膜蒸餾裝置的製作方法

2023-10-11 23:45:39

專利名稱：膜蒸餾裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型提供了一種膜蒸餾裝置，尤其是指一種改變膜組件熱工質入流口的結構設計而提高膜通量的膜蒸餾裝置。
背景技術：
膜分離(membrane separation)技術是人類最早應用的分離技術之一，20世紀60年代以來，各種膜分離技術，尤其是膜蒸餾(MembraneDistillation，簡稱MD)技術迅速發展，已廣泛應用於各領域。
通常所用的膜蒸餾裝置，其結構主要包括熱工質循環系統、膜組件、冷工質循環系統，其中所述膜組件的熱側進出口通過管路與所述熱工質循環系統組成迴路，膜組件的冷側進出口通過管路與所述冷工質循環系統組成迴路。
進行蒸餾操作時，膜的一側(熱側)與待處理的熱溶液(或稱原料液，熱側溶液，熱工質)直接接觸，膜的另一側為冷側。使膜兩側的流體處於不同的溫度，這樣便會產生蒸汽壓差，使熱側溶液中的水在膜表面蒸發形成蒸汽，水蒸汽在壓差的作用下通過膜孔擴散到冷側冷凝下來，從而實現液相水溶液與氣相水分離的目的。
膜蒸餾操作的重要指標是追求儘可能高的蒸餾通量，也稱膜通量，在膜蒸餾過程中操作溫差、冷熱端流量、溫度與濃度極化等許多因素都會影響蒸餾通量，當操作條件一定時，溫度與濃度極化是造成膜通量降低的兩個非常重要因素。
溶液被蒸餾時，所有溶質均被透過液傳送到膜表面上，在膜表面處發生汽化，而不能完全透過膜的溶質受到膜的截留作用，在膜表面附近濃度升高，隨著溶質被不斷地截留下來，就造成了膜面的溶質濃度比原溶液的濃度要大得多，這種在膜表面附近濃度高於主體溶液濃度的現象稱為濃度極化(concentration polarization)。由於濃度極化現象的存在，膜表面附近溶質濃度升高，從膜面到溶液主體就會產生溶質的反方向擴散流，從而增加了揮發性組分從溶液主體到膜面的傳質阻力，增大了膜兩側的滲透壓差，使有效蒸汽壓差減小，透過通量降低，即降低膜通量。
另外，蒸餾溶液在膜面的熱側發生汽化時需要吸收大量的汽化潛熱，同時膜面與冷側發生熱交換，被帶走大量的熱量，這樣就使得膜面的溫度低於溶液主體的溫度，從而在膜面處產生了溫度邊界層。用於驅動膜蒸餾傳質的溫度差由於溫度邊界層的存在而減小，膜兩側的飽和蒸汽壓差也隨之減小，使膜蒸餾通量降低。另一方面，(以空氣隙膜蒸餾為例)透過蒸汽在冷壁熱側上放出大量的汽化潛熱。汽化潛熱通過冷壁以導熱的傳熱方式進入冷容腔。冷卻水以對流換熱的方式將這些熱量從冷壁冷側帶走。冷壁冷側的溫度一直高於冷工質容腔冷卻水主體溫度，這樣就在膜面或冷壁的冷側附近也產生溫度邊界層，由於傳熱過程，間接地使膜面冷側也會存在溫度邊界層，這也會影響膜蒸餾通量。
在傳統的膜蒸餾裝置的結構設計中，是使操作過程中熱溶液的入流方向與膜面垂直，成90度的角度(稱法向入流)。這種情況下，入流的熱溶液對膜面處熱的擾動很小，膜兩側的溫度和濃度極化現象嚴重，膜通量很低，影響分離效率。
同樣操作條件下，由於濃度與溫度邊界層的存在將削弱蒸汽通過膜面的傳質和整個蒸餾系統的熱效率，這是導致膜蒸餾通量降低的主要因素。因此，如何消除濃度與溫度邊界層對傳質傳熱的影響是膜蒸餾技術的重要研究方向之一。Paz Godino等在Journal of Membrane Science 121(1996)83-93，「Membrene distillationtheory and experiments」中記載了研究結果，在膜組件中加入了機械攪拌裝置，使物料混合均勻，破壞溫度濃度極化現象，使蒸餾溶液的濃度與溫度保持均勻，達到提高膜通量的效果。這種採用加設攪拌裝置的做法固然可行，但是會增加膜組件的尺寸，給膜蒸餾裝置的結構設計帶來一定的難度，使裝置結構複雜，不易拆裝清洗，且需要消耗能源，增加生產成本。

