一种深度分离渗透液组分的管式膜组件的制作方法

1.本实用新型涉及膜分离技术领域，尤其涉及一种渗透汽化及气体分离纯化等膜分离过程的管式膜组件。


背景技术：

2.渗透汽化膜分离技术是一种新兴的分离纯化技术，可适用于有机物与水分离、有机物
‑
有机物体系分离，其中有机物脱水研究最为深入广泛并已部分成功实现工业化生产应用。其分离原理是利用物质在膜两侧的化学势差为驱动力实现传质，利用膜对物料中不同组分化合物亲和性及传质阻力的差异实现选择性。
3.渗透汽化膜组件正是利用这种原理来工作的，膜管的孔隙尺寸介于有机溶剂分子动力学直径和水分子动力学直径之间，有机溶剂和水构成的高温高压混合气体从膜管外表面流过时，由于膜管内部存在高真空，膜管内外存在的压力差产生推动力使得动力学直径小于膜管孔隙尺寸的水分子进入膜管内部，而动力学直径更大一些的有机溶剂则被截留在膜管外侧，因而水分子和有机溶剂分子得到有效分离。
4.而传统的膜组件由于膜元件渗透通量不高严重影响分离效率，导致膜组件所需膜管数量增加，设备外形整体尺寸变大，管路连接多，焊接部件数量也较多，最终造成设备投资成本高，场地空间要求大，不利于膜组件的应用推广。究其原因就在于高温高压的混合汽体在膜组件中的流动速度快滞留时间变短，与膜表面接触时间也就很短，单位时间单位面积的膜通量小，所需的膜面积随之增加。
5.一般情况下，可以考虑增加混合气体在膜组件中的湍流程度来增加气体与膜表面的接触达到提升单位时间膜通量的目的。第一类解决方案是采用在膜壳中加入垂直于膜管方向的阻流隔板，能在一定程度上减弱上述存在的问题。但同时带来了新的问题，如果增加的阻流隔板数量不够多，其效果并不明显，存在的问题基本得不到解决；如果增加的阻流隔板数量太多的话，加工和安装的难度会非常大，要求膜管依次穿过这些隔板，各隔板上的对应孔就必须完全对准在同一直线上，也即多个孔的同心度加工精度和安装要求就非常高。满足此类复杂结构设计也会导致膜壳中安装的膜管数量相对受限，单位体积膜组件具有的膜面积不多，设备整体集成度不高，与此同时隔板过多的话，膜分离特有的“错流式过滤”模式将转换为“死端过滤”模式，对减小膜表面的浓差极化和防止膜孔的污堵并没有好处。第二类解决方案是在膜组件柱筒内部顺膜管方向加装径向折流板，使原料在膜组件柱筒内往返折回流动，延长了原料在膜组件柱筒内停留时间，克服了第一类解决方案中的安装与加工方面的问题，保留了膜分离固有的“错流式过滤”特性。但对原料在柱筒内的湍流程度无改变，另外也增加了新的问题，加装的多个相互平行的径向折流板是顺膜管方向设置于柱筒中的，每一分割部分的膜管数量分布严重不均匀，而越靠近原料进液前端分离除水的负荷越重，现有的分布方式不能保证负荷重的地方膜管数量多，造成负荷重的膜管分离效率急剧下降容易污堵，膜管清洗和更换频率加快，最终导致生产周期效率下降，使用成本增加。
6.公告号为cn210356715u、专利名称为“一种深度分离渗透液组分的管式膜组件组件”的实用新型专利中所述膜组件，保留了膜分离“错流式过滤”的分离特性，并改善了原料在各通道中的流动状态，一定程度上提升了单位体积膜组件的膜管面积以及膜通量，然而在实际应用生产过程中，其膜组件的膜通量仍有待提高。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的在于克服现有技术中膜通量不够高的问题，提供了一种深度分离渗透液组分的管式膜组件。
8.本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种深度分离渗透液组分的管式膜组件，具体包括壳体、膜管、第一隔板、第二隔板和中柱，第二隔板上设有若干与膜管适配的孔洞；所述中柱位于壳体内空间的中心，所述第一隔板在中柱轴向安装，所述第二隔板在中柱径向安装，将壳体内空间分若干份，每相邻两第一隔板之间顺中柱方向穿过第二隔板安装有若干根膜管，形成以每相邻两块第一隔板为边界的轴向分离通道，以及以每相邻两块第一隔板、每相邻两块第二隔板为边界的径向分离通道；沿中柱周向的第一个轴向通道至最后一个轴向分离通道，相邻两通道首尾相通，相邻两个轴向分离通道分别与壳体上设置的进液口、出液体口相通，所述每个轴向分离通道的膜管与壳体上设置的渗透液出口相通；
9.沿中柱轴向依次设置的多个第一隔板间隔地与壳体上端面、下端面留有间隙；沿中柱径向依次设置的多个第二隔板间隔地与壳体侧面、中柱侧面留有间隙。
