CN105642120B - 膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种膜蒸馏装置，包括至少一个膜组件(12)，其中每个膜组件(12)均具有由膜片(14)分隔出的待处理液腔(16)和产物腔(18)，还包括：与待处理液腔(16)连通的扰动设备，扰动设备用于对待处理液腔(16)中的待处理液进行扰动。本发明提供的膜蒸馏装置能够在膜蒸馏过程中对膜片表面的温差极化和浓差极化进行有效破坏。

Description

膜蒸馏装置

技术领域

本发明涉及膜蒸馏领域，更具体地，涉及一种膜蒸馏装置。

背景技术

膜蒸馏(MD)是膜技术与蒸发过程相结合的新型膜分离过程，是膜分离技术的一种，其具有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点。

膜蒸馏所用的膜组件具有不被待处理水溶液润湿的微孔高分子膜片，膜片的一侧与热的待处理液直接接触(简称热侧)，膜片的另一侧直接或间接的与低温的水溶液接触(简称冷侧)。热侧溶液中近膜面的水在膜片表面汽化后，在膜片两侧蒸汽压力差的推动下以蒸汽方式通过膜孔传递到冷侧。液相的水溶液被多孔疏水膜片阻挡在热侧，从而实现与气相分离的目的。

在现有膜蒸馏技术的应用中，膜蒸馏过程中膜片的膜通量的大小是衡量膜蒸馏过程好坏的重要指标，而破坏膜片表面的温差极化及浓差极化是提升膜通量的重要方式。目前的膜蒸馏技术缺乏满足工业化应用需要的破坏膜片表面的温差极化及浓差极化的有效方式。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供能够在膜蒸馏过程中对膜片表面的温差极化和浓差极化进行有效破坏的膜蒸馏装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种膜蒸馏装置，包括至少一个膜组件，其中每个膜组件均具有由膜片分隔出的待处理液腔和产物腔，还包括：与待处理液腔连通的扰动设备，扰动设备用于对待处理液腔中的待处理液进行扰动。

根据本发明的一个实施例，还包括壳体，壳体具有依次叠置且相互连通的装置底仓、装置中仓以及装置上仓，其中，待处理液腔的热液进口和热液出口分别设置于装置底仓和装置上仓，产物腔的产水出口设置于装置底仓，其中，膜组件设置在装置中仓内部。

根据本发明的一个实施例，扰动设备包括鼓风管，鼓风管由外部伸入待处理液腔中，并且鼓风管的出气口位于待处理液腔内。

根据本发明的一个实施例，鼓风管包括：由外部通入膜蒸馏装置的壳体的至少一根鼓风总管段、以及与鼓风总管段相连的至少一根鼓风支管段，其中，每根鼓风支管段的管壁开设有间隔布置的鼓风出气孔，鼓风出气孔构造成鼓风管的出气口。

根据本发明的一个实施例，扰动设备还包括：用于向待处理液腔中的待处理液发射超声波的超声波发射器，其中，超声波发射器位于设置在膜蒸馏装置的壳体底部的超声波装置仓中。

根据本发明的一个实施例，每个膜组件还具有：用于对产物腔中的产物进行冷凝的冷却通道，冷却通道的两端与冷却水进水仓以及排水收集仓连通，其中，冷却水进水仓夹置在装置上仓以及装置中仓之间，并且排水收集仓夹置在装置底仓以及装置中仓之间，其中，产物腔的出口经由设置在排水收集仓中的通道连通至产水出口。

根据本发明的一个实施例，每个膜组件还具有：用于对产物腔中的产物进行冷凝的冷却通道，冷却通道的两端与冷却水进水仓以及排水收集仓连通，其中，装置上仓夹置在冷却水进水仓以及装置中仓之间，并且装置底仓夹置在排水收集仓以及装置中仓之间，冷却通道经由设置在装置底仓中的通道连通至排水收集仓。

根据本发明的一个实施例，每个膜组件还具有用于对产物腔中的产物进行冷凝的冷却通道，其中，冷却通道的一端连通至设置在装置上仓顶部的冷却水进水仓，另一端连通至设置在装置中仓侧壁的冷却水出口。

根据本发明的一个实施例，装置底仓、装置中仓以及装置上仓一体加工成型或者彼此可分离地连接。

根据本发明的一个实施例，膜组件为直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件、减压式膜蒸馏组件、以及气扫式膜蒸馏组件中的任一种。

