CN116157386A - 螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种蒸馏装置和制造蒸馏装置的方法，该蒸馏装置包含至少一个螺旋卷绕式多效膜蒸馏（MD）组件；该螺旋卷绕式多效膜蒸馏（MD）组件包含与圆柱形外壳同心的穿孔中心管和围绕中心管螺旋卷绕的多个效应件；效应件中的每一个包含蒸气渗透隔膜、设置在该蒸气渗透隔膜上的进料间隔网、渗滤液间隔网和热交换膜；该渗滤液间隔网设置在该蒸气渗透隔膜与该热交换膜之间，通过该多个效应件蒸馏进料流体将冷凝流体沉积到该中心管中。

Description

螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件

本申请要求2020年7月15日提交的关于螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的美国临时申请第63/052,355号（代理人案卷号191170-000100US）的优先权，该申请通过引用并入本文用于所有目的。

本发明是在美国国家科学基金会（NSF）根据NSF从NSF纳米尺度科学和工程计划授予的第EEC 1449500号政府资助下完成的。美国政府拥有本发明的某些权利。

背景技术

现有的多效膜蒸馏（MD）技术可能需要高度复杂的膜组件配置，这些膜组件配置可能包含单独的膜和热交换表面；结构支撑件；单独的进料和/或渗透物入口；和输送进料的流体输送导管。此外，进料和渗透物（蒸气和冷凝物）流两者的复杂路径可能由于摩擦导致大的压头损失，且因此可能需要更高的泵送能量。

发明内容

在一个方面，本文公开的实施例涉及一种蒸馏装置，该蒸馏装置包含圆柱形外壳和螺旋卷绕式多效膜蒸馏（MD）组件。该螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件包含与圆柱形外壳同心的穿孔中心管，和围绕中心管螺旋卷绕的多个效应件。每个效应件包含蒸气渗透隔膜、设置在蒸气渗透隔膜上的进料间隔网、渗滤液间隔网和热交换膜。渗滤液间隔网设置在蒸气渗透隔膜与热交换膜之间。通过多个效应件蒸馏进料流体将冷凝流体沉积到中心管中。蒸馏装置可以包含设置在螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的各端部上的两个流量分配装置。该蒸馏装置还包含位于圆柱形外壳的一个端部上的第一端盖和位于圆柱形外壳的另一端部上的第二端盖，该第一端盖包含进液口，该第二端盖包含附接到中心管的蒸馏液出口和浓缩液出口。

在另一方面，本文公开的实施例涉及一种蒸馏装置，该蒸馏装置包含圆柱形外壳和串联连接的多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏（MD）组件。螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件中的每一个包含与圆柱形外壳同心的穿孔中心管和围绕中心管螺旋卷绕的多个效应件。每个效应件包含进料间隔网、蒸气渗透隔膜、渗滤液间隔网和热交换膜。渗滤液间隔网设置在蒸气渗透隔膜与热交换膜之间。通过螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件中每一个的该多个效应件蒸馏进料流体将冷凝流体沉积到中心管中。该蒸馏装置可以包含设置在该多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件各端部上的两个流量分配装置。该蒸馏装置还包含位于圆柱形外壳的一个端部上的第一端盖和位于圆柱形外壳的另一端部上的第二端盖，该第一端盖包含进液口，该第二端盖包含附接到中心管的蒸馏液出口和浓缩液出口。

在另一方面，本文公开的实施例涉及一种制造蒸馏装置的方法，该方法包含将矩形蒸气膜薄膜在三个边缘上密封到矩形热交换膜，和在蒸气膜薄膜与热交换膜之间设置渗滤液间隔网。该方法还包含在蒸气膜薄膜上设置进料间隔网膜。未密封的边缘附接到穿孔中心管，其中渗滤液间隔网与中心管的穿孔重合。旋转中心管以形成螺旋卷绕式膜蒸馏（MD）组件。

附图说明

将参考附图描述本发明的某些实施例。然而，附图仅以示例的方式示出本发明的某些方面或实施方式，且不意在限制权利要求的范围。

图1A和图1B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的单个单元装置。

图2示出了根据本文公开的一个或多个实施例的卷制之前的膜叶的示意图。

图3示出了根据本文公开的一个或多个实施例的制造螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的方法的流程图。

