專(zhuān)利名稱(chēng)：一種通過(guò)膜蒸餾凈化液體、特別用于從海水、微咸水或工藝用水生產(chǎn)脫鹽水的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)膜蒸餾特別用于從海水、咸水或工業(yè)用水生產(chǎn)脫鹽水的對(duì)液體進(jìn)行凈化的方法，其包括—使一較溫?zé)岬囊后w蒸汽流(滲余流)通過(guò)一多孔膜，蒸汽經(jīng)過(guò)膜的孔隙流到該膜的另一邊，然后—將上述蒸汽在一較冷的冷凝器表面冷凝從而形成餾出流，上述冷凝器表面在要被凈化的進(jìn)液流和上述餾出流間形成了無(wú)孔分隔，并且進(jìn)液流與滲余流(retenate stream)的流向相反以使相當(dāng)比例的潛熱通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)移到進(jìn)液流，在多孔膜與冷凝器表面之間存在有厚度小于5毫米的空氣間隙。
膜蒸餾不同于已知的蒸餾工藝，例如多級(jí)閃蒸、多效蒸餾和蒸汽壓縮，在于其使用了非選擇性的多孔膜。該膜將溫?zé)岬臐B余蒸汽流和冷凝產(chǎn)物—餾出流隔開(kāi)。通過(guò)適當(dāng)選取材料(通常為聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯)，孔隙(直徑在0.00001和0.005mm之間，通常在0.0001和0.0005mm之間)不被液體潤(rùn)濕；只存在著蒸汽通過(guò)膜。
膜蒸餾首次提出是在1967年公開(kāi)的美國(guó)專(zhuān)利3 334 186。該發(fā)明的目的是為了通過(guò)使用充滿(mǎn)空氣的多孔疏水性膜來(lái)改善海水脫鹽的效率。該發(fā)明所涉及的方法為所謂的直接接觸型膜蒸餾溫?zé)岬暮Ｋ骱屠涞酿s出流與膜直接接觸。
對(duì)膜蒸餾的廣泛興趣產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代中期，當(dāng)時(shí)產(chǎn)生了新一代的含有大量孔隙的疏水性膜。然而，研究表明膜蒸餾與其相競(jìng)爭(zhēng)的其他工藝一樣昂貴，因此當(dāng)時(shí)沒(méi)有商業(yè)應(yīng)用。
四種類(lèi)型的膜蒸餾具有如下的區(qū)別1.直接接觸型膜蒸餾(DCMD)，其溫?zé)岬恼羝骱屠涞睦淠?餾出流)與膜直接接觸。
2.空氣間隙膜蒸餾(AGMD)，其冷凝器表面與膜通過(guò)空氣間隙隔開(kāi)。
3.吹掃氣體膜蒸餾，其通過(guò)惰性氣體將餾出液以蒸汽形式移出。
4.真空膜蒸餾，其通過(guò)真空將餾出物以蒸汽形式移出。該方法只涉及將易揮發(fā)組分從含水液流中移出而所關(guān)心的不是產(chǎn)生液體餾出物。
目前為止，人們對(duì)接觸型膜蒸餾關(guān)注最多。
美國(guó)專(zhuān)利4 545 862介紹了一螺旋型組件(具有平板膜)。其用于海水脫鹽的測(cè)試。在這些測(cè)試中，餾出流與和滲余蒸汽流反向流動(dòng)的海水進(jìn)入流隔開(kāi)，于是海水流有效地吸收了冷凝熱。在該專(zhuān)利的一實(shí)施例中，在溫?zé)岬臐B余流與海水之間的溫差ΔT為4℃，能量消耗為產(chǎn)生每千克餾出物僅消耗212千焦的情況下，獲得了較高的流動(dòng)速率，為每平方米每小時(shí)5.3升。
除了使用平板膜外，還已知將中空的纖維膜用于接觸型膜蒸餾的優(yōu)點(diǎn)。由于膜纖維緊密排列，能夠獲得每立方米為500平方米的表面積，從而能夠降低設(shè)備成本。此外，有人建議將接觸型膜蒸餾組件與熱交換器偶合從而回收冷凝熱。已發(fā)現(xiàn)，對(duì)于海水脫鹽，在ΔT為14-16℃和每千克水比能量消耗大于1,000千焦的情況下，獲得的餾出速率為大約每平方米每小時(shí)8.5升。自1984年以來(lái)，在DCMD的工藝方面無(wú)明顯的進(jìn)展。
