CN102085454B - 一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置和方法，所述膜壳的中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，在膜壳的腔体内设置有均匀排列的中空纤维膜及中空纤维管，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。本发明结构紧凑，操作条件简单温和，能耗低，造水比高，既可以小规模分散实施，也可以集成化应用，该方法可用于海水淡化、苦咸水淡化、不挥发或半挥发性溶质的水溶液浓缩处理以及环境保护等领域，尤其用于氯化钠、硫酸铵、硝酸铵、硝酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、硫酸、盐酸、葡萄糖、木糖醇、尿素、甘油、乙二醇、乳酸、乙醛酸、二甲基亚砜、环丁砜等不挥发和半挥发溶质的水溶液的浓缩及反渗透浓水的浓缩时，采用常压蒸汽或热水作热源，最高造水比可达13.7。

Description

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置和方法

技术领域

本发明属于水处理、海水淡化及环境保护技术领域，特别涉及一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置和方法。

背景技术

水是生命的源泉，是人类宝贵的、不可替代的自然资源，也是社会和经济发展的命脉。我国年人均淡水资源约2400立方米，是世界人均淡水资源的1/4，居世界149个国家的第110位，属于严重缺水国家，其中华北地区人均水资源小于400立方米，已属于严重缺水地区。水资源的匮乏和日益严重的水污染已成为制约我国社会进步和经济发展的瓶颈，解决这一难题，对我国可持续发展是非常迫切的和极其重要的。海水和苦咸水淡化是从水危机和水污染困境下获取新水源的一个重要途径，同时工业、生活中的污水、废水深度处理回用和资源化也必将倍受重视。

近年来海水淡化技术迅速发展，已大规模应用的脱盐技术有反渗透法和蒸馏法。反渗透(RO)法中，反渗透膜的产水通量和选择性对海水进口温度和盐度高度敏感，反渗透过程的高压操作使其耗电量大，操作成本高，如果在我国北方应用还可能面临诸如海水污染、冬季气温偏低等一些难以克服的困难。蒸馏法主要是多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED)，两者的共同优势为可使能量得到重复利用或梯级利用，但MSF采取降压扩容闪蒸的方法蒸发海水必然要用到抽真空设备，目前业界推崇的低温多效蒸馏MED过程也要采用抽真空操作；由于两者都采用金属作为换热材料，因此装置投资大，淡水成本高，海水回收率低。

膜蒸馏(MD)是一种新型的膜分离技术，集蒸馏过程和膜过程于一体，膜蒸馏过程的推动力是膜两侧的蒸汽压差。膜蒸馏过程中所用的膜是多孔的和不被料液润湿的疏水膜，膜的一侧是与膜直接接触的待处理的热水溶液，由于膜的疏水性，水溶液不会从膜孔中通过，但由于膜两侧挥发性组分蒸汽压差的存在，使挥发性组分在料液高温侧表面汽化，蒸汽通过膜上微孔传递到膜的另一侧并冷凝为液体。根据蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触式(DCMD)、气隙式(AGMD)、减压(真空)式(VMD)和气扫式(SGMD)四种形式。MD过程具有在接近常压下操作、设备简单、投资少的优点；其次MD过程是在较低温度下进行的，可以利用各种工业废热、余热、太阳能、地热等低品位热源。但是迄今MD尚未得到大规模的工业应用，其主要原因是目前还未开发出价格合理的可市场化的高效MD膜组件和与之相适应的膜蒸馏过程和工艺，而且传统的膜蒸馏的热利用率很低，例如VMD和DCMD的造水比一般在0.3～1.0之间，而工业级的MSF和MED的造水比一般在2～15之间。

通过检索，发现如下公开专利文献，重点列举如下：

中国专利(CN 101632901A、CN 101632902A、CN 201249103Y和CN 201249104Y)都介绍了一种相似的热回收式减压膜蒸馏组件及装置及方法，该装置有一组或多组间隔排列、相互串联的框式膜组件和框式换热组件组成，在减压膜蒸馏过程中，预热的料液通过中空纤维膜和换热管的内腔，而真空负压施加于中空纤维膜和换热管的外侧，在真空负压的作用下，由膜蒸馏单元所产生的蒸汽流入与之相邻的换热组件中，与换热管内的料液进行热交换，料液温度升高，蒸汽被冷凝为液体，通过该方法热量的回收利用率大于70％。

