一种有机管式膜接触器及其制造方法与流程

本发明涉及膜分离技术领域，更具体的涉及一种有机管式膜接触器及其制造方法。

背景技术：

在膜分离领域，膜蒸馏、膜吸收、膜萃取等膜分离过程得到越来越多的研究与应用。膜接触器是这些膜分离过程得以实现的核心元件，其利用微孔膜将两种流体分隔开并且流体间借助膜孔完成传质过程，通常是由聚丙烯（pp）、聚乙烯（pe）等疏水的中空纤维膜通过环氧树脂或胶黏剂与膜壳粘接制得。然而，pp、pe这些材料粘接性能较差，制得的膜接触器在有机溶剂或变温的工况下易开胶渗漏；同时这些中空纤维膜的直径大多小于1mm，管程内的流速低，传质阻力大，纤维直径分布不均匀时，还会产生流体停滞；另外，膜丝容易弯曲，之间容易相互搭接，使壳程的流体流速分布不均匀，并且传质面积减小；这些因素会导致膜接触器部分或大部分失效，降低膜接触器的效率以及使用稳定性，阻碍膜接触器的大规模应用。

因此，申请人将直径大、机械强度高的有机管式膜以一定间距焊接在孔板上，再将孔板与膜壳焊接或机械紧固连接制成接触器，以获得高效、稳定的膜接触器。然而，膜的多孔性使其具有特殊的焊接特性，依靠传统的重力流动、热风焊接、加热膨胀等方法都不能完成有机管式膜与孔板的焊接。膜在受热熔化时会向远离热源的方向发生严重的坍缩，并且随着继续受热，膜材料以及孔板融化转变为粘流态，而膜孔中未排出的气体会在膜壁或者焊接处膨胀数倍，最终形成大的空腔与间隙，导致焊接失败。因此，申请人提出一种主动下压式的热熔焊接方法，在短时间内提供足够高的焊接压力，并以间隙配合的方式放置管式膜、孔板以及其他接触部件，为膜坍缩释放的气体提供排出通道，同时降低操作难度，简化焊接设备。然而，还未见利用这种方法制造膜接触器的报道。

技术实现要素：

本发明提供了一种有机管式膜接触器的制作方法，其包括：

将有机管式膜插入同材质的孔板的内孔中，孔板的内孔直径大于管式膜外径，该直径差产生的间隙将为管式膜熔化坍缩产生的气体留出排气通道，同时方便操作。

将管式膜-孔板固定在焊接卡盘上，孔板的端面保持水平；保持管式膜的一端与孔板的端面平齐，在管式膜的另一端设置挡板进行限位，防止管式膜从孔板中脱落。

将导热能力低、使用温度高的ptfe或peek材质的隔热芯棒插入管式膜的内孔，且隔热芯棒与有机管式膜材质不同，隔热芯棒的插入段外径小于管式膜的内径，该直径差产生的间隙将为管式膜熔化坍缩产生的气体留出排气通道，同时方便操作，为防止隔热芯棒自行掉落，隔热芯棒的非插入段外径大于管式膜7的内径，同时隔热芯棒的非插入段外径小于多孔加热板的孔内径，该直径差产生的间隙将为管式膜熔化坍缩排出气体以及熔融物爬升提供通道。

在孔板的上方，将多孔加热板的端面调至水平，同时将多孔加热板的内孔与相对应的孔板上的内孔调整至同圆心，多孔加热板的孔内径大于孔板的孔内径，孔板的孔数量可以是数倍于多孔加热板的孔数量，且孔板的孔分布形式不限，满足与多孔加热板的内孔同心即可，因此可以利用孔数较少的多孔加热板孔板分多次完成大面积的管式膜-孔板焊接工作，避免产生大面积的热形变。

多孔加热板上同时设置有加热、风冷或液体冷却部件，进行加热、冷却以及恒温操作，将多孔加热板加热至材料熔融温度以上30-60℃后恒温，沿孔板端面的垂直方向向下移动多孔加热板，隔热芯棒的非插入段插入多孔加热的孔内，当多孔加热板的表面与孔板表面接触后，孔板表面的聚合物开始熔化，而此时的管式膜仅受到热辐射作用，不产生熔化、坍缩。

