CN110756053A - 一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，属于膜蒸馏领域。该装置包括卷筒、料液箱、浓缩液箱和淡水箱。所述卷筒包括卷制带、淡水管和封闭盖，卷制带由料液支撑层、疏水膜、气隙支撑层、冷凝板及翅片绕淡水管叠加卷制而成。热料液流入料液支撑层后，蒸发产生的水蒸气通过疏水膜在冷凝板上冷凝产生淡水，淡水由气隙支撑层汇集到淡水管最后流入淡水箱，回收淡水。热料液流出即得到浓缩的热料液。本发明膜蒸馏装置结构紧凑；加入翅片增强换热，可以实现空气冷却，进一步简化了整个装置的配套组件和提高了装置效率；通过换热器可以利用空气的温升来预热料液，实现热量的回收。
Description
技术领域
本发明属于膜蒸馏领域，特别涉及到一种卷筒结构气隙式空气直接冷却膜蒸馏装置。
背景技术
我国经济的高速增长以及工业的蓬勃发展，带来了很多环境污染问题，水污染尤为严重。因此工业高盐废水、生活污水、垃圾渗滤液的处理，以及海水淡化等问题得到了广泛的研究。其中膜蒸馏由于其设备简单，能处理高浓度废水，对非挥发性成分有100％理论去除率同时得以浓缩废水，能充分利用低品位能源(如太阳能、工业余热等)的特点得到了重视。但膜蒸馏装置更多停留在实验室阶段；单独的膜不易保存运输；系统的、大型的成套装置少；部分装置带有真空泵等设备，设计复杂，密封要求高，适用范围狭窄；以上问题都使膜蒸馏装置缺少工业利用的方便性。因此本发明提出来了卷筒式膜蒸馏装置，使结构紧凑，并加入翅片增强换热，可以实现空气冷却，进一步简化了整个系统的外设组件。通过换热器可以利用空气的温升来预热料液，实现热量的回收。整个系统更方便于工业利用。
发明内容
针对以上膜蒸馏现状及存在的不足，本发明提出一种设备简单、结构紧凑、过程可控、适用范围广的卷筒式膜蒸馏装置。
本发明的技术方案为：
一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，该装置包括卷筒、料液箱14、浓缩箱16和淡水箱17。
其中，所述卷筒包括卷制带、淡水管和封闭盖；卷制带为料液支撑层1、疏水膜2、气隙支撑层3、冷凝板4和翅片5叠加后绕淡水管卷制而成；其中，与淡水管直接接触的一层为除料液支撑层1之外的其余层。
所述料液支撑层1为网格状多层结构，既能使料液沿卷制带轴向传递，又能使料液沿卷制方向传递，用于输运热料液并增加扰流；所述疏水膜2与冷凝板4在卷制带两侧使用耐热的有机胶进行粘接，即侧密封条6，使气隙支撑层3夹在疏水膜2与冷凝板4之间实现对产水的密封；气隙支撑层3为网格状多层结构，既能使水蒸气沿径向传递，又能使淡水沿卷制方向传递，充当气隙和产水输运。由于冷凝放热和导热使冷凝板4温度上升，因此冷凝板4外侧添加翅片5，以增强冷凝板4和空气间的对流换热来降低温度，从而增大传质驱动力；所述冷凝板4沿卷制带轴向方向通过隔热材料延长，以将热料液通道和翅片5所在的冷空气通道的进出口隔开。
所述的淡水管设有连通孔7，连通孔7与气隙支撑层3连通，用于运输淡水，同时卷制带中心处对除气隙支撑层3以外的其余层采用轴向密封条8进行轴向的密封，以防止卷制带其他层对淡水流道造成影响。
所述卷制带卷制完成后可以将热料液通道在长筒两端进行再次密封，一端仅保留最外侧卷制带的料液支撑层1作为进料口，另一端仅保留最里面的卷制带中的料液支撑层1作为出口。卷制带卷制完成后也可以不进行再次密封，热料液在卷制带中的驻留时间会减少但会保持更高的温度，且避免密封的技术难度。
所述卷筒两端均安装封闭盖，一端封闭盖在下方对应料液支撑层1的位置设有热料液进口11，另一端封闭盖上方对应料液支撑层1的位置设有浓缩液出口10。所述封闭盖内侧设有螺旋槽9，螺旋槽9和延长的冷凝板4耦合在一起，并通过粘结剂实现对卷筒两端耦合部分进行密封。
