专利名称：一种气扫式膜蒸馏方法
技术领域：
本发明涉及一种气扫式膜蒸馏方法，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离处
理方法。
背景技术：
膜蒸馏在近年来吸引了世界范围内的关注和研究。与普通蒸发器比较，膜蒸馏的 一个最显著的特征是单位体积的蒸发面积大，因而可以使装置在常压、较低温度的蒸发过 程中高效地运行，且蒸馏操作所需的汽相空间很小。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程， 操作压力低，因此对膜机械性能的要求低，设备费用也低，过程安全性得到了提高，而且，膜 蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染少。膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压 力差为传质驱动力的膜分离过程。在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加 热的原水一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。由于膜的疏水性，只有水蒸汽能 透过膜孔，原水以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，所以膜蒸馏过程理论上可 以对离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发物实现100%的脱除。微孔疏水膜在膜蒸馏过程 中起两相之间的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，温差极 化与温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。膜蒸馏过程的操作温度低于传统的蒸馏过程，而操作压力又低于传统的膜分离过 程；对膜的机械性能要求较低；与传统的蒸馏过程相比，蒸汽空间显著减少。膜蒸馏的组件 可以设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性。该 过程可以处理浓度极高的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和 状态而实现膜蒸馏结晶，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，且只要膜 两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，可以利用太阳能、地热、温泉、工厂余热和温热的 工业废水等廉价能源。膜蒸馏技术具有操作压力低，可得到99. 99%的脱盐率和在良好操作条件下高于 反渗透的水通量，显示了它作为反渗透技术的替代(大规模纯水制备)或补充技术(如用 于船舶饮用水等)的应用潜力，在降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少浓水排放方 面，可望取得显著的经济效益和社会效益。在大量的理论与实验研究基础上，目前已经发展出四种不同的膜蒸馏操作方式， 包括直接接触式膜蒸馏，气隙式膜蒸馏，气扫式膜蒸馏和真空式膜蒸馏。其中直接接触法是 将透过多孔膜的水蒸气在冷侧直接进入纯水进行冷凝，因此冷凝过程集成于膜组件以内， 操作相对简单，因此是被研究最多的一种膜蒸馏方式。然而与其它操作方式相比，直接接触 膜蒸馏会导致更多的热量损失和较为严重的温差极化，是该方法不容忽视的影响因素。真 空式膜蒸馏法则是在透过侧施加一个负压，将透过多孔膜的水蒸汽抽出到膜组件以外的冷 凝器内进行冷凝液化。但是，至今为止，以上四种膜蒸馏方式都存在能耗高、效率低、可靠性低等一些问 题。