英國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)GB 1 225 254 A(Henderyckx)于1971年首次介紹了空氣間隙膜蒸餾。除了使用空氣間隙外，該專(zhuān)利已建議使用流向相反的進(jìn)入流和滲余流(從而回收潛熱)。此外，在1982年德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)3 123 409中也介紹了AGMD。該專(zhuān)利申請(qǐng)涉及使用充滿(mǎn)空氣或選擇性使用一種更輕的氣體如氫氣，的間隙(厚度為3mm)，該間隙位于扁平多孔膜和冷的冷凝器表面之間。其目的在于減少由于通過(guò)膜的傳導(dǎo)而引起的顯熱(perceptible heat)的輸送。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論通過(guò)傳導(dǎo)進(jìn)行的熱量的輸送與通過(guò)蒸發(fā)進(jìn)行的熱量的輸送幾乎等同。此外，其建議進(jìn)入的海水與蒸汽流反向流動(dòng)以回收熱量。其還公開(kāi)使用太陽(yáng)能的熱量作為熱源。其介紹了一理論上的情況，即在ΔT為5℃，回收率為4.9％和產(chǎn)生每千克水大于850千焦的能量消耗情況下，獲得的餾出速率為每平方米每小時(shí)3.36千克。
歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)0 164 326介紹了膜蒸餾中使用空氣間隙，其各種結(jié)構(gòu)通過(guò)同心管道的形式構(gòu)成。該方法的變例(其中使用了平板膜的膜束)，在一篇名為一種新的膜蒸餾脫鹽法的記載測(cè)試和設(shè)計(jì)的文章中(脫鹽過(guò)程56(1985)，pp 345-354)予以介紹。令人驚奇的是，由于無(wú)法對(duì)蒸發(fā)熱進(jìn)行熱回收，因此放棄了海水與滲余流流向相反的原則。能量消耗數(shù)據(jù)也沒(méi)有提及。
國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)WO 8607585 A(1986)基于同樣的模型數(shù)據(jù)，但進(jìn)一步推斷出要獲得高流速和低的顯熱損失(300-800千焦/每千克水)所需的空氣間隙厚度為0.2至1.0mm。該模型中沒(méi)有記載熱和冷表面和內(nèi)部的溫度降低，原因在于其描述的是一個(gè)過(guò)于樂(lè)觀的畫(huà)面。
美國(guó)專(zhuān)利4 879 041介紹了專(zhuān)門(mén)用于半導(dǎo)體工業(yè)超純水制備的空氣間隙膜蒸餾。其研究了在使用平板膜時(shí)，空氣間隙的厚度在3到10mm范圍內(nèi)對(duì)傳質(zhì)和傳熱影響。從這些研究中得到的結(jié)論是厚度小于5mm時(shí)，傳遞是由擴(kuò)散決定的，厚度大于5mm時(shí)，傳遞是由對(duì)流決定的。測(cè)得的特性適中在蒸汽壓差約為20千帕的情況下，最大餾出流速為3.6千克每平方米每小時(shí)。在這里，冷凝熱也沒(méi)有被回收，因此幾年后重新回到傳統(tǒng)的沒(méi)有膜的多級(jí)蒸發(fā)也不會(huì)使人們感到驚奇。
在二十世紀(jì)九十年代，人們對(duì)膜蒸餾的關(guān)注減少了，對(duì)其關(guān)注也通常局限于接觸型膜蒸餾和對(duì)吹掃氣體膜蒸餾和用于從含水液流中去除和提取易揮發(fā)組分的真空膜蒸餾的研究。
基于上述文獻(xiàn)，對(duì)于低能量消耗的膜蒸餾系統(tǒng)需要一無(wú)空氣間隙的體系?；诂F(xiàn)有技術(shù)，如果采用空氣間隙或使用熱量回收，獲得小于850千焦每千克的能量消耗是不可能的。這與高溫差(ΔT通常大于40℃)和由其引起的高驅(qū)動(dòng)力(蒸汽壓差通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于15千帕)有關(guān)。
直接接觸型膜蒸餾系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，建設(shè)容易，并且比空氣間隙膜蒸餾系統(tǒng)便宜，而且從以前的技術(shù)中可以看到其能量消耗低。因此，從先前的技術(shù)看，選擇空氣間隙膜蒸餾用于低成本由海水或微咸水生產(chǎn)蒸餾水效果不明顯。
本發(fā)明的目的是在空氣間隙膜蒸餾的效能(每單位驅(qū)動(dòng)力的餾出速率)上有所突破，從而顯著地降低膜蒸餾系統(tǒng)的成本和能量消耗。本發(fā)明的目的主要在于，通過(guò)至少為5的因子提高其效能達(dá)到大于1千克水/每平方米膜表面積/每小時(shí)/每千帕壓力差，同時(shí)顯熱的損失小于240千焦/每千克水，或小于潛熱的10％。