所述料液箱14与卷筒一端的热料液进口11连接，料液箱14中的热料液从热料液进口11进入卷筒，然后沿轴向和卷制方向流过卷筒；热料液流过网状的料液支撑层1，产生扰动，减小温度极化和浓度极化现象，并在这个过程中发生气化；由于疏水膜2两侧的温差产生饱和压力差，以及疏水膜2的高孔隙率，水蒸气中携带的水分子通过疏水膜2进入气隙支撑层3，而非挥发分受到疏水膜2的阻隔；水蒸气遇到冷凝板4发生冷凝产生淡水，淡水沿着气隙支撑层3经卷筒中心的淡水管流入淡水箱17；浓缩液经卷筒另一端的浓缩液出口10流入浓缩液箱16。
进一步地，所述卷制带为单片式卷制带或双片式卷制带，为防止传热恶化，翅片应紧贴另一层翅片；单片式卷制带沿径向由内至外依次为疏水膜-气隙支撑层-冷凝板-翅片-翅片-冷凝板-气隙支撑层-疏水膜-料液支撑层；双片式卷制带的卷制方式为：一片卷制带沿径向由内至外依次为翅片、冷凝板、气隙支撑层、疏水膜和料液支撑层，另一片卷制带结构相反，两片卷制带同向卷制。
进一步地，所述疏水膜2为有支撑层或无支撑层的多孔膜；疏水膜2选用PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、PP(聚乙烯)、PE(聚丙烯)或疏水改性的PAN(聚丙烯腈)膜等有机材料，或者选用无机材料、复合膜等材料；疏水膜2的水接触角≥150°，孔径为0.5～5μm，膜厚度为20～500μm，孔隙率大于80％。
进一步地，由于卷制的叠加形状，所述的料液支撑层1实际位于两层疏水膜之间(同一圈的疏水膜和下一圈的疏水膜之间)，料液支撑层1的厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，料液支撑层1包括PTFE、PVDF、PP、PE等有机材料或无机材料；所述气隙支撑层3的热传导率低，厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，气隙支撑层3的材料包括PTFE、PVDF、PP、PE等有机材料或无机材料，或者树脂处理过的涤纶等材料。
进一步地，冷凝板4和翅片5的导热性能良好，有一定支撑作用，有一定刚度，能够外伸。所述冷凝板4为厚度为0.1～1mm的无孔平板，与气隙支撑层3贴合部分的冷凝板4选用铝片或防锈处理过的铜片等具有硬质和导热系数大于100W·m-1·℃的高导热性的材料；所述翅片5包括铝等导热系数大于100W·m-1·℃的高导热系数材料或者通过激光刻蚀法等手段直接在冷凝板表面形成翅片结构；与气隙支撑层3贴合部分的冷凝板4和翅片5表面均可涂有辐射漆以进一步降低冷凝板4温度；冷凝板4和翅片5的温度低于40℃；冷凝板4延长部分所用的隔热材料采用木材、特殊塑料等导热系数小于1W·m-1·℃的低导热性材料或表面添加保温涂层，从而隔离料液层，同时在整个进出口减小热料液的热损失；所述封闭盖采用木材、特殊塑料、发泡材料等导热系数小于1W·m-1·℃的低导热性材料或表面添加保温涂层。
进一步地，所述膜蒸馏装置还包括加热装置12和换热器13；所述加热装置12包括太阳能、地热能或工业余热等低品质热源，用于加热料液，以实现热量的回收与利用；所述换热器13为管式换热器或其他类型的换热器，通过对被加热的空气和料液进行换热，从而实现料液预热；加热后的热料液温度为40～80℃。
进一步地，所述膜蒸馏装置还包括冷却系统，所述的冷却系统包括水冷或空冷，所述空冷包括空气自然对流、小型风扇或鼓风机等；冷却系统减少了冷端对泵的使用，扩大了整个装置的应用范围；所述水冷可以大幅提高换热效果，单位时间得到更多的淡水和浓缩液。
进一步地，所述料液箱14通过液位压差或水泵18进行热料液的输运，减少了热侧泵的使用，回避了热侧泵对料液温度和性质的敏感性。如果要进一步浓缩，则将浓缩液箱16整体机械运输倾倒入料液箱14。
进一步地，所述淡水管为耐腐蚀的圆管，如不锈钢管、塑料管；且外部包有绝热材料，减少热损失。
本发明的有益效果为：
(1)本发明所述膜蒸馏装置增加了单位空间中膜的表面积，增大了产水量和得到更多的浓缩液；