美国专利(US4545862)介绍了一种海水淡化设备和方法，利用平板微孔疏水膜制成的螺旋型膜组件中，料液与馏出液反向流动，料液可以有效吸收馏出液冷凝时释放的冷凝热。在该专利的实例中，每产生1千克馏出液仅消耗212千焦的能量，获得较高的能量利用率，相当于造水比为9。

美国专利(US6716355B1)介绍了一种方框式组件，在该方框式组件中一层微孔疏水膜和一层冷凝管间隔放置，膜与管相互垂直，进料流与加热流错流操作，热料液流过膜通道，从膜微孔渗透出来的蒸汽流在冷凝管的外壁处冷凝，蒸汽冷凝释放的冷凝热传递给管内的冷料液，因而提高热量回收利用率。在该专利的实例中，将多个方框式组件按照一定的方式连接，热量的回收利用效果更好，只是在该专利的实例中未明确给出详细的实验数据。

目前的研发重点主要集中于如何提升这些技术，降低产水成本以及与这些技术相关的前处理和后处理过程；除此之外，任何有关海水淡化和污水处理等新技术的出现都会引起人们的高度关注，特别是那些具有商业潜力，生产成本低，能耗低，工艺简单，易操作，用途广泛和无二次污染的脱盐新技术倍受重视。

这些在原理上与多级闪蒸和多效蒸发相同或相近，具有多效过程的特点但又是基于膜蒸馏的分离过程我们称之为热量回收式多效膜蒸馏(Multi-Effect Membrane Distillation，简称之为MEMD)。可见，热量回收式多效膜蒸馏组件和技术是集多效蒸发(MED)、多级闪蒸(MSF)和传统膜蒸馏的优势于一体的新型膜分离组件和技术，除了具有与多效蒸发、多级闪蒸相同甚至更高的造水比外，还具有膜蒸馏设备紧凑、分离效率高、操作条件温和(无需高温高压和抽真空操作)、可以利用低品位热源(如太阳能、地热、废热等)的优点，还非常适合对反渗透及其他过程中产生的浓盐水进行浓缩。热量回收式多效膜蒸馏技术以其独特的优点，有望广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、水溶液(料液)浓缩处理以及环境保护等领域。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种能耗低、造水比高、产水成本低、操作简单温和、应用范围广和能够大规模应用的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏(简称多效膜蒸馏或MEMD)装置和方法。

本发明实现目的的技术方案是：

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其膜组件由膜壳、中空纤维膜、中空纤维管构成，其特征在于：所述膜组件的膜壳中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内置有由中空纤维膜及中空纤维管，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。

而且，所述中空纤维膜及中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，膜壳的腔体横截面是圆形，或者长方形。

而且，所述中空纤维膜为疏水性中空纤维微孔膜，中空纤维管为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管。

而且，所述制备疏水性中空纤维微孔膜的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯的其中一种或二种以上的混合物；所述制备中空纤维管的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚醚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇的其中一种或两种以上的混合物。

而且，所述疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75％，壁厚为30～400μm；所述中空纤维管的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

而且，所述中空纤维膜与中空纤维管的均匀间隔平行排列的方式为：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

而且，所述中空纤维膜作为料液进口时，为热料液进料方式，适用温度为60～100℃的料液；所述中空纤维管为料液进口时，为冷料液进料方式，适用温度为20～60℃的料液。