图4A示出了根据本文公开的一个或多个实施例的螺旋卷绕式蒸馏单元的第一横截面。

图4B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的螺旋卷绕式蒸馏单元的第二横截面。

图5示出了根据本文公开的一个或多个实施例的多单元装置的示意性示例。

图6A和图6B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的多单元装置的示意图。

图7A和图7B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的多单元装置的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图描述具体实施例。在下面的描述中，作为本发明的示例阐述了许多细节。本领域技术人员将理解，本发明的一个或多个实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施，并且在不脱离本发明的范围的情况下，许多变化或修改是可能的。省略了本领域普通技术人员已知的某些细节，以避免使描述模糊不清。

在整个申请中，序数（例如，第一、第二、第三等）可用作元件（即，本申请中的任何名词）的形容词。序数的使用并不暗指或形成对元件的任何特定排序，也不将任何元件限制为仅是单个元件，除非明确公开，诸如通过使用术语“之前”、“之后”、“单个”和其他此种术语。相反，使用序数是为了区分元件。举例来说，第一元件不同于第二元件，并且第一元件可包含多于一个元件，并且在元件排序中在第二元件之后（或之前）。

在图1至图7的以下描述中，在本技术的各种实施例中，关于附图描述的任何组件可等同于关于任何其他附图描述的一个或多个类似命名的组件。为了简洁起见，将不会针对每个附图重复对这些组件的描述。因此，每个附图的组件的每一个实施例都通过引用并入，并且被假设为可选地存在于具有一个或多个类似命名的组件的每个其他附图中。此外，根据本技术的各种实施例，对附图组件的任何描述都应被解释为除了针对任何其他附图中对应的相似命名的组件所描述的实施例之外、结合这些实施例或替换这些实施例来实现的可选实施例。

总体来说，本发明的实施例涉及一种用于膜蒸馏的组件和制造组件的方法。更具体地，实施例描述了一种新颖的膜反应器设计，其能够在简单、紧凑、错流螺旋卷绕式组件中实现多效膜蒸馏。

本文公开的组件和制造组件的方法的实施例可包含分层结构的新型螺旋卷绕式配置，该分层结构具有包含进料间隔网、蒸气渗透隔膜、热交换膜和渗滤液间隔网的层。实施例可为每个效应件提供流体输送导管或单独的入口和出口，而无需额外的物理结构，因为螺旋卷绕式膜单元中的每个螺旋形成一个效应件。

在一个或多个实施例中，从第一效应件输入的热量或从前一效应件中的蒸气冷凝回收的热量使每个效应件中的进料液蒸发，并用作冷却剂来冷凝前一效应件中产生的蒸气。连续级中的高效热回收导致比单级多效膜蒸馏（MD）大许多倍的增益-输出比（GOR），并且可以提供更高的热效率和水生产率。

本文公开的实施例可以利用不同的热源。例如，实施例可以包含在光照射时用于光热加热的膜表面。实施例还可以包含用于电热涂层的膜表面，该电热涂层通过施加电流来产生热量。在一些实施例中，可以通过使用加热器加热一些或全部进料液来提供热量。其他实施例可以包含本文描述的加热元件的组合。

图1A展示了根据本文公开的一个或多个实施例的单个单元装置。单个单元装置（100a）包含圆柱形组件外壳（102a），其具有用于接收进料液的进液口（f）、蒸馏液出口（c）和浓缩液出口（b）。蒸馏液出口（c）与用于渗透物收集的中心管（104a）对准并附接到该中心管。用于渗透物收集的中心管是穿孔管，其可以定位在组件外壳（102a）的中心轴上。如将在下面更详细解释的，螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106a）围绕用于渗透物收集的中心管（104a）并且在流量分配组件与防伸缩组件（108a和109a）之间设置。在图1A描述的实施例中，热涂层（110）围绕螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106a）设置。热涂层（110）用于向装置（100a）施加热量，并且热涂层（110）可以是光热的或电热的。

对于光热实施例，组件外壳（102a）的部分可以是透明的，以允许光照射。例如，根据本文公开的实施例，可以使用由诸如石英、硼硅酸盐玻璃和/或聚(甲基丙烯酸甲酯)（诸如树脂玻璃）的材料制成的透明外壳。利用太阳辐射的光热实施例也可以包含附加收集器/聚光器以促进加热。例如，抛物面槽、线性菲涅尔反射器和太阳能塔式收集器可以用于聚焦太阳辐射。本领域的普通技术人员将会理解，在光热实施例中，可以使用其他配置来促进辐射的收集和聚焦。

对于电热实施例，热涂层（110）可以使用施加的电压加热。在此种实施例中，膜的热涂层元件将经由热载体电线（未示出）与电源连接。当施加一定的电压时，热加热元件将产生焦耳热，该焦耳热被传导到邻近的进料液。经加热的进料液在界面处蒸发，且蒸气转移到渗滤液侧。

