CN101632902A - 一种节能式减压膜蒸馏组件装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种节能式减压膜蒸馏组件装置及方法，该组件装置包括一个或多个组件单元，组件单元是由膜组件组和换热组件组构成的，组件单元内的膜组件组和换热组件组间隔排列串联组合，组件单元内的膜组件组和换热组件组可以单组组合也可以多组组合。本发装置及方法具有热能消耗低、结构简单、设备集成化程度高、操作成本低、应用范围宽等优点。

Description

一种节能式减压膜蒸馏组件装置及方法

技术领域

本发明涉及一种分离装置，具体讲涉及节能减压膜蒸馏组件装置及方法。

背景技术

膜蒸馏是一种在脱盐、浓缩、结晶、分离、水处理等领域具有广泛应用前景的技术。

减压膜蒸馏是多种膜蒸馏形式中的一种，具有传导热损失少等优点。本发明针对减压膜蒸馏的特点研制出了能够进行热量高效利用的减压膜蒸馏组件装置及方法，能够显著提高减压膜蒸馏过程中的热利用率、提高生产效率、大幅降低运行过程中的热消耗及生产成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够显著降低热量消耗的减压膜蒸馏组件装置及方法。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种具备热量热回收功能的减压膜蒸馏组件装置，该组件装置包括一个或多个组件单元。

如图1所示，组件单元是由膜组件组和换热组件组构成的，组件单元内的膜组件组和换热组件组间隔排列串联组合，组件单元内的膜组件组和换热组件组可以单组组合也可以多组组合。所述的组件单元还包括另外一个与末级换热组件组相连的换热组件或换热组件组。

所述的膜组件组是由一个以上串联的框式中空纤维膜组件组成的；膜组件组内的第一级膜组件的一个端盖与其相邻第二级膜组件同侧的端盖相连通，第二级膜组件另一端的端盖同与其相邻第三级膜组件同侧的端盖相连通，如此顺序串联排列的膜组件的端部相互连通。

所述的换热组件组是由一个或一个以上串联的框式换热组件组成的；换热组件组内多个串联排列的第一级换热组件的一个端盖与其相邻第二级换热组件同侧的端盖相连通，第二级换热组件另一端的端盖同与其相邻第三级换热组件同侧的端盖相连通，如此顺序串联排列的换热组件的端部相互连通。

所述的组件单元内相邻膜组件组和换热组件组之间相邻的未连接组件端盖之间相互连通。

所述的组件单元的两端各有一个封盖，其中与最后一个换热组件相连的封盖上有一个流体进出口。

所述的组件单元的下侧设有一个或多个排液口。

所述的组件单元在使用时可为卧式、立式或斜式。

所述的框式中空纤维膜组件(如图2所示)包括组件槽体以及在槽体内均匀排列的疏水性多孔中空纤维膜，中空纤维膜的两端分别被固定密封在槽体的两端，组件槽体的两端分别与一个有流体进出口的端盖相连接。

所述的框式换热组件(如图3所示)为各种具有框式结构的管壳式换热组件，换热组件包括组件槽体以及在槽体内均匀排列的换热管，换热管的两端分别被固定密封在槽体的两端，组件槽体的两端分别与一个有液体进出口的端盖相连接；所述的换热管包括金属换热管、塑料换热管和其它材质的换热管以及各种材质具有薄壁小外径的中空纤维换热管；所述的框式换热组件具有与框式中空纤维膜组件相同或相近的内部长宽尺寸。

