CN101325992B - 膜蒸馏方法和膜蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
在一种膜蒸馏方法中，要浓缩液体通过透汽的、不透液或不透水的膜或膜壁(13)从蒸汽空间(11)分离，为设置要浓缩液体的绝对压力，向其施加降低要浓缩液体的绝对压力的负压。此外，公开了一种相应的膜蒸馏装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种要浓缩液体通过透汽的、不透液或不透水的膜或膜壁从蒸汽空间分离的膜蒸馏方法。此外，本发明还涉及一种实施上述膜蒸馏方法的膜蒸馏装置。
背景技术
在蒸馏方法中，液体被蒸发并且蒸汽被冷凝。蒸馏适于分离具有不同蒸汽压的液体，并适于从盐溶液中全部或部分地分离液体。
可以使用、实现并能够实施的蒸馏装置必须既经济又节能。仅当两种条件都满足时，蒸馏方法才有利。
在诸如多效驰豫蒸发(relaxation vaporization)或多级驰豫蒸发(多级闪蒸，MSF)等传统的热蒸馏方法中以及在诸如蒸汽压缩方法(VR)等热机械方法中，要浓缩液体和蒸汽处于同一空间中，并基本上处于相同的绝对压力下。
在膜蒸馏方法中，要浓缩液体至少有一侧被透汽的、不透液的膜限制。膜壁紧邻蒸汽空间，其中，蒸汽空间与要浓缩液体相比处于较低的蒸汽压力下。由于压差，蒸汽在要浓缩液体与膜的界面处产生并通过膜。
在已知的膜蒸馏方法中，蒸汽在远离液体并与较冷的冷凝物相邻的膜侧凝结，或蒸汽在蒸汽空间中较冷的面上冷凝，或蒸汽被吸出并在外面冷凝。
在膜蒸馏中，使用多孔的透汽材料。在US 3340186中记载了一种装置，其中采用填充空气并具有微孔的疏水膜。其中所记载的方法基于直接接触膜蒸馏。海水的热流和蒸馏物的冷流与膜直接接触。
在EP-A-0088315中记载了一种装置，其用于连续蒸馏热的含盐溶液或具有不同蒸汽压的液体混合物。
该装置由传热的不透汽层、疏水的透汽膜构成，其中，传热的不透汽层形成伸长壁，疏水的透汽膜形成为相邻或相对配置的壁并与不透汽层一起形成伸长的蒸馏物收集室或通道。该室具有蒸馏物用出口。对于这种膜蒸馏的优选实施例而言，使用螺旋线圈结构。冷的海水或供给物流入螺旋形室的中部，因此吸收来自冷凝面的热。然后，通过蒸馏物的冷凝过程预热的供给物进一步被加热系统加热，然后流入浓缩物通道。热的溶液通过膜界定的通道向外流出。一旦流过浓缩物通道，则一部分溶液汽化穿过膜。
在EP-A-11835356中记载了一种通过膜蒸馏净化液体的方法，其中从液流中产生蒸汽并使其通过界定液流的孔壁。蒸汽在冷的冷凝器表面冷凝，形成冷凝物流。冷凝器表面将供给的液流与蒸馏物流分离。供给的液流以逆流方式流向产生蒸汽的液流。为了扩大蒸馏物流，需要维持气体通道中的压力，然而，该压力低于环境压力却高于产生蒸汽的液体的蒸汽压。
目前，关于已知的膜蒸馏方法中出现了一系列问题。
在所有已知的使用蒸汽空间的膜蒸馏方法中，蒸汽空间均通过透汽的、不透水的膜与将要蒸发的液体分离。这样在所有已知的膜蒸馏方法中均会导致以下情况，其中，蒸汽空间和含有要浓缩液体的空间(由透汽的、不透液的膜界定)处于不同的绝对压力下。
在蒸汽空间处于环境压力区的压力下的膜蒸馏方法中，溶液的压力水平高于环境压力，其中这种压力水平由静压和液压损失构成。这将导致在含有要蒸发液体的空间与含有由透汽的、不透液的膜分离的蒸汽的空间之间产生绝对压差。
在蒸汽空间的压力水平低于环境压力的膜蒸馏方法中，在含有要浓缩液体的空间与含有由透汽的、不透液的膜分离的蒸汽的空间之间的绝对压差因为负压而增加。
在含有要浓缩液体的空间与蒸汽空间之间的压差，在许多应用中，也与被加热的要浓缩液体对透汽的、不透液的膜所施加的温度负荷有关，会对膜产生高机械和热负荷。这样，基本上降低了主要由塑料制成的膜的寿命。
