四氟乙烯或石墨材料的O型密封圈，并通過開孔螺栓擠壓O型密封圈的方法將分子篩膜固定于殼體的螺紋孔，提供了一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，特別適用于溶解性較強(qiáng)的有機(jī)溶劑滲透汽化脫水過程，可以在高溫、高壓條件下使用。通過在封頭與殼體之間壓以密封環(huán)的方法獲得了具有一定空間的真空室，使得膜組件可裝填大量的膜管。整個(gè)膜組件的設(shè)計(jì)便于拆裝和膜的更換，有利于膜組件的大型化，使得滲透汽化技術(shù)的應(yīng)用范圍大大拓展。


圖1為耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件豎直剖面示意圖，其中I為殼體，2為開孔折流板，3為夾套，4為管式分子篩膜，5為固定桿，6為O型密封圈，7為開孔螺栓，8a為上封頭，8b為下封頭，9為密封環(huán)，10為螺栓，11為螺母，12為閥門，13為螺紋孔，14為待分離原料進(jìn)口，15待分離原料出口，16為加熱介質(zhì)進(jìn)口，17為加熱介質(zhì)進(jìn)口出口； 18為真空接口，19a為上真空室，19b為下真空室，M為開孔螺栓7、O型密封圈6、螺紋孔13以及管式分子篩膜4連接部位；圖2為圖1中M的剖面示意圖，其中4為管式分子篩膜，6為O型密封圈，7為開孔螺栓，13-a為螺紋孔內(nèi)層，13-b為螺紋孔外層；圖3為耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件用于丙醛/水體系蒸汽滲透的分離穩(wěn)定性測試。其中，A為原料水含量，B為滲透液水含量；圖4為耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件用于四氫呋喃/水體系滲透汽化脫水。其中，A為原料水含量，B為滲透液水含量。
具體實(shí)施例方式為了更好的說明本發(fā)明耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，現(xiàn)給出具體實(shí)施例，但本專利的保護(hù)范圍并不局限于該實(shí)施例。實(shí)施例1膜組件的組裝步驟為:如圖1所示。管式分子篩膜(4)穿過開孔折流板(2)，開孔折流板(2)通過固定桿(5)固定在殼體(I)內(nèi)，固定桿(5)兩端分別焊接于殼體(I)上下兩端以固定；管式分子篩膜(4)上下兩端分別套有O型密封圈￠)，穿過螺紋孔(13)后通過旋抒開孔螺栓(X)擠壓O型密封圈(6)將管式分子篩膜(4)固定于殼體(I)內(nèi)；殼體(I)與上封頭(8a)、下封頭(Sb)之間壓有密封環(huán)(9)，上封頭設(shè)有真空接口(18)，下封頭(Sb)設(shè)有閥門(12);利用螺栓(10)和螺母(11)連接并壓緊殼體⑴與上封頭(8a)、下封頭(Sb)，形成上真空室(19a)、下真空室(19b)。實(shí)施例2選取226根外徑為12.8mm、內(nèi)徑為7.8mm、長度為80cm的管式NaA型分子篩膜(屬LTA分子篩膜)，將膜管穿過殼體內(nèi)的6塊孔徑為14mm的開孔折流板和殼體兩端的螺紋孔(螺紋內(nèi)層孔徑為14_，開孔螺栓內(nèi)徑為14_)，兩端套以四氟乙烯O型密封圈后旋擰開孔螺栓，通過螺紋孔底部與開孔螺栓擠壓O型密封圈，實(shí)現(xiàn)對膜管的密封；利用螺栓和螺母，將聚四氟乙烯密封環(huán)壓于封頭和殼體(直徑為90mm，夾套為厚度IOcm)之間形成真空室，構(gòu)成不銹鋼膜組件。關(guān)閉膜組件下端閥門，以用于體系滲透汽化過程。在操作溫度100°C、操作壓力為0.1MPa的條件下，94wt.%異丙醇/水體系以蒸汽的形式進(jìn)入原料進(jìn)口，經(jīng)過5個(gè)串聯(lián)膜組件后，在原料出口處異丙醇被提濃至水含量2wt.%以下，滲透液含水量大于80wt.%。實(shí)施例3按照實(shí)施例1中的方法，采用聚四氟乙烯O型圈和密封環(huán)，將7根外徑為12mm、內(nèi)徑為6mm長度為50cm的管式T型分子篩膜管封裝于具有2塊開孔折流板(孔徑為13mm)的不銹鋼膜組件(其中，螺紋孔內(nèi)層孔徑為13mm，開孔螺栓孔徑為13mm)。其中，殼體的直徑為12cm，夾套為厚度1cm。采用料液循環(huán)模式，在操作溫度為115°C、操作壓為0.6MPa的條件下，將2個(gè)膜組件串聯(lián)用于溶解性較強(qiáng)的96wt.%丙醛/水體系蒸汽滲透的分離穩(wěn)定性測試，測試過程中通過向原料罐中補(bǔ)水的方式，以維持原料水含量在4wt.%左右。結(jié)果如圖3所示，在300h運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，滲透液含水量維持在96wt.%左右。實(shí)施例4按照實(shí)施例1中的方法將3支外徑為16mm、內(nèi)徑為12mm、長度為7cm的管式NaY型分子篩膜(屬FAU型分子篩膜)裝于殼體直徑為5cm、夾套為厚度0.5cm的聚四氟乙烯膜組件內(nèi)(其中，螺紋孔內(nèi)層孔徑為17mm，開孔螺栓孔徑為17mm)。其中，O型圈和密封環(huán)的材料均為石墨。將該組件用于最強(qiáng)極性醚類之一的四氫呋喃滲透汽化脫水，以測試膜組件在高溶解性有機(jī)溶劑中的滲透汽化分離特性。采用料液循環(huán)模式，在操作溫度為55°C、操作壓力為一個(gè)大氣壓的條件下，膜組件可將93wt.%四氫呋喃/水體系的水含量脫至0.6wt.%以下，平均滲透液水含量達(dá)到90wt.%。