CN108067100A - 卷式膜蒸馏设备及采用其的膜蒸馏系统 - Google Patents
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Abstract
一种卷式膜蒸馏设备及采用其的膜蒸馏系统。该卷式膜蒸馏设备由疏水膜M和冷凝膜C成卷状耦合而成，且设置有加热通道、原水通道和蒸发通道，以及原水进水口、浓水出水口、加热通道进口、冷凝水出口和蒸发通道出口；其中疏水膜M，为疏水材料制成的微孔平板膜，用于为原水提供蒸发表面；加热通道，由冷凝膜C包围形成，且分别与原水通道和蒸发通道相邻，用于从加热通道进口输入热源来对原水加热；原水通道，位于冷凝膜C和疏水膜M之间；蒸发通道，以两片疏水膜包围而成。通过本发明能够解决目前卷式膜蒸馏热损耗高的问题，并可以有效控制膜蒸馏设备膜润湿、浓度极化和温度极化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及废水处理、物料分离与浓缩、资源回收技术领域，特别是涉及一种卷式膜蒸馏设备及采用其的膜蒸馏系统。
背景技术
在近年来，国家对企业污水排放和节能减排越来越重视，也对污水排放标准做了严格的规定。越来越多的企业也开始对自己的工艺进行节能减排改进，并且对要排放的污水进行一级处理。因此各种水处理和节能减排技术受到了高度关注，成为了研究热点，其中膜蒸馏技术就是一项被高度关注的先进技术。与反渗透和传统蒸发器相比，膜蒸馏最显著的特点就是可以在低压低温下稳定运行，可以利用低品热和余热进行加热，脱盐率高，膜污染趋势低。膜蒸馏是传热和传质同时发生的蒸发过程，浓差极化和温差极化现象也会同时发生，从而影响膜蒸馏的通量和截留率。目前市场上的膜蒸馏设备主要有平板式、卷式和中空纤维式，其中只有板式由于容易实现多效所以可以做到小型工程化应用，而卷式和中空纤维式由于热损失高而被限制。并且，目前的卷式膜蒸馏设备虽然提高了单位体积的膜面积，但膜蒸馏工艺仍然是真空膜蒸馏、气扫膜蒸馏为主，在实现多效过程中由于管程长和复杂热损耗比较高，造成运行成本较高。现有技术中也公开了几种卷式膜蒸馏设计方案，但在实际工程化过程中，降低热损耗的效果还没有体现。目前的膜蒸馏设备在应用中，膜润湿、浓差极化和温差极化仍然是影响其广泛应用和工程化的关键因素。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种卷式膜蒸馏设备及采用其的膜蒸馏系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出了一种卷式膜蒸馏设备，所述卷式膜蒸馏设备由疏水膜M和冷凝膜C成卷状耦合而成，且所述卷式膜蒸馏设备上设置有加热通道、原水通道和蒸发通道，并设置有原水进水口、浓水出水口、加热通道进口、冷凝水出口和蒸发通道出口；其中：
疏水膜M，为疏水材料制成的微孔平板膜，用于为原水提供蒸发表面；
冷凝膜C，用于使加热通道中流过的热源冷凝；
加热通道，由所述冷凝膜C包围形成，且分别与所述原水通道和蒸发通道相邻，用于从加热通道进口输入热源来对所述原水通道中待处理的原水进行加热，并将由此冷凝的热源从冷凝水出口排出；
原水通道，位于所述冷凝膜C和疏水膜M之间，用于从原水进水口输入原水，并将加热蒸发后浓缩的原水从浓水出水口排出；
蒸发通道，以所述两片疏水膜包围而成，用于接收所述原水受热蒸发产生的蒸汽并将其从蒸发通道出口排出。
作为本发明的另一个方面，还提出了一种膜蒸馏系统，其特征在于，包括：
如上所述的卷式膜蒸馏设备；
冷凝水收集罐，所述冷凝水收集罐安装于所述卷式膜蒸馏组件外，与所述卷式膜蒸馏设备内的加热通道和最后一级蒸发通道相连通，并与真空系统相连；
真空系统，用于降低所述卷式膜蒸馏设备中蒸发通道的压力以增加疏水膜M两侧的压差，也用来引导蒸发蒸汽的走向和把冷凝水抽到冷凝水收集罐，从而每一效卷式膜蒸馏设备产生的蒸发蒸汽在所述真空系统的引导下进入下一效卷式膜蒸馏设备对原水加热。
基于上述技术方案可知，本发明的卷式膜蒸馏设备具有如下有益效果：