另一个问题出现在通过冷凝和随后蒸发而基本上进行传热的膜蒸馏方法中。如果通过液体空间(其中一侧由透汽的、不透液的膜界定，而另一侧由不透汽、透液的冷凝面界定)进行传热，即仅通过液体中的热传导，然后冷凝和蒸发传热，那么只有少量的热能够被传递。当在该空间中达到沸点时，仅在含有要浓缩液体的空间中传递与凝结热相当的热量。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种针对上述而改进的方法和一种改进的装置。
关于方法，为设置要浓缩液体的绝对压力，向其施加降低所述要浓缩液体的绝对压力的负压，因此可以满足本发明的目的。
在这方面，优选的是将所述要浓缩液体的压力降低至所述蒸馏方法的负压。
有利地是，进入所述蒸馏方法的负压区并从中出来的液体与环境压力分离。
根据本发明方法的优选实施例，所述要浓缩液体的绝对压力降低至或低于对应于其温度的沸点蒸汽压力。
所述要浓缩液体经负压管道可以从真空系统方便地得到所述负压。
特别有利的是，在所述液体被供给至所述膜蒸馏方法并从中导出时，维持所述膜蒸馏方法的绝对压力与环境压力之间的压差。
优选的是所述负压连接管道与所述要浓缩液体分离，使得可以防止所述要浓缩液体溢出而进入所述蒸汽空间。
根据本发明方法的优选实施例，选择通过所述膜或膜壁并与所述要浓缩液体相邻的蒸汽空间中的压力，使其小于环境压力。在这方面，优选的是所述蒸汽空间中的负压基本上对应于通过所述膜或膜壁并相邻的要浓缩液体的蒸汽压力，并且所述负压通过由经过所述膜或膜壁的蒸汽流引起的压差而增加。
特别有利的是，在至少两个阶段中发生冷凝和蒸发。
按此方式，需要考虑以下情况，阶段的数量会影响所述膜蒸馏系统的能量需求，并且随着阶段数量的增加，所述膜蒸馏系统的能量需求降低，因为在每个后阶段中均将发生重新冷凝和蒸发。
在比前阶段更低的压力水平和温度水平下，在后阶段中发生冷凝和蒸发。
因此，使用本发明的方法，所述液体和蒸汽的压力彼此特别匹配。此外，改进了要浓缩液体中的传热。含有所述要浓缩液体的空间中的绝对压力达到至少基本上与含有所述蒸汽的空间中的绝对压力相等或大约相等的值。
在这方面，所述方法特别被设计成使得可以：
a)向所述要浓缩液体施加降低所述要浓缩液体的绝对压力的负压。
b)所述要浓缩液体的压力降低至负压，特别是降低至所述蒸馏方法的负压。
c)进入所述蒸馏方法的负压区并从中出来的液体与环境压力分离，和/或
d)所述液体的绝对压力特别是降低至或低于其相应温度的沸点蒸汽压力。
进入所述膜蒸馏方法的液体的绝对压力特别是被设置成使之对应于相关膜蒸馏装置中的压力。
在使用蒸汽空间的膜蒸馏方法中，所述要浓缩液体的绝对压力被设置成使之基本上对应于所述蒸汽空间的绝对压力。
例如，与所述的已知方法有关的问题也可以通过以下步骤解决：
进入所述膜蒸馏方法的要浓缩液流的压力与所述膜蒸馏方法的蒸汽空间的绝对压力基本相同。同样地，要浓缩液体和产生的蒸馏物与所述蒸汽空间的压力基本相同。离开所述膜蒸馏方法的液体在离开所述膜蒸馏方法之后再次返回到环境压力。
例如，所述要浓缩液体可以至少部分地在螺旋形的液体通道中被导引，所述液体通道的一侧由透汽的、不透液的膜界定，另一侧由不透汽和不透液的冷凝面界定，其中，由于所述液体通道排列成螺旋形，所以在其螺旋之间形成相应的螺旋形的蒸汽空间，所述蒸汽空间的一侧由所述膜界定，另一侧由所述冷凝面界定。
所述蒸汽空间可以处于总是基本上等于或低于通过所述膜并相邻的要浓缩液体的沸点蒸汽压力的负压下。所述要浓缩液体的绝对压力基本上可以处于基本上是对应于所述要浓缩液体的温度的沸点蒸汽压力的压力下。
例如，通过在被供给的液体与蒸汽空间之间的负压连接管道，实现处于负压下的蒸汽空间与要浓缩液体之间的压力平衡。为防止被供给的要浓缩液体流入所述蒸汽空间，所述负压连接管道特别可以形成为一体形成在管道中的U型管。
为了将相关蒸馏装置中的负压与环境压力分离，U型管可以构建在用于例如通过供给泵供给要浓缩液体的管道中以及用于通过浓缩物泵导出已浓缩液体的管道中。
将所述蒸馏装置的负压与环境负压分离的U型管也可以构建在用于通过蒸馏物泵将在蒸馏装置中产生的蒸馏物向外抽出并进入环境压力的管道中。
关于膜蒸馏装置，为设置要浓缩液体的绝对压力，向其施加降低所述液体的绝对压力的负压，因此可以满足本发明的相应上述目的。