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置的膜蒸馏方法，步骤是：

(1)60～100℃的料液经过中空纤维膜进口进入膜组件的中空纤维膜的内腔，高温料液水分不断蒸发，蒸汽通过中空纤维膜壁上的微孔透过到膜壳腔内的中空纤维膜和中空纤维管的间隙中，并且在温度较低的中空纤维管的外壁上冷凝，蒸汽在中空纤维管的外壁上冷凝的过程中释放的冷凝潜热被中空纤维管中的料液吸收，使中空纤维管中的料液的温度不断升高，同时中空纤维膜侧的料液由于水分的不断蒸发，温度逐渐降低，料液中的不挥发和半挥发溶质的浓度也不断地增加，最后从中空纤维膜下端的出口流出膜组件的回水端；

(2)从膜组件的回水端流出的料液温度为20～40℃，通过外部换热器即冷却器将料液的温度进一步降低2～12℃，然后料液再经膜组件的回水端流入到中空纤维管的内腔中；

(3)料液在沿着中空纤维管上升的过程中，不断吸收从中空纤维膜侧透过的蒸汽在中空纤维管外壁冷凝的过程中所释放的潜热而致温度逐渐升高，当料液从膜组件的中空纤维管侧上端出口流出时，温度重新升高为57～97℃，在膜壳腔内蒸汽冷凝下来形成的蒸馏液淡水从蒸馏液出口流出并收集；

(4)从膜组件的中空纤维管侧上端处流出的浓缩液作为新的料液直接进入下一级多效膜蒸馏装置中继续浓缩。

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置的膜蒸馏方法，步骤是：

(1)20～60℃的料液从中空纤维管的下端进口进入到膜组件的中空纤维管的内腔，料液在沿着中空纤维管上升的过程中，不断吸收从中空纤维膜侧透过的蒸汽在中空纤维管外壁处冷凝的过程中所释放的潜热，料液温度会逐渐升高，料液从膜组件的中空纤维管侧上端出口流到回水端；

(2)从中空纤维管的出口处流出来的料液温度在膜组件的回水端为70～97℃，通过外部换热器即加热器将料液的温度进一步升高2～12℃后，再返回膜组件的回水端流入到中空纤维膜的内腔中；

(3)料液在沿着中空纤维膜的内腔向下流动过程中，水蒸气不断蒸发并通过中空纤维膜壁上的微孔透过到膜装置的中空纤维膜和中空纤维管的间隙中，并且在温度较低的中空纤维管的外壁上冷凝，蒸汽在中空纤维管的外壁上冷凝的过程中释放的冷凝潜热被中空纤维管中的料液吸收，使中空纤维管中的料液的温度不断升高，同时中空纤维膜侧的料液由于水分的不断蒸发而致温度逐渐降低，料液中的不挥发和半挥发溶质的浓度也不断地增加，最后从中空纤维膜的下端出口处流出形成蒸馏后的浓缩液，在膜壳腔内蒸汽冷凝下来形成的蒸馏液淡水从蒸馏液出口流出并收集；

(4)从中空纤维膜的下端出口处流出形成蒸馏后的浓缩液温度为23～63℃，该料液直接进入下一级多效膜蒸馏装置中继续浓缩。

而且，所述在膜壳腔内的中空纤维膜与中空纤维管为均匀间隔平行排列，即：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

本发明的优点和积极效果是：

1、本装置所采用中空纤维膜和中空纤维管在膜壳内的均布间隔排列方式，可确保能够达到最优的传热和传质效果的目的，通过多效膜蒸馏装置设计以实现具有与多效蒸发(MED)或多级闪蒸(MSF)具有相同甚至更高的造水比。

2、本装置既可以采用冷流体进料，也可以采用热流体进料。在采用冷流体进料时，需要外部提供热源，多效膜蒸馏过程中的造水比为4～20；在采用热流体进料时，不需要外部提供任何热量，且多效膜蒸馏过程中的造水比为4～20。

3、本装置结构紧凑，操作简单，能耗低，造水比高，且整个装置全部采用聚丙烯等塑料材料制成，耐高温，耐酸碱腐蚀，既可以小规模分散实施，也可以集成化应用，该方法可用于海水淡化、苦咸水淡化、不挥发性或半挥发性溶质的水溶液浓缩以及环境保护等领域。当该多效膜蒸馏装置用于氯化钠、硫酸铵、硝酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、硫酸、盐酸、葡萄糖、尿素、甘油、乙二醇、乳酸、乙醛酸、二甲基亚砜、环丁砜等不挥发和半挥发溶质的水溶液的浓缩及反渗透浓水的浓缩时，如果采用常压蒸汽或热水作热源，最高造水比可达13.7。

