CN203990316U - 一种逆流交换膜蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种逆流交换膜蒸馏装置，包括圆柱壳体、馏出液出口、上圆形封头和下圆形封头；所述圆柱壳体内排布至少5组中空管管组和至少5组中空纤维膜膜组以及将中空管管组、中空纤维膜膜组隔开的格筛网；所述馏出液出口设于所述圆柱壳体侧壁上，所述上圆形封头、所述下圆形封头通过凹凸法兰与所述圆柱壳体相连；所述上圆形封头设有中空纤维膜膜组进料口和中空管管组出料口、所述下圆形封头设有中空纤维膜膜组出料口和中空管管组进料口。本实用新型的优点是结构简单、密封效果好、操作方便、传热效率高，便于在海水淡水、城市污水和工业循环废水等含有高含盐废水的回收利用场合应用，实现工业化推广。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种逆流交换膜蒸馏装置，属于膜分离技术领域。
背景技术
我国是淡水资源严重短缺的国家，水资源的缺乏和日益严重的水污染严重影响了人们的生活和社会的发展。海水淡化是解决目前困境实现新水源生产的重要途径之一，目前海水淡化技术未实现“零排放”，海水淡化后的浓海水（氯化钠含量为70g/L）直接排放到海洋中，造成海洋的严重污染。另一方面，生活污水的水量、水质比较稳定，经过适当处理后，可作为中水用于冲洗厕所、浇洒绿地等，从而缓解水资源短缺的危机。然而传统的中水处理工艺流程比较复杂，出水含盐量较高，水质没有保证，导致中水回用难以真正实施。此外，在西北干旱缺水地带，快速的煤化工等工业发展引起的水资源污染和短缺问题更加明显，工业中高含盐循环废水的回收利用亟待解决。
目前世界各国都选用膜分离技术来进行含盐污水回用处理，具有流程简单，占地省，出水水质优良，无悬浮物，可直接回用，及剩余污泥量少等优点。膜蒸馏（MD）是膜技术与蒸馏过程相结合的一种膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸气压差的作用下，溶液中易挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，从而实现分离。与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和等优点，但是膜蒸馏技术还未实现大规模工业应用，其主要原因是还未开发出可市场化的高效膜蒸馏装置，膜蒸馏是一个有相变的过程，如果热量不能有效回收利用，将引起能量方面的高操作成本，且热效率较低。
发明名称为《一种膜蒸馏器》（公开号 CN103710245A）的发明专利公开了一种膜蒸馏器，包括矩形的壳体，壳体的上、下两端分别是上、下盖板，在上、下盖板上设置料液进出口以及在壳体的下部设置馏出液出口，壳体的腔内设置膜组件，壳体腔分三段结构，其中在上、下腔内分别设有方向一致的一块分隔板形成对称的双腔结构，在上、下腔之间是连通的单腔，在上、下腔的同一侧腔内由胶黏剂固定至少两排中空纤维膜组件单元，在上、下腔的另外同一侧腔内由胶黏剂固定至少两排中空管组件单元，在上、下腔之间的单腔内填充有按中空纤维膜组件单元与中空管组件单元相间排列的膜组件以及在相邻的中空纤维膜组件单元与中空管组件单元之间设置的隔网。上述膜蒸馏器结构存在有如下缺点：（一）采用矩形壳体容易出现角端死流的现象、不利于气液的更新交换且不适合后期工业化推广的量化生产安装；（二）中空纤维膜组件单元、中空管组件单元设于上下同侧，会导致并流、壁流现象，出现气液传热效率低，传质效果差的局面。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺点，本实用新型提供一种逆流交换膜蒸馏装置，制作简单、密封性能好；同时还提供了该装置对含盐废水的处理方法，操作条件温和、操作过程简单，热利用效率高、应用范围广。
