CN101773784A - 一种减压膜蒸馏装置及方法 - Google Patents

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张鹏硕
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Abstract

本发明涉及一种减压膜蒸馏装置及方法,该膜蒸馏装置包括一个或多个以并联、串联或串并联形式排列的组件单元、液体循环系统、加热装置、热回收装置、减压设备、系统控制及检测装置、过滤装置。而组件单元装置是由框式中空纤维膜组件、框式换热组件、气液分离器组成的。本发明的减压膜蒸馏组件单元及其装置和方法具有热回收率高、节能、设备集成化程度高、操作成本低等优点。

Description

一种减压膜蒸馏装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种分离装置,具体涉及减压膜蒸馏装置及方法。
背景技术
[0002] 膜蒸馏(Membrane Distillation以下简称MD)技术,兼具了蒸馏法和膜法的优
点,是一种在脱盐、浓縮、结晶、分离、水处理等领域具有广泛应用前景的技术。
[0003] 由于相变的原因MD被认为是一种热耗较高的技术,在具备废热或廉价热源的条
件下具有成本优势。为提高MD热利用效率,本发明研制出了一种具备高效热量回收功能的
减压膜蒸馏(VMD)装置及方法,能够显著提高VMD过程中的热利用效率和膜通量效率。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种能够显著提高热利用率和膜通量效率的减压膜蒸馏 (VMD)装置及方法。
[0005] 本发明的技术方案包括组件单元及其膜蒸馏装置系统两个部分。 [0006] 如图1所示,组件单元是由框式中空纤维膜组件(简称膜组件)和框式换热组件 (简称换热组件)组成的,组件单元的前端部分包括两个串联的膜组件,后端部分包括两个 串联的换热组件,中间部分换热组件和膜组件间隔排列、相互串联。
[0007] 所述的组件单元内换热组件的两端开放,膜组件的一端封闭另一端开放;串联排 列的第一级膜组件的开放端与第一级换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器相 连通,第二级膜组件的开放端同第二级换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器相 连通,以此类推。所有换热组件另一端的尾帽彼此之间相互连通,并通过最后一级换热组件 在膜组件开放一侧的尾帽与组件单元外部的真空系统相连接。
[0008] 所述的组件单元内换热组件和膜组件之间真空管路的连接方式不仅限于图1所 示结构,可为多种结构形式,其中之一 (如图2所示)可描述为:除第一级和第二级膜组件 一端封闭另一端开放外,所有其它膜组件和换热组件的两端均开放,第一级膜组件的开放 端与第一级换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器相连通,第二级膜组件的开放 端同第二级换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器相连通,在相同侧,第三级膜 组件同第三级换热组件通过与其尾帽相连的气液分离器相连通,第四级膜组件同第四级换 热组件通过与其尾帽相连的气液分离器相连通,依次类推;而第一级换热组件的另一端和 第三级膜组件通过与其同侧尾帽相连的气液分离器相互连通,第二级换热组件的另一端和 第四级膜组件通过与其同侧尾帽相连的气液分离器相互连通,第三级换热组件的另一端和 第五级膜组件通过与其同侧尾帽相连的气液分离器相互连通,依次类推。按此连接方法, 图l所示减压膜蒸馏组件单元装置中串联排列的最后一级换热组件可用一段管道代之。最 后,与末级换热组件相连接的气液分离器的出口和与末级膜组件相连接的气液分离器的出 口合并后与组件单元外部的真空系统相连接。
[0009] 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单元和以换热管组成的换热单元按照图1或图2所示的串联方式分别平行装填在同一个组件槽 体内并进行密封和连接,构成一个一体式结构的组件单元。
