CN218320879U

CN218320879U - 一种组合式膜蒸馏装置

Info

Publication number: CN218320879U
Application number: CN202121296860.6U
Authority: CN
Inventors: 徐嘉铖; 梁颖宗; 罗向龙; 陈健勇; 杨智; 陈颖
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2023-01-17
Anticipated expiration: 2031-06-10

Abstract

本实用新型公开一种组合式膜蒸馏装置,其包括疏水性微孔膜和冷凝板片，所述疏水性微孔膜的一侧形成热海水流道，所述疏水性微孔膜与冷凝板片之间为间隙层，所述冷凝板片相对于间隙层的另一侧形成冷海水流道；所述间隙层内设置两个隔板自上而下间隔为顶部间隙层、中部间隙层和底部间隙层，所述顶部间隙层与中部间隙层之间的隔板上设置顶部间隙层下排液孔相通。本实用新型的有益效果是：提高冷凝效率以及防止热桥效应的作用；强化排液效果，提高蒸汽冷凝效果和产水速率。

Description

一种组合式膜蒸馏装置

技术领域

本实用新型涉及海水淡化中的蒸馏设备技术领域，特别是涉及一种组合式膜蒸馏装置。

背景技术

膜蒸馏是一种以低品位热能驱动的海水淡化技术。其工作原理为：疏水膜温度较高一侧的热海水蒸发产生的水蒸气在蒸汽压差的驱动下透过膜的微孔扩散至温度较低的另一侧，而其他液体因膜的疏水性无法进入微孔从而实现分离。由于膜蒸馏所需的热能品位低且疏水膜的截留率高，其在海水淡化处理领域具有巨大的发展潜力。

目前，常见的膜蒸馏类型主要包括气隙式膜蒸馏、直接接触式膜蒸馏以及渗透液隙式膜蒸馏等。其中，气隙式平板膜蒸馏的冷侧膜面与冷凝液之间存在空气层(即气隙)，蒸汽通过膜孔后经气隙到达冷却壁面与冷却水换热从而冷凝。由于气隙的热阻较大，热侧通过膜传导至冷侧的热量减少，能源利用效率提高。但由于气隙的存在，蒸汽扩散阻力增加，导致产水速率降低。另外，蒸汽在冷却壁面上冷凝后堆积形成的液膜(或液滴)在增大了水蒸气与冷却壁面之间热阻的同时也减小了水蒸气冷凝的面积，使蒸汽冷凝速率降低，影响产水效率。同时，液膜厚度达到一定程度时会与疏水膜发生接触而形成热桥，造成漏热量增大。

直接接触式膜蒸馏的蒸汽通过膜后直接与冷却水混合冷凝，冷凝效率较气隙式膜蒸馏的高，因此其产水速率更快。但由于冷却水与膜直接接触，其漏热较为显著、热损失较大，能源利用效率低。

渗透液隙式膜蒸馏可以认为是直接接触式膜蒸馏与气隙式膜蒸馏的折衷方式。其结构与气隙式膜蒸馏类似，但间隙层内充满的是渗透液(水蒸气冷凝液)，由于蒸汽通过膜后直接与渗透液混合冷凝，无需进一步穿过气隙在冷却壁面冷凝，降低了过程的传质阻力且增大了水蒸气的凝结面积，其产水速率高于气隙式但低于直接接触式的。另外，由于冷却水不与膜直接接触，漏热缺陷得到改善，其热效率高于直接接触式膜蒸馏，但低于气隙式膜蒸馏。

上述三种膜蒸馏类型的适用范围有所不同，如直接接触式膜蒸馏适用于热源温度较低的工况以提高产水速率，而气隙式膜蒸馏适用于热源温度较高的工况以减少漏热。由于膜蒸馏所采用太阳能和余热等温度和负荷不稳定的低品位热能，现有单一的膜蒸馏方式难以适应不同工况。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上所述现有技术存在液膜堆积和热桥漏热等问题的不足，提供供一种组合式膜蒸馏装置，以减少液膜的堆积和热桥的形成，扩展应用和提高经济性。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：一种组合式膜蒸馏装置，其包括顶层膜蒸馏单元、中间膜蒸馏单元和底层膜蒸馏单元，所述顶层膜蒸馏单元、中间膜蒸馏单元和底层膜蒸馏单元分别包括疏水性微孔膜、冷凝板片、热海水流道、间隙层和冷海水流道，所述顶层膜蒸馏单元中，顶层间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧；所述冷凝板片上设置分流孔6，所述分流孔6与所述淡水分流管道8连接，所述顶部间隙层的下排液孔与中部间隙层连通；所述中间膜蒸馏单元中，中层间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧；所述底层膜蒸馏单元中，底层间隙层和冷海水流道，所述底层间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧。