根据本发明的膜蒸馏装置的优选实施例如是从属权利要求所述的。
因此，所述膜蒸馏装置特别被设计成使得可以：
a)向所述要浓缩液体施加降低所述液体的绝对压力的负压。
b)进入负压区的液体通过构成元件与环境压力分离。
c)所述液体的绝对压力特别是降低至或低于其相应温度的沸点蒸汽压力，和/或
d)进入负压区并从中出来的液体通过内建结构与环境压力分离。
例如，所述要浓缩液体可以至少部分地在螺旋形的液体通道中被导引，所述液体通道的一侧由透汽的、不透液的膜界定，另一侧由不透汽和不透液的冷凝面界定，其中，由于所述液体通道排列成螺旋形，所以在其螺旋之间形成相应的螺旋形的蒸汽空间，所述蒸汽空间的一侧由所述膜界定，另一侧由所述冷凝面界定。
所述蒸汽空间可以处于总是基本上等于或低于通过所述膜并相邻的溶液的沸点蒸汽压力的负压下。所述要浓缩液体的绝对压力基本上可以处于与对应于所述液体的温度的沸点蒸汽压力至少基本上相同的压力下。
例如，通过在被供给的要浓缩液体与蒸汽空间之间的负压连接管道，实现处于负压下的蒸汽空间与要浓缩液体之间的压力平衡。为防止被供给的液体流入所述蒸汽空间，所述负压连接管道特别可以形成为一体形成在管道中的U型管。
为了将蒸馏装置中的负压与环境压力分离，U型管可以构建在用于通过液体泵供给要浓缩液体的管道中以及用于通过浓缩物泵导出已浓缩液体的管道中。
将所述蒸馏装置的负压与环境负压分离的U型管也可以构建在例如用于通过蒸馏物泵将在蒸馏装置中产生的蒸馏物向外抽出并进入环境压力的管道中。
综上，在一个方面，本发明提供一种多级膜蒸馏方法，其中，向第一阶段的第一蒸汽空间供给来自具有独立液体回路的蒸汽发生器的蒸汽空间的蒸汽，所述蒸汽在界定第一蒸汽空间的冷凝壁上冷凝，所述冷凝壁与所述第一蒸汽空间相对的那侧紧邻流道，所述流道用于引导要浓缩液体，其中与相应冷凝壁相对的那侧由透汽的、不透液或不透水的膜壁界定，所述要浓缩液体通过所述膜壁与所述第一阶段的第二蒸汽空间分离，其中，从所述要浓缩液体产生的蒸汽通过所述膜壁进入所述第二蒸汽空间，并且向所述要浓缩液体施加负压，以设置所述要浓缩液体的绝对压力，其中所述负压用于降低所述要浓缩液体的绝对压力，
其中，来自所述第一阶段的第二蒸汽空间的蒸汽转移至第二阶段的由冷凝壁界定的第一蒸汽空间中，所述蒸汽在所述冷凝壁上冷凝，所述冷凝壁与所述第一蒸汽空间相对的那侧紧邻流道，所述流道用于引导所述要浓缩液体，所述流道与相应冷凝壁相对的那侧由膜壁界定，所述要浓缩液体通过所述膜壁与所述第二阶段的第二蒸汽空间分离，
在所述两个阶段中存在的要浓缩液体的绝对压力降低至对应于其温度的沸点蒸汽压力，
在所述两个阶段中，选择通过所述膜壁并与所述要浓缩液体相邻的第二蒸汽空间中的压力，使其低于环境压力，
在所述两个阶段的每一阶段中，所述第二蒸汽空间中的负压至少基本上对应于通过所述膜壁并相邻的要浓缩液体的蒸汽压力，并且所述负压被经过所述膜壁的蒸汽流引起的压差增加，
在至少两个阶段中发生冷凝和蒸发，其中在比前阶段更低的压力水平和温度水平下在后阶段中发生冷凝和蒸发，来自第二阶段的第二蒸汽空间的蒸汽经连接通道转移至冷凝器的蒸汽空间，
利用真空系统在蒸汽发生器的蒸汽空间、所述两个阶段的第一蒸汽空间和所述冷凝器的蒸汽空间中产生负压，以及
通过被供给的要浓缩液体与连接通道之间的连接管道在处于负压下的第二蒸汽空间与要浓缩液体之间产生对应的压力平衡。
在另一方面，本发明提供一种多级膜蒸馏装置，所述多级膜蒸馏装置包括蒸汽发生器、第一阶段、第二阶段、冷凝器和真空系统，其中，向所述第一阶段的第一蒸汽空间供给来自具有独立液体回路的所述蒸汽发生器的蒸汽空间的蒸汽，所述蒸汽在界定所述第一蒸汽空间的冷凝壁上冷凝，所述冷凝壁与所述第一蒸汽空间相对的那侧紧邻流道，所述流道用于引导要浓缩液体，其中与相应冷凝壁相对的那侧由透汽的、不透液或不透水的膜壁界定，所述要浓缩液体通过所述膜壁与所述第一阶段的第二蒸汽空间分离，其中，从所述要浓缩液体产生的蒸汽通过所述膜壁进入所述第二蒸汽空间，并且向所述要浓缩液体施加负压，以设置所述要浓缩液体的绝对压力，其中所述负压用于降低所述要浓缩液体的绝对压力，所述膜蒸馏装置用于进行上述方法，