10.作为一选项，所述壳体为圆筒形，由圆筒形壳体本体和壳体两端的封头构成；所述中柱为圆柱，沿中柱轴向开设有与第一隔板安装边缘匹配的第一卡槽，所述壳体内壁上设置有与第一隔板对应的第二卡槽，第一隔板上设有与第二隔板安装边缘适配的第三卡槽，第一隔板以中柱轴向方向通过第一卡槽、第二卡槽安装在中柱和壳体内壁之间，第二隔板以中柱径向方向通过第三卡槽安装在中柱和壳体内壁之间。
11.作为一选项，所述壳体本体两端设置有与壳体截面形状匹配的花盘，所述花盘上设置有与第一隔板的端面匹配的卡槽，第一隔板长度小于壳体长度，沿中柱轴向方向从第一块第一隔板至最末一块第一隔板，第一隔板的端面左右间隔地通过卡槽安装在两花盘上；沿中柱径向开设有与第二隔板安装边缘匹配的第四卡槽，壳体内壁上设置有与第二隔板安装边缘匹配的第五卡槽，第二隔板长度小于壳体内壁到中柱的距离，第二隔板间隔地安装于第四卡槽、第五卡槽上。
12.作为一选项，所述原料流入的第一个轴向分离通道和原料流出的最后一个轴向分离通道间的第一隔板，其两端均安装在花盘上，且密封。
13.作为一选项，所述第二隔板上设有若干与拉杆适配的拉杆孔，轴向分离通道中平行于膜管经拉杆孔安装有若干拉杆，所述拉杆与膜管间隔分布。
14.作为一选项，所述拉杆和膜管两端均安装在花盘上；所述膜管、拉杆均平行于第一隔板固定安装。
15.作为一选项，所述拉杆表面设置有螺纹。
16.作为一选项，所述壳体本体两端设置有压板，所述花盘上设置有与拉杆和膜管均匹配的安装孔，所述拉杆和膜管两端通过安装孔固定在花盘上，所述压板与花盘背面贴合
和压紧共同固定拉杆和膜管。
17.作为一选项，所述第一隔板与壳体的长度相等，沿中柱轴向方向从第一块第一隔板至最末一块第一隔板，第一隔板的轴向顶部与底部间隔地设有使渗透液通过的渗透孔；沿中柱径向开设有与第二隔板安装边缘匹配的第四卡槽，壳体内壁上设置有与第二隔板安装边缘匹配的第五卡槽，第二隔板长度小于壳体内壁到中柱的距离，第二隔板间隔地安装于第四卡槽、第五卡槽上。
18.作为一选项，所述壳体为椭圆形截面或多边形截面，第一隔板、第二隔板对应安装，满足能将壳体内空间分成若干份即可；所述中柱为椭圆形截面或多边形截面，第一隔板、第二隔板对应安装，满足能将壳体内空间分成若干份即可。
19.需要进一步说明的是，上述膜组件各选项对应的技术特征可以相互组合或替换构成新的技术方案。
20.与现有技术相比，本实用新型有益效果是：
21.(1)本实用新型所述膜组件，既保留膜分离“错流式过滤”的分离特性，又有效地改善原料在各通道中的流动状态，提升了单位体积膜组件的膜管面积，通过在中柱径向方向设置第二隔板，进一步提升了膜通量，增强了膜组件设备的集成度，减少设备投资成本和占地面积，并且易于安装检修。
22.(2)本实用新型所述膜组件，第一隔板平行于膜管安装，降低了加工的高精度要求，便于膜管的安装拆卸，同时膜管固定于壳体本体两端的花盘上，不会因快速气流带来的扰动而挤压碰伤膜管。
23.(3)本实用新型所述膜组件，拉杆表面是整根的螺纹形状，原料流经拉杆表面时，由于表面螺纹的影响，顺膜管方向的汽流会发生流动方向的改变而产生各个不定方向的扰动，增强了原料在膜管表面的湍流程度，显著减小膜管表面浓差极化现象，同样提升了单位膜面积的通量。
24.(4)本实用新型所述管式膜组件，可以根据膜分离设计结果显示的除水载荷分布情况自由调整通道的数量和各通道中所需的膜管数量，对应调整柱筒内壁及其中间设置的中柱上的卡槽的方向及位置即可。
附图说明
25.下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明，此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。
26.图1为本实用新型所述管式膜组件整体结构正面示意图；
27.图2为本实用新型所述管式膜组件内部结构示意图；
28.图3为本实用新型所述管式膜组件内部爆炸图；
29.图4为本实用新型所述管式膜组件横截面示意图；
30.图5为本实用新型所述管式膜组件横截面示意图；
31.图6为本实用新型所述管式膜组件装满膜管后的横截面简图；
32.图7为本实用新型所述管式膜组件的花盘示意图；
33.图8为本实用新型所述管式膜组件的压板示意图。
34.图中：1
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进液口，2
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柱筒(壳体)，3a、3b、3c、3d
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法兰盘，4a、4b