發明內容
本實用新型的目的便是針對上述問題，提供一種能夠有效消減膜分離過程中的溫度和濃度極化、提高膜通量，且結構簡單、操作方便的膜蒸餾裝置。
為達上述目的，本實用新型所提供的膜蒸餾裝置包括熱工質循環系統、膜組件、冷工質循環系統，其中所述膜組件的熱側進出口通過管路與所述熱工質循環系統組成迴路，膜組件的冷側進出口通過管路與所述冷工質循環系統組成迴路，其特徵在於，所述膜組件熱側進口處設置有至少一個熱工質入流管(進口管)，且該熱工質入流管與膜接近的一端(前端)的開口設置為斜開口以使熱工質的入流方向與膜面成小於90度的角度。這樣，在蒸餾過程中，熱工質在膜組件熱側的入流方向會與膜面之間形成一定角度(而非成90度的法向入流)，以切向旋轉的方式衝刷膜面，破壞了膜表面附近的溫度和濃度極化邊界層，從而有效提高膜通量。
本實用新型所提供的膜蒸餾裝置中，所述膜組件的類型並不受限制，例如可以是平板式、管式、卷式或中空纖維式膜組件等。
當本實用新型的膜蒸餾裝置中的膜組件為平板式時，優選所述熱工質入流管的傾斜方向朝向膜有效面積(通常情況下該有效面積為圓面或類似圓形的曲面)的切線方向，這樣將使熱工質以切向旋轉的方式在儘可能大的範圍內衝刷膜的有效面積。
所述熱工質入流管可設置多個，優選以有效膜的中心為中心，均勻分布。例如，所述熱工質入流管可設有三個，且以有效膜的中心為中心，互呈120°角分布。
本實用新型中所述的熱工質入流管的「斜開口」可以為不同設計形式，只要能夠達到使熱工質通過該入流管口進入熱容腔(熱工質容腔)時是與膜面間呈一定的傾斜角度而切向旋轉衝刷膜面的目的即可。在具體實施時，還可以在所述熱工質入流管的斜開口上設有噴嘴，直徑減小的噴嘴使流速增大，加大了熱工質衝刷膜面的力度，更加有效的破壞溫度和濃度極化邊界層，這種方式使熱工質的切向旋轉流動更明顯，更有利於提高膜通量。
另外，本實用新型所提供的膜蒸餾裝置可以是直接接觸式、真空式、掃氣式或空氣隙式膜組件，空氣隙式膜組件的冷側可設置冷壁，膜的滲透側與冷壁間具有間隙，發明人經過大量試驗觀察到，在蒸餾過程中，由於熱溶液的衝擊和膜材料自身的彈性作用，膜面並非保持平的(例如圖3中的虛線所示)，而是向冷壁方向鼓出的，通過對蒸餾過程中的傳熱傳質機理的研究，該間隙量的確定以可實現在蒸餾過程中使膜的滲透側與冷壁之間保持部分接觸為標準。優選地，所述膜滲透側與冷壁間的間隙量為可保持在蒸餾過程中使膜與冷壁接觸的面積佔有效膜面積的70-80％時的距離，達到在提高熱效率的同時獲得較高的膜通量。
還可以在所述冷壁的表面設置縱向溝槽，加速蒸汽冷凝，並使冷凝液順溝槽較快流下。該溝槽的深度優選在1mm左右。
另一方面，還可以在本實用新型的膜組件的熱側設置有超聲激勵裝置。該超聲激勵裝置由超聲信號發生器和超聲換能器組成。其中所述超聲換能器插入膜組件熱工質容腔中，超聲激勵產生膜的高頻震動減弱濃度極化，增大膜通量；而超聲換能器的超聲功率可由大功率超聲信號發生器調節。
實驗證明，通過上述結構的優化設計，本實用新型能夠更好地使膜通量得到有效提高。
綜上所述，本實用新型的膜蒸餾裝置，通過改良熱工質入流管管口的結構設計，能夠有效破壞溫度和濃度極化層，從而提高膜通量，而且，本實用新型的膜蒸餾裝置具有尺寸小，結構簡單，能耗小，易拆裝清洗，可視化強，成本低等優點，有利於使膜蒸餾技術得到更廣泛的應用。


圖1為本實用新型的平板式膜組件的剖面示意圖，圖中「○」表示熱電偶。
圖2為本實用新型的空氣隙膜蒸餾裝置的結構示意圖，圖中「○」表示熱電偶。
圖3-圖5為本實用新型中設置有冷壁及空氣隙且熱工質入流管管口具有不同形態的膜組件結構設計示意圖。
圖6為本實用新型的一具體實施例的膜蒸餾裝置中熱工質入流口及出口分布示意圖。
圖7為本實用新型中的設置有冷壁及空氣隙的膜組件實施例的結構設計示意圖。