[0010] 所述的组件单元的前端部和后端部各有一个封盖和多孔分流板,每一个封盖上设 有流体进出口。
[0011] 所述的膜组件包括框式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,组件槽体的端部与尾帽相连。
[0012] 所述的换热组件包括框式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,组件槽体的两端各有一个尾帽;所述的框式换热组件还
包括具有框式结构的其它形式的换热器;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。
[0013] 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. 02〜4米,长度为 0. 02〜5米,深度为0. 01〜4米。
[0014] —种利用上述组件单元的膜蒸馏装置,包括一个或多个以并联、串联或串并联形 式排列的组件单元,与组件单元液体进出口相连接的液体循环系统,与液体循环系统相结 合的加热装置,与组件单元真空接口相连接的减压设备,与减压系统相结合的热回收装置, 系统控制及检测装置、过滤装置等。
[0015] 按图3所示膜蒸馏装置,液体循环系统包括循环泵、管路系统、储水槽等以及流 量、温度、压力、浓度监测仪表和控制阀等;加热装置可以是各种锅炉、液_液和汽/气_液 换热器、太阳能或电能加热装置等能够将物料液加热至50-10(TC,可利用各种形式的热源; 组件单元之外的换热装置可以为各种形式的换热器用以冷凝来自组件单元的未凝蒸气和 回收其冷凝潜热以及浓排水的部分热量;减压设备是用于保持相应于循环料液膜和换热管 另一侧的负压,多种形式的真空泵可用于本脱盐系统;系统控制及检测主要包括流速、温 度、压力、浓度等的控制与测试;过滤装置可为多种形式的过滤器以移除料液内的悬浮物、 凝胶、固体颗粒等。
[0016] —种利用上述组件单元及其膜蒸馏装置的方法,其特征在于包括以下过程: [0017] A物料液预处理
[0018] 物料液须经过恰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。
[0019] B热物料液的减压膜蒸馏及热量回收利用
[0020] 经过预处理的物料液被加热装置加热至50-10(TC后被泵入组件单元,料液经过 液体分配板后均匀地流过中空纤维膜和换热管的外侧表面,在组件单元内经过多级蒸发后 的料液从组件单元的料液出口流入循环料液槽,而真空负压通过膜组件和换热组件尾帽上 的蒸气出口施于中空纤维膜和换热管的内腔;料液中的易挥发组分在中空纤维膜外表面 蒸发,蒸气通过膜孔扩散到达中空纤维膜的内侧;从第一级膜组件抽出的蒸气经过气液分 离器后进入第一级换热组件同较低温度的料液进行热交换,一方面料液被加热至更高的温 度,另一方面蒸气被冷凝为液体;从第二级膜组件抽出的蒸气经过气液分离器后进入第二 级换热组件同较低温度的料液进行热交换,料液被加热至更高的温度,同时蒸气被冷凝为 液体;以此类推,除最后一级膜组件和换热组件外,从每一级膜组件内抽出的蒸气进入相应 级数的换热组件进行冷凝换热,从不同换热组件内流出的冷凝液和未凝蒸气汇集后通过最后一级换热组件进行换热,流出组件单元后的少量未凝蒸气再依次被补充料液和冷却水完
全冷凝、液体也被进一步降至较低温度进入冷凝液槽,同时补充料液也被加热到了较高的
温度;另外,从最后一级膜组件抽出的低温蒸气经过气液分离器后在组件单元的出口处同
从最后一级换热组件流出的气液汇集,然后被补充料液和冷却水完全冷凝。
[0021] 如图2所示的组件单元形式包含了两个分别以第一和第二级膜组件为终点的负
压系统,膜蒸馏过程中每一个负压系统内分别包括了多级的蒸发与冷凝过程,从每一个换
热组件内流出的冷凝液分别收集在与之相连接的气液分离器内。
[0022] 当气液分离器内的液位较高时,在适当的条件下通过其下部的阀门将其所含的冷 凝液排入冷凝液槽内或将其所含的料液排入循环料液槽内。
[0023] 在组件单元内料液经过多级的蒸发和加温后流出组件单元,然后再次被加热器加
