CN102861512A - 一种耦合式膜蒸馏组件装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式膜蒸馏组件装置及方法，该膜蒸馏组件装置包括膜蒸发和热量回收两个部分。其核心部分是由一个以及一个以上并列排放的组件单元组成的，所述组件单元是由膜分离功能层相对应且平行排放的两片疏水性平板微孔膜组成的膜蒸发单元和由两个及两个以上平行排列的换热中空纤维层组成的热回收单元共同构成的。本发明的组件装置具有蒸发效率和热回收率高、节能、设备集成化程度高、操作成本低等优点。

Description

一种耦合式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，具体涉及膜蒸馏组件装置及方法。

背景技术

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兼具高效热量回收功能的膜蒸馏组件装置及方法，能够显著降低MD水处理过程中的热耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够显著提高热利用效率的膜蒸馏组件装置及方法。

本发明的技术方案包括膜蒸发和热量回收两个部分。

如图1所示，膜蒸馏组件装置的核心部分是由一个及一个以上并列排放的组件单元组组成的，其特征在于组件单元组是由一个及一个以上并列排放的组件单元组成的，组件单元是由膜分离功能层相对应且平行排放的两片疏水性平板微孔膜组成的膜蒸发单元和由两个及两个以上平行排列的换热中空纤维层组成的热回收单元共同构成的。

在图1所示的组件单元内，多个换热中空纤维层分别平行排列于膜蒸发单元的两侧。

所述换热中空纤维层是由多个换热中空纤维平行排列而成的。

所述组件单元内平板膜之间、中空纤维层之间、平板膜与中空纤维层之间衬以网状支撑层；所述网状支撑层内含有液体流道，且具有良好的耐温性及耐腐蚀性能。

在组件单元的两端，换热中空纤维之间及其与疏水性平板微孔膜之间是密封的；组件单元内两侧相邻的疏水性平板微孔膜之间是密封的，形成密闭的液体通道。

所述的组件单元内热回收单元的换热中空纤维层的排列方式不仅限于图1所示结构，可为多种形式，其中之一如图2所示：组件单元内热回收单元的多个换热中空纤维层平行排列于膜蒸发单元的同一侧面。

所述的膜蒸馏组件装置，其结构特征可表述于：在组件装置第一级组件单元组内所有并列的膜蒸发单元的同侧端口处设总料液进口，其中每个组件单元的膜蒸发单元另一端的料液出口与其同侧的换热中空纤维相连通，而换热中空纤维的总料液出口与其同侧第二级组件单元组的膜蒸发单元的料液进口相连通，该组件单元组所属组件单元的膜蒸发单元的料液出口与其同侧的换热中空纤维相连通；以此类推，上一级组件单元组换热中空纤维的料液出口与其下一级组件单元组内膜蒸发单元的料液进口相连通，每一级组件单元组内组件单元的膜蒸发单元的料液出口都与其同侧的换热中空纤维相连通；直到最后一级组件单元组，其换热中空纤维的料液出口作为组件装置的最终料液出口。

所述的组件装置还包括设置于组件槽体上位于换热中空纤维下侧的冷凝液排放口；不同的冷凝液排放口与一个冷凝液排放管道相连接。

一种利用上述组件装置的膜蒸馏方法，其特征在于包括以下过程：

经过预处理的料液被加热装置加热至50-100℃后通过组件装置的料液进口输入到组件装置内，料液在流过疏水性平板微孔膜表面的过程中蒸发产生蒸气，蒸气通过膜孔到达相邻的换热中空纤维层，在此与换热中空纤维内流动的更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，冷凝液从下侧的冷凝液排放口排出。

料液在流经疏水性平板微孔膜表面的过程中由于液体的蒸发，其温度呈下降趋势，同时沿料液流动方向蒸气的温度也呈下降趋势，在膜蒸发单元的料液出口处料液温度和蒸气温度都达到了最低；低温料液从膜蒸发单元的料液出口进入相邻的换热中空纤维，与膜蒸发单元内的料液形成逆流，在换热中空纤维内料液不断被从平板微孔膜内释出的蒸气所加热提升至更高的温度，从换热中空纤维内流出的具有较高温度的料液再次进入下一级组件单元组，进行着同样的蒸发、冷凝、加热的过程。

