过滤膜连续过滤过程监测装置及过滤过程监测方法与流程

1.本发明涉及反应器装置技术领域，尤其涉及一种过滤膜连续过滤过程监测装置及过滤过程监测方法。


背景技术：

2.膜反应器包括膜生物反应器、膜化学反应器等。城市和工业污水处理和回收利用是膜生物反应器的重要应用之一。而膜化学反应器主要是将膜组件和化学反应器结合，包括内置式和外置式两种。相较于外置膜反应器，内置膜反应器将反应物反应和产物分离耦合在一个单元过程，能够实现催化剂与产物的原位分离，减少催化剂在运送过程中的损失，提高催化剂的使用寿命；同时减少单元操作流程，减少占地面积，能够有效实现连续化生产。目前，在多相催化领域，膜反应器在加氢和氧化等体系中已经实现规模化应用。搅拌膜反应器将膜组件内置在传统搅拌反应器中，由于存在的膜污染和产品分离等问题，尚未得到大规模工业应用。
3.制约膜反应器设计放大至规模化应用的关键问题之一是膜污染。膜污染按污染介质的性质分类可以分为生物污染、有机污染和无机污染。对于搅拌膜反应器，膜污染主要是无机污染，体现在催化剂颗粒堵塞膜孔，在膜表面堆积逐渐形成滤饼层，其颗粒堆积程度主要受到反应体系性质、搅拌槽内流体动力学以及膜本身渗透的影响。一方面膜污染降低了膜渗透通量，需要提供更高的跨膜压差，不利于膜组件过滤性能的稳定；另一方面催化剂如果过多地堆积在膜表面，会大量减少催化剂与反应物的实际接触面积，降低催化剂的整体催化性能。因此开展搅拌膜反应器中膜污染研究对工业设计和放大有参考意义。
4.目前，对于内置膜搅拌反应器中膜分离性能的研究主要集中于针对具体的化学反应过程，考察搅拌速度、反应物性质以及进料速度、温度压力等操作条件对膜污染的影响，主要有恒压过滤和恒流过滤两种实验方法。qiu等在“modeling and simulation of hydrodynamics and filtration in a membrane-assisted stirred slurry reactor”(chemical engineering&technology,2021,44,1548
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1557)一文中采用恒压过滤，利用真空泵抽真空以及缓冲瓶稳压的方法进行，采用人为定期补料控制搅拌槽内部液面平齐，不能自动连续循环操作；且搅拌槽非密闭，不能控制内部液面平稳以及避免外部气体吸入。jiang等在“one-step continuous phenol synthesis technology via selective hydroxylation of benzene over ultrafine ts-1in a submerged ceramic membrane reactor”(chinese journal ofchemical engineering,2014,22,1199
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1207)一文中采用恒流过滤，利用蠕动泵控制出口流量，并结合量筒测量出口流量。这种方法操作繁琐，不能实时自动监测流量；另外连接管道及膜管后蠕动泵的运行不能标定恒定流量，因此无法严格地进行恒流操作。
5.对于非搅拌浸没式过滤系统，如us20050082227a1公开的一种用于水处理的半连续浸没式膜过滤方法、us20050115900a1公开的一种包含循环曝气装置的浸没式过滤装置，主要针对水处理和膜组件的清洗。而针对错流系统中的膜过滤实验方法和装置，如
cn103619450a公开的一种逐级水处理的错流过滤方法、cn101622057a公开的一种外置式错流膜过滤方法、cn111530293公开的一种连续增压的错流膜过滤装置和方法、ep0600825a1公开的一种用于水处理的可维持进出水流量平衡的过滤系统，操作复杂，应用对象有限，仅适用于错流过滤系统，不适用于内置搅拌膜反应-分离耦合系统。