一种组合式膜蒸馏装置，包括疏水性微孔膜1和冷凝板片2，所述疏水性微孔膜1的一侧形成热海水流道3，所述疏水性微孔膜1与冷凝板片 2之间为间隙层4，所述冷凝板片2相对于间隙层4的另一侧形成冷海水流道5；所述间隙层4内设置两个隔板自上而下间隔为顶部间隙层14、中部间隙层15和底部间隙层16，所述顶部间隙层14与中部间隙层15之间的隔板上设置顶部间隙层下排液孔26相通。

所述冷凝板片2在顶部间隙层14上设置分流孔6，所述分流孔6与淡水分流管道8连接。

所述分流孔6在所述冷凝板片2上设置有两个，分别与所述淡水分流管道8连接。

所述顶部间隙层14上设置顶部间隙层上排液孔28，所述中部间隙层 15上设置中部间隙层排液孔29，所述底部间隙层16设置底部间隙层上排液孔30。

在所述热海水流道3的上端设置热海水流道进口21；在所述热海水流道3的下端设置热海水流道出口22；

所述冷海水流道5由上至下依次设置有冷海水流道出口24、淡水分流管道出口25和冷海水流道进口23。

所述淡水分流管道8与所述淡水分流管道出口25连接。

所述冷凝板片2外表面设置有波纹7。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：在冷凝板片上添加分流孔，并与产品水出水管道连接，通过中途排出冷凝液，实现降低液膜厚度，提高冷凝效率以及防止热桥效应的作用；通过集成气隙式膜蒸馏、直接接触式膜蒸馏和渗透液隙式膜蒸馏，充分利用各种膜蒸馏的优点，提出多模式膜蒸馏模块；采用波纹结构替代平板结构，波纹结构一方面可在气隙式工作模式下的分流过程起引流作用、强化排液效果，另一方面可在直接接触式和渗透液隙式工作模式下增加冷却水扰动，提高蒸汽冷凝效果和产水速率；一体化的多模式膜蒸馏热回收系统，可以有效地利用膜蒸馏过程中相变汽化潜热和固热传导的热量，提高能源利用效率。

附图说明

图1是本实用新型一种组合式膜蒸馏装置实施例1的结构示意图；

图2是本实用新型一种组合式膜蒸馏装置实施例2的立体结构图；

图3是是本实用新型一种组合式膜蒸馏装置的冷凝板片结构示意图；

图4是不同进料温度下分流板气隙式膜蒸馏与传统气隙式膜蒸馏的产水速率对比图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制；为更好说明本实施例，附图某些部件会省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

一种组合式膜蒸馏装置，如图1所示，其包括顶层膜蒸馏单元14、中间膜蒸馏单元15和底层膜蒸馏单元16，所述顶层膜蒸馏单元14包括疏水性微孔膜1、冷凝板片2、热海水流道3、顶层间隙层、冷海水流道 5和淡水分流管道8，所述顶层间隙层在所述疏水性微孔膜1和所述冷凝板片2之间，所述热海水流道3位于疏水性微孔膜1相对于所述冷凝板片2的另一侧，所述冷海水流道5位于所述冷凝板片2相对于疏水性微孔膜1的另一侧，且所述顶层间隙层与所述冷凝板片2接触。所述冷凝板片2上设置分流孔6，所述分流孔6与所述淡水分流管道8连接。所述顶部间隙层下排液孔与中部间隙层连通。

所述中层膜蒸馏单元15包括疏水性微孔膜1、冷凝板片2、热海水流道3、中层间隙层和冷海水流道5，所述中层间隙层在所述疏水性微孔膜1和所述冷凝板片2之间，所述热海水流道3位于疏水性微孔膜1相对于所述冷凝板片2的另一侧，所述冷海水流道5位于所述冷凝板片2 相对于疏水性微孔膜1的另一侧。中部间隙层设置中部间隙层排液孔。

所述底层膜蒸馏单元16包括疏水性微孔膜1、冷凝板片2、热海水流道3、底层间隙层161和冷海水流道5，所述底层间隙层在所述疏水性微孔膜1和所述冷凝板片2之间，所述热海水流道3位于疏水性微孔膜1 相对于所述冷凝板片2的另一侧，所述冷海水流道5位于所述冷凝板片2 相对于疏水性微孔膜1的另一侧。