附图说明

图1为本发明多效膜蒸馏装置及热进料操作示意图；

图2为本发明多效膜蒸馏装置及冷进料操作示意图；

图3为本发明多效膜蒸馏装置内的膜丝排列方式示意图；

图4为图3的截面剖视放大图(膜壳中部截面为方形)。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例做进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，包括膜壳3及在膜壳内的中空纤维膜10、中空纤维管11和外换热器6，膜壳3及在膜壳内的中空纤维膜10、中空纤维管构成本装置的膜组件，所述膜壳的中部制成腔体，膜壳的腔体截面是圆形，或者长方形(如图4)，其两端均分别制有一进口及一出口，其中，图1中所示的膜壳的上端为中空纤维膜进口2及中空纤维管出口8，下端为中空纤维膜出口7及中空纤维管进口5，该下端为膜组件的回水端，在中空纤维膜出口7及中空纤维管进口5之间串联一外换热器6，该外换热器为冷却器。图2所示的膜壳的上端为膜组件的回水端，为中空纤维管出口2a及中空纤维膜进口8a，下端为中空纤维管进口7a及中空纤维膜出口5a，在中空纤维膜进口8a及中空纤维管出口2a之间串联一外换热器6a，该外换热器为加热器。所有进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内设置有中空纤维膜10及中空纤维管11，中空纤维膜10及中空纤维管11的两端接头分别各自连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口4。

本实施例中，中空纤维膜10为疏水性中空纤维微孔膜，疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75％，壁厚为30～400μm；制备疏水性中空纤维微孔膜的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯的其中一种或二种以上的混合物；所述制备中空纤维毛细管的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚醚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇的其中一种或两种以上的混合物。

本实施例中，中空纤维管11为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管，中空纤维管11的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

中空纤维膜与中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

本发明的多效膜蒸馏方法和装置适用于任何以分离或浓缩不挥发和半挥发溶质的水溶液为目的的过程。

本发明涉及的多效膜蒸馏装置可以单独使用，也可以多组以串联、并联或串并联的方式使用。

下面叙述本发明的膜蒸馏方法：

一、料液预处理：经过预处理去除料液中的固体颗粒、悬浮物、及处于饱和态有可能在多效膜蒸馏过程中产生结晶或沉淀的物质，预处理方法包括絮凝、化学反应性沉淀、pH调节、螯合或离子交换、砂滤等其中的一个或几个过程与微滤、超滤组合，或仅仅进行微滤、超滤预处理，需根据不同的水质情况进行选择。

二、膜蒸馏：根据料液的温度条件可以分为热料液进料和冷料液进料两种方式。当中空纤维膜作为料液进口时，为热料液进料方式，适用温度为60～100℃的料液；所述中空纤维管为料液进口时，为冷料液进料方式，适用温度为20～60℃的料液。下面分别予以叙述：