6.因此，对于内置膜搅拌反应器中膜组件表面的污染情况，需要一种稳定简易操作的实验方法，能够进行大量实验分析膜表面的颗粒堆积情况，从而抑制膜污染，减少膜清洗次数，延长膜组件和反应器的使用寿命，提高反应-分离耦合体系的生产效率。


技术实现要素：

7.本发明的一个目的在于提供一种过滤膜连续过滤过程监测装置，该搅拌膜反应器稳定简易操作的实验方法，能够进行大量实验分析膜表面的颗粒堆积情况。
8.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种过滤膜连续过滤过程监测装置，包括：
10.搅拌槽，所述搅拌槽上设有物料进口和物料出口，所述搅拌槽内设置有过滤膜；
11.连通管，所述连通管连接在所述物料出口与所述物料进口之间，所述连通管上次设置有蠕动泵，所述蠕动泵的上游设置有真空泵，所述真空泵通过一级缓冲瓶和二级缓冲瓶与所述连通管连通，所述二级缓冲瓶的上游设置有压力表和流量计，所述压力表用于监测所述物料出口处的压力，所述流量计用于测量所述过滤膜的渗透通量的变化，所述搅拌槽内的固液混合物料在所述真空泵的抽吸作用下，经所述过滤膜过滤形成渗透液，所述渗透液从所述物料出口流向所述连通管并进入所述二级缓冲瓶中，再由所述蠕动泵将所述渗透液从所述二级缓冲瓶中泵送至所述物料进口，进而回流至所述搅拌槽内。
12.可选地，所述搅拌槽包括槽体和槽盖，所述槽盖和所述槽体密封连接。
13.可选地，所述物料进口和所述物料出口设置在所述槽盖上。
14.可选地，所述搅拌槽内设置有搅拌桨，所述搅拌槽外设置有搅拌电机，所述搅拌桨通过搅拌轴连接于所述搅拌电机。
15.本发明的另一个目的在于提供一种过滤过程监测方法，该监测方法操作简单易行，实验结果直观，测量成本低。
16.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
17.一种过滤过程监测方法，采用上述的过滤膜连续过滤过程监测装置，所述过滤过程监测方法包括以下步骤：
18.s1、将去离子水加入所述搅拌槽中，过滤过程的超过第一时刻后，测量所述过滤膜纯水渗透通量；
19.s2、向所述搅拌槽内加入固体颗粒；
20.s3、开启所述真空泵，由所述压力表监测压力，通过所述过滤膜连续过滤过程监测装置的一级缓冲瓶和二级缓冲瓶控制所述物料出口处真空压力恒定，由所述流量计测量所述过滤膜渗透通量的变化；
21.s4、当所述过滤膜渗透通量的变化下降到预设值以下，认为过滤过程达到拟稳态状态，停止过滤并记录总运行时间；
22.s5、拍摄所述过滤膜表面堆积的饼层，刮下所述过滤膜表面的饼层，烘干后称重；
23.s6、测量所述过滤膜气体渗透通量。
24.可选地，所述第一时刻为30min。
25.可选地，所述固体颗粒为硅微粉。
26.可选地，所述预设值为2ml/h。
27.有益效果：
28.(1)本发明提供的过滤膜连续过滤过程监测装置设置有压力表和流量计，可实现过滤通量和压力的实时监测和记录，准确控制实验条件，避免了传统的量筒和天平的测量装置在反应灵敏度和测量频率方面的局限性。
29.(2)本发明提供的过滤膜连续过滤过程监测装置采用真空泵、一级缓冲瓶、二级缓冲瓶以及蠕动泵，可调压范围广，能够自动循环，维持反应器内部液面不变，操作稳定。避免了一般采用蠕动泵进行恒流过滤的缺点，如由于膜阻力造成的蠕动泵流量损失导致的无法真正恒流且提供的真空压范围较窄。
30.(3)本发明提供的过滤膜连续过滤过程监测装置结构简单，测量成本低。测量过程操作简单且循环运行稳定，节省人力，数据处理高效，测量膜污染的表征简单直观且全面。
附图说明
31.图1是本发明提供的过滤膜连续过滤过程监测装置的结构示意图；
32.图2是本发明提供的反应器的结构示意图；
33.图3是本发明提供的过滤膜渗透通量随时间变化情况的示意图。
34.图中：
