CN116059828A - 膜蒸馏装置及其膜交换单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种膜蒸馏装置及其膜交换单元，该膜交换单元用于放置在膜蒸馏装置的壳体内，壳体内通入有水蒸汽，膜交换单元包括：安装框及疏水膜，疏水膜设有两个，两个疏水膜分别设置在安装框的两侧，两个疏水膜与安装框围合形成交换腔，安装框上设有与交换腔均相连通的冷端进口及冷端出口，冷端进口与冷端出口分别位于安装框的两端且均位于交换腔的顶部。如此，当冷端进口通入有冷空气时，可充分利用冷空气及水蒸汽的特性，即冷空气密度大，水蒸汽密度小，使得进入交换腔内的冷空气具有先下沉后上浮的运动趋势，延长了冷空气流动路径，使得水蒸汽具有充分的交换时间，进而可有效提高膜通量及废液的净化效率。

Description

膜蒸馏装置及其膜交换单元

技术领域

本发明涉及膜蒸馏技术领域，尤其是涉及一种膜蒸馏装置及其膜交换单元。

背景技术

膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜，以膜两侧的压力差为传质驱动力的膜分离过程。由于膜蒸馏操作条件温和，能利用低品位热源，且具有净化效率高等优点，因而被广泛应用于城市污水处理、化工废液处理等领域。

为了避免高温废液直接与膜组件内疏水微孔膜接触，导致疏水微孔膜易被污染、出现堵塞等问题从而影响其使用寿命。目前，在膜蒸馏技术中，会先将通入膜组件内的高温废液变成湿热水蒸汽，然后再将湿热水蒸汽通入膜组件内。然而，以上方式虽然可减少膜出现污染的情况，有利于提高膜的使用寿命，但疏水微孔膜的膜通量较低，导致膜蒸馏技术净化效率受到限制。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种膜蒸馏装置及其膜交换单元，该膜交换单元具有较高的膜通量，有利于提高膜蒸馏装置的净化效率。

一种膜交换单元，所述膜交换单元用于放置在膜蒸馏装置的壳体内，且所述壳体内通入有水蒸汽，所述膜交换单元包括：安装框及疏水膜，所述疏水膜设有两个，两个所述疏水膜分别设置在所述安装框的两侧，且两个所述疏水膜与所述安装框围合形成交换腔，所述安装框上设有与所述交换腔均相连通的冷端进口及冷端出口，且所述冷端进口与所述冷端出口分别位于所述安装框的两端且均位于所述交换腔的顶部，所述冷端进口用于将冷空气通入所述交换腔，所述冷端出口用于将进入所述交换腔内的水蒸汽排出所述交换腔。

在上述的膜交换单元中，由于安装框上设有与交换腔相连通的冷端进口及冷端出口，如此，可通过冷端进口将冷空气通入交换腔内，当膜交换单元放置在膜蒸馏装置的壳体内，每一疏水膜的两侧均形成有温度差，在压差的作用下，水蒸汽穿过疏水膜上的微孔进入交换腔内，最终从冷端出口排出以实现废液净化。此外，由于冷端进口与冷端出口分别位于安装框的两端且均位于交换腔的顶部，如此，当膜交换单元放置在膜蒸馏装置的壳体内，且冷端进口通入有冷空气时，可充分利用冷空气及水蒸汽的特性，即冷空气密度大，水蒸汽密度小，如此，使得进入交换腔内的冷空气具有先下沉后上浮的运动趋势，延长了冷空气流动路径，使得水蒸汽具有充分的交换时间，进而可有效提高膜通量及废液的净化效率。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，所述安装框包括第一横梁架、第一立柱、第二横梁架及第二立柱，且所述第一横梁架、所述第一立柱、所述第二横梁架及所述第二立柱依次相连以形成环形框架结构，所述第一立柱内设有与所述交换腔相连通的进气通道，且所述第一立柱的顶端设有所述冷端进口，且所述冷端进口与所述进气通道连通；所述第二立柱内设有与所述交换腔相连通的排气通道，且所述第二立柱的顶端设有所述冷端出口，且所述冷端出口与所述排气通道连通。

在其中一个实施例中，所述第一立柱的侧壁设有第一穿孔组，所述进气通道通过所述第一穿孔组与所述交换腔相连通；所述第二立柱的侧壁设有第二穿孔组，所述排气通道通过所述第二穿孔组与所述交换腔相连通。

