CN201930724U

CN201930724U - 一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置

Info

Publication number: CN201930724U
Application number: CN2010206389805U
Authority: CN
Inventors: 刘立强; 何菲; 刘丹丹; 吴茵
Original assignee: Tianjin Chembrane Engineering & Technology Co Ltd
Current assignee: Tianjin Chembrane Engineering & Technology Co Ltd
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2020-12-02

Abstract

本实用新型涉及一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，膜壳、中空纤维膜和中空纤维管构成膜组件，所述膜壳的中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，在膜壳的腔体内设置有均匀排列的中空纤维膜及中空纤维管，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。本实用新型结构紧凑，操作条件简单温和，能耗低，造水比高，既可以小规模分散实施，也可以集成化应用，用于海水淡化、苦咸水淡化、不挥发或半挥发性溶质的水溶液浓缩处理以及环境保护等领域，尤其用于氯化钠、硫酸铵、硝酸铵、硝酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、硫酸、盐酸、葡萄糖、木糖醇、尿素、甘油、乙二醇、乳酸、乙醛酸、二甲基亚砜、环丁砜等不挥发和半挥发溶质的水溶液的浓缩及反渗透浓水的浓缩时，采用常压蒸汽或热水作热源，最高造水比可达13.7。

Description

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置

技术领域

本实用新型属于水处理、海水淡化及环境保护技术领域，特别涉及一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置。

背景技术

水是生命的源泉，是人类宝贵的、不可替代的自然资源，也是社会和经济发展的命脉。我国年人均淡水资源约2400立方米，是世界人均淡水资源的1/4，居世界149个国家的第110位，属于严重缺水国家，其中华北地区人均水资源小于400立方米，已属于严重缺水地区。水资源的匮乏和日益严重的水污染已成为制约我国社会进步和经济发展的瓶颈，解决这一难题，对我国可持续发展是非常迫切的和极其重要的。海水和苦咸水淡化是从水危机和水污染困境下获取新水源的一个重要途径，同时工业、生活中的污水、废水深度处理回用和资源化也必将倍受重视。

近年来海水淡化技术迅速发展，已大规模应用的脱盐技术有反渗透法和蒸馏法。反渗透(RO)法中，反渗透膜的产水通量和选择性对海水进口温度和盐度高度敏感，反渗透过程的高压操作使其耗电量大，操作成本高，如果在我国北方应用还可能面临诸如海水污染、冬季气温偏低等一些难以克服的困难。蒸馏法主要是多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED)，两者的共同优势为可使能量得到重复利用或梯级利用，但MSF采取降压扩容闪蒸的方法蒸发海水必然要用到抽真空设备，目前业界推崇的低温多效蒸馏MED过程也要采用抽真空操作；由于两者都采用金属作为换热材料，因此装置投资大，淡水成本高，海水回收率低。

膜蒸馏(MD)是一种新型的膜分离技术，集蒸馏过程和膜过程于一体，膜蒸馏过程的推动力是膜两侧的蒸汽压差。膜蒸馏过程中所用的膜是多孔的和不被料液润湿的疏水膜，膜的一侧是与膜直接接触的待处理的热水溶液，由于膜的疏水性，水溶液不会从膜孔中通过，但由于膜两侧挥发性组分蒸汽压差的存在，使挥发性组分在料液高温侧表面汽化，蒸汽通过膜上微孔传递到膜的另一侧并冷凝为液体。根据蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触式(DCMD)、气隙式(AGMD)、减压(真空)式(VMD)和气扫式(SGMD)四种形式。MD过程具有在接近常压下操作、设备简单、投资少的优点；其次MD过程是在较低温度下进行的，可以利用各种工业废热、余热、太阳能、地热等低品位热源。但是迄今MD尚未得到大规模的工业应用，其主要原因是目前还未开发出价格合理的可市场化的高效MD膜组件和与之相适应的膜蒸馏过程和工艺，而且传统的膜蒸馏的热利用率很低，例如VMD和DCMD的造水比一般在0.3～1.0之间，而工业级的MSF和MED的造水比一般在2～15之间。

