CN1254303C - 提高膜蒸馏过程中膜通量的方法及膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高膜蒸馏过程中膜通量的方法，其主要采用空气隙式膜组件，并且在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触，优选使膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80%。本发明同时还涉及可实现上述提高膜通量的方法的空气隙式膜蒸馏装置。采用本发明的方法与装置，可在提高热效率的同时使膜通量显著提高，有利于使膜蒸馏技术得到更广泛的应用。

Description

提高膜蒸馏过程中膜通量的方法及膜蒸馏装置

技术领域

本发明涉及物料的分离、浓缩、提纯技术，尤其涉及可使膜通量显著提高的膜蒸馏工艺的研究和改进。本发明还涉及可提高膜通量的空气隙式膜蒸馏装置。

背景技术

膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)技术的提出已有近半个世纪的历史，早期由于受到制膜技术和设备的制约，发展较慢，并未对传统的分离技术构成挑战。但是随着制膜技术的快速发展和低耗能的优势的引诱，近二十年来对采用膜蒸馏技术实现分离的研究热情重新燃起，各种研究报道不断涌现。由于膜蒸馏过程可在常温、常压下操作，可利用低温热源与废热，操作简单等突出优点，随着研究的深入，膜蒸馏技术的应用范围也被不断开发和拓展，例如可应用于挥发性与非挥发性水溶液的浓缩、提纯、净化等，尤其是可用于水处理。已有报道膜蒸馏技术在海水淡化中正逐步由试验阶段进入实用化阶段。但是，就目前对膜蒸馏技术的研究情况，膜蒸馏的膜通量和热效率较低，在一定程度上限制了该技术的推广应用和该技术与传统分离技术的竞争。

实现膜蒸馏分离的两个基本条件是：疏水性微孔膜的使用和膜两侧物料存在温度差。以直接接触式膜蒸馏为例，膜的一侧与待处理的热工质直接接触，膜的另一侧为冷侧，由于膜的疏水性(即，表面张力作用)，热工质，例如水溶液中的水和溶质不能浸润和透过膜，又由于膜两侧的物料处于不同的温度，在膜的两侧会产生水蒸汽压差，使热侧溶液中的水在膜面蒸发形成蒸汽，水蒸汽在压差的作用下通过膜孔扩散到冷侧冷凝下来，实现液相水溶液与气相水溶液分离的目的。

提高膜通量和热效率，是对膜蒸馏技术产业化应用的要求，在众多的影响因素中，温度极化和浓度极化现象是两个非常重要的因素，所以，如何消除浓度与温度极化(边界层)影响是膜蒸馏技术的重要研究方向之一。例如Paz Godino等发表的“Membrene distillation：theory and experiments”，Journal of Menbrane Science 121(1996)83-93，提出通过在膜组件中(热容腔内)加入机械搅拌装置破坏蒸馏过程出现的温度极化和浓度极化对传质和传热的影响，达到提高膜通量的目的，但是该装置在提高膜通量的同时增加了膜组件的尺寸和结构的复杂性，不仅提高了能源的消耗，使用后拆装清洗难度提高，导致整体成本提高。从提高热效率角度出发，针对直接接触式膜蒸馏装置能源浪费较大的缺点，空气隙式膜蒸馏装置开始受到关注，但是研究还仅限于定性分析，即，由于空气滞留层的存在，传热阻力增大，热损失减少，热效率将显著提高，而空气滞留层的存在导致传质阻力增大却使膜通量降低。初步的研究结果还显示，由于空气隙的存在，避免了热溶液和冷溶液的直接接触，用于水处理时出水水质也显著提高。可见，探索空气隙膜蒸馏中实现同时提高膜通量和热效率的工艺，对膜蒸馏技术的推广应用有非常实际的价值。

发明内容

针对膜蒸馏技术的研究和应用现状，本案发明人通过大量的试验和探索，发现控制适当的操作方式和条件，完全可以提高空气隙式膜蒸馏过程的膜通量。

本发明主要目的在于研究分析空气隙膜蒸馏中传质传热规律，提出了通过控制调整膜组件结构来有效提高膜通量的方法。

根据本发明提供的提高膜蒸馏过程中膜通量的方法，采用空气隙式膜蒸馏方式，并且在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触。

