专利名称：具有低雷诺数的用于膜蒸馏的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于液体处理工艺的蒸馏系统。具体地，本发明涉及包含用于在液体
处理工艺中从给料溶液分离馏出流体的中空纤维膜的蒸馏系统。
背景技术：
近年来，膜蒸馏已经在各种流体处理应用中变得越来越普及。隔膜通常是疏水性 的和多微孔的以在操作期间保持给料溶液被从馏出溶液分离。已经在研制程序中使用了中 空纤维和扁平薄片这两种隔膜。对于直接接触膜蒸馏，在管/壳构造中通常采用中空纤维 膜，这里，沿着蒸馏模块的纵轴布置若干束中空纤维膜。在束中的每一个中空纤维隔膜通常 均是具有外表面和内部中空管状区域的疏水性的、多微孔的隔膜。中空纤维膜的外表面面 向模块的外壳侧，该外壳侧是该模块的包含给料溶液的那个部分。该内部中空管状区域限 定该模块的管子侧，该管子侧提供用于收集从给料溶液分离出的馏出流体的导管。
在膜蒸馏期间，给料溶液通常被预加热以跨越中空纤维膜上形成温差。这个温差 在模块中的纤维膜的外壳侧与管子侧之间形成蒸汽压力差，该蒸汽压力差引起一部分给料 溶液在靠近给料溶液侧上的孔隙进口处蒸发并且蒸汽通过中空纤维膜传输。所传输的蒸 汽然后靠近馏出物侧上的隔膜的孔隙进口在气体/液体界面处凝结，由此提供所需的馏出 物。因为在分离过程中包括液体蒸发，所以大量的热能被从给料溶液转移到馏出物。大量 的能量还被用于在隔膜两侧上循环给料溶液和馏出物的泵所消耗掉。减小泵送压力和补偿 热能的能力显著地影响着膜蒸馏过程的总体效率。因此，目前正存在以下需要，即在蒸馏过 程期间的低的泵送压力要求以及热能恢复。 大多数膜蒸馏系统在隔膜的给料溶液侧上以高的雷诺数操作。虽然在给料溶液侧 上高的雷诺数可以通过使得温度和浓差极化(concentration polarization)最小化而在 改进质量传递方面提供优点，但是具有高雷诺数的蒸馏系统提供了几个缺点。首先，高雷诺 数增加了导热损失。在蒸馏期间跨越隔膜上的过度热传递并不理想。第二，高雷诺数通常 要求高的泵送压力，这要求相当数量的能量。即使小的泵送压力增加也可以引起泵功耗的 显著增加。在很多膜蒸馏系统中，给料溶液循环流量经常是馏出物生产流量的十到二十倍。 在高压下泵送大量的给料溶液要求大量的能量。因此，目前还正存在以下需要，即蒸馏系统 具有在蒸馏过程期间减少导热损失和能量消耗的能力。
发明内容
本发明的实施例包括一种蒸馏系统，该蒸馏系统具有通向大气的第一和第二蓄液 器(开放式蓄液器)、用于将给料溶液循环到蓄液器的给料回路、以及馏出物回路。该馏出 物回路包括第一馏出物入口歧管和第一馏出物出口歧管以及在第一歧管之间延伸的多个 中空纤维膜。该中空纤维膜延伸通过第一蓄液器的一个部分并且被配置为允许蒸汽传输。 该馏出物回路还包括第二馏出物入口歧管和第二馏出物出口歧管以及在第二歧管之间延 伸的多个中空管。该中空管延伸通过该第二蓄液器的一个部分并且被配置为防止蒸汽传输但是允许热能传输。 本发明的一个示例性实施例包括一种蒸馏系统，该蒸馏系统具有通向大气的第一 蓄液器、第一馏出物入口歧管、第一馏出物出口歧管和多个中空纤维膜。该中空纤维膜从第 一入口歧管到第一出口歧管并且通过该第一蓄液器的至少一个部分延伸。该中空纤维膜被 配置为允许蒸汽传输。该蒸馏系统还具有通向大气的第二蓄液器、第二馏出物入口歧管、第 二馏出物出口歧管和多个中空管。该中空管从第二入口歧管到第二出口歧管并且通过该第 二蓄液器的至少一个部分延伸。该中空管被配置为防止蒸汽传输但是允许热能传输。