根据本文公开的一个或多个实施例，通过进液口（f）供应进料液，同时热涂层（110）供应热量，使得螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106a）蒸馏进料液，使蒸馏液沉积在用于渗透物收集的中心管（104a）中，该蒸馏液通过蒸馏液出口（c）释放。所得浓缩液通过浓缩液出口（b）释放。

图1B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的另一单个单元装置。类似于图1A，单个单元装置（100b）包含组件外壳（102b）、流量分配组件和防伸缩组件（108b和109b）、进液口（f）、蒸馏液出口（c）、浓缩液出口（b）、用于渗透物收集的中心管（104b）和螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106b）。在图1B描述的实施例中，不是热涂层，而是经由加热器（112）将进料液或一部分进料液供应到单个单元装置（100b）。加热器（112）加热进料液，并使用沿外壳（102b）的径向方向定位的附加入口（f’）流入组件外壳（102b）。附加入口（f’）可以定位在外壳（102b）上，在进液口（f）附近的流量分配组件与防伸缩组件（108b和109b）之间。实施例还可包含沿外壳（102b）的径向方向、在蒸馏液出口（c）和浓缩液出口（b）附近的流量分配组件与防伸缩组件（108b和109b）之间定位的附加浓缩液出口（b’）。

在由图1B描述的一个或多个实施例中，密封垫圈（114、115）可以围绕流量分配组件和防伸缩组件（108b和109b）设置，使得流量分配组件和防伸缩组件（108b和109b）基本上覆盖螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106b）的端部。密封垫圈（114、115）有助于保持来自附加入口（f’）的经加热的进料液主要包含在螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106b）的表面附近。

在一个或多个实施例中，可能存在两个单独的用于进料液的流动通道。经由入口（f）在螺旋卷绕式单元（106b）内部的第一通道，以及经由入口（f’）在螺旋卷绕式单元（106b）与组件外壳（102b）之间的空间中的第二通道。根据本文公开的一个或多个实施例，通道之间的不同流速与通道中的不同进料液温度相结合有助于装置的性能。例如，螺旋卷绕式单元（106b）内部的通道中较低温度的进料液可以充当冷却剂，并且因此有助于渗透物冷凝。

根据本文公开的一个或多个实施例，进料液通过进液口（f）供应，并且额外的进料液被加热器（112）加热并通过入口（f’）供应。经加热的进料液提供必需的热量，使得螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106b）蒸馏进料液，导致蒸馏液沉积在中心管（104b）中，该蒸馏液通过蒸馏液出口（c）释放。所得浓缩液可以通过浓缩液出口（b）和/或附加浓缩液出口（b’）释放。

根据本文公开的一个或多个实施例，来自浓缩液出口（b）和/或浓缩液出口（b’）的浓缩液可以被进给返回到加热器（112）中。此种浓缩液可能仍然含有可用于进一步蒸馏的热量和/或可以蒸馏额外的蒸馏液。此外，通过进给返回先前加热的浓缩液输出，可以减小加热器（112）上的应变。

图2和图3描述了本文公开的实施例的制造。图2描述了在使多层的集合成螺旋形之前构成所示螺旋卷绕式单元的多个层；且图3描述了概述根据本文公开的实施例制造螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的步骤的流程图。

参考图2，多个层的集合（220）的形状是矩形的，并且它包含热交换膜（222）、渗滤液间隔网（224）、蒸气渗透隔膜（226）和进料间隔网层（228）。多个层的集合（220）包含密封多个层的矩形集合（220）的三个边缘的密封件（231）。在一些实施例中，多个层的集合（220）还可以包含热元件（232）。

热交换膜（222）的实施例可以包含任何导热薄膜。热交换膜的材料的示例包含但不限于铝箔、聚合物增强的铝箔、聚合物涂覆的Cu膜和/或导热聚合物膜。热交换膜（222）的实施例可以在至少一侧上是耐腐蚀的。例如，可以与进料溶液接触的热交换膜（222）的该侧可以被设计成耐腐蚀的。热交换膜（222）的实施例也可被设计成使得热交换膜（222）与渗滤液接触的一侧具有粗糙特征和/或超疏水涂层以促进冷凝。

渗滤液间隔网（224）的实施例可以是任何多孔导热材料。渗滤液间隔网的材料的示例包含但不限于铝和其他金属网、金属棉和/或导热聚合物网。

蒸气渗透隔膜（226）的实施例包含对液态水为不可渗透但对水蒸气为可渗透的任何膜。蒸气渗透隔膜的示例性材料包含但不限于聚丙烯、PTFE、PVDF、聚乙烯和无机膜，诸如碳膜。

