專(zhuān)利名稱(chēng)：一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜蒸餾裝置與方法，尤其涉及水凈化處理和化工分離的膜分離處理方法。
背景技術(shù)：
膜蒸餾在近年來(lái)吸引了世界范圍內(nèi)的關(guān)注和研究。與普通蒸發(fā)器比較，膜蒸餾的 一個(gè)最顯著的特征是單位體積的蒸發(fā)面積大，因而可以使裝置在常壓、較低溫度的蒸發(fā)過(guò)程中高效地運(yùn)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(qū)動(dòng)過(guò)程，操作壓力低，因此對(duì)膜機(jī)械性能的要求低，設(shè)備費(fèi)用也低，過(guò)程安全性得到了提高，而且，膜蒸餾的操作壓力低，脫鹽率高，膜污染少。膜蒸餾是一種采用疏水微孔膜，以膜兩側(cè)蒸汽壓力差為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的膜分離過(guò)程。在微孔疏水膜兩側(cè)的蒸汽壓差的驅(qū)動(dòng)下，水蒸汽從被加熱的原水一側(cè)穿過(guò)疏水膜后再被冷凝為液態(tài)的分離過(guò)程。由于膜的疏水性，只有水蒸汽能透過(guò)膜孔，原水以及溶解在其中的非揮發(fā)性溶質(zhì)無(wú)法穿過(guò)膜孔，所以膜蒸鎦過(guò)程理論上可以對(duì)離子、大分子、膠體、細(xì)胞和其它
非揮發(fā)物實(shí)現(xiàn)100%的脫除。微孔疏水膜在膜蒸餾過(guò)程中起兩相之間的支撐屏
蔽作用。在膜蒸餾的過(guò)程中，同時(shí)發(fā)生傳熱與傳質(zhì)兩種過(guò)程，溫差極化與溫差極化現(xiàn)象也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，從而對(duì)膜蒸餾的過(guò)程產(chǎn)生不利的影響。
膜蒸餾過(guò)程的操作溫度低于傳統(tǒng)的蒸餾過(guò)程，而操作壓力又低于傳統(tǒng)的
膜分離過(guò)程；對(duì)膜的機(jī)械性能要求較低；與傳統(tǒng)的蒸餾過(guò)程相比，蒸汽空間顯著減少。膜蒸餾的組件可以設(shè)計(jì)成潛熱回收形式，并具有以高效的小型膜組件構(gòu)成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性。該過(guò)程可以處理濃度極高的水溶液，如果溶質(zhì)是容易結(jié)晶的物質(zhì)，可以把溶液濃縮到過(guò)飽和狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)膜蒸餾結(jié)晶，是目前唯一能從溶液中直接分離出結(jié)晶產(chǎn)物的膜過(guò)程，且只要膜兩側(cè)維持適
當(dāng)?shù)臏夭?，該過(guò)程就可以進(jìn)行，可以利用太陽(yáng)能、地?zé)?、溫泉、工廠余熱和溫?zé)岬墓I(yè)廢水等廉價(jià)能源。
膜蒸餾技術(shù)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于反滲透的水通量，顯示了它作為反滲透技術(shù)的替代(大規(guī)模純水制備)或補(bǔ)充技術(shù)(如用于船舶飲用水等)的應(yīng)用潛力，在降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，提高水的利用率，減少濃水排放方面，可望取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
在大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)發(fā)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(guò)多孔膜的水蒸氣在冷側(cè)直接進(jìn)入純水進(jìn)行冷凝，因此冷凝過(guò)程集成于膜組件以?xún)?nèi)，操作相對(duì)簡(jiǎn)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(huì)導(dǎo)致更多的熱量損失和較為嚴(yán)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(guò)側(cè)施加一個(gè)負(fù)壓，將透過(guò)多孔膜的水蒸汽抽出到膜組件以外的冷凝器內(nèi)進(jìn)行冷凝液化。此過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，保證施加的負(fù)壓低于液體進(jìn)入膜孔的壓力以防止膜孔濕化是真空式膜蒸餾運(yùn)行中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前為止，將真空式膜蒸餾方法應(yīng)用于從水體中去除揮發(fā)性溶質(zhì)，從含鹽水脫鹽制備超純水，以及溶液的濃縮等的研究工作已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開(kāi)。在這些研究中，各種操作條件和工藝參數(shù)如進(jìn)水溫度與濃度、熱側(cè)水體循環(huán)流速和蒸汽壓差等對(duì)真空式膜蒸餾蒸汽通量的影響已經(jīng)被一定程度的討論。此外，真空式膜蒸餾過(guò)程的傳熱與傳質(zhì)機(jī)理也被進(jìn)一步的探討。
由于膜蒸餾過(guò)程是以蒸汽壓差或溫度差為驅(qū)動(dòng)力，以目前的技術(shù)水平，在純水制備領(lǐng)域與反滲透技術(shù)相比并無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，但是，在高濃度水溶液濃縮方面膜蒸餾過(guò)程的發(fā)展?jié)摿κ欠礉B透過(guò)程無(wú)法比擬的。濃水溶液極高的滲透壓使反滲透過(guò)程無(wú)法運(yùn)行，而膜蒸餾可把水溶液濃縮至過(guò)飽和狀態(tài)。