本发明的有益效果在于：

在本发明的膜蒸馏装置中，通过将扰动设备连通至由膜片分隔出的待处理液腔，从而利用扰动设备对待处理液腔中的待处理液进行诸如鼓泡的扰动操作，以破坏膜片表面的温差极化及浓差极化。因此，本发明的膜蒸馏装置由于增设了扰动设备，从而可以提高膜组件中膜片的膜通量和产水率。

附图说明

图1是本发明膜蒸馏装置中膜组件一个实施例的结构示意图；

图2是本发明膜蒸馏装置的一个实施例的结构示意图；

图3是图2所示实施例中鼓风管的一个实施例的示意图；

图4是图2和图3所示实施例中鼓风管的鼓风支管段的一个实施例的放大图；

图5是本发明膜蒸馏装置的另一个实施例的结构示意图；

图6是本发明膜蒸馏装置的又一个实施例的结构示意图；

图7是本发明膜蒸馏装置的再一个实施例的结构示意图；

图8是图6和图7所示实施例中采用的通道结构的一个实施例的结构示意图；以及

图9是本发明膜蒸馏装置的可选实施例的结构示意图。

具体实施方式

现参照附图对本发明的膜蒸馏装置10进行描述。如图1和图2所示，本发明提供了一种膜蒸馏装置10，其包括至少一个膜组件12，其中每个膜组件12均具有由膜片14分隔出的待处理液腔16和产物腔18，膜蒸馏装置还包括与待处理液腔16连通的扰动设备，该扰动设备用于对待处理液腔16中的待处理液进行扰动。

具体来说，在膜蒸馏装置10中可以设置多个膜组件12，每个膜组件12的待处理液腔16中存放诸如浓盐水或有机溶剂混合物等需要分离或提浓的待处理液体。待处理液体中靠近膜片14的水在膜片14表面汽化后，在膜片14两侧蒸汽压力差的推动下以蒸汽方式通过膜片14的膜孔从而传递到产物腔18中，而液相的水溶液被多孔疏水膜片14阻挡在热侧，从而实现与气相分离的目的。

此处应当理解，图1所示仅为本发明膜蒸馏装置中膜组件一个实施例的示意图，如图所示的结构并不对本发明构成任何限定。换句话说，膜蒸馏领域中任何一种可用的膜组件均可以在本发明中使用，例如，在其它实施例中膜组件的形状、结构、尺寸均可以根据具体使用情况的不同而不同于图1所示实施例，即，图1所示实施例仅用于解释本发明的特定原理，而本发明不局限于此。

一般来说，所处理的待处理液体在进入待处理液腔16前，可以采用余热或加热等方式使液体温度升高或处在60～100℃之间。此外，膜片14在膜蒸馏过程中主要起气液界面的物理支撑作用，例如可以采用疏水性膜片，处理过程依赖于膜的疏水性、孔径、孔隙率及膜材料等各种因素。膜蒸馏装置10内的膜组件12的数量可以根据产水量确定，一般不少于20支。

在本发明的膜蒸馏装置10中，通过将扰动设备连通至由膜片14分隔出的待处理液腔16，从而利用扰动设备对待处理液腔16中的待处理液进行诸如鼓泡的扰动操作，以破坏膜片14表面的温差极化及浓差极化。因此，本发明的膜蒸馏装置10由于增设了扰动设备，从而可以提高膜组件12中膜片14的膜通量和产水率。

进一步参照图2，在本发明的一个实施例中，膜蒸馏装置10还可以包括用于容纳膜组件12的壳体20。具体地，壳体20可以具有依次叠置且相互连通的装置底仓22、装置中仓24以及装置上仓26，其中，待处理液腔16的热液进口28设置于装置底仓22，并且热液出口30设置于装置上仓26，此外产物腔18的产水出口32设置于装置底仓22。可选地，如图1所示的膜组件12可以设置在装置中仓24的内部。

结合图2所示的实施例，本发明的膜蒸馏装置10的壳体20被分成装置底仓22、装置中仓24以及装置上仓26三部分，而各个入口、出口分别分布在各个仓室中，同时将膜组件12置于装置中仓24中。由此，本发明的膜蒸馏装置10将现有技术中分离的多个部件集成为一个整体结构，这种成套成型的设备具有集成性能优越、便于移动和组装等优点，能够满足膜蒸馏技术的大规模应用。

