专利名称：膜蒸馏装置的制作方法
技术领域：
本实用新型提供了一种膜蒸馏装置，尤其是指一种改变膜组件热工质入流口的结构设计而提高膜通量的膜蒸馏装置。
背景技术：
膜分离(membrane separation)技术是人类最早应用的分离技术之一，20世纪60年代以来，各种膜分离技术，尤其是膜蒸馏(MembraneDistillation，简称MD)技术迅速发展，已广泛应用于各领域。
通常所用的膜蒸馏装置，其结构主要包括热工质循环系统、膜组件、冷工质循环系统，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质循环系统组成回路。
进行蒸馏操作时，膜的一侧(热侧)与待处理的热溶液(或称原料液，热侧溶液，热工质)直接接触，膜的另一侧为冷侧。使膜两侧的流体处于不同的温度，这样便会产生蒸汽压差，使热侧溶液中的水在膜表面蒸发形成蒸汽，水蒸汽在压差的作用下通过膜孔扩散到冷侧冷凝下来，从而实现液相水溶液与气相水分离的目的。
膜蒸馏操作的重要指标是追求尽可能高的蒸馏通量，也称膜通量，在膜蒸馏过程中操作温差、冷热端流量、温度与浓度极化等许多因素都会影响蒸馏通量，当操作条件一定时，温度与浓度极化是造成膜通量降低的两个非常重要因素。
溶液被蒸馏时，所有溶质均被透过液传送到膜表面上，在膜表面处发生汽化，而不能完全透过膜的溶质受到膜的截留作用，在膜表面附近浓度升高，随着溶质被不断地截留下来，就造成了膜面的溶质浓度比原溶液的浓度要大得多，这种在膜表面附近浓度高于主体溶液浓度的现象称为浓度极化(concentration polarization)。由于浓度极化现象的存在，膜表面附近溶质浓度升高，从膜面到溶液主体就会产生溶质的反方向扩散流，从而增加了挥发性组分从溶液主体到膜面的传质阻力，增大了膜两侧的渗透压差，使有效蒸汽压差减小，透过通量降低，即降低膜通量。
另外，蒸馏溶液在膜面的热侧发生汽化时需要吸收大量的汽化潜热，同时膜面与冷侧发生热交换，被带走大量的热量，这样就使得膜面的温度低于溶液主体的温度，从而在膜面处产生了温度边界层。用于驱动膜蒸馏传质的温度差由于温度边界层的存在而减小，膜两侧的饱和蒸汽压差也随之减小，使膜蒸馏通量降低。另一方面，(以空气隙膜蒸馏为例)透过蒸汽在冷壁热侧上放出大量的汽化潜热。汽化潜热通过冷壁以导热的传热方式进入冷容腔。冷却水以对流换热的方式将这些热量从冷壁冷侧带走。冷壁冷侧的温度一直高于冷工质容腔冷却水主体温度，这样就在膜面或冷壁的冷侧附近也产生温度边界层，由于传热过程，间接地使膜面冷侧也会存在温度边界层，这也会影响膜蒸馏通量。
在传统的膜蒸馏装置的结构设计中，是使操作过程中热溶液的入流方向与膜面垂直，成90度的角度(称法向入流)。这种情况下，入流的热溶液对膜面处热的扰动很小，膜两侧的温度和浓度极化现象严重，膜通量很低，影响分离效率。
同样操作条件下，由于浓度与温度边界层的存在将削弱蒸汽通过膜面的传质和整个蒸馏系统的热效率，这是导致膜蒸馏通量降低的主要因素。因此，如何消除浓度与温度边界层对传质传热的影响是膜蒸馏技术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”中记载了研究结果，在膜组件中加入了机械搅拌装置，使物料混合均匀，破坏温度浓度极化现象，使蒸馏溶液的浓度与温度保持均匀，达到提高膜通量的效果。这种采用加设搅拌装置的做法固然可行，但是会增加膜组件的尺寸，给膜蒸馏装置的结构设计带来一定的难度，使装置结构复杂，不易拆装清洗，且需要消耗能源，增加生产成本。
发明内容
本实用新型的目的便是针对上述问题，提供一种能够有效消减膜分离过程中的温度和浓度极化、提高膜通量，且结构简单、操作方便的膜蒸馏装置。
为达上述目的，本实用新型所提供的膜蒸馏装置包括热工质循环系统、膜组件、冷工质循环系统，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质循环系统组成回路，其特征在于，所述膜组件热侧进口处设置有至少一个热工质入流管(进口管)，且该热工质入流管与膜接近的一端(前端)的开口设置为斜开口以使热工质的入流方向与膜面成小于90度的角度。这样，在蒸馏过程中，热工质在膜组件热侧的入流方向会与膜面之间形成一定角度(而非成90度的法向入流)，以切向旋转的方式冲刷膜面，破坏了膜表面附近的温度和浓度极化边界层，从而有效提高膜通量。
本实用新型所提供的膜蒸馏装置中，所述膜组件的类型并不受限制，例如可以是平板式、管式、卷式或中空纤维式膜组件等。
当本实用新型的膜蒸馏装置中的膜组件为平板式时，优选所述热工质入流管的倾斜方向朝向膜有效面积(通常情况下该有效面积为圆面或类似圆形的曲面)的切线方向，这样将使热工质以切向旋转的方式在尽可能大的范围内冲刷膜的有效面积。