如直接接触式膜蒸馏虽然工艺设备简单，但由于冷热源直接接触，使设备运行能耗较高，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；真空式膜蒸馏虽然膜通量较大，但对系统要求较 高。气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低。因此，研究新的膜蒸馏技术，降低投资 和运行费用，可以取得显著的经济效益和社会效益。膜组件结构形式主要有中空纤维膜、板式膜以及管式膜，中空纤维膜具有比表面 积大、装置占地面积小、设备造价低、易在线反洗恢复膜通量等特点，在各种超微滤膜市场 中，中空纤维膜产品已超过80 %。气扫式膜蒸馏技术，是用载气吹扫膜的透过侧，以带走透过的蒸汽，传质推动力除 了蒸汽的饱和蒸汽压外，还有由于载气的吹扫夹带作用，促进传质，因此传质推动力比直接 接触膜蒸馏和空气间隙式膜蒸馏大。图1为气扫式膜蒸馏原理示意图。如图1所示，疏水膜1设置在膜组件内，热料液 2和吹扫气3经过疏水膜后，蒸汽进入冷凝器7，最终得到产水5。对于气扫式膜蒸馏技术，其所用的中空纤维膜组件，通常采用的是壳程气扫式， 即如图2所示，膜组件外壳4内设置中空纤维膜丝6。热料液从设置在膜组件外壳4下部 的热料液进口 9进入中空纤维的管程，从设置在膜组件外壳4上部的热料液出口 8流出管 程；吹扫气从设置在外壳4侧面下部的壳程入口 10进入膜组件，从设置在外壳4侧面上部 的壳程出口 11排出膜组件。如图2所示的壳程气扫式蒸馏方法存在如下缺点1)由于中 空纤维膜组件浇铸方面问题，吹扫气进入中空纤维膜丝外侧的壳程后，难以均勻分布，导致 吹扫功效低；2)由于膜组件外壳保温问题，透过的水蒸气容易在膜组件壳体内冷凝，难以 全部引出膜组件外部。因而导致实际应用时，膜蒸馏通量低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种新型的气扫式膜蒸馏方法。一种气扫式膜蒸馏方法，其特征在于吹扫气从膜组件下部进入中空纤维的管程， 从膜组件上部的吹扫气出口流出管程；热料液与中空纤维膜丝的外壁相接触。水槽中的待处理热流体经过水泵提升，由流量计控制流量后，从膜蒸馏组件的下 侧热料液入口进入壳程，由膜组件的上侧出口流出后返回循环水槽；由流量计控制吹扫气 流量后，将吹扫气通入膜组件的管程；透过膜的水蒸气被吹扫气夹带出膜组件，进入冷凝 器，形成产水。待处理热流体经过水泵提升，由流量计控制流量后，进入水槽中；无壳体浸没型膜 蒸馏组件浸没在水槽中，吹扫气由流量计控制吹扫气流量后，由膜蒸馏组件下口，将吹扫气 通入中空纤维膜丝的管程，透过膜的水蒸气被吹扫气夹由膜蒸馏组件上口带出膜组件，进 入冷凝器，形成产水；通过流量计控制，通入曝气空气。膜蒸馏组件采用有壳体型中空纤维膜组件。膜蒸馏组件采用无壳体浸没型柱式或帘式中空纤维膜组件。热流体在膜组件壳程的流动线速度为0. 1 2米/秒，吹扫气流量为热流体流量 的 100 1000%。本发明采用的膜组件可以为常规的有壳体柱式中空纤维膜组件，还可以是无壳体 浸没型柱式或帘式中空纤维膜组件。通过本发明取得如下效果
本发明设计了新的气扫式膜蒸馏过程，热流体从中空纤维膜组件壳程流过，吹扫 气从中空纤维膜丝的管程流过。这样，吹扫气流可以在膜丝内部分布均勻，同时，由于热流 体从中空纤维膜组件壳程流过，可以保障膜丝的温度，因而避免发生水蒸气在膜丝内的冷 凝现象，因此膜蒸馏产水量大。采用浸没型中空纤维膜组件时，一方面吹扫气流可以在膜丝内部分布均勻，另一 方面，可以参照膜生物反应器原理，在原水中曝气，可以方便地控制膜污染，同时，大大降低 对热流体的预过滤要求和提高浓缩倍数。在本发明的系统中，待处理的液体可以是自来水、海水、冷却系统排出的热水或化
工产品溶液。
图1是气扫式膜蒸馏原理示意图。图2是现有的壳程气扫式膜蒸馏示意图。图3是本发明的管程气扫式膜蒸馏示意图。图4是本发明的气扫式膜蒸馏工艺示意图。图5是本发明另外一个实施方式的气扫式膜蒸馏工艺示意图。
