CN106422784A - 一种高效率膜蒸馏组件和蒸馏方法 - Google Patents

一种高效率膜蒸馏组件和蒸馏方法 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种高效率膜蒸馏组件，所述膜芯设置于所述膜壳内部，所述膜头包括分别封装于所述膜壳两端的上膜头和下膜头，其特征在于：所述膜芯为管式膜，所述管式膜内每个管外部设置有一内径大于所述管外径的冷却管，所述冷却管内壁与所述管式膜内的管外壁之间形成一水蒸气通道，所述上下膜头内均设有两个独立空腔，且所述上膜头内的两个独立空腔分别通过所述管式膜通道和水蒸气通道与所述下膜头内的两独立空腔相连通，且所述独立空腔的一侧设有进出口。相对于现有技术，本发明创造所述的高效率膜蒸馏组件具有尺寸稳定、蒸馏效率高、易于清洗、使用寿命长等优点。

Description

一种高效率膜蒸馏组件和蒸馏方法
技术领域
本发明创造属于膜蒸馏领域，尤其是涉及一种高效率膜蒸馏组件、采用上述高效率膜蒸馏组件的膜蒸馏装置和蒸馏方法。
背景技术
膜蒸馏(MD)一种热法脱盐技术，以膜两侧蒸气压差作为推动力，使水溶液中的挥发性组分以蒸气(通常为水蒸汽)形式透过膜孔到达膜的一侧冷凝，从而实现料液浓缩的目的，而膜的另一侧则依靠膜的疏水性将水溶液阻隔。MD具有低能耗、常压操作等优点，可用于高浓度盐水的处理，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程。其中，气隙式膜蒸馏(AGMD)可以使水蒸气在短距离内冷凝，同时冷凝释放的热量可用来加热原料液，从而可以大幅降低浓缩过程的能耗。AGMD过程能够达到极高的造水比，具备很好的工业化前景。然而，目前AGMD技术还停留在实验阶段，并且膜组件通常以中空纤维和塑料导管作为核心材料，在高温下尺寸稳定性差，膜丝与冷却管之间的间隙不稳定，膜与冷却管之间会产生热传导，因此膜组件的效率不稳定、能耗高、与理论预测存在较大差距。另一方面，由于冷却管通常使用的是塑料材质，导热性较差，冷却壁面传热阻力大，因此水蒸气冷却不充分、冷流体供热不足，增大了外部设备的加热、冷却负荷，降低了效率。另外，膜蒸馏技术通常用于高盐分溶液场合，中空纤维膜的膜污染(通常为膜结晶导致疏水性下降)比较严重，会导致造水比下降，产水不达标，因此结合板式膜的尺寸稳定性以及易于清洗的优点，同时利用一些材料的高导热性，研发高效率、过程稳定、易于工业化的AGMD技术将会具有广泛的应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种高效率膜蒸馏组件，所述膜蒸馏组件包括膜头、膜壳和膜芯，所述膜芯设置于所述膜壳内部，所述膜头包括分别封装于所述膜壳两端的上膜头和下膜头，其特征在于：所述膜芯为管式膜，所述管式膜内每个管外部设置有一内径大于所述管外径的冷却管，所述冷却管内壁与所述管式膜内的管外壁之间形成一水蒸气通道，所述上下膜头内均设有两个独立空腔，且所述上膜头内的两个独立空腔分别通过所述管式膜通道和水蒸气通道与所述下膜头内的两独立空腔相连通，且所述独立空腔的一侧设有进出口。
进一步的，所述冷却管与所述管式膜内的管同心设置，且所述冷却管高度小于所述管式膜高度；所述管式膜的管内径≥3mm。
进一步的，所述上膜头由外侧的端盖和内侧的积水板叠加组合而成，所述端盖内设有与所述管式膜通道连通的第一空腔，所述第一空腔的一端设有进出口；所述积水板内设有与所述水蒸气通道相连通的第二空腔，所述第二空腔的一端也设有进出口；所述下膜头与所述上膜头结构相同，对称设置，其中所述上膜头的第一空腔通过管式膜通道与所述下膜头的第一空腔连通，所述上膜头的第二空腔通过水蒸气通道与所述下膜头的第二空腔相连通。