所述的框式中空纤维膜组件和框式换热组件的内部宽度为0.04～4米，长度为0.04～4米，深度为0.02～2米。

所述的组件单元的结构可为一体式结构，以疏水性多孔中空纤维膜组成的膜组件单元和以换热管组成的换热组件单元按照图1所示的排列方式分别平行装填在同一个组件槽体内，中空纤维膜和换热管的两端分别被固定密封在槽体的两端，每一个膜组件单元和换热组件单元的两端都分别与一个有液体进出口的端盖相连接；组件槽体内相邻串联的膜组件单元组成一个膜组件单元组，相邻串联的换热组件单元组成一个换热组件单元组；除组件槽体内第一级膜组件单元的一个端盖之外，其另一端盖同相邻的第二级膜组件单元的一个端盖相连通，第二级膜组件单元的另一个端盖同与其相邻的第三级膜组件单元的一个端盖相连通，依次不同膜组件单元之间、膜组件单元和换热组件单元之间以及换热组件单元之间的同侧相邻端盖相互连通；所述的一体式组件单元还包括另外一个与末级换热组件单元相连的换热组件单元组或换热组件组。所述的一体式组件单元的两端各有一个封盖，其中与最后一个换热单元或换热组件相连的封盖上有一个流体进出口；所述的一体式组件单元的下侧设有一个或多个排液口。

一种能够显著降低热消耗的减压膜蒸馏方法，其特征在于包括以下过程：

A物料液预处理

物料液须经过适当的预处理除去其中的固体颗粒、悬浮物、凝胶等可能对中空纤维膜造成污染的成份。

B热物料液的减压膜蒸馏及热量回收

在使用本发明的组件单元进行减压膜蒸馏时，料液流经中空纤维膜和换热管的内腔，真空负压施加于中空纤维膜和换热管的外侧。

经过预处理并被加热至预设温度(40至100℃)的物料液进入第一级膜组件或膜组件单元后沿中空纤维膜内腔从其一端流向另一端，可挥发组份在物料液-膜的界面上蒸发，蒸气通过膜孔扩散到达中空纤维膜的外侧；经过蒸发后的料液以相反的方向直接进入第二级膜组件或膜组件单元中空纤维膜的内腔，在第二级膜组件或膜组件单元内进行再蒸发；第一级膜组件或膜组件单元内产生的蒸气在真空负压的作用下进入与之相邻的第二级膜组件或膜组件单元，同中空纤维膜内流动的料液进行热交换，部分蒸气冷凝为液体；经过同时加温与蒸发的料液进入下一级膜组件或膜组件单元进行着同样的加温与蒸发过程，以此类推到达末级膜组件或膜组件单元；从末级膜组件或膜组件单元流出的低温料液进入与之相邻的换热组件组或换热组件单元组中换热管的内腔同从末级膜组件或膜组件单元抽出的蒸气进行热交换，料液被进一步加温，部分蒸气被冷凝。

如果组件单元内存在多组间隔排列串联组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组，则经过上述第一级组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组的蒸发与加温后的料液进入第二级组合，继续着与第一级组合相同的蒸发与加温过程，以此类推到达最后一级组合；最后一级组合未被冷凝的蒸气则通过组件单元最后串联的换热组件组或换热组件单元组同低温补充料液或其他冷却介质进行热交换至全部或大部分蒸气冷凝为液体。

在组件单元内经过多级的蒸发和热回收工艺过程后，料液内的可挥发组分在相当程度上被分离出去，同时料液被浓缩至一定浓度；若料液需要被进一步蒸馏，则从末级换热组件组或换热组件单元组内流出的低温料液被补充热量进一步加温至预设温度后重新进入膜蒸馏组件装置进行循环蒸发直至达到预期效果。

冷凝液通过设置于组件单元下部的排液口排出组件单元。

根据规模要求，可通过增加组件单元的数量、组件单元内膜组件组或膜组件单元组的数量和换热组件组或换热组件单元组的数量、膜组件组或膜组件单元组内膜组件或膜组件单元的数量和换热组件组或换热组件单元组内换热组件或换热组件单元的数量以提高设备的料液处理量和规模。