(2)本发明所述膜蒸馏装置引入翅片结构，增强换热，可以用空冷替代水冷，减少外置设备。
(3)本发明利用液位压力差驱动料液运输，可以省略料液泵，减少泵选型限制，增大装置应用范围。
(4)本发明所采用的跨膜驱动力为：温差存在导致的挥发性物质在多孔疏水膜两侧的饱和蒸气压不同，导致高温侧挥发性物质以气体形式透过多孔疏水膜向低温侧移动。本发明所述膜蒸馏装置理论脱盐率百分之百，且相对于真空式膜蒸馏设备，结构更加简单。
(5)本发明所述膜蒸馏装置采用换热器，利用冷凝放热来预热料液，实现了对热量的回收利用。
(6)本发明所述膜蒸馏装置利用温差驱动，采用加热装置，加热装置可以采用太阳能、地热能或工业余热等低品质热源，实现节省成本和能源的有效利用。
附图说明
图1为单片式卷制带的截面展开图。
图2为单片式卷制带的横截面图。
图3为双片式卷制带的截面展开图。
图4为双片式卷制带的横截面图。
图5为卷筒式膜蒸馏装置两端的封闭盖。
图6为本发明的装置图。
图中：1料液支撑层；2疏水膜；3气隙支撑层；4冷凝板；5翅片；6侧密封条；7连通孔；8轴向密封条；9螺旋槽；10浓缩液出口；11热料液进口；12加热装置；13换热器；14料液箱；15风机；16浓缩液箱；17淡水箱；18水泵。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明的目的、技术方案及有益效果，以下结合具体实施例进一步详细叙述本发明。应理解，所述的实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，该装置包括卷筒、料液箱14、浓缩液箱16和淡水箱17。其中，所述卷筒包括卷制带、封闭盖和淡水管；
图1为单片式卷制带的截面展开图，图2为单片卷制带的横截面图。为防止传热恶化，翅片应紧贴另一层翅片，因此单片式卷制带为多层结构绕淡水管叠加卷制而成，所述的多层结构沿径向由内至外依次为疏水膜、气隙支撑层、冷凝板、翅片、翅片、冷凝板、气隙支撑层、疏水膜、料液支撑层。即卷制带贴近淡水管的最内侧为疏水膜2，最外侧为料液支撑层1。卷制带中心处对除气隙支撑层3以外的其他层采用轴向密封条8进行轴向的密封。气隙支撑层3与卷制带中心的淡水管连通。所述卷筒两端均安装封闭盖，一端封闭盖在下方对应料液支撑层1的位置设有热料液进口11，另一端封闭盖上方对应料液支撑层1的位置设有浓缩液出口10；由于热料液和空气都是开路的，在卷制带两端需要将热料液通道和翅片所在的冷空气通道隔开，因此在卷制带轴向的两端将冷凝板4用隔热材料延长，延长的冷凝板4与图5所示的开有和卷制的冷凝板4形状一样的螺旋槽9的两个封闭盖耦合，实现对料液通道除进出口外的密封。
所述单片卷筒式膜蒸馏装置中，所述料液箱14与卷筒一端的热料液进口11连接，料液箱14中的热料液从热料液进口11进入卷筒，沿轴向和卷制方向流过卷筒，从另一端浓缩液出口10流出。热料液流过网状的料液支撑层1，产生扰动，减小温度极化和浓度极化现象，并在这个过程中发生气化；由于疏水膜2两侧的温差产生的饱和压力差，以及疏水膜2的高孔隙率，热料液产生的水蒸气通过热料液两侧疏水膜2进入气隙支撑层3，而非挥发分受到疏水膜2的阻隔。水蒸气遇到冷凝板4发生冷凝产生淡水，所产淡水沿着卷筒的气隙支撑层3进入卷筒中心的淡水管后流入淡水箱17。由于冷凝放热和导热会使冷凝板4温度上升，因此所述膜结构的冷凝板4外侧添加翅片5，增强冷凝板4和空气间的对流换热来降低冷侧温度，从而增大传质驱动力。翅片5的增加使空气冷却成为可能，简化了设备。最后浓缩液经卷筒另一端的浓缩液出口10流入浓缩液箱16。
实施例2
一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，该装置包括卷筒、料液箱14、浓缩液箱16和淡水箱17。其中，所述卷筒包括卷制带、封闭盖和淡水管；
