專利名稱：一種中空纖維分子篩膜組件及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中空纖維分子篩膜組件及其有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝，主要解決中空纖維分子篩膜在滲透汽化有機(jī)溶劑脫水過程中的密封問題，屬于無機(jī)膜領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
膜分離是近年來發(fā)展起來的一種分離技術(shù)，它可根據(jù)物質(zhì)的分子動力學(xué)直徑或親疏水差異進(jìn)行分離。沸石分子篩膜是一類具有規(guī)則微孔道結(jié)構(gòu)的無機(jī)膜材料，其孔徑在Inm以下，借助孔道的吸附選擇性或分子篩分特性，沸石分子篩膜能夠?qū)崿F(xiàn)不同分子間的分離。在有機(jī)物的脫水提純與精制領(lǐng)域，NaA分子篩管式膜已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，并建成100多套滲透汽化分離裝置。然而，已商業(yè)化的管式膜組件存在膜裝填密度低、單位體積有效過濾面積小、分離效率低、制造成本高等問題，因而限制著分子篩膜應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。中空纖維分子篩膜外徑小(通常〈2_)，可顯著提高分子篩膜的裝填密度。中國專利 CN200910193335.9、CN201010249630.4、CN201110236263.9 報(bào)道了中空纖維陶瓷支撐體用于沸石分子篩膜的制備方法，專利CN201210064435.3提出了一種分子篩膜的批量化制備方法，但缺少中空纖維分子篩膜用于有機(jī)溶劑滲透汽化脫水膜組件的設(shè)計(jì)與封裝方法。專利CN200710025876.1公布了一種中空纖維陶瓷膜組件，組件經(jīng)高溫(>900°C )處理實(shí)現(xiàn)組件密封。分子篩膜所承受溫度一般較低，例如已商品化NaA分子篩膜使用溫度通常不超過200°C，否則會破壞膜結(jié)構(gòu)使其喪失分離性能，因此該方法不能用于分子篩膜組件的封裝。針對有機(jī)溶劑的滲透汽化脫水，設(shè)計(jì)開發(fā)中空纖維分子篩膜組件，解決中空纖維膜的排布與密封問題，是中空纖維分子篩膜規(guī)?；瘧?yīng)用的前提。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種中空纖維分子篩膜組件，解決中空纖維分子篩膜密封問題，同時(shí)解決膜元件的模塊化組裝，實(shí)現(xiàn)膜元件方便快捷的拆卸和更換。本發(fā)明的另一目的是提供了利用上述中空纖維分子篩膜組件的有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝。本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種中空纖維分子篩膜組件，其特征在于:由中空纖維分子篩膜元件9、孔板2、殼體5、夾套8、端頭I和封頭6組成:其中殼體5上有夾套8，中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端7固定于孔板2中，裝有膜元件的孔板2置于殼體5中，殼體5上端、孔板2和端頭I通過螺桿10密封連接；殼體5下端和封頭6通過螺桿10密封連接；端頭I中部設(shè)有抽真空接口 E，封頭6中部設(shè)有閥門3，夾套8下部設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口 A，夾套8下部設(shè)有換熱介質(zhì)出口 C，殼體5的下部設(shè)有有機(jī)溶劑進(jìn)口 B，殼體5的上部設(shè)有有機(jī)溶劑出口 D。其中孔板2與端頭I和殼體5之間、封頭6與殼體5之間均裝有密封圈11。中空纖維分子篩膜4經(jīng)常規(guī)的排布、灌膠和固化三道工序制備而成。如圖3所示，中空纖維分子篩膜的中空敞開端呈圓形、圓環(huán)形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形排布，液態(tài)密封材料填充中空纖維分子篩膜外側(cè)空間，經(jīng)固化后形成中空纖維分子篩膜元件。