一种中空纤维膜的凝固设备和凝固方法与流程

本发明涉及一种中空纤维膜的凝固设备和凝固方法。

背景技术：

中空纤维膜是目前应用最广泛的分离膜类型之一，在工业污水处理、市政污水处理、海水淡化、饮用水、食品和医药等行业应用的规模在逐步扩大。中空纤维膜根据孔径大小分为微滤和超滤。中空纤维膜产品市场近年来呈逐年上升的趋势，仅是超滤膜在全球的市场在2021年预计将达到46亿美元。国内外已有众多公司进行各种中空纤维分离膜材料的生产。中空纤维膜主要制备方法是相转化法，包括浸没沉淀法(nips)和热致相分离(tips)法。nips法是目前工业膜组件中采用的最多的方法，生产过程中使用大量水溶性有机溶剂来溶解聚合物，在成型过程中利用水来清洗去除膜中的有机溶剂，并且常用含溶剂水溶液作为芯液，因而产生了大量的含有机溶剂的污水，带来环保压力。而tips法制备中空纤维膜的过程中往往难以采用水溶性溶剂，因而需要使用有机液体作为凝固浴和芯液，凝固浴一般采用水槽，纺制的膜丝经过一段空气浴后垂直进入凝固浴一定深度，初步凝固后通过导丝轮折返，在凝固浴中再经过一段时间进一步固化后收丝。在凝固的过程中若垂直进入凝固浴深度不够则会初步凝固不足，通过导丝轮折返时膜丝会受力变形，如果凝固浴过深就需要使用大量有机液体，也不便于操作。另外一方面，如果采用气体作为芯液，膜丝在空气浴和凝固浴中受到的压力区别较大，尤其是膜丝内部为气体，外部为液体状态垂直进入凝固浴一定深度，膜丝还未固化时受到液体压力随着深度加深而增大，容易造成芯液气体鼓泡，严重影响膜丝的均匀性，如果膜丝不垂直进入凝固浴，仅在凝固浴表面进行固化，则与凝固浴接触面和与空气接触面冷却速率存在较大差异，造成膜丝形状不规则，影响中空纤维膜性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种中空纤维膜的凝固设备，通过对传统的凝固设备进行改进，增加了冷却装置，可实现对膜的快速凝固，并且膜在凝固时受压力小。该设备简单易操作，省去液体芯液的使用，减少萃取剂用量的同时降低萃取剂回收利用难度，进一步降低生产成本，特别适用于气体芯液，解决了使用气体芯液难以控制膜丝均匀性的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种中空纤维膜的凝固设备，包括冷却装置、凝固浴装置、循环装置和循环管道，冷却装置包括冷却容器和位于冷却容器内的中央通道，冷却装置位于凝固浴装置上方，循环管道的入口与凝固浴装置相连，循环管道的出口与冷却容器相连，循环装置用于将凝固浴装置中的冷却介质输送至冷却装置中，所述中央通道为两端开口的中空结构并纵向穿过所述冷却容器的底，中央通道的上端面低于冷却容器的上端面，从而使冷却容器中的冷却介质通过溢流进入中央通道然后返回凝固浴装置。

本发明中，循环装置将凝固浴装置中的冷却介质输送至冷却装置，冷却介质进入冷却装置中的冷却容器与中央通道之间的空腔内，由于中央通道的上端面低于冷却容器的上端面，当冷却容器中的冷却介质上升至中央通道的上端面时，冷却介质通过溢流进入中央通道，然后返回至凝固浴装置中。

根据本发明的优选实施方式，所述中央通道包括一体连接的第一通道和第二通道，第一通道位于第二通道的下方，第一通道为圆管状通道，第二通道由下到上直径逐渐增大。

根据本发明的优选实施方式，所述冷却容器为敞口容器。

根据本发明的优选实施方式，第二通道的轴向截面的侧边线呈弧形。

根据本发明的优选实施方式，所述第一通道的内径不小于2mm，优选在5mm以上。所述尺寸的第一通道能够保证膜丝从上往下穿过中央通道，如果第一通道的内径过小则膜丝难以穿过，并且在凝固介质循环时在通道内容易形成湍流，影响膜丝通过时的稳定性。

根据本发明的优选实施方式，所述第二通道的最大处的内径为50-300mm，优选100-250mm。

根据本发明的优选实施方式，所述中央通道的高度为5-2000mm，优选10-1500mm。

根据本发明的优选实施方式，中央通道的材料的选择使得冷却介质对中央通道材料的接触角小于120°，优选小于110°；所述中央通道的材料选自耐有机液体的金属或树脂材料。例如，所述中央通道的材料优选选自不锈钢、尼龙、聚丙烯、聚乙烯和聚四氟乙烯中的一种或多种。如果冷却介质对中央通道材料的接触角过大，不利于凝固介质均匀溢流从上到下通过中央通道。如，冷却介质为大豆油，中央通道的材料可以选用聚四氟乙烯；冷却介质为水，中央通道的材料可以选用不锈钢。