从最后一级组件单元组内排出的具有较高浓度的料液，可根据需要再次被加热后循环进入组件装置进一步蒸发、浓缩。

从组件装置下侧冷凝液排放口排出的冷凝液和少量低温蒸气可通过换热装置与补充料液、冷却液进行换热以回收更多的热量和获得更多的冷凝液。

在组件装置运行过程中，真空装置可与组件装置冷凝液排放口处的换热装置相连接，使组件装置内产生一定的负压以提高膜蒸馏效率。

根据规模要求，可通过增加组件装置内组件单元组及组件单元的数量以及组件单元内膜面积和换热中空纤维的面积来提高单位组件装置的料液处理量，通过并联多套组件装置实现较大规模的料液处理。

由此可知在本发明的组件装置内同时进行着膜蒸馏和热量回收的过程，具有蒸发效率和热回收率高、节能、设备集成化程度高、操作成本低等优点。

附图说明

图1是组件装置示意图：1、组件单元(组)，2、组件外壳，3、组件端封，4、网状支撑层，5、换热中空纤维，6、疏水性平板微孔膜，7、冷凝液排放口，8、料液进口，9、料液出口，10、冷凝液排放管道。

图2是另一种不同结构形式的组件装置示意图：结构标识与图1相同。

具体实施方式

如图1、2所示，经过预处理和加热至预设温度的原料液通过料液进口(8)输入到组件装置系统的第一级组件单元(1)组，料液在流过疏水性平板微孔膜(6)表面的过程中蒸发产生蒸气，蒸气通过膜孔到达相邻的换热中空纤维(5)层，在此与换热中空纤维内流动的更低温度的料液热交换，料液被加热至更高的温度，同时蒸气被冷凝为液体，冷凝液从下侧的冷凝液排放口(7)排出。

料液在流经疏水性平板微孔膜(6)表面的过程中由于液体的蒸发，其温度呈下降趋势，同时沿料液流动方向蒸气的温度也呈下降趋势；低温料液从膜蒸发单元进入相邻的换热中空纤维(5)，与膜蒸发单元内的料液形成逆流，在换热中空纤维(5)内料液不断被从平板微孔膜(6)内释出的蒸气所加热提升至更高的温度，从换热中空纤维(5)内流出的具有较高温度的料液再次进入下一级组件单元(1)组，进行着同样的蒸发、冷凝、加热的过程。

从最后一级组件单元(1)组内流出的浓缩料液从料液出口(9)排出组件装置系统，根据需要也可将浓缩料液再次加热后循环进入组件装置进一步蒸发、浓缩。

从组件装置下侧冷凝液排放口(7)排出的冷凝液和少量低温蒸气可通过换热装置与补充料液、冷却液进行换热以回收更多的热量和获得更多的冷凝液。

在组件装置运行过程中，真空装置可与组件装置冷凝液排放口处的换热装置相连接，使组件装置内产生一定的负压以提高膜蒸馏效率。

根据规模要求，可通过增加组件装置内组件单元组及组件单元(1)的数量以及组件单元内膜(6)面积和换热中空纤维(5)的面积来提高单位组件装置的料液处理量，通过并联多套组件装置实现较大规模的料液处理。

实施例1

物料液：海水；预处理：沉淀、沙滤、微滤

组件单元组数量：5个

组件装置形式：如图1所示

物料液进口温度：90℃

结果：产品为蒸馏水、14％含盐浓海水，热回收利用率92％。

实施例2

物料液：含硫酸工业废水；预处理：沉淀、过滤

组件单元组数量：3个

组件装置形式：如图1所；

物料液进口温度：83℃

结果：产品为蒸馏水、35％浓硫酸水溶液，热回收利用率87％。

实施例3

物料液：含硫酸钠的工业废水；预处理：沉淀、过滤

组件单元总数量：6个

组件装置形式：如图2所示

物料液进口温度：85℃

结果：产品为蒸馏水、22％硫酸钠水溶液，热回收利用率94％。

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、树脂吸附

组件单元组数量：4个

组件装置形式：如图2所示

物料液进口温度：95℃

结果：产品为蒸馏水(COD＜30mg/L)、固体盐、浓缩液，热回收利用率90％。

Claims (10)