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压板， 5a、5b
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花盘，6
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渗透液出口，7
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拉杆，8
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膜管，10
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中柱，11
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第一隔板，12
‑ꢀ
出液口，81、82、83、84、85、86
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通道、13
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第二隔板、14
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渗透孔、15
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积液排除孔、16
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流道外壁、17
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流道盖板、18
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第一通孔。
具体实施方式
35.下面结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系为基于附图所述的方向或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，属于“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
39.实施例1
40.本实施例管式膜组件如图1
‑
图3所示，包括壳体2、膜管8、六块第一隔板 11、18块第二隔板13和中柱10。壳体为圆筒形的柱筒，由圆筒形壳体本体和壳体两端的封头构成，封头通过法兰3a、3b、3c、3d与壳体主体连接。如图4
‑
6 所示，中柱位于壳体的中轴线上，第一隔板在中柱轴向均匀安装，第二隔板在中柱径向均匀安装，将壳体内空间分若干份，每相邻两第一隔板之间顺中柱方向穿过第二隔板13安装有若干根膜管8，形成以每相邻两块第一隔板为边界的轴向分离通道，以及以每相邻两块第一隔板11、每相邻两块第二隔板13为边界的径向分离通道；沿中柱轴向的第一个通道至最后一个通道，相邻两通道首尾相通，第一个通道与壳体上设置的进液口相通，最后一个通道与壳体上设置的出液口12相通，每个轴向分离通道的膜管与壳体上设置的渗透液出口6相通。沿中柱轴向开设有与第一隔板安装边缘匹配的第一卡槽，壳体内壁上设置有与第一隔板对应的第二卡槽，第一隔板上设有与第二隔板安装边缘适配的第三卡槽，第一隔板以中柱轴向方向通过第一卡槽、第二卡槽安装在中柱和壳体内壁之间，第二隔板以中柱径向方向通过第三卡槽安装在中柱和壳体内壁之间。进液口和出液口设置在壳体上，渗透液出口设置在封头上。靠近柱筒10顶部、底部均依次设有适配的流道盖板17和流道外壁18，流道盖板上设有与进液口1的进液管适配的部分进液管孔，以及与出液口12的出液管适配的部分出液管孔；流道外壁对应位置设有与进液口1的进液管适配的部分进液管孔，以及与出液口12的出液管适配的部分出液管孔，流道
盖板的部分进液管孔与流道外壁上的部分进液管孔形成完成的进液管孔，流道盖板的部分出液管孔与流道外壁上的部分出液管孔形成完成的出液管孔。再进一步地，柱筒10顶部设有积液排除孔 15，用于排出积液。再进一步地，顶部流道盖板17上方的柱筒10上还设有第一通孔18，用于设备启动前排放残留的冷却液体，同理，底部流道盖板17上方的柱筒10上设有第一通孔18。