在其中一个实施例中，所述第一穿孔组的孔口面积小于所述冷端进口的面积，所述第二穿孔组的孔口面积大于或等于所述第一穿孔组的孔口面积。

在其中一个实施例中，所述第一穿孔组包括多个第一穿孔，且多个所述第一穿孔沿所述第一立柱的长度方向间隔设置；所述第二穿孔组包括多个第二穿孔，且多个所述第二穿孔沿所述第二立柱的长度方向间隔设置。

在其中一个实施例中，所述疏水膜包括相背设置的粗糙面和光滑面，两个所述疏水膜的粗糙面均朝向所述安装框，两个所述粗糙面与所述安装框围合形成所述交换腔。

在其中一个实施例中，所述膜交换单元还包括密封垫及压条，所述密封垫垫设在所述疏水膜与所述安装框之间，所述压条压设在所述疏水膜上且通过连接件将所述疏水膜及所述密封垫固定在所述安装框上；

和/或，所述密封垫设置在所述疏水膜与所述压条之间。

本申请还提供一种膜蒸馏装置，包括：壳体及如上所述的膜交换单元，所述壳体内设有容置腔，所述膜交换单元容置在所述容置腔内，所述壳体的壳壁设有热端进口及热端出口，且所述热端进口与所述热端出口均与所述容置腔相连通。

在其中一个实施例中，冷空气在所述交换腔内从所述冷端进口流向所述冷端出口的方向为第一方向，水蒸汽在所述容置腔内从所述热端进口流向所述热端出口的方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反。

在其中一个实施例中，所述膜交换单元设有多个，且多个所述膜交换单元并列设置在所述容置腔内。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

此外，附图并不是1:1的比例绘制，并且各个元件的相对尺寸在附图中仅示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。在附图中：

图1为本发明一实施例中膜蒸馏装置的结构示意图；

图2为图1中A-A线的剖视图；

图3为图2中圈B处的结构放大示意图；

图4为本发明一实施例中膜交换单元的结构示意图；

图5为图4中C-C线的剖视图；

图6为图5中圈D处的结构放大示意图；

图7为本发明一实施例中膜交换单元另一视角的结构示意图；

图8为本发明一实施例中膜交换单元又一视角的结构示意图；

图9为图8中圈E处的结构放大示意图；

图10为本发明一实施例中安装框的结构示意图；

图11为本发明一实施例中安装框另一视角的结构示意图。

图中各元件标记如下：

10、膜蒸馏装置；100、膜交换单元；110、安装框；111、横梁架；112、第一立柱；1121、冷端进口；1122、第一穿孔；113、第二横梁架；114、第二立柱；1141、冷端出口；120、疏水膜；130、密封垫；140、压条；200、壳体；210、容置腔；211、热端进口；212、热端出口；220、导气管组件；221、总管；222、支管；223、气管。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

请参阅图1和图2，本申请一实施例提供一种膜交换单元100，膜交换单元100用于放置在膜蒸馏装置10的壳体200内，且壳体200内通入有水蒸汽。

需要说明的是，由于待净化的废液中含有大量的污染离子或污染分子，因而当废液通过蒸发设备，如蒸馏箱等形成水蒸汽后，大量的污染离子或污染分子会随水蒸汽一同流动。因此，在本实施例中，壳体200内通入的水蒸汽并非只含有气态水分子，其中，还包含还有其他大量的污染离子或污染分子。

具体地，请参阅图2至图4、图7、图8以及图10，膜交换单元100包括：安装框110及疏水膜120。疏水膜120设有两个，两个疏水膜120分别设置在安装框110的两侧。且两个疏水膜120与安装框110围合形成交换腔。安装框110上设有与交换腔均相连通的冷端进口1121及冷端出口1141，且冷端进口1121与冷端出口1141分别位于安装框110的两端且均位于交换腔的顶部。冷端进口1121用于将冷空气通入交换腔，冷端出口1141用于将进入交换腔内的水蒸汽排出交换腔。