1.一种膜蒸馏组件装置，是由一个及一个以上并列排放的组件单元组组成的，其特征在于组件单元组是由一个及一个以上并列排放的组件单元组成的，组件单元是由膜分离功能层相对应且平行排放的两片疏水性平板微孔膜组成的膜蒸发单元和由两个及两个以上平行排列的换热中空纤维层组成的热回收单元共同构成的。

2.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的换热中空纤维层是由多个换热中空纤维平行排列而成的。

3.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元内，换热中空纤维层分别平行排列于膜蒸发单元的两侧。

4.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元内换热中空纤维层的排列方式也可描述为：组件单元内换热中空纤维层平行排列于膜蒸发单元的同一侧面。

5.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的组件单元内疏水性平板微孔膜之间、换热中空纤维层之间、疏水性平板微孔膜与换热中空纤维层之间衬以网状支撑层。

6.按照权利要求5的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的网状支撑层内含有液体流道，且具有良好的耐温性及耐腐蚀性能。

7.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述组件单元两端的换热中空纤维之间及其与疏水性平板微孔膜之间是密封的；组件单元内两侧相邻的疏水性平板微孔膜之间是密封的，形成密闭的液体通道。

8.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于：在组件装置第一级组件单元组内所有并列的膜蒸发单元的同侧端口处设总料液进口，其中每个组件单元的膜蒸发单元另一端的料液出口与其同侧的换热中空纤维相连通，而换热中空纤维的总料液出口与其同侧第二级组件单元组的膜蒸发单元的料液进口相连通，该组件单元组所属组件单元的膜蒸发单元的料液出口与其同侧的换热中空纤维相连通；以此类推，上一级组件单元组换热中空纤维的料液出口与其下一级组件单元组内膜蒸发单元的料液进口相连通，每一级组件单元组内组件单元的膜蒸发单元的料液出口都与其同侧的换热中空纤维相连通；直到最后一级组件单元组，其换热中空纤维的料液出口作为组件装置的最终料液出口。

9.按照权利要求1的膜蒸馏组件装置，其特征在于所述的膜蒸馏组件装置还包括设置于组件槽体上位于换热中空纤维下侧的冷凝液排放口、以及与冷凝液排放口相连接的冷凝液排放管道。

10.一种利用如权利要求1所述膜蒸馏组件装置的方法，其特征在于包括以下过程：

经过预处理的料液被加热装置加热至50-100℃后通过组件装置的料液进口输入到膜蒸馏组件装置内，料液在流过疏水性平板微孔膜表面的过程中蒸发产生蒸气，蒸气通过膜孔到达相邻的换热中空纤维层，在此与换热中空纤维内流动的更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，冷凝液从下侧的冷凝液排放口排出；

料液在流经疏水性平板微孔膜表面的过程中由于液体的蒸发，其温度呈下降趋势，同时沿料液流动方向蒸气的温度也呈下降趋势，在膜蒸发单元的料液出口处料液温度和蒸气温度都达到了最低值；低温料液从膜蒸发单元的料液出口进入相邻的换热中空纤维，与膜蒸发单元内的料液形成逆流，在换热中空纤维内料液不断被从疏水性平板微孔膜内释出的蒸气所加热提升至更高的温度，从换热中空纤维内流出的具有较高温度的料液再次进入下一级组件单元组，进行着同样的蒸发、冷凝、加热的过程；

从最后一级组件单元组内排出的具有较高浓度的料液，可根据需要再次被加热后循环进入膜蒸馏组件装置进一步蒸发、浓缩；

从膜蒸馏组件装置下侧冷凝液排放口排出的冷凝液和少量低温蒸气可通过换热装置与补充料液、冷却液进行换热以回收更多的热量和获得更多的冷凝液；

在膜蒸馏组件装置运行过程中，减压装置可与膜蒸馏组件装置冷凝液排放口处的换热装置相连接，使膜蒸馏组件装置内产生一定的负压以提高膜蒸馏效率；

根据规模要求，可通过增加膜蒸馏组件装置内组件单元组及组件单元的数量以及组件单元内膜面积和换热中空纤维的面积来提高单位膜蒸馏组件装置的料液处理量，通过并联多套膜蒸馏组件装置实现较大规模的料液处理。

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