為了達(dá)到該目的，前序部分中提及的方法的特征在于，在氣體間隙中保持有一壓力，該壓力低于大氣壓且高于進(jìn)液流的蒸汽壓；多孔膜的孔隙率ε大于0.7，孔隙率被理解為開(kāi)孔體積與多孔膜的總體積的比率；冷凝器表面的表面積為多孔膜表面積的1.2到6倍，優(yōu)選2到3倍；滲余流與冷凝流之間的有效局部蒸汽壓差小于10Kpa(0.1巴)，優(yōu)選小于5Kpa(0.05巴)；餾出流的顯熱通過(guò)熱交換釋放給進(jìn)液流和/或滲余流，優(yōu)選滲余流。滲余流的顯熱損失小于300千焦/每千克冷凝物(小于12％的潛熱)，比流速為大于0.5千克(優(yōu)選大于1.0千克)冷凝物/每平方米膜/每小時(shí)/每千帕水蒸氣壓差。
膜的孔隙率ε，冷凝器表面積和膜表面積的比率S，以千帕為單位的滲余流與進(jìn)液流的局部蒸汽壓差D，以厘米為單位的氣體間隙的厚度L以及氣體間隙中的絕對(duì)壓力與滲余流的局部水蒸氣壓的比率P滿(mǎn)足如下關(guān)系 已知的AGMD和/或DCMD法在上述關(guān)系中的結(jié)果為小于0.5(通常小于0.1)，并且無(wú)法獲得所需要的特性。
當(dāng)采用本發(fā)明的方法時(shí)，有利的是可以使用一些彼此相連接的組件，每個(gè)組件由一些多孔的平行連接的滲余流通道組成，這些通道被空氣間隙和來(lái)自于進(jìn)液流通道的無(wú)孔膜隔開(kāi)，進(jìn)液流通道與滲余流通道之間排放上存在一定的角度。
上述滲余流與進(jìn)液流通道間的角度在10到170°之間。
滲余流通道通常被多孔的疏水性膜(孔隙率大于70％，優(yōu)選大于80％，且孔徑大于0.1μm，優(yōu)選在0.3-0.1μm之間)。上述膜可以是由如PTFE、PVDF、PP、PP或類(lèi)似的材料制成的商品膜。也可以使用例如聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺等制成的所謂的非對(duì)稱(chēng)微孔過(guò)濾膜。在本發(fā)明中，優(yōu)選地，例如通過(guò)涂覆涂層或其他表面改性，將這些膜的表面全部或部分的進(jìn)行疏水性處理。在最簡(jiǎn)單的實(shí)施例中，滲余流通道由相互平行的中空纖維或毛細(xì)膜組成。滲余物通過(guò)這些纖維的空隙中流過(guò)。當(dāng)使用非對(duì)稱(chēng)膜時(shí)，具有最窄孔隙的膜的活性層位于滲余流一側(cè)。
但是，除了中空纖維外，滲余流通道也可以由平板膜或膜片組成，可選用螺旋型結(jié)構(gòu)。原則上，滲余流通道也可以由親水性材料構(gòu)成，例如線(xiàn)或織物，或使用無(wú)孔(但可大量使蒸汽滲透)膜。
進(jìn)液流流動(dòng)的冷凝器通道同樣優(yōu)選由纖維/毛細(xì)管構(gòu)成，該纖維/毛細(xì)管由疏水性材料制成，且平行放置。目前，這些通道為無(wú)孔的，即不允許蒸汽滲透或幾乎不允許蒸汽滲透。冷凝餾出物的排出可以通過(guò)涂布或包圍在這些纖維的親水性材料(例如織物)來(lái)進(jìn)行。也可以使用親水性材料來(lái)制備冷凝通道，在該親水性材料周?chē)纬梢粚羽s出物的薄膜，其由于重力而被排出。
根據(jù)本發(fā)明，冷凝器表面的表面積必須大于滲余流通道的表面積(1.2到6倍，優(yōu)選2到3倍)?？梢酝ㄟ^(guò)將毛細(xì)管彼此靠近和/或采用多排(通常兩或三排)來(lái)達(dá)到上述結(jié)果。
滲余流管道與冷凝器管道的間隙寬度，即所謂的氣體間隙，可以通過(guò)使用適當(dāng)?shù)膲|板來(lái)確定，該優(yōu)選由疏水性塑料制成。為了限制通過(guò)該材料從滲余流向進(jìn)液流由于傳導(dǎo)造成的顯熱損失，該材料必須為高度多孔性物質(zhì)(孔隙率優(yōu)選大于90％)。該材料的厚度決定了氣體間隙的寬度小于5mm，優(yōu)選在0.5到2mm之間。
