CN102371120B - 多级式减压膜蒸馏组件单元装置及其膜蒸馏装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种减压膜蒸馏组件装置及其膜蒸馏装置和方法，该组件装置是由多个串联的膜组件和换热组件组成的，其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，与组件单元前后封盖相连接的液体循环系统，与液体循环系统相结合的热补充装置，与组件单元最后一级膜组件和换热组件相连接的减压系统，与减压系统相结合的热回收装置，系统控制及检测装置，储液装置，过滤装置。本发明的减压膜蒸馏组件单元及其膜蒸馏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
技术领域
本发明涉及一种分离装置，具体涉及减压膜蒸馏组件装置及膜蒸馏装置和方法。
背景技术
膜蒸馏技术，兼具了蒸馏法和膜法的优点，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。
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多级式高效热量回收减压膜蒸馏(ME-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
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装置及方法。
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。
如图1所示，组件单元是由多个串联的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，中间部分换热组件和膜组件间隔排列，后端部分为一个换热组件。
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，组件槽体的端部与侧盖相连；膜组件一端封闭或两端连通。
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，组件槽体的两端各有一个侧盖；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。
所述的组件单元内串联排列的第一级膜组件的一端与其间隔排列的第一级换热组件的同侧端相连通；另一侧，第二级膜组件同第一级换热组件和第二级换热组件的同侧端相连通；相反侧，第三级膜组件同第二级换热组件和第三级换热组件同侧端相连通；以此类推。最后一级换热组件的剩余端和最后一级膜组件同侧端相连通，并外接真空系统。
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。
所述的组件单元的前端和后端各有一个流体分布器和封盖，每一个封盖上设有流体进出口。
一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，与组件单元前后封盖相连接的液体循环系统，与液体循环系统相结合的热补充装置，与组件单元最后一级膜组件和换热组件相连接的减压设备，与减压系统相结合的热回收装置，系统控制及检测装置、储液装置、过滤装置等。
按图2所示膜蒸馏装置，液体循环系统包括循环泵、管路系统、储液槽等以及流量、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50-100℃，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、通量等的控制与测试；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；储液装置主要用于收集冷凝液和储放料液等。
一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：
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物料液的减压膜蒸馏及热量回收利用
经过预处理的物料液被加热装置加热至50-100℃后泵入组件单元，料液经过流体分布器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侧盖上的蒸气出口施于中空纤维膜和换热管的内腔；料液中的易挥发组份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，同时料液由于蒸发而温度降低；从第一级膜组件抽出的蒸气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和在第一级换热组件内未被冷凝的蒸气一起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；从第三级膜组件抽出的蒸气和在第二级换热组件内未被冷凝的蒸气一起进入第三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，除最后一级膜组件外从每一级膜组件内抽出的蒸气都进行着相似的冷凝和加热料液的过程；从最后一级换热组件和膜组件内抽出的冷凝液和蒸气汇集后经过换热器依次被补充料液和冷却水完全冷凝和冷却，同时补充料液也被加热到了较高的温度。