实施例2

一种组合膜蒸馏装置，如图2所示，包括疏水性微孔膜1和冷凝板片2，所述疏水性微孔膜1的一侧形成热海水流道3，所述疏水性微孔膜 1与冷凝板片2之间为间隙层4，所述冷凝板片2相对于间隙层4的另一侧形成冷海水流道5；所述间隙层4内设置两个隔板自上而下间隔为顶部间隙层14、中部间隙层15和底部间隙层16，所述顶部间隙层14与中部间隙层15之间的隔板上设置顶部间隙层下排液孔26相通，所述顶部间隙层14上设置顶部间隙层上排液孔28，所述中部间隙层15上设置中部间隙层排液孔29，所述底部间隙层16设置底部间隙层上排液孔30。所述疏水性微孔膜1和所述冷凝板片2设置在箱体内形成上述构造，在所述热海水流道3的上端设置热海水流道进口21；在所述热海水流道3的下端设置热海水流道出口22。所述冷海水流道5由上至下依次设置有冷海水流道出口24、淡水分流管道出口25和冷海水流道进口23。如图2 所示，所述冷凝板片2外表面设置有波纹7。所述冷凝板片2在顶部间隙层14上设置两个分流孔6，所述分流孔6与淡水分流管道8连接。如图3所示，所述冷凝板片2外表面设置有波纹7。

对于膜蒸馏装置，为验证分流板片对气隙式膜蒸馏装置的优化效果，采用GAMS(General Algebraic Modeling System)软件对带分流效果的气隙式膜蒸馏装置进行模拟计算，将计算结果(装置的性能参数，包括能量利用效率，产水速率)与传统的气隙式膜蒸馏装置进行对比。

膜蒸馏过程中的质量传递和热量传递过程较为复杂，为简化模型，在膜蒸馏数学模型构建时做出以下假设：(1)膜的厚度、弯曲度、孔隙度和孔径等性质不变，膜的截留率为100％；(2)膜上的总压差为零，即没有粘性流动的传质；(3)膜蒸馏装置与外界环境接触的边界为绝热层； (4)由于海水的盐浓度低，将其比热容、粘度等物性取值于纯水相同。所采用的膜参数如表1-1所示，计算结果如表1-2所示，不同进料温度下分流板气隙式膜蒸馏与传统气隙式膜蒸馏的产水速率对比如图4所示。

表1-1

表1-2

从表1-2中的膜蒸馏数学模型模拟计算结果可以看出，带分流孔的冷凝板片2对气隙式膜蒸馏的优化效果主要体现在提高产水速率，在进料温度为40～90℃的温度范围中，采用6分流板片的气隙式膜蒸馏在产水速率上要比传统气隙式膜蒸馏高6.3％～26.6％；从图4中可以看出，随着进料温度的逐渐升高，分流板片对产水速率的提升效果逐渐提高，即在较高的进料温度条件下，分流板片对气隙式膜蒸馏产水速率的增加有更好的效果。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，其包括顶层膜蒸馏单元、中间膜蒸馏单元和底层膜蒸馏单元，所述顶层膜蒸馏单元、中间膜蒸馏单元和底层膜蒸馏单元分别包括疏水性微孔膜、冷凝板片、热海水流道、间隙层和冷海水流道，所述顶层膜蒸馏单元中，顶部间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧；所述冷凝板片上设置分流孔，所述分流孔与淡水分流管道连接，所述顶部间隙层的下排液孔与中部间隙层连通；所述中间膜蒸馏单元中，中部间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧；所述底层膜蒸馏单元中，底部间隙层和冷海水流道，所述底部间隙层在所述疏水性微孔膜和所述冷凝板片之间，所述热海水流道位于疏水性微孔膜相对于所述冷凝板片的另一侧，所述冷海水流道位于所述冷凝板片相对于疏水性微孔膜的另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，包括疏水性微孔膜和冷凝板片，所述疏水性微孔膜的一侧形成热海水流道，所述疏水性微孔膜与冷凝板片之间为间隙层，所述冷凝板片相对于间隙层的另一侧形成冷海水流道；所述间隙层内设置两个隔板自上而下间隔为顶部间隙层、中部间隙层和底部间隙层，所述顶部间隙层与中部间隙层之间的隔板上设置顶部间隙层下排液孔相通。

3.根据权利要求2所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷凝板片在顶部间隙层上设置分流孔，所述分流孔与淡水分流管道连接。

4.根据权利要求3所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述分流孔在所述冷凝板片上设置有两个，分别与所述淡水分流管道连接。

5.根据权利要求2所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述顶部间隙层上设置顶部间隙层上排液孔，所述中部间隙层上设置中部间隙层排液孔，所述底部间隙层设置底部间隙层上排液孔。

6.根据权利要求2所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，在所述热海水流道的上端设置热海水流道进口；在所述热海水流道的下端设置热海水流道出口。

7.根据权利要求2所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷海水流道由上至下依次设置有冷海水流道出口、淡水分流管道出口和冷海水流道进口。

8.根据权利要求7所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述淡水分流管道与所述淡水分流管道出口连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种组合式膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷凝板片外表面设置有波纹。