本发明所使用的术语“膜通量(J)”是指单位时间内通过单位膜面积的物质量，单位是千克/平方米·小时(kg/m²·h)或千摩尔/平方米·小时(kmol/m²·h)；“热效率(η)”是指传质热能消耗(例如水蒸发所需要的热量)与热侧提供总热量(一般指膜组件内提供的总热量)的比值。

“浓度极化”：溶液被蒸馏时，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，在膜表面处发生汽化，不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用将聚集在膜表面，在膜表面附近浓度升高，随着溶质被不断地截留，就造成了膜面的溶质浓度比原溶液的浓度要大得多，在膜面附近产生浓度极化边界层，这种在膜表面附近浓度高于主体浓度的现象称为“浓度极化”(concentrationpolarization)。由于浓度极化现象的存在，膜表面附近溶质浓度升高，从膜面到溶液主体就会产生溶质的反方向扩散流，从而增加了从溶液主体到膜面的传质阻力，增大了膜两侧的渗透压差，使传质有效压差减小，透过通量降低，即膜通量降低。

“温度极化”：蒸馏溶液在膜面的热侧发生汽化时需要吸收大量的汽化热，同时膜面与冷侧发生热交换，被带走大量的热量，这样就使得膜面区域的温度低于溶液主体的温度，从而在膜面处产生了温度边界层。用于驱动膜蒸馏传热传质的温度差由于温度边界层的存在而减小，膜两侧的饱和蒸汽压差也随之减小，使膜蒸馏通量降低。另一方面，(以空气隙膜蒸馏为例)透过蒸汽在冷壁热侧上放出大量的汽化潜热，汽化潜热通过冷壁以导热的传热方式进入冷工质容腔，冷却水以对流换热的方式将这些热量从冷壁冷侧带走。冷壁冷侧的温度一直高于冷工质容腔冷却水主体温度，这样就在冷壁的冷侧附近也产生温度边界层，由于传热过程，间接地导致膜面冷侧也会存在温度边界层，这也会影响膜蒸馏通量。

膜蒸馏是伴随相变的传质传热同时进行，并且有能量消耗的复杂过程，两个重要的经济指标就是膜通量和热效率。在直接接触式膜蒸馏中，由于汽化表面和冷凝表面相距很近，中间只有一个很薄的疏水膜，导致总热量中有相当一部分热量通过膜传递出去而散失，使热效率降低，造成能源的浪费。可见，热效率低是这种蒸馏方式很难克服的缺陷，空气隙式膜蒸馏的出现也是基于这样的现状。空气隙式膜蒸馏的区别是膜渗透侧(冷侧)与冷凝表面(冷壁)间存在一个间隙(称空气隙)，具有一定厚度的空气隙增加了传热热阻，使膜蒸馏过程的传热量降低，从而提高了热利用率。由于该间隙中有空气滞留，传质阻力和传热阻力都增大，在热效率提高的同时膜通量也降低。理论上该间隙越小，传质阻力越小，膜通量越大，但热效率降低；反之，间隙增大，热效率提高，代价是膜通量下降。所以，目前空气隙式膜蒸馏的研究在膜组件的设计中通常是让冷壁与膜之间的间隙距离尽可能小，为的是追求比较高的膜通量。但是，如何寻找和确定膜表面与冷壁间的最佳间隙量，使膜通量和热效率均较高，至今还没有得到定量研究的结论，这无疑影响了该技术的应用。

本案发明人在试验过程中不断观察发现，上述结论的得出是在一种理想情况下：在整个蒸馏过程中，膜面是平的，透过膜的水蒸汽全部穿过空气层到达冷壁冷凝，膜与冷壁间始终保持固定的间隙距离(参见图3所示)。但是，在实际膜蒸馏过程中不完全这样。由于热工质的循环流动对膜面有一定的压力，所使用的疏水膜本身有一定弹性，导致膜面在蒸馏过程中实际是向冷侧鼓出的，其鼓出量与热工质流量及膜在安装时被绷紧的程度有关，并且膜的鼓出部分要在间隙中占据一定空间(如图4、5、6所示)，这样，在膜面与冷壁接触的区域部分形成既有水蒸汽，又有已冷凝的液态水的“汽水混合层”。如果膜面与冷壁间的间隙较小，或者热工质流量增大，在蒸馏过程中，膜面向冷侧的鼓出量增加，此时膜在压力作用下会与冷壁表面发生很大面积的接触(如图5所示)，甚至会完全接触而将间隙充满，透过膜的蒸汽在冷壁上瞬间冷凝为液态水，由于膜面与冷壁的挤压作用，如果冷凝水不能及时排走，相当于在膜与冷壁间增加了一水层，传质阻力增大，膜通量会降低；当增大膜面与冷壁间的间隙，或者热工质流量降低，膜面与冷壁间的接触减少，甚至不接触(如图4所示)，该透过膜面的水蒸气一部分在空气隙中就已被冷凝，其余部分则穿过空气层到达冷壁表面冷凝，即发生间隙冷凝现象。以上这些实验现象与空气隙膜蒸馏理想的冷凝情况有很大的不同，并且膜组件的膜有效面积越大，以上现象越明显，对膜通量的影响越大。