35.1、反应器；2、搅拌电机；3、搅拌轴；4、搅拌桨；5、管状外式膜；6、搅拌槽；7、物料出口；8、物料进口；9、压力表；10、流量计；11、计算机；12、真空泵；13、一级缓冲瓶；14、二级缓冲瓶；15、蠕动泵。
具体实施方式
36.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“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。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
38.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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发明中的具体含义。
39.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
40.参见图1和图2，本实施例提供一种过滤膜连续过滤过程监测装置，包括搅拌槽6和连通管。搅拌槽6上设有物料进口8和物料出口7，搅拌槽6内设置有过滤膜。连通管连接在物料出口7与物料进口8之间，连通管上设置有蠕动泵15，蠕动泵15的上游设置有真空泵12，真空泵12通过一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14与连通管连通，二级缓冲瓶14的上游设置有压力表9和流量计10，压力表9用于监测物料出口7处的压力，流量计10用于测量过滤膜的渗透通量的变化，搅拌槽6内的固液混合物料在真空泵12的抽吸作用下，经过滤膜过滤形成渗透液，渗透液从物料出口7流向连通管并进入二级缓冲瓶14中，再由蠕动泵15将渗透液从二级缓冲瓶14中泵送至物料进口8，进而回流至搅拌槽6内。
41.上述过滤膜连续过滤过程监测装置通过设置流量计10实现过滤膜渗透通量和物料出口7压力的实时监测和记录，当渗透通量低于预设值时，可停止过滤过程。通过设置压力表9实现物料出口7压力的实时监测和记录，根据压力表9示数调节真空泵12的抽吸压力，保证整个过滤过程为一个稳定恒压的过程，从而能够准确控制实验条件。一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14的设置增加了抽吸压力的调节范围。通过蠕动泵15使物料自动循环，蠕动泵15的设置能够维持搅拌槽6内部液面不变，从而维持管式膜进口压力恒定，另一方面，能够模拟实际反应体系中定期进料或部分产物的循环过程。该监测装置适用于化工、冶金、环境等领域，可用于固液等多相体系，装置结构简单，测量成本低，装置运行稳定，节省人力。
42.进一步地，搅拌槽6为透明的圆柱型槽，能够直观地观察不同操作条件下过滤膜表面颗粒堆积的情况。搅拌槽6内设置有搅拌桨4，搅拌槽6外设置有搅拌电机2，搅拌桨4通过搅拌轴3连接于搅拌电机2，可选地，搅拌轴3沿搅拌槽6中轴线设置，搅拌桨4在搅拌电机2的驱动下旋转，从而促进固液混合，促进反应的进行。可选地，搅拌槽6包括槽体和槽盖，槽盖和槽体密封连接，物料进口8和物料出口7均设置在槽盖上。槽盖可以为法兰式盖子或其他可拆卸盖子。搅拌槽6是密封的，容易保持内部液面平稳，利于避免外部气体吸入，影响测量结果。可选地，搅拌槽6的底部可以竖直设置多个挡板(图中未示出)，用于改变搅拌槽6内物料的流向，促进反应正向进行。挡板的数量及位置根据需要进行设置即可。
43.进一步地，过滤膜为管状外式膜5，液体能够通过过滤膜被抽吸到搅拌槽6之外，搅拌槽6内的固体颗粒被截留在过滤膜的外部，实现反应过程和分离过程的耦合。管状的过滤膜设置在搅拌槽6内，可以理解地，过滤膜的位置应避免过于靠近搅拌桨4和搅拌轴3，防止阻碍搅拌桨4的运行。管状外式膜5的具体结构为现有技术，并且，过滤膜不限于管状外式膜5，也可以替换为其他结构。
