模块式的膜壳、膜壳元件及其制造方法

摘要

本发明涉及一种膜壳元件(2)，所述膜壳元件包括内部元件(3)、纤维缠绕部(4)和外壳(5)，还涉及一种所述膜壳元件的制造方法。所述外壳还包含至少两个拉力元件。所述膜壳元件由于其结构在径向和轴向载荷方面都提供了高的耐压强度。通过连续的制造方法可以在保持高精度和均匀性的同时制造大的件数。所述膜壳元件应用于用在纳米过滤、超过滤、离子交换和反渗透的应用领域的膜壳。

说明书

技术领域

本发明涉及膜壳元件，所述膜壳元件由内部元件、纤维缠绕部和外壳构成，本发明还涉及所述膜壳元件的制造方法。

背景技术

获得饮用水和水处理变得越来越重要。对于通过海水脱盐以及处理微咸水来获取饮用水多数使用反渗透法、也称为逆渗透法，或者采用纳米和超过滤法。为了实施渗透法或者为了过滤水或其它液体，经常使用膜元件形式的膜。通常此时采用卷式(螺旋)膜，对于卷式膜，膜片绕一渗透管缠绕。所缠绕的膜元件装入一耐压的膜壳/壳体中，所述膜壳通常承受在16至100bar的数量大小的工作压力。通常，如在海水或微咸水脱盐设备中使用的膜壳容纳多个串联设置、相互连接的膜元件。用于反渗透的膜壳这里具有例如1至7米的长度并具有适于容纳2.5、4、8和16英寸的膜元件的直径。特别是在纳米和超过滤中这些尺寸与相应的使用区域相关地变化。如可用于反渗透的膜元件例如由EP 0 601 301 B1已知。

由于压力载荷对于其中装入膜元件的膜壳提出了很高的要求。与例如压力管不同，膜壳必须承受较高的力，因为对于反渗透法工作压力例如为16至84bar。此外膜壳的圆柱体/缸体必须承受封闭的顶端的力，所述力特别是在端部区域与径向压力相叠加。与压力管不同，膜壳还必须具有高的精度，由此膜元件可以装入膜壳中。对于膜壳因此需要小得多的制造公差，并且壳体必须在沿着轴线的任何位置都具有接近圆形的横截面并具有相同的尺寸。为了实现这种高精度，目前为止膜壳基本上是通过校准的钢心轴或在采用校准的内衬的情况下手工制造。

相应的方法例如由EP 0 422 457 B1已知。这里描述的方法例如如下进行：

a.将预制的内衬管锯短至希望的长度并安装到一支承心轴上。

b.然后将锯短的元件张紧到一机器上，该机器使内衬均匀地旋转。手动地将用聚酰胺浸渍的玻璃纤维施加到管上，同时使所述管机动地旋转。然后在一往复运动的滑块运动的同时使所述管旋转，直至构成多个完整覆盖的层。使含玻璃纤维的物料在内衬上硬化。在旋转的情况下通过UV(紫外)光照射或在炉中为时数个小时来实现硬化。对于已硬化的膜壳，对端部进行修边和打磨。

c.可选地在另一个步骤中，用UV硬化的聚合物物料覆盖聚酰胺物料，以实现视觉上舒适的外壳。

这种方法虽然能够实现在整个长度上具有几乎一致的直径并没有不圆度的膜壳元件，但为此通过这种方法膜壳只能以每天较少的件数制造。因为这种具有多个必须以手工进行的步骤，该方法还比较耗时。所述多个工作步骤包含很多手动进行的工作并且由于要对沉重、大体积的部件进行操作，这些工作步骤是非常耗时的。此外，一个工位还要求有很多用于运输和存放这些部件的空间。

此外，在制造相应的膜壳时，必须注意，与以脱盐的水接触的内置的管不能含有危害健康的、可能从管上被冲刷下来的物质。此外，整个壳体不允许光和紫外(UV)线透过，因为光和紫外线有时可能会刺激藻类或细菌的生长。

目前为止已知的方法还要求，要根据使用目的和使用地点按不同的长度和直径制造管形的膜壳。相应地在库存中必须存放很多不同类型和规格的膜壳和管状的膜壳元件，它们是针对不同的压力等级、长度和直径设计的。