41.进一步地，如图7所示，壳体本体两端设置有与壳体截面形状匹配的花盘 5a、5b，花盘上设置有与第一隔板的端面匹配的卡槽，第一隔板长度小于壳体长度，沿中柱方向从第一块第一隔板至最末一块第一隔板，第一隔板的端面左右间隔地通过卡槽安装在两花盘上，即每块第一隔板仅有一端安装在花盘上，上一第一隔板若安装在左花盘上，下一第一隔板则安装在右花盘上，保障相邻来两个轴向分离通道之间是连通的。进一步地，沿中柱10径向开设有与第二隔板13安装边缘匹配的第四卡槽，壳体内壁上设置有与第二隔板13安装边缘匹配的第五卡槽，第二隔板13长度(扇形隔板的半径)小于壳体内壁到中柱10 的距离，第二隔板13间隔地安装于第四卡槽、第五卡槽上，即第一块第二隔板 13安装于第三卡槽、第四卡槽上，其相邻的第二隔板13安装于第三卡槽、第五卡槽上，保证相邻两个径向分离通道之间是连通的。原料流入的第一个轴向分离通道和原料流出的最后一个轴向分离通道间的第一隔板，其两端均安装在花盘上，且密封，是两通道完全分隔开。轴向分离通道中平行于膜管安装有若干拉杆7，拉杆表面设置有螺纹，拉杆与膜管间隔分布。拉杆和膜管两端均安装在花盘上，且平行于第一隔板固定安装。如图8所示，壳体本体两端设置有压板 4a、4b，花盘上设置有与拉杆和膜管均匹配的安装孔，拉杆和膜管两端通过安装孔固定在花盘上，压板与花盘背面贴合和压紧共同固定拉杆和膜管。膜管端部各设置一个外凸的o型圈，膜管穿过花盘，通过外凸的o型圈卡住，同时压板压紧在花盘的背面(不临壳体内空间的另一面)。花盘背面设置有与o型圈匹配的凹槽内，使平整的压板可紧密贴合在花盘背部。所有膜管远离渗透液出口的一端密封，另一端通过管路连通汇聚成同一管路，再与封头上的渗透液出口连通。渗透液出口再与渗透液储罐相连。
42.上述膜组件工作过程：
43.柱筒2为圆筒状，通过法兰盘3与两个封头分别连接，其中一个封头上安装有一个渗透液出口6，第一隔板11共有六块，第一隔板11将柱筒2分成了六个轴向分离通道，第二隔板13将柱筒2分成了三个轴向分离通道，第一隔板通过柱筒2和中柱10和花盘5a
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5b上的卡槽密封安装固定，第二隔板通过第一隔板上的卡槽、中柱10径向方向上的卡槽以及柱筒2内侧壁的卡槽安装固定，第一个轴向分离通道81的柱筒外壁上部安装有进液口1，从进液口1流入膜组件的原料从轴向分离通道81的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通道81的尾部，轴向分离通道81的尾部与轴向分离通道82的头部通过第一隔板11与花盘5a的间隙相互连通，于是原料又从轴向分离通道82的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通道82的尾部，轴向分离通道82的尾部与轴向分离通道83 的头部通过第一隔板11与花盘5b的间隙相互连通，于是原料又从轴向分离通道83的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通道83的尾部，轴向分离通道 83的尾部与轴向分离通道84的头部通过第一隔板11与花盘5a的间隙相互连通，于是原料又从轴向分离通道84的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通道84 的尾部，轴向分离通道84的尾部与轴向分离通道85的头部通过第一隔板11与花盘5b的间隙相互连通，于是原料又从轴向分离通道85的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通
道85的尾部，轴向分离通道85的尾部与轴向分离通道 86的头部通过第一隔板11与花盘5a的间隙相互连通，于是原料又从轴向分离通道86的头部经三个径向分离通道流向轴向分离通道86的尾部，第一隔板11 在轴向分离通道86尾部与轴向分离通道81头部间的这一端插入花盘5b的卡槽中并密封，完全隔开了轴向分离通道86和轴向分离通道81，使分离后的物料只能从轴向分离通道86的柱筒外壁上部安装的出液口12流出膜组件。
44.在第一隔板11分割得到的每个轴向分离通道，可根据分离计算要求，装填所需数量的膜管8和拉杆7，膜管8和拉杆7均安装固定于花盘5a、5b上。压板4b与花盘5b和密封件配合膜管8首端形成密封，压板4a与花盘5a和密封件配合膜管8尾端形成密封结构，上述首尾两端密封结构将管膜8的内、外进行隔离密封。膜管8外侧也即各膜管8之间流动的是原料侧，膜管8内部与封头上的渗透液出口6相连通形成渗透液侧。压板4b将所有膜管靠近压板4b侧的膜口完全密闭闭合，而压板4a只是密闭闭合膜管管头部位，所有管口开口均汇聚在一起，膜管管内透过的水分汇聚在一起从封头上的渗透液出口6流出膜组件。