上述现象来自发明人对试验现象的观察和试验数据的汇总分析结果，即，当空气隙厚度相同，但膜的鼓出量不同时，也就是膜与冷壁接触面积不同，相同操作条件(温度和流量等)下，膜通量会不同。当调整并保持膜与冷壁间的相对位置或者调整热工质流量，满足在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间处于部分接触状态，可以实现比较高的膜通量效果，同时热效率较高。优选地，最好控制在蒸馏过程中使膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80％。本发明所说的“有效膜面积”是指按照常规方法安装好膜后，实际可与溶液接触的膜面积(即，不包括边缘固定所占用的膜面积)，参照图5和图6中的A′和A，即，优选A′/A×100％＝70-80％。

根据本发明优选的方法，在蒸馏过程中，除控制膜面与冷壁间的位置关系，同时调整热工质在膜组件热侧的入流方向与膜面之间的角度小于90度，使热工质以旋转的方式冲刷膜面，更利于达到破坏温度和浓度极化，进一步提高膜通量的目的。

在通常的膜组件中，热工质是通过入口直接流入热工质容腔(热容腔)，即，热工质在热容腔中通常是整体沿垂直于膜面方向流动(法向入流)到达膜面，此时产生浓度极化和温度极化现象较严重，传质和传热效率都会因此而降低。本发明采取的强化传质措施是改变热工质的入流方式，使热工质被送入热容腔后不直接冲击膜面，而是沿着膜面的切向并产生旋转流动冲刷膜面，达到破坏浓度和温度极化、使边界层变薄、从而提高膜通量。在具体应用中，可以通过膜组件的设计使热工质通过一个或一个以上的入口(入流口)被送入热容腔时产生切向旋转而冲刷膜面，使膜面附近区域的浓度和温度更均匀，使边界层更薄，增大膜通量。优选使热工质被直接送到接近膜面处，并尽可能使热工质产生切向旋转同时冲刷到较大面积的膜面。更优选将热工质从多个入口被送入，例如设置三个互成120度分布的入流管将热工质同时送到接近膜面的位置冲刷膜面，更有效破坏浓度和温度极化。

本发明所提到的“切线方向”应该理解为“广义的”，当膜为圆形或椭圆形或其他曲面形状，热工质进入容腔时是沿膜组件内壁的切面方向流动。当膜为其他非曲面形状，例如矩形，总能假想到某个曲面的边界，使热工质的流动仍然是沿着该曲面的切向。

发明人的试验结果显示，配合使用超声激励系统借助声学流与空化现象对温度和浓度极化的改善也可以有效提高膜蒸馏通量，其机理归结为超声空化、声学流导致膜面振动改善了温度和浓度极化同时清洗了膜面。

本发明的另一方面是提供了可实现上述方法的膜蒸馏装置。

本发明提供的空气隙式膜蒸馏装置，包括热工质循环系统、冷工质循环系统和膜组件，该膜组件的热侧进出口通过管路与热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与冷工质循环系统形成回路，膜的渗透侧与冷壁间具有间隙；所述的膜渗透侧与冷壁间的间隙距离为可实现在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触。

根据前面的表述，优选地，所述膜渗透侧与冷壁间的间隙距离为可保持在蒸馏过程中使膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80％时的距离。

从传热角度考虑，通常的空气隙式膜蒸馏装置中，冷壁由铜板制成。优选可以在冷壁铜板面开设有多数个纵向沟槽，使膜面与冷壁以数条直线的形式接触，中间仍为空气，这样一方面可以保证仍为空气隙膜蒸馏，保持较高膜蒸馏热效率，另一方面可以加速排泄冷凝液，使凝结的液膜层变薄，增加冷凝量。从加工考虑，该等纵向沟槽的横截面基本呈三角形，深度在1mm左右。

