CN101664643A - 热回收膜蒸馏装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种用于从进料溶液分离馏出物的接触器组件，包括：具有内部区域的外壳、馏出物收集室、以及延伸穿过馏出物收集室的多个中空纤维膜和多个中空管，其中，中空纤维膜设置成允许蒸汽传输，以及中空管设置成基本阻止蒸汽传输，以及进一步设置成允许热能的传输。本发明涉及一种热回收膜蒸馏装置和系统。

Description

热回收膜蒸馏装置和系统

技术领域

【0001】本发明涉及用于液体处理过程的蒸馏系统。具体地，本发明涉及包含中空纤维接触器组件的蒸馏系统，该中空纤维接触器组件在液体处理过程中从进料溶液分离馏出物流体。

背景技术

【0002】近年来，膜蒸馏在各种流体处理应用中变得越来越流行。膜通常为疏水的和多微孔的，以在工作期间把进料溶液与馏出物溶液分开。中空纤维膜和平片膜都已在试验研究中使用。对于膜蒸馏，中空纤维膜通常用于管/壳构造，沿着组件的纵轴布置多束中空纤维膜。束中的每个中空纤维膜通常都是疏水的、多微孔的膜，具有外表面和内部中空管状区域。在一些膜蒸馏系统中，中空纤维膜的外表面面向组件的壳程，该壳程为包含进料溶液的组件的部分。内部中空管状区域限定组件的管程，该管程提供了用于收集从进料溶液分离的馏出物流体的管道。

【0003】在膜蒸馏期间，通常预热进料溶液以形成横跨中空纤维膜的温差。该温差在组件中纤维的壳程和管程之间产生了蒸汽压差，这导致一部分进料溶液在进料溶液侧上的孔隙入口附近蒸发并导致蒸汽传输通过中空纤维膜。传输的蒸汽随后凝结在馏出物侧上的膜的孔隙入口附近的气/液界面上，从而提供了期望的馏出物。因为在分离过程中涉及液体的蒸发，所以大量热能从进料溶液传递到馏出物。能够收回热能会对膜蒸馏过程的热效率产生显著地影响。因而，对膜蒸馏过程的热能回收有持续的需求。

发明内容

【0004】本发明的实施例包括接触器组件，其具有：具有内部区域的外壳、多个中空纤维膜和多个中空管、以及馏出物收集室。中空纤维膜延伸穿过内部区域，并设置成允许蒸汽传输。中空管延伸穿过内部区域，并设置成基本阻止蒸汽传输而允许热能传输。在馏出物收集室中收集馏出物，中空纤维膜和中空管延伸穿过馏出物收集室。

【0005】本发明的一个实施例包括蒸馏装置，该蒸馏装置具有第二进料入口歧管、第二进料出口歧管以及接触器组件。接触器组件包括：具有内部区域的外壳；在外壳中的将内部区域分成三个室的四个密封件；多个中空纤维膜和多个中空管；以及馏出物出口。中空纤维膜从第一进料入口室延伸到第一进料出口室，并设置成允许蒸汽传输。中空管从第二进料入口歧管延伸到第二进料出口歧管，并设置成基本阻止蒸汽传输而允许热能传输。

【0006】进一步示例性实施例包括从进料溶液分离馏出物的系统，该系统具有：用于提供进料溶液的第一和第二进料回路；至少一个具有三个室的接触器组件；多个中空纤维膜和中空管；以及馏出物出口。中空纤维膜从第一进料入口室延伸到第一进料出口室，并与第一进料回路流体连通，并设置成允许蒸汽传输。中空管从第二进料入口歧管向第二进料出口歧管延伸，并与第二进料回路流体连通，并设置成基本阻止蒸汽传输而允许热能传输。

附图说明

【0007】图1为包括中空纤维接触器组件的蒸馏系统的示意图。

【0008】图2A为中空纤维接触器组件的内部的一个实施例的示意图。

【0009】图2B为中空纤维接触器组件的内部的替代实施例的示意图。

【0010】图3A为中空纤维接触器组件内部的一个实施例的横截面视图。

【0011】图3B为中空纤维接触器组件的内部可替代实施例的横截面视图。

【0012】图4为中空纤维接触器组件的内部的替代实施例的示意图。

【0013】图5A为设置成允许蒸汽传输的中空纤维膜的一个实施例的展开截面图。

【0014】图5B为设置成阻止蒸汽传输但允许热传输的中空管的一个实施例的展开截面图。

具体实施方式

【0015】图1为蒸馏系统10的示意图，其包括：接触器组件12、第一进料回路14、第二进料回路16、以及蒸馏部分18，是用于将馏出物从进料溶液分离的合适的系统。如在下文所讨论的，第一进料回路14以高温将进料溶液提供给接触器组件12。同样如在下文所讨论的，第二进料回路16在冷却(降低)的温度将进料溶液提供给接触器组件12。流入接触器组件12的冷却的进料溶液和加热的进料溶液的组合在接触器组件12中产生温差。温差产生相应的蒸汽压差。蒸汽压差促进馏出物从进料溶液的分离率。冷却的进料溶液可用作冷却剂以使蒸馏部分18中的蒸汽凝结。

