CN105561630A

CN105561630A - 一种中空纤维膜萃取器

Info

Publication number: CN105561630A
Application number: CN201610136877.2A
Authority: CN
Inventors: 孔庆然; 李希; 成有为; 王丽军
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2016-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: CN105561630B

Abstract

本发明公开了一种中空纤维膜萃取器，包括：第一萃取腔，具有相对布置的第一进液口和第一出液口，具有相对布置的第一进油口和第一出油口；第二萃取腔，具有相对布置的第二进液口和第二出液口，具有相对布置的第二进油口和第二出油口，所述第一出液口与第二进液口连通，所述第二出油口与第一进油口连通；第一中空纤维膜组，填充在第一萃取腔内，第一中空纤维膜组的两端分别沿第一水相流动路径延伸至第一进液口和第一出液口；第二中空纤维膜组，填充在第二萃取腔内，第二中空纤维膜组的两端分别沿第二水相流动路径延伸至第二进液口和第二出液口；本发明可以实现两相局部错流，整体逆流接触，对传质利用率高，便于组装和实现工业化。

Description

一种中空纤维膜萃取器

技术领域

本发明涉及中空纤维膜萃取技术领域，特别涉及一种中空纤维膜萃取器。

背景技术

中空纤维膜萃取避免了传统萃取设备中两相流体存在分散相接触以及依靠密度差进行分离的限制，从而有效的克服了溶剂乳化、两相密度差接近体系无法分离等传统萃取设备所面临的问题，因此成为重要的新型萃取手段。公开号为CN1434019的专利文献中公开了采用中空纤维膜萃取-电反萃取实现发酵过程有机酸的在线提取和提浓。CN102268559的专利文献中公开了通过中空纤维膜萃取来纯化富集含铝化合物。公开号为CN102107924的专利文献中公开了使用中空纤维膜萃取来预处理糠醛工业废水。公开号为CN103304005的专利文献中公开了采用中空纤维膜萃取来净化废水中的苯酚。公开号为CN102817302的专利文献中公开了使用中空纤维膜提取了木耳多糖。

上述文献在具体工业实施过程中，存在两大问题限制了传质效率。第一，现有膜萃取器膜丝为直的中空纤维。发明人在研究中发现，对于绝大部分的分离体系，膜萃取器的传质阻力均集中于管程的水相中，但由于膜丝直径太小，无法设置内部构件来强化传质。因此，可以将直的膜丝换成弯曲的膜丝，管程流体流动时产生径向二次流动，强化管程传质，萃取效率可以提升20％～100％。第二，工业过程中，为了提高萃取器的处理能力，减少制作成本，膜萃取器外壳均设计为直径10cm以上的圆柱状，水相在管程流动，油相通过壳程与水相逆流接触。

现有的中空纤维膜萃取器的壳程流动受到外形和生产封装工艺的影响，不可避免的存在流体短路，流动死区等情况，影响了壳程流体的整体传质速率，导致膜萃取在萃取器放大时，萃取性能下降的必然结果。公开号为CN203556294的专利文献中公开了提出了对中空纤维膜进行编织，利用编织线在壳程组成挡板，从而增加流道长度和流体停留时间，提升壳程传质速率。但是，该方法所设计的挡板无法完全避免壳程液体的渗透，在工业长期使用时，仍会产生短路和死区。公开号为CN102908877的专利文献中公开了设计了一种长方形框体的气液膜接触器，将数根中空纤维膜固定于多孔支撑管内成为一束，再将数束含有膜丝的支撑管安置于膜接触器内，从而强化壳程均匀流动。

但是，在该设计中膜接触器内的支撑管长度不一致，加工组装困难，且膜丝浸入壳程液体部分的比例低；壳程流体错流时，存在不同部位流体传质通量不均匀的情况，从而无法使得壳程流体的利用率最大化。因此，亟需一种新型的制作简单的膜萃取器，确保在工业长期使用中管程流体的高传质性能和壳程流体分布的均匀性。

发明内容

本发明提供一种中空纤维膜萃取器，萃取时水相流体与油相萃取剂局部错流流动，整体逆流流动，有效提高传质效率，且结构简单制作成本低。

一种中空纤维膜萃取器，包括：

第一萃取腔，具有相对布置的第一进液口和第一出液口以形成第一水相流动路径，具有相对布置的第一进油口和第一出油口以形成基本垂直且覆盖所述第一水相流动路径的第一油相流动路径；

第二萃取腔，具有相对布置的第二进液口和第二出液口以形成第一水相流动路径，具有相对布置的第二进油口和第二出油口以形成基本垂直且覆盖所述第二水相流动路径的第二油相流动路径，所述第一出液口与第二进液口连通，所述第二出油口与第一进油口连通；