根据本发明的空气隙式膜蒸馏，优选在膜组件热侧进口设置至少一个热工质入流管，且该热工质入流管与膜接近的一端设置成斜开口以实现热工质的入流方向与膜面成小于90度的角度。所述的热工质入流管的“斜开口”可以为不同设计形式，只要能够达到使热工质通过该入流管口进入热容腔时是与膜面间呈一定的倾斜角度而切向旋转冲刷膜面的目的即可。在具体实施时，还可以在所述热工质入流管的斜开口上设有喷嘴，直径变小的喷嘴提高了流速而加大热工质冲刷膜面的力度，更加有效破坏温度和浓度极化，这种方式使热工质的切向旋转流动更明显，膜通量更大。总之，通过该热工质入流管的设置，热工质送入热容腔后不直接冲击膜面，而是沿着膜面的切向旋转冲刷膜面，优选该热工质入流管的斜开口上设置喷嘴。

该空气隙膜蒸馏装置中的膜组件可以包括平板式或管式膜组件。

优选地，本发明膜组件的热侧还可设置有超声激励装置，借助超声激励产生膜的高频震动、空化和声学流作用减弱浓度极化，达到提高膜通量的目的。所述超声激励装置可由超声信号发生器和超声换能器组成。

综上所述，本发明对现有技术的贡献在于首先发现和提出了空气隙式膜蒸馏过程中“汽水混合层”间隙冷凝现象，更进一步提供了膜组件的设置与膜通量之间的“量化”关系，使在提高热效率的同时获得高的膜通量成为可能。而且，配合热工质入流方式的改变(切向旋转入流)，更提供了具有良好产业化应用前景的膜蒸馏技术工艺。

附图说明

图1为空气隙式膜组件的实物图。

图2为设置了纵向沟槽的铜板冷壁实物图。

图3-图6分别为膜面与冷壁间不同接触状态的膜组件示意图。

图7-图9为热工质入流管管口具有不同形态的膜组件结构设计示意图。

图10为本发明具体实施例的膜蒸馏装置中热工质入流口及出口分布示意图。

图11为本发明平板式膜组件的剖面示意图，图中“o”表示热电偶。

图12为本发明膜蒸馏装置具体实施例的结构设计示意图，图中“o”表示热电偶。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图详细说明本发明的实现和所具有的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的精神实质所在，并不能构成对本发明实施范围的限定。

实施例1

测定膜鼓出量的改变对膜通量的影响

通过精确实验测量，膜鼓出量不同时，确实对膜通量有影响。实验结果显示，当空气隙厚度δ相同，但膜的鼓出量(膜鼓出量的定义为，先将膜组件的膜与冷壁靠紧，测出一距离，再将其分开，使冷壁的壁面刚好与膜鼓出面的最高点接触，测出一距离，两次距离差值为膜鼓出量)不同时，也就是膜与冷壁接触面积比不同(参看图4-6的示意)，相同操作条件(温度和流量等)下，膜通量会不同。

实验1，热溶液为水，膜组件为空气隙式，采用PTFE平板膜及通常的膜蒸馏装置，热水流量为40.0g/s，冷水流量43.0g/s，空气隙厚度为1.203mm和1.220mm时，膜的鼓出量分别为2.568mm和2.658mm(膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的80％左右)。例如热水温度为38℃、47℃、58℃、68℃时，对应不同的膜鼓出量的膜通量分别为20.0kg/m²·h和20.1kg/m²·h、31.4kg/m²·h和31.9kg/m²·h、49.8kg/m²·h和49.7kg/m²·h、71.5kg/m²·h和71.3kg/m²·h，可见无论操作温度如何，当膜鼓出量差别不大时，同一热水温度下膜通量很接近。

实验2，热溶液为盐水，质量浓度为15wt％，膜组件为空气隙式，采用PTFE平板膜及通常的膜蒸馏装置。当盐水流量为54.0g/s，冷水流量73.0g/s，当空气隙厚度为1.529mm，膜的鼓出量为2.670mm，即膜与冷壁接触面积约为有效膜面积的70-80％，盐水温度为39℃、46℃、57℃、68℃时，对应的膜通量分别为18.6kg/m²·h、28.5kg/m²·h、42.5kg/m²·h、63.5kg/m²·h；盐水流量为30.0g/s，冷水流量73.0g/s，当空气隙厚度为1.537mm时，测得膜的鼓出量为2.370mm，即膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的50-60％，盐水温度为39℃、46℃、57℃、68℃时，对应膜通量分别为15.2kg/m²·h、23.8kg/m²·h、37.2kg/m²·h、55.9kg/m²·h，可见膜与冷壁接触面积的改变将导致膜通量的改变，当膜与冷壁接触面积为有效膜面积的70-80％时，图5-图9中，面积比A′/A为70-80％时，膜通量会有明显提高。