为进一步提高热利用率，把从膜蒸馏系统内排出的具有较高温度的浓排液以及冷凝液分别同补充料液进行热交换以回收其热量。
在膜蒸馏系统内，蒸气被换热组件和换热器冷凝后所产生的冷凝液通过与换热组件和换热器出口处相连接的收集罐进行收集。
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，然后再次被加热至预设温度重新进入组件单元进行蒸发浓缩，如此循环往复，直至达到预期效果。
物料液的膜蒸馏过程可连续进行也可间歇分批进行。
由此可知，本发明的减压膜蒸馏组件单元及其膜蒸馏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
图1是多级式减压膜蒸馏组件单元装置示意图：1.1、膜组件，1.2、换热组件，1.3、液体进口，1.4、液体出口，1.5、真空管路，1.6、真空接口，1.7、侧盖，1.8、流体分布器和封盖。
图2是膜蒸馏装置示意图：1、组件单元装置，2、料液循环泵，3、加热装置，4、液体管路，5、真空管路，6.1、6.2、换热器，7、补充料液入口，8、冷却水入口，9、冷凝液储罐，10、真空装置，11、循环料液槽。
具体实施方式
如图1、图2所示，经过预处理的原料液从补充料液入口(7)经换热器(6.1)预热后进入循环料液槽(11)。料液槽(11)内的料液经循环泵(2)加压后进入加热装置(3)加热至预定温度，然后通过组件单元(1)的液体进口(1.3)进入组件单元，在组件单元内料液经过分布器(1.8)后均匀地流过膜组件(1.1)内中空纤维膜和换热组件(1.2)内换热管的外侧表面。真空负压通过组件单元(1)上的真空接口(1.6)施于中空纤维膜和换热管的内腔，真空负压是由真空装置(10)提供的。料液中的易挥发组份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，而料液由于蒸发而温度降低。蒸气在负压的作用下通过膜组件侧盖(1.7)上的真空管路(1.5)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，冷凝液收集于与换热组件相连的储液槽内。
从最后一级换热组件(1.2)和膜组件(1.1)内抽出的冷凝液和蒸气汇集后经过换热器(6.1和6.2)依次被补充料液和冷却水完全冷凝和冷却，同时补充料液也被加热到了较高的温度然后进入循环料液槽(11)，所得冷凝液被收集于冷凝液储罐(9)。
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)进入循环料液槽(11)，然后再次被加热装置(3)加热至预设温度后泵入组件单元(1)进行蒸发浓缩，如此循环蒸发直至达到预期效果。
实施例1
物料液：海水；预处理：沉淀、沙滤、微滤；
组件单元数量：1个；单位组件单元内：膜组件(单元)数量：8个，换热组件(单元)数量：7个；
物料液的膜组件进口温度：85℃；
结果：产品为蒸馏水、18％浓海水，热回收利用率75％以上。
实施例2
物料液：含硫酸和硫酸钠工业废水；预处理：沉淀、过滤；
组件单元数量：3个，并联；单位组件单元内：膜组件(单元)数量：10个，换热组件(单元)数量：9个；
物料液的膜组件进口温度：86℃；
结果：产品为蒸馏水、20％硫钠浓溶液，热回收利用率89％。
实施例3
物料液：含硝酸钾等多种无机盐的水溶液；预处理：沉淀、过滤；
组件单元数量：6个，串并联；单位组件单元内：膜组件(单元)数量：6个，换热组件(单元)数量：5个；
物料液的膜组件进口温度：85℃；
结果：产品为蒸馏水、30％硝酸钾浓缩液和部分无机盐固体，热回收利用率70％。
实施例4
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、吸附；
组件单元数量：20个，并联；单位组件单元内：膜组件(单元)数量：15个，换热组件(单元)数量：14个；
物料液的膜组件进口温度：95℃；
结果：产品为蒸馏水(COD＜30mg/L)、浓缩液，热回收利用率95％。
实施例5
物料液：氯化铵稀溶液；预处理：沉淀、过滤；
组件单元数量：30个，串并联；单位组件单元内：膜组件(单元)数量：18个，换热组件(单元)数量：17个；
物料液的膜组件进口温度：85℃；
结果：产品为蒸馏水、35％以上氯化铵浓溶液，热回收利用率96％。
Claims (8)
1.一种多级式减压膜蒸馏组件单元装置，其特征在于：由多个串联的膜组件和换热组件组成的，组件单元的前端部分包括两个串联的膜组件，中间部分换热组件和膜组件间隔排列，后端部分为一个换热组件；所述的组件单元内串联排列的第一级膜组件的一端与其间隔排列的第一级换热组件的同侧端相连通；另一侧，第二级膜组件同第一级换热组件和第二级换热组件的同侧端相连通；相反侧，第三级膜组件同第二级换热组件和第三级换热组件同侧端相连通；以此类推至倒数第二级膜组件的侧端连接方式；最后一级换热组件的空余端和最后一级膜组件同侧端相连通，并外接真空系统。
2.按照权利要求1的多级式减压膜蒸馏组件单元装置，其特征在于：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，组件槽体的端部与侧盖相连；膜组件一端封闭或两端连通。