(1)各效膜组件从上而下垂直串联大大缩短了连接管程，从而降低了热损耗；原水自上而下流过各效膜组件的原水通道，原水的冲刷作用有效控制了膜润湿、浓差极化和温差极化；
(2)设备可以外接一个自清洗装置，可通过PLC控制需要清洗设备间隔，这样可以有效延长膜润湿的时间。
(3)增加膜蒸馏蒸发面积可以通过加大膜组件的直径，或者把多个多效卷式膜蒸馏组件并联来实现，当采用该蒸馏设备时，单位体积膜面积可以比板式膜蒸馏设备增加5倍以上，从而降低了膜蒸馏的投资成本；
(4)不仅可以用于高盐废水浓缩，比如反渗透/高压反渗透浓水，还可以浓缩废酸(硫酸、磷酸、盐酸、硝酸)、废碱等物料；
(5)此设备可以和太阳能、厂区余热、空压机和冷冻机产生的余热进行耦合降低运行成本。
附图说明
图1A为本发明的卷式单效膜蒸馏设备的纵向截面图；
图1B为本发明的卷式单效膜蒸馏设备的横向截面图；
图2为本发明的卷式多效膜蒸馏设备的结构示意图，其中串联有多个卷式单效膜蒸馏设备；
图3为本发明的卷式多效膜蒸馏设备并联增大蒸发面积的示意图；
图4为本发明的批量五效卷式膜蒸馏设备用于浓缩反渗透浓水工艺的装置连接示意图；
图5为本发明的连续五效卷式膜蒸馏设备用于浓缩氯化铁含酸废水工艺的装置连接示意图；
上述附图中，附图标记含义如下：
1、原水进水口，2、出水口，3、加热通道进口、4、冷凝水出口，5、蒸发通道出口，M、疏水膜、C、冷凝膜，6、原水通道、7、加热通道、8、蒸发通道、9、原水储水罐、10、冷凝水收集罐、11、冷凝器、12、输送泵、13、真空系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种卷式膜蒸馏设备及采用其的膜蒸馏系统，解决了目前卷式膜蒸馏工艺中热损耗高、运行成本高等问题，并且也能有效控制膜润湿、浓差极化和温差极化的影响。
具体地，本发明的卷式膜蒸馏设备由疏水膜M和冷凝膜C成卷状耦合而成，且所述卷式膜蒸馏设备上设置有加热通道、原水通道和蒸发通道，并设置有原水进水口、浓水出水口、加热通道进口、冷凝水出口和蒸发通道出口；其中：
疏水膜M，为疏水材料制成的微孔平板膜，用于为原水提供蒸发表面；
冷凝膜C，用于使加热通道中流过的热源冷凝；
加热通道，由所述冷凝膜C包围形成，且分别与所述原水通道和蒸发通道相邻，用于从加热通道进口输入热源来对所述原水通道中待处理的原水进行加热，并将由此冷凝的热源从冷凝水出口排出；
原水通道，位于所述冷凝膜C和疏水膜M之间，用于从原水进水口输入原水，并将加热蒸发后浓缩的原水从浓水出水口排出；
蒸发通道，以所述两片疏水膜包围而成，用于接收所述原水受热蒸发产生的蒸汽并将其从蒸发通道出口排出。
其中，所述疏水膜M为有支撑体或无支撑体的平板膜；
作为优选，所述疏水膜M的厚度为30～500微米，孔径为0.05～3微米；
作为优选，所述疏水膜M的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/ 有机或有机/无机合金材料；
作为优选，所述冷凝膜C为平板无孔膜；
作为优选，所述冷凝膜C的厚度50～500微米；
作为优选，所述冷凝膜C的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料。
其中，所述疏水膜M和所述冷凝膜C呈CM相叠设置，所述疏水膜 M和所述冷凝膜C之间由厚度为0.1～1毫米的网状隔衬相隔；
作为优选，所述网状隔衬为编织或非编织；
作为优选，所述网状隔衬的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料；
作为优选，所述网状隔衬的网孔尺寸为0.2～10毫米。
其中，所述疏水膜M和冷凝膜C卷成圆柱形状垂直置于所述卷式膜蒸馏设备内；
作为优选，所述卷式膜蒸馏设备直径10～100厘米，高度20～100厘米。
其中，把多个单效的所述卷式膜蒸馏设备纵向从上而下串联，形成多效的卷式膜蒸馏设备。
其中，在所述多效的卷式膜蒸馏设备中，上一效的蒸发通道和下一效的加热通道垂直连通；上一效的原水通道和下一效的原水通道相连通。