在可选的实施例中，壳体20作为膜蒸馏装置10的外壳，呈长方体结构，并且用于放置内部的膜组件12及如下所述的鼓风系统等构件。壳体20的材质例如可以选择PVC、不锈钢、铝等材质，并且应具有一定的强度，满足安装及使用需求。此外，壳体20的长、宽、高可以根据需要定制。另外，其还可以在满足使用需要的前提下制作成任意形状，如圆柱体、棱柱体、长方体等。

另外，在一个可选的实施例中，装置底仓22、装置中仓24以及装置上仓26可以一体加工成型，这可以使得本发明的膜蒸馏装置10整体性更高；或者三者也可以彼此可分离地连接，例如通过机械密封或胶封等方式相互连接，这可以使得本发明的膜蒸馏装置10更加便于运输、移动。

在如图2所示的结构中，热液进口28用于向膜蒸馏装置10内的膜组件12的待处理液腔16输送待处理热液。如图2所示，热液进口28可以在装置底仓22的一面布设，也可以根据管道连接需要在其他面布设。热液进口28的数量以满足进入膜蒸馏装置10的热液的需要量为宜，在优选的实施例中可以不少于4个，并且每个热液进口28的直径优选地可以不小于25mm。

进一步地，热液出口30用于从膜蒸馏装置10内的膜组件12的待处理液腔16输出已处理的热液。如图2所示，热液出口30可以在装置上仓26的一面布设，也可以根据管道连接需要在其他面布设。热液出口30的数量以满足进入膜蒸馏装置10的热液的排出需求为宜，在优选的实施例中可以不少于4个，并且每个热液出口30的直径优选地可以不小于25mm。

在可选的实施例中，在膜蒸馏装置10外的热液进口28可以选择分别与热液来源连接或连接到一根总管后再与热液来源连接。进一步，在膜蒸馏装置10外的热液出口30的连接方式可以与热液进口28相似。为便于控制，在优选的实施例中，可以在热液进口28及热液出口30的位置处设置控制阀或调节阀，阀连接可以选择螺纹连接或阀门连接。

继续参照图2，在本发明一个可选的实施例中，扰动设备可以包括鼓风管，该鼓风管由外部(例如，由壳体20的外部)伸入待处理液腔16中，并且鼓风管的出气口位于待处理液腔16内。借此结构，可以利用鼓风管对待处理液腔16中的待处理液进行鼓泡操作，从而破坏膜片14表面的温差极化及浓差极化。此外应当理解，在优选的实施例中，鼓风管的出气口应当与膜组件12中的膜片14相邻并朝向膜片14开设，从而提高破坏膜片14表面的温差极化及浓差极化的效果。在可选的实施例中，鼓风管的材质可以选择PVC或不锈钢等材质，但本发明不局限于此。

结合图2至图4，在本发明的一个实施例中，鼓风管可以包括至少一根鼓风总管段34以及至少一根鼓风支管段36，其中鼓风总管段34由外部(例如，由壳体20的外部)通入膜蒸馏装置的壳体20，而鼓风支管段36与鼓风总管段34相连并位于每个膜组件12的待处理液腔16内。具体地，在如图4所示的实施例中，每根鼓风支管段36的管壁可以开设有间隔布置的鼓风出气孔38，这些鼓风出气孔38构造成鼓风管的出气口，以用于对待处理液腔16中的待处理液进行鼓泡操作。

在可选的实施例中，鼓风总管段34的直径可以大于鼓风支管段36的直径，并且鼓风总管段34的气体输送能力要能够满足各支管需要，鼓风总管段34的气体输送压力要满足鼓风系统末端(即，鼓风支管段36的鼓风出气孔38处)的气体输出的需要，气体输送压力的具体数值可通过计算获得，并根据不同需要而不同，这可以根据具体使用情况而定，本发明不局限于此。

继续参照图4，在该实施例中，鼓风出气孔38沿各个鼓风支管段36的圆周或端头开设。在另外的实施例中，鼓风出气孔38可以沿鼓风支管段36的圆周均匀布设或只在圆周上表面布设，并且出气孔的开孔排数一般不少于3排，每排的开孔数量一般不少于2个。此外，开孔的直径一般不大于5mm，必要时可以安装出气喷嘴，以使出气鼓泡更均匀。进一步，出气喷嘴可以为成型设备，可根据需要进行选型和安装。另外，在可选的实施例中，可以在装置上仓26上开设膜蒸馏装置10的鼓风管的排气口，排气口可以设置至少一个，可以根据需要选择安装控制或调节阀门。