3.按照权利要求1的多级式减压膜蒸馏组件单元装置，其特征在于：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，组件槽体的端部与侧盖相连；所述的换热组件还包括具有框式结构的其它形式的换热器；所述的换热组件具有与膜组件相同或相近的内部长宽尺寸。
4.按照权利要求1的多级式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所述的单元装置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。
5.按照权利要求1的多级式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流体分布器和封盖，每一个封盖上设有流体进出口。
6.一种利用如权利要求1所述组件单元装置的膜蒸馏装置，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，与组件单元前后封盖相连接的液体循环系统，与液体循环系统相结合的热补充装置，与组件单元最后一级膜组件和换热组件相连接的减压系统，与减压系统相结合的热回收装置，系统控制及检测装置，储液装置，过滤装置。
7.一种利用如权利要求1-5之一所述组件单元装置的方法，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、凝胶可能对中空纤维膜造成污染的成份；
B物料液的减压膜蒸馏及热回收利用
经过预处理的物料液被加热装置加热至50-100℃后泵入组件单元，在组件单元内料液经过流体分布器后均匀地流过中空纤维膜和换热管的外侧表面；而真空负压通过膜组件和换热组件侧盖上的蒸气出口施于中空纤维膜和换热管的内腔；在负压的作用下，料液中的易挥发组份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，同时料液由于蒸发而致其温度降低；从第一级膜组件抽出的蒸气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和在第一级换热组件内未被冷凝的蒸气一起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；从第三级膜组件抽出的蒸气和在第二级换热组件内未被冷凝的蒸气一起进入第三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，除最后一级膜组件外从每一级膜组件内抽出的蒸气都进行着相似的冷凝和加热料液的过程；从最后一级换热组件和膜组件内抽出的冷凝液和蒸气汇集后经过换热器依次被补充料液和冷却水完全冷凝和冷却，同时补充料液也被加热到了较高的温度而进入循环料液槽；
为进一步提高热利用率，把从膜蒸馏系统内排出的具有较高温度的浓排液以及冷凝液分别同补充料液进行热交换以回收其热量；
在膜蒸馏系统内，蒸气被换热组件和换热器冷凝后所产生的冷凝液通过与换热组件和换热器出口处相连接的收集罐进行收集；
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，然后再次被加热至预设温度重新进入组件单元进行蒸发浓缩，如此循环往复，直至达到预期效果；
物料液的膜蒸馏过程或连续进行也或间歇分批进行。
8.一种利用如权利要求6所述的膜蒸馏装置的方法，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、凝胶可能对中空纤维膜造成污染的成份；
B物料液的减压膜蒸馏及热回收利用
经过预处理的物料液被加热装置加热至50-100℃后泵入组件单元，在组件单元内料液经过流体分布器后均匀地流过中空纤维膜和换热管的外侧表面；而真空负压通过膜组件和换热组件侧盖上的蒸气出口施于中空纤维膜和换热管的内腔；在负压的作用下，料液中的易挥发组份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，同时料液由于蒸发而致其温度降低；从第一级膜组件抽出的蒸气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和在第一级换热组件内未被冷凝的蒸气一起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；从第三级膜组件抽出的蒸气和在第二级换热组件内未被冷凝的蒸气一起进入第三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，除最后一级膜组件外从每一级膜组件内抽出的蒸气都进行着相似的冷凝和加热料液的过程；从最后一级换热组件和膜组件内抽出的冷凝液和蒸气汇集后经过换热器依次被补充料液和冷却水完全冷凝和冷却，同时补充料液也被加热到了较高的温度而进入循环料液槽；
为进一步提高热利用率，把从膜蒸馏系统内排出的具有较高温度的浓排液以及冷凝液分别同补充料液进行热交换以回收其热量；
在膜蒸馏系统内，蒸气被换热组件和换热器冷凝后所产生的冷凝液通过与换热组件和换热器出口处相连接的收集罐进行收集；
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，然后再次被加热至预设温度重新进入组件单元进行蒸发浓缩，如此循环往复，直至达到预期效果；
物料液的膜蒸馏过程或连续进行也或间歇分批进行。
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