CN101564649A - 一种压气膜蒸馏装置与方法 - Google Patents

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Abstract

一种压气膜蒸馏装置，其特征在于，包括：热水罐(1)和冷凝器(9)，其中上述热水罐(1)包括两级疏水膜组件(5，7)，分别用于压缩空气的微孔曝气和水蒸汽分离；上述冷凝器(9)用于冷却水蒸汽。本发明设计了一种新的膜蒸馏过程，由两级疏水膜组件构成压气膜蒸馏系统，传质机理不再是利用水蒸气分压差，而是直接气体压差传质，因此传质效率高。与气扫式膜蒸馏相比，压缩空气经过膜过滤，洁净，产水水质好；空气润湿充分，耗气量少。与直接接触式膜蒸馏相比，冷热流体不直接在膜两侧接触冷凝，可以显著降低能耗。与真空膜蒸馏相比，空气压缩机能耗低于真空泵，电能利用效率高；设备要求简单。

Description

一种压气膜蒸馏装置与方法
技术领域
本发明涉及一种压气膜蒸馏装置与方法，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离处理方法。
背景技术
膜蒸馏在近年来吸引了世界范围内的关注和研究。与普通蒸发器比较，膜蒸馏的一个最显著的特征是单位体积的蒸发面积大，因而可以使装置在常压、较低温度的蒸发过程中高效地运行，且蒸馏操作所需的汽相空间很小。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程，操作压力低，因此对膜机械性能的要求低，设备费用也低，过程安全性得到了提高，而且，膜蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染少。膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程。在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的原水一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。由于膜的疏水性，只有水蒸汽能透过膜孔，原水以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，所以膜蒸馏过程理论上可以对离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发物实现100％的脱除。微孔疏水膜在膜蒸馏过程中起两相之间的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，温差极化与温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。
膜蒸馏过程的操作温度低于传统的蒸馏过程，而操作压力又低于传统的膜分离过程；对膜的机械性能要求较低；与传统的蒸馏过程相比，蒸汽空间显著减少。膜蒸馏的组件可以设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性。该过程可以处理浓度极高的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而实现膜蒸馏结晶，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，且只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，可以利用太阳能、地热、温泉、工厂余热和温热的工业废水等廉价能源。
膜蒸馏技术具有操作压力低，可得到99.99％的脱盐率和在良好操作条件下高于反渗透的水通量，显示了它作为反渗透技术的替代(大规模纯水制备)或补充技术(如用于船舶饮用水等)的应用潜力，在降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少浓水排放方面，可望取得显著的经济效益和社会效益。
在大量的理论与实验研究基础上，目前已经发展出四种不同的膜蒸馏操作方式，包括直接接触式膜蒸馏，气隙式膜蒸馏，气流吹扫式膜蒸馏和真空式膜蒸馏。其中直接接触法是将透过多孔膜的水蒸气在冷侧直接进入纯水进行冷凝，因此冷凝过程集成于膜组件以内，操作相对简单，因此是被研究最多的一种膜蒸馏方式。然而与其它操作方式相比，直接接触膜蒸馏会导致更多的热量损失和较为严重的温差极化，是该方法不容忽视的影响因素。真空式膜蒸馏法则是在透过侧施加一个负压，将透过多孔膜的水蒸汽抽出到膜组件以外的冷凝器内进行冷凝液化。此过程的优点是热量损失比其它三种膜蒸馏操作方法都小，蒸馏通量较高，同时，保证施加的负压低于液体进入膜孔的压力以防止膜孔湿化是真空式膜蒸馏运行中十分重要的一个环节。目前为止，将真空式膜蒸馏方法应用于从水体中去除挥发性溶质，从含盐水脱盐制备超纯水，以及溶液的浓缩等的研究工作已经在世界范围内展开。在这些研究中，各种操作条件和工艺参数如进水温度与浓度、热侧水体循环流速和蒸汽压差等对真空式膜蒸馏蒸汽通量的影响已经被一定程度的讨论。此外，真空式膜蒸馏过程的传热与传质机理也被进一步的探讨。
由于膜蒸馏过程是以蒸汽压差或温度差为驱动力，以目前的技术水平，在纯水制备领域与反渗透技术相比并无明显优势，但是，在高浓度水溶液浓缩方面膜蒸馏过程的发展潜力是反渗透过程无法比拟的。浓水溶液极高的渗透压使反渗透过程无法运行，而膜蒸馏可把水溶液浓缩至过饱和状态。