图3为双片式卷制带的截面展开图，图4为双片式卷制带的横截面图。为防止传热恶化，翅片应紧贴另一层翅片，因此双片式卷制带的其中一片卷制带沿径向由内至外依次为翅片、冷凝板、气隙支撑层、疏水膜和料液支撑层；另一片卷制带结构相反为料液支撑层、疏水膜、气隙支撑层、冷凝板、翅片，同向卷制。两片卷制带中，与淡水管接触的层分别为翅片5和疏水膜2(其中一片卷制带中第一圈起始部分不含料液支撑层1)。卷制带中心处对除气隙支撑层3以外的其他层采用轴向密封条8进行轴向的密封，气隙支撑层3与淡水管连通。两片卷制带的两个料液支撑层相邻、两个翅片层相邻。其水蒸气运输方式与单片式类似。根据卷制方式不同，卷制带两端封闭盖开有螺旋槽9，螺旋槽9与卷制的冷凝板4形状相耦合。
图6为本发明卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置图。热料液在料液箱14经过加热后由水泵18或直接由液位差驱动，从卷筒一端封闭盖下端的热料液进口11进入卷筒组件，浓缩后的料液从卷筒另一端浓缩液出口10流出进入浓缩液箱16，淡水从淡水管流出进入淡水箱17。本发明装置通过翅片5增强换热效果，可以采用空气冷却，包括空气自然对流、小型风扇、风机15等。整个装置减少了冷侧对泵的使用，扩大了整个装置的应用范围。本装置也可以采用水冷，其换热效果将大大增加。本装置还通过换热器13对被加热的空气和料液进行换热，从而对料液进行预热，实现热量的回收与利用。要使料液达到更高的温度，仍然需要加热装置12，所述加热装置12包括太阳能、地热能或工业余热等低品质热源。料液包括海水、浓盐水、工业废水、垃圾渗滤液或废酸等。
Claims (10)
1.一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，该装置包括卷筒、料液箱(14)、浓缩液箱(16)和淡水箱(17)；
所述卷筒包括卷制带、淡水管和封闭盖，卷制带为料液支撑层(1)、疏水膜(2)、气隙支撑层(3)、冷凝板(4)和翅片(5)叠加后绕淡水管卷制而成；其中，与淡水管直接接触的一层为除料液支撑层(1)之外的其余层；
所述料液支撑层(1)为网格状多层结构，既能使料液沿卷制带轴向传递，又能使料液沿卷制方向传递，用于输运热料液并增加扰流；所述疏水膜(2)与冷凝板(4)在卷制带两侧使用侧密封条(6)进行粘接，使气隙支撑层(3)夹在疏水膜(2)与冷凝板(4)之间实现对产水的密封；所述气隙支撑层(3)为网格状多层结构，既能使水蒸气沿径向传递，又能使淡水沿卷制方向传递，充当气隙和产水输运；所述翅片(5)位于冷凝板(4)外侧，用于增强冷凝板(4)和空气间的对流换热来降低温度；所述冷凝板(4)沿卷制带轴向方向通过隔热材料延长，以将热料液通道和翅片所在的冷空气通道进出口隔开；
所述的淡水管设有连通孔(7)，连通孔(7)与气隙支撑层(3)连通，用于运输淡水；卷制带中心处对除气隙支撑层(3)以外的其余层采用轴向密封条(8)进行沿卷筒轴向的密封，以防止卷制带其余层对淡水流道造成影响；
所述卷筒两端均安装封闭盖，一端封闭盖在下方对应料液支撑层(1)的位置设有热料液进口(11)，另一端封闭盖上方对应料液支撑层(1)的位置设有浓缩液出口(10)；所述封闭盖内侧设有螺旋槽(9)，螺旋槽(9)和延长的冷凝板(4)耦合在一起，实现对卷筒两端密封；
所述料液箱(14)中的热料液经卷筒一端的热料液进口(11)进入卷筒，然后沿轴向和卷制方向流过卷筒，热料液流过料液支撑层(1)，产生扰动，减小温度极化和浓度极化现象，并发生气化；水分子通过疏水膜(2)进入气隙支撑层(3)，而非挥发分受到疏水膜(2)的阻隔；水蒸气遇到冷凝板(4)发生冷凝产生淡水，淡水沿着气隙支撑层(3)经淡水管流入淡水箱(17)；浓缩液经卷筒另一端的浓缩液出口(10)流入浓缩液箱(16)。