进一步的，所述膜头与所述管式膜连接处设有密封圈，所述密封圈外设有密封圈盖。
进一步的，所述膜头、膜壳和膜芯通过壳程封灌胶安装在一起形成高效率膜蒸馏组件，且所述膜壳侧壁上开设有料液进出口；所述冷却管为高导热性材质制成；所述冷却管的材质为石英、陶瓷、不锈钢或高导热性的塑料，其中所述高导热性的塑料优选含有石墨的聚四氟材料。
更进一步的，所述积水板材质为硅橡胶或氟橡胶，积水板上分别开设有 与所述冷却管孔径相匹配用于连通第二空腔与水蒸气通道的的通孔和与所述管式膜内管外径相匹配的密封孔，主要起连接密封端盖与膜壳的作用，同时其板体上开设的通孔和密封孔还可以作为冷却管/管式膜的定位板，确保管式膜与冷却管之间具有合理的间隙。
本发明创造还提供一种高效率膜蒸馏装置，包括储液罐、膜蒸馏组件、纯水管道和纯水收集罐，所述储液罐通过进料管道和回流管道与所述膜蒸馏组件形成一循环系统，所述膜蒸馏组件的纯水出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通，所述膜蒸馏组件为高效率膜蒸馏组件。
进一步的，所述储液罐通过所述进料管道与所述膜头端盖上的第一空腔的进口连通，所述第一空腔的出口通过回流管道与所述膜壳侧壁上的进口连通，所述膜壳侧壁上的出口通过进料管道与所述储液槽连通；所述第二空腔的出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通。
进一步的，所述进料管道上设有加热器，所述回流管道上设有冷却风扇。
本发明还公开一种提高膜蒸馏过程中膜通量的蒸馏方法，所述蒸馏方法采用高效率膜蒸馏组件对盐水进行膜蒸馏，在蒸馏过程中增加了短程分子冷凝的数量。
相对于现有技术，本发明创造所述的高效率膜蒸馏组件具有以下优势：利用管式膜的尺寸稳定性、高孔隙率和疏水性能，制成多孔管式膜，并在管式膜的管内设置冷却管，使得进料溶液中的水蒸气在饱和蒸气压差的作用下透过膜外壁进入膜内部空间，遇到冷却管外表面时被冷却成为液态水，放出热量；同时放热后的料液直接或冷却后再进入冷却管继续冷却水蒸气，如此循环往复，不仅提高了蒸馏效率还节约了能耗；除此以外，该组件还具有尺寸稳定、蒸馏效率高、易于清洗、使用寿命长等优点。
所述高效率膜蒸馏装置及提高膜蒸馏过程中膜通量的蒸馏方法与上述 高效率膜蒸馏组件相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
图1为本发明创造实施例1所述的高效率膜蒸馏组件的结构示意图；
图2为本发明创造实施例1所述的高效率膜蒸馏组件中端盖的结构示意图；
图3为本发明创造实施例1所述的高效率膜蒸馏组件中的积水板的结构示意图；
图4为本发明创造实施例2所述的高效率膜蒸馏装置的流程示意图。
附图标记说明：
1-端盖；11-第一空腔进出口；12-第一空腔；2-积水板；21-第二空腔进出口；22-第二空腔；23-密封孔；3-膜壳；31-料液进出口；4-壳程封灌胶；5-管式膜；6-冷却管；7-密封圈；8-密封圈盖。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造 的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。
实施例1
一种高效率膜蒸馏组件，如图1～3所示，所述膜蒸馏组件包括膜头、膜壳3和膜芯，所述膜芯设置于所述膜壳内部，所述膜头包括分别封装于所述膜壳两端的上膜头和下膜头，所述膜芯为管式膜5，所述管式膜5内每个管外部设置有一内径大于所述管外径的冷却管6，所述冷却管6内壁与所述管式膜内的管外壁之间形成一水蒸气通道，所述上下膜头内均设有两个独立空腔，且所述上膜头内的两个独立空腔分别通过所述管式膜通道和和水蒸气通道与所述下膜头内的两独立空腔相连通，且所述独立空腔的一侧设有进出口：
