CN110538575A - 一种新型真空膜蒸馏结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液体分流技术领域，提出一种新型真空膜蒸馏结构，包括：依次叠加的料液通道(104)、汽侧通道(105)和蒸馏膜(106)；其中料液通过料液进口(101)进入料液通道(104)，汽侧通道(105)内充满高温蒸汽，料液通道(104)内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口(102)排出，经过蒸馏膜(106)渗透至汽侧通道(105)的蒸汽经由抽汽口(103)抽出。本发明还提出一种组合的新型真空膜蒸馏结构，其中包括多个并联或串联的真空膜蒸馏结构。本发明每一个水侧通道两侧均为汽侧通道，每一个汽侧通道两侧均为水侧通道。大大增加了单位体积的膜面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种液体分流装置，更具体地，涉及一种新型真空膜蒸馏结构。
背景技术
膜蒸馏是膜分离与蒸发过程相结合的一种新型膜分离技术，利用疏水性微孔膜两侧的蒸气饱和压力差作为推动力，进料液在膜表面汽化，蒸汽透过微孔膜并冷凝，来实现溶质和溶剂的分离过程。在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸汽传质冷凝过程，又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程。它避免了蒸馏法易结垢、怕腐蚀和反渗透法需要高压操作的缺点。理论和实践证明膜蒸馏技术具有下列优点：(1)理论上膜蒸馏可以达到100％脱盐率。对大分子化合物、胶体、盐类等非挥发性物质的选择性为0,因此膜蒸馏的产品为高纯度水。膜蒸馏对水的选择性高于反渗透脱盐过程，甚至高于多级闪蒸。(2)盐浓度对膜蒸馏效率的影响远低于对反渗透和蒸馏法效率的影响，膜蒸馏过程中水的汽化过程需要大量的低品位热量
真空膜蒸馏是在膜蒸馏的基础上，在蒸汽的透过侧用真空泵抽真空，以造成膜两侧更大的蒸汽压差。真空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。多效真空膜蒸馏是在真空膜蒸馏的基础上，同时结合海水淡化中的多效蒸发原理，将传统膜蒸馏过程与多效蒸发技术耦合，实现膜蒸馏过程产生的蒸汽冷凝与原料液的预热过程相结合，有效地回收利用膜蒸馏过程产生蒸汽的汽化潜热，从而提高过程的能量利用率，减少了冷却水消耗和蒸汽潜热热量损失。
多效真空膜蒸馏系统的核心部件是真空膜蒸馏组件。现有膜蒸馏水处理装置主要包括中空纤维式，板式及卷式膜蒸馏装置。中空纤维式膜组件单位膜面积大，产水量较多，但由于单位膜面积产水通量小，因而造价较高，且膜组件不易清洁，组件结构复杂，这些对膜组件的运行及维护造成很大困难。卷式膜面积比板式大，且产水效率高，但结构复杂，膜面易损坏，运行维护难度大。板式膜结构简单，运行维护容易，但其单位膜面积太小，故也未有广泛应用。
专利公布号CN109928461A的中国专利公布了一种板式膜蒸馏水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统。该发明以进料作为冷却液同时被预热，把蒸汽的冷凝潜热回收利用，提高了系统的能量利用率，但由于其料液侧进出口管径的限制，造成其进出口流动阻力损失较大，且流道内部流体分布不均匀。且结构较为松散，产水能力不强。
发明内容
为解决现有平板膜蒸馏技术中存在的装置复杂、成本高、整体产水效率低的缺陷，本发明提出一种新型的板式膜蒸馏结构，该膜蒸馏结构的优点在于汽侧通道水侧通道间隔布置，增大了单位体积的膜面积，单位体积产水量增大。料液进出口及抽汽口设置在新型真空膜蒸馏结构侧面，减小了料液的进口阻力损失，使得料液可以均匀进入新型真空膜蒸馏结构，几个新型真空膜蒸馏结构可以自由拼接在一起。构成串联或并联管道。串联可以最大限度利用料液侧的热量。并联可以提高水处理能力。
本发明提出一种新型真空膜蒸馏结构，包括：依次叠加的料液通道、汽侧通道和蒸馏膜；其中料液通过料液进口进入料液通道，汽侧通道内充满高温蒸汽，料液通道内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口排出，经过蒸馏膜渗透至汽侧通道的蒸汽经由抽汽口抽出。
可选地，料液进口、料液出口和抽汽口位于膜蒸馏结构的侧面。
可选地，料液进口和料液出口位于膜蒸馏结构侧面的对角侧。
可选地，所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜四角为圆角。
