旋转超声过滤结构和旋转超声过滤装置的制作方法

1.本实用新型涉及膜过滤技术领域，具体是涉及一种旋转超声过滤结构和旋转超声过滤装置。


背景技术：

2.横流过滤是液体流向与过滤膜相切的一种“错流过滤”形式，由于其高表面错流，提高了膜表面的剪切力，对膜表面有一定冲刷作用，可以使过滤过程始终在积累少量滤饼条件下工作，在一定程度上改善了膜分离过程中的浓差极化和膜污染，但随着过滤时间增加，受液体回流阻力等因素的影响，流体对膜表面产生的切向流速，随着时间推移不足把过滤膜表面的沉积层冲扫殆尽。随着膜分离方式相关理论与实验研究的深入，对横流过滤方式进行优化得到动态错流过滤，它是利用流体旋转产生的离心力、剪切力及料液的湍流作用，使料液对膜表面产生较高的切向流速度，从而抑制滤饼层的增长，能更加有效地消除膜表面污染、降低浓差极化，增加膜系统过滤的稳定性。
3.但在某些诸如生物制药、新型纳米材料制备、污水处理等领域中，存在物料的粘度较高、杂质含量高、固含量比较高等情况，这就极易造成膜过滤装置在较短的时间内达到污染水平，导致过滤效率下降、过滤稳定性变差、浓缩比较低等现象的发生。
4.现有技术中存在一种旋转式陶瓷膜过滤装置，通常采用规则的圆盘膜片来实现，该类膜片固定在中空旋转轴上。该方式比较方便圆膜片的机械固定和安装，但却会导致料液在流场内趋于有序而使得颗粒物在膜表面逐渐沉积，进而导致在分离过程中，膜片的抗污染能力下降，从而限制了该类旋转膜过滤系统的应用领域。