【0016】用于蒸馏系统10的合适进料溶液的实例包括含有混合物的溶液，该混合物通过横跨疏水的、多微孔的膜的蒸汽压差是可分离的，例如海水、含盐水、以及其它用于水或废水处理过程的水基盐水溶液(aqueousbrine solutions)。此处使用的术语“溶液”指的是载体液体，包含一种或多种完全溶解的、部分溶解的、分散的、乳化的、或以其它形式悬浮在载体液体中的固体。例如进料溶液可为包含至少部分溶解在水载体中的盐的水基盐水溶液。在这个实例中，蒸馏系统10可被用于从水基盐水溶液中分离至少一部分水，以提供洁净水作为馏出物流体。蒸馏系统10也包括标准的流体处理设备(未示出)，例如过程控制单元、流体泵、和过滤器。

【0017】接触器组件12为中空纤维接触器组件，其经由蒸汽压差从进料溶液中分离馏出物流体(例如，从水基盐水溶液分离水)。如在下文所讨论的，将接触器组件12分成壳程(图1未示出)、第一管程(图1未示出)、以及第二管程(图1未示出)，其中，壳程与蒸馏部分18流体连通；第一管程与第一进料回路14流体连通；以及第二管程与第二进料回路16流体连通。

【0018】根据本发明的蒸馏系统10的接触器组件12能够在液体空隙或空气间隙模式下工作。在两种工作模式下，第一管程和壳程由疏水膜分开，第一管程包含进料溶液。在液体间隙模式中，允许液体馏出物与膜和冷却/冷凝表面接触。这不同于使用空气间隙模式时的组件的工作。在空气间隙模式中，避免了馏出物与膜和冷凝表面的接触。有时，这种接触会损害接触器组件的功能。

【0019】在液体间隙模式中，接触器组件12的壳程包含液体(馏出物)。壳程也包含温度低于第一管程的元件。根据本发明，这个元件为第二管程的外表面。第二管程包含进料溶液，其温度低于第一管程的进料溶液。第二管程冷却壳程中的空气或馏出物，从而产生第一管程和冷却器壳程之间的蒸汽压差。这种蒸汽压差导致部分进料溶液从第一管程输送到壳程。输送穿过疏水膜的该部分进料溶液可随后在壳程中凝结在第一和第二管程的外表面上，并随后与馏出物混合并被收集。在空气间隙模式中，接触器组件12的壳程包含气体(空气)。

【0020】为了举例的目的，将更详细的描述在液体空隙模式中的工作。下文提供了可应用的液体空隙模式和空气空隙模式的区别。在操作中，加热的进料溶液从第一进料回路14流到接触器组件12的第一管程。当进料溶液流过接触器组件12的第一管程时，部分进料溶液蒸发，得到的蒸汽通过第一管壁输送入蒸馏部分，稍微浓缩的进料溶液作为残留物保留。蒸汽在接触器组件12的蒸馏部分18中凝结在第一管壁的壳程上。残留浓缩进料溶液离开接触器组件12的第一管程并进入第二进料回路16，在该第二进料回路中残留浓缩进料溶液被冷却。冷却的残留浓缩进料溶液从第二进料回路16流至接触器组件12的第二管程。当冷却的残留浓缩进料溶液流过接触器组件12的第二管程时，热从接触器组件12的蒸馏部分18中的蒸汽和冷凝物传递到第二管程。冷却的浓缩进料溶液离开接触器组件12的第二管程并重新进入第一进料回路14。

【0021】尽管蒸馏系统10示出为单个接触器组件(即，接触器组件12)，蒸馏系统10可以可替代地包括额外数量的接触器组件12。用于蒸馏系统10的接触器组件12的合适数量的实例在1到100之间；用于蒸馏系统10的接触器组件12的特别合适的数量在1到25之间；用于蒸馏系统10的接触器组件12的更特别合适的数量在1到10之间。接触器组件12能够以串行布置、并行布置或它们的组合方式布置。

【0022】第一进料回路14为用于进料溶液的流体路径，包括进料源管线20、进料输送管线22a-22b、进料入口管线24、进料出口管线26、进料储存箱28、流体泵30、以及热交换器32。进料源管线20为用于将进料溶液从进料储存箱28传递到第一进料回路14的阀控制流体管道。在蒸馏系统10操作期间，进料溶液的几部分在接触器组件12中分开以在蒸馏部分18中提供馏出物。同样地，进料源管线20提供额外的进料溶液以与残留浓缩进料溶液混合并平衡第一进料回路14中的进料溶液流。