具體實施方式
現以優選具體實施例來對本實用新型的結構特徵做更進一步的詳細說明，但並不對本實用新型的實施範圍構成任何限制。
本實用新型所提供的膜蒸餾裝置，包括熱工質循環系統、膜組件、冷工質循環系統，其中所述膜組件的熱側進出口通過管路與所述熱工質循環系統組成迴路，所述膜組件的冷側進出口通過管路與所述冷工質循環系統組成迴路，與現有技術相比，其採用開口端結構改進的長管作為熱工質入流管，且該入流管具有斜開口。
本實用新型所提供的熱工質入流口的改良設計結構，可以使熱工質通過入流管進入熱容腔時以一定的傾斜角度切向旋轉衝刷膜面，破壞溫度和濃度極化，使邊界層變薄，從而增大膜通量。
以平板式空氣隙膜組件為例，請結合參閱圖1和圖2所示，本實施例中的膜蒸餾裝置主要包括膜組件、熱工質循環系統和冷工質循環系統；所述膜組件採用平板式膜組件，由膜9、熱工質容腔堵頭10、熱側密封裝置11、分別插入熱容腔中的熱工質出口管12和熱工質入流管13(該入流管與膜接近的一端呈向上斜開口)、熱腔排氣口14、熱側熱電偶進口15、空氣隙16、冷壁17、冷工質容腔堵頭19、冷工質進出口20和21組成；所述熱工質循環迴路由恆溫熱水器1、泵2、球閥3和4、轉子流量計5、PVC管路6和7、熱工質容腔8組成；冷工質循環迴路由冷工質容腔18、PVC管路22、球閥23、24和25、恆溫冷水箱26、磁力驅動循環泵27和28、制冷機29組成。除此之外，還包括溫度測量裝置30、超聲激勵裝置31、流量(膜通量)測量裝置32等附屬部分。本實施例中的超聲激勵裝置31由超聲信號發生器311和超聲換能器312構成，其中超聲換能器312插入膜組件熱工質容腔8中，超聲激勵產生的高頻震動可減弱膜面濃度極化，增大膜通量；超聲換能器312的超聲功率可由大功率超聲信號發生器311調節。流量(膜通量)測量裝置32包括儲存冷凝液的容器321和電子天平322。
在使用本實施例的膜蒸餾裝置進行膜蒸餾操作時，原料液在恆溫熱水器1中被加熱通過泵2、球閥3、PVC管路6、熱工質入流管13進入熱工質容腔8，膜9熱側和冷側之間的溫度差產生傳遞組分氣相壓差，氣相壓差使高溫側溶液中的揮發性組分在膜面處汽化通過膜孔擴散到空氣隙16中，部分被冷凝，其餘部分則到達冷壁17冷凝下來，冷凝液流入容器321中被收集，本實施例為測定膜通量，設置電子天平322測量冷凝液質量，通過計算得到膜通量。而剩餘的原料液通過PVC管路7、球閥4重新回到恆溫熱水器1中被再次加熱。冷卻水通過磁力驅動循環泵27從恆溫冷水箱26中抽出經進口20送入冷工質容腔18，在冷壁17的壁面上與所述揮發性組分發生熱量交換，然後從出口21經PVC管路22、球閥23流回冷水箱26。冷工質容腔的冷卻水由制冷機29維持在恆定的低溫。
為實現熱工質的旋轉切向入流，本實用新型的膜蒸餾裝置中熱工質入流管13為一個長管，插入熱容腔後直接延伸到接近膜面處(如圖1、3-5所示)，且該入流管的開口端設計成斜開口(向上)，使熱工質通過入流管進入熱容腔時以切向旋轉的方式衝刷膜面，達到破壞溫度和濃度極化、使邊界層變薄、從而增大膜通量的效果。如圖1所示，入流管13的插入位置在膜組件的內壁附近，使熱工質進入熱容腔後在膜表面形成較大的衝刷面積。
入流管13的前端可以直接設置為斜端面開口，如圖3所示，或是如圖4所示，入流管13被設置成端部彎曲一定角度朝向膜面，或者，還可以如圖5所示在入流管13管口安裝噴嘴131，一方面可以通過設計調整噴嘴的開口方向而使熱工質的入流方向與膜面成傾斜的角度衝刷膜面，另一方面由於噴嘴口徑的減小還可以提高溶液流速，加大熱工質衝刷膜面的力度，更加有效地破壞膜表面附近的溫度和濃度極化邊界層，提高膜通量。