技术实现要素：

5.本实用新型的第一目的是提供一种能减少膜表面沉积物，提高过滤效率和稳定性的旋转超声过滤结构。
6.本实用新型的第二目的是提供一种包含上述旋转超声过滤结构的旋转过滤装置。
7.为了实现上述的第一目的，本实用新型提供的一种旋转超声过滤结构，包括容纳腔、旋转驱动单元和膜过滤单元，膜过滤单元设置在容纳腔内，旋转驱动单元设置在容纳腔外，旋转驱动单元驱动膜过滤单元旋转，膜过滤单元包括中空旋转轴和至少两个过滤膜，两个过滤膜均设置在中空旋转轴上，相邻两个过滤膜之间形成有错流通道，过滤膜内设置有产水通道，中空旋转轴内设置有渗液通道，产水通道与渗液通道连通，容纳腔内还设置有超声波单元，超声波单元包括超声波发射器，超声波发射器设置在错流通道内，超声波发射器能向过滤膜方向发射超声波。
8.由上述方案可见，通过在错流通道内设置超声波发射器，超声波发射器能向过滤膜发射超声波，超声波能使容纳腔内的无序湍流变得更加无序，从而有效减少过滤膜表面颗粒物的沉积，延缓过滤膜表面污染，提高过滤膜过滤效率和稳定性；本实用新型能更好地适应高浓度、高固含、高粘度特性的物料环境，极大地提高过滤膜的分离过滤效率和性能。
9.进一步的方案是，超声波发射器设为杆状，超声波发射器固定设置相邻两个过滤膜之间，过滤膜能相对超声波发射器旋转。
10.由上述方案可见，通过设置杆状结构的超声波发射器，当中空旋转轴带动过滤膜相对超声波发射器旋转时，超声波发射器起到扰流杆作用，有利于增加流体流动及湍流扰动。
11.进一步的方案是，错流通道在远离中空旋转轴的一端设置有开口，超声波发射器从过滤膜的向外一侧穿过开口向过滤膜的向内一侧延伸。
12.由上述方案可见，通过设置开口，方便超声波发射器进入错流通道内，并且当过滤膜旋转时，过滤膜也不会与超声波发射器发生碰撞；超声波发射器的长度最大可能地辐射过滤膜的整个产水通道，以确保超声波能有效作用于过滤膜表面的过滤孔，以快速扫掠沉积物。
13.进一步的方案是，过滤膜设置有多个，多个过滤膜上下间隔设置；超声波发射器设置有多个，超声波发射器设置在相邻两个过滤膜之间。
14.由上述方案可见，通过设置多个过滤膜和多个超声波发射器，有利于形成多个错流通道和多个湍流场，多个湍流场相互配合以形成一体积大、强度高的无序湍流场，有利于提高液体的过滤效率。
15.进一步的方案是，超声波单元还包括安装座，安装座设置在容纳腔的内壁上，多个超声波发射器的各自固定端均连接在安装座上，在中空旋转轴的轴向上，多个超声波发射器上下对应设置，或者多个超声波发射器错位设置。
16.进一步的方案是，所有过滤膜均平行设置，超声波发射器与过滤膜平行布置。
17.由上述方案可见，通过平行设置，有利于减小旋转阻力，方便过滤膜旋转。
18.进一步的方案是，过滤膜设为圆盘结构或碟片结构，过滤膜为陶瓷膜、pvdf膜、金属膜或ipuf软片膜。
19.为了实现上述的第二目的，本实用新型提供的一种旋转超声过滤装置，包括安装支架、分离罐和上述的旋转超声过滤结构，分离罐设置在安装支架上，旋转超声过滤结构的膜过滤单元设置在分离罐内，旋转超声过滤结构的旋转驱动单元设置在分离罐外，所述旋转超声过滤结构的超声波单元设置在所述分离罐的内壁上，分离罐内的过滤流体在旋转过程中发生无序湍流。
20.由上述方案可见，在膜过滤单元的旋转作用下，会在分离罐内形成无序湍流，设置超声波发射器一方面通过发射超声波，以加强湍流的无序度，另一方面超声波能扫掠过滤膜表面，以减小或清除其表面的沉积物，提高过滤膜的过滤效率和延长其有效使用时间。
21.进一步的方案是，膜过滤单元的中空旋转轴的一端穿出分离罐之外，中空旋转轴在穿出分离罐的一端连通地设置有渗透液出口，渗透液出口与中空旋转轴的渗液通道连通。
22.进一步的方案是，分离罐的下部设置有进液管和排污管，分离罐的上部设置有排液管，进液管和排污管以及分离罐的上部均设置有压力检测器。
附图说明
23.图1是本实用新型旋转超声过滤装置实施例的结构图。
24.图2是本实用新型旋转超声过滤装置实施例中旋转超声过滤结构的剖视图。
25.图3是本实用新型旋转超声过滤装置实施例中膜过滤单元的剖视图。
26.图4是本实用新型旋转超声过滤装置实施例中超声波单元的结构图。
27.以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
具体实施方式
28.参见图1至图4，本实施例提供的旋转超声过滤装置，包括安装支架1、分离罐2和旋转超声过滤结构，分离罐2设置在安装支架1上，分离罐2内部设置有容纳腔。旋转超声过滤结构包括旋转驱动单元31、膜过滤单元32和超声波单元33，膜过滤单元32和超声波单元33均设置在容纳腔内，旋转驱动单元31设置在分离罐2下部外侧并吊装在安装支架1上，超声波单元33固定设置在分离罐2的内壁上，旋转驱动单元31能驱动膜过滤单元32在分离罐2内相对超声波单元33旋转。膜过滤单元32在旋转过程中，会使得容纳腔内的过滤流体产生无序湍流，超声波单元33的设置能增加无序湍流的无序度，起到增加流体流动及湍流扰动的作用。
29.结合图2和图3，膜过滤单元32包括中空旋转轴321和多个过滤膜322，中空旋转轴321的上部设置在分离罐2内，中空旋转轴321的下部穿出分离罐2之外，中空旋转轴321与分离罐2之间通过机械密封组件密封连接，机械密封组件为本领域的标准配件，在此不再赘述。旋转驱动单元31包括驱动电机和减速器，驱动电机优选为异步电机，驱动电机的驱动轴与减速器连接，减速器采用平行轴式减速器，减速器通过空心轴锁紧装置与中空旋转轴321的下部连接。中空旋转轴321的内部设置有渗液通道，中空旋转轴321在穿出分离罐2的一端设置有渗透液出口3211，渗透液出口3211与渗液通道连通。
30.多个过滤膜322分成数量相等的两组或三组，各组间隔均匀地设置在中空旋转轴321上。本实施例以设置两组、每组六个过滤膜322为例，过滤膜322的延伸方向垂直于中空旋转轴321的轴向，同一组内的六个过滤膜322上下间隔均匀地设置并通过叠压板323固定，最下层和最上层的过滤膜322分别通过下限位板324和上限位板325紧固，过滤膜322与下限位板324、上限位板325及叠压板323之间均密封设置。本实施例的膜过滤单元32采用模块化设计，可单独更换过滤膜322，灵活性高。