【0023】进料输送管线22a-22b为用于第一进料回路14的流体管道，并在图1示出的实施例中提供顺时针的流动路径。进料入口管线24为流体管道，其使第一进料回路14和接触器组件12互相连接，从而允许进料溶液流入接触器组件12的第一管程。进料出口管线26为流体管道，其使接触器组件12与进料输送管线22a互相连接。这允许残留浓缩进料溶液离开接触器组件12的第二管程，并重新进入进料回路14。

【0024】进料储存箱28为将进料溶液经由进料源管线20供入进料输送管线22a的容器。进料储存箱28为操作提供进料溶液的储存。可能需要额外的进料溶液来平衡第一进料回路14中产生的冷凝物的体积，或维持第一进料回路14中的压力。当需要额外的进料溶液时，将来自进料储存箱28的进料溶液加入第一进料回路14。流体泵30为使进料输送管线22a和进料输送管线22b互相连接的泵，并设置成将进料回路14中的进料溶液传送到接触器组件12的第一管程。

【0025】如在下文所讨论的，进料溶液维持液相以防止进料溶液的污染物进入壳程并与蒸馏部分18中的馏出物混合。否则这将降低馏出物的纯度，并可能需要丢弃馏出物产品。进入接触器组件12的进料溶液的压力也低于接触器组件12的第一管程膜(第一管)的液体渗透压力。液体渗透压力为来自进料溶液的液体渗透穿过接触器组件12的第一管程膜(第一管)的孔隙(即，从管程到壳程)的压力，并且为若干因素的函数，例如该膜的平均孔隙半径以及膜的平均液体接触角度(即，膜的疏水性)。进料溶液从接触器组件12第一管程向壳程的液体渗透可导致馏出物的污染，从而降低馏出物的纯度。对液体渗透到膜孔隙的阻力允许壳程被加压到低于液体渗透压力的压力。

【0026】热交换器32为供热的热交换器，其使进料输送管线22b和进料入口管线24互相连接，从而增加从进料输送管线22b流到进料入口管线24的进料溶液的温度。因此，热交换器32在进料溶液进入接触器组件12的第一管程膜之前将进料溶液加热到高温。如在下文所讨论的，加热进料溶液允许进料溶液以高温进入接触器组件12以增加接触器组件12中的分离率。

【0027】一些膜材料对热降解敏感。因而，进入接触器组件12的进料溶液的高温应被平衡以提供用于蒸馏的高蒸汽压推进力并限制接触器组件12的第一管程膜(第一管)(图1未示出)的热降解。这降低了在操作期间损坏接触器组件12的危险。用于水基进料溶液的合适高温的实例在大约50℃到大约120℃之间，特别合适的高温在大约70℃到大约100℃之间。尽管蒸馏系统10示出有单个热交换器(即，热交换器32)，替代地，蒸馏系统10可以包括多个热交换器以将进料溶液加热到高温。

【0028】第二进料回路16为用于残留浓缩进料溶液的流体路径，包括：残留浓缩进料溶液出口管线36、热交换器38、残留浓缩进料溶液输送管线40、残留浓缩进料溶液入口管线44、以及排出管线34。第二进料回路16可选地包括残留浓缩进料溶液循环泵42。在一些实施例中，第一进料回路的流体泵30可提供足够的压力来驱动系统，因此在第二进料回路16中不需要额外的泵。

【0029】第二进料回路16提供了至接触器组件12的第二管程的冷却流体(残留浓缩进料溶液)流以帮助冷凝过程。热交换器38为冷却热交换器，其使残留浓缩进料溶液输送管线40和残留浓缩进料溶液入口管线44互相连接，从而降低了流过第二进料回路16的残留浓缩进料溶液的温度。用于残留浓缩进料溶液的合适的低温可根据残留浓缩进料溶液的组成物来变化。对于含水的残留浓缩进料溶液，合适的低温的实例在大约5℃到大约75℃之间，特别合适的低温在大约20℃到大约55℃之间。

【0030】残留浓缩进料溶液输送管线40为用于第二进料回路16的流体管道，并为图1示出的实施例的残留浓缩进料溶液提供逆时针的流动路径。可选的残留浓缩进料溶液循环泵42为使残留浓缩进料溶液出口管线36和残留浓缩进料溶液输送管线40互相连接的泵，并设置成使残留浓缩进料溶液在第二进料回路16中循环。残留浓缩进料溶液出口管线36和残留浓缩进料溶液入口管线44分别起到接触器组件12的残留浓缩进料溶液出口管线和入口管线的作用。因此，残留浓缩进料溶液循环泵42可连接到残留浓缩进料溶液输送管线40以将残留浓缩进料溶液供应给到热交换器38并经残留浓缩进料溶液入口管线44供应给到接触器组件12。残留浓缩进料溶液输送管线40也连接到排出管线34，排出管线34是用于排出一部分残留浓缩进料溶液的阀控制流体管道。

【0031】在操作期间，进料溶液流过第一进料回路14，并分别由流体泵30泵送和由热交换器32加热到高温。当流过第一进料回路14时，进料溶液经进料入口管线24流入接触器组件12的第一管程。同样在操作期间，一定量的残留浓缩进料溶液流过第二进料回路16，并由热交换器38冷却到低温。当流过第二进料回路16时，冷却的残留浓缩进料溶液经残留浓缩进料溶液入口管线44流入接触器组件12的第二管程。