具体实施例方式如图3所示，与现有技术相同的部件采用相同的附图标记。膜组件外壳4内设置 中空纤维膜丝6。吹扫气从设置在膜组件外壳4下部的吹扫气进口 10进入管程，从设置在 膜组件外壳4上部的吹扫气出口 11流出管程；热料液从设置在外壳4侧面下部的热料液入 口 9进入膜组件的壳程，从设置在外壳4侧面上部的热料液出口 8排出膜组件壳程。如图4，是本发明的气扫式膜蒸馏工艺示意图。水槽23中的待处理热流体经过水 泵12提升，由流量计13控制流量后，从膜蒸馏组件的下侧热料液入口进入壳程，由膜组件 的上侧出口流出后返回循环水槽23。由流量计15控制吹扫气流量后，将吹扫气通入膜组件 的管程。透过膜的水蒸气被吹扫气夹带出膜组件，进入冷凝器7，形成产水。为了提高膜蒸馏功效，还可以通过流量计14控制，通入一定量的压缩空气，提高 热流体在膜组件壳程的扰动程度。热流体在膜组件壳程的流动线速度一般可以为0. 1 2米/秒，通入的扰动压缩 空气量为热流体流量(m3/h)的10 100%，吹扫气流量为热流体流量的100 1000%，热 流体温度一般为40 90°C。图5是本发明的气扫式膜蒸馏工艺示意图。采用浸没型中空纤维膜组件时，一方 面吹扫气流可以在膜丝内部分布均勻，另一方面，可以参照膜生物反应器原理，在原水中曝 气，可以方便地控制膜污染，同时，大大降低对热流体的预过滤要求和提高浓缩倍数。膜蒸 馏组件采用无壳体浸没型柱式或帘式中空纤维膜组件。待处理热流体2经过水泵12提升，由流量计13控制流量后，进入水槽23中；无壳 体浸没型膜蒸馏组件22浸没在水槽23中；吹扫气由流量计15控制吹扫气流量后，由膜蒸 馏组件22下口，将吹扫气通入中空纤维膜丝的管程，透过膜的水蒸气被吹扫气夹由膜蒸馏 组件22上口带出膜组件，进入冷凝器7，形成产水；通过流量计14控制，通入曝气空气。
权利要求
1.一种气扫式膜蒸馏方法，其特征在于吹扫气从膜组件下部进入中空纤维的管程， 从膜组件上部的吹扫气出口(11)流出管程；热料液与中空纤维膜丝的外壁相接触。
2.根据权利要求1所述的气扫式膜蒸馏方法，其特征在于水槽中的待处理热流 体经过水泵(1 提升，由流量计(1 控制流量后，从膜蒸馏组件的下侧热料液入口进入壳 程，由膜组件的上侧出口流出后返回循环水槽03)；由流量计(15)控制吹扫气流量后，将吹扫气通入膜组件的管程；透过膜的水蒸气被吹扫气夹带出膜组件，进入冷凝器(7)，形成产水。
3.根据权利要求1所述的气扫式膜蒸馏方法，其特征在于待处理热流体( 经过水 泵(1 提升，由流量计(1 控制流量后，进入水槽中；无壳体浸没型膜蒸馏组件02)浸没在水槽(11)中，吹扫气由流量计(15)控制吹扫气 流量后，由膜蒸馏组件02)下口，将吹扫气通入中空纤维膜丝的管程，透过膜的水蒸气被 吹扫气夹由膜蒸馏组件0 上口带出膜组件，进入冷凝器(7)，形成产水；通过流量计(14)控制，通入曝气空气。
4.根据权利要求1或2所述的气扫式膜蒸馏方法，其特征在于膜蒸馏组件采用有壳 体型中空纤维膜组件。
5.根据权利要求1或3所述的气扫式膜蒸馏方法，其特征在于膜蒸馏组件采用无壳体浸没型柱式或帘式中空纤维膜组件。
6.根据权利要求1所述的气扫式膜蒸馏方法，其特征在于热流体在膜组件壳程的流动线速度为0. 1 2米/秒，吹扫气流量为热流体流量的 100 1000%。
全文摘要
本发明提供一种气扫式膜蒸馏方法，其特征在于吹扫气从膜组件下部进入中空纤维的管程，从膜组件上部的吹扫气出口流出管程；热料液与中空纤维膜丝的外壁相接触。这样，吹扫气流可以在膜丝内部分布均匀，同时，由于热流体从中空纤维膜组件壳程流过，可以保障膜丝的温度，因而避免发生水蒸气在膜丝内的冷凝现象。在中空纤维膜丝的外侧通入空气，控制膜污染。
文档编号B01D61/36GK102107120SQ20091024502
公开日2011年6月29日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者吕晓龙 申请人:天津工业大学