技术方案：本实用新型所述的逆流交换膜蒸馏装置，包括圆柱壳体、馏出液出口、上圆形封头和下圆形封头；所述圆柱壳体内的腔体分为上、中、下三部分，上、下部腔体内分别对应设有分隔板将其分隔成对称的内腔结构，中间腔体与上、下部腔体的内腔相互连通，在上、下部腔体不同侧的两内腔中排布至少5组中空管管组，在上、下腔体另外不同侧的两内腔中排布至少5组中空纤维膜膜组，在中间腔体内设有将中空管管组、中空纤维膜膜组隔开的格筛网，使得中空管管组、中空纤维膜膜组相间排列；所述馏出液出口设于所述中间腔体侧壁上，所述上圆形封头与圆柱壳体的顶端通过凹凸法兰相连、所述下圆形封头与圆柱壳体的底端通过凹凸法兰相连；所述上圆形封头设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组进料口和连通中空管管组的中空管管组出料口、所述下圆形封头设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组出料口和连通中空管管组的中空管管组进料口。
进一步完善上述技术方案，所述中间腔体内的中空管管组与中空纤维膜膜组呈X型交叉设置。
上述膜蒸馏装置的主要结构特点在于：所述中空纤维膜膜组由100-800根内径为0.2-1mm、壁厚为0.2-0.5mm、孔径为0.2-0.8um、孔隙率为0.4-0.8、长度为500-1800mm的中空纤维膜斜线型单排排列组成。所述中空管管组由100-800根内径为0.2-1mm、壁厚为5-100um、长度为500-1800mm的中空管斜线型单排排列组成。所述格筛网的目数为10-100。所述圆柱壳体高度为1000-3000mm，内径为50~500 mm，壁厚为4~40mm。所述上圆形封头、下圆形封头的高度均为30mm。
利用上述膜蒸馏装置对含盐废水的处理方法，包括如下步骤：
（1）从中空管管组进料口输入的待处理含盐废水进入中空管管组，与中空纤维膜膜组内已经存在的高温含盐废水发生逆流换热后从中空管管组出料口输出。
（2）从中空管管组出料口输出预热后的含盐废水经外部补充换热后进一步提升至汽化温度，从中空纤维膜膜组进料口进入圆柱壳体内的中空纤维膜膜组。
（3）进入中空纤维膜膜组内含盐废水与中空管管组的新输入的含盐废水发生逆流换热，热量释放、盐浓度不断富集并形成浓缩废水从中空纤维膜膜组出料口流出；热量释放时形成水蒸气，水蒸气透过中空纤维膜膜壁上的膜孔扩散到圆柱壳体内的间隙并被中空管管组的新输入的含盐废水冷却，冷却形成的淡水从馏出液出口流出汇聚，至此单级膜蒸馏过程完成。
（4）重复循环步骤（1）至（3）完成大量含盐废水的蒸馏处理过程。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型的优点是：
1、通过设置格筛网保证了中空纤维膜膜组与中空管管组之间的结构规整，提高整个膜蒸馏过程热效率。
2、上圆形封头、下圆形封头分别通过凹凸法兰与圆柱壳体相连，增强了整个装置的密封性能。
3、采用圆柱壳体装载方式，使得在同等面积下，比其他方式提供了更大的有效膜面积，即提供了更大的传质传热通道，提高了单位有效处理量；另一方面克服了方形壳体结构角端死流，不利于气液更新交换的缺陷；同时圆柱壳体装载方式的设计有利于后期工业化推广的量化生产安装，结构布置外形美观度高。
4、中空纤维膜膜组与中空管管组设置在不同侧的X型结构，形成逆流交换，减少了并流、壁流现象的，避免传热效率低、传质效果差的局面，更有利于提高气液传质、传热效率，改善处理效果。
5、该膜蒸馏装置结构简单、密封效果好、操作方便、传热效率高，便于在海水淡水、城市污水和工业循环废水等含有高含盐废水的回收利用场合应用，实现工业化推广。
附图说明
图1为本实用新型装置的示意图。
其中，1-中空管管组进料口，2-中空纤维膜膜组出料口，3-下圆形封头，4-馏出液出口，5-壳体，6-上圆形封头，7-中空管管组出料口，8-中空纤维膜膜组进料口。
图2为本实用新型膜蒸馏装置的截面剖视图。
其中，9-中空纤维膜，10-中空管，11-格筛网。
图3为本实用新型装置的内部结构及其处理含盐废水流程示意图。
其中，12-分隔板。
具体实施方式
下面通过附图对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：本实用新型包括圆柱壳体5、馏出液出口4、上圆形封头3、下圆形封头6以及设于圆柱壳体5内的中空纤维膜膜组、中空管管组和格筛网11；