【0032】流入接触器组件12的冷却的残留浓缩进料溶液和加热的残留浓缩进料溶液在接触器组件12的第一管程和壳程之间产生温差。在第二管程上的冷却的残留浓缩进料溶液冷却壳程上的馏出物，以提供壳程和第一管程之间的温差。例如，进入接触器组件12的第一管程的大约80℃的进料溶液和进入接触器组件12的第二管程的大约40℃的残留浓缩进料溶液在第一和第二管程之间提供了大约40℃的温差。当在第二管程上的冷却的残留浓缩进料溶液冷却壳程上的馏出物时，第一管程和壳程之间的温差增加。这相应地增加了馏出物从进料溶液的分离率，其中，分离的馏出物从接触器组件12的第一管程传递到壳程。分离的馏出物随后经馏出物出口管线46离开接触器组件12，并随后在回收箱48作为馏出物产品(例如，在水处理过程中的洁净水)收集。回收箱48为容器，用于接收从接触器组件12中获得的馏出物。

【0033】馏出物出口管线46可包含流量传感器47以监测通过馏出物出口管线46并进入回收箱48的流量。从流量传感器47收集的信息可被用于调整经进料源管线20附加到第一进料回路14的额外进料溶液。这允许蒸馏系统10以最优的效率在稳定的状态下工作。额外进料溶液也经进料源管线20加入到第一进料回路14以补偿任何通过排出管线34从第二进料回路16移走的残留浓缩进料溶液。如果关闭了排出管线34，则没有残留浓缩进料溶液被移走，并且所有残留浓缩进料溶液都返回到接触器组件12和第一进料回路14。在蒸馏系统10的示例性实施例中，排出管线34移走大约1％到大约67％之间的残留浓缩进料溶液。移走率取决于蒸馏用途、进料溶液的含盐浓度以及需要的总的水回收。

【0034】可选地，蒸馏重复循环泵50或鼓风机50A可与蒸馏部分18流体连通。图1和图2B例示了蒸馏重复循环泵50与接触器组件12流体连通。鼓风机50A可取代蒸馏重复循环泵50。在直接接触模式中，蒸馏重复循环泵50可使馏出物在接触器组件12的蒸馏部分18中重复循环。馏出物在重复循环过程中不被加热，并且由在接触器组件12的第二管程上的冷却的残留浓缩进料溶液通过热传递来冷却。馏出物可在接触器组件12外重复循环时被冷却。因为重复循环馏出物温度低于第一管程的进料溶液，所以如上文所描述的在第一管程和壳程之间产生了蒸汽压差，并促进蒸馏。蒸馏重复循环泵50或鼓风机50A也可通过将馏出物导引到馏出物出口管线46而帮助收集馏出物。

【0035】图2A为接触器组件12的一个实施例的示意图，其包括外壳52、填充树脂壁54、56、58和60、中空纤维膜78(第一管)和中空回收器80(第二管)。外壳52为沿着竖向纵轴线(称作纵轴线76)延伸的刚性结构，并限定接触器组件12的内部区域74。在示例性实施例中，接触器组件12可具有竖向纵轴线。这种结构提供了馏出物的重力进料收集，而不需要额外的泵。图2A的实施例示出了具有三个室的内部区域。内部区域74包括第一室64、第二(接触器)室66、以及第三室68。外壳52也包括联接头(未示出)，用于将接触器组件12连接到入口管线24、残留浓缩进料溶液出口管线36、以及馏出物出口管线46。在一些示例性实施例中，接触器组件12为可更换单元，其中接触器组件的相对的端部与第一歧管62和第二歧管70接合。一旦接触器组件12不再如期望的那样工作，接触器组件12可以很容易地移走，并可用新的接触器组件12替换。在可替代的方法中，接触器组件12、第一歧管62和第二歧管70能够形成单个单元。

【0036】填充树脂壁54、56、58和60为大致垂直于纵轴线76延伸的密封件，由一种或多种密封材料形成，例如丙烯酸盐、聚氨酯、以及环氧树脂基材料。因此，填充树脂壁54、56、58和60将内部区域74分成第一室64、第二(接触器)室66、以及第三室68。第一歧管62为布置在第一歧管壳52a和填充树脂壁54之间的室，并在图2A示出的实施例中通向进料出口管线26。第一室64为布置在填充树脂壁54和56之间的室，处于外壳52中，并通向进料入口管线24。第二(接触器)室66为布置在外壳52中处于填充树脂壁56和58之间的室，并与馏出物出口管线46流体连通。第三室68为布置在外壳52中处于填充树脂壁58和60之间的室，并通向残留浓缩进料溶液出口管线36。第二歧管70为布置在第二歧管壳52b和填充树脂壁60之间的室，在图2A示出的实施例中其通向残留浓缩进料溶液入口管线44。如在下文所讨论的，第二(接触器)室66为馏出物在这里与进料溶液分离的接触器组件12的的部分。馏出物出口部分72将第二(连接器)室66与馏出物出口管线46连接，并通向馏出物出口管线46。