热至预设温度重新进入组件单元进行蒸发浓縮,如此循环往复,直至达到预期效果。
[0024] 当中空纤维膜需要清洗时,关闭循环料液槽上的料液进出阀门,打开清洗液槽上
清洗液进出阀门,通过料液泵将清洗液泵入组件单元对膜进行清洗处理。
[0025] 根据规模要求,可通过增加膜蒸馏装置内组件单元的数量以及组件单元内膜组件
和换热组件的数量和尺寸来提高设备的料液处理量和规模。
[0026] 由此可知在本发明组件单元和装置内同时进行着蒸发与冷凝以及热量消耗与回 收的过程。本发明的减压膜蒸馏组件单元及其装置和方法具有热回收率高、节能、设备集成 化程度高、操作成本低等优点。
附图说明
[0027] 图1是组件单元装置示意图:1. 1、框式中空纤维膜组件,1. 2、框式换热组件,1. 3、 组件单元封盖,1. 4、组件端部的尾帽,1. 5、流体管路,1. 6、液体进口, 1. 7、液体出口, 1. 8、真 空接口,1.9、气液分离器(料液),l. 10、排液阀,1. 11、多孔液体分配板。 [0028] 图2是另一种不同连接形式的组件单元装置示意图:1. 12、气液(冷凝液)分离 器,。
[0029] 图3是膜蒸馏装置:1、组件单元装置,2、料液循环泵,3、真空泵,4、循环料液槽,5、 冷凝液槽,6、加热装置,7. 1、7.2、换热器,8、过滤器,9、温度计(表),10、电导率仪,11、流量 计,12、压力表,13、补充料液入口 , 14、冷却水入口 , 15、阀门,16、清洗液槽。
具体实施方式
[0030] 如图1、2、3所示,经过预处理的原料液从补充料液入口 (13)进入膜蒸馏系统,在 经过过滤器(8)后,被换热器(7. 1)预热进入料液槽(4)。料液槽(4)内的料液经循环泵 (2)加压后进入加热装置(6)加热至预定温度,然后通过组件单元(1)的封盖(1. 3)上的液 体进口 (1.6)进入组件单元,经过液体分配板(1. 11)的分配后进入膜组件,在组件单元内 料液流过膜组件(1.1)内中空纤维膜和换热组件(1.2)内换热管的外侧表面,而真空负压 通过组件单元(1)上的真空接口 (1.8)施于中空纤维膜和换热管的内腔。料液中的易挥发 组分在中空纤维膜外表面蒸发,蒸气通过膜孔扩散到达中空纤维膜的内侧。蒸气在真空负 压的作用下经过气液分离器(1.9)后进入换热组件(1.2)内换热管的内腔。在换热管内较 高温度的蒸气同管外较低温度的料液发生热交换,料液被加热,同时蒸气被冷凝为液体。从不同换热组件(1.2)内流出的冷凝液和未凝蒸气汇集后通过最后一级换热组件进行换热, 然后同从最后一级膜组件抽出且经过气液分离器(1.9)的蒸气一起流出组件单元(l),再 依次通过换热器(7. 1)和(7. 2)分别被补充料液和冷却水完全冷凝,同时冷凝液被进一步 降至较低温度进入冷凝液槽(5),与此同时补充料液也被加热到了较高的温度。 [0031] 在组件单元(1)内料液经过多级蒸发和加热后流出组件单元(1)进入料液槽(4), 然后再次被加热进入组件单元(1)进行蒸发,如此循环蒸发直至达到预定的浓度。 [0032] 真空泵(3)与冷凝液槽(5)相连接,并通过换热器(7. 2)和(7. 1)同组件单元(1) 上的真空接口 (1.8)相接。
[0033] 膜蒸馏过程中的温度、压力、流量、导电率等参数是分别通过温度计(9)、压力表 (12)、流量计(11)、电导率仪(10)测定的。
[0034] 气液分离器(料液)(1. 9)内的液体排放进入料液槽(4),而气液分离器(冷凝液) (1. 12)内的冷凝液排放进入冷凝液槽(5)。
[0035] 料液槽(4)内的料液和冷凝液槽(5)内的冷凝液是分别通过料液槽(4)和冷凝液 槽(5)下侧的排液阀而排出膜蒸馏系统的。
[0036] 当中空纤维膜需要清洗时,关闭料液槽(4)上的料液进出阀门,打开清洗液槽 (16)上的阀门,通过料液泵(2)将清洗液泵入组件单元(1)对膜进行清洗。 [0037] 实施例1
[0038] 物料液:海水;预处理:沉淀、沙滤、微滤
[0039] 组件单元形式:如图1所示;组件单元数量:1个
[0040] 单位组件单元内:膜组件数量:5个,换热组件数量:5个
[0041 ] 物料液的膜组件进口温度:90 °C
[0042] 结果:产品为蒸馏水、15%含盐浓海水,热回收利用率85%。 [0043] 实施例2