下压多孔加热板，孔板表面更多的聚合物熔化转变为粘流态，在挤压作用下向管式膜的外壁流动并将管式膜包围，与管式膜的外壁接触后，管式膜开始熔化并向远离受热的方向坍缩，坍缩后的膜材料包裹在隔热芯棒的插入段外壁，同时坍缩产生的气体由连通的间隙通道排出。

继续下压多孔加热板，孔板表面的粘流态聚合物与熔化的膜材料开始相互熔合，并在多孔加热板的内孔及隔热芯棒非插入段外壁的共同约束下，沿着隔热芯棒的轴向向上爬升，形成一定高度的环形聚合物熔合体，多孔加热板下压0.1-5mm或下压10-500s后，对多孔加热板停止加热并保持下压压力。

冷却多孔加热板以及孔板至聚合物固化温度以下，通过设置在多孔加热板上的风冷或者液体冷却部件进行强制制冷。

将多孔加热板与孔板分离脱模，移除隔热芯棒，重复步骤1-8焊接另一端面，完成管式膜-孔板的焊接并进行检测。

将检测合格的管式膜-孔板结构穿入支撑网筒内，支撑网筒内径与孔板外径相匹配，使用焊接或者卡扣紧固方式使二者连接。

将管式膜-孔板结构连带支撑网筒穿入壳程外壳，为操作方便，壳程外壳的内径稍大于支撑网筒的外径，孔板的侧壁与管程端盖的内壁的连接方式为热熔焊接或密封圈密封。

端盖的端面与壳程外壳的端面密封方式为焊接或法兰连接。

当组件长度较长时，需要加装折流板以改善内部流速分布，折流板与支撑网筒相连接，可使用焊接或者卡扣连接。

本发明还提供了一种有机管式膜接触器，采用上述方法制备。

本发明的有益效果包括：该制备方法能够在短时间内产生足够高焊接压力，并以间隙配合的方式放置管式膜、孔板以及其他接触部件，为膜受热与膜坍缩释放的气体提供排出通道，降低了操作难度，简化了焊接设备，从而获得了高效、稳定的有机管式膜接触器。

附图说明

图1为焊接法制作的管式膜接触器剖面图。

图2为管式膜-孔板焊接时的剖面图。

图3为管式膜-孔板焊接后的剖面图。

图4为多孔加热板与孔板。

附图标记：

其中1-管程进/出口2-壳程进/出口3-支撑网筒4-折流板5-壳程外壳6-孔板7-管式膜8-熔接层9-管程端盖10-隔热芯棒11-多孔加热板12-焊接熔合层。

具体实施方式

本发明的有机管式膜接触器的制造方法，包括：

选用外径2-16mm，壁厚0.2-4.0mm，孔径0.01-1μm，孔隙率25%-75%，材质为pp或pe或pvdf或ptfe的有机管式膜7，插入同材质的孔板6的内孔中，孔板6的内孔直径大于管式膜7外径，直径差值为0.1-2.0mm，此间隙将为管式膜熔化坍缩产生的气体留出排气通道，同时方便操作。

将管式膜-孔板固定在焊接卡盘上，孔板6的端面保持水平；保持管式膜7的一端与孔板6的端面平齐，并防止管式膜7从孔板6中脱落，需在管式膜7的另一端设置挡板进行限位。

将导热能力低、使用温度高的ptfe或peek材质的隔热芯棒10插入管式膜7的内孔，且隔热芯棒与有机管式膜材质不同。隔热芯棒10的插入段外径小于管式膜7的内径，直径差值为0.1-1.0mm，此间隙将为管式膜熔化坍缩产生的气体留出排气通道，同时方便操作。为防止隔热芯棒10自行掉落，隔热芯棒10的非插入段外径大于管式膜7的内径，直径差值为0.2-2.0mm；同时隔热芯棒10的非插入段外径小于多孔加热板11的孔内径，直径差值为0.4-4mm。此间隙将为管式膜熔化坍缩排出气体以及熔融物爬升提供通道。

在孔板6的上方，将多孔加热板11的端面调至水平，同时将多孔加热板11的内孔与相对应的孔板6上的内孔调整至同圆心。多孔加热板11的孔内径大于孔板6的孔内径，直径差值为0.2-4.0mm。孔板6的孔数量可以是数倍于多孔加热板的孔数量，且孔板6的孔分布形式不限，满足与多孔加热板11的内孔同心即可，因此可以利用孔数较少的多孔加热板孔板分多次完成大面积的管式膜-孔板焊接工作，避免产生大面积的热形变。