優(yōu)選地，通過(guò)在氣體間隙中生成真空使氣體間隙充滿(mǎn)水蒸氣以使該真空大約與在上述組件中的滲余流的蒸汽壓相等。這使傳質(zhì)(從滲余流向冷凝器的水蒸氣傳遞)性能優(yōu)異，而且限制了顯熱的損失。該真空可以通過(guò)使用在底部運(yùn)行的真空泵產(chǎn)生，且由此最冷，最低壓力占主導(dǎo)地位的組件，和通過(guò)地耐流動(dòng)性的調(diào)節(jié)，在某些或所有組件之間的真空是可以或者是不可以控制的。對(duì)于可能含有氣體的冷凝液也可以通過(guò)位于每個(gè)組件的抽水泵進(jìn)行排放。但是，氣體間隙也可以處于大氣壓或其附近，且充滿(mǎn)惰性氣體，例如空氣或優(yōu)選(與傳質(zhì)和傳熱相連接)氫氣或氦氣，二氧化碳，氮?dú)?，也可以使用相似的氣體。
本發(fā)明的方法可以通過(guò)許多實(shí)施例進(jìn)行實(shí)施。通常使用裝備有用于進(jìn)液流和滲余流的中空纖維的交叉流組件。但是，也可以使用膜片或膜板，優(yōu)選具有螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，或含有限制流動(dòng)通道的由多個(gè)毛細(xì)管狀的通道構(gòu)成的板狀結(jié)構(gòu)，用于滲余流。
在所述方法的第一個(gè)實(shí)施例中，將被加熱的進(jìn)液流與滲余蒸汽流以完全相反的流動(dòng)方向流動(dòng)，冷凝餾出流以與滲余流流動(dòng)方向相同和/或與進(jìn)液流流動(dòng)方向相反的方向流動(dòng)，通過(guò)這種方法顯熱也得以回收。
在該實(shí)施例的一個(gè)變例中，滲余流交替與殘余熱流和進(jìn)液流進(jìn)行熱交換。該變例具有的優(yōu)點(diǎn)在于，殘余熱得以充分應(yīng)用且進(jìn)液流入口一側(cè)的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)溫差的升高而得以維持。適用于該變例的組件具有超緊密的結(jié)構(gòu)，而且建設(shè)費(fèi)用也不高。
根據(jù)第一個(gè)實(shí)施例的原理，該替代實(shí)施例使得滲余流也可以與一冷卻水流進(jìn)行熱交換，形成另外一餾出流。
在第二個(gè)變例中，在滲余流通過(guò)向進(jìn)液流排放蒸發(fā)熱而被冷卻后，通過(guò)不透蒸汽的通道以用于冷卻的相同滲余流形成交叉流而將該滲余流引入，而被用作冷凝器。這樣餾出流既可通過(guò)進(jìn)液流冷卻而形成也可以通過(guò)滲余流冷卻而形成。
本發(fā)明也涉及用于上述方法的組件。該組件由一些相互連接的部件組成，該部件由用于進(jìn)液流的基本上相互平行的無(wú)孔纖維膜，以及用于滲余流的基本上相互平行的多孔纖維膜組成，其中多孔纖維膜與無(wú)孔纖維膜成10到170°的角度，在每?jī)蓚€(gè)相鄰層的無(wú)孔纖維膜之間設(shè)計(jì)有一層多孔纖維膜，通過(guò)墊板多孔纖維膜層與無(wú)孔纖維膜層保持一定距離，該距離小于5mm。每個(gè)部件具有用于進(jìn)液流供給的配送室，與其相對(duì)應(yīng)設(shè)置的用于進(jìn)液流排放的配送室以及用于滲余流供給的配送室，與其對(duì)應(yīng)設(shè)置的用于滲余液排放的配送室。
現(xiàn)在通過(guò)參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。


圖1顯示了本發(fā)明方法的第一個(gè)實(shí)施例。
圖2顯示了本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施例(第一個(gè)變例)。
圖3顯示了本發(fā)明方法的第三個(gè)實(shí)施例(第二個(gè)變例)。
圖4顯示了所使用的一個(gè)組件可能的結(jié)構(gòu)。
圖5顯示了圖4中沿V-V線(xiàn)的斷面圖。
圖6顯示了本發(fā)明方法的第一個(gè)實(shí)施例中所用的組件。
圖7顯示了本發(fā)明方法的第二個(gè)實(shí)施例中所用的組件。
圖8顯示了本發(fā)明方法的第三個(gè)實(shí)施例中所用的組件。
圖中，進(jìn)液流(例如海水)用具有一個(gè)箭頭的單箭頭表示，滲余流用具有兩個(gè)箭頭的箭頭表示，蒸汽流用虛線(xiàn)表示，餾出流(為冷凝流，通常為產(chǎn)物流，例如脫鹽水)用具有三個(gè)箭頭的箭頭表示。多孔膜表面用虛線(xiàn)表示，冷凝器表面用實(shí)線(xiàn)表示。