圆柱壳体5高度为1600mm，内径为60mm，壁厚为5mm，圆柱壳体5内的腔体分为上、中、下三部分，上、下部腔体内分别对应设有分隔板12将其分隔成对称的内腔结构，中间腔体与上、下部腔体的内腔相互连通，在上、下部腔体不同侧的两内腔中排布20组中空纤维膜膜组，每组中空纤维膜膜组由内径为0.5 mm、壁厚为0.25mm、孔径为0.25μm、孔隙率为0.6、长度为1500mm的聚丙烯中空纤维膜9构成，其中在中空纤维膜9的两端按照相邻间距为0.3mm固定成单线排；在上、下腔体另外不同侧的两内腔中排布20组中空管管组，每组中空管管组由内径为0.5 mm、壁厚为50um、长度为1500mm的聚丙烯中空管10构成，其中在中空纤维膜9的两端按照相邻间距为0.3mm固定成单线排；所述中间腔体内的中空管管组与中空纤维膜膜组呈X型交叉设置。在中间腔体内设有将中空管管组、中空纤维膜膜组隔开的格筛网11，使得中空管管组、中空纤维膜膜组相间排列，格筛网11目数为40目，材料为聚丙烯；馏出液出口4设于中间腔体侧壁上，上圆形封头3与圆柱壳体5的顶端通过凹凸法兰相连、下圆形封头6与圆柱壳体5的底端通过凹凸法兰相连，通过凹凸法兰可以有效提高圆柱壳体5与上圆形封头3、下圆形封头6之间的密封性能；上圆形封头3设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组进料口8和连通中空管管组的中空管管组出料口7、下圆形封头6设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组出料口2和连通中空管管组的中空管管组进料口1；该逆流交换膜蒸馏装置的有效膜面积为1m2。
以上述结构的逆流交换膜蒸馏装置能够应用于海水淡化、中水回用以及工业高含盐废水的浓缩处理过程。下面以工业高含盐废水（氯化钠质量浓度为5%）淡化的过程为例，具体说明如下：将温度为20-50℃、流量为30L/h 的常压待处理含盐废水通过膜蒸馏器的中空管管组进料口1 进入圆柱壳体5内的中空管管组内，与中空纤维膜膜组的已经存在的含盐废水发生逆流换热，中空管管组内的含盐废水被预热，从中空管管组出料口7输出，再经外部补充换热后进一步提升到95℃，从中空纤维膜膜组的进料口8进入中空纤维膜膜组；而在逆流换热的同时过程中，中空纤维膜膜组含盐废水不断蒸发，含盐废水温度不断降低，盐浓度不断富集并形成浓缩废水从中空纤维膜膜组出料口2流出，含盐废水汽化后形成的水蒸气透过中空纤维膜膜组的膜孔，被中空管管组的新输入的含盐废水冷却，得到冷却淡水，最后从馏出液口4流出汇聚，至此单级膜蒸馏过程完成，重复循环上述步骤即可完成大量含盐废水的蒸馏处理。
实施例2
实施例2 的逆流交换膜蒸馏装置的结构形式与实施例1 相同，圆柱壳体5高度为1600mm，内径为100mm，壁厚为5mm，圆柱壳体5内的腔体分为上、中、下三部分，上、下部腔体内分别对应设有分隔板12将其分隔成对称的内腔结构，中间腔体与上、下部腔体的内腔相互连通，在上、下部腔体不同侧的两内腔中排布35组中空纤维膜膜组，每组中空纤维膜膜组由内径为0.5 mm、壁厚为0.25mm、孔径为0.25μm、孔隙率为0.6、长度为1500mm的聚丙烯中空纤维膜9构成，其中在中空纤维膜9的两端按照相邻间距为0.3mm固定成单线排；在上、下腔体另外不同侧的两内腔中排布35组中空管管组，每组中空管管组由内径为0.5 mm、壁厚为50um、长度为1500mm的聚丙烯中空管10构成，其中在中空纤维膜9的两端按照相邻间距为0.3mm固定成单线排；所述中间腔体内的中空管管组与中空纤维膜膜组呈X型交叉设置。在中间腔体内设有将中空管管组、中空纤维膜膜组隔开的格筛网11，使得中空管管组、中空纤维膜膜组相间排列，格筛网11目数为40目，材料为聚丙烯；馏出液出口4设于中间腔体侧壁上，上圆形封头3与圆柱壳体5的顶端通过凹凸法兰相连、下圆形封头6与圆柱壳体5的底端通过凹凸法兰相连，通过凹凸法兰可以有效提高圆柱壳体5与上圆形封头3、下圆形封头6之间的密封性能；上圆形封头3设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组进料口8和连通中空管管组的中空管管组出料口7、下圆形封头6设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组出料口2和连通中空管管组的中空管管组进料口1；该逆流交换膜蒸馏装置的有效膜面积为2.5m2。