【0037】根据图2A示出的实施例，中空纤维膜78为多个管状膜，其沿着纵轴线76在第一室64和第三室68之间延伸。中空纤维膜78由一种或多种能够经蒸汽压差从进料溶液分离馏出物的疏水性的、多微孔材料形成。中空纤维膜78和中空回收器80大致布置成在整个内部区域74的容积内彼此接近，以提供大的总膜表面面积，并提供实现最优的蒸汽压差的能力。在图2A示出的实施例中，中空纤维膜78和中空回收器80基本上以螺旋缠绕构造(示于图3A中)填充第二(接触)室66的敞开空间。这允许馏出物将热能从中空纤维膜78(第一管)的壳程传导到中空回收器80(第二管)的壳程。可替代地，第二(接触器)室66可由中空纤维膜78和中空回收器80以交替的层(堆)构造(示于图3B)来占据，以提供通过馏出物从中空纤维膜78的壳程向回收器80的壳程的热能传递。

【0038】根据图2A示出的实施例，每个中空纤维膜78(第一管)包括内部中空区域，其沿着纵轴线76延伸穿过填充树脂壁56和58。这为进料溶液提供了在第一室64和第三室68之间的第一管程流动路径(即，进料溶液可流过中空纤维膜78的内部中空区域)。相反，在第二(接触器)室66中，馏出物的壳程流动路径延伸穿过处于中空纤维膜78的外表面和中空回收器80的外表面之间的间隙空间。

【0039】根据图2A示出的实施例，中空回收器80(第二管)为多个中空管，其沿着纵轴线76在第一歧管62和第二歧管70之间延伸。中空回收器80从中空纤维膜78纵向偏移。在这个实施例中，中空回收器80比中空纤维膜78长。中空回收器80具有无孔实心壁。因而，中空回收器80阻止馏出物穿过它们的无孔实心壁传递到残留浓缩进料溶液，以及阻止残留浓缩进料溶液穿过它们的无孔实心壁传递到馏出物中。中空回收器80贯穿整个内部区域74的容积被间隔开，并靠近中空纤维膜78。中空纤维膜78的壳程表面和中空回收器80的壳程表面之间的距离由工作模式确定。在液体间隙模式中，只要壳程的局部压力低于中空纤维膜78的液体渗透压力，那么中空纤维膜78和中空回收器80之间的间隔就会减到最小。最小化的间隔显著地增加了从中空纤维膜78的表面向中空回收器80的表面的热传递。这显著地增加了接触器组件12的热效率。在一个实施例中，中空纤维膜78和中空回收器80基本上填充了第二(接触器)室66的敞开空间。中空纤维膜78和中空回收器80外侧的容积处在第二(接触器)室66的壳程上，其允许冷却的残留浓缩进料溶液穿过第二(接触器)室66。可选地，中空纤维膜78或中空回收器80可以不占据第二(接触器)室66的一个或多个部分，从而为馏出物提供较大的流动路径。图2B示出了可替代的实施例，其中在第二(接触器)室66的中心处没有中空纤维膜78和中空回收器80，以给接触器入口部分73和馏出物出口部分72让出空间。

【0040】根据图2A示出的实施例，每个中空回收器80(第二管)包括内部中空区域(图2A未示出)，其沿着纵轴线76延伸穿过填充树脂壁54、56、58和60。这为冷却的残留浓缩进料溶液提供处于第二歧管70和第一歧管62之间的第二管程流动路径(即，冷却的残留浓缩进料溶液可流过中空回收器80的内部中空区域)。

【0041】如果存在的话，可选的蒸馏重复循环泵50与蒸馏部分18流体连通。蒸馏重复循环泵50可经接触器入口73与第二(接触器)室66连通。蒸馏重复循环泵50可以提供在蒸馏部分18中循环馏出物的装置。可在重复循环期间收集一部分馏出物。重复循环也可增加接触器组件12的壳程上的混合，这增加了第一管程和壳程之间的蒸汽压差。蒸馏重复循环泵50可被设置成将合适的流体(即，收集的或额外的馏出物)导入第二(接触器)室66。被输送的合适的流体朝着馏出物出口部分72和馏出物出口管线46推进已经凝结在中空纤维膜78和中空回收器80的壳程上的馏出物，以进行收集。通过将馏出物朝着馏出物出口部分72推进，可增加壳程上的混合物，从而增加第一管程和壳程之间的蒸汽压差，并且，因而增加馏出物通过中空纤维膜78与进料溶液的分离率。