本发明又一个示例性实施例包括一种用于在通向大气的蓄液器中从给料溶液分 离馏出物的方法。该方法包括将给料溶液引入给料回路中。该给料溶液被加热并且然后被 循环通过通向大气并且包含被配置为允许馏出物传输的多个中空纤维膜的第一蓄液器。该 给料溶液然后被循环通过通向大气并且包含被配置为防止馏出物传输但是允许热能传输 的多个中空管的第二蓄液器。在存在于第一蓄液器中的中空纤维膜中收集的馏出物被循环 到存在于第二蓄液器中的中空管。热能被从中空管中的馏出物传递到第二蓄液器中的给料 溶液。在馏出物离开中空管之后，它被冷却并且被循环到中空纤维膜。
图1是通向大气的蒸馏系统的概略示意图； 图2A是开放式蓄液器和馏出物回路的馏出物收集部分的概略示意图； 图2B是具有挡板的开放式蓄液器和馏出物回路的馏出物收集部分的概略示意
图； 图2C是开放式蓄液器和馏出物回路的热量传递部分的概略示意图； 图3A是被配置为允许蒸汽传输的中空纤维隔膜的一个实施例的展开截面视图； 图3B是被配置为防止蒸汽传输但是允许热传输的中空管的一个实施例的展开截 面视图； 图3C是被配置为防止蒸汽传输但是允许热传输的中空管的备选实施例的展开截 面视图。
具体实施例方式
在膜蒸馏过程中，传统观点在于通过在隔膜的表面上增加流动紊流而使得温度和 浓差极化最小化。例如，形式为中空纤维或者扁平薄片(螺旋形缠绕)的隔膜被包装到作 为接触器的外壳中("封闭"系统)，这允许液体在大于一个大气压下流动。因为蒸馏过程 是以热方式驱动的，即，利用在给料溶液侧与馏出物侧之间的温差而控制总体质量传递，所 以在一些情形中能够容忍一定的温度和/或浓差极化。根据本发明，有可能利用处于非常 低的雷诺数的给料溶液的温度和流动而在通向大气(即基本上环境压力)的系统中跨越隔 膜上以可行的速率促进蒸馏。这里，"开放式"指的是蓄液器通向大气。开放式蓄液器可以 被覆盖以防止环境污染物进入该蓄液器，但是被覆盖的蓄液器仍然处于环境大气压力下。
雷诺数可以被描述为惯性力与粘性力的比率，并且因此它对于给定流动条件将这 两种类型的作用力的相对重要性进行量化。雷诺数还被用于识别并且预测不同的流态例如 层流或者湍流。层流在低雷诺数下发生，其中粘性力是主要的，并且特征在于平滑、恒定的流体运动，而在另一方面，湍流在高雷诺数下发生并且由惯性力主导，惯性力趋向于产生随 机涡旋、漩涡以及其它流量波动。
通 常， 如 下 地 给 定 雷 诺 数
n 戶工t、1/Ine:rtial forces
ife = ~~:"77T = 1- ^ -= TT^- -其中(Inertial forces :惯性
/i'tu/丄乂 /i/乂 Viscous torces
力；Viscous forces :粘性力)vs是平均流体速率，单位为ms—^是特征长度，单位为my是 (绝对)动力流体粘度，单位为Nsm—2或者Pa s v是运动流体粘度，被定义成v = y / p ， 单位为m2s—1 P是流体密度，单位为kgm—3 能够以非常低的雷诺数操作的膜蒸馏系统提供了优于其它膜蒸馏系统的某些优 点。首先，在给料溶液侧上的低雷诺数降低了导热损失。在蒸馏期间跨越隔膜上的任何传 导热传递都不是理想的。第二，低雷诺数要求仅以低的泵送压力泵送给料溶液。因为给料 溶液的高压传送并不需要，所以给料溶液的泵送要求比在其它蒸馏系统中更少的功率。因 为在这里描述的开放式蒸馏系统并不依靠高压来驱动蒸馏，所以降低了被用于泵送给料溶 液的功率大小。 图1是开放式蒸馏系统10的一个实施例的概略示意图，开放式蒸馏系统10包括 第一开放式蓄液器12、第二开放式蓄液器14、给料回路16和馏出物回路18。如在下面所讨 论的那样，给料回路16向第一开放式蓄液器12并且向第二开放式蓄液器14提供处于升高 温度下的给料溶液。在第一开放式蓄液器12中，馏出物从给料溶液分离并且由于蒸汽压力 差而跨越中空纤维膜38上行进到馏出物回路18中。馏出物从第一开放式蓄液器12中的 馏出物回路段流动到第二开放式蓄液器14中的馏出物回路段，在这里，它将热能传递到第 二开放式蓄液器14中的给料溶液。 由开放式蒸馏系统10使用的适当给料溶液的实例包括包含着能够利用跨越疏水 性的、多微孔的隔膜上的蒸汽压力差而分离出的化合物的溶液，例如海水、半成水和用于水 和废水处理工艺的其它水合盐水溶液。如在本文中所使用地，术语"溶液"指的是包含被完 全溶解、部分地溶解、分散、乳化或者以其它方式在载液(一种或者多种)中悬浮的一种或 者更多种固体的载液。例如，给料溶液可以是包含盐的水合盐水溶液，盐至少部分地溶于水