另請參閱圖6所示，其顯示本實用新型的一優選實施例的膜蒸餾裝置中熱工質入流口及出口分布，在本實施例中，採用了三根入流管同時插入熱容腔的結構設計，該三根熱溶液入流管以有效膜面積(優選為圓形)的中心為圓心互成120°角度均勻分布，而熱工質的出口管位於熱容腔的中心。當熱工質以旋轉切向的入流方式流入熱容腔，衝刷膜面，形成旋渦後從中心出口處流出。各入流管前端的設計如前面所描述。適當地調整三個噴嘴與膜面的相對位置，就可以使熱溶液的入流方向與膜面成一定的角度，並以旋轉的方式衝刷膜面。
根據本實用新型的優選實施例所提供的膜蒸餾裝置可為平板式空氣隙膜蒸餾裝置，對於已經安裝好膜的組件，當熱工質流量一定時，空氣隙的間距δ確定為膜蒸餾過程中使膜與冷壁接觸的面積A』佔有效膜面積A的70-80％時的距離。所述冷壁的表面還設置有縱向溝槽(如圖7所示)，該溝槽的深度為1mm左右。這些優化的結構設計，均可使利用本實用新型的膜蒸餾裝置進行膜蒸餾操作時的膜通量得到有效提高。
為驗證本實用新型的改良結構所帶來的膜通量提高的有益效果，本實施例以空氣隙式膜蒸餾裝置(膜組件為平板式)為例，在已建立的圓形膜面、旋轉切向入流膜組件的實驗臺架上，考察系統運行參數在不同工況即熱側流量、溫差、間隙、時間變化對膜通量的影響。與現有技術中的法向入流(是指熱工質沿垂直於膜面方向流動)相比，膜通量有明顯的差別。通過實驗證明，在不同的冷熱端溫差(30℃-70℃範圍內)下，膜通量可提高12.3％-42.9％。例如，採用PTFE平板膜，原料液為自來水，熱工質入流管一個並且斜開口，熱水質量流量53.95g/s，冷卻水流量73.0g/s，空氣隙間隙2mm，熱工質容腔熱水和冷工質容腔的冷卻水溫差分別為30℃、40℃、50℃時，通過測量計算得到的膜通量比熱水直接流入熱工質容腔時膜通量增加了23.0％、26.6％、29.7％；空氣隙為3mm，熱工質容腔熱水和冷工質容腔的冷卻水溫差分別為30℃、40℃、50℃時，通過測量計算得到的膜通量比熱水直接流入熱工質容腔時膜通量增加了12.3％、21.9％、23.6％。
利用該裝置測定膜與冷壁間的接觸面積改變對膜通量的影響。試驗中，冷熱工質溫差70℃，調節熱端(熱側)流量，測量不同空氣隙厚度δ時的膜通量及膜鼓出後與冷壁接觸的面積與膜面積之間的關係(可以參看圖3、圖4的情況示意)。
空氣隙δ＝1mm時，測量到A′/A分別在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分別為48kg/m2·h、72kg/m2·h、和69kg/m2·h，獲得最大膜通量72kg/m2·h時的熱端流量70g/s左右，熱效率大於60％；
空氣隙厚度δ＝2mm時，測量到A′/A分別在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分別為45kg/m2·h、68kg/m2·h、和65kg/m2·h，獲得最大膜通量68kg/m2·h時的熱端流量85g/s左右，熱效率大於60％；空氣隙δ＝3mm時膜面與冷壁接觸較少，空氣隙δ＝4mm時膜面與冷壁完全不接觸，此時測得的膜通量均小於20kg/m2·h。
如圖2所示，本實施例的膜蒸餾裝置的熱側還安裝了超聲激勵裝置31，由大功率超聲信號發生器311、超聲換能器312組成，超聲激勵產生膜的高頻震動、空化和聲學流作用減弱膜面濃度極化，增大了膜通量。在另一驗證例中採用PTFE平板膜，熱水質量流量53.3g/s，冷卻水流量73.0g/s，空氣隙間距2mm，或者使用直接接觸式膜組件，原料液為自來水，熱工質容腔熱水和冷工質容腔的冷卻水溫差分別為30℃、40℃、50℃時，通過測量計算得到的膜通量比熱水直接流入熱工質容腔時膜通量增加了23.9％、18.0％、13.5％；空氣隙間距3mm，或者使用直接接觸式膜組件，原料液為自來水，熱工質容腔熱水和冷工質容腔的冷卻水溫差分別為30℃、40℃、50℃時，通過測量計算得到的膜通量比熱水直接流入熱工質容腔時膜通量增加了47.5％、36.3％、28.2％。溫差越小，間隙越大，超聲作用越明顯；反之超聲作用越弱。