其中，来自所述第一阶段的第二蒸汽空间的蒸汽转移至所述第二阶段的由冷凝壁界定的第一蒸汽空间，所述蒸汽在所述冷凝壁上冷凝，所述冷凝壁与所述第一蒸汽空间相对的那侧紧邻流道，所述流道用于引导所述要浓缩液体，所述流道与相应冷凝壁相对的那侧由膜壁界定，所述要浓缩液体通过所述膜壁与所述第二阶段的第二蒸汽空间分离，
在所述两个阶段中存在的要浓缩液体的绝对压力降低至对应于其温度的沸点蒸汽压力，
在所述两个阶段的每一阶段中，选择通过所述膜壁并与所述要浓缩液体相邻的第二蒸汽空间中的压力，使其低于环境压力，
在所述两个阶段的每一阶段中，所述第二蒸汽空间中的负压至少基本上对应于通过所述膜壁并相邻的要浓缩液体的蒸汽压力，并且所述负压被经过所述膜壁的蒸汽流引起的压差增加，
设置用于冷凝和蒸发的至少两个阶段，其中在比前阶段更低的压力水平和温度水平下在后阶段中发生冷凝和蒸发，来自第二阶段的第二蒸汽空间的蒸汽经连接通道转移至所述冷凝器的蒸汽空间，
设置所述真空系统，用于在蒸汽发生器的蒸汽空间、所述两个阶段的第一蒸汽空间和所述冷凝器的蒸汽空间中产生负压，以及
设置在被供给的要浓缩液体与连接通道之间的连接管道，用于在处于负压下的第二蒸汽空间与要浓缩液体之间产生对应的压力平衡。
在根据本发明方法的优选实施例中，进入负压区并从中出来的管道设有容器，使得这些容器中所含的液体能够通过U型管将所述膜蒸馏装置中的负压与环境压力分离。
在根据本发明方法的优选实施例中，进入负压区并从中出来的液体通过机械封闭与环境压力分离。
附图说明
下面，参照实施例和附图，将更详细地说明本发明，附图中：
图1示出示例性实施例，其中膜蒸馏装置包括透汽的、不透液中空细丝以及不透汽和不透液冷凝管；
图2示出示例性实施例，其中膜蒸馏装置包括螺旋单元并通过U型管发生液体的压力分离；
图3示出示例性实施例，其中膜蒸馏装置包括双螺旋单元并通过U型管发生液体的压力分离；
图4示出示例性实施例，其中膜蒸馏装置包括双螺旋单元并通过U型管发生要浓缩液体的压力分离；以及
图5示出具有两个阶段的膜蒸馏装置的示例性实施例，其中每一阶段均用于冷凝和蒸发。
具体实施方式
在图1、图2和图3的实施例中，向要浓缩液体施加降低要浓缩液体的绝对压力的负压。在这方面，要浓缩液体的压力特别可以降低至蒸馏方法中的负压。进入蒸馏方法的负压区并从中出来的液体可以方便地与环境压力分离。要浓缩液体的绝对压力特别可以降低至或低于对应于其温度的沸点蒸汽压力。
在这方面，可以经包括U型管的连接管道向要浓缩液体施加降低液体的绝对压力的负压。进入负压区并从负压区出来的液体特别可以经管道中构建的U型管与环境压力分离。要浓缩液体的绝对压力特别是降低至或低于对应于其温度的沸点蒸汽压力。
根据图4的实施例，可以经包括U型管的连接管道向要浓缩液体施加降低液体的绝对压力的负压。进入负压区并从中出来的液体特别可以经管道中构建的U型管与环境压力分离。
图1示出根据本发明的膜蒸馏装置10的示例性实施例的示意图，其中，具有负压区和要浓缩液体20的蒸汽空间11被中空细丝12界定，其壁由透汽的、不透液的膜13形成。流经膜蒸馏装置10的将要浓缩和预热的液体20由不透液和不透汽的金属或塑料管15界定，其延伸通过与膜的透汽的、不透液的中空细丝12相同的蒸汽空间11。
蒸汽空间11处于在通过透汽的、不透液的膜13并相邻的要浓缩液体20的沸点蒸汽压力区域的负压下。
通过要浓缩液体20与蒸汽空间11之间的负压连接管道16，实现处于负压下的蒸汽空间11与要浓缩液体20之间的压力平衡。为了防止被供给并将要浓缩的液体20经负压连接管道16流入蒸汽空间11，负压连接管道16的一部分形成为U型管17。
由真空泵50和冷凝器30产生负压。经负压管道52向蒸汽空间11施加负压。由供给泵21经液体管道22向膜蒸馏装置10供给要浓缩液体20。为了将膜蒸馏装置10中的负压与环境压力隔离，液体管道22的一部分形成为U型管23。经浓缩物管道25由浓缩物泵24从膜蒸馏装置10中抽出已浓缩液体41。为了将膜蒸馏装置10与环境压力隔离，浓缩物管道25的一部分设计成U型管29。