进料间隔网（228）的实施例包含由耐腐蚀材料制成的任何网状间隔网。进料间隔网的示例性材料包含但不限于不同类型的聚合物，诸如聚丙烯和/或尼龙。

如前所述，实施例还可以包含热元件（232）。选择热元件（232）的尺寸和位置，使得在根据本文公开的一个或多个实施例的制造结束时，热元件（232）位于螺旋卷绕式单元（106）的最外半径上。

如前所述，热元件（232）可以是光热或电热材料。在一些光热实施例中，可以使用黑色多孔精细聚合物网，或涂有碳纳米材料（例如，碳黑纳米颗粒）的多孔聚合物膜。在其他光热实施例中，可以使用涂有碳黑纳米颗粒的多孔聚丙烯膜或涂有聚多巴胺涂层的多孔聚丙烯膜。光热实施例的热元件（232）可以由任何已知的吸收辐射并产生热量的材料制成，其将不会在进料液中降解。

在电热实施例中，根据本文的实施例，可以使用任何可以使用所施加的电压加热的材料，该材料在进料液中不会降解。例如，根据本文公开的实施例，可以使用具有抗腐蚀、绝缘纳米涂层的不锈钢网或基于碳纳米管的膜。

参考图3，在步骤300中，在三个边缘上将矩形蒸气膜薄膜密封到热交换膜上。在一些实施例中，这些膜可以使用粘合剂密封。在一些实施例中，这些膜可以是热密封的。在此种实施例中，可使用热金属棒通过将层一起熔化而将矩形蒸气膜热密封到热交换膜。本领域的普通技术人员将会理解，可以使用密封这些层的其他方法。

在步骤302中，使用矩形膜的未密封的边缘，将渗滤液间隔网设置在矩形蒸气膜与热交换膜之间形成的口袋中。在步骤304中，将进料间隔网膜沉积在蒸气膜薄膜上。

在步骤306中，将来自先前步骤的层集合的未密封的边缘附接到穿孔中心管。这些层可以使用粘合剂附接到中心管，使得渗滤液间隔网层与中心管中的穿孔重合。

在步骤308中，旋转穿孔中心管以将层的集合包绕在中心管周围。在本公开中，层集合围绕中心管的每一次完整包绕被称为一种效应件。也就是说，效应件是指沿包含多个层的集合（220）的中心管的径向方向的层。

如前所述，螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（106a）的实施例可包含热元件（232）。在此种实施例中，热元件（232）可以在卷制中心管（204）之前设置在蒸气渗透隔膜薄膜（226）上。在一些实施例中，热元件（232）可以在沉积进料间隔网膜（228）之前设置在蒸气渗透隔膜薄膜（226）上。

根据本文公开的实施例，一个或多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件可设置在外壳中，并被固定到包含入口/出口、流量分配防伸缩装置、密封件等的盖上。本领域的普通技术人员将会理解，此种组装可以根据已知技术来进行。

图4示出了根据本文公开的实施例的装置的横截面。图4A示出了根据本文公开的一个或多个实施例的对应于图1A的装置的A-A平面的第一横截面。图4A包含组件外壳（402）、用于渗透物收集的中心管（404）和四个效应件。根据本文公开的实施例，每个效应件包含热交换膜（422）、渗滤液间隔网（424）、蒸气渗透隔膜（426）和进料间隔网层（428）。

液隙（430）是组件外壳（402）与螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（406）之间的空间。液隙的尺寸极大地影响进液装置的体积。较大的液隙可增加最大进料停留时间，因为进液装置的能量容量将会增加。此外，较大的间隙也可能需要增加进料液流速，以避免装置中的沸腾，沸腾可能导致对装置加压。较大的液隙也可能导致较低的膜表面温度，因为装置中的能量可能进一步分散。然而，间隙必须足够大，以避免污染进料室。

在图4A的示例中，示出了热元件（410a）。如参考图2所解释的，热元件（410a）被设计成覆盖螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（406）的外表面。

图4B示出了根据本文公开的一个或多个实施例的对应于图4A的B-B平面的第二横截面。图4B包含组件外壳（402）、用于渗滤液收集的中心管（404）和四个效应件。根据本文公开的实施例，每个效应件包含热交换膜（422）、渗滤液间隔网（424）、蒸气渗透隔膜（426）和进料间隔网层（428）。图4B的示例还包含热元件（410a）并示出了液隙（430）。图4B的箭头（432）示出了在根据本文公开的实施例的装置操作期间热通量（和蒸气流）的方向。