本发明的节能式减压膜蒸馏组件装置及方法具有热消耗低、结构简单、设备集成化程度高、操作成本低、应用范围宽等优点。

附图说明

图1是组件单元装置示意图： 1-1、膜组件M11、M12、……M1x、……M1e分别表示第一级组合中第一级、第二级、……第x级至末级中空纤维膜组件，1-2、膜组件M21、M22、…M2x、…M2e分别表示第二级组合中第一级、第二级、……第x级至末级中空纤维膜组件，2-1、H1表示第一级组合中的换热组件或换热组件组，2-2、H2表示第二级组合中的换热组件或换热组件组，2-3、Hf表示组件单元中最后一级换热组件或换热组件组，3、膜组件侧封盖，4、换热组件侧封盖，5、有液体进出口的膜组件及换热组件端盖，6、液体管路，7、物料液进口，8、物料液出口，9、冷却液或气进口，10、冷却液或气出口，11、真空接口，12、冷凝液排放口。

图2是框式中空纤维膜组件：13、膜组件槽体，14、中空纤维膜，15、膜组件端盖(5)上的液体进出口。

图3是框式换热组件：16、换热组件槽体，17、换热管，18、换热组件端盖(5)上的液体进出口。

具体实施方式

在使用如图1所示结构的组件单元装置进行减压膜蒸馏时，料液流经中空纤维膜(14)和换热管(17)的内腔，而真空负压通过真空接口(11)施于中空纤维膜(14)和换热管(17)的外侧。

如图1所示，经过预处理和具有较高温度(40至100℃)的物料液通过料液进口(7)进入第一级组合的第一级膜组件(M11)或膜组件单元沿中空纤维膜(14)内腔流向中空纤维膜的另一端；在真空负压的作用下，挥发组份在物料液-膜的界面上蒸发，蒸气通过膜孔到达中空纤维膜(14)的外侧。

料液经过蒸发后以相反的方向直接进入第二级膜组件(M12)或膜组件单元中空纤维膜的内腔，在第二级膜组件(M12)或膜组件单元内进行再蒸发。第一级膜组件(M11)或膜组件单元内产生的蒸气在真空负压的作用下进入与之相邻的第二级膜组件(M12)或膜组件单元，同中空纤维膜内流动的料液进行热交换使料液温度升高而部分蒸气冷凝为液体。经过同时加温与蒸发的料液进入下一级膜组件(M1x)或膜组件单元进行着同样的加温与蒸发过程，以此类推到达末级膜组件(M1e)或膜组件单元。从末级膜组件(M1e)或膜组件单元流出的低温料液进入与之相邻的换热组件组(H1)或换热组件单元组换热管的内腔同从末级膜组件(M1e)或膜组件单元抽出的蒸气进行热交换，料液被进一步加温，部分蒸气被冷凝。

如果组件单元内存在多组间隔排列串联组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组，则经过上述第一级组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组的蒸发与加温后的料液进入第二级组合，继续着与第一级组合相同的蒸发与加温过程，以此类推到达最后一级组合。

最后一级组合未被冷凝的蒸气则通过组件单元最后连接的换热组件组(Hf)或换热组件单元组同低温补充料液或其他冷却介质进行热交换至全部或大部分蒸气冷凝为液体。

在组件单元内经过多级的蒸发和热回收工艺过程后，料液内的可挥发组分在相当程度上被分离出去，同时料液被浓缩至一定浓度；若料液需要被进一步蒸馏，则从末级换热组件组(H2)或换热组件单元组内流出的低温料液被补充热量进一步加热至预设温度后重新进入膜蒸馏组件装置进行循环蒸发直至达到预期效果。

冷凝液通过设置于组件单元下部的排液口(12)排出膜蒸馏组件系统。

根据规模要求，可通过增加组件单元的数量、组件单元内膜组件组或膜组件单元组的数量和换热组件组或换热组件单元组的数量、膜组件组或膜组件单元组内膜组件或膜组件单元的数量和换热组件组或换热组件单元组内换热组件或换热组件单元的数量以提高设备的料液处理量和规模。