以上述结构的逆流交换膜蒸馏装置同样用以处理工业高含盐废水（氯化钠质量浓度为5%）淡化的过程为例，具体如下：将温度为20-50℃、流量为80L/h 的常压待处理含盐废水通过膜蒸馏器的中空管管组进料口1 进入圆柱壳体5内的中空管管组内，与中空纤维膜膜组的已经存在的含盐废水发生逆流换热，中空管管组内的含盐废水被预热，从中空管管组出料口7输出，再经外部补充换热后进一步提升到95℃，从中空纤维膜膜组的进料口8进入中空纤维膜膜组；而在逆流换热的同时过程中，中空纤维膜膜组含盐废水不断蒸发，含盐废水温度不断降低，盐浓度不断富集并形成浓缩废水从中空纤维膜膜组出料口2流出，含盐废水汽化后形成的水蒸气透过中空纤维膜膜组的膜孔，被中空管管组的新输入的含盐废水冷却，得到冷却淡水，最后从馏出液口4流出汇聚，至此单级膜蒸馏过程完成，重复循环上述步骤即可完成大量含盐废水的蒸馏处理；所得到的淡水指标与实例1效果相似，说明该逆流交换膜蒸馏装置的同比放大效果良好。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (7)
1.一种逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：包括圆柱壳体、馏出液出口、上圆形封头和下圆形封头；所述圆柱壳体内的腔体分为上、中、下三部分，上、下部腔体内分别对应设有分隔板将其分隔成对称的内腔结构，中间腔体与上、下部腔体的内腔相互连通，在上、下部腔体不同侧的两内腔中排布至少5组中空管管组，在上、下腔体另外不同侧的两内腔中排布至少5组中空纤维膜膜组，在中间腔体内设有将中空管管组、中空纤维膜膜组隔开的格筛网，使得中空管管组、中空纤维膜膜组相间排列；所述馏出液出口设于所述中间腔体侧壁上，所述上圆形封头与圆柱壳体的顶端通过凹凸法兰相连、所述下圆形封头与圆柱壳体的底端通过凹凸法兰相连；所述上圆形封头设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组进料口和连通中空管管组的中空管管组出料口、所述下圆形封头设有连通中空纤维膜膜组的中空纤维膜膜组出料口和连通中空管管组的中空管管组进料口。
2.根据权利要求1所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述中间腔体内的中空管管组与中空纤维膜膜组呈X型交叉设置。
3.根据权利要求2所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空纤维膜膜组由100-800根内径为0.2-1mm、壁厚为0.2-0.5mm、孔径为0.2-0.8um、孔隙率为0.4-0.8、长度为500-1800mm的中空纤维膜呈斜线型单排排列组成。
4.根据权利要求2所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述中空管管组由100-800根内径为0.2-1mm、壁厚为5-100um、长度为500-1800mm的中空管呈斜线型单排排列组成。
5.根据权利要求2所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述格筛网的目数为10-100。
6.根据权利要求2所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述圆柱壳体高度为1000~3000mm，内径为50~500mm，壁厚为4~40mm。
7.根据权利要求2所述的逆流交换膜蒸馏装置，其特征在于：所述上圆形封头、下圆形封头的高度均为30mm。
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