根据本文公开的实施例，膜表面经由经加热的进料液、光热元件或电热元件来加热。热量导致第一效应件中的进料液蒸发。蒸气传输通过膜，并通过导热膜与在第二效应件中较冷的进料液进行热交换。结果，蒸气凝结成蒸馏液。第二效应件中的进料液所吸收的热量驱动第二效应件中的蒸发。根据本文公开的实施例，该过程继续将热量一直传播到最靠近中心管的最后一个效应件。

根据本文公开的实施例，参考图4A，外壳的半径（r）控制组件的尺寸。较大的外壳可增加可装配到外壳中的蒸发器效应件的数量，但较大的外壳也会增加进料液停留时间。更多的效应件可能导致更高的增益输出比（GOR）。GOR是用于蒸发的能量大小与输入到系统的能量大小之比。尽管GOR随着效应件数量增加，但是存在一个最佳效应件数，超过最佳效应件数的附加效应件对GOR不再有显著贡献。因此，效应件的数量可以与期望的GOR和材料成本相平衡，这部分是由于构造这些效应件所需的膜的数量。

例如，对于太阳能光热实施例，较大的外壳可导致较小的太阳能聚光比，这可导致较低的膜表面温度，且因此，导致较低的蒸气压梯度和较低的平均通量。跨效应件的蒸气压梯度可能是主要的蒸馏驱动力。在这种情况下，太阳能聚光比是对可以聚集到装置上的太阳辐射的衡量例如，对于利用抛物面槽的实施例，太阳能聚光比是暴露于太阳辐射的抛物面槽面积与装置（即组件外壳）面积之间的比率。根据本文公开的实施例，平均通量是指从进料室流向中心管的水量（通常以千克为单位）。

可能有助于本文公开的实施例的性能的其他因素包含但不限于外壳的厚度和长度、每个效应件中各层的厚度、中心管的半径、所涉及的流体的流速以及进料液在液隙中的停留时间。

例如，组件外壳的厚度可以决定装置的机械稳定性。例如，在外壳是玻璃的太阳能光热实施例中，较厚的玻璃可能是机械稳定的，但是会透射较少的光，导致太阳光对膜表面加热的效率较低。外壳厚度还可影响间隙的体积，且因此影响进料室的停留时间和进料流速。

类似地，外壳的长度也影响进料室的体积，且因此影响进料室的停留时间和进料流速。较长的外壳可增加进料室的停留时间，但可能需要增加进料流速，以避免使进料液沸腾并对进料室加压。

根据本文公开的实施例，每个效应件中各层的厚度有助于实施例的机械稳定性，以及可用于给定外壳中的效应件的数量。各层的厚度也可能影响实施例的GOR或性能。例如，较厚的蒸气渗透隔膜可能增加蒸气在膜孔中必须行进的距离，这可能降低效率。较厚的热交换膜可具有较高的热阻，且因此提供较少的冷凝。

根据本文公开的实施例，进料间隔网层的厚度决定了内部进料或冷却剂通道的体积。较厚的进料间隔网可导致内部进料通道中的水力阻力较小。类似地，根据本文公开的实施例，渗滤液间隔网的厚度控制渗滤液通道的体积。较厚的渗滤液间隔网也可导致渗滤液通道中较小的水力阻力。

根据本文公开的实施例，中心管的半径足够大，以提供足够的表面积来约束效应件，并在没有显著压头损失的情况下输送渗滤液。

本领域的普通技术人员将理解，所涉及的流体的流速将有助于本文公开的实施例的性能。例如，间隙中较低的流速可能导致较高的蒸馏液产量，因为热量被直接递送到膜表面（发生蒸发的地方）。相反，间隙中较高的流速可以使热量对流离开膜表面。间隙中的流速被工程设计成确保热量保持在膜的表面上，而不会使进料液沸腾并对进料室加压。

如参考图1B所述，本文公开的一个或多个实施例可包含用于进料液的两个单独的流动通道。在此种实施例中，螺旋卷绕式单元内部的进料液通道的流速被工程设计成提供足够用于渗透物冷凝的热容量。然而，当考虑到泵送流体所需的能量时，装置的整体效率可能会由于增加该流速而降低。根据本文公开的实施例，螺旋卷绕式内部的进料液通道的流速可能受到能量输入的极大影响，或者在光热实施例中，受到平均太阳辐射的极大影响。