简单的压力管例如用于天然气管道或水管，因此是埋入地下的。相应地在视觉上的表面特性上只有较低的要求。与此相反，对于膜壳在视觉品质上却提出了高要求。表面必须光滑并尽可能平整，以及具有视觉上吸引人的外观。因此，与压力管的情况不同，对于膜壳视觉上高质量的外壳是必须的。

发明内容

本发明的目的是，提供一种膜壳元件，这种膜壳元件能够经济地制造并同时具有高精度和美观的外部表面。膜壳元件此外还应不允许光和紫外线透过，并具有耐受光照和天气变化的外壳，并且在内部由对于食品领域或饮用水领域不危害健康的材料组成。膜壳的结构应使得能够以较少的部件数量实现各种不同的膜壳变型方案。此外膜壳元件还应能够以简单的方式装入膜壳中，同时对顶端实现耐高压的密封并承受在压力负载下出现的径向和轴向的力。

本发明的目的还在于，提供一种方法，利用该方法能够经济地以极高的均匀性制造较大数量的膜壳元件，这些膜壳元件具有对于膜壳必要要的非常高的精度。

所述目的根据本发明通过一种圆柱形的膜壳元件来实现，这种膜壳元件包括由塑料组成的内部元件、纤维缠绕部(纤维强化的层)和外壳，其特征在于，

-在内部元件上施加由纤维组成的基本上径向的缠绕部作为纤维强化的层，以及

-在纤维强化的层上施加外壳，所述外壳包括至少两个拉力元件。

其它实施形式是各从属权利要求的内容或在下面说明。

根据本发明作为用于纤维强化的层的纤维(强化纤维)使用矿物纤维，例如玻璃纤维、玄武岩纤维，织物纤维或塑料纤维，例如凯夫拉尔(Kevlar)纤维、碳纤维、聚合物纤维或高度交联或带涂层的塑料纤维。纤维强化的层优选覆盖内部元件的整个表面，就是说，覆盖表面地施加所述径向的缠绕部。

内部元件优选是内衬或内部的空心型材。特别优选的是，内衬是挤出制成的，就是说，用挤出法由塑料制成的。所述内部的空心型材优选用挤拉成型法制成。挤拉成型法和挤出法相同是一种连续的制造工艺。在这种方法中，首先引导纤维通过带有可硬化的聚合物，优选热固性的聚合物，如环氧树脂和聚酯的浴，然后在通过加热工具和通过UV硬化装置时发生硬化。用于根据本发明的膜壳元件的挤拉成型的空心型材例如由和纤维强化的层相同的纤维构成，其中，内部的空心型材中的纤维沿膜壳元件轴线延伸。根据本发明也可以采用其它用传统的方法制成的内部元件，但这些方法不是特别优选的。

圆柱形的膜壳元件优选由以下部分构成：

-内衬，所述内衬是挤出的，就是说是由塑料用挤出法制成的，

-纤维缠绕部，所述纤维缠绕部具有在内衬上的热塑性的基体，所述基体例如是带有聚丙烯涂层的纤维强化的层，并且作为基本上径向的由纤维，例如玻璃纤维带组成的缠绕部与热塑性的基体保持在一起，以及

-外壳，所述外壳位于纤维强化的层上，所述层按挤出法施加并包含至少两个拉力元件，以及

-安装在膜壳端部上的顶端或凸缘式的结构，用于容纳端板系统。

在一个实施形式中，外壳包括管型材/空心型材形式的空心体，所述空心体用于装入轴向的拉力元件。所述管型材还用于保护拉力元件不受环境影响。用于容纳拉力元件的空心型材优选包夹在矿物纤维强化的层和外壳之间。在另一个实施形式中，由矿物纤维或塑料纤维组成的拉力元件在外壳的制造过程中同时装入。

施加到根据本发明的膜壳元件上的表层优选由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯橡胶(ABS)组成。所述外壳用于确保实现视觉上美观、均匀的表面，以便使膜壳具有最佳的外观并保证具有良好的UV耐受性。膜壳由此是不可透光以及UV不可透过的。除了由ABS制成以外，外壳也可以由其它热塑性材料制成。外壳优选是具有在2至4mm之间的层厚的连贯的塑料层。