1、热料液进料：当料液1的温度为60～100℃时，采用图1所示的热进料操作方式，料液1从中空纤维膜10侧的上端进口2进入到中空纤维膜的内腔中，料液1在沿着中空纤维膜10向下流动的过程中，由于料液的温度比较高，水分不断蒸发，蒸汽通过中空纤维膜10壁上的微孔透过到膜装置的壳程即中空纤维膜10和中空纤维管11的间隙中，并且在温度较低的中空纤维管11的外壁上冷凝，蒸汽在中空纤维管11的外壁上冷凝的过程中释放的冷凝潜热被中空纤维管11中的料液1吸收，使中空纤维管11中的料液1的温度不断升高，同时中空纤维膜10侧的料液1由于水分的不断蒸发，温度逐渐降低，料液1中的较难挥发组分的浓度也不断地增加，最后从中空纤维膜10的下端出口7处流出进入膜组件的回水端，从中空纤维膜10的下端出口7处流出来的料液温度为20～40℃，该料液进一步通过膜组件的回水端的冷却器6将料液1的温度进一步降低2～12℃，然后料液从中空纤维管11的下端进口5返回膜组件的中空纤维管的内腔中，料液1在沿着中空纤维管11上升的过程中，会不断吸收从中空纤维膜10侧透过的蒸汽在中空纤维管11外壁冷凝的过程中所释放的潜热，因而温度会逐渐升高，当料液1从膜组件的中空纤维管11侧上端出口8流出时，温度升高为57～97℃，此时的浓缩后料液9可以经适当的换热或不换热直接进入下一级多效膜蒸馏装置中继续浓缩。在膜组件壳程中蒸汽冷凝下来形成的蒸馏液淡水从蒸馏液出口4流出并收集。在采取热进料进行多效膜蒸馏的过程时，不需要外界提供任何的热量，而只需要从料液中移走少量热量以提供传热传质推动力，该过程中多效膜蒸馏装置的热回收利用率很高，造水比为4～20，这一般取决于热源温度，也取决于料液中溶质的种类和浓度。这是因为料液的种类决定了料液的粘度和沸点上升等，因而决定了热利用率和造水比。

冷料液进料：当料液1a的温度为20～60℃时，采用图2所示的冷进料操作方式，料液1a从中空纤维管11的下端进口7a进入到中空纤维管的内腔中，料液1a在沿着中空纤维管11上升的过程中，会不断吸收从中空纤维膜10侧透过的蒸汽在中空纤维管11外壁处冷凝的过程中所释放的潜热，因而料液温度会逐渐升高，当料液1a从多效膜蒸馏组件的中空纤维管11侧上端出口2a流出至膜组件的回水端时，温度升高为70～97℃，通过外部换热器6a即加热器将料液1a的温度继续加热到73～100℃后，由中空纤维膜10侧的上端进口8a流入到膜组件的中空纤维膜的内腔中；由于中空纤维膜10内的料液温度高出相邻中空纤维管11内的料液温度，在沿着中空纤维膜10向下流动的过程中，水蒸气不断蒸发并通过中空纤维膜10壁上的微孔透过到膜装置的壳程即中空纤维膜10和中空纤维管11的间隙中，并且在温度较低的中空纤维管11的外壁上冷凝，蒸汽在中空纤维管11的外壁上冷凝的过程中释放的冷凝潜热被中空纤维管11中的料液1a吸收，使中空纤维管11中的料液1a的温度不断升高，同时中空纤维膜11侧的料液1a由于水分的不断蒸发，温度逐渐降低，料液1a中难挥发组分的浓度也不断地增加，最后从中空纤维膜10的下端出口5a处流出形成蒸馏后的浓缩液9a。在膜组件壳程中蒸汽冷凝下来形成的蒸馏液淡水从蒸馏液出口4流出并收集。采取冷进料进行多效膜蒸馏的过程需要外界提供热源，该过程中多效膜蒸馏装置的热回收利用率很高，造水比为4～20，这一般取决于热源温度，也取决于料液中溶质的种类和浓度。这是因为料液的种类决定了料液的粘度和沸点上升等，因而决定了热利用率和造水比。

如果待处理的料液是热料液，温度为60～100℃时，采用热进料操作方式的多效膜蒸馏过程具有无可比拟的优势，除了该过程具有4～20的高造水比外，且不需要外界提供任何热量，可利用其自身的热量进行多效膜蒸馏过程的实施。

下面通过21个具体实例来印证本发明的创新高度。

实施例1：

料液：盐的重量百分比浓度为3％的氯化钠(NaCl)水溶液，相当于海水淡化的原海水中盐浓度。

料液进料温度：25～30℃

热源：温度为98～100℃的热水

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.28L/(m²·h)。

造水比为：12.5。

蒸馏出水的电导率为：3.2μs/cm。

实施例2：

料液：盐的重量百分比浓度为6％的氯化钠(NaCl)水溶液，相当于传统海水淡化过程所副产浓盐水中盐浓度。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：5.88L/(m²·h)。