在圖1中，進(jìn)液流(例如海水)被無(wú)孔膜2所限制，其用1表示，滲余流被多孔膜4所限制，其用3表示。5為位于無(wú)孔膜2和多孔膜4之間的氣體間隙，6為熱交換器，7為用于將進(jìn)液流流入熱交換器6的通道，該進(jìn)液流已被加熱到一定程度。在無(wú)孔膜2和熱交換器中已被加熱的滲余流通過(guò)通道8進(jìn)入被多孔膜4限制的室。9為流經(jīng)膜4的孔隙的蒸汽流，10為在較冷的膜上2冷凝的液體流(例如脫鹽水)。進(jìn)液流1和滲余流3流向相反。對(duì)于進(jìn)液流1和餾出/冷凝/產(chǎn)物流10流動(dòng)方向也相反。這個(gè)后者的反向流動(dòng)使得所謂的顯熱得以回收。(優(yōu)選地)也可以通過(guò)將流10與滲余流，而后選擇性地與流1同向流動(dòng)經(jīng)過(guò)熱交換器而進(jìn)入來(lái)實(shí)現(xiàn)顯熱的回收。氣體間隙的寬度小于5mm。
用以將液態(tài)純水從海水(35克/升鹽)中分離出來(lái)，收率為0到100％，所需的最小熱動(dòng)力能量約為3-15MJ/m3。這意味著以蒸餾為基礎(chǔ)的脫鹽法的能量消耗由次數(shù)，且能夠用于回收水的蒸發(fā)熱(大約2326MJ/m3)的能量損失所決定。這由過(guò)程的回路以及蒸發(fā)/傳質(zhì)必需的驅(qū)動(dòng)力所決定。
該過(guò)程比能量消耗主要由必需的驅(qū)動(dòng)力(對(duì)蒸發(fā)的液流加熱)，被蒸發(fā)物流的吸熱能力以及由滲余流與被蒸發(fā)的液流之間顯熱的損失所決定。因此，傳質(zhì)(它決定了必需的驅(qū)動(dòng)力)、傳熱(特別是顯熱)和過(guò)程的回路/組件的設(shè)計(jì)尤為重要。
已發(fā)現(xiàn)，至少10個(gè)組件能產(chǎn)生一理想的反向流。通過(guò)使用空氣間隙(考慮通過(guò)墊板進(jìn)行的傳導(dǎo))，總的熱量損失(即顯熱的傳導(dǎo))可以被限制在小于潛熱損失(通過(guò)傳質(zhì))的10％。對(duì)于傳質(zhì)總系數(shù)為0.06m/sec(對(duì)于通過(guò)聚丙烯中空纖維進(jìn)行的水蒸氣的滲透，測(cè)定的該值為0.12m/sec)，在溫差小于或等于2℃的情況下，所需餾出流速為大于71/m2.h。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明所建造的組件，其顯熱損失為10％，對(duì)于溫差為2℃的熱平衡產(chǎn)生的熱量回收為10.6％，能量消耗為82MJ/m3(海水的熱容為4.2MJ/m3.K，蒸發(fā)焓為2326MJ/m3)。在本發(fā)明中，顯熱也同樣被回收是尤為重要的；組件的設(shè)計(jì)使餾出流能夠在與滲余流相同或低于滲余流的溫度下離開(kāi)組件。傳質(zhì)也可以被顯著提高，而且通過(guò)在組件中使用真空顯熱的相對(duì)損失也可以被進(jìn)一步減少。這就使得可以在很低的驅(qū)動(dòng)力(溫差)下對(duì)本發(fā)明的組件進(jìn)行操作，從而伴隨有低的能量消耗。
上述方法的變例示于圖2，其中殘余熱(在冷凝后可能殘留)隨排出的液體得以利用。該熱不僅用來(lái)獲得高的溫度，而是液體在與滲余流進(jìn)行熱交換過(guò)程中被冷卻至其可排放的溫度。主要的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)殘余熱(能量)的更充分的利用，同時(shí)通過(guò)提高溫差在組件底部的驅(qū)動(dòng)力得以保持，其原因在于該類(lèi)型的組件在結(jié)構(gòu)上可以極緊密，同時(shí)建設(shè)費(fèi)用不高。作為對(duì)圖1所示實(shí)施例的補(bǔ)充，這里有一流動(dòng)通道11，其中經(jīng)通道12供給的較溫?zé)岬囊后w與滲余流3進(jìn)行熱交換。正如與圖1所示的實(shí)施例中的情況相同，其結(jié)果是產(chǎn)生了冷凝流10。按這種方法建造的一些組件可以串接起來(lái)，通過(guò)冷卻水流12已被冷卻后的從組件3中流出的滲余流作為進(jìn)液流1被供給下一個(gè)組件，在該組件中殘余熱用以加熱滲余流3，冷卻水流12在分隔開(kāi)的組件13中反向流動(dòng)，組件13含有多孔膜14和一窄的氣體間隙15。氣體間隙15小于5mm。在該實(shí)施例中，一分隔開(kāi)的冷凝流10也在組件中產(chǎn)生，在該組件中冷卻水用作熱交換介質(zhì)。