在上述的膜交换单元100中，由于安装框110上设有与交换腔相连通的冷端进口1121及冷端出口1141，如此，可通过冷端进口1121将冷空气通入交换腔内，当膜交换单元100放置在膜蒸馏装置10的壳体200内，每一疏水膜120的两侧均形成有温度差，在压差的作用下，水蒸汽穿过疏水膜120上的微孔进入交换腔内，最终从冷端出口1141排出以实现废液净化。此外，由于冷端进口1121与冷端出口1141分别位于安装框110的两端且均位于交换腔的顶部，如此，当膜交换单元100放置在膜蒸馏装置10的壳体200内，且冷端进口1121通入有冷空气时，可充分利用冷空气及水蒸汽的特性，即冷空气密度大，水蒸汽密度小，如此，使得进入交换腔内的冷空气具有先下沉后上浮的运动趋势，延长了冷空气流动路径，使得水蒸汽具有充分的交换时间，进而可有效提高膜通量及废液的净化效率。

需要说明的是，通入壳体200内的水蒸汽湿度以及温度均较高，通入交换腔内的冷空气为干燥的冷空气，如此，可使得疏水膜120两侧的压力差增大，从而可提高疏水膜120的膜通量。需要说明的是，由于疏水膜120自身特性，当疏水膜120处于壳体200内时，疏水膜120上的微孔只允许壳体200内水蒸汽中气态的水分子穿过并进入交换腔内，因此，在本实施例中，“冷端出口1141用于将进入交换腔内的水蒸汽排出交换腔”是指冷端出口1141用于将进入交换腔内的气态水分子排出交换腔，因此，交换腔内的水蒸汽与壳体内的水蒸汽不同，交换腔内的水蒸汽只包含有气态水分子。

需要说明的是，疏水膜120的种类可根据待处理的废液的类型进行选择。

请参阅图4、图7、图8、图10及图11，一实施例中，安装框110包括第一横梁架111、第一立柱112、第二横梁架113及第二立柱114。且第一横梁架111、第一立柱112、第二横梁架113及第二立柱114依次相连以形成环形框架结构第一立柱112内设有与交换腔相连通的进气通道。且第一立柱112的顶端设有冷端进口1121，且冷端进口1121与进气通道连通。第二立柱114内设有与交换腔相连通的排气通道。且第二立柱114的顶端设有冷端出口1141，且冷端出口1141与排气通道连通。

具体地，通过将第一横梁架111、第一立柱112、第二横梁架113及第二立柱114依次相连，以使安装框110呈环形结构，如此，可增加疏水膜120安装至安装框110上的稳定性。通过将冷端进口1121设置在第一立柱112的顶部，冷端出口1141设置在第二立柱114的顶部，如此，当冷空气进入交换腔后，可使其流动路径大致呈先朝斜向方向向下流动，冷空气在流动过程中与疏水膜120外侧的水蒸汽进行传热传质，水蒸汽进入交换腔内并与冷空气混合，随后冷空气再携带水蒸汽从第二立柱114上的冷端出口1141排出。

需要说明的是，疏水膜120的“外侧”是指疏水膜120背向交换腔的一侧。

具体地，在本实施例中，冷端进口1121和冷端出口1141均朝上设置。

可选地，在其他实施例中，冷端进口1121可朝右设置，冷端出口1141可朝左设置。

在一实施中，安装框110还包括支撑杆(图中未示出)。支撑杆位于交换腔内且连接在第一立柱112和第二立柱114之间，或连接在第一横梁架111和第二横梁架113之间。如此，可避免两个疏水膜120相互靠近贴合，导致交换腔体积缩小，影响膜通量。

请参阅图3、图5至图7以及图11，在一实施例中，第一立柱112的侧壁设有第一穿孔1122组。进气通道通过第一穿孔1122组与交换腔相连通。第二立柱114的侧壁设有第二穿孔组。排气通道通过第二穿孔组与交换腔相连通。冷空气通过冷端进口1121进入进气通道内，再通过第一穿孔1122组进入到交换腔内。疏水膜120外侧的水蒸汽穿过疏水膜120后，随冷空气进入排气通道内并从冷端出口1141排出。

为了使冷空气进入交换腔内具有较高的流动速率，请参阅图3、图5及图7，在一实施例中，第一穿孔1122组的孔口面积小于冷端进口1121的面积。如此，可平衡疏水膜120两侧因水蒸汽交换而造成的动能损失，使得进入冷端进口1121的冷空气与冷端出口1141排出的混合气体的流动速率保持一致。