实施例2

改变膜与冷壁接触面积对膜通量的影响

热溶液为水，膜组件为空气隙式，采用PTFE平板膜及通常的膜蒸馏装置，热水温度为70℃。

1)当空气隙厚度为1mm，热水流量为4.2g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的30％左右，膜通量为17.1kg/m²·h；热水流量为39.5g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的50％左右，膜通量为61.1kg/m²·h；热水流量为54.3g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的80％左右，膜通量为67.8kg/m²·h；

2)当空气隙厚度为2mm，热水流量为4.2g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的10％左右，膜通量为8.7kg/m²·h；热水流量为39.5g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的30％左右，膜通量为35.0kg/m²·h；热水流量为54.3g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的50％左右，膜通量为49.8kg/m²·h；热水流量为75.0g/s，膜与冷壁接触的面积约为有效膜面积的80％左右，膜通量为58.4kg/m²·h。

实施例3

测定膜与冷壁间的接触面积改变对膜通量的影响

热溶液为水，膜组件为空气隙式，采用PTFE平板膜，其具体形式可参看图1的实物图，冷壁为铜板，如图2所示，表面设置了纵向沟槽。

试验装置如图11和图12显示，本实施例中的膜蒸馏装置主要包括热工质循环系统、膜组件和冷工质循环系统；膜组件采用平板式空气隙膜组件，由膜9、热工质容腔堵头10、热侧密封装置11、插入热容腔中的热工质入流管13和热工质出口12(入流管13与膜接近的一端呈向上斜开口，也可以在开口上加一喷嘴131(参见图9))、热腔排气口14、热侧热电偶进口15、空气隙16、冷壁17、冷工质容腔堵头19、冷工质进出口20和21组成；所述热工质循环系统由恒温热水器1、泵2、球阀3和4、转子流量计5、PVC管路6和7、热工质容腔8组成；冷工质循环系统由冷工质容腔18、PVC管路22、球阀23、24和25、恒温冷水箱26、磁力驱动循环泵27和28、制冷机29组成。除此之外，还包括温度测量装置30、超声激励装置31、流量(膜通量)测量装置32等附属部分。本实施例中的超声激励装置31由超声信号发生器311和超声换能器312构成，其中超声换能器312插入膜组件热工质容腔8中，超声激励产生膜的高频震动可减弱浓度极化，增大膜通量；超声换能器312的超声功率可由大功率超声信号发生器311调节。流量(膜通量)测量装置32包括储存冷凝液的容器321和电子天平322。

原料液(水)在恒温热水器1中被加热后通过泵2、球阀3、PVC管路6、热工质入流管13进入热工质容腔8，膜9热侧和冷侧之间的温度差产生传递组分气相压差，气相压差使高温侧(热侧)溶液中的挥发性组分在膜面处汽化通过膜孔扩散到空气隙16中，部分在间隙中冷凝，其余部分则到达冷壁17冷凝下来，冷凝液流入容器321中被收集，本实施例为测定膜通量，设置电子天平322测量冷凝液质量，通过计算得到膜通量。而剩余的原料液通过PVC管路7、球阀4重新回到恒温热水器1中被再次加热。冷却水通过磁力驱动循环泵27从恒温冷水箱26中抽出经进口20送入冷工质容腔18，在冷壁17的壁面上与所述挥发性组分发生热量交换，然后从出口21经PVC管路22、球阀23流回冷水箱26。冷工质容腔的冷却水由制冷机29维持在恒定的低温。

试验中，冷热工质温差70℃，调节热端(热侧)流量，测量不同空气隙厚度δ时的膜通量及膜鼓出后与冷壁接触的面积与膜面积之间的关系(可以参看图4-6的情况示意)。

空气隙δ＝1mm时，测量到A′/A分别在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分别为：48kg/m²·h、72kg/m²·h、和69kg/m²·h，获得最大膜通量72kg/m²·h时的热端流量70g/s左右，热效率大于60％；