[0044] 物料液:含硫酸工业废水;预处理:沉淀、过滤
[0045] 组件单元形式:如图1所示, 一体式结构;组件单元数量:3个,并联 [0046] 单位组件单元内:膜组件数量:6个,换热组件数量:6个 [0047] 物料液的膜组件进口温度:83 °C
[0048] 结果:产品为蒸馏水、40%浓硫酸水溶液,热回收利用率87%。 [0049] 实施例3
[0050] 物料液:含硝酸钾的工业废水;预处理:沉淀、过滤
[0051] 组件单元形式:如图2所示,一体式结构;组件单元数量:6个,串并联 [0052] 单位组件单元内:膜组件数量:6个,换热组件数量:5个 [0053] 物料液的膜组件进口温度:85 °C
[0054] 结果:产品为蒸馏水、30%硝酸钾水溶液,热回收利用率94%。 [0055] 实施例4
[0056] 物料液:有机合成废水(含无机盐、有机酸盐及部分其它有机化合物);预处理: 沉淀、过滤、树脂吸附
[0057] 组件单元形式:如图2所示, 一体式结构;组件单元数量:3个,并联 [0058] 单位组件单元内:膜组件数量:5个,换热组件数量:4个[0059] 物料液的膜组件进口温度:95 °C
[0060] 结果:产品为蒸馏水(COD < 30mg/L)、固体盐、浓縮液,热回收利用率90%。
8

Claims (9)

  1. 一种减压膜蒸馏组件单元装置,是由框式中空纤维膜组件、框式换热组件、气液分离器组成的,其特征在于组件单元的前端部分包括两个串联的框式中空纤维膜组件,后端部分包括两个串联的框式换热组件,中间部分框式换热组件和框式中空纤维膜组件间隔排列、相互串联。
  2. 2. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,其特征在于所述的组件单元内框式换 热组件的两端开放,框式中空纤维膜组件的一端封闭另一端开放;串联排列的第一级框式 中空纤维膜组件的开放端与第一级框式换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器 相连通,第二级框式中空纤维膜组件的开放端同第二级框式换热组件的同侧通过与其尾帽 相连的气液分离器相连通,以此类推;所有框式换热组件另一端的尾帽彼此之间相互连通, 并通过最后一级框式换热组件在框式中空纤维膜组件开放一侧的尾帽与组件单元外部的 真空系统相连接。
  3. 3. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,其特征在于所述的组件单元内框式换 热组件和框式中空纤维膜组件之间真空管路的连接方式不仅限于权利要求2所述结构,可 为多种结构形式,其中之一可描述为:除第一级和第二级框式中空纤维膜组件一端封闭另 一端开放外,所有其它框式中空纤维膜组件和框式换热组件的两端均开放,第一级框式中 空纤维膜组件的开放端与第一级框式换热组件的同侧通过与其尾帽相连的气液分离器相 连通,第二级框式中空纤维膜组件的开放端同第二级框式换热组件的同侧通过与其尾帽相 连的气液分离器相连通,在相同侧,第三级框式中空纤维膜组件同第三级框式换热组件通 过与其尾帽相连的气液分离器相连通,第四级框式中空纤维膜组件同第四级框式换热组件 通过与其尾帽相连的气液分离器相连通,依次类推;而第一级框式换热组件的另一端和第 三级框式中空纤维膜组件通过与其同侧尾帽相连的气液分离器相互连通,第二级框式换热 组件的另一端和第四级框式中空纤维膜组件通过与其同侧尾帽相连的气液分离器相互连 通,第三级框式换热组件的另一端和第五级框式中空纤维膜组件通过与其同侧尾帽相连的 气液分离器相互连通,依次类推;按此连接方法,权利要求1的减压膜蒸馏组件单元装置中 串联排列的最后一级框式换热组件可用一段管道代之;最后,与末级框式换热组件相连接 的气液分离器的出口和与末级框式中空纤维膜组件相连接的气液分离器的出口合并后与 组件单元外部的真空系统相连接。
  4. 4. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,其特征在于所述的组件单元的前端部 和后端部各有一个封盖和多孔分流板,每一个封盖上设有流体进出口 。