第一中空纤维膜组，填充在第一萃取腔内，第一中空纤维膜组的两端分别沿第一水相流动路径延伸至第一进液口和第一出液口；

第二中空纤维膜组，填充在第二萃取腔内，第二中空纤维膜组的两端分别沿第二水相流动路径延伸至第二进液口和第二出液口。

使用本发明进行萃取时，水相流体从第一进液口进入第一中空纤维膜组的管程，通过后在第一萃取腔的第一出液口汇集，并通流入第二萃取腔的第二进液口，随后进入第二萃取腔的第二中空纤维膜组的管程，最后从第二萃取腔的第二出液口排出；油相萃取剂从第二进油口进入第二萃取腔以垂直于水相流动方向流入，穿过中第二空纤维膜组填充体的壳层，以错流方式与第二萃取腔中的中空纤维膜内部流动的水相通过中空纤维的多孔壁面接触进行质量传递，随后流出第二出油口进入第一出油口，再次错流穿过第一萃取腔的第一中空纤维膜组填充体的壳程，再从第一萃取腔的第一出油口排出，从而实现了水相流体与油相萃取剂局部错流，整体逆流接触。本发明通过设置双腔结构进行萃取，管、壳程两相流体在各萃取腔内错流流动，而整体逆流流动，具有高传质效率和低制作成本的优点。

所述中空纤维膜组采用聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯为材料，单根膜丝内径0.10～2.0mm，壁厚20～200μm，膜的壁面为多孔可渗透表面，表面亲油而憎水。

形成萃取腔的外壳和隔板均采用与中空纤维膜相同或相似的材料，如聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯或聚四氟乙烯、聚氯乙烯或者由上述多种聚合物复配或加工而成的材料。

为了使水相流体和油相流体在萃取腔内均匀流动，优选的，所述第一萃取腔和第二萃取腔为长方体，所述第一进液口和第一出液口、所述第一进油口和第一出油口、所述第二进液口和第二出液口以及所述第二进油口和第二出油口都分别设置在长方体相对的侧面上。

为了方便制造和安装，优选的，所述第一萃取腔和第二萃取腔贴靠并排布置，所述第一出液口与第二进液口设置在同一端面通过第一通道连通，所述第二出油口与第一进油口连通设置在同一端面通过第二通道连通。第一进油口、第一出油口、第二进油口以及第二出油口覆盖有多孔板，使得壳程流体能均匀流动。

为了提高水相流体进入第一萃取腔的流动均匀性，优选的，所述第一进液口连接第一均液腔，所述第一均液腔的侧壁上设有总进液口，所述总进液口的中心轴基本垂直所述的第一水相流动路径。水相流体先在第一均液腔内分撒后再进入第一进液口，使水相流体流动更均匀。进一步优选的，所述第一均液腔为与长方形的第一进液口相适应的长方体的腔体。

为了提高油相流体进入第一萃取腔的流动均匀性，优选的，所述第二进油口连接第二均液腔，所述第二均液腔的侧壁上设有总进油口，所述总进油口的中心轴基本垂直所述的第二油相流动路径。进一步优选的，所述第二均液腔为与长方形的第二进油口相适应的长方体的腔体。

为了提高水相流体进入第一萃取腔的流动均匀性，优选的，所述第二出液口连接第三均液腔，所述第三均液腔的侧壁上设有总出液口，所述总出液口的中心轴基本垂直所述的第二水相流动路径。

为了提高油相流体进入第一萃取腔的流动均匀性，优选的，所述第一进油口连接第四均液腔，所述第四均液腔的侧壁上设有总出油口，所述总出油口的中心轴基本垂直所述的第一油相流动路径。

优选的，所述第一中空纤维膜组或/和第二中空纤维膜组的纤维膜成螺旋状弯曲形态。中空纤维膜采用螺旋弯曲的膜丝绳为基本单元填充，以强化管程的质量传递，

中空纤维膜组采用的膜丝绳是由内径0.2～2.0mm，壁厚20～200μm，壁面孔径为0.1～0.5μm，孔隙率为0.3～0.7，长度为0.40～3.0m和根数为2～15根的直管中空纤维膜丝自旋转螺旋而成，膜丝绳螺旋半径为2.0～10mm，螺距为2.0～80mm，膜丝绳还可以进一步二次编织。