本发明提出一种组合的新型真空膜蒸馏结构，包括：多个膜蒸馏结构，每个膜蒸馏结构包括：依次叠加的料液通道、汽侧通道和蒸馏膜；其中料液通过料液进口进入料液通道，汽侧通道内充满高温蒸汽，料液通道内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口排出，经过蒸馏膜渗透至汽侧通道的蒸汽经由抽汽口抽出；多个膜蒸馏结构并联或串联。
可选地，料液进口、料液出口和抽汽口位于膜蒸馏结构侧面。
可选地，料液进口和料液出口位于膜蒸馏结构侧面的对角侧。
可选地，并联时，多个膜蒸馏结构的料液出口、抽汽口和料液进口对接在一起。
可选地，串联时，一个膜蒸馏结构的料液进口连接到下一个膜蒸馏结构的料液出口。
可选地，所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜四角为圆角。
本发明的有益效果包括：
1.每一个水侧通道两侧均为汽侧通道，每一个汽侧通道两侧均为水侧通道。大大增加了单位体积的膜面积
2.几个膜蒸馏结构可以自由拼接在一起。构成串联或并联管道。串联可以最大限度利用料液侧的热量。并联可以提高水处理能力。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1为本发明的高效真空膜蒸馏组件的结构示意图。
图2为图1中的高效真空膜蒸馏组件的俯视图。
图3为图2中的高效真空膜蒸馏组件各个位置的截面图。
图4为图1中的高效真空膜蒸馏组件各个位置的截面图。
图5为两个高效真空膜蒸馏组件的一种结合方式的示意图。
图6为串联的两个高效真空膜蒸馏组件的截面图。
图7为显示了图6中的流体的流动示意图。
图8为并联的两个高效真空膜蒸馏组件件的截面图。
图9为图8中的流体的流动示意图。
图10为膜表面的速度分布图。
图11为改进的真空膜蒸馏装置的结构示意图。
附图标记
101-料液进口，102-料液出口，103-抽汽口，104-料液通道，105-汽侧通道，106-蒸馏膜，107-水侧通道，108-隔板，109-管道壁面，110-料液，111-蒸馏气体，112-PTEE膜。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。
本发明提出了一种基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件，该膜蒸馏组件每一个水侧通道两侧均为汽侧通道，每一个汽侧通道两侧均为水侧通道。这可以大幅度增加单位体积的膜面积。使得基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件结构紧凑，产水能力增强。同时基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件的料液的进口及出口设计在膜蒸馏组件的侧面，可以减小料液侧的进口阻力损失，同时也可以保证料液在膜蒸馏组件内均匀流动。另外几个膜蒸馏组件可以自由拼接在一起。构成串联或并联管道。串联可以最大限度利用料液侧的热量。并联可以提高水处理能力。
如图1所示的该基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件的立体图，本发明的基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件由依次叠加的料液通道104、汽侧通道105和蒸馏膜106组成。叠加后的结构两侧由不导热的材料(例如塑料)封装。料液进口101、料液出口102及抽汽口103均布置在膜蒸馏组件侧面。膜蒸馏组件内部的具体结构如图2所示。图2显示了膜蒸馏组件的俯视图，图3显示了图2中的料液进口、料液出口和抽汽口的截面图。料液由料液进口101进入后，均匀的分配至各料液通道104，料液通道104内的料液经过膜蒸馏，浓水汇集至料液出口102排出。经蒸馏膜106透至汽侧通道105的蒸汽经由抽汽口103抽出送至冷凝器。
本发明没有引入冷凝器，由于本发明只涉及一种真空式膜蒸馏组件，该组件主要涉及膜蒸馏过程中料液蒸发，跨膜及蒸汽被真空泵抽走的过程，不涉及之后蒸汽的冷凝。
在图3所示的实施例中，一个可真空膜蒸馏组件可以包括：5个汽侧通道，5个料液通道，9片蒸馏膜。蒸馏膜大小为500×500mm。上下部均为塑料制成的流道，流道上开三个孔，分别为料液进口，料液出口及抽汽口。当然也可以根据需要设置汽侧通道和料液通道的数量。
本发明的技术特点在于汽侧通道和水侧通道间隔布置，可以成倍增加单位体积内的膜面积，有利于提高产水量。同时，料液入口，料液出口设置在膜蒸馏组件的对角侧，同时在膜蒸馏组件侧面开口，这种设计方式的优势在于可以使得料液均匀匀速的进入膜蒸馏组件内进行膜蒸馏。