根据本发明的膜壳元件中的拉力元件优选是拉杆或拉索。拉杆或拉索优选由钢、优质合金钢或由带有热塑性或热固性的基体的纤维组成的复合材料。在一个优选的实施形式中，在根据本发明的膜壳中使用四个拉力元件，这些拉力元件特别优选地按分别相同的间距彼此平行地设置，以实现均匀的力分布。为了确保实现均匀的外壳，为了将拉力元件装入外壳中，优选在外壳制造过程中嵌入空心型材，拉力元件支承在所述空心型材中。这些用于容纳拉力元件的空心型材包夹在纤维强化的层和外壳之间。所述空心型材例如可以由挤出的塑料制成。在一个实施形式中，外壳通过这样型材替代，这种型材已经包括用于装入拉力元件的型廓，并直接在制造方法的连续的部分中成型地“挤出覆盖”在矿物纤维强化的层上。

圆柱形(管形)的膜壳元件根据本发明是指这样的管状结构，这种结构耐高压并且例如包含用于过滤或渗透的膜。

根据本发明的圆柱形的膜壳元件优选在这样的方法中制造，该方法至少包括以下步骤：

1.优选由没有玻璃纤维成分的PP用挤出法连续地制造内衬并使其冷却，

2.当还在挤出生产线上时加热冷却的内衬，使得表面熔化，

3.只是径向地用玻璃纤维缠绕已熔化的表面，

4.在连续的处理过程之后，在玻璃纤维层上施加表层以形成外壳，以及

5.这里在外壳中置入至少两个、优选四个拉杆，所述拉杆承受轴向力。

所述制造例如通过以下步骤完成：

1.优选由具有小粘度(MFR(熔体流动速率)为0.25g/10min)的聚丙烯均聚物连续地用挤出法制造内衬，并使其冷却，

2.当还在挤出生产线上时加热冷却的内衬，使得只有表面熔化，

3.主要是径向地用具有或没有热塑性基体的玻璃纤维缠绕内衬已熔化的表面，其中纤维与内衬表面上的熔体嵌牢，

4.在连续的处理过程之后，在玻璃纤维层上施加表层以形成外壳，以及

5.这里在外壳或外壳型材中置入至少两个、优选四个用于拉力元件的空心型材，所述拉力元件应用于承受轴向力。

然后这样制造的圆柱形膜壳元件可以切割到任意的长度。

以后在根据本发明的圆柱形的膜壳元件上安装管头部，即带有拉力元件的端部段。

在本发明的一个实施形式中，采用薄壁的管作为内衬，如在EP 0442457 B1中记载的管。在根据本发明的圆柱形的膜壳元件中的内衬或按本发明的方法制造的内衬优选由聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯醚(PPO)、聚酰胺改性的聚苯醚、聚苯乙烯改性的聚苯醚、ABS或聚偏氟乙烯聚合物(PVDF)或其它热塑性材料组成。

本发明的目的还通过一种用于制造圆柱形的膜壳元件的方法来实现，所述方法包括以下步骤：

1.连续地制造径向地用纤维缠绕的内衬，其中在制造缠绕的内衬时优选进行以下步骤：

a.通过在挤出生产线上连续地挤出来制造内衬，

b.接着连续地冷却内衬，

c.重新加热内衬的刚刚冷却的表面，使所述表面熔化并优选同时基本上径向地用纤维、优选用玻璃纤维，优选是玻璃纤维(粗)纱(roving)或带覆盖表面地缠绕内衬并使其与内衬相连，所述纤维玻璃纤维纱或带与PP基体保持在一起，以及

d.接着将内衬冷却到软化温度以下，

2.向用纤维缠绕的内衬上施加外壳或外壳型材，其中，外壳具有至少两个置入的拉力元件或用于容纳拉力元件的空心型材。

在步骤1.c.中通过内衬材料与纤维的熔融连接或通过内衬材料通过对纱的热塑性浸渍实现的熔融连接使纤维与内衬的表面连接。

形成外壳或外壳型材的制造这里优选在相同的进行内衬挤出和缠绕的生产线上同样按连续的制造过程进行。通过膜壳端头连接的拉力元件只要不是直接在制造膜壳时置入，则此时插入穿过在外壳中成型的空心型材。如果采用拉杆作为拉力元件，则这样封闭空心型材的端部，使得不会出现腐蚀。