载体中。在该实例中，开放式蒸馏系统io可以被用于从水合盐水溶液分离至少一部分水以
提供清洁的水作为蒸馏物。开放式蒸馏系统10还包括标准流体处理设施(未示出)，例如 工艺控制单元、流体泵和过滤器。 第一开放式蓄液器12是能够包含由给料回路16传送的给料溶液和馏出物回路18 的中空纤维膜38的蓄液器或者液罐。第一开放式蓄液器12包括给料溶液入口 20和给料 溶液出口 22。给料溶液入口 20与给料回路16流体连通并且允许向第一开放式蓄液器12 传送给料溶液。给料溶液出口 22与给料回路16流体连通并且允许从第一开放式蓄液器12 传送给料溶液。例如，在图1和2中，靠近第一开放式蓄液器12的顶部定位着给料溶液入 口 20，并且靠近蓄液器的底部定位着给料溶液出口 22。用于给料溶液入口 20和出口 22的 其它位置例如第一开放式蓄液器12的底表面也是可能的。在第一开放式蓄液器12内和中 空纤维膜38外侧的给料溶液处于开放式蒸馏系统10的外壳侧上。 第二开放式蓄液器14是能够包含由给料回路16传送的给料溶液和馏出物回路18
6的中空管46的蓄液器或者液罐。第二开放式蓄液器14包括给料溶液入口 24和给料溶液 出口 26。给料溶液入口 24与给料回路16流体连通并且允许向第二开放式蓄液器14传送 给料溶液。给料溶液出口 26与给料回路16流体连通并且允许从第二开放式蓄液器14传 送给料溶液。例如，在图1中，靠近第二开放式蓄液器14的底部定位着给料溶液入口 24， 并且靠近蓄液器的顶部定位着给料溶液出口 26。用于给料溶液入口 24和出口 26的其它 位置例如第二开放式蓄液器14的底表面也是可能的。在第二开放式蓄液器14内和中空管 46外侧的给料溶液处于开放式蒸馏系统10的外壳侧上。 给料回路16是用于给料溶液的流体路径，并且除了第一 12和第二 14开放式蓄液 器以及它们的相对应的给料溶液入口 20、24和出口 22、26还包括给料来源线路28、给料输 送线路30a-30e、给料循环泵32、热交换器34和给料排放线路36。给料来源线路28是用于 将给料溶液从给料溶液来源(未示出)传递到给料回路16的、利用阀门控制的流体导管。 泵29可以被用于将给料溶液从给料溶液来源传递到给料回路16中。在开放式蒸馏系统10 的操作期间，部分的给料溶液在第一开放式蓄液器12内被分离以在馏出物回路18中提供 所需馏出物。这样，给料来源线路28提供另外的给料溶液以与剩余给料溶液(已经经过第 一开放式蓄液器12的给料溶液)相混合并且平衡给料溶液在给料回路16中的流动。
给料输送线路30a-30e是用于给料回路16的流体导管，并且在图1所示实施例中 提供顺时针流动路径。给料输送线路30a将给料来源线路28和给料输送线路30e连接到 流体泵32。给料输送线路30b将给料循环泵32连接到热交换器34。给料输送线路30c将 热交换器34连接到第一开放式蓄液器12的给料溶液入口 20。给料输送线路30d将第一开 放式蓄液器12的给料溶液出口 22连接到第二开放式蓄液器14的给料溶液入口 24。给料 输送线路30e将第二开放式蓄液器14的给料溶液出口 26连接到给料输送线路30a，从而实 现给料回路。给料输送线路30d还被连接到给料排放线路36，给料排放线路36是用于清除 一部分剩余给料溶液的、利用阀门控制的流体导管。 