实施例1

物料液：海水

预处理：沉淀、沙滤、微滤

单位组件单元内：

膜组件数量：7个

换热组件数量：4个

组件单元数量：1个

物料液的膜组件进口温度：85℃

结果：产品为蒸馏水、18％含盐浓海水，热量回收利用率88％。

实施例2

物料液：含盐8％工业废水(COD＜100mg/l)

预处理：超滤

单位组件单元内：

膜组件数量：5个

换热组件数量：3个

组件单元数量：3个

物料液的膜组件进口温度：90℃

结果：产品为蒸馏水、固体盐结晶、饱和盐水，热量回收利用率85％。

实施例3

物料液：8％乙醇盐水溶液

预处理：过滤

单位组件单元内：

膜组件数量：9个

换热组件数量：4个

组件单元结构形式：一体式结构

膜蒸馏组件单元数量：4个

物料液的膜组件进口温度：65℃

结果：产品为95％乙醇溶液，热量回收利用率65％。

实施例4

物料液：环氧树脂合成废水(NaCl 10％，COD 40000mg/l以上)

预处理：沉淀、过滤

单位组件单元内：

膜组件单元数量：10个

换热组件单元：5个

组件单元结构形式：一体式结构，两级组合(每级5个膜组件单元、2个换热组件单元)

组件单元数量：4个

物料液的膜组件进口温度：90℃

结果：产品为蒸馏水、27％浓盐水溶液，热量回收利用率88％。

实施例5

物料液：镀镍工业废水

预处理：过滤

单位组件单元内：

膜组件数量：12个

换热组件数量：5个

组件单元结构形式：两级组合(每级6个膜组件、2个换热组件)

组件单元数量：6个

物料液的膜组件进口温度：88℃

结果：产品为蒸馏水、浓缩硫酸镍溶液，热量回收利用率86％。

Claims (9)

1、一种减压膜蒸馏组件装置，该组件装置包括一个或多个组件单元，其特征在于所述的组件单元是由膜组件组和换热组件组构成的，组件单元内的膜组件组和换热组件组间隔排列串联组合，组件单元内的膜组件组和换热组件组可以单组组合也可以多组组合。

2、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征是：组件单元中的膜组件组是由一个以上串联的框式中空纤维膜组件组成的；所述的框式中空纤维膜组件包括组件槽体以及在槽体内均匀排列的疏水性多孔中空纤维膜，中空纤维膜的两端分别被固定密封在槽体的两端，组件槽体的两端分别与一个有流体进出口的端盖相连接；膜组件组内的第一级膜组件的一个端盖与其相邻第二级膜组件同侧的端盖相连通，第二级膜组件另一端的端盖同与其相邻第三级膜组件同侧的端盖相连通，如此顺序串联排列的膜组件的端部相互连通。

3、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征是：组件单元中的换热组件组是由一个或一个以上串联的框式换热组件组成的；所述的框式换热组件为各种具有框式结构的管壳式换热组件，换热组件包括组件槽体以及在槽体内均匀排列的换热管，换热管的两端分别被固定密封在槽体的两端，组件槽体的两端分别与一个有液体进出口的端盖相连接；所述的换热管包括金属换热管、塑料换热管和其它材质的换热管以及各种材质具有薄壁小外径的中空纤维换热管；换热组件组内多个串联排列的第一级换热组件的一个端盖与其相邻第二级换热组件同侧的端盖相连通，第二级换热组件另一端的端盖同与其相邻第三级换热组件同侧的端盖相连通，如此顺序串联排列的换热组件的端部相互连通；所述的框式换热组件具有与框式中空纤维膜组件相同或相近的内部长宽尺寸。

4、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元内相邻膜组件组和换热组件组之间相邻的未连接组件端盖之间相互连通。

5、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元还包括另外一个与末级换热组件组相连的换热组件组。

6、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元的两端各有一个封盖，其中与最后一个换热组件相连的封盖上有一个流体进出口。