具体的，在本实施例中所述上膜头由外侧的端盖1和内侧的积水板2叠加组合而成，所述端盖1内设有与所述管式膜通道连通的第一空腔12，所述第一空腔12的一端设有第一空腔进出口11；所述积水板2内设有与所述水蒸气通道相连通的第二空腔22，所述第二空腔22的一端也设有第二空腔进 出口21；所述下膜头与所述上膜头结构相同，对称设置，其中所述上膜头的第一空腔12通过管式膜通道与所述下膜头的第一空腔12连通，所述上膜头的第二空腔22通过水蒸气通道与所述下膜头的第二空腔22相连通；
所述冷却管6高度小于所述管式膜5高度，以保证所述管式膜5可以穿过位于端盖内侧的积水板延伸至端盖1处并与端盖1内的第一空腔12连通；且所述管式膜5的管内径为10mm，冷却管6内径为15mm，所述管式膜5通过积水板上2的密封孔23穿过所述积水板2，然后穿过所述端盖的一侧底板与所述端盖内的第一空腔12连通，且所述膜头的上端盖与所述管式膜5连接处设有密封圈7，所述密封圈7外设有密封圈盖8，以保证密封效果，防止漏液。
所述膜头、膜壳和膜芯通过壳程封灌胶4安装在一起形成高效率膜蒸馏组件，且所述膜壳侧壁上开设有料液进出口31。
除此以外，实施例中所述管式膜材质可选用聚四氟乙烯(PTFE)，聚乙烯(PE)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚丙烯(PP)等疏水材质，可以使拉伸、热致相分离、烧结生成的多孔管式膜，管式膜直径在3mm以上；
膜壳3与断面的材质为ABS、PE、PP、PVDF等耐高温非金属材料，或者金属材料；
积水板为耐高温弹性材料、如硅橡胶、氟橡胶，积水板上分别开设有与所述冷却管孔径相匹配用于连通第二空腔与水蒸气通道的通孔和与所述管式膜内管外径相匹配的密封孔，主要起密封端盖与膜壳的作用，同时还可以作为冷却管/管式膜的定位板，确保管式膜与冷却管之间具有合理的间隙。
冷却管的材料可以使用不锈钢、石英、陶瓷、或者高导热性塑料材料(优选含有石墨的聚四氟材料)制成。
实施例2
一种高效率膜蒸馏装置，包括储液罐、膜蒸馏组件、纯水管道和纯水收集罐，所述储液罐通过进料管道和回流管道与所述膜蒸馏组件形成一循环系统，所述膜蒸馏组件的纯水出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通，所述膜蒸馏组件为高效率膜蒸馏组件。
具体的，所述储液罐通过所述进料管道与所述膜头端盖上的第一空腔的进口连通，所述第一空腔的出口通过回流管道与所述膜壳侧壁上的进口连通，所述膜壳侧壁上的出口通过进料管道与所述储液槽连通；所述第二空腔的出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通；同时为了保证蒸馏效果，所述进料管道上设有加热器，所述回流管道上设有冷却风扇。
上述高效率膜蒸馏装置的工作过程为：如图4所示，储液槽中的料液经加热后由管式气隙膜组件中的上膜头端盖内的第一空腔进出口进入第一空腔进而进入管式膜通道内部，进行膜分离，料液中的水通过加热达到一定温度后，在管式膜内壁流动，此时较高温度的水蒸气在饱和蒸气压差的作用下优先透过膜内壁进入膜外部空间，遇到冷却管内表面时被冷却成为液态水，放出热量；由于水蒸气的释放，导致这股料液的温度降低，这股料液经过膜分离后进入第一空腔并由第一空腔进出口出来后经过回流管道再进入膜组件，即可以经过较小功率的冷却风扇或其他冷却设备冷却后或无需冷却直接经过膜壳上的料液进出口进入膜组件内部空腔中；这股料液在膜组件内部空腔中流动时，吸收冷却管管外壁水蒸气释放的热量而温度升高，并通过膜壳上的料液进出口流出至进料管道，通过一个较小的加热量便可以达到较高的温度，到达储液槽后再次循环至管式膜组件内释放出蒸汽，如此循环往复；所述冷却管与管式膜之间形成的水蒸气通道内产生的水蒸气则经过进入到膜头积水板内的第二空腔内并通过第二空腔进出口进入纯水管道中，进而收集至纯水收集罐中备用。