在所述方法的一较不优选的实施形式中，在经过根据步骤1的所述连续的方法之后，在施加外壳之前，将圆柱形的膜壳元件切割成具有最终长度的段。

特别优选的是，管状的膜壳元件切割成具有1至12m长度，优选12m长度的段。在一个实施形式中，这里拉力元件、特别是作为纤维束装入纤维强化的层和外壳之间。在另一个实施形式中，将用于容纳拉力元件的空心型材直接挤出到纤维强化的层上。

内衬熔化的表面径向地用纤维缠绕。所述纤维优选是玻璃纤维，所述玻璃纤维预处理成用聚丙烯粘结的带，其中加热进行到230℃。所述方法的特别之处在于，用纤维进行的缠绕基本上径向地进行，并由此沿径向方向实现了高强度，而不是如传统的膜壳常见的那样必须较为复杂、高成本且耗费材料地施加一定数量的交叉层。

用于根据本发明的圆柱形的膜壳元件或用于根据本发明的方法中的纤维优选是玻璃纤维或玻璃纤维纱，特别优选地是用热塑性材料粘结的、处理成玻璃纤维带的玻璃纤维纱。这种矿物纤维的玻璃纤维层由玻璃纤维纱组成，对优选通过热塑性“粘结”预处理成带的所述玻璃纤维纱进行预浸。所述热塑性材料优选由这样的材料组成，这种材料形成与为内衬和外壳的应用所选择的材料的热的粘结连接。

压力管中的力在直径上、即在径向方向上的作用的强度是沿轴向方向的两倍。因此最大的力作用在膜壳的径向缠绕部上。矿物纤维在径向缠绕中在内部压力线受到拉伸载荷。与常见的钢相比，常见的E玻璃纤维已经具有5-6倍的较高的拉伸强度，因此通过径向的缠绕确保了高的拉伸载荷。特别是在考虑到用于海水脱盐的、具有常见的84bar的工作压力和为6的安全系数的膜壳时，根据本发明的膜壳相对于具有交叉缠绕部的传统膜壳具有重要的优点，因为这里在缠绕厚度较小时也可以实现要求的压力载荷。

由于装入根据本发明的膜壳元件中的膜元件或过滤元件，所述膜壳元件在内直径上必须是高精度的，并且对于202mm的内直径只具有最大+/-0.2的小公差，而对于406mm的内直径具有最大+/-0.3mm的公差。此外，在根据本发明的膜壳元件中不允许出现不圆度，因为这会在移入和移出膜/过滤器时导致严重的问题。为了实现这种精度和均匀度，在制造8英寸的大内衬时，挤出机以0.5m-1m每分钟的进给量运行。这种进给两使得能够在较短的路段上无应力地设计熔体的停留时间和压力，其冷却、以及内衬的牵引以及特别是校准，使得在接下来表面的熔化和用纤维缠绕时膜壳元件不再变形。优选内衬的表面只熔化较小的深度。与此相反，对于常见的管，直线速度例如为每分钟5m或更多。

利用传统的手动的方法，与膜壳使用时所处的压力等级相关，通常每天(24小时)制造约25个长度为6m的膜壳元件。与此相比，使用根据本发明的方法出人意料地在保持相同的质量和精度的情况下通常允许每天制造约120和250个膜壳元件。

此外，本发明的内容还涉及一种侧联/侧接口(sideport)膜壳元件，这种膜壳元件由内元件、例如内衬和注塑外壳构成，所述内衬用纤维、优选玻璃纤维缠绕，其特征在于，

-内部元件是塑料元件，所述塑料元件只是径向地用纤维缠绕，优选用如前面所述的玻璃纤维纱缠绕，以及

-在注塑外壳和纤维强化的层之间装入至少两个拉力元件。

根据本发明的侧联元件集成在分开的管头/凸缘中或构造成分开的元件。在传统的膜壳中，为了进行侧向供应在为此预先强化的壳壁中钻出孔口。根据本发明的侧联元件因此使得可以实现灵活的使用而不必相应地加强膜壳。

根据本发明的侧联膜壳元件在其结构上基本上对应于根据本发明的圆柱形的膜壳元件。但所述圆柱形的膜壳元件仅用于容纳膜元件，而所述侧联元件使得可以对膜元件或过滤器沿径向方向进行冲流，或者说使得液体可以侧向入流或流出，并且使得可以安装连接接口。侧联膜壳元件的各个构件，即内衬、矿物纤维强化层和注塑外壳基本上对应于在圆柱形膜壳元件中所描述的各构件。

