滲透汽化膜晶種涂覆裝置的設(shè)計(jì)

＊李華北

（河北美邦工程科技股份有限公司 河北 050000）

滲透汽化膜晶種涂覆裝置的設(shè)計(jì)

＊李華北

（河北美邦工程科技股份有限公司 河北 050000）

介紹了用于外徑12mm，長(zhǎng)度800mm的不銹鋼或陶瓷的管狀支撐體的晶種涂覆裝置的工作原理和主要部件結(jié)構(gòu)，分析了影響裝置涂覆質(zhì)量的主要因素， 并結(jié)合實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，進(jìn)一步說(shuō)明自動(dòng)涂覆裝置在實(shí)際滲透汽化膜生產(chǎn)中的重要性。

滲透汽化膜；涂覆；旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；彈簧夾緊機(jī)構(gòu)

1.前言

滲透汽化膜根據(jù)溶解-擴(kuò)散原理，在滲透汽化過(guò)程中，待分離組分在膜兩側(cè)蒸汽壓差的推動(dòng)下，被膜選擇性吸附溶解，以不同的速度在膜內(nèi)擴(kuò)散，在膜下游汽化、解吸，實(shí)現(xiàn)混合物分離。現(xiàn)在NaA沸石膜已被廣泛應(yīng)用于滲透汽化過(guò)程中, NaA沸石膜滲透汽化裝置投入到工業(yè)化運(yùn)行中,逐漸取代了有機(jī)高分子膜材料 。目前, NaA沸石膜的制備方法主要為二次生長(zhǎng)法, 即在膜管水熱合成之前對(duì)載體管進(jìn)行預(yù)涂晶種。 根據(jù)經(jīng)典的晶體形成理論, 二次生長(zhǎng)法能跳過(guò)晶體的成核期,通過(guò)縮短晶化時(shí)問(wèn)來(lái)控制膜的形成, 而且能夠確保沸石晶粒只在載體表面生長(zhǎng)而不在溶液中生長(zhǎng),有效限制了雜晶的出現(xiàn),同時(shí)還可提高合成膜的質(zhì)量及制備膜的重復(fù)性。要制備高質(zhì)量的沸石膜,關(guān)鍵在于將晶種均勻地涂覆在載體表面形成一層薄而均勻的晶種層。本文設(shè)計(jì)的裝置就達(dá)到了這樣效果。

2.工作原理

以往晶種涂覆是用手工完成的，通過(guò)手工把晶種揉如支撐體表面，然后進(jìn)行研磨，使晶種均勻的涂覆在支撐體表面，這種方法涂覆速度慢，質(zhì)量不穩(wěn)定，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。本文采用先濕潤(rùn)支撐體然后噴涂晶種同時(shí)摩擦模仿手工涂敷的原理,即事先把支撐體潤(rùn)濕，然后在旋轉(zhuǎn)的支撐體表面上噴涂晶種溶液,并通過(guò)直線機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)對(duì)晶種層反復(fù)摩擦,將晶種分散到支撐體表面從而形成一層薄而均勻的晶種層。該裝置結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了NaA沸石膜大規(guī)模生產(chǎn)中晶種的快速涂敷，同時(shí)也有效的提高了膜的性能和質(zhì)量。

3.主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)

(1)主要技術(shù)參數(shù)

①可同時(shí)涂覆4支支撐體的情況下，每小時(shí)加工60支膜管。②加工支撐體的規(guī)格為800mm-1000mm的不銹鋼管或者陶瓷管。涂膜合格率在98%以上。④外形尺寸：1785mm×1000mm×850mm。⑤裝機(jī)容量：1KW,其中旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)用調(diào)速電機(jī)250W,直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用伺服電機(jī)為750W。⑥直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)用滾珠絲杠為40mm×40mm。

(2)主要結(jié)構(gòu)

裝置的主要結(jié)構(gòu)：鋁型材支架、直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、涂覆機(jī)構(gòu)、彈簧夾緊機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

圖1

圖2

①直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

通過(guò)圖1可以看出直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：伺服電機(jī)、凸臺(tái)圓形軸承座、滾珠絲杠40×40、絲杠用螺母、直線軌道、滑塊、軌道支座、以及連接板等零部件組成。直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作步驟是：通過(guò)自控程序控制750W的伺服電機(jī)在不同位置和時(shí)間段實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)行速度和方向。電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，絲杠的螺距為40mm，在1000mm的直線長(zhǎng)度的運(yùn)行時(shí)間保證在16s到20s之間。與絲杠旋合在一起的絲杠螺母把絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成沿絲杠方向的水平運(yùn)動(dòng)。同時(shí)絲杠螺母連接著安裝有噴涂部件的連接板，連接板通過(guò)與兩端的滑塊相固定，通過(guò)滑塊在各自的直線軌道定位槽中定位，這樣絲杠螺母就帶動(dòng)連接板在直線導(dǎo)軌方向做前后的直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐體表面涂覆動(dòng)作，并實(shí)現(xiàn)涂覆動(dòng)作的快慢和方向都可以完全控制，保證這個(gè)動(dòng)作能最大限度的模擬手工涂覆時(shí)的效果，并且通過(guò)中間絲杠螺母的運(yùn)動(dòng)可同步帶動(dòng)多支支撐體同時(shí)被涂覆晶種（如果需要），這樣可完全實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的量化生產(chǎn)，可完全代替手工制作。