通过检索，发现如下公开专利文献，重点列举如下：

中国专利(CN 101632901A、CN 101632902A、CN 201249103Y和CN 201249104Y)都介绍了一种相似的热回收式减压膜蒸馏组件及装置及方法，该装置有一组或多组间隔排列、相互串联的框式膜组件和框式换热组件组成，在减压膜蒸馏过程中，预热的料液通过中空纤维膜和换热管的内腔，而真空负压施加于中空纤维膜和换热管的外侧，在真空负压的作用下，由膜蒸馏单元所产生的蒸汽流入与之相邻的换热组件中，与换热管内的料液进行热交换，料液温度升高，蒸汽被冷凝为液体，通过该方法热量的回收利用率大于70％。

美国专利(US4545862)介绍了一种海水淡化设备和方法，利用平板微孔疏水膜制成的螺旋型膜组件中，料液与馏出液反向流动，料液可以有效吸收馏出液冷凝时释放的冷凝热。在该专利的实例中，每产生1千克馏出液仅消耗212千焦的能量，获得较高的能量利用率，相当于造水比为9。

美国专利(US6716355B1)介绍了一种方框式组件，在该方框式组件中一层微孔疏水膜和一层冷凝管间隔放置，膜与管相互垂直，进料流与加热流错流操作，热料液流过膜通道，从膜微孔渗透出来的蒸汽流在冷凝管的外壁处冷凝，蒸汽冷凝释放的冷凝热传递给管内的冷料液，因而提高热量回收利用率。在该专利的实例中，将多个方框式组件按照一定的方式连接，热量的回收利用效果更好，只是在该专利的实例中未明确给出详细的实验数据。

目前的研发重点主要集中于如何提升这些技术，降低产水成本以及与这些技术相关的前处理和后处理过程；除此之外，任何有关海水淡化和污水处理等新技术的出现都会引起人们的高度关注，特别是那些具有商业潜力，生产成本低，能耗低，工艺简单，易操作，用途广泛和无二次污染的脱盐新技术倍受重视。

这些在原理上与多级闪蒸和多效蒸发相同或相近，具有多效过程的特点但又是基于膜蒸馏的分离过程我们称之为热量回收式多效膜蒸馏(Multi-Effect Membrane Distillation，简称之为MEMD)。可见，热量回收式多效膜蒸馏组件和技术是集多效蒸发(MED)、多级闪蒸(MSF)和传统膜蒸馏的优势于一体的新型膜分离组件和技术，除了具有与多效蒸发、多级闪蒸相同甚至更高的造水比外，还具有膜蒸馏设备紧凑、分离效率高、操作条件温和(无需高温高压和抽真空操作)、可以利用低品位热源(如太阳能、地热、废热等)的优点，还非常适合对反渗透及其他过程中产生的浓盐水进行浓缩。热量回收式多效膜蒸馏技术以其独特的优点，有望广泛应用于海水淡化、苦咸水淡化、水溶液(料液)浓缩处理以及环境保护等领域。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种能耗低、造水比高、产水成本低、操作简单温和、应用范围广和能够大规模应用的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏(简称多效膜蒸馏或MEMD)装置。

本实用新型实现目的的技术方案是：

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，包括膜壳、中空纤维膜、中空纤维管及外换热器，所述膜壳的中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内设置有由中空纤维膜及中空纤维管构成的膜组件，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，膜壳、中空纤维膜和中空纤维管构成膜组件，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。

而且，所述中空纤维膜及中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，膜壳的腔体横截面是圆形，或者长方形。

而且，所述中空纤维膜为疏水性中空纤维微孔膜，中空纤维管为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管。

而且，所述疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75％，壁厚为30～400μm；所述中空纤维管的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

而且，所述中空纤维膜与中空纤维管的均匀间隔平行排列的方式为：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本装置所采用中空纤维膜和中空纤维管在膜壳内的均布间隔排列方式，可确保能够达到最优的传热和传质效果的目的，通过多效膜蒸馏组件设计以实现具有与多效蒸发(MED)或多级闪蒸(MSF)具有相同甚至更高的造水比。

2、本装置既可以采用冷流体进料，也可以采用热流体进料。在采用冷流体进料时，需要外部提供热源，多效膜蒸馏过程中的造水比为4～20；在采用热流体进料时，不需要外部提供任何热量，且多效膜蒸馏过程中的造水比为4～20。