多孔加热板11上同时设置有加热、风冷或液体冷却部件，进行加热、冷却以及恒温操作，将多孔加热板11加热至材料熔融温度以上30-60℃后恒温，沿孔板6端面的垂直方向向下移动多孔加热板11，隔热芯棒10的非插入段插入多孔加热11的孔内。当多孔加热板11的表面与孔板6表面接触后，孔板6表面的聚合物开始熔化，而此时的管式膜7仅受到热辐射作用，不产生熔化、坍缩。

以0.01-0.50mm/s的速度下压多孔加热板11，孔板6表面更多的聚合物熔化转变为粘流态，在挤压作用下向管式膜7的外壁流动并将管式膜7包围、与管式膜7的外壁接触后，管式膜开始熔化并向远离受热的方向坍缩，坍缩后的膜材料包裹在隔热芯棒10的插入段外壁，同时坍缩产生的气体由连通的间隙通道排出。

继续下压多孔加热板11，孔板6表面的粘流态聚合物与熔化的膜材料开始相互熔合，并在多孔加热板11的内孔及隔热芯棒10非插入段外壁的共同约束下，沿着隔热芯棒10的轴向向上爬升，形成一定高度的环形聚合物熔合体，多孔加热板11下压0.1-5mm或下压10-500s后，对多孔加热板11停止加热并保持下压压力。

冷却多孔加热板11以及孔板6至聚合物固化温度以下30-50℃，通过设置在多孔加热板11上的风冷或者液体冷却部件进行强制制冷。

将多孔加热板11与孔板6分离脱模，移除隔热芯棒10，重复步骤1-8焊接另一端面，完成管式膜-孔板的焊接并进行检测。

将焊接合格的管式膜-孔板结构穿入支撑网筒3内，支撑网筒3的材质为pp或pe或pvdf或ptfe中的一种，支撑网筒3内径与孔板6外径相匹配，使用焊接或者卡扣紧固方式使二者连接。

将管式膜-孔板结构连带支撑网筒3穿入壳程外壳5，壳程外壳材质为pp或pe或pvdf或ptfe中的一种，为操作方便，壳程外壳5的内径稍大于支撑网筒3的外径，孔板6的侧壁与管程端盖9的内壁的连接方式为热熔焊接或密封圈密封。

端盖9的端面与壳程外壳5的端面密封方式为焊接或法兰连接。

当组件长度较长时，需要加装折流板4以改善内部流速分布。折流板4与支撑网筒3相连接，可使用焊接或者卡扣连接。

根据以上方法获得一种有机管式膜接触器。

实施例一

1.将37根外径为6.0mm，壁厚1.0mm，孔径0.1μm，孔隙率65%，长度500mm的pp管式膜7插入同材质的孔板6中，孔板6的内孔直径为6.1mm，厚度为15mm。

2.将步骤1得到的管式膜-孔板组合夹在焊接卡盘上，孔板6端面保持水平；在管式膜7的另一端设置挡板,保持管式膜7的一端与孔板6的端面平齐，并防止管式膜7从孔板6中脱落。

3.将ptfe材质的隔热芯棒10插入管式膜7的内孔，隔热芯棒10的插入段直径为3.8mm，高度为15mm，隔热芯棒10的非插入段直径为4.2mm，高度为15mm。

4.在孔板6上方，将多孔加热板11的端面调至水平，同时将多孔加热板11的内孔与相对应的孔板6上的内孔调整至同圆心。多孔加热板11的孔内径为6.4mm，孔数量、孔分布形态与孔板6的内孔一致，孔分布为等边三角形分布。

5.多孔加热板11上同时设置有加热、风冷部件。将多孔加热板11加热至230℃，并沿孔板6端面的垂直方向向下移动，隔热芯棒10的非插入段插入多孔加热板11的孔内，当多孔加热板11的表面与孔板6表面接触后，孔板6表面的聚合物开始熔化，此时的管式膜7仅受到热辐射作用，不产生熔化、坍缩。

6.以0.1mm/s的速度下压多孔加热板11，孔板6表面更多的聚合物熔化转变为粘流态，在挤压作用下向管式膜7的外壁流动并将管式膜7包围，与管式膜7的外壁接触后，管式膜开始熔化并向远离受热的方向坍缩，坍缩后的膜材料包裹在隔热芯棒10的插入段外壁，同时坍缩产生的气体由连通的间隙通道排出。