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(wèn)題。如直接接觸式膜蒸餾雖然工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，但由于冷熱源直接
接觸，使設(shè)備運(yùn)行能耗較高，并且容易產(chǎn)生疏水膜親水化滲漏問(wèn)題；真空式膜蒸餾雖然膜通量較大，但對(duì)系統(tǒng)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(shù)，降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，可以取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明提供一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特征在于，包括依次連接的下述部件在原水側(cè)設(shè)置的水槽；連接于水槽上的水泵，抽吸水槽中的原水；設(shè)置于水泵下游的壓縮空氣進(jìn)口，用于向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器，用于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(cè)設(shè)置負(fù)壓產(chǎn)生裝置。另外，在水泵的出口設(shè)置加熱器。
另外，在疏水膜組件的出水側(cè)設(shè)置的負(fù)壓產(chǎn)生裝置包括連接于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(guò)膜組件后，進(jìn)行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器，進(jìn)行氣體和液體的分離；集水罐，設(shè)置在氣液分離器的液體流出口，用于收集水；真空泵，設(shè)置在氣液分離器的氣體排出口，用于產(chǎn)生負(fù)壓抽吸。
另外，在疏水膜組件的出水側(cè)設(shè)置的負(fù)壓產(chǎn)生裝置包括連接于疏水膜組件出水口的射流器，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸；水泵，設(shè)置在射流器的液體流入口，用于將液體通過(guò)管路排向循環(huán)水槽。
本發(fā)明還提供一種鼓氣減壓膜蒸餾方法，原水槽中的原水經(jīng)過(guò)水泵提升壓力，然后通過(guò)氣液混合器混入壓縮空氣，進(jìn)入膜組件中進(jìn)行蒸發(fā)；通過(guò)疏水膜組件的出水側(cè)外接的負(fù)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生抽吸作用。
本發(fā)明還提供一種使用如上所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，用于鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特征在于在膜組件的原水側(cè)鼓入壓縮空氣的同時(shí)，在膜的出水側(cè)施加負(fù)壓。
通過(guò)本發(fā)明取得如下效果
本發(fā)明設(shè)計(jì)了新的膜蒸餾過(guò)程在原水進(jìn)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后，再進(jìn)入疏水膜組件中，在疏水膜組件的產(chǎn)汽出口外接負(fù)壓系統(tǒng)，構(gòu)成鼓氣減壓膜蒸餾系統(tǒng)。即本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)在于，在膜的原水側(cè)鼓入壓縮空氣的同時(shí)，在膜的出水側(cè)施加負(fù)壓。在負(fù)壓的抽吸作用下，水蒸汽與部分壓縮空氣一起透過(guò)疏水膜，傳質(zhì)機(jī)理不僅是利用疏水膜兩側(cè)水蒸氣分壓差，而且還直接利用疏水膜兩側(cè)氣體壓差傳質(zhì)，因此傳質(zhì)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(cè)，提高傳質(zhì)效率，同時(shí)，還可以降低對(duì)出水側(cè)的真空度要求，降低設(shè)備造價(jià)。
通過(guò)壓縮空氣的夾帶吹掃作用，改變膜組件中疏水膜兩側(cè)水蒸汽的傳質(zhì)機(jī)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(shí)，可以有效減緩膜污染。
與氣掃式膜蒸餾相比，壓縮空氣經(jīng)過(guò)膜過(guò)濾，潔凈，產(chǎn)水水質(zhì)好；空氣潤(rùn)濕充分，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(cè)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(jī)能耗低于真空泵，電能利用效率高；設(shè)備要求簡(jiǎn)單。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，待處理的液體可以是自來(lái)水、海水、冷卻系統(tǒng)排出的熱水或化工產(chǎn)品溶液等。
本發(fā)明可用于水的淡化或非揮發(fā)性液體的濃縮。


圖1、圖2是本發(fā)明的鼓氣減壓膜蒸餾裝置工藝裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)如圖1、圖2所示。本發(fā)明的鼓氣減壓膜蒸餾裝置從原水側(cè)看，包括依次連接的如下部件
在原水側(cè)設(shè)置的水槽l;連接于水槽上水泵2;連接于水泵出水口的加熱器3;連接在水泵2下游的氣液混合器5，用于混合壓縮空氣和液體，形成氣液混合流體；壓縮空氣進(jìn)口 4,設(shè)置在混合器5上，用于向原水鼓入低壓壓縮空氣；連接于混合器5出口的疏水膜組件6，處理氣液混合流體。
對(duì)于加熱器3，如果原水溫度達(dá)到要求，也可取消加熱器3。
此外，原水可以是^:預(yù)加熱或未加熱或直接纟皮加熱至所需溫度。
在疏水膜組件出水側(cè)設(shè)置負(fù)壓產(chǎn)生裝置。