为了提高冷端出口1141排气时的稳定性，进一步地，在一实施例中，第二穿孔组的孔口面积大于或等于第一穿孔1122组的孔口面积。

请参阅图3、图5及图11，在一实施例中，第一穿孔1122组包括多个第一穿孔1122，且多个第一穿孔1122沿第一立柱112的长度方向间隔设置。如此，通过将多个第一穿孔1122沿第一立柱112的长度方向间隔设置，可使冷空气在交换腔内射流扩展较为稳定，可使从各个第二穿孔排出的冷空气形成平行流，使得冷空气在交换腔内端面速度场均匀，且在交换腔内形成较少的涡流。

为进一步提高交换腔内冷空气射流扩展的稳定性，在一实施例中，如图5和图11所示，多个第一穿孔1122沿第一立柱112的长度方向相对且等间距设置。

在一实施例中，第二穿孔组包括多个第二穿孔，且多个第二穿孔沿第二立柱114的长度方向间隔设置。

具体地，在本实施例中，多个第二穿孔沿第二立柱114的长度方向相对且等间距设置。

可选地，在其他实施中，第一穿孔1122组和第二穿孔组均为腰形孔，且腰形孔沿第一立柱112或第二立柱114的长度方向延伸。如此，可使交换腔内沿第一立柱112的长度方向均充斥有冷空气，使得疏水膜120各个区域均能供水蒸汽穿过，提高了疏水膜120的膜通量。

在一实施例中，疏水膜120包括相背设置的粗糙面和光滑面。两个疏水膜120的粗糙面均朝向安装框110，两个粗糙面与安装框110围合形成交换腔。如此，水蒸汽会在光滑面上冷凝形成水珠。由于水珠形成于光滑面，且其在光滑面上流动、滴落较为容易，因而，可有效避免水珠封堵在疏水膜120上的微孔上造成微孔堵塞。

可选地，在其他实施例中，两个疏水膜120的光滑面朝向安装框110，两个光滑面与安装框110围合形成交换腔。

请参阅图4、图6及图9，在一实施例中，膜交换单元100还包括密封垫130及压条140。密封垫130垫设在疏水膜120与安装框110之间，压条140压设在疏水膜120上且通过连接件将疏水膜120及密封垫130固定在安装框110上。如此，可提高交换腔的密封性，避免冷空气从冷端出口1141以外的区域排出交换腔。

需要说明的是，本实施例中的连接件包括但不限于螺钉、螺栓、卡扣等。

可选地，在其他实施例中，密封垫130设置在疏水膜120与压条140之间。如此，也可增强交换腔的密封性。

具体地，在本实施例中，疏水膜120与压条140之间以及安装框110与疏水膜120之间均设有密封垫130。

请参阅图1至图3，本申请一实施例还提供一种膜蒸馏装置10，包括：壳体200及如上所述的膜交换单元100。壳体200内设有容置腔210，膜交换单元100容置在容置腔210内。壳体200的壳壁设有热端进口211及热端出口212，且热端进口211与热端出口212均与容置腔210相连通。其中，废液加热形成的水蒸汽可通过热端进口211进入容置腔210内，使得疏水膜120处于湿热的水蒸汽环境内，部分水蒸汽穿过疏水膜120随冷空气排出交换腔内完成废液的净化，未穿过疏水膜120的水蒸汽可从热端出口212排出容置腔210内。

需要说明的是，受疏水膜120自身特性以及疏水膜120两侧压差等因素的影响，导致壳体200内水蒸汽中只有部分气态水分子能够穿过疏水膜120进入交换腔，而污染离子、污染分子以及部分未穿过疏水膜120的气态水分子则会通过从热端出口212排出容置腔210。

为了进一步增大膜通量，提高净化效率，在一实施例中，冷空气在交换腔内从冷端进口1121流向冷端出口1141的方向为第一方向，水蒸汽在容置腔210内从热端进口211流向热端出口212的方向为第二方向，第一方向与第二方向相反。

具体地，请参阅图2和图7，冷空气先通过冷端进口1121进入进气通道后，后通过第一穿孔组进入交换腔，随后携带水蒸汽通过第二穿孔组进入排气通道，最后从冷端出口1141排出，可见，冷空气在交换腔内的流动路径呈从右向左的方向流动。水蒸汽从热端进口211进入容置腔210内，未穿过疏水膜120的水蒸汽则从热端出口212排出，可见，水蒸汽在容置腔210内的流动路径呈从左向右的方向流动。

为了提高膜蒸馏装置10的净化效率，在本实施例中，如图1、图2及图7所示，膜交换单元100设有多个。多个膜交换单元100并列设置在容置腔210内，且各个膜交换单元100的冷端进口1121并列设置，各个膜交换单元100的冷端出口1141并列设置。