所述热工质入流管可设置多个，优选以有效膜的中心为中心，均匀分布。例如，所述热工质入流管可设有三个，且以有效膜的中心为中心，互呈120°角分布。
本实用新型中所述的热工质入流管的“斜开口”可以为不同设计形式，只要能够达到使热工质通过该入流管口进入热容腔(热工质容腔)时是与膜面间呈一定的倾斜角度而切向旋转冲刷膜面的目的即可。在具体实施时，还可以在所述热工质入流管的斜开口上设有喷嘴，直径减小的喷嘴使流速增大，加大了热工质冲刷膜面的力度，更加有效的破坏温度和浓度极化边界层，这种方式使热工质的切向旋转流动更明显，更有利于提高膜通量。
另外，本实用新型所提供的膜蒸馏装置可以是直接接触式、真空式、扫气式或空气隙式膜组件，空气隙式膜组件的冷侧可设置冷壁，膜的渗透侧与冷壁间具有间隙，发明人经过大量试验观察到，在蒸馏过程中，由于热溶液的冲击和膜材料自身的弹性作用，膜面并非保持平的(例如图3中的虚线所示)，而是向冷壁方向鼓出的，通过对蒸馏过程中的传热传质机理的研究，该间隙量的确定以可实现在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触为标准。优选地，所述膜渗透侧与冷壁间的间隙量为可保持在蒸馏过程中使膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80％时的距离，达到在提高热效率的同时获得较高的膜通量。
还可以在所述冷壁的表面设置纵向沟槽，加速蒸汽冷凝，并使冷凝液顺沟槽较快流下。该沟槽的深度优选在1mm左右。
另一方面，还可以在本实用新型的膜组件的热侧设置有超声激励装置。该超声激励装置由超声信号发生器和超声换能器组成。其中所述超声换能器插入膜组件热工质容腔中，超声激励产生膜的高频震动减弱浓度极化，增大膜通量；而超声换能器的超声功率可由大功率超声信号发生器调节。
实验证明，通过上述结构的优化设计，本实用新型能够更好地使膜通量得到有效提高。
综上所述，本实用新型的膜蒸馏装置，通过改良热工质入流管管口的结构设计，能够有效破坏温度和浓度极化层，从而提高膜通量，而且，本实用新型的膜蒸馏装置具有尺寸小，结构简单，能耗小，易拆装清洗，可视化强，成本低等优点，有利于使膜蒸馏技术得到更广泛的应用。
图1为本实用新型的平板式膜组件的剖面示意图，图中“○”表示热电偶。
图2为本实用新型的空气隙膜蒸馏装置的结构示意图，图中“○”表示热电偶。
图3-图5为本实用新型中设置有冷壁及空气隙且热工质入流管管口具有不同形态的膜组件结构设计示意图。
图6为本实用新型的一具体实施例的膜蒸馏装置中热工质入流口及出口分布示意图。
图7为本实用新型中的设置有冷壁及空气隙的膜组件实施例的结构设计示意图。
具体实施方式
现以优选具体实施例来对本实用新型的结构特征做更进一步的详细说明，但并不对本实用新型的实施范围构成任何限制。
本实用新型所提供的膜蒸馏装置，包括热工质循环系统、膜组件、冷工质循环系统，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质循环系统组成回路，所述膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质循环系统组成回路，与现有技术相比，其采用开口端结构改进的长管作为热工质入流管，且该入流管具有斜开口。
本实用新型所提供的热工质入流口的改良设计结构，可以使热工质通过入流管进入热容腔时以一定的倾斜角度切向旋转冲刷膜面，破坏温度和浓度极化，使边界层变薄，从而增大膜通量。
以平板式空气隙膜组件为例，请结合参阅图1和图2所示，本实施例中的膜蒸馏装置主要包括膜组件、热工质循环系统和冷工质循环系统；所述膜组件采用平板式膜组件，由膜9、热工质容腔堵头10、热侧密封装置11、分别插入热容腔中的热工质出口管12和热工质入流管13(该入流管与膜接近的一端呈向上斜开口)、热腔排气口14、热侧热电偶进口15、空气隙16、冷壁17、冷工质容腔堵头19、冷工质进出口20和21组成；所述热工质循环回路由恒温热水器1、泵2、球阀3和4、转子流量计5、PVC管路6和7、热工质容腔8组成；冷工质循环回路由冷工质容腔18、PVC管路22、球阀23、24和25、恒温冷水箱26、磁力驱动循环泵27和28、制冷机29组成。除此之外，还包括温度测量装置30、超声激励装置31、流量(膜通量)测量装置32等附属部分。本实施例中的超声激励装置31由超声信号发生器311和超声换能器312构成，其中超声换能器312插入膜组件热工质容腔8中，超声激励产生的高频震动可减弱膜面浓度极化，增大膜通量；超声换能器312的超声功率可由大功率超声信号发生器311调节。流量(膜通量)测量装置32包括储存冷凝液的容器321和电子天平322。