第三個(gè)實(shí)施例示于圖3，其中多孔滲余流膜片4a與無(wú)孔滲余流膜片4b交替，兩者均在無(wú)孔膜2附近形成冷凝流，無(wú)孔膜2限制了進(jìn)液流1，并且在滲余流膜4b的無(wú)孔部分限制了滲余流。在該實(shí)施例中，在組件中產(chǎn)生真空同樣是有利的。
在圖1、圖2和圖3中所示的實(shí)施例中所使用的可能的組件實(shí)施例示于圖4和圖5。其中，組件包含一方形管，構(gòu)成室的壁，其壁上有一開(kāi)口16，即進(jìn)液流配送室17用于較冷的進(jìn)液流1，與其相對(duì)的排放配送室18，，用于已被加熱到一定程度的進(jìn)液流1，進(jìn)液流配送室19用于滲余流2，排放配送室20用于已被冷卻到一定程度的滲余流3。無(wú)孔中空纖維層21，其中進(jìn)液流1從室17流入室18，在室17和18中擴(kuò)展開(kāi)。這些纖維的表面積比多孔纖維或片22的表面積大(大1.2到6倍，優(yōu)選大2到3倍)。此外，為了產(chǎn)生更大的冷凝表面積，還可以有幾層(例如2-4層)。中空纖維層22，其中滲余流3從室19流到室20，在每個(gè)相鄰的中空纖維層21之間擴(kuò)展。在該圖中，中空多孔纖維22與中空纖維21成90°，但該角度可以在10到170°的范圍內(nèi)。此外，層22也可以通過(guò)平板膜包覆形成，其中用適當(dāng)?shù)膲|板使流動(dòng)通道打開(kāi)。纖維21和22通過(guò)充滿(mǎn)氣體(例如水蒸氣或惰性氣體)高度多孔的墊板層或充氣帶(孔隙率大于70％，優(yōu)選大于90％)而被分開(kāi)。
每一個(gè)部件均有連接方法(例如卡環(huán)或樹(shù)脂化合物)，其在圖上沒(méi)有表示出來(lái)，通過(guò)與相鄰組件的連接以使進(jìn)液流能夠從組件的室18流入下一個(gè)組件的室17，使?jié)B余流能夠從組件的室20流入前一個(gè)組件的室19(參見(jiàn)圖6)。
依據(jù)部件的設(shè)計(jì)，連通開(kāi)口16可以在圖4所示的以外位置設(shè)置。相互連接的一些部件(一般為5到20個(gè))構(gòu)成一個(gè)組件。
當(dāng)使用根據(jù)圖1的第一個(gè)實(shí)施例時(shí)，進(jìn)液流1，滲余流3和冷凝流10的各種流動(dòng)通道示于圖6。為了清楚起見(jiàn)，在圖6中彼此分開(kāi)的四個(gè)組件實(shí)際上是彼此連接的。進(jìn)液流(例如海水)流經(jīng)無(wú)孔中空纖維21，滲余流3(例如鹽水)通過(guò)多空中空纖維22，冷凝/餾出/產(chǎn)物流(例如脫鹽水)一滴滴從組件中流下。把組件作為一個(gè)整體來(lái)看，進(jìn)液流1和滲余流3流向相反(在圖中，液流1從底部向頂部流動(dòng)，而液流3從頂部向底部流動(dòng))。此外，在該實(shí)施例中，冷凝/餾出流10與進(jìn)液流1流向相反，而且在每個(gè)組件中進(jìn)液流1與滲余流3彼此交叉(角度優(yōu)選90°，可以在10到170°的范圍內(nèi))。真空泵24與底部的組件相連接，其目的在于通過(guò)減少顯熱的相對(duì)損失從而降低能量的消耗，提高傳質(zhì)并且在非常低的驅(qū)動(dòng)力(ΔT)下提供操作的可能性。
圖7與圖6的不同之處在于，滲余流也與殘余熱流12在組件的部分25進(jìn)行熱交換。實(shí)際上，這里所關(guān)心的是對(duì)圖2所示實(shí)施例中所用的組件進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)展。在組件的部分25，用于進(jìn)行殘余熱和滲余流傳遞的無(wú)孔膜纖維彼此交叉。組件的部分25可以與一個(gè)組件形成一個(gè)完整的整體，其中進(jìn)液流1和滲余流3供給流向彼此相反。
根據(jù)圖3的流動(dòng)圖的進(jìn)一步發(fā)展示于圖8。滲余流既與進(jìn)液流形成交叉流動(dòng)，而且與其自身也進(jìn)行交叉流動(dòng)(在通過(guò)與進(jìn)液流進(jìn)行熱交換而被冷卻后)。為清楚起見(jiàn)，滲余流可能的溫度示于圖中。冷凝/餾出/產(chǎn)物流10，例如脫鹽水，既可以在滲余流與進(jìn)液流彼此交叉流動(dòng)的組件中制備，也可以在滲余流與滲余流彼此交叉流動(dòng)的組件中制備。