本發(fā)明采用液態(tài)密封材料對中空纖維分子篩膜進(jìn)行灌裝密封，使密封材料填充中空纖維分子篩膜外側(cè)空間，同時(shí)保持中空纖維分子篩膜端頭為中空敞開，靜置固化。優(yōu)選采用的液態(tài)密封材料為環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅密封膠、無機(jī)密封劑、聚氨酯密封膠或丙烯酸酯密封膠。優(yōu)選中空纖維分子篩膜元件在孔板上以圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形為基本結(jié)構(gòu)單元并列排布(見圖2);中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端7通過螺紋、卡箍或膠黏方式固定于孔板2，方便拆卸和更換。優(yōu)選孔板上中空纖維分子篩膜元件的數(shù)量為1-100 ;中空纖維分子篩膜元件包含
1-5000根中空纖維分子篩膜，其長度為60-800mm。優(yōu)選所述的殼體與夾套內(nèi)部的間距d為3-200_。優(yōu)選上述孔板、殼體、端頭和封頭為不銹鋼材質(zhì)。本發(fā)明還提供了利用上述的中空纖維分子篩膜組件的有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝，其具體步驟為:有機(jī)溶劑以氣態(tài)或液態(tài)形式通過有機(jī)溶劑進(jìn)口 B進(jìn)入膜組件，滲透組分透過中空纖維分子篩膜4后經(jīng)抽真空的接口 E移走，脫水后有機(jī)溶劑經(jīng)有機(jī)溶劑出口 D流出組件，脫水過程中蒸汽或?qū)嵊偷葥Q熱介質(zhì)通過換熱介質(zhì)進(jìn)口 B和換熱介質(zhì)出口D進(jìn)出膜組件夾套8，維持中空纖維分子篩膜組件內(nèi)的操作溫度為30-150°C，操作壓力為0-0.3MPa。閥門(3)用于排放組件內(nèi)殘留液體。有益效果:本發(fā)明中空纖維分子篩膜組件及其封裝方法可在常溫下進(jìn)行陶瓷中空纖維分子篩膜組件的封裝，避免了高溫封裝過程對分子篩膜的破壞；另外，解決了強(qiáng)溶解性溶劑等苛刻條件膜組件的密封問題，大大拓展了滲透汽化膜材料的應(yīng)用范圍；膜元件采用中空纖維分子篩膜管束密封，有效提高了膜組件裝填面積，降低設(shè)備的投資成本；采用膜元件與孔板相結(jié)合的模塊化封裝方式，簡化了組件的連接和封裝，便于膜元件的拆裝和更換，有利于設(shè)備的大型化，并減少了設(shè)備的加工成本。


圖1中空纖維分子篩膜組件軸向剖面示意圖；其中I為端頭，2為孔板，3為閥門，4為中空纖維分子篩膜，5為殼體，6為封頭，7為中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端，8為夾套，9為中空纖維分子篩膜元件，10為螺桿，11為墊圈，d為夾套間距，A和C分別為換熱介質(zhì)的進(jìn)口和出口，B和D分別為有機(jī)溶劑的進(jìn)口和出口，E為抽真空的接口 ；圖2中空纖維分子篩膜組件徑向剖面示意圖；其中2為孔板，9為中空纖維分子篩膜元件，a為只有一個(gè)膜元件的分子篩膜組件排列示意圖，b f分別為三角形、四邊形、五邊形、六邊形和圓形排列的分子篩膜組件示意圖。圖3中空纖維分子篩膜元件孔板俯視示意圖；其中4為中空纖維分子篩膜，9為中空纖維分子篩膜元件，(a) (f)分別為中空纖維分子篩膜按圓形、圓環(huán)形、三角形、四邊形、五邊形和六邊形排列的分子篩膜元件示意圖。圖4中空纖維NaA型分子篩膜組件用于異丙醇/水體系蒸汽滲透脫水結(jié)果圖，其中A為原料水含量，B為滲透液水含量；
