一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置與方法
2023-06-06 10:37:21
專利名稱：一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置與方法
技術領域：
本發明涉及一種膜蒸餾裝置與方法，尤其涉及水淨化處理和化工分離的膜分離處理方法。
背景技術：
膜蒸餾在近年來吸引了世界範圍內的關注和研究。與普通蒸發器比較，膜蒸餾的 一個最顯著的特徵是單位體積的蒸發麵積大，因而可以使裝置在常壓、較低溫度的蒸發過程中高效地運行，且蒸餾操作所需的汽相空間很小。與反滲透相比，膜蒸餾是熱驅動過程，操作壓力低，因此對膜機械性能的要求低，設備費用也低，過程安全性得到了提高，而且，膜蒸餾的操作壓力低，脫鹽率高，膜汙染少。膜蒸餾是一種採用疏水微孔膜，以膜兩側蒸汽壓力差為傳質驅動力的膜分離過程。在微孔疏水膜兩側的蒸汽壓差的驅動下，水蒸汽從被加熱的原水一側穿過疏水膜後再被冷凝為液態的分離過程。由於膜的疏水性，只有水蒸汽能透過膜孔，原水以及溶解在其中的非揮發性溶質無法穿過膜孔，所以膜蒸鎦過程理論上可以對離子、大分子、膠體、細胞和其它
非揮發物實現100%的脫除。微孔疏水膜在膜蒸餾過程中起兩相之間的支撐屏
蔽作用。在膜蒸餾的過程中，同時發生傳熱與傳質兩種過程，溫差極化與溫差極化現象也會同時產生，從而對膜蒸餾的過程產生不利的影響。
膜蒸餾過程的操作溫度低於傳統的蒸餾過程，而操作壓力又低於傳統的
膜分離過程；對膜的機械性能要求較低；與傳統的蒸餾過程相比，蒸汽空間顯著減少。膜蒸餾的組件可以設計成潛熱回收形式，並具有以高效的小型膜組件構成大規模生產體系的靈活性。該過程可以處理濃度極高的水溶液，如果溶質是容易結晶的物質，可以把溶液濃縮到過飽和狀態而實現膜蒸餾結晶，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程，且只要膜兩側維持適
當的溫差，該過程就可以進行，可以利用太陽能、地熱、溫泉、工廠餘熱和溫熱的工業廢水等廉價能源。
膜蒸餾技術具有操作壓力低，可得到99. 99 %的脫鹽率和在良好操作條件下高於反滲透的水通量，顯示了它作為反滲透技術的替代(大規模純水製備)或補充技術(如用於船舶飲用水等)的應用潛力，在降低投資和運行費用，提高水的利用率，減少濃水排放方面，可望取得顯著的經濟效益和社會效益。
在大量的理論與實驗研究基礎上，目前已經發展出四種不同的膜蒸餾操作方式，包括直接接觸式膜蒸餾，氣隙式膜蒸餾，氣流吹掃式膜蒸餾和真空式膜蒸餾。其中直接接觸法是將透過多孔膜的水蒸氣在冷側直接進入純水進行冷凝，因此冷凝過程集成於膜組件以內，操作相對簡單，因此是被研究最多的一種膜蒸餾方式。然而與其它操作方式相比，直接接觸膜蒸餾會導致更多的熱量損失和較為嚴重的溫差極化，是該方法不容忽視的影響因素。真空式膜蒸餾法則是在透過側施加一個負壓，將透過多孔膜的水蒸汽抽出到膜組件以外的冷凝器內進行冷凝液化。此過程的優點是熱量損失比其它三種膜蒸餾操作方法都小，蒸餾通量較高，同時，保證施加的負壓低於液體進入膜孔的壓力以防止膜孔溼化是真空式膜蒸餾運行中十分重要的一個環節。目前為止，將真空式膜蒸餾方法應用於從水體中去除揮發性溶質，從含鹽水脫鹽製備超純水，以及溶液的濃縮等的研究工作已經在世界範圍內展開。在這些研究中，各種操作條件和工藝參數如進水溫度與濃度、熱側水體循環流速和蒸汽壓差等對真空式膜蒸餾蒸汽通量的影響已經被一定程度的討論。此外，真空式膜蒸餾過程的傳熱與傳質機理也被進一步的探討。
由於膜蒸餾過程是以蒸汽壓差或溫度差為驅動力，以目前的技術水平，在純水製備領域與反滲透技術相比並無明顯優勢，但是，在高濃度水溶液濃縮方面膜蒸餾過程的發展潛力是反滲透過程無法比擬的。濃水溶液極高的滲透壓使反滲透過程無法運行，而膜蒸餾可把水溶液濃縮至過飽和狀態。
但是，至今為止，以上四種膜蒸餾方式都存在能耗高、效率低、可靠性低等一些問題。如直接接觸式膜蒸餾雖然工藝設備簡單，但由於冷熱源直接
接觸，使設備運行能耗較高，並且容易產生疏水膜親水化滲漏問題；真空式膜蒸餾雖然膜通量較大，但對系統要求較高。氣隙式膜蒸餾和氣流吹掃式膜蒸餾則通量較低。因此，研究新的膜蒸餾技術，降低投資和運行費用，可以取得顯著的經濟效益和社會效益。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供一種新型的鼓氣減壓膜蒸餾裝置和方法。