请参阅图1至图3以及图7，在一实施例中，膜蒸馏装置10还包括导气管组件220，且导气管组件220设有两个，其中一个用于向各个冷端进口1121同时通入冷空气，另一个用于将各个冷端出口1141排出的混合气体(水蒸汽和冷空气)同时排出。

具体地，如图1至图3以及图7所示，导气管组件220包括总管221及多个支管222，多个支管222均与总管221相连通。支管222的数量与冷端进口1121或冷端出口1141的数量相同且一一插接对应。其中，以与冷端进口1121连通的导气管组件220为例，通常直接将冷空气通入总管221后，冷空气分别流向各个支管222以进入对应的冷端进口1121内。

进一步，导气管组件220还包括与总管221连通的气管223，且气管223至少设有一个。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种膜交换单元，所述膜交换单元用于放置在膜蒸馏装置的壳体内，且所述壳体内通入有水蒸汽，其特征在于，所述膜交换单元包括：安装框及疏水膜，所述疏水膜设有两个，两个所述疏水膜分别设置在所述安装框的两侧，且两个所述疏水膜与所述安装框围合形成交换腔，所述安装框上设有与所述交换腔均相连通的冷端进口及冷端出口，且所述冷端进口与所述冷端出口分别位于所述安装框的两端且均位于所述交换腔的顶部，所述冷端进口用于将冷空气通入所述交换腔，所述冷端出口用于将进入所述交换腔内的水蒸汽排出所述交换腔。

2.根据权利要求1所述的膜交换单元，其特征在于，所述安装框包括第一横梁架、第一立柱、第二横梁架及第二立柱，且所述第一横梁架、所述第一立柱、所述第二横梁架及所述第二立柱依次相连以形成环形框架结构，所述第一立柱内设有与所述交换腔相连通的进气通道，且所述第一立柱的顶端设有所述冷端进口，且所述冷端进口与所述进气通道连通；所述第二立柱内设有与所述交换腔相连通的排气通道，且所述第二立柱的顶端设有所述冷端出口，且所述冷端出口与所述排气通道连通。

3.根据权利要求2所述的膜交换单元，其特征在于，所述第一立柱的侧壁设有第一穿孔组，所述进气通道通过所述第一穿孔组与所述交换腔相连通；所述第二立柱的侧壁设有第二穿孔组，所述排气通道通过所述第二穿孔组与所述交换腔相连通。

4.根据权利要求3所述的膜交换单元，其特征在于，所述第一穿孔组的孔口面积小于所述冷端进口的面积，所述第二穿孔组的孔口面积大于或等于所述第一穿孔组的孔口面积。

5.根据权利要求4所述的膜交换单元，其特征在于，所述第一穿孔组包括多个第一穿孔，且多个所述第一穿孔沿所述第一立柱的长度方向间隔设置；所述第二穿孔组包括多个第二穿孔，且多个所述第二穿孔沿所述第二立柱的长度方向间隔设置。

6.根据权利要求1-5任一项所述的膜交换单元，其特征在于，所述疏水膜包括相背设置的粗糙面和光滑面，两个所述疏水膜的粗糙面均朝向所述安装框，两个所述粗糙面与所述安装框围合形成所述交换腔。

7.根据权利要求1-5任一项所述的膜交换单元，其特征在于，所述膜交换单元还包括密封垫及压条，所述密封垫垫设在所述疏水膜与所述安装框之间，所述压条压设在所述疏水膜上且通过连接件将所述疏水膜及所述密封垫固定在所述安装框上；

和/或，所述密封垫设置在所述疏水膜与所述压条之间。

8.一种膜蒸馏装置，其特征在于，包括：壳体及权利要求1-7任一项所述的膜交换单元，所述壳体内设有容置腔，所述膜交换单元容置在所述容置腔内，所述壳体的壳壁设有热端进口及热端出口，且所述热端进口与所述热端出口均与所述容置腔相连通。

9.根据权利要求8所述的膜蒸馏装置，其特征在于，冷空气在所述交换腔内从所述冷端进口流向所述冷端出口的方向为第一方向，水蒸汽在所述容置腔内从所述热端进口流向所述热端出口的方向为第二方向，所述第一方向与所述第二方向相反。

10.根据权利要求8所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜交换单元设有多个，且多个所述膜交换单元并列设置在所述容置腔内。

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