给料循环泵32是将给料输送线路30a和30b相互连接的泵，并且被配置为在给料 回路16内向第一开放式蓄液器12和第二开放式蓄液器14传送给料溶液。如在下面所讨论 的那样，给料溶液被保持为液相以防止给料溶液的污染物与馏出物回路18中的所需馏出 物混合。否则这将降低馏出物的纯度，并且可能潜在地要求抛弃馏出物产品。在中空纤维 膜38上的第一开放式蓄液器12中的给料溶液的压力还小于馏出物回路18的中空纤维膜 38(第一管子)的液体渗透压力。液体渗透压力是来自给料溶液的液体以其通过馏出物回 路18的中空纤维膜38(第一管子)的孔隙而渗透(即，从外壳侧到第一管子侧)的压力， 并且是几个因素的函数，该几个因素例如隔膜的平均孔隙半径和隔膜的平均液体接触角度 (即，隔膜的疏水性)。给料溶液从馏出物回路18的外壳侧到第一管子侧内的液体渗透可 以导致馏出物污染，由此降低馏出物的纯度。 热交换器34是提供热量的热交换器，它将给料输送线路30b和30c相互连接，由 此增加从给料输送线路30b流至给料输送线路30c的给料溶液的温度。据此，热交换器34 在它进入第一开放式蓄液器12之前将给料溶液加热至升高的温度。如在下面所讨论的那 样，加热给料溶液允许给料溶液在升高的温度下进入第一开放式蓄液器12以增加馏出物 从第一开放式蓄液器12到馏出物回路18的分离速率。 进入第一开放式蓄液器12的给料溶液的所述升高温度小于馏出物回路18的中空纤维膜38(第一管子)的热降解温度。用于水基给料溶液的适当的升高温度的实例范围从大约5(TC到小于大约100。，特别适当的升高温度范围从大约70。到大约90° 。虽然开放式蒸馏系统10被示为具有单一热交换器(即，热交换器34)，但是开放式蒸馏系统10可以可替代地包括多个热交换器以将给料溶液加热至升高的温度。 馏出物回路18是用于被从给料溶液分离的馏出物的流体路径，并且包括中空纤维膜38、第一液罐馏出物出口 40、馏出物输送线路42a-42d、第二液罐馏出物入口 44、中空管46、第二液罐馏出物出口 48、馏出物循环泵50、热交换器52、第一液罐馏出物入口 54和馏出物排放线路56。如在下面所讨论的那样，第一和第二液罐馏出物入口 54、44是用于接收馏出物并且分别地向多个中空纤维膜38和中空管46传送馏出物的歧管。第一和第二液罐馏出物出口 40、48是用于分别地从多个中空纤维膜38和中空管46接收馏出物的歧管。
如在下面所讨论的那样，中空纤维膜38是在第一液罐馏出物入口 54和第一液罐馏出物出口 40之间通过第一开放式蓄液器12延伸的多个管状隔膜。馏出物从第一开放式蓄液器12中的给料溶液分离并且跨越中空纤维膜38上而扩散。中空管46是在第二液罐馏出物入口 44和第二液罐馏出物出口 48之间通过第二开放式蓄液器14延伸的多个管子。在第二开放式蓄液器14中，在中空管46中的馏出物与蓄液器中的给料溶液之间交换热能。
馏出物输送线路42a-42d是用于馏出物回路18的流体导管，并且在图1所示实施例中提供逆时针流动路径。给料输送线路42a将第一液罐馏出物出口 40连接到第二液罐馏出物入口 44。给料输送线路42b将第二液罐馏出物出口 48连接到馏出物循环泵50。给料输送线路42c将馏出物循环泵50连接到热交换器52。给料输送线路42d将热交换器52连接到第一液罐馏出物入口 54。给料输送线路42b还被连接到馏出物排放线路56，馏出物排放线路56是用于从馏出物回路18移除一部分馏出物的、利用阀门控制的流体导管。馏出物排放线路56允许在收集器皿(未示出)中收集馏出物。 馏出物循环泵50是将馏出物输送线路42b和42c相互连接的泵，并且被配置为传送馏出物回路18内的馏出物。热交换器52是将馏出物输送线路42c和42d相互连接的冷却热交换器，由此降低从馏出物输送线路42c行进至馏出物输送线路42d的馏出物的温度。