但是，至今为止，以上四种膜蒸馏方式都存在能耗高、效率低、可靠性低等一些问题。如直接接触式膜蒸馏虽然工艺设备简单，但由于冷热源直接接触，使设备运行能耗较高，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；真空式膜蒸馏虽然膜通量较大，但对系统要求较高。气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低。因此，研究新的膜蒸馏技术，降低投资和运行费用，可以取得显著的经济效益和社会效益。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种新型的压气膜蒸馏装置和方法。
本发明提供一种压气膜蒸馏装置，其特征在于，包括：热水罐和冷凝器，其中上述热水罐包括两级疏水膜组件，分别用于压缩空气的微孔曝气和水蒸汽分离；上述冷凝器用于冷却水蒸汽。
上述热水罐上设置进水分配管，向热水罐中引入原水；热水罐的底部设置加热器，上述加热器用于将原水加热至预定温度；上述加热器的上方设置第一级疏水膜组件，上述膜组件上连接有压缩空气进口，压缩空气进口用于向热水罐内引入压缩空气，压缩空气由中空纤维膜内部，透过膜，以微孔曝气方式进入原水中；热水罐1的顶部设置第二级疏水膜组件，对润湿的压缩空气进行过滤。
上述第一级疏水膜组件为外接触式，无外壳，直接浸没在原水中，压缩空气由中空纤维膜内部透过膜，以微孔曝气方式进入原水中；上述第二级疏水膜组件为内接触式，有外壳，可由多支膜组件并联构成，直接固定在热水罐的顶部，被原水充分润湿的压缩空气由膜组件下端口进入中空纤维膜内部，透过膜过滤后，由设置在第二级疏水膜组件上的湿热空气引出管导入冷凝器。
上述冷凝器上设置有湿热空气引出管，用于将湿热空气引入到冷凝器中；冷却水进口，用于引入冷却水；冷却水出口，用于排出冷却水；废气出口，用于排出废气；蒸馏水产水引出管，用于引出产品水。
上述冷凝器的材质是玻璃、金属或塑料中空纤维。
本发明一种压气膜蒸馏方法，其特征在于：首先，预热的原水通过进水分配管均匀分布进入热水罐中；然后，原水被加热器加热至预定温度；压缩空气由进口进入中空纤维疏水膜组件的管程内，透过膜壁，以微孔曝气方式进入原水中；上述压缩空气被原水充分润湿后，由膜组件下端口进入中空纤维膜管程内，透过膜壁后，由湿热空气引出管导入冷凝器，产品水从产水引出管流出，废气由出口排空；冷却水由进口进入冷凝器，再由冷却水出口排出。
通过本发明取得如下效果：
本发明设计了新的膜蒸馏过程，由两级疏水膜组件构成压气膜蒸馏系统，传质机理不再是利用水蒸气分压差，而是直接气体压差传质，因此传质效率高。
与气扫式膜蒸馏相比，压缩空气经过膜过滤，洁净，产水水质好；空气润湿充分，耗气量少。
与直接接触式膜蒸馏相比，冷热流体不直接在膜两侧接触冷凝，可以显著降低能耗。
与真空膜蒸馏相比，空气压缩机能耗低于真空泵，电能利用效率高；设备要求简单。
在本发明的系统中，待处理的液体可以是自来水、海水、冷却系统排出的热水或化工产品溶液。
附图说明
图1是本发明压气膜蒸馏装置工艺示意图。
具体实施方式
本发明的系统如图1所示。本发明的压气膜蒸馏装置从整体上看，包括热水罐1和冷凝器9，其中上述热水罐1包括两级疏水膜组件5，7，分别用于压缩空气的微孔曝气和水蒸汽分离；上述冷凝器9用于冷却水蒸汽。
上述热水罐1上设置进水分配管2，向热水罐1中引入原水；
热水罐1的底部设置加热器6，用于将原水加热至预定温度，一般为50～90℃；
加热器6的上方设置第一级疏水膜组件5，上述膜组件5上连接有压缩空气进口4，用于向热水罐内引入压缩空气，压缩空气由中空纤维膜内部，透过膜，以微孔曝气方式进入原水3中；上述疏水膜组件5为外接触式，无外壳，直接浸没在原水中，压缩空气由中空纤维膜内部，透过膜，以微孔曝气方式进入原水3中，膜不易被污染，对原水预处理要求也相应较低。也可以用常规的微孔曝气头取代疏水膜组件5，进一步降低设备总体造价，但压缩空气未经过膜过滤，产水水质会明显下降，而且，微孔曝气头形成的气泡尺寸会相对较大，影响压缩空气的吸收水汽能力。
热水罐1的顶部设置第二级疏水膜组件7，上述疏水膜组件7为内接触式，有外壳，可以是多支膜组件并联，直接固定在热水罐顶部，被原水充分润湿的压缩空气由膜组件下端口进入中空纤维膜内部，透过膜，由设置在其上的湿热空气引出管8导入冷凝器9。
上述冷凝器9上设置有湿热空气引出管8，用于将湿热空气引入到冷凝器9中；冷却水进口10，用于引入冷却水；冷却水出口11，用于排出冷却水；废气出口12，用于排出废气；蒸馏水产水引出管13，用于引出产品水。
上述冷凝器9材质可以是玻璃、金属或塑料中空纤维，本发明优选中空纤维。
本发明的压气膜蒸馏方法是：被预热的原水通过进水分配管2均匀分布进入热水罐1中，再被加热器6加热至预定温度，一般为50～90℃；压缩空气由进口4进入中空纤维疏水膜组件5管程内，透过膜壁，以微孔曝气方式进入原水3中，被原水充分润湿后，由膜组件下端口进入中空纤维膜7管程内，透过膜壁后，由湿热空气引出管8导入冷凝器9，产品水从产水引出管13流出，废气由出口12排空；冷却水由进口10进入冷凝器9，再由冷却水出口11排出。
本发明特点如下：
设计了新的膜蒸馏过程，由两级疏水膜组件构成压气膜蒸馏系统，传质机理不再是利用水蒸气分压差，而是直接气体压差传质，因此传质效率高。
与气扫式膜蒸馏相比，压缩空气经过膜过滤，洁净，产水水质好；空气润湿充分，耗气量少。
与直接接触式膜蒸馏相比，冷热流体不直接在膜两侧接触冷凝，可以显著降低能耗。
与真空膜蒸馏相比，空气压缩机能耗低于真空泵，电能利用效率高；设备要求简单。