在使用本实施例的膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作时，原料液在恒温热水器1中被加热通过泵2、球阀3、PVC管路6、热工质入流管13进入热工质容腔8，膜9热侧和冷侧之间的温度差产生传递组分气相压差，气相压差使高温侧溶液中的挥发性组分在膜面处汽化通过膜孔扩散到空气隙16中，部分被冷凝，其余部分则到达冷壁17冷凝下来，冷凝液流入容器321中被收集，本实施例为测定膜通量，设置电子天平322测量冷凝液质量，通过计算得到膜通量。而剩余的原料液通过PVC管路7、球阀4重新回到恒温热水器1中被再次加热。冷却水通过磁力驱动循环泵27从恒温冷水箱26中抽出经进口20送入冷工质容腔18，在冷壁17的壁面上与所述挥发性组分发生热量交换，然后从出口21经PVC管路22、球阀23流回冷水箱26。冷工质容腔的冷却水由制冷机29维持在恒定的低温。
为实现热工质的旋转切向入流，本实用新型的膜蒸馏装置中热工质入流管13为一个长管，插入热容腔后直接延伸到接近膜面处(如图1、3-5所示)，且该入流管的开口端设计成斜开口(向上)，使热工质通过入流管进入热容腔时以切向旋转的方式冲刷膜面，达到破坏温度和浓度极化、使边界层变薄、从而增大膜通量的效果。如图1所示，入流管13的插入位置在膜组件的内壁附近，使热工质进入热容腔后在膜表面形成较大的冲刷面积。
入流管13的前端可以直接设置为斜端面开口，如图3所示，或是如图4所示，入流管13被设置成端部弯曲一定角度朝向膜面，或者，还可以如图5所示在入流管13管口安装喷嘴131，一方面可以通过设计调整喷嘴的开口方向而使热工质的入流方向与膜面成倾斜的角度冲刷膜面，另一方面由于喷嘴口径的减小还可以提高溶液流速，加大热工质冲刷膜面的力度，更加有效地破坏膜表面附近的温度和浓度极化边界层，提高膜通量。
另请参阅图6所示，其显示本实用新型的一优选实施例的膜蒸馏装置中热工质入流口及出口分布，在本实施例中，采用了三根入流管同时插入热容腔的结构设计，该三根热溶液入流管以有效膜面积(优选为圆形)的中心为圆心互成120°角度均匀分布，而热工质的出口管位于热容腔的中心。当热工质以旋转切向的入流方式流入热容腔，冲刷膜面，形成旋涡后从中心出口处流出。各入流管前端的设计如前面所描述。适当地调整三个喷嘴与膜面的相对位置，就可以使热溶液的入流方向与膜面成一定的角度，并以旋转的方式冲刷膜面。
根据本实用新型的优选实施例所提供的膜蒸馏装置可为平板式空气隙膜蒸馏装置，对于已经安装好膜的组件，当热工质流量一定时，空气隙的间距δ确定为膜蒸馏过程中使膜与冷壁接触的面积A’占有效膜面积A的70-80％时的距离。所述冷壁的表面还设置有纵向沟槽(如图7所示)，该沟槽的深度为1mm左右。这些优化的结构设计，均可使利用本实用新型的膜蒸馏装置进行膜蒸馏操作时的膜通量得到有效提高。
为验证本实用新型的改良结构所带来的膜通量提高的有益效果，本实施例以空气隙式膜蒸馏装置(膜组件为平板式)为例，在已建立的圆形膜面、旋转切向入流膜组件的实验台架上，考察系统运行参数在不同工况即热侧流量、温差、间隙、时间变化对膜通量的影响。与现有技术中的法向入流(是指热工质沿垂直于膜面方向流动)相比，膜通量有明显的差别。通过实验证明，在不同的冷热端温差(30℃-70℃范围内)下，膜通量可提高12.3％-42.9％。例如，采用PTFE平板膜，原料液为自来水，热工质入流管一个并且斜开口，热水质量流量53.95g/s，冷却水流量73.0g/s，空气隙间隙2mm，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了23.0％、26.6％、29.7％；空气隙为3mm，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了12.3％、21.9％、23.6％。
利用该装置测定膜与冷壁间的接触面积改变对膜通量的影响。试验中，冷热工质温差70℃，调节热端(热侧)流量，测量不同空气隙厚度δ时的膜通量及膜鼓出后与冷壁接触的面积与膜面积之间的关系(可以参看图3、图4的情况示意)。
空气隙δ＝1mm时，测量到A′/A分别在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分别为48kg/m2·h、72kg/m2·h、和69kg/m2·h，获得最大膜通量72kg/m2·h时的热端流量70g/s左右，热效率大于60％；
空气隙厚度δ＝2mm时，测量到A′/A分别在40-60％、70-80％、90％以上，膜通量分别为45kg/m2·h、68kg/m2·h、和65kg/m2·h，获得最大膜通量68kg/m2·h时的热端流量85g/s左右，热效率大于60％；空气隙δ＝3mm时膜面与冷壁接触较少，空气隙δ＝4mm时膜面与冷壁完全不接触，此时测得的膜通量均小于20kg/m2·h。