本發明提供一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特徵在於，包括依次連接的下述部件在原水側設置的水槽；連接於水槽上的水泵，抽吸水槽中的原水；設置於水泵下遊的壓縮空氣進口，用於向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器，用於混合壓縮空氣和液體，形成氣液混合流體；疏水膜組件，處理氣液混合流體；在疏水膜組件出水側設置負壓產生裝置。另外，在水泵的出口設置加熱器。
另外，在疏水膜組件的出水側設置的負壓產生裝置包括連接於疏水膜組件出水口的冷凝器，使得水蒸氣與部分壓縮空氣通過膜組件後，進行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器，進行氣體和液體的分離；集水罐，設置在氣液分離器的液體流出口，用於收集水；真空泵，設置在氣液分離器的氣體排出口，用於產生負壓抽吸。
另外，在疏水膜組件的出水側設置的負壓產生裝置包括連接於疏水膜組件出水口的射流器，產生負壓抽吸；水泵，設置在射流器的液體流入口，用於將液體通過管路排向循環水槽。
本發明還提供一種鼓氣減壓膜蒸餾方法，原水槽中的原水經過水泵提升壓力，然後通過氣液混合器混入壓縮空氣，進入膜組件中進行蒸發；通過疏水膜組件的出水側外接的負壓系統，產生抽吸作用。
本發明還提供一種使用如上所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，用於鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特徵在於在膜組件的原水側鼓入壓縮空氣的同時，在膜的出水側施加負壓。
通過本發明取得如下效果
本發明設計了新的膜蒸餾過程在原水進入疏水膜組件前的管路上鼓入低壓壓縮空氣，混合形成氣液混合流體後，再進入疏水膜組件中，在疏水膜組件的產汽出口外接負壓系統，構成鼓氣減壓膜蒸餾系統。即本發明的關鍵點在於，在膜的原水側鼓入壓縮空氣的同時，在膜的出水側施加負壓。在負壓的抽吸作用下，水蒸汽與部分壓縮空氣一起透過疏水膜，傳質機理不僅是利用疏水膜兩側水蒸氣分壓差，而且還直接利用疏水膜兩側氣體壓差傳質，因此傳質效率高。不僅利用壓縮空氣的夾帶吹掃作用將水蒸汽輸送至膜的另一側，提高傳質效率，同時，還可以降低對出水側的真空度要求，降低設備造價。
通過壓縮空氣的夾帶吹掃作用，改變膜組件中疏水膜兩側水蒸汽的傳質機理，可以提高水蒸汽的透膜傳輸速度，從而提高膜蒸餾通量。同時，可以有效減緩膜汙染。
與氣掃式膜蒸餾相比，壓縮空氣經過膜過濾，潔淨，產水水質好；空氣潤溼充分，耗氣量少。與直接接觸式膜蒸餾相比，冷熱流體不直接在膜兩側接觸冷凝，可以顯著降低能耗。
與真空膜蒸餾相比，空氣壓縮機能耗低於真空泵，電能利用效率高；設備要求簡單。
在本發明的系統中，待處理的液體可以是自來水、海水、冷卻系統排出的熱水或化工產品溶液等。
本發明可用於水的淡化或非揮發性液體的濃縮。
圖1、圖2是本發明的鼓氣減壓膜蒸餾裝置工藝裝置示意圖。
具體實施例方式
本發明的系統如圖1、圖2所示。本發明的鼓氣減壓膜蒸餾裝置從原水側看，包括依次連接的如下部件
在原水側設置的水槽l;連接於水槽上水泵2;連接於水泵出水口的加熱器3;連接在水泵2下遊的氣液混合器5，用於混合壓縮空氣和液體，形成氣液混合流體；壓縮空氣進口 4,設置在混合器5上，用於向原水鼓入低壓壓縮空氣；連接於混合器5出口的疏水膜組件6，處理氣液混合流體。
對於加熱器3，如果原水溫度達到要求，也可取消加熱器3。
此外，原水可以是^:預加熱或未加熱或直接糹皮加熱至所需溫度。
在疏水膜組件出水側設置負壓產生裝置。
在出水側可以有兩種負壓4是供方式。其一如圖1,依次由冷凝器7、氣液分離器9、集水罐8和真空泵10連接構成。其中冷凝器7連接於疏水膜組件出水口，使得水蒸氣與部分壓縮空氣通過膜組件6後，進行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器9，進行氣體和液體的分離；集水罐8，設置在氣液分離器9的液體流出口，用於收集水；真空泵IO,設置在氣液分離器9的氣體排出口，用於產生負壓抽吸。
其二如圖2,由射流真空系統的純水直接吸收液化水蒸汽，依次由水泵11、射流器12、循環水槽13連接構成。其中射流器12連接於疏水膜組件出水口，產生負壓抽吸；水泵11，設置在射流器的液體流入口，用於將液體通過管路排向循環7jc槽13;射流器的氣體出口也通過管路連接至循環水槽13。