在出水側(cè)可以有兩種負(fù)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(gòu)成。其中冷凝器7連接于疏水膜組件出水口，使得水蒸氣與部分壓縮空氣通過(guò)膜組件6后，進(jìn)行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器9，進(jìn)行氣體和液體的分離；集水罐8，設(shè)置在氣液分離器9的液體流出口，用于收集水；真空泵IO,設(shè)置在氣液分離器9的氣體排出口，用于產(chǎn)生負(fù)壓抽吸。
其二如圖2,由射流真空系統(tǒng)的純水直接吸收液化水蒸汽，依次由水泵11、射流器12、循環(huán)水槽13連接構(gòu)成。其中射流器12連接于疏水膜組件出水口，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸；水泵11，設(shè)置在射流器的液體流入口，用于將液體通過(guò)管路排向循環(huán)7jc槽13;射流器的氣體出口也通過(guò)管路連接至循環(huán)水槽13。
本發(fā)明的實(shí)施方法為原水槽中的原水(可以是被預(yù)加熱或未加熱或直接被加熱至所需溫度)，經(jīng)過(guò)水泵2提升壓力，通過(guò)加熱器3 (如果原水溫度達(dá)到要求，也可取消加熱器3)、氣液混合器5，進(jìn)入膜組件6中進(jìn)行蒸發(fā)，未蒸發(fā)的流體返回原水槽1。壓縮空氣通過(guò)管4進(jìn)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(fù)壓抽吸作用下，膜組件6中蒸發(fā)的水 蒸氣與部分壓縮空氣夾帶混合，透過(guò)疏水膜，在裝置的出水側(cè)被冷凝(如圖1) 或吸收液化(如圖2)。通過(guò)壓縮空氣的夾帶吹掃作用，改變膜組件中疏7jc膜 兩側(cè)水蒸汽的傳質(zhì)機(jī)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(shí)，可以有效減緩膜污染。
權(quán)利要求
1、一種鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特征在于，包括依次連接的下述部件在原水側(cè)設(shè)置的水槽(1)；連接于水槽上的水泵(2)，抽吸水槽中的原水；設(shè)置于水泵(2)下游的壓縮空氣進(jìn)口(4)，用于向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器(5)，用于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(cè)設(shè)置負(fù)壓產(chǎn)生裝置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特征在于在水泵(2)的出口設(shè)置加熱器(3)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特征在于在疏水膜組件(6 )的出水側(cè)設(shè)置的負(fù)壓產(chǎn)生裝置包括連接于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(guò)膜組件(6 )后，進(jìn)行冷凝；與冷凝器出口連接的氣液分離器(9)，進(jìn)行氣體和液體的分離；集水罐(8 )，設(shè)置在氣液分離器(9 )的液體流出口 ，用于收集水；真空泵(IO)，設(shè)置在氣液分離器(9)的氣體排出口，用于產(chǎn)生負(fù)壓抽
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，其特征在于在疏水膜組件(6)的出水側(cè)設(shè)置的負(fù)壓產(chǎn)生裝置包括連接于疏水膜組件出水口的射流器(12)，產(chǎn)生負(fù)壓抽吸；水泵(ll),設(shè)置在射流器的液體流入口，用于將液體通過(guò)管路排向循環(huán)水槽(13)。
5、 一種鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特征在于原水槽中的原水經(jīng)過(guò)水泵(2)提升壓力，然后通過(guò)氣液混合器(5)混入壓縮空氣，進(jìn)入膜組件(6)中進(jìn)行蒸發(fā)；通過(guò)疏水膜組件的出水側(cè)外接的負(fù)壓系統(tǒng)，產(chǎn)生抽吸作用。
6、 一種使用權(quán)利要求1所述的鼓氣減壓膜蒸餾裝置，用于鼓氣減壓膜蒸餾方法，其特征在于在膜組件(6)的原水側(cè)鼓入壓縮空氣的同時(shí)，在膜的出水側(cè)施加負(fù)壓。
全文摘要
本發(fā)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(cè)設(shè)置的水槽；連接于水槽上的水泵，抽吸水槽中的原水；設(shè)置于水泵下游的壓縮空氣進(jìn)口，用于向原水鼓入低壓壓縮空氣；氣液混合器，用于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(cè)設(shè)置負(fù)壓產(chǎn)生裝置。本發(fā)明在膜的原水側(cè)鼓入壓縮空氣的同時(shí)，在膜的出水側(cè)施加負(fù)壓。在負(fù)壓的抽吸作用下，水蒸汽與部分壓縮空氣一起透過(guò)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(cè)，提高傳質(zhì)效率，同時(shí)，還降低了對(duì)出水側(cè)的真空度要求，降低設(shè)備造價(jià)。同時(shí)，可以有效減緩膜污染。
文檔編號(hào)B01D61/36GK101664642SQ20081014656
公開(kāi)日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2008年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月4日
發(fā)明者呂曉龍 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)