②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

通過(guò)圖2可以看出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：調(diào)速電機(jī)、同步輪、同步帶、雙軸承座、頂軸A和頂軸B等部件組成。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作步驟是：通過(guò)自控程序控制250W的調(diào)速電機(jī)的運(yùn)行速度和方向。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)同步輪和同步帶的運(yùn)動(dòng)，使頂軸A和頂軸B同步轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行。頂軸A和頂軸B是固定支撐體的，通過(guò)頂軸頂端與支撐體的摩擦力帶動(dòng)支撐體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度大約每分鐘60轉(zhuǎn)左右，模仿人工加工時(shí)，手握支撐體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際裝置操作時(shí)，可根據(jù)調(diào)整電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)確定什么速度旋轉(zhuǎn)最能獲得良好的加工效果，來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量。

③涂覆機(jī)構(gòu)

涂覆機(jī)構(gòu)（圖3）包括：加料段、涂覆段、涂覆用橡膠帶、調(diào)整片等部件。晶種通過(guò)加料段加入，分散在支撐體外表面上，涂覆段里涂覆橡膠帶用于摩擦支撐體，通過(guò)支撐體的自旋轉(zhuǎn)和涂覆機(jī)構(gòu)的水平直線運(yùn)動(dòng)，晶種就均勻穩(wěn)定的涂覆在支撐體表面，在涂覆過(guò)程中通過(guò)調(diào)整片的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整橡膠帶接觸支撐體的間隙，來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)涂層厚度。

④彈簧夾緊機(jī)構(gòu)

彈簧夾緊機(jī)構(gòu)（圖4）包括：頂軸、軸套、雙軸承座、壓縮彈簧、鎖緊螺母和調(diào)節(jié)螺栓等。頂軸在軸套里的配合是間隙配合，軸套固定在雙軸承座內(nèi)，所以頂軸在軸套里可以自由運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)節(jié)壓縮彈簧的預(yù)緊力，預(yù)緊力使頂軸夾緊支撐體的兩端，預(yù)緊力的大小可以根據(jù)對(duì)支撐體夾緊程度來(lái)調(diào)節(jié)，支撐體通過(guò)頂軸的摩擦力實(shí)現(xiàn)自旋轉(zhuǎn)。由于支撐體壁薄易碎，剛性差，直線度、同軸度、圓度均不高，并且支撐管在涂覆時(shí)需要旋轉(zhuǎn)，所以支撐夾緊機(jī)構(gòu)不僅承受支撐體涂覆時(shí)的軸向力，還要能產(chǎn)生足夠的摩擦力來(lái)帶動(dòng)支撐體旋轉(zhuǎn)。彈簧夾緊機(jī)構(gòu)在裝置中起著重要的作用，調(diào)整好彈簧夾緊機(jī)構(gòu)才能確保證支撐體平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)和涂覆。

4.影響涂覆質(zhì)量的主要因素

①在涂覆之前，要完全保證支撐體被水浸濕，這樣才能使涂覆時(shí)晶種能很好的涂在支撐體表面上，否則晶種不易涂上。②在安裝裝置時(shí)保證支撐體兩端的頂軸和中間的涂覆機(jī)構(gòu)同軸，否則影響膜層的均勻性和涂覆的質(zhì)量，支撐體也容易折斷。正確選擇彈簧夾緊機(jī)構(gòu)中的壓縮彈簧，彈簧預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小，都嚴(yán)重影響涂覆質(zhì)量和工作效率。④在整體裝置中，直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)要與涂覆速度要協(xié)調(diào)，速度適中，否則涂覆質(zhì)量就不好控制。

5.運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)表明在支撐體表面預(yù)涂覆晶種時(shí)，手工均勻地摩擦晶種可以得到均勻的晶種分布, 但由于每個(gè)人的個(gè)體差異，膜的質(zhì)量很不穩(wěn)定，主要是操作繁瑣，并且容易產(chǎn)生斑點(diǎn)等原因，嚴(yán)重影響下一工序的順利進(jìn)行，導(dǎo)致無(wú)法形成均質(zhì)的汽化膜。而本文介紹的自動(dòng)涂覆裝置能在支撐管上短時(shí)間內(nèi)獲得結(jié)構(gòu)致密性能良好的NaA膜，并且質(zhì)量穩(wěn)定，使汽化膜的制作形成產(chǎn)業(yè)化，加速了汽化膜在分離工程的應(yīng)用。

[1]李紹炎編．自動(dòng)機(jī)與自動(dòng)線[M]．清華大學(xué)出版社．2007．

[2]焦生杰等編．工程機(jī)械機(jī)電液一體[M]．人民交通出版社． 2000．

[3]吳宗澤編．機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社．2003．

(責(zé)任編輯 責(zé)聰)

Design of the Coating Device for Pervaporation Membrane Seed Crystal

Li Huabei
（Hebei Meibang Engineering Technology Limited Liability Company, Hebei, 050000）

In this paper, it has introduced the working principle and main component structure of seed crystal coating device used for stainless steel or ceramic tubular support with external diameter 12mm and length 800mm, besides, it has analyzed the main factors in fl uencing coating quality and combing with the experimental operation, it has stated the importance of automatic coating device to the production of practical pervaporation membrane.

pervaporation membrane；coating；rotating motion mechanism；straight-line motion mechanism；spring clamping mechanism

T

A

李華北（1970～）男，河北美邦工程科技股份有限公司；研究方向：膜過(guò)濾技術(shù)。