经蒸馏物管道27由蒸馏物泵26抽出在膜蒸馏装置10中出现的蒸馏物40。为了将膜蒸馏装置10的负压与环境压力隔离，蒸馏物管道27的一部分形成为U型管28。
经包括U型管72的蒸馏物管道74由蒸馏物泵70抽出在冷凝器30中出现的蒸馏物42。
对应液体20、41、40和42的容器62、64、66和76安装在管道22、25、27和74中，作为液体的终端，或者通过U型管23、29、28和72将膜蒸馏装置10的管道22、25、27和74中的负压与环境压力分离。
在A到A′路径上的热交换器60进一步加热要浓缩液体20。
图2示出根据本发明的膜蒸馏装置10的另一个示例性实施例的示意图。
这里，膜蒸馏装置10包括用于一体化热量回收的螺旋线圈结构。
蒸汽空间11处于在通过透汽的、不透液膜壁36分离并相邻的要浓缩液体20的沸点蒸汽压力区域的负压下。
这里，用于要浓缩液体20的流道35的一侧由透汽的、不透液的膜壁36界定，而另一侧由不透汽和不透液的冷凝壁37界定。通过螺旋线圈结构，透汽的、不透液的膜壁36与穿过蒸汽空间11的下一个外螺旋线圈的不透汽和不透液的冷凝壁37对置。
由真空泵50和冷凝器30产生负压。经负压管道52向蒸汽空间11施加负压。
通过被供给的液体20与蒸汽空间11之间的负压连接管道16，实现处于负压下的蒸汽空间11与要浓缩液体20之间的压力平衡。
为了防止被供给的要浓缩液体20经负压连接管道16流入蒸汽空间11，负压连接管道16的一部分形成为U型管17。
由供给泵21经液体管道22向膜蒸馏装置10供给要浓缩液体20。为了将膜蒸馏装置10中的负压与环境压力分离，液体管道22的一部分设计成U型管23。经浓缩物管道25由浓缩物泵24从膜蒸馏装置10中抽出已浓缩液体41。为了将膜蒸馏装置10与环境压力分离，浓缩物管道25的一部分设计成U型管29。
经蒸馏物管道27由蒸馏物泵26抽出在膜蒸馏装置10中出现的蒸馏物40。为了将膜蒸馏装置10的负压与环境压力分离，蒸馏物管道27的一部分设计成U型管28。
经包括U型管72的蒸馏物管道74由蒸馏物泵70抽出在冷凝器30中出现的蒸馏物42。
对应液体20、41、40和42的容器62、64、66和76安装在管道22、25、27和74中，作为液体的终端，或者通过U型管23、29、28和72将膜蒸馏装置10的管道22、25、27和74中的负压与环境压力分离。
图3示出根据本发明的膜蒸馏装置10的又一个示例性实施例的示意图。
这里，膜蒸馏装置10包括用于一体化热量回收的双螺旋线圈结构。在这方面，两个相邻的由金属或塑料制成的不透汽和不透液冷凝壁37形成用于流入要浓缩液体20的流道38，而两个相邻的透汽的、不透液的膜壁36形成已浓缩液体41用的流道39。
在相邻的双螺旋之间，形成蒸汽空间11，其中填充蒸汽，且可以在其底部收集在冷凝壁37上经冷凝出现的向外流动的蒸馏物40。
通过螺旋线圈结构，透汽的、不透液的膜壁36与穿过蒸汽空间11的下一个外螺旋线圈的不透汽和不透液的冷凝壁37对置。
蒸汽空间11处于在通过透汽的、不透液的膜壁36并相邻的要浓缩液体20的沸点蒸汽压力区域的负压下。
由真空泵50和冷凝器30产生负压。经负压管道52向蒸汽空间11施加负压。通过被供给的要浓缩液体20与蒸汽空间11之间的负压连接管道16，实现处于负压下的蒸汽空间11与所用的液体20之间的压力平衡。
为了防止被供给的要浓缩液体20经负压连接管道16流入蒸汽空间11，负压连接管道16的一部分成形为U型管17。
由供给泵21经液体管道22向膜蒸馏装置10供给要浓缩液体20。为了将膜蒸馏装置10中的负压与环境压力分离，液体管道22的一部分设计成U型管23。经浓缩物管道25由浓缩物泵24从膜蒸馏装置10中抽出已浓缩液体41。为了将膜蒸馏装置10与环境压力分离，浓缩物管道25的一部分设计成U型管29。