3、本装置结构紧凑，操作简单，能耗低，造水比高，且整个装置全部采用聚丙烯等塑料材料制成，耐高温，耐酸碱腐蚀，既可以小规模分散实施，也可以集成化应用，该方法可用于海水淡化、苦咸水淡化、不挥发性或半挥发性溶质的水溶液浓缩以及环境保护等领域，用于氯化钠、硫酸铵、硝酸钠、碳酸钠、氢氧化钠、硫酸、盐酸、葡萄糖、尿素、甘油、乙二醇、乳酸、乙醛酸、二甲基亚砜、环丁砜等不挥发和半挥发溶质的水溶液的浓缩及反渗透浓水的浓缩时，采用常压蒸汽或热水作热源，最高造水比可达13.7。

附图说明

图1为本实用新型多效膜蒸馏装置及热进料操作示意图；

图2为本实用新型多效膜蒸馏装置及冷进料操作示意图；

图3为本实用新型多效膜蒸馏装置内的膜丝排列方式示意图；

图4为图3的截面剖视放大图(膜壳中部截面为方形)。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的实施例做进一步说明；下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本实用新型的保护范围。

一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，包括膜壳3及在膜壳内的中空纤维膜10及中空纤维管11构成，膜壳、中空纤维膜和中空纤维管构成膜组件。所述膜壳的中部制成腔体，膜壳的腔体截面是圆形，或者长方形(如图4)，其两端均分别制有一进口及一出口，其中，图1中所示的膜壳的上端为中空纤维膜进口2及中空纤维管出口8，下端为中空纤维膜出口7及中空纤维管进口5，该下端为膜组件的回水端，在中空纤维膜出口7及中空纤维管进口5之间串联一外换热器6，该外换热器为冷却器。图2所示的膜壳的上端为回水端，为中空纤维管出口2a及中空纤维膜进口8a，下端为中空纤维管进口7a及中空纤维膜出口5a，在中空纤维膜进口8a及中空纤维管出口2a之间串联一外换热器6a，该外换热器为加热器。所有进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内设置有中空纤维膜10及中空纤维管11，中空纤维膜10及中空纤维管11的两端接头分别各自连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口4。

本实施例中，中空纤维膜10为疏水性中空纤维微孔膜，疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75％，壁厚为30～400μm；制备疏水性中空纤维微孔膜的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯的其中一种或二种以上的混合物；所述制备中空纤维毛细管的高分子材料为聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚醚醚酮、聚酰胺、聚酰亚胺、聚乙烯醇的其中一种或两种以上的混合物。

本实施例中，中空纤维管11为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管，中空纤维管11的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

中空纤维膜与中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。

本实用新型的多效膜蒸馏方法和装置适用于任何以分离或浓缩不挥发或半挥发溶质的水溶液为目的的过程。

本实用新型涉及的多效膜蒸馏装置可以单独使用，也可以多组以串联、并联或串并联的方式使用。

Claims

1.一种具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，包括膜壳、中空纤维膜、中空纤维管及外换热器，其特征在于：所述膜壳的中部制成腔体，两端均分别制有一进口及一出口，进口及出口均通过封头采用粘结剂进行密封，在膜壳的腔体内置有由中空纤维膜及中空纤维管，中空纤维膜及中空纤维管的两端接头分别连接各自的进口及出口，在膜壳的下端设置有蒸馏液出口，膜壳、中空纤维膜和中空纤维管构成膜组件，在膜组件的回水端的进口及出口之间串联一外换热器。

2.按照权利要求1所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜及中空纤维管在膜壳的腔体内为相互间隔平行排列而成，膜壳的腔体横截面是圆形，或者长方形。

3.按照权利要求1或2所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜为疏水性中空纤维微孔膜，中空纤维管为中空纤维无孔膜、中空纤维毛细管或金属毛细管。

4.按照权利要求3所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述疏水性中空纤维微孔膜的内径为150～2000μm，平均孔径为0.02～0.6μm，孔隙率为30～75％，壁厚为30～400μm；所述中空纤维管的内径为150～2000μm，壁厚为30～400μm。

5.按照权利要求2所述的具有高效内部热回收功能的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜与中空纤维管的均匀间隔平行排列的方式为：每根中空纤维膜被中空纤维管所环绕，或者每根中空纤维管被中空纤维膜所环绕，且中空纤维膜与中空纤维管中间留有间隙，间隙厚度为0.2～5mm。