如图2所示，本实施例的膜蒸馏装置的热侧还安装了超声激励装置31，由大功率超声信号发生器311、超声换能器312组成，超声激励产生膜的高频震动、空化和声学流作用减弱膜面浓度极化，增大了膜通量。在另一验证例中采用PTFE平板膜，热水质量流量53.3g/s，冷却水流量73.0g/s，空气隙间距2mm，或者使用直接接触式膜组件，原料液为自来水，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了23.9％、18.0％、13.5％；空气隙间距3mm，或者使用直接接触式膜组件，原料液为自来水，热工质容腔热水和冷工质容腔的冷却水温差分别为30℃、40℃、50℃时，通过测量计算得到的膜通量比热水直接流入热工质容腔时膜通量增加了47.5％、36.3％、28.2％。温差越小，间隙越大，超声作用越明显；反之超声作用越弱。
总之，本实用新型提供了一种新型结构的膜蒸馏装置，其通过改进热工质的入流管结构， 使热工质与膜面之间呈一定的倾斜角度并以旋转切向方式冲刷膜面，这样的方式不但有利于破坏浓度与温度边界层，有助于提高膜蒸馏通量，还可起到清洗膜面的作用，有效地增大膜通量。并且，本实用新型的膜蒸馏装置具有尺寸小，结构简单，能耗小，易拆装清洗，成本低等优点。
权利要求1.一种膜蒸馏装置，包括热工质循环系统、膜组件、冷工质循环系统组成，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质循环系统组成回路，其特征在于，所述膜组件热侧进口处插置有至少一个具有一定长度的热工质入流管，其前端接近膜面，且开口设置为斜开口以使热工质的入流方向与膜面成小于90度的角度而以切向旋转的方式冲刷膜面。
2.权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜组件包括平板式、管式、卷式和中空纤维式膜组件。
3.权利要求2所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜组件为平板式，热工质入流管前端设置在靠近膜组件的内壁附近。
4.权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述热工质入流管设有三个，且以有效膜的中心为中心，呈120°角均匀分布。
5.权利要求1-4任一项所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述热工质入流管的斜开口上设有喷嘴。
6.根据权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜组件的冷侧设置有冷壁，膜的渗透侧与冷壁间具有间隙，且该间隙量为可实现在蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触。
7.根据权利要求6所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述膜渗透侧与冷壁间的间隙量为可保持在蒸馏过程中使膜与冷壁接触的面积占有效膜面积的70-80％时的距离。
8.权利要求6或7所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述冷壁的表面设置有纵向沟槽。
9.权利要求1所述的膜蒸馏装置，其特征在于，膜组件的热侧设置有超声激励装置。
10.权利要求9所述的膜蒸馏装置，其特征在于，所述超声激励装置由超声信号发生器和超声换能器组成。
专利摘要本实用新型提供了一种膜蒸馏装置，其包括热工质循环系统、膜组件、冷工质循环系统，其中所述膜组件的热侧进出口通过管路与所述热工质循环系统组成回路，膜组件的冷侧进出口通过管路与所述冷工质循环系统组成回路，其特征在于，所述膜组件热侧进口处插置有至少一个具有一定长度的热工质入流管，其前端接近膜面，且开口设置为斜开口，使热工质的入流方向与膜面成小于90度的角度而以切向旋转的方式冲刷膜面，破坏膜表面附近的温度和浓度极化边界层，从而有效提高膜通量。即，本实用新型通过改变膜组件热工质入流口的结构设计而实现提高膜通量的目的，且结构简单、操作方便。
文档编号B01D61/36GK2690036SQ20042004965
公开日2005年4月6日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者田瑞, 李嵩, 杨晓宏, 黄东涛, 汪建文, 朱之墀, 李振法, 尹招琴, 崔洪江 申请人:内蒙古工业大学