经蒸馏物管道27由蒸馏物泵26抽出在膜蒸馏装置10中出现的蒸馏物40。为了将膜蒸馏装置10的负压与环境压力分离，蒸馏物管道27的一部分设计成U型管28。
经蒸馏物管道27由蒸馏物泵26抽出在膜蒸馏装置10中出现的蒸馏物40。为了将膜蒸馏装置10的负压与环境压力分离，蒸馏物管道27的一部分形成为U型管28。
经包括U型管72的蒸馏物管道74由蒸馏物泵70抽出在冷凝器30中出现的蒸馏物42。
对应液体20、41、40和42的容器62、64、66和76安装在管道22、25、27和74中，作为液体的终端，或者通过U型管23、29、28和72将膜蒸馏装置10的管道22、25、27和74中的负压与环境压力分离。
图4示出根据本发明的膜蒸馏装置10的再一个示例性实施例的示意图。
这里，膜蒸馏装置10包括用于一体化热量回收的双螺旋线圈结构。两个相邻的由金属或塑料制成的不透汽和不透液冷凝壁37形成用于流入要浓缩液体20的流道38，而两个相邻的透汽的、不透液的膜壁36形成已浓缩液体41用的流道39。在相邻的双螺旋之间，形成蒸汽空间11，其中填充蒸汽，且可以在蒸汽空间11的底部收集在冷凝壁37上出现的向外流动的蒸馏物40。如果蒸汽空间11处于环境压力区域的压力下，那么由液压和静压产生的薄片负荷必须通过负压系统来补偿。
为此，膜蒸馏装置10设有包括真空泵50和管道61(从真空泵50到要浓缩液体20的液体管道22)的真空系统55。管道61通向真空泵50的一部分形成为U型管17，从而液体20不会被负压吸入。
由供给泵21经液体管道22向膜蒸馏装置10供给要浓缩液体20。为了将液体20中的负压与环境压力分离，液体管道22的一部分形成为U型管23。经浓缩物管道25由浓缩物泵24从膜蒸馏装置10中抽出已浓缩液体41。为了将液体20中的负压与环境压力分离，浓缩物管道25的一部分形成为U型管29。
对应液体20和41的容器62和64安装在管道22和25中，作为液体的终端，或者通过U型管23和29将膜蒸馏装置10的管道22和25中的负压与环境压力分离。
蒸馏物40处于环境压力下，因此可以从膜蒸馏装置10中自由地流出。
图5示出根据本发明的膜蒸馏装置10的另一个示例性实施例的示意图，其具有蒸汽发生器80、第一阶段86、第二阶段90和冷凝器30。所有这些构件都处在低于环境压力的压力水平下。
在蒸汽发生器80的蒸汽空间11中的绝对压力基本上处于在通过膜壁36并相邻的液体的沸点蒸汽压力下。通过与环境分离的包括连接管道98(在液体通道94与储槽99之间)的压力平衡系统97(部分地填充液体并将液体从储槽99导向连接通道82)，使蒸汽发生器80中液体的绝对压力达到蒸汽空间11的绝对压力。
来自蒸汽发生器80的蒸汽空间11的蒸汽经连接通道82流入第一阶段86的蒸汽空间81，并且蒸汽在冷凝壁37上冷凝。冷凝物返回到蒸汽发生器80的液体回路中。
在第一阶段86的紧邻膜壁36的蒸汽空间83中，绝对压力小于紧邻冷凝壁37的蒸汽空间81中的蒸汽压力。从液体20中产生的蒸汽通过膜壁36进入紧邻膜壁36的蒸汽空间83。
在第一阶段86中产生的蒸汽经连接通道84流进第二阶段90的由冷凝壁37界定的蒸汽空间87，并在冷凝壁37上冷凝。在第二阶段90的紧邻膜壁36的蒸汽空间89中，绝对压力低于紧邻冷凝壁37的蒸汽空间87中的蒸汽压力。
经蒸汽冷凝释放出的凝结热经冷凝壁37的热传导、流道38中的蒸汽发生以及接下来随着蒸汽穿过膜壁36输送到由膜壁36界定的蒸汽空间83或89中而进行传热。在第二阶段90中产生的蒸汽经连接通道92流入冷凝器30的由冷凝壁37界定的蒸汽空间88，并在冷凝壁37上冷凝。
在第二阶段90和冷凝器30中，在冷凝过程中产生的蒸馏物40通过蒸馏物泵26向外抽出。
整个装置中的负压是由真空系统55所施加的，其包括负压管系统96、冷凝器30以及真空泵50。
从液体20中释放出的不可冷凝的气体经负压管系统96从膜蒸馏装置10中抽出。同时，在蒸汽发生器80、第一阶段86、第二阶段90和冷凝器30各构件中产生负压。通过节气门100设置蒸汽发生器80、第一阶段86、第二阶段90和冷凝器30各构件中的负压。
