CN103357271B - 一种热侧加压的膜蒸馏方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热侧加压的膜蒸馏方法，该方法中使用疏水中空纤维膜进行蒸馏，所述中空纤维膜连接盛放料液的热腔和生成蒸馏水的冷腔，中空纤维膜内设置有可流通水蒸气的内腔，所述方法包括：首先将待蒸馏料液升温；其次将升温后的料液加入热腔，并浸没热腔中设置的中空纤维膜组件；采用增压方法，使中空纤维膜与料液接触一侧的压力大于透过侧的压力，两者的压力差不超过疏水中空纤维膜的安全压力，料液通过蒸发潜热在中空纤维膜透过侧产生水蒸气，水蒸气通过中空纤维微膜的内腔传递至冷腔，在冷腔冷凝成蒸馏水。该方法可以有效提高中空纤维膜的膜通量。
Description
技术领域
本发明涉及一种热侧加压的膜蒸馏方法，具体涉及一种利用疏水中空纤维膜对料液进行蒸馏浓缩或分离的方法，本发明还涉及一种热侧加压的膜蒸馏装置。
背景技术
稀土、化工等领域产生的工业废水，由于成分复杂往往难于处理。现有的工业废水处理方法中，对料液浓缩或分离的过程中通常采用膜蒸馏工艺，具体包括直接接触膜蒸馏、空气隙膜蒸馏、减压膜蒸馏、气扫膜蒸馏等，这些蒸馏方法中均使用到了疏水中空纤维膜。其中减压膜蒸馏应用较广泛，减压膜蒸馏又称真空膜蒸馏，是在中空纤维膜的透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧更大的蒸气压差。
减压膜的传质过程为：①水从被处理液体主体扩散到与疏水膜表面相接触的边界层；②水在边界层与疏水膜的界面气化；③气化的蒸气扩散通过疏水性膜孔；④透过的蒸气被真空泵抽至外置的冷却器中冷凝。减压膜蒸馏比其他膜蒸馏过程具有更大的传质通量，所以近几年来受到比较大的关注。
但是减压膜蒸馏在传质通量方面仍然没有发挥中空纤维膜的最大潜能，有进一步提升的空间。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种热侧加压的膜蒸馏方法，该方法中对中空纤维膜采用料液一侧加压，提高了中空纤维膜的传质通量。本发明同时还提供了一种热侧加压的膜蒸馏装置，相比现有技术中的减压膜蒸馏装置有效提高了料液处理能力。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种热侧加压的膜蒸馏方法，所述方法中使用疏水中空纤维膜进行蒸馏，所述中空纤维膜连接盛放料液的热腔和生成蒸馏水的冷腔，中空纤维膜内设置有可流通水蒸气的内腔，所述方法包括：
首先将待蒸馏料液升温；
其次将升温后的料液加入热腔，并浸没热腔中设置的中空纤维膜组件；
采用增压方法，使中空纤维膜与料液接触一侧的压力大于透过侧的压力，两者的压力差不超过疏水中空纤维膜的安全压力，料液通过蒸发潜热在中空纤维膜透过侧产生水蒸气，水蒸气通过中空纤维微膜的内腔传递至冷腔，在冷腔冷凝成蒸馏水。
进一步，所述料液升温至50-60℃。
进一步，所述料液加入热腔的过程中，采用间隔进料模式并配合向热腔间歇吹气模式来增压，或采用连续进料模式来增压。
进一步，所述冷腔内采用抽真空或吹冷风强化水蒸气冷凝。
进一步，所述中空纤维膜为管式带有内腔，中空纤维膜的临界压力为1.5kgf。
一种热侧加压的膜蒸馏装置，所述装置设置有盛放料液的热腔箱体和生成蒸馏水的冷腔箱体，热腔箱体和冷腔箱体之间设置有若干组疏水中空纤维膜组件，组件中的中空纤维膜带有可流通水蒸气的内腔，在热腔箱体内中空纤维膜与料液相接触一侧的压力大于透过侧的压力。
进一步，所述中空纤维膜组件包括若干根管式中空纤维膜。