其中，所述多效的卷式膜蒸馏设备的操作温度为40-100℃；
作为优选，工作时第一效采用70～150℃的热源加热，或采用各种余热，如低品蒸汽，或空压机、冷冻机设备运行产生的余热，或烟气废热、冷却水工艺废热，或与太阳能设备耦合进行加热。
本发明还公开了一种膜蒸馏系统，其特征在于，包括：
如上所述的卷式膜蒸馏设备；
冷凝水收集罐，所述冷凝水收集罐安装于所述卷式膜蒸馏组件外，与所述卷式膜蒸馏设备内的加热通道和最后一级蒸发通道相连通，并与真空系统相连；
真空系统，用于降低所述卷式膜蒸馏设备中蒸发通道的压力以增加疏水膜M两侧的压差，也用来引导蒸发蒸汽的走向和把冷凝水抽到冷凝水收集罐，从而每一效卷式膜蒸馏设备产生的蒸发蒸汽在所述真空系统的引导下进入下一效卷式膜蒸馏设备对原水加热。
其中，所述膜蒸馏系统还包括一带有气水一体冲刷的自清洗装置，所述自清洗装置与所述卷式膜蒸馏设备的原水进水口和浓水出水口相连接，通过控制器控制来定期洗刷疏水膜M。
其中，所述真空系统产生的真空度为5-900mbar。
作为一种优选实施方式，本发明还公开了一种卷式多效膜蒸馏设备，该卷式多效膜蒸馏设备包括：
多个单效膜蒸馏组件，该膜蒸馏组件设有原水进水口、浓水出水口，加热通道进口、冷凝水出水口和蒸发通道出口；
疏水膜，疏水膜以缠绕方式安装在所述膜蒸馏组件内；
冷凝膜，冷凝膜以缠绕方式安装在所述膜蒸馏组件内；
加热通道(冷凝水通道)，加热通道由冷凝膜形成并以缠绕方式设置于膜蒸馏组件内，且分别与原水通道和蒸发通道相邻；
原水通道，原水通道由冷凝膜和疏水膜形成并以缠绕方式设置于所述膜蒸馏组件内，且分别与蒸发通道和加热通道相邻；
蒸发通道，蒸发通道由疏水膜和冷凝膜形成并以缠绕方式设置于膜蒸馏组件内，且分别与原水通道和加热通道相邻；
冷凝水收集罐，该冷凝水收集罐安装于膜蒸馏设备外，与膜蒸馏设备内加热通道和最后一级蒸发通道相连通；并与真空泵相连通。
进水口用于向膜蒸馏组件供应原水，浓水出水口用于从膜蒸馏组件排出浓缩原水(浓水)，膜蒸馏组件用于使原水在加热下蒸发而产生蒸汽，加热通道进口用于向膜蒸馏组件供应热源，冷凝水出口用于排出冷凝后的热源，疏水膜用于原水产生的蒸发蒸汽通过疏水膜进入蒸发通道，冷凝膜用于使热源冷凝，加热通道用于热源加热原水，原水通道用于原水接收热源的热焓并产生蒸发蒸汽，蒸发通道用于收集原水产生的蒸发蒸汽用于下一效加热原水，冷凝水收集罐用于收集蒸汽产生的冷凝水。
膜组件直径10～100厘米，高度20～100厘米。疏水膜为有支撑体或无支撑体的平板膜，厚度为30～500微米，孔径为0.05～3微米，疏水膜的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料。
冷凝膜为平板无孔膜，厚度50～500微米，冷凝膜材质为PTFE、PVDF、 PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料。
网状隔衬为编织和非编织，网状隔衬材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料，网孔尺寸为0.2～10毫米。
疏水膜M和冷凝膜C呈CM相叠设置，膜之间由0.1～5毫米的网状隔衬相隔。疏水膜、冷凝膜和隔衬一起卷成圆柱形状垂直置于膜蒸馏组件内。一个膜蒸馏组件为单效膜蒸馏，把多个该单效膜蒸馏组件纵向从上而下串联形成多效膜蒸馏设备。把多效膜蒸馏设备并联即可增加处理原水的量。上一效蒸发通道和下一效加热通道垂直连通；上一效原水通道和下一效原水通道相连通。冷凝水出口和真空系统经由冷凝水收集罐相连。
上述方案中，多效膜蒸馏设备工作温度为40-90℃，工作时，第一效加热可用70～150℃的热源，例如低品蒸汽，也可以用各种余热，如：热水、烟气、热油等。工作时，原水从多效膜蒸馏设备顶端的第一效膜蒸馏组件原水进水口进入膜蒸馏设备，自上而下流过各效膜蒸馏组件，从最后一效膜蒸馏组件的浓水口流出，可通过最后一效浓水口的阀门进行流量调节。在第一效膜蒸馏组件内，原水经过加热通道内的热源加热，产生的蒸汽透过疏水膜进入蒸发通道，在真空系统的引导下进入下一效膜蒸馏组件的加热通道对原水加热；加热源和原水交换热焓后冷凝在真空系统的引导下从冷凝水出水口流出并进入冷凝水收集罐。真空系统用来降低蒸发通道的压力以增加疏水膜两侧的压差提高膜通量，同时也用来引导蒸发蒸汽的走向和把冷凝水抽到冷凝水收集罐。真空系统的真空度为5-900mbar。