圖5中空纖維T型分子篩膜組件用于乙醇/水體系滲透汽化脫水結(jié)果圖；圖6中空纖維NaY型分子篩膜組件用于甲基丁炔醇/水體系滲透汽化脫水結(jié)果圖，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)明中空纖維分子篩膜組件，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中空纖維分子篩膜組件軸向剖面示意圖如圖1所示:由中空纖維分子篩膜元件、孔板、殼體、夾套、端頭和封頭組成:其中殼體上有夾套，中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端固定于孔板中，裝有膜元件的孔板置于殼體中，殼體的上端、孔板和端頭通過螺桿密封連接；殼體的下端和封頭通過螺桿密封連接；端頭中部設(shè)有抽真空接口，封頭中部設(shè)有閥門，夾套下部設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口，夾套下部設(shè)有換熱介質(zhì)出口，殼體的下部設(shè)有有機(jī)溶劑進(jìn)口，殼體的上部設(shè)有有機(jī)溶劑出口。中空纖維分子篩膜組件的封裝步驟為:(1)將中空纖維分子篩膜一端密封，利用液態(tài)密封膠封在中空敞開端將其封裝成圓形、圓環(huán)形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形(如圖3所示)的中空纖維分子篩膜元件；(2)中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端按照圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形并列排布于孔板上，利用卡箍、密封膠或螺絲將其固定；(3)裝載中空纖維分子篩膜元件的孔板裝配到組件殼體中，將端頭、孔板和殼體固定封裝，殼體另一端利用封頭密封，形成中空纖維分子篩膜組件。實(shí)施例2按照實(shí)施例1的方法將3000根外徑為1.6mm,長度為600mm的中空纖維NaA型分子篩膜，一端用環(huán)氧樹脂密封膠堵死，將其排布成圓形，在中空敞開端填充環(huán)氧樹脂，靜置I天，待環(huán)氧樹脂固化即完成中空纖維分子篩膜元件的封裝；利用卡箍將該膜元件固定于不銹鋼孔板上，將孔板安裝于長度為750mm的不銹鋼殼體(夾套空隙d為180mm)上形成具有I個(gè)膜元件(膜元件含有3000支中空纖維分子篩膜)的中空纖維分子篩膜組件。將該膜組件用于90wt.%異丙醇/水體系蒸汽滲透脫水表現(xiàn)出良好的分離性能，進(jìn)料溫度120°C，進(jìn)料壓力為0.2MPa時(shí)，滲透側(cè)水含量可達(dá)99wt.%以上，結(jié)果如圖4所示。實(shí)施例3按照實(shí)施例1的方法將100根外徑為1.8mm,長度為200mm的中空纖維T型分子篩膜封裝于具有7孔的孔板上，形成具有7個(gè)膜元件的中空纖維分子篩膜組件。與實(shí)施例2所不同的是膜元件采用有機(jī)硅密封膠固定于不銹鋼孔板上，不銹鋼殼體(夾套空隙d為5_)的長度為250mm。將該組件用于90wt.%乙醇/水體系的滲透汽化脫水，采用料液循環(huán)模式，進(jìn)料溫度為70°C、進(jìn)料壓力為OMPa時(shí)，可將原料水含量降至0.3wt.%以下，原料水含量隨操作時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。實(shí)施例4按照實(shí)施例1的方法將80支外徑為2.4mm,長度為80mm的中空纖維NaY型分子篩膜封裝成具有80個(gè)膜元件(每個(gè)元件具有I支膜)的組件。不同的是采用無機(jī)密封膠封裝分子篩膜元件，膜元件采用螺紋密封的方式固定于不銹鋼孔板上，孔板具有80個(gè)孔，并且以三角形為基本結(jié)構(gòu)單元排布，不銹鋼殼體長度為120mm，夾套空隙d為20mm。該組件具有良好的滲透汽化分離特性，例如，50°C下，用于甲基丁炔醇/水體系滲透汽化脫水，可將水含量脫至0.1wt.%以下,滲透液水含量達(dá)80wt.%以上,分離結(jié)果如圖6所示。
權(quán)利要求
1.一種中空纖維分子篩膜組件，其特征在于:由中空纖維分子篩膜元件(9)、孔板(2)、殼體(5)、夾套(8)、端頭(I)和封頭(6)組成:其中殼體(5)上設(shè)有夾套(8)，中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端(7)固定于孔板(2)中，裝有膜元件的孔板(2)置于殼體(5)中，殼體(5)的上端、孔板(2)和端頭(I)通過螺桿(10)密封連接；殼體(5)的下端和封頭(6)通過螺桿(10)密封連接；端頭(I)中部設(shè)有抽真空接口(E)，封頭￠)中部設(shè)有閥門(3)，夾套(8)下部設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