以下呈现的示例和数值不旨在以任何方式限制本发明。此处呈现的这些特定值旨在帮助说明根据上文的不同变量之间的关系。例如，外壳可具有约40 mm的半径、约1 m的长度和约4 mm的厚度。中心管可具有约8.55 mm的半径。进料间隔网层、蒸气渗透隔膜、渗滤液间隔网和热交换膜可分别具有约0.6 mm、约0.2032 mm、约0.6 mm和约0.1 mm的厚度。本示例中呈现的尺寸提供了12个效应件，且GOR为4。这可提供9.88 kg/m²-hr的平均通量以及为5.25 L/hr的进料液流速（在间隙中）和约210 min的进料液停留时间。

图5至图7提供了根据本文公开的实施例的在单个外壳中具有多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的装置的示例。

在由图5描述的实施例中，多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（506-1、506-2……506-n）可以在单个外壳（502）中串联连接。在图5中，流量分配装置（508-1……508-n和509-1……509-n）类似于图1A所呈现的流量分配装置。多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（506-1、506-2……506-n）各自包含热元件（510-1……510-n），用于向螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（506-1、506-2……506-n）提供必需的热量。如先前实施例中所公开的，由图5描述的实施例可以将浓缩液从浓缩液出口（b）进给返回到进液口（f）。这些实施例可以可选地包含沿着外壳（502）的主体的附加浓缩液出口（540-1……540-n），其将浓缩液进给返回到进液口（f）。附加浓缩液出口的数量和位置没有特别限制。在图5中，附加浓缩液出口布置在各个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（506-1、506-2……506-n）的流量分配装置（508-1……508-n和509-1……509-n）之间的空间中。

图6A和图6B展示了根据本文公开的实施例的在单个外壳中具有多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的进一步实施例。在图6A中，多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606a-1、606a-2……606a-n）在单个外壳（602）中串联连接。在图6A描述的实施例中，最靠近外壳端部的流量分配装置（608-1和609-n）允许流体流动，而其余的流量分配装置（608-2……608-n和609-1……609-(n-1)）包含密封件（615-1……615-n），防止流体流入（或流出）螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-1和606-n）与外壳（602）之间的间隙。

图6A的实施例还包含附加浓缩液出口（640-1……640-n）和附加进液口（642-1……642-n）。附加浓缩液出口（640-1……640-n）和附加进液口（642-1……642-n）沿着外壳（602）布置，以将进料液供应到螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-1和606-n）与连续密封件（615-1……615-n）之间的外壳（602）之间的间隙。如在其他实施例中，来自浓缩液出口（b）的浓缩液可以被进给返回到进液口（f）。根据这些实施例，来自浓缩液出口（b）的浓缩液也可以被进给返回到一个或所有附加进液口（642-1……642-n）。

类似于图6A，图6B描述的实施例包含在单个外壳（602）中串联连接的多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606b-1、606b-2……606b-n）。然而，所有的流量分配装置（608-1……608-n和609-1……609-n）包含密封件（615-1……615-n ），防止流体流入（或流出）螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606b-1和606b-n）与外壳（602）之间的间隙。附加浓缩液出口（640-1、604-2……640-n）和附加进液口（642-1……642-n）沿着外壳（602）布置，以将进料液供应到多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606b-1和606b-n）。如同图6A，来自浓缩液出口（b）的浓缩液可被进给返回到进液口（f）和/或附加进液口（642-1……642-n）中的一个或多个。

在图6A和图6B所示的实施例中，螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-1和606-n）中的每一个被示出具有热元件（610-1……610-n）；然而，本文公开的实施例如此受限。例如，第一螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-1）可包含热元件（610-1），并且来自第一螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-1）的浓缩液中的余热可用作后续螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（606-2……606-n）中的一个或多个的热源。因此，一个或多个后续螺旋卷绕式单元可不包含热元件。在此种实施例中，一个或多个下游螺旋卷绕式单元可包含热元件（610），以供应必需的热量来产生多单元装置的期望通量。

图7A和图7B展示了根据本文公开的实施例的在单个外壳中具有多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的进一步实施例。类似于参考图1B公开的实施例，由图7A和图7B描述的实施例包含加热一部分进料液的加热器（712）。如图7A和图7B所示，加热器（712）向附加入口（f’）供应进料液的经加热的部分。

在图7A中，流量分配装置（708-1……708-n及709-1和709-2）包含密封件（715-1……715-n），但是最靠近蒸馏液出口（c）和浓缩液出口（b）的流量分配装置（709-n）不包含密封件。类似于图6B，由图7A描述的实施例包含附加浓缩液出口（740-1……740-n）和附加进液口（742-1……742-n）以向多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件（706-1和706-n）供应进料液。