进一步，所述冷腔箱体位于热腔箱体上部，所述中空纤维膜组件呈U型，两个开口端均连接冷腔箱体。
进一步，所述热腔箱体的端板上设置有泄压阀接口、补充内部压力的吹气阀接口、采样口和进液口。
进一步，所述冷腔箱体的端板上设置有溢流阀接口、冷却内部温度的吹气阀接口和采样口。
进一步，所述疏水中空纤维膜采用PTFE材质，管式中空纤维膜壁厚0.5mm，微孔孔径0.1-0.2μm，孔隙率50-60%，临界压力为1.5kgf。
本发明的热侧加压的膜蒸馏方法及装置具有以下积极效果：
该装置料液处理能力可以达到150L/h，膜通量为20 kg/m2 h，相比传统膜蒸馏装置的膜通量提高33%。
该装置相比传统减压膜蒸馏装置能够节约能耗。
附图说明
图1是本发明膜蒸馏装置的立体图；
图2是本发明膜蒸馏装置的剖切图；
图3是本发明膜蒸馏装置的剖面图；
图4是本发明膜蒸馏装置所采用中空纤维膜组件的立体图；
图5是本发明膜蒸馏装置所采用中空纤维膜组件的端面图；
图6是本发明膜蒸馏装置所采用中空纤维膜组件的蒸馏原理图。
图中：1.箱体、2. 端板、3. 吹气阀接口、4.采样口、5.进液口、6.泄压阀接口、7. 采样口、8. 溢流阀接口、9.吹气阀接口、10.冷腔、11. 膜组件通道、12.热腔、13. 中空纤维膜、14. 封口圈。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达到预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、工作流程详细说明如下。
如图1、图2、图3、图4所示为本发明热侧加压的膜蒸馏装置的结构示意图，本发明热侧加压的膜蒸馏方法可以结合装置的实施例进行说明。
如图1、图2所示，热侧加压的膜蒸馏装置设置有箱体1，箱体1分为盛放料液的热腔12和生成蒸馏水的冷腔10，热腔12和冷腔10之间设置有若干组疏水中空纤维膜组件，组件中的中空纤维膜带有可流通水蒸气的内腔，在热腔12内中空纤维膜与料液相接触一侧的压力大于透过侧的压力。疏水中空纤维膜组件的数量可根据膜蒸馏装置的处理能力而定，在本实施例中设置有12组。
如图4、图5所示，中空纤维膜组件包括若干根管式中空纤维膜13。中空纤维膜的数量可根据膜蒸馏装置的处理能力而定，在本实施例中设置有81根。中空纤维膜采用PTFE材质，管式中空纤维膜壁厚0.5mm，微孔孔径0.1-0.2μm，孔隙率50-60%，临界压力为1.5kgf。
如图1、图2所示，冷腔10位于热腔12上部，冷腔10和热腔12的侧壁内设置有连通的膜组件通道11，中空纤维膜组件呈U型，通过膜组件通道11连接冷腔10和热腔12，中空纤维膜组件的两个开口端均连接冷腔10，在开口端设置封口圈14加以固定。
如图1所示，热腔12的端板2上设置有泄压阀接口6、补充内部压力的吹气阀接口3、采样口4和进液口5。泄压阀接口6连接液压阀，吹气阀接口3连接气阀，采样口4可供取样分析及热腔清洗，进液口5可供加入待蒸馏料液。
如图1所示，冷腔10的端板上设置有溢流阀接口8、冷却内部温度的吹气阀接口9和采样口7。溢流阀接口8连接溢流阀可防止蒸馏水回流，吹气阀接口9连接气阀，采样口7可供取样分析、排出蒸馏水及冷腔清洗。
本发明热侧加压的膜蒸馏装置的使用过程如图3所示。
首先将待蒸馏料液升温，料液升温至50-60℃。加热到该温度范围可以使料液具有最佳的蒸发潜热。
其次将升温后的料液加入热腔12，并浸没热腔12中设置的中空纤维膜组件，实现液封。
采用增压方法，使中空纤维膜与料液接触一侧的压力大于透过侧的压力，如图6所示，热侧压力P1大于冷侧压力P2，但是两者的压力差不超过疏水中空纤维膜的安全压力，本实施例中管式中空纤维膜的临界压力为1.5kgf。