通过被供给的已浓缩液体20与连接管道22之间的连接管道16，实现处于负压下的蒸汽空间83和89与要浓缩液体20之间的压力平衡。
为了防止被供给的要浓缩液体20经连接管道16流入连接通道92，连接管道16的一部分形成为U型管17。
在通过泵14向冷凝器30供给的液体18中，一部分流体用作向膜蒸馏装置10供给的要浓缩液体20。另一部分流体19弃去。
由供给泵21经液体管道22向膜蒸馏装置10供给要浓缩液体20。为了将膜蒸馏装置10中的负压与环境压力分离，液体管道22的一部分设计成U型管23。经浓缩物管道25由浓缩物泵24从膜蒸馏装置10中抽出已浓缩液体41。为了将膜蒸馏装置10与环境压力分离，浓缩物管道25的一部分设计成U型管29。
此外，为了将膜蒸馏装置10中的负压与环境压力分离，蒸馏物管道27的一部分制成U型管28。
附图标记列表
10膜蒸馏装置 11蒸汽空间
12膜的中空细丝 13膜
14泵 15金属或塑料管，冷凝管
16负压连接管道 17U型管
18液体 19部分流体
20要浓缩液体 21供给泵
22液体管道 23U型管
24浓缩物泵 25浓缩物管道
26蒸馏物泵 27蒸馏物管道
28U型管 29U型管
30冷凝器 35流道
36膜壁 37冷凝壁
38流道 39浓缩物流道
40蒸馏物 41要浓缩液体，浓缩物
42蒸馏物 50真空泵
52负压管道 55真空系统
60热交换器 61管道
62供给U型管用容器 64浓缩物U型管用容器
66蒸馏物管用容器 70蒸馏物泵
72U型管 74蒸馏物管道
76蒸馏物U型管用容器 80蒸汽发生器
81蒸汽空间 82连接通道
83蒸汽空间 84连接通道
86第一阶段 87蒸汽空间
88蒸汽空间 89蒸汽空间
90第二阶段 92连接通道
94液体管道 96负压管系统
97压力平衡系统 98连接管道
99储槽 100节气门
Claims (4)
1.一种多级膜蒸馏方法，其中，向第一阶段(86)的第一蒸汽空间(81)供给来自具有独立液体回路的蒸汽发生器(80)的蒸汽空间(11)的蒸汽，所述蒸汽在界定第一蒸汽空间(81)的冷凝壁(37)上冷凝，所述冷凝壁(37)与所述第一蒸汽空间(81)相对的那侧紧邻流道(38)，所述流道(38)用于引导要浓缩液体(20)，其中与相应冷凝壁(37)相对的那侧由透汽的、不透液或不透水的膜壁(36)界定，所述要浓缩液体(20)通过所述膜壁(36)与所述第一阶段(86)的第二蒸汽空间(83)分离，其中，从所述要浓缩液体(20)产生的蒸汽通过所述膜壁(36)进入所述第二蒸汽空间(83)，并且向所述要浓缩液体(20)施加负压，以设置所述要浓缩液体(20)的绝对压力，其中所述负压用于降低所述要浓缩液体(20)的绝对压力，
其特征在于，来自所述第一阶段(86)的第二蒸汽空间(83)的蒸汽转移至第二阶段(90)的由冷凝壁(37)界定的第一蒸汽空间(87)中，所述蒸汽在所述冷凝壁(37)上冷凝，所述冷凝壁(37)与所述第一蒸汽空间(87)相对的那侧紧邻流道(38)，所述流道(38)用于引导所述要浓缩液体(20)，所述流道(38)与相应冷凝壁(37)相对的那侧由膜壁(36)界定，所述要浓缩液体(20)通过所述膜壁(36)与所述第二阶段(90)的第二蒸汽空间(89)分离，
在所述两个阶段(86，90)中存在的要浓缩液体(20)的绝对压力降低至对应于其温度的沸点蒸汽压力，
在所述两个阶段(86，90)中，选择通过所述膜壁(36)并与所述要浓缩液体(20)相邻的第二蒸汽空间(83，89)中的压力，使其低于环境压力，
在所述两个阶段(86，90)的每一阶段中，所述第二蒸汽空间(83，89)中的负压至少基本上对应于通过所述膜壁(36)并相邻的要浓缩液体(20)的蒸汽压力，并且所述负压被经过所述膜壁(36)的蒸汽流引起的压差增加，
在至少两个阶段(86，90)中发生冷凝和蒸发，其中在比前阶段更低的压力水平和温度水平下在后阶段中发生冷凝和蒸发，来自第二阶段(90)的第二蒸汽空间(89)的蒸汽经连接通道(92)转移至冷凝器(30)的蒸汽空间(88)，