造水比为：10.4。

蒸馏出水的电导率为：7.2μs/cm。

实施例3：

料液：盐的重量百分比浓度为15％的氯化钠(NaCl)水溶液。

料液进料温度：95～100℃。

冷源：地下水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：4.20L/(m²·h)

造水比为：7.6。

蒸馏出水的电导率为：10.2μs/cm。

实施例4：

料液：盐的重量百分比浓度为10％的碳酸钠(Na₂CO₃)水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：常压蒸汽。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：4.70L/(m²·h)

造水比为：9.6。

蒸馏出水的电导率为：15.6μs/cm。

实施例5：

料液：盐的重量百分比浓度为15％的碳酸钠(Na₂CO₃)水溶液。

料液进料温度：90～98℃。

冷源：地下水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：4.20L/(m²·h)

造水比为：8.2。

蒸馏出水的电导率为：15.7μs/cm

实施例6：

料液：盐的重量百分比浓度为10％的硝酸钠(NaNO₃)水溶液。

料液进料温度：90～98℃。

冷源：自来水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：4.12L/(m²·h)

造水比为：10.6。

蒸馏出水的电导率为：9.8μs/cm。

实施例7：

料液：盐的重量百分比浓度为5％的硫酸铵((NH₄)₂SO₄)水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：98～100℃热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.50L/(m²·h)。

造水比为：11.6。

蒸馏出水的电导率为：7.2μs/cm。

实施例8：

料液：盐的重量百分比浓度为1％的硝酸铵(NH₄NO₃)水溶液。

料液进料温度：90～98℃。

冷源：自来水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：7.20L/(m²·h)。

造水比为：13.6。

蒸馏出水的电导率为：4.6μs/cm。

实施例9：

料液：重量百分比浓度为4％的氢氧化钠(NaOH)水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：98～100℃热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.24L/(m²·h)。

造水比为：11.8。

蒸馏出水的电导率为：15.6μs/cm。

实施例10：

料液：重量百分比浓度为10％的葡萄糖水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.50L/(m²·h)

造水比为：9.5。

蒸馏出水的电导率为：6.8μs/cm，葡萄糖浓度低于测试精度。

实施例11：

料液：重量百分比浓度为10％的硫酸水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：5.60L/(m²·h)。

造水比为：10.5。

蒸馏出水的电导率为：8.3μs/cm，pH值为5.5～6.5。

实施例12：

料液：酸的重量百分比浓度为10％的盐酸溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：5.60L/(m²·h)。

造水比为：10.7。

馏出液中盐酸的浓度：酸的重量百分比浓度为1.92％。

实施例13：

料液：重量百分比浓度为5％的盐酸溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.46L/(m²·h)

造水比为：11.8。

馏出液中盐酸的浓度：酸的重量百分比浓度为0.28％。

实施例14：

料液：重量百分比浓度为10％的甘油水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.36L/(m²·h)

造水比为：11.8。

蒸馏出水的甘油含量低于检测精度。

实施例15：

料液：重量百分比浓度为10％的乙二醇水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.63L/(m²·h)。

造水比为：12.5。

蒸馏出水的乙二醇含量低于0.3％。

实施例16：

料液：重量百分比浓度为1％的尿素水溶液。

料液进料温度：90～92℃。

冷源：自来水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：7.10L/(m²·h)。

造水比为：13.8。

蒸馏出水的尿素含量低于0.005％。

实施例17：

料液：重量百分比浓度为2％的二甲基亚砜(DMSO)水溶液。

料液进料温度：90～94℃。

冷源：自来水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：7.01L/(m²·h)

造水比为：13.0。

蒸馏出水的二甲基亚砜含量低于0.01％。

实施例18：

料液：重量百分比浓度为10％的环丁砜水溶液。

料液进料温度：92～94℃。

冷源：自来水。

操作方式：采用图1所示的热进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.10L/(m²·h)。

造水比为：10.3。

蒸馏出水的环丁砜含量低于0.02％。

实施例19：

料液：重量百分比浓度为2％的乳酸水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.21L/(m²·h)