7.持续下压多孔加热板11，孔板6表面的粘流态聚合物与熔化的膜材料开始相互熔合，并在多孔加热板11的内孔及隔热芯棒10非插入段外壁的共同约束下，沿着隔热芯棒10的轴向向上爬升，形成一定高度的环形聚合物熔合体，停止加热并保持压力，此时多孔加热板11的下压高度为2mm，耗时20s。

8.通过设置在多孔加热板11上的风冷部件将多孔加热板11冷却至80℃以下。

9.将多孔加热板11与孔板6分离脱模，移除隔热芯棒10，重复步骤1-8焊接另一端面，完成管式膜-孔板焊接，进行检测。

10.将焊接合格的pp管式膜-孔板结构穿入pp材质的支撑网筒3内，使用热熔焊接方式使二者连接。

11.将管式膜-孔板结构连带支撑网筒3穿入pp材质的壳程外壳5，将孔板6的侧壁与pp材质的管程端盖9的内壁、pp壳程外壳5的端面同时进行热熔焊接，制得全焊接的pp管式膜接触器。

实施例二

1.将100根外径为5.0mm，壁厚0.8mm，孔径0.1μm，孔隙率65%，长度为900mm的pp管式膜7插入同材质的孔板6中，同时以300mm的间隔设置材质为pp的折流板4，折流板4的孔分布与孔板6一致，孔板6的内孔直径为5.1mm，厚度为15mm，折流板的内孔直径为5.1mm，厚度为2mm。

2.将步骤1得到的管式膜-孔板组合夹在焊接卡盘上，孔板6端面保持水平；在管式膜7的另一端设置挡板,保持管式膜7的一端与孔板6的端面平齐，并防止管式膜7从孔板6中脱落。

3.将ptfe材质的隔热芯棒10插入管式膜7的内孔，隔热芯棒10的插入段直径为3.2mm，高度为15mm，隔热芯棒10的非插入段直径为3.8mm，高度为15mm。

4.在孔板6上方，将多孔加热板11的端面调至水平，同时将多孔加热板11的内孔与相对应的孔板6上的内孔调整至同圆心。多孔加热板11的孔内径为5.4mm，孔数量为25，孔分布与孔板6的孔分布均为等间距正方形点阵形态。

5.多孔加热板11上同时设置有加热、风冷部件。将多孔加热板11加热至230℃，并沿孔板6端面的垂直方向向下移动，隔热芯棒10的非插入段插入多孔加热11的孔内，当多孔加热板11的表面与孔板6表面接触后，孔板6表面的聚合物开始熔化，此时的管式膜7仅受到热辐射作用，不产生熔化、坍缩。

6.以0.2mm/s的速度下压多孔加热板11，孔板6表面更多的聚合物熔化转变为粘流态，在挤压作用下向管式膜7的外壁流动并将管式膜7包围，与管式膜7的外壁接触后，管式膜开始熔化并向远离受热的方向坍缩，坍缩后的膜材料包裹在隔热芯棒10的插入段外壁，同时坍缩产生的气体由连通的间隙通道排出。

7.持续下压多孔加热板11，孔板6表面的粘流态聚合物与熔化的膜材料开始相互熔合，并在多孔加热板11的内孔及隔热芯棒10非插入段外壁的共同约束下，沿着隔热芯棒10的轴向向上爬升，形成一定高度的环形聚合物熔合体，停止加热并保持压力，此时多孔加热板11的下压高度为2mm，耗时10s。

8.通过设置在多孔加热板11上的风冷部件将多孔加热板11冷却至80℃以下。

9.将多孔加热板11与孔板6分离脱模，重复步骤1-8数次，完成该端面其余部分以及另一端面的焊接，进行测试。

10.将焊接合格的pp管式膜-孔板结构穿入pp材质的支撑网筒3内，将孔板6侧壁、折流板4侧壁与支撑网筒3内壁的接触部分进行热熔焊接。

11.步骤10得到的结构穿入pp材质的壳程外壳5，将孔板6的侧壁与pp材质的管程端盖9的内壁、pp壳程外壳5的端面同时进行热熔焊接，制得带有折流板的全焊接pp管式膜接触器。