2.根据权利要求1所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述卷制带为单片式卷制带或双片式卷制带；单片式卷制带沿径向由内至外为疏水膜、气隙支撑层、冷凝板、翅片、翅片、冷凝板、气隙支撑层、疏水膜、料液支撑层；所述双片式卷制带的卷制方式为：一片卷制带沿径向由内至外依次为翅片、冷凝板、气隙支撑层、疏水膜和料液支撑层，另一片卷制带结构相反，两片卷制带同向卷制。
3.根据权利要求1或2所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述疏水膜(2)为有支撑层或无支撑层的多孔膜；
所述疏水膜(2)的水接触角≥150°、孔径为0.5～5μm、膜厚度为20～500μm、孔隙率大于80％；
所述疏水膜(2)的材料包括有机材料、无机材料或者复合膜材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述料液支撑层(1)的厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，料液支撑层(1)的材料包括有机材料或无机材料；
所述气隙支撑层(3)的厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，气隙支撑层(3)的材料包括有机材料或无机材料。
5.根据权利要求3所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述料液支撑层(1)的厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，料液支撑层(1)的材料包括有机材料或无机材料；
所述气隙支撑层(3)的厚度为0.1～1mm、网孔大小为1～100mm2，气隙支撑层(3)的材料包括有机材料或无机材料。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷凝板(4)为厚度为0.1～1mm的无孔平板，冷凝板(4)选用具有硬质和导热系数大于100W·m-1·℃的高导热性材料；
所述述翅片(5)包括导热系数大于100W·m-1·℃的高导热性材料或者通过激光刻蚀法直接在冷凝板(4)表面形成翅片结构；
所述冷凝板(4)和翅片(5)表面均涂有辐射漆；
所述冷凝板(4)和翅片(5)的温度低于40℃；
所述封闭盖和冷凝板(4)延长部分所用的隔热材料均选用导热系数小于1W·m-1·℃的低导热性材料，或在表面涂有导热系数低于0.12W·m-1·℃的保温涂料。
7.根据权利要求1、2或5所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述的膜蒸馏装置还包括加热装置(12)和换热器(13)，所述加热装置(12)包括太阳能、地热能或工业余热，所述换热器(13)为管式换热器，通过回收被加热的空气热量以预热料液；加热后的热料液温度为40～80℃。
8.根据权利要求6述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述的膜蒸馏装置还包括加热装置(12)和换热器(13)，所述加热装置(12)包括太阳能、地热能或工业余热，所述换热器(13)为管式换热器，通过回收被加热的空气热量以预热料液；加热后的热料液温度为40～80℃。
9.根据权利要求1、2、5或8所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述的膜蒸馏装置还包括冷却系统，冷却系统包括水冷或空冷，所述空冷包括空气自然对流、小型风扇或鼓风机；所述料液箱(14)通过液位压差或水泵进行热料液的输运。
10.根据权利要求7所述的一种卷筒式空气直接冷却膜蒸馏装置，其特征在于，所述的膜蒸馏装置还包括冷却系统，冷却系统包括水冷或空冷，所述空冷包括空气自然对流、小型风扇或鼓风机；所述料液箱(14)通过液位压差或水泵进行热料液的输运。
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