为使本发明的技术方案和优点更加清晰明了，下面参照附图并结合实施例对本发明做进一步的阐述说明。
实施例1
如图1A所示为本发明的单效卷式膜蒸馏组件的纵截面；图1B所示为单效卷式膜蒸馏组件的横截面；此卷式膜蒸馏组件设有原水进水口1和出水口2、加热通道进口3、冷凝水出口4和蒸发通道出口5；组件里有疏水膜M、冷凝膜C，以CM相叠并以隔衬相隔卷成轴放入膜壳里形成原水通道6、加热通道7和蒸发通道8。如图2所示，多个单效卷式膜蒸馏组件自上而下串联和原水储水罐9、冷凝水收集罐10、冷凝器11、输送泵 12和真空系统13相连形成多效卷式膜蒸馏设备，上一效的原水出水口和下一效的原水进水口相连，上一效的蒸发通道出口和下一效的加热通道进口相连。加大膜组件的直径来增加膜面积，也可以把多个多效卷式膜蒸馏组件并联来增加膜面积，如图3所示。输送泵用来输送原水。
实施例2
如图4所示，一个批量五效卷式膜蒸馏设备浓缩反渗透浓水工艺，从 TDS100,000ppm浓缩至TDS200,000ppm，热电厂高温烟气和热水为其提供热源。热源从第一效膜组件的加热通道进入卷式多效膜蒸馏设备，和从顶端第一效进入膜蒸馏设备的反渗透浓水交换热焓后被冷凝流出系统。反渗透浓水被加热的同时在真空度的控制下产生蒸汽透过疏水膜进入蒸发通道；蒸发蒸汽在真空泵的引导下进入第二效的加热通道对来自第一效的反渗透浓水进行加热；第二效的加热蒸汽和反渗透浓水交换热焓后被冷凝，在真空系统的引导下从冷凝水出口流出进入冷凝水收集罐为产水；第二效的反渗透浓水被加热的同时在真空度的控制下产生蒸汽透过疏水膜进入蒸发通道为第三效提供加热源。以此类推，被浓缩的反渗透浓水从第五效膜蒸馏组件的浓水出口流出进入反渗透浓水平衡罐进行再浓缩；第五效产生的蒸汽在真空系统的引导下从蒸发通道进入外部冷凝器被外部冷水冷凝后流入冷凝水收集罐作为产水。最后，反渗透浓水TDS可以浓缩至 220,000ppm。设备外接一个自清洗装置，可通过PLC控制需要清洗设备间隔，清洗完设备的水打回至反渗透浓水平衡罐。
实施例3
如图5所示，一个连续五效卷式膜蒸馏设备浓缩氯化铁含酸废水工艺，初始氯化铁浓度为18％左右，100℃低品蒸汽为其提供热源，氯化铁含酸废水在进入膜蒸馏设备前经预处理去除悬浮物、颗粒物。低品蒸汽直接从第一效的的加热通道入口进入卷式膜蒸馏设备和从顶端第一效进入膜蒸馏设备的氯化铁含酸废水交换热焓后被冷凝在真空系统的引导下从冷凝水出口流出进入冷凝水收集罐；氯化铁含酸废水被加热的同时在真空度的控制下产生蒸汽透过疏水膜进入蒸发通道；蒸发蒸汽在真空系统的引导下进入第二效的加热通道对来自第一效的氯化铁含酸废水进行加热；第二效的加热蒸汽和氯化铁含酸废水交换热焓后被冷凝，在真空系统的引导下从冷凝水出口流出进入冷凝水收集罐为产水；第二效的氯化铁含酸废水被加热的同时在真空度的控制下产生蒸汽透过疏水膜进入蒸发通道为第三效提供加热源。以此类推，被浓缩的氯化铁含酸废水从第五效膜蒸馏组件的浓水出口流出经过提升泵进入第二个五效卷式膜蒸馏设备再浓缩，经过5 个串联的五效卷式膜蒸馏设备，氯化铁浓度可浓缩至40％以上。设备外接一个自清洗装置，可通过PLC控制需要清洗设备间隔，清洗完设备的水打回至反渗透浓水平衡管。
由于采用本发明的卷式膜蒸馏，在上面描述的浓缩工艺中热利用率可以达到5效。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种卷式膜蒸馏设备，其特征在于，所述卷式膜蒸馏设备由疏水膜M和冷凝膜C成卷状耦合而成，且所述卷式膜蒸馏设备上设置有加热通道、原水通道和蒸发通道，并设置有原水进水口、浓水出水口、加热通道进口、冷凝水出口和蒸发通道出口；其中：