在图7B中，所有的流量分配装置（708-1……708-n和709-1……709-n）包含密封件（715-1……715-n）。类似于前面的实施例，来自浓缩液出口（b）的浓缩液可以被进给返回到进液口（f）和/或附加进液口（742-1……742-n）中的一个或多个。

在图7A和图7B所示的实施例中，加热器（712）向附加入口（f’）提供经加热的进料液；然而，本领域的普通技术人员将认识到，经加热的进料液也可被供应到一个或多个附加进液口（742）。

本文公开的实施例可提供低成本的脱盐系统，且因此，可用于个体家庭或商业地产（例如，酒店、度假村、公寓大楼）。除了水和废水处理之外，实施例还可以应用于产生含盐废水或其他浓缩废物流的行业，诸如石油和天然气、采矿和食品加工行业。本文公开的实施例可有益于使用浓缩液水源（诸如微咸水和海水）作为供水的市政当局，或者具有含盐灌溉排水或需要使用浓缩液作为供水源的农场。

虽然上面已经针对有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于本公开的本领域技术人员将会理解，在不脱离本文公开的本发明的范围的情况下，可以设想出其他实施例。因此，本发明的范围应仅由所附权利要求来限定。

Claims (34)

1.一种蒸馏装置，包括：

圆柱形外壳；

螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件，所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件包括：

与所述圆柱形外壳同心的穿孔中心管；

围绕所述中心管螺旋卷绕的多个效应件，其中每个效应件包括：

蒸气渗透隔膜；

进料间隔网，设置在所述蒸气渗滤液隔膜上；

渗滤液间隔网；和

热交换膜，

其中所述渗滤液间隔网设置在所述蒸气渗透隔膜与所述热交换膜之间；

其中通过所述多个效应件蒸馏进料流体将冷凝流体沉积到所述中心管中。

2.根据权利要求1所述的蒸馏装置，所述蒸馏装置还包括：

两个流量分配装置，设置在所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的各端部上；

位于所述圆柱形外壳的一个端部上的第一端盖，所述第一端盖包括进液口；和

位于所述圆柱形外壳的另一端部上的第二端盖，所述第二端盖包括附接到所述中心管的蒸馏液出口和浓缩液出口。

3.根据权利要求2所述的蒸馏装置，其中所述流量分配装置的半径等于所述外壳的内径。

4.根据权利要求2所述的蒸馏装置，其中所述流量分配装置的半径等于所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的半径，所述蒸馏装置还包括：

两个密封件，所述两个密封件布置在所述流量分配装置与所述外壳的内径之间。

5.根据权利要求4所述的蒸馏装置，还包括：

附加进液口，沿径向方向位于所述外壳的主体上，

其中加热器加热被供应到所述附加进液口的进料液；和

附加浓缩液出口，沿径向方向位于所述外壳的主体上，

其中所述附加进液口和所述附加浓缩液出口布置在所述密封件之间。

6.根据权利要求5所述的蒸馏装置，还包括：

从所述附加浓缩液出口到所述加热器的流体路径，以将浓缩液从所述浓缩液出口进给到所述附加进液口。

7.根据权利要求5所述的蒸馏装置，还包括：

从所述浓缩液出口到所述加热器的流体路径，以将所述浓缩液从所述浓缩液出口进给到所述附加进液口。

8.根据权利要求1所述的蒸馏装置，所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件还包括：

用于供热的热元件，所述热元件设置在所述蒸气渗透隔膜上。

9.根据权利要求2所述的蒸馏装置，其中所述热元件是电热的。

10.根据权利要求2所述的蒸馏装置，其中所述热元件是光热的。

11.根据权利要求4所述的蒸馏装置，还包括：

抛物面聚光器，所述抛物面聚光器将太阳辐射聚集到所述蒸馏装置上。

12.一种蒸馏装置，包括：

圆柱形外壳；

多个串联连接的螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件，每个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件包括：

与所述圆柱形外壳同心的穿孔中心管；

围绕所述中心管螺旋卷绕的多个效应件，其中每个效应件包括：

进料间隔网；

蒸气渗透隔膜；

渗滤液间隔网；和

热交换膜，

其中所述渗滤液间隔网设置在所述蒸气渗透隔膜与所述热交换膜之间，并且

其中通过所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件每一个的多个效应件蒸馏进料流体将冷凝流体沉积到所述中心管中。