根据本发明的侧联膜壳元件优选用具有以下步骤的方法制造：

·用注塑法制造内衬，

·用矿物纤维缠绕内衬，以及

·用注塑法在矿物纤维加强的层上制造外壳。

根据本发明的膜壳元件和侧联元件可以组装成膜壳。膜装入其中的模块式的膜壳至少包括以下膜壳元件：

-一个或多个根据本发明的圆柱形膜壳元件，

-必要时一个或多个根据本发明的侧联膜壳元件，

-必要时用于侧向流入和提取的接头配件，球阀元件和配件，

-两个膜壳端头/凸缘，它们通过拉力元件保持在一起，以及

-至少两个(自密封)端盖(Entkappe)组件。

采用根据本发明的膜壳元件有利地允许实现一种作为模块式系统的膜壳的结构。根据本发明的制造方法使得可以在经济上有利地制造用于两个压力等级膜壳元件，即用于最高例如31bar的膜壳和最高84bar的膜壳。因为圆柱形的膜壳元件可以单独地锯短到不同的长度，因此不再需要存储不同压力等级和长度的膜壳元件，只库存具有7m的最大长度、两个压力等级的管就足够了。此外，为了制造最简单结构的整个膜壳，仅还需要接头配件和端盖组件，它们对于两种系统是相同的。由此必须库存的不同种类的部件明显更少，并可以明显降低库存量。

根据本发明的膜壳元件和利用根据本发明的方法制造的膜壳元件具有这样的优点，通过径向的缠绕，圆柱形的、管状的元件的层厚是可变的。径向的缠绕同时实现了高强度和稳定性，因为在膜壳元件的所有区域内确保了均匀的纤维层。通过径向的缠绕膜壳本身可以承受所有径向力。通过位于外壳中的拉力元件实现对轴向力的承受。

根据本发明的膜壳元件优选用于以下应用领域：纳米过滤、超过滤、离子交换和逆渗透/反渗透。对于过滤法或反渗透法给膜壳装填膜元件。如果用注塑的底部代替膜壳端头/凸缘，则可以在采用根据本发明的膜壳元件的情况下实现这样箱或容器。所述箱或容器为了离子交换装填有合适的离子交换剂，例如离子交换树脂。

附图说明

下面根据后面的附图举例说明本发明。其中

图1示出根据本发明的膜壳的分解视图，

图2示出图1的膜壳在凸缘的区域内的横向侧面的俯视图，以及，

图3a、b示出根据图1的膜壳的纵向剖视图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的膜壳1的中央的元件是圆柱形的膜壳元件2。该膜壳元件作为最内侧的层具有一内衬3，还具有围绕所述内衬的纤维加强的层4。围绕所述纤维加强层布设外壳5。在外壳5中可以看到在四个角上的空心型材6。这些空心型材用于容纳拉杆7。在膜壳元件2的两个端部处示出侧联元件8。用于容纳侧联口10的开口9位于侧联元件中。除了所述开口以外，还设有在侧联元件8的周边上分布的凹口11，所述凹口可以钻出，并由于容纳另外的侧联口。膜壳1此外还设有两个凸缘/膜壳端头12，四个拉杆7固定在所述凸缘/膜壳端头上。这里没有示出用于封闭膜壳的端盖。

图2示出膜壳1在凸缘12的区域的侧面的俯视图。四个拉杆7分别位于空心型材6的空腔中。

图3a示出膜壳沿如图2所示的轴线X-X的纵向剖视图。圆柱形的膜壳元件2位于中间的区域中，该膜壳元件由内衬3、纤维加强的层4和外壳5构成。在外部区域中，膜壳元件终止于凸缘12。在图3中还示出沿轴线H-H的另一个纵向剖视图。这里具有空心型材6的外壳5位于内衬3和纤维强化的层4的上方。分布在空心型材6中的拉杆7固定在凸缘12中，以便使得能够通过拉杆承受轴向的拉力。

附图标记列表

1    膜壳

2    圆柱形的膜壳元件

3    内衬

4    纤维加强的层

5    外壳

6    空心型材

7    拉杆

8    侧联元件

9    开口

10   侧联

11   凹口

12   凸缘/膜壳端头