45.该膜组件适用于管式膜等膜分离工艺过程，尤其适宜于渗透汽化、蒸汽渗透和气体分离等膜分离过程。
46.膜管8采用渗透汽化膜管后，在渗透液出口6一侧通过外接真空，在膜管8 内外两侧形成的压差作为推动力的条件下，渗透液组分被选择性地透过膜管8 外表面的膜分离层而进入到膜管8内侧，在真空的作用下进入冷凝器被冷凝成液体状态的渗透液组分，最后流入渗透液储罐。
47.在本实用新型提供的技术方案中，通过在柱筒2中设置第一隔板11，使得原料在膜组件中往返折回，增加其与膜管表面的接触时间。通过在中柱径向方向设置第二隔板，进一步增加了原料与膜管表面的接触时间，渗透液组分被分离更加彻底。通过在轴向分离通道81
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86中设置表面布满螺纹的拉杆，改善原料在膜组件中的流动模式，增强原料在膜组件中的湍流强度，充分保留了膜表面“错流式过滤”的特性，原料高速冲刷膜管8的表面，极大的破坏浓差极化带来的膜通量衰减问题，从而减少膜面积的数量需求，也减轻膜管8的污堵而减少膜组件清洗再生频率和延长膜管8的使用寿命。通过柱筒2中设置第一隔板11为平行于膜管8的方向安装固定，膜管固定于壳体本体两端的花盘上，不会因快速气流带来的扰动而挤压碰伤膜管，极大降低膜组件的生产成本。
48.实施例2
49.在该实施方式中，第一隔板与壳体的长度相等，沿中柱轴向方向从第一块第一隔板至最末一块第一隔板，第一隔板的轴向顶部与底部间隔地设有使渗透液通过的渗透孔14，即相邻的轴向分离通道经渗透孔14连通。进一步地，沿中柱10径向开设有与第二隔板13安装边缘匹配的第四卡槽，壳体内壁上设置有与第二隔板13安装边缘匹配的第五卡槽，第二隔板13长度(扇形隔板的半径) 小于壳体内壁到中柱10的距离，第二隔板13间隔地安装于第四卡槽、第五卡槽上，即第一块第二隔板13安装于第三卡槽、第四卡槽上，其相邻的第二隔板 13安装于第三卡槽、第五卡槽上，保证相邻两个径向分离通道之间是连通的，以此将流入膜组件的原料从轴向分离通道的头部流经三个径向分离通道向轴流向分离通道81的尾部，进一步增加了原料与膜管表面的接触时间，使渗透液组分被分离更加彻底。
50.实施例3
51.本实施例基于实施例1，该实施方式中，第一隔板11数量设置为2
‑
12的整数的任意
数，第二隔板数量13设置为2
‑
6的整数的任意数，中柱10、柱筒2、花盘5a
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5b、第一隔板上的卡槽随之调整，原料从进液口1流入膜组件，在膜组件中往返折回高速流动，从出液口12流出膜组件，渗透液组分通过渗透液出口 6收集进入渗透液储罐，实施结果同样达到预期。
52.实施例4
53.本实施例基于实施例1，该实施方式中，与实施例1不同之处：柱筒2的横截面是多边形，多边形的数目可以是3
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10之间的任意整数，其实际数量根据前期膜分离设计计算来确定，多边形的边长根据各轴向分离通道中需要的膜管8 的数量来确定，或完全相等或不完全相等，第一隔板数量设置随多边形的边的数量一致，中柱10和柱筒2和花盘5a
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5b上的卡槽随之调整，原料同样从进液口1流入膜组件，在膜组件中往返折回高速流动，从出液口12流出膜组件，渗透液组分通过渗透液出口6收集进入渗透液储罐，实施结果也同样达到预期。
54.实施例5
55.本实施例基于实施例1，该实施方式中，与实施例1不同之处：柱筒2的横截面是椭圆形，中柱10的横截面也设置为椭圆形或多边形，中柱10如果设置为多边形其实际边的数量根据前期膜分离设计计算来确定，第一隔板数量设置也根据前期膜分离设计计算来确定，中柱10和柱筒2和花盘5a
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5b上的卡槽随之调整，原料同样从进液口1流入膜组件，在膜组件中往返折回高速流动，从出液口12流出膜组件，渗透液组分通过渗透液出口6收集进入渗透液储罐，实施结果也同样达到预期。
56.以上具体实施方式是对本实用新型的详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替代，都应当视为属于本实用新型的保护范围。