在料液加入热腔12的过程中，采用间隔进料模式并配合向热腔12间歇吹气模式来增压，或采用连续进料模式来增压。
采用连续进料时，热腔12内空气被逐步压缩，压力逐渐上升，通过压力表观测和泄压阀联动，确保压力不超过膜组件液体润湿压力。采用间隔进料模式并配合向热腔12间歇吹气，也可以达到同样的效果，还可以通过空气交换有效防止膜污染。
料液通过蒸发潜热在中空纤维膜透过侧产生水蒸气，水蒸气通过中空纤维微膜的内腔传递至冷腔，在冷腔冷凝成蒸馏水。冷腔10内可采用吹冷风强化水蒸气冷凝，当然也可以采用抽真空方法。
传统减压膜蒸馏装置由于需要持续抽真空，所以本发明的热侧加压的膜蒸馏装置相比传统减压膜蒸馏装置能够节约能耗。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种热侧加压的膜蒸馏方法，所述方法中使用疏水中空纤维膜进行蒸馏，所述中空纤维膜连接盛放料液的热腔和生成蒸馏水的冷腔，中空纤维膜内设置有可流通水蒸气的内腔，其特征在于，所述方法包括：
首先将待蒸馏料液升温；
其次将升温后的料液加入热腔，并浸没热腔中设置的中空纤维膜组件；
采用增压方法，使中空纤维膜与料液接触一侧的压力大于透过侧的压力，两者的压力差不超过疏水中空纤维膜的安全压力，料液通过蒸发潜热在中空纤维膜透过侧产生水蒸气，水蒸气通过中空纤维微膜的内腔传递至冷腔，在冷腔冷凝成蒸馏水；
冷腔位于热腔上部，冷腔和热腔的侧壁内设置有连通的膜组件通道，中空纤维膜组件呈U型，通过膜组件通道连接冷腔和热腔，中空纤维膜组件的两个开口端均连接冷腔，在开口端设置封口圈加以固定。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述料液升温至50-60℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述料液加入热腔的过程中，采用间隔进料模式并配合向热腔间歇吹气模式来增压，或采用连续进料模式来增压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷腔内采用抽真空或吹冷风强化水蒸气冷凝。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中空纤维膜为管式带有内腔，中空纤维膜的临界压力为1.5kgf。
6.一种热侧加压的膜蒸馏装置，所述装置设置有盛放料液的热腔箱体和生成蒸馏水的冷腔箱体，其特征在于，热腔箱体和冷腔箱体之间设置有若干组疏水中空纤维膜组件，组件中的中空纤维膜带有可流通水蒸气的内腔，在热腔箱体内中空纤维膜与料液相接触一侧的压力大于透过侧的压力；冷腔位于热腔上部，冷腔和热腔的侧壁内设置有连通的膜组件通道，中空纤维膜组件呈U型，通过膜组件通道连接冷腔和热腔，中空纤维膜组件的两个开口端均连接冷腔，在开口端设置封口圈加以固定。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述中空纤维膜组件包括若干根管式中空纤维膜。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述热腔箱体的端板上设置有泄压阀接口、补充内部压力的吹气阀接口、采样口和进液口。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述冷腔箱体的端板上设置有溢流阀接口、冷却内部温度的吹气阀接口和采样口。
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