44.进一步地，膜过滤压差由真空泵12提供，真空泵12连接有一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14。一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14共同用于增加物料出口7真空压力的调节范围。可选地，二级缓冲瓶14设置在连通管上，二级缓冲瓶14和一级缓冲瓶13连通。采用一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14增大物料出口7的真空压力，使真空度可在0-95kpa范围内调节，相较于仅
使用一级缓冲瓶13，调压范围增大了20％。蠕动泵15可提供的真空度仅在20-70kpa之间，设置真空泵12、一级缓冲瓶13以及二级缓冲瓶14，相较于仅使用蠕动泵15进行恒流操作时，真空度调节范围增加了90％。
45.进一步地，压力表9为可通讯压力表9，通过rs485通讯，实时监测和记录。压力表9灵敏度较高，监测结果精确。本实施例采用真空泵12搭配缓冲瓶的方式进行物料出口7压力控制，需要精确控制监测压力，对于由于膜污染和真空泵12长时间运行造成的真空压力波动，需要微调缓冲瓶的控制阀，确保压力波动幅度小于5％。
46.进一步地，流量计10为微小液体流量计10。本实施例所采用的微小液体流量计10为齿轮型流量计10，由内部齿轮转速测量流体流量，流量计10的管路连接可采用软管、四氟管、不锈钢管等各类连接件，连接简单，运行稳定，测量误差为0.5％。另外，流量计10通过连接仪表与rs485通讯实现实时监测和记录。
47.本实施例还提供一种过滤过程监测方法，采用上述的过滤膜连续过滤过程监测装置，该过滤检测方法包括以下步骤：
48.s1、将去离子水加入搅拌槽6中，过滤过程的超过第一时刻后，测量所述过滤膜纯水渗透通量；
49.s2、向搅拌槽6内加入固体颗粒；
50.s3、开启真空泵12，通过一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14控制所述物料出口7处真空压力恒定，并由压力表9监测压力，由流量计10测量过滤膜渗透通量的变化；
51.s4、当过滤膜渗透通量的变化下降到预设值以下，认为过滤过程达到拟稳态状态，停止过滤并记录总运行时间；
52.s5、拍摄过滤膜表面堆积的饼层，刮下过滤膜表面的饼层，烘干后称重；
53.s6、测量过滤膜气体渗透通量。
54.上述方法基于恒压连续过滤过程，测量固液两相体系中过滤膜表面颗粒堆积以及过滤膜渗透通量的下降情况。连续过滤开始后，膜污染体现为颗粒沉积在过滤膜表面，堵塞膜孔，进一步形成饼层，导致过滤膜渗透通量下降。采用压力表9测量物料出口7压力，通过调节真空泵12、一级缓冲瓶13和二级缓冲瓶14控制压力稳定。采用流量计10测量过滤膜渗透通量，通过直接观察和拍摄图像得到过滤膜表面颗粒堆积情况。
55.进一步地，在s1中，第一时刻为30min，即测量过滤膜纯水渗透通量需要过滤过程运行时间在30min以上，可以理解地，测量过滤膜纯水渗透通量需要待整个过滤体系稳定后测定。
56.进一步地，固体颗粒可以为硅微粉，硅微粉为白色球状惰性颗粒，具有一定的粒径分布，采用硅微粉易于观察膜表面沉积情况。硅微粉颗粒需用naoh溶液洗涤，而长期运行造成的水体污染需用hno3溶液洗涤，具体浓度依据沉积质量和运行时间而定。当然，固体颗粒不限于硅微粉，也可以是al2o3颗粒、tio2颗粒、活性炭粉等任意惰性颗粒。
57.进一步地，过滤过程中，压力监测和过滤膜渗透通量的变化测量同时进行，基于压力监测保证物料出口7处处于恒压状态，避免压力变化对渗透通量的测量产生影响，基于流量计10指示的渗透通量的下降可以直观得到膜污染的程度。
58.进一步地，本实施例中，预设值为2ml/h，当过滤膜渗透通量的变化下降到2ml/h以下时，认为过滤过程达到拟稳定状态，此时，可以结束过滤过程。