为了提高萃取效率以及便于制造，优选的，所述第一中空纤维膜组和第二中空纤维膜组相互平行设置。

本发明的萃取器的制作过程简单，采用螺旋管弯曲形态的膜丝绳以强化管程传质，采用方形萃取器来实现壳程流体流动分布均匀，壳程流体传质利用率高和应用范围广泛。

本发明的有益效果：

本发明的中空纤维膜萃取器通过设置两个萃取腔结合流体进出口的设置实现两相局部错流，整体逆流接触，对传质利用率高，便于组装和实现工业化。

附图说明

图1是本发明的中空纤维膜组所采用的螺旋膜丝绳的立体结构示意图。

图2是本发明的中空纤维膜萃取器的立体结构示意图。

图3是本发明的中空纤维膜萃取器的拆分立体结构示意图。

图4是本发明的中空纤维膜萃取器的框架的立体结构示意图。

图5是本发明的中空纤维膜萃取器的水相端头的立体结构示意图。

图6本发明的中空纤维膜萃取器的油相端头的立体结构示意图。

图7是现有的管式逆流接触膜萃取器的结构示意图。

图8是现有的管式带中心分布管膜萃取器的结构示意图。

图9是现有的管式带隔板膜萃取器的结构示意图。

具体实施方式

如图1～6所示，本实施例的中空纤维膜萃取器包括矩形框架结构的长方体萃取腔1，萃取腔内设有分隔板2将其分隔为第一萃取腔11和第二萃取腔12。长方体萃取腔1的上下顶面密封，四个周向侧面通过分隔板2分隔为第一进液口111、第一出液口112、第一进油口113、第一出油口114、第二进液口121、第二出液口122、第二进油口123和第二出油口124。

长方体萃取腔1的四个周向侧面通过四个矩形端头(5、6、7、8)密封，第一萃取腔11和第二萃取腔12内都设置中空纤维膜组3和中空纤维膜组4，中空纤维膜组由螺旋状弯曲的膜丝绳组成，中空纤维膜组3的两端分别延伸至第一进液口111和第一出液口112，并在两端灌入粘结剂将膜丝绳定型，再切割，露出膜丝端口，并保持切割端面与上、下端面齐平，中空纤维膜组4在第二萃取腔12的安装方式相同。

矩形端头5内腔设有一块分隔板51形成对称的均液腔52和均液腔53，均液腔52和均液腔53分别与第一进液口111与第二出液口122相对，均液腔52的侧端面设置一段短管作为总进液口54与外部流体管路连接；均液腔53的侧端面设置一段短管作为总出液口55与外部流体管路连接。

矩形端头6的结构与矩形端头5相同，内腔设有一块分隔板61形成对称的均液腔62和均液腔63，均液腔62和均液腔63分别与第一出油口114与第二进油口123相对，均液腔62的侧端面设置一段短管作为总出油口64与外部流体管路连接；均液腔63的侧端面设置一段短管作为总进油口65与外部流体管路连接。分隔板51、分隔板61与分隔板2共面密封连接，分隔板需要与长方体萃取腔1的外端面严格密封。

矩形端头7和矩形端头8结构一致，但矩形长、宽尺寸不同，都为单腔结构且外壳均无短管，矩形端头7作为第一通道用于连通第一出液口112和第二进液口121，矩形端头8作为第二通道用于连通第二出油口124和第一进油口113。

萃取时，水相流体从总进液口54进入均液腔52，再通过第一进液口111进入中空纤维膜组3的管程，通过后在第一萃取腔11的第一出液口112汇集，并通过矩形端头7流入第二萃取腔12的第二进液口121，随后进入第二萃取腔12的中空纤维膜组4的管程，再从第二萃取腔12的第二出液口122排出在均液腔53汇集最后从总出液口55排出；油相萃取剂从总进油口65进入均液腔63，然后通过第二进油口123进入第二萃取腔12以垂直于水相流动方向流入，穿过中空纤维膜组4填充体的壳层，以错流方式与第二萃取腔12中的中空纤维膜内部流动的水相通过中空纤维的多孔壁面接触进行质量传递，随后流出第二出油口124并在矩形端头8汇集，进入第一出油口114，再次错流穿过第一萃取腔11的中空纤维膜组4填充体的壳程，再从第一萃取腔11的第一出油口114流出进入均液腔62，最后从总出油口64排出。从而实现了水相流体与油相萃取剂局部错流，整体逆流接触。

本实施例中，管程和壳程流体分别通过U型流道，实现局部错流，整体逆流。中空纤维膜组的膜束有效长度1.0米(通过U型流道总长度计)，接触器三个方向尺寸分别为1.0米，1.0米和0.6米，膜束填充率0.40。中空纤维膜组的螺旋膜束由为6根的直管聚丙烯中空纤维膜丝自旋转螺旋而成的，螺旋半径为5.0mm，螺距为20mm。