同时，这种设计使得该空膜蒸馏组件可以自由的进行串联和并联装配。装配方式如图5-9所示。图6-7显示了两个真空膜蒸馏组件并列布置，若将第一个真空膜蒸馏组件的料液入口与第二个真空膜蒸馏组件的料液入口相连，第一个真空膜蒸馏组件的料液出口与第二个真空膜蒸馏组件的料液出口相连，抽汽口相连，构成并联膜结构。该种构造方式可以显著提高膜蒸馏组件的处理水量。
若将第一个真空膜蒸馏组件的料液出口与第二个真空膜蒸馏组件的料液入口相连，抽汽口与抽汽口相连，则构成串联结构，如图5和图8-9所示，串联结构可以有效利用料液热量。料液侧通道两侧均为膜，可以通过两侧进行膜蒸馏，增大了膜蒸馏的有效膜面积。
本发明的结构非常简单、实用、灵活(可以任意并联或串联)，而且没有温差带来的混沌。
该发明成倍的提高了真空平板式膜蒸馏的有效蒸馏面积，使得平板式膜蒸馏固有的蒸馏面积小，渗透通量小的问题得到了解决。同时，由于组件内部温度梯度小，减少了导热带来的损失，进而进一步提高了膜蒸馏的效率。
进一步，本发明对真空膜蒸馏结构进行了优化设计。具体的，选取一组膜结构为研究对象，对其内部料液流动进行了数值模拟。发现膜组件的边角地带存在流动死区，流动死区部分的料液不流动，会导致该部分料液浓度大幅度提升，最终达到饱和或过饱和状态，析出的晶体会堵塞料液通道，污染膜孔表面，进而导致膜组件的失效，膜表面的速度分布如图10所示。进一步的，构建了组件优化的新型真空膜蒸馏装置，如图11所示，图11是改进的料液侧流道图片，四角进行了优化改进，进行了光滑处理，把四个角改为圆角。料液通道内的不均匀性得到了显著改善，料液流速为1m/s时，速度不均匀系数从0.74降低至0.5。料液通道内部料液流动得到明显改善。料液流速为0.2m/s时，速度不均匀系数从0.72降低至0.48。料液流动的均匀性将大幅提高膜蒸馏的效率。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，包括：
依次叠加的料液通道(104)、汽侧通道(105)和蒸馏膜(106)；
其中料液通过料液进口(101)进入料液通道(104)，汽侧通道(105)内充满高温蒸汽，料液通道(104)内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口(102)排出，经过蒸馏膜(106)渗透至汽侧通道(105)的蒸汽经由抽汽口(103)抽出。
2.根据权利要求1所述的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，
料液进口(101)、料液出口(102)和抽汽口(103)位于膜蒸馏结构的侧面。
3.根据权利要求1所述的新型真空膜蒸馏结构，其位置在于，
料液进口(101)和料液出口(102)位于膜蒸馏结构侧面的对角侧。
4.根据权利要求1所述的新型真空膜蒸馏结构，其位置在于，
所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜(106)的四角为圆角。
5.一种组合的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，包括：
多个膜蒸馏结构，每个膜蒸馏结构包括：依次叠加的料液通道(104)、汽侧通道(105)和蒸馏膜(106)；其中料液通过料液进口(101)进入料液通道(104)，汽侧通道(105)内充满高温蒸汽，料液通道(104)内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口(102)排出，经过蒸馏膜(106)渗透至汽侧通道(105)的蒸汽经由抽汽口(103)抽出，
多个膜蒸馏结构并联或串联。
6.根据权利要求5所述的组合的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，
料液进口(101)、料液出口(102)和抽汽口(103)位于膜蒸馏结构侧面。
7.根据权利要求5所述的组合的空膜蒸馏结构，其位置在于，
料液进口(101)和料液出口(102)位于膜蒸馏结构侧面的对角侧。
8.根据权利要求7所述的组合的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，
并联时，多个膜蒸馏结构的料液出口、抽汽口和料液进口对接在一起。
9.根据权利要求7所述的组合的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，
串联时，一个膜蒸馏结构的料液进口连接到下一个膜蒸馏结构的料液出口。
10.根据权利要求5所述的组合的新型真空膜蒸馏结构，其特征在于，所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜(106)的四角为圆角。
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