疏水膜M，为疏水材料制成的微孔平板膜，用于为原水提供蒸发表面；
冷凝膜C，用于使加热通道中流过的热源冷凝；
加热通道，由所述冷凝膜C包围形成，且分别与所述原水通道和蒸发通道相邻，用于从加热通道进口输入热源来对所述原水通道中待处理的原水进行加热，并将由此冷凝的热源从冷凝水出口排出；
原水通道，位于所述冷凝膜C和疏水膜M之间，用于从原水进水口输入原水，并将加热蒸发后浓缩的原水从浓水出水口排出；
蒸发通道，以所述两片疏水膜包围而成，用于接收所述原水受热蒸发产生的蒸汽并将其从蒸发通道出口排出。
2.根据权利要求1所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，所述疏水膜M为有支撑体或无支撑体的平板膜；
作为优选，所述疏水膜M的厚度为30～500微米，孔径为0.05～3微米；
作为优选，所述疏水膜M的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料；
作为优选，所述冷凝膜C为平板无孔膜；
作为优选，所述冷凝膜C的厚度50～500微米；
作为优选，所述冷凝膜C的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料。
3.根据权利要求1所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，所述疏水膜M和所述冷凝膜C呈CM相叠设置，所述疏水膜M和所述冷凝膜C之间由厚度为0.1～1毫米的网状隔衬相隔；
作为优选，所述网状隔衬为编织或非编织；
作为优选，所述网状隔衬的材质为PTFE、PVDF、PP、PE、有机/有机或有机/无机合金材料；
作为优选，所述网状隔衬的网孔尺寸为0.2～10毫米。
4.根据权利要求1所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，所述疏水膜M和冷凝膜C卷成圆柱形状垂直置于所述卷式膜蒸馏设备内；
作为优选，所述卷式膜蒸馏设备直径10～100厘米，高度20～100厘米。
5.根据权利要求1所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，把多个单效的所述卷式膜蒸馏设备纵向从上而下串联，形成多效的卷式膜蒸馏设备。
6.根据权利要求5所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，在所述多效的卷式膜蒸馏设备中，上一效的蒸发通道和下一效的加热通道垂直连通；上一效的原水通道和下一效的原水通道相连通。
7.根据权利要求5所述的卷式膜蒸馏设备，其特征在于，所述多效的卷式膜蒸馏设备的操作温度为40-100℃；
作为优选，工作时第一效采用70～150℃的热源加热，进一步优选为低品蒸汽，或空压机、冷冻机设备运行产生的余热，或烟气废热、冷却水工艺废热，或与太阳能设备耦合进行加热。
8.一种膜蒸馏系统，其特征在于，包括：
如权利要求1至7任意一项所述的卷式膜蒸馏设备；
冷凝水收集罐，所述冷凝水收集罐安装于所述卷式膜蒸馏组件外，与所述卷式膜蒸馏设备内的加热通道和最后一级蒸发通道相连通，并与真空系统相连；
真空系统，用于降低所述卷式膜蒸馏设备中蒸发通道的压力以增加疏水膜M两侧的压差，也用来引导蒸发蒸汽的走向和把冷凝水抽到冷凝水收集罐，从而每一效卷式膜蒸馏设备产生的蒸发蒸汽在所述真空系统的引导下进入下一效卷式膜蒸馏设备对原水加热。
9.根据权利要求8所述的膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏系统还包括一带有气水一体冲刷的自清洗装置，所述自清洗装置与所述卷式膜蒸馏设备的原水进水口和浓水出水口相连接，通过控制器控制来定期洗刷疏水膜M。
10.根据权利要求8所述的膜蒸馏系统，其特征在于，所述真空系统产生的真空度为5-900mbar。
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