【0042】图3A示出了接触器组件12的一个实施例的横截面。图3A示出了示例性的接触器组件12，其中中空纤维膜78和中空回收器80布置成螺旋缠绕结造。具有多孔膜壁的中空纤维膜78在整个内部区域74中被间隔开，并在图3A中以开放的圆形区域示出。中空纤维膜78内部的容积处在第一管程上。具有无孔实心壁的中空回收器80同样在整个内部区域74中被间隔开，并在图3A中以阴影线的圆形区域示出。中空回收器80内的容积处在第二管程上。内部区域74中的在中空纤维膜78和中空回收器80之间并处于它们外侧的间隙容积处在壳程上。每个中空纤维膜78接近中空回收器80定位，反之亦然。这种构造提供了第一管程和壳程之间的最优温差。接触器组件12的其它实施例可具有中空纤维膜78和中空回收器80交替的层(堆)配置(示于图3B)。可替代的实施例的中空纤维膜78和中空回收器80以同样的方式起作用，如下文所讨论的。

【0043】为了简化制造和组装，可将一组或多组中空纤维膜78以预定的间隔连接到织物层。也可以将中空回收器80以预定的间隔连接到分离的织物层。中空纤维膜78和中空回收器80的层能够在内部区域中并排布置并以螺旋方式缠绕，如图3A示出的。这种构造为中空纤维膜78和中空回收器80提供了接近的位置。在这种构造中，可根据由Huang等人在美国专利No.5,284,584中描述的方法形成填充树脂壁54、56、58和60，其中高强度的、耐溶剂性热塑树脂被挤到多组中空纤维膜和中空回收器上。另外，成组的中空纤维膜78和中空回收器80的交替的层(堆)可用于提供图3B示出的实施例。

【0044】如在下文所讨论的，在第一进料回路14中加热到高温的进料溶液被泵送通过中空纤维膜78。由于第一管程和壳程之间的蒸汽压差，馏出物从中空纤维膜78中(所述第一管程)的进料溶液分离出来，并且该馏出物穿过中空纤维膜78并进入内部区域74的间隙空间中(所述壳程)。同时，在第二进料回路16中冷却的残留浓缩进料溶液被泵通过中空回收器80。由于第二管程和壳程之间的温差，所以在第二管程上的冷却的残留浓缩进料溶液通过中空回收器80从内部区域74的间隙空间中的较热的馏出物中吸收热能，从而冷却了馏出物。

【0045】图4为接触器组件12的可替代实施例，其包括：外壳52、填充树脂壁54、56、58和60、以及中空纤维膜78和中空回收器80。与图2A示出的实施例相似，填充树脂壁54、56、58和60将内部区域74分成第一室64、第二(接触器)室66、以及第三室68。但是，图4示出了中空纤维膜78和中空回收器80的可替代的构造。在这个实施例中，中空纤维膜78和中空回收器80具有沿着纵轴近似相同的长度，但是互相偏移。中空纤维膜78为多个多孔管状膜，并沿着纵轴线76在第一室64和第二歧管70之间延伸。中空回收器80为多个具有无孔实心壁的中空管，并沿着纵轴线76在第三室68和第一歧管62之间延伸。与图2A示出的实施例不同，残留浓缩进料溶液入口管线44与第三室68流体连通，并且残留浓缩进料溶液出口管线36与第二歧管70流体连通。

【0046】将参照图2A的实施例描述蒸馏系统10的操作。注意到可替代的实施例尽管具有与图2A的实施例相同数量的室，可具有的室执行与图2A的实施例的那些室的功能不同的功能，但是本发明的每个实施例都将包括提供下面描述的每一种功能的一个或多个室。

【0047】在操作期间，加热的进料溶液经进料入口管线24进入第一室64。进料溶液随后被导引到中空纤维膜78。进料溶液在第一管程上进入中空纤维膜78，并朝着第三室68和残留浓缩进料溶液液出口管线36行进。同时，冷却的残留浓缩进料溶液经残留浓缩进料溶液入口管线44进入第二歧管70，并第二管程上通过中空回收器80内部中空区域流向第一歧管62和进料出口管线26。当冷却的残留浓缩进料溶液流过中空回收器80的内部孔时，中空回收器80的内表面和外表面之间的温差允许第二(接触器)室66中的热能的传递。因为冷却的残留浓缩进料溶液具有低于接触器组件12的壳程上的馏出物的温度，所以冷却的残留浓缩进料溶液通过中空回收器80的壁吸收热能。从而，在第二管程上的冷却的残留浓缩进料溶液被加热，在壳程上的馏出物被冷却。穿过中空回收器80的残留浓缩进料溶液在其通过接触器组件12时被加热。该残留浓缩进料溶液通过进料出口管线26在第一歧管62处离开接触器组件12并返回第一进料回路14，在此其被加热并作为加热的进料溶液返回接触器组件12。残留浓缩进料溶液通过中空回收器80的通道允许残留浓缩进料溶液在到达第一进料回路14的热交换器32之前被预热。对残留浓缩进料溶液的预热提供了热回收并在进料溶液进入接触器组件12之前减少了需要加热进料溶液的能量。