通过实验测试本实施例的萃取器的萃取性能，以精对苯二甲酸废水(PTA废水)为待萃取水相，以对二甲苯(PX)为萃取剂来萃取其中的芳香羧酸杂质对甲基苯甲酸(PT酸)。实验时，水相初始的PT酸浓度为1000ppm，保持单位面积中空纤维膜的水相处理量一定，水相停留时间为40秒，水/油流量比为10：1，萃取温度为323K。实验得到的出口PT酸的平均浓度为95.0ppm。

对比例1：

通过与传统构型膜萃取器的膜萃取性能对比，说明本实施例的萃取器的萃取性能优。为了测试不同构型的膜萃取器的萃取性能，选用的传统膜萃取器作为对比，其构型如图7～9。

如图7所示，常规的管式逆流接触的膜萃取器，壳程流体从壳体一端头部进入壳体后，带一定角度的逆流与膜束接触，从壳体另一端的头部出口汇集流出。为了防止壳程流体沿壁面短路，膜束需要尽量贴近壳体内壁面。膜束有效长度1.0米，接触器横截面直径0.20米，膜束填充率0.40。

如图8所示，常规的管式带中心分布管膜萃取器，壳程流体从多孔的中心分布管流出，错流与膜束接触，从壳体外侧的空隙汇集流出。为了确保壳程流体均匀通过膜丝，壳体内壁面和膜束之间需保持1.0厘米的空隙。膜束有效长度1.0米，接触器横截面直径0.20米，中心流体分布管直径6.0厘米，膜束填充率0.40。

如图9所示，常规的管式带隔板的膜萃取器，壳体包含多孔的中心管分布器，中心管中心区域隔断，壳体中间部位的膜束编织形成挡板，迫使壳程流体从一侧中心管中流出后，与膜束成一定角度逆流流至挡板边缘，再与另一侧膜束逆流接触后，从中心管汇合流出。为了确保壳程流动均匀，挡板需要设置严密。膜束有效长度1.0米，接触器横截面直径0.20米，中心流体分布管直径6.0厘米，膜束填充率0.40。

采用与本实施例的萃取器相同的萃取体系和操作条件，得到不同构型萃取器的萃取性能如表1所示。

表1不同构型的中空纤维膜萃取器对PTA废水的萃取性能比较：

膜萃取器构型	管程出口PT酸浓度(ppm)
		本实施例	95.0
管式逆流接触萃取器	344
		管式带中心管萃取器	291
管式带挡板萃取器	264

从表1可以看出，在相同的操作条件下，本专利的方形萃取器水相出口的PT酸残余量低于100ppm，水相出口溶液可以满足PTA废水回收利用标准。和常规的萃取器进行对比，方形萃取器的管程由于采用螺旋管产生径向二次流动，促进了水相PT酸扩散；同时壳程流动更加均匀，油相和膜束充分接触。

Claims

1.一种中空纤维膜萃取器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一萃取腔和第二萃取腔为长方体，所述第一进液口和第一出液口、所述第一进油口和第一出油口、所述第二进液口和第二出液口以及所述第二进油口和第二出油口都分别设置在长方体相对的侧面上。

3.如权利要求2所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一萃取腔和第二萃取腔贴靠并排布置，所述第一出液口与第二进液口设置在同一端面通过第一通道连通，所述第二出油口与第一进油口连通设置在同一端面通过第二通道连通。

4.如权利要求1～3任一权利要求所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一进液口连接第一均液腔，所述第一均液腔的侧壁上设有总进液口，所述总进液口的中心轴基本垂直所述的第一水相流动路径。

5.如权利要求1～3任一权利要求所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第二进油口连接第二均液腔，所述第二均液腔的侧壁上设有总进油口，所述总进油口的中心轴基本垂直所述的第二油相流动路径。

6.如权利要求1～3任一权利要求所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第二出液口连接第三均液腔，所述第三均液腔的侧壁上设有总出液口，所述总出液口的中心轴基本垂直所述的第二水相流动路径。

7.如权利要求1～3任一权利要求所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一进油口连接第四均液腔，所述第四均液腔的侧壁上设有总出油口，所述总出油口的中心轴基本垂直所述的第一油相流动路径。

8.如权利要求1所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一中空纤维膜组或/和第二中空纤维膜组的纤维膜成螺旋状弯曲形态。

9.如权利要求1所述的中空纤维膜萃取器，其特征在于，所述第一中空纤维膜组和第二中空纤维膜组相互平行设置。