根据本发明的优选实施方式，所述循环装置包括循环泵和流量计，优选循环泵为齿轮计量泵，循环泵的流量范围优选为10-1000ml/min。

根据本发明的优选实施方式，所述凝固浴装置包括凝固浴槽和温度控制装置。所述凝固浴装置中盛装冷却介质，温度控制装置控制凝固浴槽中冷却介质的温度，优选地，冷却介质的温度范围为-15℃-95℃。

根据本发明的另一方面，还提供了中空纤维膜的凝固方法，使用前面所述的设备，制备中空纤维膜时膜丝从喷丝头出丝孔流出，经过5-300mm的空气浴进入中央通道，膜丝与溢流进入中央通道的冷却介质接触进行初凝固，从中央通道流出的膜丝与冷却介质一起进入凝固浴装置进行进一步凝固。

根据本发明的优选实施方式，所述冷却装置位于喷丝头的正下方，膜丝从喷丝头中流出，经过空气浴后垂直进入冷却装置，从上而下穿过中央通道再进入凝固浴装置，之后膜丝在冷却介质表面通过一段距离后完成固化进入后续处理装置，如收丝装置或萃取装置。

根据本发明的优选实施方式，所述冷却介质的温度在-15℃-95℃，优选-10-60℃。可以用于本申请的冷却介质可以举例为水、液体石蜡、豆油、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛脂、二苯醚、棕榈蜡、牛脂胺、乙酰柠檬酸三丁酯、三乙酸甘油酯、二乙酸甘油酯、柠檬酸三丁酯、碳酸丙烯酯、己二酸二辛酯、己二酸二异辛酯、蓖麻油、碳酸二苯酯、丙三醇、二苯甲酮、聚乙二醇和1,2-丙二醇中的一种或者多种。

本发明具有如下有益效果：

本发明采用冷却装置来对中空纤维膜进行初步固化，固化过程中膜丝受到的压力小，易于定型，保持膜的均匀性。

膜丝在固化过程中无需深度浸没于凝固浴槽，阻力小，方便操作，可以节省凝固介质和芯液用量，减小凝固浴槽体积，同时提高膜丝在萃取过程中的效率，降低有机原料消耗，减少废液排放，进一步降低生产成本，尤其适用于气体芯液纺丝。

本发明提供的设备对中空纤维膜的生产技术的提高有显著影响，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的中空纤维膜的凝固设备的示意图；

其中，1冷却容器，2第一通道，3第二通道，4凝固浴槽，5温度控制装置，6循环泵，7流量计，8循环管道。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明并不受下述实施例限定。

实施例1

如图1所示，一种中空纤维膜的凝固设备，包括冷却装置、凝固浴装置、循环装置和循环管道，冷却装置包括冷却容器和位于冷却容器内的中央通道，冷却装置位于凝固浴装置上方，循环管道的入口与凝固浴装置相连，循环管道的出口与冷却容器相连，循环装置用于将凝固浴装置中的冷却介质输送至冷却装置中，所述中央通道为两端开口的中空结构并纵向穿过所述冷却容器的底，中央通道的上端面低于冷却容器的上端面，也即冷却容器的高h2大于中央通道相对冷却容器的底的高度h1，从而使冷却容器中的冷却介质通过溢流进入中央通道然后返回凝固浴装置。

所述冷却容器为敞口容器，高h2为200mm。

所述中央通道包括一体连接的第一通道和第二通道，第一通道位于第二通道的下方，第一通道为圆管状通道，直径d1为5mm，第二通道由下到上直径逐渐增大，即d2大于d1，第二通道的最大的直径d2为250mm，第二通道的最小直径即为第一通道的直径，第二通道的轴向截面的侧边线呈弧形。

第一通道的高为500mm，第二通道的高为300mm。

所述中央通道的材料为不锈钢，冷却介质为水。

所述循环装置包括循环泵和流量计，所述循环泵为齿轮计量泵，循环泵的流量范围优选为10-1000ml/min。

所述凝固浴装置包括凝固浴槽和温度控制装置。所述凝固浴装置中盛装冷却介质，温度控制装置控制凝固浴槽中冷却介质的温度，冷却介质的温度范围为-15℃-95℃。

实施例2

一种中空纤维膜的凝固方法，使用实施例1中的设备，在实施例1中的设备中，凝固浴槽中充满冷却介质，冷却介质通过循环装置输送到冷却装置中，冷却介质进入冷却容器与中央通道之间的空腔内，当冷却装置中冷却介质的液面超过中央通道的上端面时，冷却介质溢流进入中央通道，然后流入凝固浴槽。

在制备中空纤维膜的过程中，膜丝从喷丝头出丝孔流出，经过5mm的空气浴垂直进入位于喷丝头正下方的中央通道，膜丝与溢流进入中央通道的冷却介质接触进行初凝固，从中央通道流出的膜丝与冷却介质一起进入凝固浴装置，之后膜丝在冷却介质表面通过一段距离后完成固化进入后续处理装置，如收丝装置和/或萃取装置。所述冷却介质为水，冷却介质的温度为-45℃。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。