【0048】当进料溶液流过中空纤维膜78的内部孔时，中空纤维膜78的内表面和外表面(分别为第一管程和壳程)之间的温差在第二(接触器)室66中产生横跨中空纤维膜78的蒸汽压差。蒸汽压差允许来自中空纤维膜78中的进料溶液的蒸汽从中空纤维膜78的管程输送到壳程并凝结为馏出物。馏出物从进料溶液分离并从第一管程到壳程横穿中空纤维膜78。

【0049】如在上文所讨论的，第一管程上的进料溶液的高温和壳程上的馏出物的低温实质增加了横穿中空纤维膜78的蒸汽压差，从而增加了馏出物从进料溶液的分离率。蒸汽压差导致进料溶液中的一部分馏出物蒸发并通过中空纤维膜78的微孔传输。当蒸汽从中空纤维膜78的内部中空区域流到内部区域74的壳程中时，冷却的馏出物供应导致蒸汽在内部区域74中冷凝在中空纤维膜78(液体间隙模式)的壳程(即外表面)上的孔隙入口附近，或冷凝在中空回收器80(气体间隙模式)的壳程上，并与馏出物混合。如在下文所讨论的，在一些实施例中，中空纤维膜78的外部为疏水的。中空纤维膜78的疏水外部防止馏出物重新进入膜孔隙并与在中空纤维膜78的第一管程上的进料溶液重新混合。由于系统压力和/或重力，一旦馏出物进入壳程，其就会朝着馏出物出口部分72流动，并行进到馏出物出口管线46。

【0050】当进料溶液流过接触器组件12的中空纤维膜78的内表面中的第一管程时，进料溶液大致保持为液态。中空纤维膜78(第一管)的疏水表面防止进料溶液进入膜孔隙，而允许蒸汽从接触器组件12的第一管程输送到壳程。另外，进入接触器组件12的进料溶液的压力也小于中空纤维膜78的液体渗透压力。如果进料溶液的压力超过中空纤维膜78的液体渗透压力，可能会使一部分液体进料溶液通过中空纤维膜78的微孔进入接触器组件12的壳程。因此，进入接触器组件12的进料溶液的温度和压力被平衡以防止进料溶液传输穿过中空纤维膜78。

【0051】图5A为膜82的展开截面图，其为中空纤维膜78(示于图2-4)的单个膜的实例。如在图5A示出的，膜82包括膜壁84和内部中空区域86。膜壁84大致由一种或多种疏水性材料形成并包括多个允许气体和蒸汽传输，但是限制液体和固体流动的微孔(未示出)。这允许蒸发的馏出物借助于蒸汽压力输送从进料溶液分离。用于膜壁84的合适的材料包括疏水聚合材料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、

ECTFC(乙烯三氟氯乙烯，可从Solvay Solexis，Brussels，Bulgium购买)以及它们的组合物。其它合适的材料可包括镀有疏水材料的非疏水的聚合材料，例如聚砜、聚苯醚砜、以及聚酰亚胺。用于膜壁84的特别合适的材料的实例包括耐热聚合材料，例如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、以及它们的组合物。

【0052】图5B为无孔中空管88的展开截面图，其为单个中空回收器80(示于图2-4)的实例。如在图5B示出的，无孔中空管88包括无孔实心壁90和内部中空区域92。实心壁90由阻碍气体和蒸汽传输的无孔材料组成，从而防止质量(液体)传递过无孔中空管88。用于无孔中空管88的合适的材料包括具有高热导率的并稳定的加热水溶液的聚合材料。合适的材料的实例包括上文讨论的用于膜壁84的合适的聚合材料。其它合适的材料可包括能够忍受由系统提供的热应力并在含水环境中耐腐蚀的材料。实例包括金属，例如不锈钢。在示例性实施例中，中空回收器80的外表面(壳程)是亲水的。中空回收器80的亲水外部进一步防止馏出物重新进入中空纤维膜78的疏水壁。

【0053】如在上文所讨论的，当在第二(接触器)室66中时，馏出物流过接触器组件12的内部区域74的壳程，加热的进料溶液流过膜82的内部中空区域86，靠近膜壁84的表面。这产生了跨过膜壁84的蒸汽压差，允许馏出物蒸汽蒸发并穿过膜壁84的微孔进入内部区域74的壳程。当馏出物蒸汽进入内部区域74的壳程时，中空回收器80(第二管)中的残留浓缩进料溶液的冷却供应导致馏出物蒸汽在内部区域74的中空回收器80(第二管)的外部上的壳程中凝结并与馏出物混合。

【0054】如上文讨论的，进入接触器组件12的进料溶液的压力也小于膜82的膜壁84的液体渗透压力。膜壁84的液体渗透压力通常取决于膜壁84的组成物、膜壁84的厚度、以及膜壁84的微孔的尺寸。用于膜壁84的壁厚的合适的实例在大约50微米到大约500微米之间，特别合适的壁厚在大约100微米到大约250微米之间。用于膜壁84的合适的平均微孔尺寸的实例在大约0.1微米到大约0.6微米之间，特别合适的微孔大小在大约0.2微米到大约0.4微米之间。