已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用本發(fā)明，在蒸汽流與冷凝流的蒸汽壓差小的情況下，例如小于0.1巴，也可以由海水生產(chǎn)淡水，其比能量消耗小于200KJ/Kg，也就是說(shuō)，比已知的膜蒸餾法低大約4-8倍。
本發(fā)明特別適用于海水的脫鹽?，F(xiàn)存的該方面的技術(shù)，例如多級(jí)閃蒸和反向滲透，已經(jīng)發(fā)展到了其幾乎最大的限度，而且由于能量消耗高且單位產(chǎn)品投資水平高，與目前岸上純化生產(chǎn)工藝相比較成本高。通過(guò)使用本發(fā)明，獲得了令人滿(mǎn)意的結(jié)果流動(dòng)速率高，熱損失低，能量消耗非常低，水回收率高，水質(zhì)好并且在水生產(chǎn)的成本方面有了突破。本方法適用于在相當(dāng)?shù)偷臏囟?低等級(jí)熱，廢熱，太陽(yáng)熱收集器等)下使用。特別是在小規(guī)模應(yīng)用的情況下，預(yù)期在能效方面有重大的改善。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)膜蒸餾凈化液體、特別用于由海水、微咸水或工藝用水生產(chǎn)脫鹽水的方法，其包括—使一較溫?zé)岬囊后w蒸汽流(滲余流)通過(guò)一多孔膜，蒸汽經(jīng)過(guò)膜的孔隙流到該膜的另一邊，然后—將上述蒸汽在一較冷的冷凝器表面冷凝從而形成餾出流，上述冷凝器表面在要被凈化的進(jìn)液流和上述餾出流之間形成了無(wú)孔分隔，并且進(jìn)液流與滲余流的流向相反以使相當(dāng)比例的潛熱通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)移到進(jìn)液流，在多孔膜與冷凝器表面間存在著一個(gè)厚度小于5毫米的空氣間隙，其特征在于，在氣體間隙保持有一壓力，該壓力低于大氣壓且高于進(jìn)液流的蒸汽壓；多孔膜的孔隙率ε大于0.7，孔隙率被理解為開(kāi)孔體積與多孔膜的總體積的比率；冷凝器表面的表面積為多孔膜表面積的1.2到6倍，優(yōu)選2到3倍；滲余流與冷凝流之間的有效局部蒸汽壓差小于10Kpa(0.1巴)，優(yōu)選小于5Kpa(0.05巴)；且餾出流的顯熱通過(guò)熱交換釋放給進(jìn)液流和/或滲余流，優(yōu)選滲余流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于滲余流的顯熱損失小于300千焦每千克冷凝物(小于潛熱的12％)，且具體的流速為大于0.5千克(優(yōu)選大于1.0千克)每平方米膜每小時(shí)每千帕水蒸汽壓差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于膜的孔隙率ε，冷凝器表面積和膜表面積的比率S，以千帕為單位的滲余流與進(jìn)液流的局部蒸汽壓差D，以厘米為單位的氣體間隙的厚度L以及氣體間隙的絕對(duì)壓力與滲余流的局部水蒸氣壓的比率P滿(mǎn)足如下關(guān)系
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于使用一些相互連接，并通過(guò)一些平行放置的多孔滲余物通道組成的組件，其通過(guò)上述氣體間隙和上述無(wú)孔膜與進(jìn)液流通道相隔開(kāi)，進(jìn)液流通道的放置與滲余流通道成一定的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于上述滲余流與進(jìn)液流通道間的角度在10到170°之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的方法，其特征在于膜的孔隙大于0.1μm。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于滲余流通道是由疏水性多孔膜材料制成的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于進(jìn)液流通道是由疏水性材料制成，該疏水性材料在冷凝餾出物排出一側(cè)被親水性材料所覆蓋或包圍。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于進(jìn)液流通道由親水性材料制成成。