现参照图5，在本发明膜蒸馏装置10的一个实施例中，扰动设备还可以包括用于向待处理液腔16中的待处理液发射超声波的超声波发射器(未示出)。如图5所示，超声波发射器可以位于设置在膜蒸馏装置10的壳体20底部的超声波装置仓40中。更具体地，超声波装置仓40可以增设在装置底仓22的底部。

在该实施例中，超声波发射器用于在底部给膜蒸馏装置10内膜组件12中的待处理热液进行超声扰动，从而强化实现破坏浓差极化及温差极化的作用。另外应当理解，如上所述的鼓风管和超声波发射器可以在膜蒸馏装置10中分别单独使用，即，二者如果分别独立存在同样可以实现如上所述的效果；当然更加优选地，可以将二者相结合设置在膜蒸馏装置10中，从而强化上述效果。

现参照图6，在本发明膜蒸馏装置10的一个实施例中，每个膜组件12可以具有用于对产物腔18中的产物进行冷凝的冷却通道(未示出)，冷却通道的两端与冷却水进水仓42以及排水收集仓44连通。

具体来说，冷却通道中的冷却水主要起到为通过膜片14的水蒸汽进行降温的作用，以加速膜产水空间中的蒸汽冷凝沉降至产水仓中。产水仓的产水经产水仓出口流出产水仓。在可选的实施例中，通入冷却通道的冷却水可以选择软水、去离子水等液体。冷却水的温度可以是常温，也可以利用厂内冷能给冷却水降温，冷却水进口处温度一般不超过20℃。

进一步参见图6并结合图8，在可选的实施例中，冷却水进水仓42可以夹置在装置上仓26以及装置中仓24之间，并且排水收集仓44可以夹置在装置底仓22以及装置中仓24之间。此外如图8所示，图1所示的产物腔18的出口可以经由设置在排水收集仓44中的通道111连通至设置在装置底仓22中的产水出口32。换句话说，在本实施例中，冷却通道中的冷却水容纳在排水收集仓44中；而膜组件12的产水则由排水收集仓44中的通道111流入装置底仓22并由产水出口32排出。因此这种结构使得本发明的装置利用率更高、占地更小。

与图6所示实施例类似的，图7所示实施例对如上所述的排水收集仓44和冷却水进水仓42的位置进行了调整。如图7并结合图8所示，在该实施例中，装置上仓26可以夹置在冷却水进水仓42以及装置中仓24之间，并且装置底仓22可以夹置在排水收集仓44以及装置中仓24之间。此外如图8所示，冷却通道经由设置在装置底仓22中的通道111连通至排水收集仓44。换句话说，在本实施例中，膜组件12的产水容纳在装置底仓22中并由产水出口32排出；而冷却通道中的冷却水流动通过装置底仓22中的通道111送至排水收集仓44。

由以上两个实施例可以看出，由于对各仓的位置进行了调整，所以通道111的位置会有所不同；但是可以理解的是，通道111始终起到对不同流体进行分隔、阻断的作用。此外，为便于说明，图8所示仅为图6和图7两个实施例中所采用结构的示意图，在具体应用中可以存在多种变型和不同，本发明不局限于此。

此外应当指出的是，在可选的实施例中，通道111的数量一般不少于4个，并且可以根据本发明装置的需要进行定制加工。另外在其它实施例中，通道111的直径一般不小于25mm。

继续参见图9，在本发明膜蒸馏装置10的另一个实施例中，每个膜组件12还可以具有用于对产物腔18中的产物进行冷凝的冷却通道。具体地，冷却通道的一端连通至设置在装置上仓26顶部的冷却水进水仓42，另一端连通至设置在装置中仓24侧壁的冷却水出口131。在此结构中，将冷却水出口131集成在装置中仓24上，可以进一步提高本发明膜蒸馏装置10的利用率并且进一步减小占地。另外应当理解，冷却水出口131不是必须仅能设置在装置中仓24上，也可以选择性地根据实际需要设置在壳体20的任意位置。

在本发明膜蒸馏装置10的具体应用中，设置在其内的膜组件12可以为直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件、减压式膜蒸馏组件、以及气扫式膜蒸馏组件中的任一种。也就是说，本发明的膜蒸馏装置10可以与任何现有存在的膜蒸馏组件进行组合使用，而并不局限于某一特定种类的膜组件。因此，本发明的装置可用性更强。