【0055】尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将认识到可在形式上和细节上进行改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种接触器组件，包括：

具有内部区域的外壳；

多个中空纤维膜，该中空纤维膜延伸穿过所述内部区域，并设置成输送第一进料溶液，以及设置成允许蒸汽传输穿过该中空纤维膜；

多个中空管，该中空管延伸穿过所述内部区域，接近所述中空纤维膜，该中空管设置成输送第二进料溶液，设置成基本阻止蒸汽传输穿过该中空管，以及设置成允许热能传输穿过该中空管，其中，中空管的端部都从中空纤维膜的端部纵向偏移；以及

馏出物收集室，该收集室布置在所述内部区域中，中空纤维膜和中空管延伸穿过该收集室，其中，传输通过中空纤维膜的蒸汽在馏出物收集室中凝结为馏出物，并与中空管中的第二进料溶液交换热能。

2.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空管比中空纤维膜长。

3.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空管与中空纤维膜大约一样长。

4.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜包括多微孔膜壁，中空管包括无孔实心壁。

5.根据权利要求4所述的接触器组件，其特征在于：多微孔膜壁由选自下列组的至少一种聚合材料形成：聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、乙烯-三氟氯乙烯、以及它们的组合物。

6.根据权利要求4所述的接触器组件，其特征在于：无孔实心壁由选自下列组的至少一种材料形成：聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚苯醚砜、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、金属、以及它们的组合物。

7.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜设置成从第一进料溶液回路中接收进料溶液，中空管则设置成从第二进料溶液回路中接收进料溶液。

8.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜具有范围从大约0.1微米到大约0.6微米的平均微孔尺寸。

9.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜和中空管具有竖向纵轴线。

10.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜从第一进料入口室延伸到第一进料出口室，中空管则从第二进料入口室延伸到第二进料出口室。

11.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜和中空管在馏出物收集室中布置成螺旋结构。

12.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：中空纤维膜和中空管在馏出物收集室中布置成层结构。

13.根据权利要求1所述的接触器组件，其特征在于：流体重复循环通过馏出物收集室。

14.一种蒸馏装置，包括：

残留进料入口歧管，其包括残留进料入口开口；

残留进料出口歧管，其包括残留进料出口开口；以及

接触器组件，包括：

外壳，其具有内部区域，并在进料出口歧管和进料入口歧管之间被间隔；

设置在外壳中的多个密封件，从而将内部区域的多个部分分成进料入口室、馏出物收集室、和进料出口室；

进料入口开口，其在进料入口室处延伸穿过外壳；

进料出口开口，其在进料出口室处延伸穿过外壳；

位于内部区域中的多个中空纤维膜，该中空纤维膜从进料入口室延伸到进料出口室，其中，该中空纤维膜设置成允许蒸汽传输穿过该中空纤维膜；

位于内部区域中的多个中空管，该中空管与残留进料入口歧管和残留进料出口歧管流体连通，其中，中空管构造成基本阻止蒸汽传输穿过该中空管，并且进一步构造成允许热能传输穿过该中空管；

至少一个馏出物出口，其延伸穿过外壳并与馏出物收集室流体连通。

15.根据权利要求14所述的蒸馏装置，其特征在于：中空纤维膜包括多微孔膜壁，中空管则包括无孔实心壁。

16.根据权利要求14所述的蒸馏装置，其特征在于：第一进料入口开口设置成从第一进料溶液回路接收进料溶液，第二进料入口开口设置成从第二进料溶液回路接收进料溶液。

17.根据权利要求14所述的蒸馏装置，其特征在于：中空纤维膜具有范围从大约0.1微米到大约0.6微米的平均微孔尺寸。

18.根据权利要求14所述的蒸馏装置，其特征在于：还包括流体泵，该泵与馏出物收集室流体连通。

19.一种从进料溶液分离馏出物流体的方法，包括：

在加热热交换器中将进料溶液加热成加热的进料溶液；

使加热的进料溶液流过位于接触器组件中的多个中空膜，其中，来自加热的进料溶液的蒸汽渗透中空膜并通过中空膜流到接触器组件中的馏出物收集室，其中，加热的进料溶液转变成残留进料溶液；

使残留进料溶液从中空膜和接触器组件流到冷却热交换器；

在冷却热交换器中冷却残留进料溶液；

使残留进料溶液流过接触组件中的接近中空膜的多个中空管，其中，来自流过中空膜的加热的进料溶液的热能被传递给馏出物收集室中的馏出物，并从馏出物传递给在中空管中流动的残留进料溶液。

使残留进料溶液从中空管和接触器组件流到加热热交换器；以及

从馏出物收集室收集馏出物；

其中，热能的有效传递不需要加热的进料溶液和残留进料溶液之间的液压梯度。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：中空管的端部从中空膜的端部纵向偏移。

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