7、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元的下侧设有一个或多个排液口。

8、按照权利要求1的减压膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元的结构可为一体式结构，以疏水性多孔中空纤维膜组成的膜组件单元和以换热管组成的换热组件单元按照图1所示的排列方式分别平行装填在同一个组件槽体内，中空纤维膜和换热管的两端分别被固定密封在槽体的两端，每一个膜组件单元和换热组件单元的两端都分别与一个有液体进出口的端盖相连接；组件槽体内相邻串联的膜组件单元组成一个膜组件单元组，相邻串联的换热组件单元组成一个换热组件单元组；除组件槽体内第一级膜组件单元的一个端盖之外，其另一端盖同相邻的第二级膜组件单元的一个端盖相连通，第二级膜组件单元的另一个端盖同与其相邻的第三级膜组件单元的一个端盖相连通，依次不同膜组件单元之间、膜组件单元和换热组件单元之间以及换热组件单元之间的同侧相邻端盖相互连通；所述的一体式组件单元还包括另外一个与末级换热组件单元相连的换热组件单元组或换热组件组；所述的一体式组件单元的两端各有一个封盖，其中与最后一个换热单元或换热组件相连的封盖上有一个流体进出口；所述的一体式组件单元的下侧设有一个或多个排液口。

9、一种使用如权利要求1所述的减压膜蒸馏组件装置的方法，其特征在于包括如下步骤：

在使用本发明的组件单元进行减压膜蒸馏时，料液流经中空纤维膜和换热管的内腔，真空负压施加于中空纤维膜和换热管的外侧；

经过预处理并被加热至预设温度的物料液进入第一级膜组件或膜组件单元后沿中空纤维膜内腔从其一端流向另一端，可挥发组份在物料液-膜的界面上蒸发，蒸气通过膜孔扩散到达中空纤维膜的外侧；经过蒸发后的料液以相反的方向直接进入第二级膜组件或膜组件单元中空纤维膜的内腔，在第二级膜组件或膜组件单元内进行再蒸发；第一级膜组件或膜组件单元内产生的蒸气在真空负压的作用下进入与之相邻的第二级膜组件或膜组件单元，同中空纤维膜内流动的料液进行热交换，部分蒸气冷凝为液体；经过同时加温与蒸发的料液进入下一级膜组件或膜组件单元进行着同样的加温与蒸发过程，以此类推到达末级膜组件或膜组件单元；从末级膜组件或膜组件单元流出的低温料液进入与之相邻的换热组件组或换热组件单元组中换热管的内腔同从末级膜组件或膜组件单元抽出的蒸气进行热交换，料液被进一步加温，部分蒸气被冷凝；

如果组件单元内存在多组间隔排列串联组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组，则经过上述第一级组合的膜组件组或膜组件单元组和换热组件组或换热组件单元组的蒸发与加温后的料液进入第二级组合，继续着与第一级组合相同的蒸发与加温过程，以此类推到达最后一级组合；最后一级组合未被冷凝的蒸气则通过组件单元最后串联的换热组件组或换热组件单元组同低温补充料液或其他冷却介质进行热交换至全部或大部分蒸气冷凝为液体；

在组件单元内经过多级的蒸发和热回收工艺过程后，料液内的可挥发组分在相当程度上被分离出去，同时料液被浓缩至一定浓度；若料液需要被进一步蒸馏，则从末级换热组件组或换热组件单元组内流出的低温料液被补充热量进一步加温至预设温度后重新进入膜蒸馏组件装置进行循环蒸发直至达到预期效果；

冷凝液通过设置于组件单元下部的排液口排出组件单元；

根据规模要求，可通过增加组件单元的数量、组件单元内膜组件组或膜组件单元组的数量和换热组件组或换热组件单元组的数量、膜组件组或膜组件单元组内膜组件或膜组件单元的数量和换热组件组或换热组件单元组内换热组件或换热组件单元的数量以提高设备的料液处理量和规模。

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