59.本实施例为固液两相体系的过滤，不能完全避免膜面孔道的堵塞。采用管式膜，表面堵塞不易完成保存，而采用金属烧结膜则无法制样，且三维ct扫描价格昂贵，因此对于过滤膜表面的堵塞程度用污染过后的过滤膜气体渗透通量表示。在其他实施例中，不限于气体渗透通量，也可用纯水渗透通量表示。
60.进一步地，实验结束后，采用一定压力的气体反吹一定时间后，在超声波环境下，依次采用一定浓度的naoh溶液以及hno3溶液清洗过滤膜，以去离子水反冲，直至渗透纯水的电导率低于5μs/cm，以恢复过滤膜初始状态时的纯水渗透通量，继续进行下一次实验。
61.下面结合实验例1-3对本实施例提供的过滤过程监测方法作进一步说明。
62.实验例1
63.采用本实施例提供的过滤膜连续过滤过程监测装置，其中，搅拌槽6的直径为0.16m，高度为0.183m，内部无挡板。采用标准rushton六直叶搅拌桨4，桨径为0.054m，搅拌桨4转速为400rpm。管状外式膜5有效膜过滤部分中心轴线高度为0.09m。测量过滤膜在不同位置的膜过滤性能。选取六个位置进行实验，即管状外式膜5有效膜过滤部分的中轴线与搅拌轴3之间的水平距离0.035m、0.04m、0.045m、0.055m、0.064m、0.07m。
64.将去离子水加入搅拌槽6中，测量膜纯水渗透通量。管状外式膜5出口压力为-10kpa，初始纯水渗透通量为660ml/min。
65.将一定质量浓度的硅微粉加入搅拌槽6中。加入12g硅微粉颗粒，其粒径d50为89μm。
66.开启真空泵12，通过缓冲瓶控制膜管外侧真空压力恒定，并由压力表9监测压力，由流量计10测量膜渗透通量的变化。
67.当膜渗透通量的变化下降到2ml/h时，认为过滤过程达到拟稳态，停止过滤并记录总运行时间。
68.过滤过程结束，拍摄膜表面饼层，刮下膜表面堆积的饼层，烘干后称重。
69.刮下饼层后，测量膜气体渗透通量。
70.测量结束后清洗膜管，采用压力为1atm的气体反吹15min后，用5％的naoh溶液以及5％的hno3溶液依次清洗5h，以去离子水反冲，直至渗透纯水的电导率低于5μs/cm。
71.管状外式膜5位于上述六个位置的饼层堆积质量和总运行时间如下表所示。
[0072][0073]
[0074]
其中，当管状外式膜5的中轴线距离搅拌轴3为0.055m时，其通量随时间的变化如图3所示。
[0075]
实验例2
[0076]
和实验例1相比，本实验例的区别在于：圆形搅拌槽6内部带挡板，挡板宽度为0.016m，管状外式膜5的中轴线与搅拌轴3间水平距离为0.064m，管状外式膜5的底部离搅拌槽6底部的高度分别为0.06m、0.09m和0.12m。
[0077]
管状外式膜5位于此五个点的饼层堆积质量和运行时间如下表所示。
[0078]
离底高度/m饼层堆积质量/g总运行时间/h0.062.921510.10.090.08606.20.121.871418.4
[0079]
实验例3
[0080]
和实验例1相比，本实验例的区别在于：采用四种形式的反应器1，分别为带挡板的圆形槽-标准rushton六直叶搅拌桨4(rtd-b)，无挡板的圆形槽-标准rushton六直叶搅拌桨4(rtd)，带挡板的圆形槽-六斜叶下推式搅拌桨4(pbtd-b)和无挡板的圆形槽-六斜叶下推式搅拌桨4(pbtd)。管状外式膜5的底部离搅拌槽6底部的高度为0.06m，管状外式膜5的中轴线与搅拌轴3间水平距离为0.055m。
[0081]
管状外式膜5在此四个工况下的饼层堆积质量和运行时间如下表所示。
[0082][0083][0084]
由上述实验例1-3得出结论：利用本实施例提供的过滤过程监测方法，采用恒压连续循环膜过滤方式，可以对动态的膜过滤过程进行实时监测，压力调节范围广泛，易于保持压力恒定，装置运行稳定，数据处理简单高效，实验现象直观，实验测量成本低，监测方法简便易行。
[0085]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。