本发明还公开一种提高膜蒸馏过程中膜通量的蒸馏方法所述蒸馏方法采用高效率膜蒸馏组件对盐水进行膜蒸馏，在蒸馏过程中增加了短程分子冷凝的数量。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效率膜蒸馏组件，所述膜蒸馏组件包括膜头、膜壳和膜芯，所述膜芯设置于所述膜壳内部，所述膜头包括分别封装于所述膜壳两端的上膜头和下膜头，其特征在于：所述膜芯为管式膜，所述管式膜内每个管外部设置有一内径大于所述管外径的冷却管，所述冷却管内壁与所述管式膜内的管外壁之间形成一水蒸气通道，所述上下膜头内均设有两个独立空腔，且所述上膜头内的两个独立空腔分别通过所述管式膜通道和水蒸气通道与所述下膜头内的两独立空腔相连通，且所述独立空腔的一侧设有进出口。
2.根据权利要求1所述的高效率膜蒸馏组件，其特征在于：所述冷却管与所述管式膜内的管同心设置，且所述冷却管高度小于所述管式膜高度；所述管式膜的管内径≥3mm。
3.根据权利要求2所述的高效率膜蒸馏组件，其特征在于：所述上膜头由外侧的端盖和内侧的积水板叠加组合而成，所述端盖内设有与所述管式膜通道连通的第一空腔，所述第一空腔的一端设有进出口；所述积水板内设有与所述水蒸气通道相连通的第二空腔，所述第二空腔的一端也设有进出口；所述下膜头与所述上膜头结构相同，对称设置，其中所述上膜头的第一空腔通过管式膜通道与所述下膜头的第一空腔连通，所述上膜头的第二空腔通过水蒸气通道与所述下膜头的第二空腔相连通。
4.根据权利要求1或2或3所述的高效率膜蒸馏组件，其特征在于：所述膜头与所述管式膜连接处设有密封圈，所述密封圈外设有密封圈盖。
5.根据权利要求1所述的高效率膜蒸馏组件，其特征在于：所述膜头、膜壳和膜芯通过壳程封灌胶安装在一起形成高效率膜蒸馏组件，且所述膜壳侧壁上开设有料液进出口；所述冷却管为高导热性材质制成；所述冷却管的材质为石英、陶瓷、不锈钢或高导热性的塑料，其中所述高导热性的塑料优选含有石墨的聚四氟材料。
6.根据权利要求3所述的高效率膜蒸馏组件，其特征在于：所述积水板材质为硅橡胶或氟橡胶，积水板上分别开设有与所述冷却管孔径相匹配用于连通第二空腔与水蒸气通道的的通孔和与所述管式膜内管外径相匹配的密封孔。
7.一种高效率膜蒸馏装置，包括储液罐、膜蒸馏组件、纯水管道和纯水收集罐，所述储液罐通过进料管道和回流管道与所述膜蒸馏组件形成一循环系统，所述膜蒸馏组件的纯水出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通，其特征在于：所述膜蒸馏组件为高效率膜蒸馏组件。
8.根据权利要求7所述的高效率膜蒸馏装置，其特征在于：所述储液罐通过所述进料管道与所述膜头端盖上的第一空腔的进口连通，所述第一空腔的出口通过回流管道与所述膜壳侧壁上的进口连通，所述膜壳侧壁上的出口通过进料管道与所述储液槽连通；所述第二空腔的出口通过纯水管道与所述纯水收集罐连通。
9.根据权利要求7所述的高效率膜蒸馏装置，其特征在于：所述进料管道上设有加热器，所述回流管道上设有冷却风扇。
10.一种提高膜蒸馏过程中膜通量的蒸馏方法，其特征在于：所述蒸馏方法采用高效率膜蒸馏组件对盐水进行膜蒸馏，在蒸馏过程中增加了短程分子冷凝的数量。
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