利用真空系统(55)在蒸汽发生器(80)的蒸汽空间(11)、所述两个阶段(86，90)的第一蒸汽空间(81，87)和所述冷凝器(30)的蒸汽空间(88)中产生负压，以及
通过被供给的要浓缩液体(20)与连接通道(92)之间的连接管道(16)在处于负压下的第二蒸汽空间(83，89)与要浓缩液体(20)之间产生对应的压力平衡。
2.一种多级膜蒸馏装置，所述多级膜蒸馏装置包括蒸汽发生器(80)、第一阶段(86)、第二阶段(90)、冷凝器(30)和真空系统(55)，其中，向所述第一阶段(86)的第一蒸汽空间(81)供给来自具有独立液体回路的所述蒸汽发生器(80)的蒸汽空间(11)的蒸汽，所述蒸汽在界定所述第一蒸汽空间(81)的冷凝壁(37)上冷凝，所述冷凝壁(37)与所述第一蒸汽空间(81)相对的那侧紧邻流道(38)，所述流道(38)用于引导要浓缩液体(20)，其中与相应冷凝壁(37)相对的那侧由透汽的、不透液或不透水的膜壁(36)界定，所述要浓缩液体(20)通过所述膜壁(36)与所述第一阶段(86)的第二蒸汽空间(83)分离，其中，从所述要浓缩液体(20)产生的蒸汽通过所述膜壁(36)进入所述第二蒸汽空间(83)，并且向所述要浓缩液体(20)施加负压，以设置所述要浓缩液体(20)的绝对压力，其中所述负压用于降低所述要浓缩液体(20)的绝对压力，所述膜蒸馏装置用于进行根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，来自所述第一阶段(86)的第二蒸汽空间(83)的蒸汽转移至所述第二阶段(90)的由冷凝壁(37)界定的第一蒸汽空间(87)，所述蒸汽在所述冷凝壁(37)上冷凝，所述冷凝壁(37)与所述第一蒸汽空间(87)相对的那侧紧邻流道(38)，所述流道(38)用于引导所述要浓缩液体(20)，所述流道(38)与相应冷凝壁(37)相对的那侧由膜壁(36)界定，所述要浓缩液体(20)通过所述膜壁(36)与所述第二阶段(90)的第二蒸汽空间(89)分离，
在所述两个阶段(86，90)中存在的要浓缩液体(20)的绝对压力降低至对应于其温度的沸点蒸汽压力，
在所述两个阶段(86，90)的每一阶段中，选择通过所述膜壁(36)并与所述要浓缩液体(20)相邻的第二蒸汽空间(83，89)中的压力，使其低于环境压力，
在所述两个阶段(86，90)的每一阶段中，所述第二蒸汽空间(83，89)中的负压至少基本上对应于通过所述膜壁(36)并相邻的要浓缩液体(20)的蒸汽压力，并且所述负压被经过所述膜壁(36)的蒸汽流引起的压差增加，
设置用于冷凝和蒸发的至少两个阶段(86，90)，其中在比前阶段更低的压力水平和温度水平下在后阶段中发生冷凝和蒸发，来自第二阶段(90)的第二蒸汽空间(89)的蒸汽经连接通道(92)转移至所述冷凝器(30)的蒸汽空间(88)，
设置所述真空系统(55)，用于在蒸汽发生器(80)的蒸汽空间(11)、所述两个阶段(86，90)的第一蒸汽空间(81，87)和所述冷凝器(30)的蒸汽空间(88)中产生负压，以及
设置在被供给的要浓缩液体(20)与连接通道(92)之间的连接管道(16)，用于在处于负压下的第二蒸汽空间(83，89)与要浓缩液体(20)之间产生对应的压力平衡。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，进入负压区并从中出来的管道(22，25，27)设有容器，使得这些容器中所含的液体(20，40，41)能够通过U型管(23，28，29)将所述膜蒸馏装置中的负压与环境压力分离。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，进入负压区并从中出来的液体(20，40，41)通过机械封闭与环境压力分离。
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