据此，热交换器52在它进入第一液罐馏出物入口 54之前将馏出物冷却至降低的温度。如在下面所讨论的那样，冷却该馏出物允许馏出物在降低的温度下进入第一开放式蓄液器12中的馏出物回路18的中空纤维膜38 (第一管子)以增加馏出物从第一开放式蓄液器12到馏出物回路18的分离速率。适当的用于馏出物的降低温度可以根据馏出物的组分而改变。对于水合馏出物而言，适当的被降低的温度的实例范围从大约5。到大约75° ，其中特别适当的被降低的温度范围从大约20。到大约55° 。 在操作期间，给料溶液通过给料回路16流动，并且分别地被给料循环泵32泵送并且被热交换器34加热至升高的温度。在通过给料回路16流动时，给料溶液经由给料溶液入口 20流动到第一开放式蓄液器12内。也在操作期间，馏出物供给通过馏出物回路18流动，并且它被热交换器52冷却至降低的温度。在流经馏出物回路18时，已被冷却的馏出物经由第一液罐馏出物入口 54流动到中空纤维膜38的管子侧中。 流动到馏出物回路18和第一开放式蓄液器12内的相应的被冷却的馏出物和被加热的给料溶液在馏出物回路18的管子侧于第一开放式蓄液器12的外壳侧之间形成温差。例如，在大约80。下进入第一开放式蓄液器12的外壳侧的给料溶液和在大约40。下进入被置于第一开放式蓄液器12内的馏出物回路18的管子侧的馏出物在外壳侧与管子侧之间提供大约40。的温差。这相对应地在外壳侧于管子侧之间提供了蒸汽压力差。随着温差增加，蒸汽压力差也增加。较大的蒸汽压力差增加了馏出物从给料溶液的分离速率，这里，已被分离的馏出物跨越中空纤维膜38上从第一开放式蓄液器12的外壳侧传递到馏出物回路18的管子侧。 在馏出物跨越第一开放式蓄液器12中的中空纤维膜38上而进入馏出物回路18的管子侧之后，馏出物被传送到第二液罐馏出物入口 44。馏出物然后通过中空管46行进到第二液罐馏出物出口 48并且继续通过馏出物回路18。如在下面所讨论的那样，中空管46被配置为防止进或者出管子侧地传递馏出物，但是被配置为将热能从管子侧传递到外壳侧。当馏出物在中空管46中时，在通过中空管46流动的馏出物与第二开放式蓄液器14中的给料溶液之间交换热能。 图2A示意开放式蒸馏系统10的一个实施例的第一开放式蓄液器12。第一开放式蓄液器12包括给料溶液入口 20和给料溶液出口 22并且被配置为包含给料溶液。在操作期间，给料溶液流经第一开放式蓄液器12并且占据第一开放式蓄液器12的相当大的部分。随着在第一开放式蓄液器12中的给料溶液液位升高到中空纤维膜38的底部上方，在给料溶液与中空纤维膜38之间的表面面积接触增加。 第一开放式蓄液器12的尺寸可以显著地改变。第一开放式蓄液器12的尺寸可以被确定为适合具体需要地提供开放式蒸馏系统。可以影响开放式蒸馏系统的尺寸的一些因素包括给料溶液的类型和数量。在开放式蒸馏系统10的一个实施例中，第一开放式蓄液器12具有大约0. 8米的高度、大约1. 5米的长度，和大约1米的宽度。这个实施例提供了具有大约1. 2立方米的容积的蓄液器。具有更小和更大容积的第一开放式蓄液器12也是有可能的。 第一液罐馏出物入口 54和第一液罐馏出物出口 40位于第一开放式蓄液器12上方。第一液罐馏出物入口 54和第一液罐馏出物出口 40是歧管，各自具有多个开口。入口54和出口 40与馏出物回路18流体连通并且分别地被馏出物输送线路42d和42a (未示出)连接。中空纤维膜38从第一液罐馏出物入口 54中的开口延伸到第一液罐馏出物出口40中的开口。相当大的部分的中空纤维膜38被置于第一开放式蓄液器12内。除了给料溶液，第一开放式蓄液器12还被配置为包含中空纤维膜38。在图2A中图示的实施例中，中空纤维膜以半圆形回路方式从入口 54和出口 40向下延伸。允许中空纤维膜38的足够的表面面积接触着通过第一开放式蓄液器12流动的给料溶液的其它配置是可能的。