13.根据权利要求13所述的蒸馏装置，还包括：

两个流量分配装置，设置在所述多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的各端部上；

位于所述圆柱形外壳的一个端部上的第一端盖，所述第一端盖包括进液口；和

位于所述圆柱形外壳的另一端部上的第二端盖，所述第二端盖包括附接到所述中心管的蒸馏液出口和浓缩液出口。

14.根据权利要求14所述的蒸馏装置，其中所述流量分配装置中的至少一个流量分配装置的半径等于所述外壳的内径。

15.根据权利要求13所述的蒸馏装置，其中所述流量分配装置中的至少一个流量分配装置的半径等于其上设置有所述流量分配装置的所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的半径，所述蒸馏装置还包括：

设置在流量分配装置与圆柱形外壳内径之间的密封件，其内径与所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的半径相同。

16.根据权利要求13至16中任一项所述的蒸馏装置，还包括：

一个或多个附加浓缩液出口，位于所述外壳的主体上，沿径向布置。

17.根据权利要求13至16中任一项所述的蒸馏装置，还包括：

一个或多个附加进液口，位于所述外壳的主体上，沿径向布置；和

一个或多个附加浓缩液出口，位于所述外壳的主体上，沿径向布置。

18.根据权利要求16所述的蒸馏装置，其中加热器加热被供应至所述附加进液口中的至少一个附加进液口的进料液。

19.根据权利要求19所述的蒸馏装置，还包括：

从所述附加浓缩液出口到所述加热器的一个或多个流体路径，以将浓缩液从所述附加浓缩液出口进给到所述至少一个附加进液口。

20.根据权利要求19所述的蒸馏装置，还包括：

从所述浓缩液出口到所述加热器的流体路径，以将所述浓缩液从所述浓缩液出口进给到所述至少一个附加进液口。

21.根据权利要求18所述的蒸馏装置，还包括：

从所述一个或多个附加浓缩液出口中的一个附加浓缩液出口到一个或多个附加进液口中的一个附加进液口的流体路径，

其中，所述一个或多个附加浓缩液出口中的一个附加浓缩液出口被布置在所述外壳与所述多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件中的一个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的第一螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件相邻的位置处，并且，

所述一个或多个附加进液口中的一个附加进液口被布置在所述外壳与所述多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件中的一个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的第二螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件相邻的位置处。

22.根据权利要求13所述的蒸馏装置，其中所述多个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件中的至少一个螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件包括：

用于供热的热元件，所述热元件设置在所述蒸气渗透隔膜上。

23.根据权利要求23所述的蒸馏装置，其中所述热元件是电热的。

24.根据权利要求23所述的蒸馏装置，其中所述热元件是光热的。

25.根据权利要求25所述的蒸馏装置，还包括：

抛物面聚光器，所述抛物面聚光器将太阳辐射聚集到所述蒸馏装置上。

26.根据前述权利要求中任一项所述的蒸馏装置，其中所述进料液是来自工业过程的废水。

27.根据前述权利要求中任一项所述的蒸馏装置，其中所述进料液是海水。

28.一种制造蒸馏装置的方法，所述方法包括：

将矩形蒸气膜薄膜在三个边缘上密封到矩形热交换膜；

在所述蒸气膜薄膜与所述热交换膜之间设置渗滤液间隔网；

在所述蒸气膜薄膜上设置进料间隔网膜；

将未密封的边缘附接到穿孔中心管，其中所述渗滤液间隔网与所述中心管的穿孔重合；

旋转所述中心管以形成螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件。

29.根据权利要求29所述的方法，其中使用粘合剂将所述矩形蒸气膜薄膜在三个边缘上密封到所述矩形热交换膜。

30.根据权利要求29所述的方法，其中通过对三个边缘中的每一个施用热棒，将所述矩形蒸气膜薄膜在所述三个边缘上热密封到所述矩形热交换膜。

31.根据权利要求29所述的方法，其中使用粘合剂将未密封的边缘附接到所述中心管。

32.根据权利要求29所述的方法，还包括：

在所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的各端部上设置两个流量分配装置；

将所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件设置到圆柱形外壳中，其中所述中心管与所述圆柱形外壳同心；

在所述圆柱形外壳的端部上设置第一端盖，其中所述第一端盖包括进液口；和

将所述中心管附接到所述外壳的第二端盖上的蒸馏液出口，其中所述第二端盖包括浓缩液出口。

33.根据权利要求33所述的方法，其中所述流量分配装置中的至少一个流量分配装置的半径等于所述外壳的内径。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述流量分配装置中的至少一个流量分配装置的半径等于所述螺旋卷绕式多效膜蒸馏组件的半径，所述方法还包括：

在至少一个所述流量分配装置与所述外壳的内径之间设置密封件。

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