Claims (6)

1、一种压气膜蒸馏装置，其特征在于，包括：
热水罐(1)和冷凝器(9)，其中上述热水罐(1)包括两级疏水膜组件(5，7)，分别用于压缩空气的微孔曝气和水蒸汽分离；上述冷凝器(9)用于冷却水蒸汽。
2、根据权利要求1所述的压气膜蒸馏装置，其特征在于：
上述热水罐(1)上设置进水分配管(2)，向热水罐(1)中引入原水；
热水罐(1)的底部设置加热器(6)，上述加热器用于将原水加热至预定温度；
上述加热器(6)的上方设置第一级疏水膜组件(5)，上述膜组件(5)上连接有压缩空气进口(4)，压缩空气进口(4)用于向热水罐(1)内引入压缩空气，压缩空气由中空纤维膜内部，透过膜，以微孔曝气方式进入原水(3)中；
热水罐1的顶部设置第二级疏水膜组件(7)，对润湿的压缩空气进行过滤。
3、根据权利要求2所述的压气膜蒸馏装置，其特征在于：
上述第一级疏水膜组件(5)为外接触式，无外壳，直接浸没在原水(3)中，压缩空气由中空纤维膜内部透过膜，以微孔曝气方式进入原水(3)中；上述第二级疏水膜组件(7)为内接触式，有外壳，可由多支膜组件并联构成，直接固定在热水罐(1)的顶部，被原水充分润湿的压缩空气由膜组件下端口进入中空纤维膜内部，透过膜过滤后，由设置在第二级疏水膜组件(7)上的湿热空气引出管(8)导入冷凝器(9)。
4、根据权利要求1或2所述的压气膜蒸馏装置，其特征在于：
上述冷凝器(9)上设置有湿热空气引出管(8)，用于将湿热空气引入到冷凝器(9)中；冷却水进口(10)，用于引入冷却水；冷却水出口(11)，用于排出冷却水；废气出口(12)，用于排出废气；蒸馏水产水引出管(13)，用于引出产品水。
5、根据权利要求4所述的压气膜蒸馏装置，其特征在于：
上述冷凝器(9)的材质是玻璃、金属或塑料中空纤维。
6、一种压气膜蒸馏方法，其特征在于：
首先，预热的原水通过进水分配管(2)均匀分布进入热水罐(1)中；
然后，原水被加热器(6)加热至预定温度；
压缩空气由进口(4)进入中空纤维疏水膜组件(5)的管程内，透过膜壁，以微孔曝气方式进入原水(3)中；
上述压缩空气被原水充分润湿后，由膜组件下端口进入中空纤维膜(7)管程内，透过膜壁后，由湿热空气引出管(8)导入冷凝器(9)，产品水从产水引出管(13)流出，废气由出口(12)排空；
冷却水由进口(10)进入冷凝器(9)，再由冷却水出口(11)排出。
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