空气隙厚度δ＝2mm时，测量到A′/A分别在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分别为：45kg/m²·h、68kg/m²·h、和65kg/m²·h，获得最大膜通量68kg/m²·h时的热端流量85g/s左右，热效率大于60％；

空气隙δ＝3mm时膜面与冷壁接触较少，空气隙δ＝4mm时膜面与冷壁完全不接触，此时测得的膜通量均小于20kg/m²·h。

实施例4

在实施例3中描述了本发明的膜蒸馏装置的结构和工作原理，如图11所示，被设计成斜开口的入流管13的插入位置在膜组件的内壁附近，为具有一定长度的热工质入流管，其前端接近膜面，使热工质进入热容腔后在膜表面形成较大的冲刷面积。

入流管13的前端可以直接设置为斜端面开口，如图7所示，或是如图8所示，入流管13被设置成端部弯曲一定角度朝向膜面，或者，还可以如图9所示的入流管13管口安装喷嘴131，一方面可以通过设计调整喷嘴的开口方向而使热工质的入流方向与膜面成倾斜的角度冲刷膜面，另一方面还可以加大热工质冲刷膜面的力度，更加有效地破坏膜表面附近的温度和浓度极化边界层，提高膜通量。

除了改变热工质入流管的端口设置，本实施例优选的膜蒸馏装置中热工质入流口及出口分布也可如图10所示，采用了三根入流管同时插入热容腔，该三根热溶液入流管以有效膜面积(优选基本为圆形)的中心为圆心互成120°角度分布，而热工质的出口管位于热容腔的中心。当热工质以切向的入流方式流入热容腔，以旋转的方式冲刷膜面，并形成旋涡而促进了溶液浓度的均匀分布。

在同样的空气隙间距δ、热端流量和冷热温差下，采用本实施例的膜蒸馏装置，使热工质以切向旋转方式进入热容腔而冲刷膜面所得到的膜通量，与现有技术中的法向入流(是指热水沿垂直于膜面方向流动)相比，有明显的差别：

采用PTFE平板膜，原料液为自来水，热水质量流量54.0g/s，冷却水流量73.0g/s，空气隙间隙2mm，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了23.0％、26.6％、29.7％；空气隙为3mm，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了12.3％、21.9％、23.6％。

在以上实验基础上更进一步的另一验证例中采用PTFE平板膜，热水质量流量53.3g/s，冷却水流量73.0g/s，原料液为自来水，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，安装了超声激励系统后，空气隙间距2mm，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了23.9％、18.0％、13.5％；空气隙厚度3mm，膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了47.5％、36.3％、28.2％。温差越小，间隙越大，超声作用越明显；反之超声作用越弱。

以上结论虽然是在空气隙式蒸馏装置上得出的，但是类似的试验结果可以证明，采用其他类型的装置，例如直接接触式，同样可以获得膜通量的提高，即，超声装置提高膜通量可在任何膜蒸馏系统中实现。

Claims (8)

1、提高膜蒸馏过程中膜通量的方法，采用空气隙式膜组件，并且在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触，膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80％。

2、权利要求1所述的方法，其中，在蒸馏过程中，调整热工质在膜组件热侧的入流方向与膜面之间的角度小于90度，并且使热工质以旋转的方式冲刷膜面。

3、权利要求2所述的方法，其中，使热工质从一个以上的入口被直接送至接近膜面处，并以旋转的方式冲刷膜面。

4、实现权利要求1所述提高膜通量的方法的空气隙式膜蒸馏装置，包括热工质循环系统、冷工质循环系统和膜组件，该膜组件的热侧进出口通过管路与热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与冷工质循环系统形成回路，膜的渗透侧与冷壁间具有间隙；其特征在于，所述间隙通过调整膜渗透侧与冷壁间距离而形成，所述膜组件热侧进口设置至少一个延伸到接近膜面的热工质入流管，且该热工质入流管与膜接近的一端设置成斜开口而实现热工质的入流方向与膜面成小于90度的角度。

5、权利要求4所述的膜蒸馏装置，其中，膜组件热侧进口设置有一个以上的热工质入流管。

6、权利要求5所述的膜蒸馏装置，其中，膜组件热侧进口设置三个互成120度分布的热工质入流管。

7、权利要求4所述的膜蒸馏装置，其中，所述冷壁的表面设置有纵向沟槽。

8、权利要求4、5或6所述的膜蒸馏装置，其中，该热工质入流管的斜开口上设置有喷嘴。

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