  5. 5. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,其特征在于所述的框式中空纤维膜组 件包括框式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,组件槽体的端部与尾帽相连。
  6. 6. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,其特征在于所述的框式换热组件包括 框式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,组件槽体的两端各有一个尾帽;所述的框式换热组件还包括具有框式结构的其它形式 的换热器;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。
  7. 7. 按照权利要求l的减压膜蒸馏组件单元装置,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单元和以换热管组成的换热单元按照权 利要求1所述的串联方式分别平行装填在同一个组件槽体内并进行密封和连接,构成一体式结构的组件单元。
  8. 8. —种利用如权利要求1所述组件单元的膜蒸馏装置,包括一个或多个以并联、串联 或串并联形式排列的组件单元,与组件单元液体进出口相连接的液体循环系统,与液体循 环系统相结合的加热装置,与组件单元真空接口相连接的减压设备,与减压系统相结合的 热回收装置,系统控制及检测装置、过滤装置。
  9. 9. 一种利用如权利要求1和权利要求8所述组件单元及其膜蒸馏装置的方法,其特征 在于包括以下过程:A物料液预处理物料液须经过恰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重复利用经过预处理的物料液被加热装置加热至50- < IO(TC后进入组件单元,料液经过液体 分配板后均匀地流过中空纤维膜和换热管的外侧表面,在组件单元内经过多级蒸发后的料 液从组件单元的料液出口流入循环料液槽,而真空负压通过框式中空纤维膜组件和框式换 热组件尾帽上的蒸气出口施于中空纤维膜和换热管的内腔;料液中的易挥发组分在中空纤 维膜外表面蒸发,蒸气通过膜孔扩散到达中空纤维膜的内侧;从第一级框式中空纤维膜组 件抽出的蒸气经过气液分离器后进入第一级框式换热组件同较低温度的料液进行热交换, 一方面料液被加热至更高的温度,另一方面蒸气被冷凝为液体,从第二级框式中空纤维膜 组件抽出的蒸气经过气液分离器后进入第二级框式换热组件同较低温度的料液进行热交 换,料液被加热至更高的温度,同时蒸气被冷凝为液体,以此类推,除最后一级框式中空纤 维膜组件和框式换热组件外,从每一级框式中空纤维膜组件内抽出的蒸气进入相应级数的 框式换热组件进行冷凝换热,从不同框式换热组件内流出的冷凝液和未凝蒸气汇集后通过 最后一级框式换热组件进行换热,流出组件单元后的少量未凝蒸气再依次被补充料液和冷 却水完全冷凝、液体被进一步降至较低温度进入冷凝液槽,同时补充料液也被加热到了较 高的温度;另外,从最后一级框式中空纤维膜组件抽出的低温蒸气经过气液分离器后在组 件单元的出口处同从最后一级框式换热组件流出的气液汇集,然后被补充料液和冷却水完 全冷凝;权利要求3所述的组件单元形式包含了两个分别以第一和第二级框式中空纤维膜组 件为终点的负压系统,膜蒸馏过程中每一个负压系统内分别包括了多级的蒸发与冷凝过 程,从每一个框式换热组件内流出的冷凝液分别收集在与之相连接的气液分离器内;当气液分离器内的液位较高时,在适当的条件下通过其下部的阀门将其所含的冷凝液 排入冷凝液槽内或将其所含的料液排入循环料液槽内;在组件单元内料液经过多级的蒸发和加温后流出组件单元,然后再次被加热器加热至 预设温度重新进入组件单元进行蒸发浓縮,如此循环往复,直至达到预期效果;当中空纤维膜需要清洗时,关闭循环料液槽上的料液进出阀门,打开清洗液槽上清洗 液进出阀门,通过料液泵将清洗液泵入组件单元对膜进行清洗处理。根据规模要求,可通过增加膜蒸馏装置内组件单元的数量以及组件单元内框式中空纤 维膜组件和框式换热组件的数量和尺寸来提高设备的料液处理量和规模。
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