31.所有过滤膜322均平行设置，上下相邻两个过滤膜322之间形成有错流通道326，错流通道326与分离罐2的容纳腔连通，便于过滤流体进出错流通道326。过滤膜322表面设置有过滤孔，过滤膜322内设置有产水通道3221，过滤孔通过产水通道3221及渗液通道与渗透液出口3211连通。膜过滤单元32在旋转驱动单元31带动下旋转，可形成与过滤方向不一致的无序湍流现象，能避免膜表面颗粒物的沉积，以降低膜污染。
32.结合图3和图4，超声波单元33包括安装座331和多个超声波发射器332，安装座331设置在分离罐2的内壁上并沿分离罐2的高度方向延伸，多个超声波发射器332平行地设置在安装座331上。具体地，多个超声波发射器332的各自固定端连接在安装座331上，多个超声波发射器332的各自自由端向中空旋转轴321延伸。在中空旋转轴321的轴向上，多个超声波发射器332上下对应设置，或者多个超声波发射器332错位设置。本实施例的超声波发射器可以为超声换能器或超声波振子。
33.超声波发射器332的数量优选比一组内的过滤膜322的数量少一个，本实施例设为
五个，五个超声波发射器332分别设置在对应的错流通道326内，超声波发射器332能向过滤膜322方向发射超声波。具体地，错流通道326除了与中空旋转轴321连接处之外的其它部分均与分离罐2内部连通，特别地，错流通道326在远离中空旋转轴321的一端设置有开口。超声波发射器332设为杆状，超声波发射器332从过滤膜322的向外一侧穿过开口向过滤膜322的向内一侧延伸，优选地，超声波发射器332的自由端尽可能地靠近中空旋转轴321，使得超声波发射器332能最大可能地辐射过滤膜322的整个产水通道3221，以保证超声波能作用较大面积的过滤膜322。超声波发射器332固定地设置在相邻两个过滤膜322之间，优选地，超声波发射器332到上下两侧的过滤膜322的距离相等。超声波发射器332与过滤膜322平行布置，有利于方便膜过滤单元32的旋转。
34.本实施例的超声波发射器332固定设置在错流通道326内，过滤膜322能相对超声波发射器332旋转，超声波发射器332能向上下两侧的过滤膜322发射超声波，超声波作用于流体时可产生大量小气泡，小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭，形成局部的湍流环境，在离心力、剪切力的配合作用下，并利用超声波的空化作用，在错流通道326内形成多个方向力，能有效冲刷过滤膜322表面，以有效破坏过滤膜322表面的沉积层，减弱浓差极化现象，减小膜污染程度，使过滤操作能够保持连续、稳定，使之更适合高粘度、高固含物料体系的过滤分离。杆状的超声波发射器332自身还可起到扰流杆的作用。流体在分离罐2内跟随中空旋转轴321转动时，流体慢慢地与过滤膜322作平行运动，对过滤膜322的剪切力就会减小，过滤效率会降低。这时，需要扰流杆打乱流体的运动方向，增大剪切力，以加强流体的湍流强度，进一步增加分离罐2内无序湍流的无序度。
35.过滤膜322设为圆盘结构或碟片结构，盘式过滤膜具有结构稳定、旋转速度快且分离效果好的优点。过滤膜322主要是采用a12o3、zro2、ti02和si02等无机材料制备的多孔膜，其孔径为0.01μm至50μm，可适应300-1000rpm等较高旋转速度的运行环境。过滤膜322可为中空陶瓷膜、pvdf膜、金属膜或软片膜，其中金属膜和软片膜适用于较低旋转速度的运行环境。pvdf膜即聚偏二氟乙烯膜，是蛋白质印迹法中常用的一种固相支持物。软片膜优选为市面上销售的ipuf软片膜。
36.结合图1和图2，分离罐2包括罐体21和上盖22，上盖22设置有压固螺栓(图中未示出)，上盖22通过压固螺栓与罐体21紧固连接，上盖22与罐体21上部之间通过密封圈密封连接。上盖22顶部设置有排液管221，排液管221与罐体21内部连通，排液管221还兼具排气作用。罐体21在其底部设置有进液管211和排污管212，进液管211和排污管212分别设置在分离罐2的左右两侧，进液管211与排液管221优选对角设置。分离罐2的进液管211连接有输液泵，通过输液泵向分离罐2内输送料液，渗透液进入过滤膜322内部并经渗透液通道从渗透液出口3211导出，被截流的浓液留在过滤膜322外面，通过出液口排出。
37.本实施例中，进液管211、排污管212及上盖22上均设置有压力检测器。
38.本实施例还可设置调速单元，通过调整膜过滤单元32的旋转速度，以满足针对物料不同的粘度、固含等特性进行处理，并可对不同程度污水进行处理，适用范围广。
39.本实施例的装置结构紧凑、外观尺寸小，且生产成本较低，可适用多数生产企业或污水处理企业，满足对不同类别物料或污水的处理，具有明显可观的经济效益。
40.工作过程：驱动电机通过减速器驱动中空旋转轴321旋转，进而带动所有过滤膜322旋转，分离罐2的进液管211安装有输液泵，输液泵向罐体21内输送料液，浓液通过排液
管221排出，由于输液泵或渗滤液负压抽吸泵引起罐体21内外压差，进而将过滤渗滤液穿过过滤膜322的滤孔压入产水通道3221和中空旋转轴321内部，最终经渗透液出口3211导出。期间，开启超声波单元33，利用超声波振动功能，加强湍流的无序度，促进罐体21内料液的充分无序湍流，减弱过滤膜322表面污染，确保过滤膜322的过滤效率。
41.综上可见，本实用新型通过在错流通道内设置超声波发射器，超声波发射器能向过滤膜发射超声波，超声波能使容纳腔内的无序湍流变得更加无序，从而有效减少过滤膜表面颗粒物的沉积，延缓过滤膜表面污染，提高过滤膜过滤效率和稳定性；本实用新型能更好地适应高浓度、高固含、高粘度特性的物料环境，极大地提高过滤膜的分离过滤效率和性能。
42.最后需要强调的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种变化和更改，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。