造水比为：12.3。

蒸馏出水的乳酸含量低于0.1％。

实施例20：

料液：重量百分比浓度为2％的乙醛酸水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.02L/(m²·h)

造水比为：12.1。

蒸馏出水的乙醛酸含量低于0.02％。

实施例21：

料液：重量百分比浓度为5％的木糖醇水溶液。

料液进料温度：25～30℃。

热源：温度为98～100℃的热水。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.50L/(m²·h)

造水比为：11.5。

蒸馏出水的电导率为：4.8μs/cm，木糖醇浓度低于测试精度。

实施例22：

料液：石油炼制废水经生化和反渗透处理浓缩4倍的浓水，电导率为3240μs/cm，COD_Cr值为56.7。

料液进料温度：25～30℃。

热源：常压蒸汽。

操作方式：采用图2所示的冷进料方式进行多效膜蒸馏过程。

实验结果：

多效中空纤维膜组件的水通量为：6.73L/(m²·h)

造水比为：13.7。

蒸馏出水：电导率为5.65μs/cm，COD_Cr值为44.7。

Claims (9)

1.一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其膜组件由膜壳、中空纤维膜、中空纤维管构成，其特征在于：所述膜组件的膜壳中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内置有中空纤维膜及中空纤维管，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。

2.按照权利要求1所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜及中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，膜壳的腔体横截面是圆形，或者长方形。

3.按照权利要求1或2所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜为疏水性中空纤维微孔膜，中空纤维管为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管。

4.按照权利要求3所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述制备疏水性中空纤维微孔膜的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯的其中一种或二种以上的混合物；所述制备中空纤维管的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚醚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇的其中一种或两种以上的混合物。

5.按照权利要求3所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75%，壁厚为30～400μm；所述中空纤维管的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

6.按照权利要求2所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜与中空纤维管的均匀间隔平行排列的方式为：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

7.按照权利要求1所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜作为料液进口时，为热料液进料方式，适用温度为60～100℃的料液；所述中空纤维管为料液进口时，为冷料液进料方式，适用温度为20～60℃的料液。

8.一种采用如权利要求1所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置的膜蒸馏方法，其特征在于：步骤是：

⑴20～60℃的料液从中空纤维管的下端进口进入到膜组件的中空纤维管的内腔，料液在沿着中空纤维管上升的过程中，不断吸收从中空纤维膜侧透过的蒸汽在中空纤维管外壁处冷凝的过程中所释放的潜热，料液温度会逐渐升高，料液从膜组件的中空纤维管侧上端出口流到回水端；

⑵从中空纤维管的出口处流出来的料液温度在膜组件的回水端为70～97℃，通过外部换热器即加热器将料液的温度进一步升高2～12℃后，再返回膜组件的回水端流入到中空纤维膜的内腔中；

⑶料液在沿着中空纤维膜的内腔向下流动过程中，水蒸气不断蒸发并通过中空纤维膜壁上的微孔透过到膜装置的中空纤维膜和中空纤维管的间隙中，并且在温度较低的中空纤维管的外壁上冷凝，蒸汽在中空纤维管的外壁上冷凝的过程中释放的冷凝潜热被中空纤维管中的料液吸收，使中空纤维管中的料液的温度不断升高，同时中空纤维膜侧的料液由于水分的不断蒸发而致温度逐渐降低，料液中的不挥发或半挥发溶质的浓度也不断地增加，最后从中空纤维膜的下端出口处流出形成蒸馏后的浓缩液，在膜壳腔内蒸汽冷凝下来形成的蒸馏液淡水从蒸馏液出口流出并收集；

⑷从中空纤维膜的下端出口处流出形成蒸馏后的浓缩液温度为23～63℃，该料液直接进入下一级多效膜蒸馏装置中继续浓缩。

9.按照权利要求8所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏方法，其特征在于：所述在膜壳腔内的中空纤维膜与中空纤维管为均匀间隔平行排列，即：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

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