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于滲余流與進(jìn)液流通道間氣體間隙的寬度通過(guò)使用導(dǎo)熱性差的疏水性墊板確定，其孔隙率為大于70％，優(yōu)選大于90％。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于氣體間隙充滿(mǎn)惰性氣體，例如H2、CO2、N2，優(yōu)選He。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于該過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力由外部能量源以液體、蒸汽/氣體或固體形式提供，該外部能量源來(lái)源于石油、太陽(yáng)能的熱、地?zé)幔罅抗に囘^(guò)程中產(chǎn)生的殘余熱或廢熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于外部能量源也用來(lái)加熱由于蒸發(fā)而冷卻的滲余流，同時(shí)在與殘熱流和進(jìn)液流進(jìn)行熱交換過(guò)程中交替的滲余流。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于滲余流也與冷卻水流進(jìn)行熱交換，同時(shí)形成另一餾出流。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的方法，其特征在于，在滲余液通過(guò)向進(jìn)液流排放了蒸發(fā)熱而已被冷卻后，將該滲余液通過(guò)不透蒸汽的通道以與待冷卻的相同滲余流成交叉流動(dòng)的方向送入用作冷凝劑，餾出流既可通過(guò)進(jìn)液流冷卻形成，也可以通過(guò)滲余流的冷卻形成。
16.適用于前述權(quán)利要求之一的方法的組件，其特征在于，上述組件由彼此連接的許多部件組成，每一個(gè)部件由用于進(jìn)液流的基本平行的無(wú)孔纖維膜層和用于滲余流的基本平行多空纖維膜層組成，其中多孔纖維膜與無(wú)孔纖維膜成10到170°的角度，其特征還在于，在每?jī)蓚€(gè)相鄰的或由幾層構(gòu)成的每?jī)山M無(wú)孔纖維膜之間擺放一層或由幾層構(gòu)成的一組多孔纖維膜，每層多孔纖維膜或每組由幾層構(gòu)成的多孔纖維膜通過(guò)墊板與無(wú)孔纖維膜間隔一定距離，該距離小于3mm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的組件，其特征在于每一個(gè)部件都有一個(gè)用于供給進(jìn)液流的配送室，一個(gè)與其對(duì)應(yīng)設(shè)置的用于進(jìn)液流排放的配送室，一個(gè)用于供給滲余流的配送室和一個(gè)與其對(duì)應(yīng)設(shè)置的用于排放滲余流的配送室。
全文摘要
本發(fā)明的方法包括以下步驟:使一溫?zé)岬囊后w蒸汽流(滲余流)(3)通過(guò)一多孔膜(4),蒸汽(9)流經(jīng)膜(4)的孔,將上述蒸汽(9)在冷的冷凝器表面(2)冷凝從而形成餾出流(10),上述冷凝器表面(2)將進(jìn)液流(1)和上述餾出流(10)隔開(kāi),并且進(jìn)液流(1)與滲余流(3)的流向相反,在多孔膜(4)與冷凝器表面(2)之間存在有厚度小于5毫米的空氣間隙。為了提高每單位驅(qū)動(dòng)力的餾出速率,空氣間隙(5)中保持有一壓力,該壓力小于大氣壓但高于進(jìn)液流的蒸汽壓,多孔膜(4)的孔隙率高于0.7,冷凝器表面的表面積為多孔膜(4)表面積的1.2到6倍,滲余流(3)與餾出流的顯熱之間的有效局部蒸汽壓差通過(guò)熱交換釋放給進(jìn)液流(1)和/或滲余流(3)。
文檔編號(hào)B01D61/36GK1352573SQ00808139
公開(kāi)日2002年6月5日 申請(qǐng)日期2000年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月27日
發(fā)明者揚(yáng)·亨德里克·哈內(nèi)麥耶爾, 揚(yáng)·威廉·范赫芬 申請(qǐng)人:荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究會(huì)(Nto)