口(A)，夾套(8)下部設(shè)有換熱介質(zhì)出口(C)，殼體(5)的下部設(shè)有有機(jī)溶劑進(jìn)口(B)，殼體(5)的上部設(shè)有有機(jī)溶劑出口(D)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中空纖維分子篩膜組件，其特征在于孔板(2)與端頭(I)和殼體(5)之間、封頭(6)與殼體(5)之間均裝有密封圈(11)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空纖維分子篩膜組件，其特征在于中空纖維分子篩膜元件(9)由中空纖維分子篩膜(4)按照圓形、圓環(huán)形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形排列封裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空纖維分子篩膜組件，其特征是中空纖維分子篩膜元件在孔板上以圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形為基本結(jié)構(gòu)單元并列排布；中空纖維分子篩膜元件的中空敞開端(7)通過螺紋、卡箍或膠黏方式固定于孔板(2)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空纖維分子篩膜組件，其特征是孔板上中空纖維分子篩膜元件(9)的數(shù)量為1-100 ;中空纖維分子篩膜元件包含1-5000根中空纖維分子篩膜，其長度為60-800mmo
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空纖維分子篩膜組件，其特征是所述的殼體與夾套內(nèi)部的間距 d 為 3-200mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述中空纖維分子篩膜組件，其特征是所述孔板、殼體、端頭和封頭為不銹鋼材質(zhì)。
8.一種利用如權(quán)利要求1所述的中空纖維分子篩膜組件的有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝，其具體步驟為:有機(jī)溶劑以氣態(tài)或液態(tài)形式通過有機(jī)溶劑進(jìn)口(B)進(jìn)入膜組件，滲透組分透過中空纖維分子篩膜(4)后經(jīng)抽真空的接口(E)移走，脫水后有機(jī)溶劑經(jīng)有機(jī)溶劑出口(D)流出組件，換熱介質(zhì)通過換熱介質(zhì)進(jìn)口(B)和換熱介質(zhì)出口(D)進(jìn)出膜組件夾套(8)，維持中空纖維分子篩膜組件內(nèi)的操作溫度為30-150°C，操作壓力為0-0.3MPa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中空纖維分子篩膜組件及其有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝，中空纖維分子篩膜組件由中空纖維分子篩膜元件、孔板、殼體、夾套、端頭和封頭組成。本發(fā)明還提供了利用上述的中空纖維分子篩膜組件的有機(jī)溶劑滲透汽化脫水的工藝，有機(jī)溶劑以氣態(tài)或液態(tài)形式通過有機(jī)溶劑進(jìn)口進(jìn)入膜組件，滲透組分透過中空纖維分子篩膜后經(jīng)抽真空的接口移走，脫水后有機(jī)溶劑經(jīng)有機(jī)溶劑出口流出組件，換熱介質(zhì)通過換熱介質(zhì)進(jìn)口和出口進(jìn)出膜組件夾套，維持中空纖維分子篩膜組件內(nèi)的操作溫度為30-150℃，操作壓力為0-0.3MPa。本發(fā)明中空纖維分子篩膜組件采用模塊化設(shè)計(jì)，簡化了組件的連接和組裝，解決了中空纖維分子篩膜應(yīng)用過程中的密封難題，有利于中空纖維分子篩膜的工業(yè)化應(yīng)用。
文檔編號B01D61/36GK103157379SQ20131009158
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, 王學(xué)瑞, 蔣冀, 王健豪, 王航華, 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