原料和滲透液中水含量隨操作時(shí)間的變化關(guān)系如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征在于:膜組件由殼體(1)、開孔折流板(2)、夾套(3)、管式分子篩膜(4)、固定桿(5)、O型密封圈￠)、開孔螺栓(7)、上封頭(8a)、下封頭(Sb)、密封環(huán)(9)、螺栓(10)、螺母(11)和閥門(12)組成；其中，殼體(I)上下兩端設(shè)有螺紋孔(13)，殼體(I)內(nèi)設(shè)有開孔折流板(2)，殼體(I)下端設(shè)有待分離原料進(jìn)口(14)，殼體(1)下端設(shè)有待分離原料原料出口(15)，殼體(1)外設(shè)有夾套(3);夾套(3)上端設(shè)有加熱介質(zhì)進(jìn)口(16)，夾套(3)下端設(shè)有加熱介質(zhì)出口(17);管式分子篩膜(4)穿過開孔折流板(2)，開孔折流板(2)通過固定桿(5)固定在殼體內(nèi)(1)，固定桿(5)兩端分別焊接于殼體(I)上下兩端以固定；管式分子篩膜(4)上下兩端分別套有O型密封圈￠)，穿過螺紋孔(13)后通過開孔螺栓(7)擠壓O型密封圈(6)將管式分子篩膜(4)固定于殼體(1)內(nèi)；殼體(1)與上封頭(8a)、下封頭(Sb)之間壓有密封環(huán)(9)，上封頭中部設(shè)有真空接口(18)，下封頭(Sb)中部設(shè)有閥門(12);利用螺栓(10)和螺母(11)連接并壓緊殼體(1)與上封頭(8a)、下封頭(Sb)，形成上真空室(19a)和下真空室(19b)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述管式分子篩膜(4)為LTA分子篩膜、T型分子篩膜、FAU型分子篩膜、CHA分子篩膜、ZSM-5分子篩膜或MOR分子篩膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述管式分子篩膜管⑷外徑為6 20mm,內(nèi)徑為4 18mm,長度為0.07 1.0m,數(shù)量為3 400根,每三根膜管呈等邊三角形排布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述殼體(1)直徑為0.05 1.0m，夾套厚度為殼體直徑的0.05 0.15倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述殼體(1)上下兩端螺紋孔(13)分內(nèi)外兩層，為螺紋孔內(nèi)層(13-a)和螺紋孔外層(13-b);螺紋孔內(nèi)層(13-a)未設(shè)螺牙，螺紋孔內(nèi)層(13-a)孔徑大于管式分子篩膜(4)外徑I 1.5_ ;螺紋孔外層(13-b)設(shè)有螺牙，螺牙為內(nèi)螺紋，孔徑等于O型密封圈(6)外徑，O型密封圈￠)內(nèi)徑等于管式分子篩膜(4)外徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述開孔螺栓(7)上部為六棱柱，下部為圓柱，中間貫通；開孔螺栓(7)孔徑大于管式分子篩膜(4)外徑I 1.5mm ;下部圓柱外徑等于殼體(1)螺紋孔(13)的直徑，外部設(shè)有螺牙，螺牙為外螺紋。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述折殼體(1)、折流板(2)、固定桿(5)、開孔螺栓(7)、上封頭(8a)、下封頭(Sb)、螺栓(10)、螺母(11)和閥門(12)材質(zhì)均為不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件，其特征是所述O型密封圈(6)和密封環(huán)(9)材料為聚四氟乙烯或石墨。
9.一種利用如權(quán)利要求1所述耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件的滲透汽化分離工藝，其具體步驟為:待分離原料由待分離原料進(jìn)口(14)進(jìn)入殼體(I)內(nèi)部，流經(jīng)管式分子篩膜(4)后從待分離原料出口(15)流出；同時(shí)，加熱介質(zhì)由加熱介質(zhì)進(jìn)口(16)流入夾套(3)，并從加熱介質(zhì)出口(17)流出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種耐壓耐有機(jī)溶劑管式分子篩膜組件及其滲透汽化分離工藝，膜組件由殼體、開孔折流板、夾套、管式分子篩膜、固定桿、O型密封圈、開孔螺栓、上封頭、下封頭、密封環(huán)、螺栓、螺母和閥門組成。分子篩膜通過開孔螺栓擠壓O型密封圈固定于殼體的螺紋孔上，達(dá)到了膜前側(cè)與膜后側(cè)的隔離的目的；采用在封頭與殼體之間壓以密封環(huán)的方法獲得了一定空間的真空室，實(shí)現(xiàn)了膜組件裝填大量膜管的目的。本發(fā)明提供的膜組件特別適用于極性較強(qiáng)有機(jī)溶劑的滲透汽化脫水過程，同時(shí)保證了一定的耐壓性。滲透汽化分離工藝為混合原料由待分離原料進(jìn)口進(jìn)入殼體內(nèi)部，流經(jīng)管式分子篩膜表面后從待分離原料出口流出；加熱介質(zhì)由加熱介質(zhì)進(jìn)口流入夾套，并從加熱介質(zhì)出口流出，以加熱混合原料。
文檔編號B01D61/36GK103157380SQ20131008935
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月20日
發(fā)明者顧學(xué)紅, 仲超, 王學(xué)瑞, 尹良偉, 徐南平 申請人:南京工業(yè)大學(xué), 江蘇九天高科技股份有限公司