本發明的實施方法為原水槽中的原水(可以是被預加熱或未加熱或直接被加熱至所需溫度)，經過水泵2提升壓力，通過加熱器3 (如果原水溫度達到要求，也可取消加熱器3)、氣液混合器5，進入膜組件6中進行蒸發，未蒸發的流體返回原水槽1。壓縮空氣通過管4進入氣液混合器5。在真空泵 10 (如圖1)或射流器12 (如圖2)的負壓抽吸作用下，膜組件6中蒸發的水 蒸氣與部分壓縮空氣夾帶混合，透過疏水膜，在裝置的出水側被冷凝(如圖1) 或吸收液化(如圖2)。通過壓縮空氣的夾帶吹掃作用，改變膜組件中疏7jc膜 兩側水蒸汽的傳質機理，可以提高水蒸汽的透膜傳輸速度，從而提高膜蒸餾 通量。同時，可以有效減緩膜汙染。
權利要求
1、一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特徵在於，包括依次連接的下述部件在原水側設置的水槽(1)；連接於水槽上的水泵(2)，抽吸水槽中的原水；設置於水泵(2)下遊的壓縮空氣進口(4)，用於向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器(5)，用於混合壓縮空氣和液體，形成氣液混合流體；疏水膜組件(6)，處理氣液混合流體；在疏水膜組件出水側設置負壓產生裝置。
2、 根據權利要求l所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特徵在於在水泵(2)的出口設置加熱器(3)。
3、 根據權利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特徵在於在疏水膜組件(6 )的出水側設置的負壓產生裝置包括連接於疏水膜組件出水口的冷凝器(7 )，佳:得水蒸氣與部分壓縮空氣通過膜組件(6 )後，進行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器(9)，進行氣體和液體的分離；集水罐(8 )，設置在氣液分離器(9 )的液體流出口 ，用於收集水；真空泵(IO)，設置在氣液分離器(9)的氣體排出口，用於產生負壓抽
4、 根據權利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特徵在於在疏水膜組件(6)的出水側設置的負壓產生裝置包括連接於疏水膜組件出水口的射流器(12)，產生負壓抽吸；水泵(ll),設置在射流器的液體流入口，用於將液體通過管路排向循環水槽(13)。
5、 一種鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特徵在於原水槽中的原水經過水泵(2)提升壓力，然後通過氣液混合器(5)混入壓縮空氣，進入膜組件(6)中進行蒸發；通過疏水膜組件的出水側外接的負壓系統，產生抽吸作用。
6、 一種使用權利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，用於鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特徵在於在膜組件(6)的原水側鼓入壓縮空氣的同時，在膜的出水側施加負壓。
全文摘要
本發明提供一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置及方法。鼓氣減壓膜蒸餾裝置包括依次連接的下述部件在原水側設置的水槽；連接於水槽上的水泵，抽吸水槽中的原水；設置於水泵下遊的壓縮空氣進口，用於向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器，用於混合壓縮空氣和液體，形成氣液混合流體；疏水膜組件，處理氣液混合流體；在疏水膜組件出水側設置負壓產生裝置。本發明在膜的原水側鼓入壓縮空氣的同時，在膜的出水側施加負壓。在負壓的抽吸作用下，水蒸汽與部分壓縮空氣一起透過疏水膜。不僅利用壓縮空氣的夾帶吹掃作用將水蒸汽輸送至膜的另一側，提高傳質效率，同時，還降低了對出水側的真空度要求，降低設備造價。同時，可以有效減緩膜汙染。
文檔編號B01D61/36GK101664642SQ20081014656
公開日2010年3月10日 申請日期2008年9月4日 優先權日2008年9月4日
發明者呂曉龍 申請人:天津工業大學