另外应当指出的是，本发明膜蒸馏装置10的产水出口32的后端可以安装出口控制阀门和真空表，以用于检测产水仓(即，产物腔18)内的真空度。将产水仓进行抽真空处理，可以起到为膜片冷侧(即，产物腔18)产水施加负压的作用，可以增加膜片的通量。在膜蒸馏运行过程中，产水仓的真空度一般为0.05-0.1MPa。

另外，为满足工艺生产和监测需要，在本装置的可选实施例中，可以根据需要设置温度检测仪表、压力监测仪表、电导率监测仪表及流量监测仪表。各仪表的设置数量和位置可根据需要和工艺情况确定。

此外，在实际生产过程中，优选地成对设置并至少设置两组膜蒸馏装置10，其中一组使用；而另一组备用或处理膜污染，以保证生产的连续性。装置的规模和参数设置可根据处理液体的量和需求参数确定，以满足具体使用要求为宜。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种膜蒸馏装置，包括至少一个膜组件(12)，其中每个所述膜组件(12)均具有由膜片(14)分隔出的待处理液腔(16)和产物腔(18)，其特征在于，还包括：

与所述待处理液腔(16)连通的扰动设备，所述扰动设备用于对所述待处理液腔(16)中的待处理液进行扰动；

其中，所述扰动设备包括鼓风管，所述鼓风管由外部伸入所述待处理液腔(16)中，并且所述鼓风管的出气口位于所述待处理液腔(16)内；

所述鼓风管包括：由外部通入所述膜蒸馏装置的壳体(20)的至少一根鼓风总管段(34)、以及与所述鼓风总管段(34)相连的至少一根鼓风支管段(36)，

其中，每根所述鼓风支管段(36)的管壁开设有间隔布置的鼓风出气孔(38)，所述鼓风出气孔(38)构造成所述鼓风管的所述出气口。

2.根据权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，还包括壳体(20)，所述壳体(20)具有依次叠置且相互连通的装置底仓(22)、装置中仓(24)以及装置上仓(26)，

其中，所述待处理液腔(16)的热液进口(28)和热液出口(30)分别设置于所述装置底仓(22)和所述装置上仓(26)，所述产物腔(18)的产水出口(32)设置于所述装置底仓(22)，

其中，所述膜组件(12)设置在所述装置中仓(24)内部。

3.根据权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述扰动设备还包括：用于向所述待处理液腔中的待处理液发射超声波的超声波发射器，

其中，所述超声波发射器位于设置在所述膜蒸馏装置的壳体(20)底部的超声波装置仓(40)中。

4.根据权利要求2所述的膜蒸馏装置，其特征在于，每个所述膜组件(12)还具有：用于对所述产物腔(18)中的产物进行冷凝的冷却通道，所述冷却通道的两端与冷却水进水仓(42)以及排水收集仓(44)连通，

其中，所述冷却水进水仓(42)夹置在所述装置上仓(26)以及所述装置中仓(24)之间，并且所述排水收集仓(44)夹置在所述装置底仓(22)以及所述装置中仓(24)之间，

其中，所述产物腔(18)的出口经由设置在所述排水收集仓(44)中的通道(111)连通至所述产水出口(32)。

5.根据权利要求2所述的膜蒸馏装置，其特征在于，每个所述膜组件(12)还具有：用于对所述产物腔(18)中的产物进行冷凝的冷却通道，所述冷却通道的两端与冷却水进水仓(42)以及排水收集仓(44)连通，

其中，所述装置上仓(26)夹置在所述冷却水进水仓(42)以及所述装置中仓(24)之间，并且所述装置底仓(22)夹置在所述排水收集仓(44)以及所述装置中仓(24)之间，

所述冷却通道经由设置在所述装置底仓(22)中的通道(111)连通至所述排水收集仓(44)。

6.根据权利要求2所述的膜蒸馏装置，其特征在于，每个所述膜组件(12)还具有用于对所述产物腔(18)中的产物进行冷凝的冷却通道，

其中，所述冷却通道的一端连通至设置在所述装置上仓(26)顶部的冷却水进水仓(42)，另一端连通至设置在所述装置中仓(24)侧壁的冷却水出口(131)。

7.根据权利要求2所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述装置底仓(22)、所述装置中仓(24)以及所述装置上仓(26)一体加工成型或者彼此可分离地连接。

8.根据权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜组件(12)为直接接触式膜蒸馏组件、气隙式膜蒸馏组件、减压式膜蒸馏组件、以及气扫式膜蒸馏组件中的任一种。