總之，本實用新型提供了一種新型結構的膜蒸餾裝置，其通過改進熱工質的入流管結構， 使熱工質與膜面之間呈一定的傾斜角度並以旋轉切向方式衝刷膜面，這樣的方式不但有利於破壞濃度與溫度邊界層，有助於提高膜蒸餾通量，還可起到清洗膜面的作用，有效地增大膜通量。並且，本實用新型的膜蒸餾裝置具有尺寸小，結構簡單，能耗小，易拆裝清洗，成本低等優點。
權利要求1.一種膜蒸餾裝置，包括熱工質循環系統、膜組件、冷工質循環系統組成，其中所述膜組件的熱側進出口通過管路與所述熱工質循環系統組成迴路，膜組件的冷側進出口通過管路與所述冷工質循環系統組成迴路，其特徵在於，所述膜組件熱側進口處插置有至少一個具有一定長度的熱工質入流管，其前端接近膜面，且開口設置為斜開口以使熱工質的入流方向與膜面成小於90度的角度而以切向旋轉的方式衝刷膜面。
2.權利要求1所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述膜組件包括平板式、管式、卷式和中空纖維式膜組件。
3.權利要求2所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述膜組件為平板式，熱工質入流管前端設置在靠近膜組件的內壁附近。
4.權利要求1所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述熱工質入流管設有三個，且以有效膜的中心為中心，呈120°角均勻分布。
5.權利要求1-4任一項所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述熱工質入流管的斜開口上設有噴嘴。
6.根據權利要求1所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述膜組件的冷側設置有冷壁，膜的滲透側與冷壁間具有間隙，且該間隙量為可實現在蒸餾過程中使膜的滲透側與冷壁之間保持部分接觸。
7.根據權利要求6所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述膜滲透側與冷壁間的間隙量為可保持在蒸餾過程中使膜與冷壁接觸的面積佔有效膜面積的70-80％時的距離。
8.權利要求6或7所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述冷壁的表面設置有縱向溝槽。
9.權利要求1所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，膜組件的熱側設置有超聲激勵裝置。
10.權利要求9所述的膜蒸餾裝置，其特徵在於，所述超聲激勵裝置由超聲信號發生器和超聲換能器組成。
專利摘要本實用新型提供了一種膜蒸餾裝置，其包括熱工質循環系統、膜組件、冷工質循環系統，其中所述膜組件的熱側進出口通過管路與所述熱工質循環系統組成迴路，膜組件的冷側進出口通過管路與所述冷工質循環系統組成迴路，其特徵在於，所述膜組件熱側進口處插置有至少一個具有一定長度的熱工質入流管，其前端接近膜面，且開口設置為斜開口，使熱工質的入流方向與膜面成小於90度的角度而以切向旋轉的方式衝刷膜面，破壞膜表面附近的溫度和濃度極化邊界層，從而有效提高膜通量。即，本實用新型通過改變膜組件熱工質入流口的結構設計而實現提高膜通量的目的，且結構簡單、操作方便。
文檔編號B01D61/36GK2690036SQ20042004965
公開日2005年4月6日 申請日期2004年4月27日 優先權日2004年4月27日
發明者田瑞, 李嵩, 楊曉宏, 黃東濤, 汪建文, 朱之墀, 李振法, 尹招琴, 崔洪江 申請人:內蒙古工業大學