在蒸馏系统10的一些实施例中，第一开放式蓄液器12可以包含一个或者更多个挡板58。挡板58用于一旦它进入第一开放式蓄液器12便引导给料溶液的流动。在于图2B中图示的一个实施例中，第一开放式蓄液器12包含着在中空纤维膜38的下降部分与中空纤维膜38的上升部分之间位于第一开放式蓄液器12的中央部分中的单一挡板58。挡板58被布置在竖直位置中。 根据在图2A中图示的实施例，中空纤维膜38是在第一液罐馏出物入口 54和第一液罐馏出物出口 40之间延伸的多个管状隔膜。中空纤维膜38由一种或者更多种疏水性的、多微孔的材料形成，该材料能够经由蒸汽压力差而将馏出物从给料溶液分离。中空纤维膜38基本上被布置在第一开放式蓄液器12的内部区域的全部容积中以提供大的总共隔膜表
9面面积。在图2A中图示的实施例中，十个中空纤维膜38基本上填充第一开放式蓄液器12的内部区域。根据例如第一开放式蓄液器12的尺寸、中空纤维膜38的厚度和给料溶液的类型之类的因素，更大或者更小数目的中空纤维膜38也是可能的。 图2C图示出开放式蒸馏系统10的一个实施例的第二开放式蓄液器14。第二开放式蓄液器14可以与第一开放式蓄液器12非常类似或者相同。第二开放式蓄液器14包括给料溶液入口 24和给料溶液出口 26并且被配置为包含给料溶液。在操作期间，给料溶液通过第二开放式蓄液器14流动并且占据相当大的部分的第二开放式蓄液器14。当在第二开放式蓄液器14中的给料溶液的液位升高到中空管46的底部上方时，在给料溶液与中空管46之间的表面面积接触增加。 第二开放式蓄液器14的尺寸、几何形状和类型可以显著地改变。第二开放式蓄液器14的尺寸可以被确定为用于适合具体需要地提供开放式蒸馏系统。可以影响开放式蒸馏系统的尺寸的一些因素包括给料溶液的类型和数量。在开放式蒸馏系统10的一个实施例中，第二开放式蓄液器14具有与第一开放式蓄液器12相同的尺寸。第二开放式蓄液器具有大约0. 8米的高度、大约1. 5米的长度，和大约1米的宽度。这个实施例提供了具有大约1. 2立方米的容积的蓄液器。具有更小和更大容积的第二开放式蓄液器14也是可能的。并不要求第二开放式蓄液器14具有与第一开放式蓄液器12相同的尺度。
第二液罐馏出物入口 44和第二液罐馏出物出口 48位于第二开放式蓄液器14上方。第二液罐馏出物入口 44和第二液罐馏出物出口 48是歧管，各自具有多个开口。入口44和出口 48与馏出物回路18流体连通并且分别地被馏出物输送线路42a和42b (未示出)连接。中空管46从第二液罐馏出物入口 44中的开口延伸到第二液罐馏出物出口 48中的开口。相当大的部分的中空管46被置于第二开放式蓄液器14内。除了给料溶液，第二开放式蓄液器14还被配置为包含中空管46。在于图2C中图示的实施例中，中空管以半圆形回路方式从入口 44和出口 48向下延伸。允许中空管46的足够表面面积接触着通过第二开放式蓄液器14流动的给料溶液的其它配置是可能的。 根据在图2C中图示的实施例，中空管46是在第二液罐馏出物入口 44与第二液罐馏出物出口 48之间延伸的多个中空管。中空管46具有非多孔的并且实心的壁。因此，中空管46防止跨越它们的非多孔并且实心的壁上而将馏出物传递到给料溶液以及将给料溶液传递到馏出物。中空管46由能够将热量从管子一侧传递到另一侧的材料形成。中空管46基本上被布置在第二开放式蓄液器14的内部区域的全部容积中以提供大的总共管子表面面积。在于图2C中所示的实施例中，中空管46基本上填充第二开放式蓄液器14的内部区域。根据例如第二开放式蓄液器14的尺寸、中空管38的厚度和给料溶液的类型这样的因素，更大或者更小数目的中空管46也是可能的。 如以上所讨论的那样，已被加热的给料溶液被传送到给料回路16。已被加热的给料溶液经由给料溶液入口 20进入在外壳侧上的第一开放式蓄液器12并且朝向给料溶液出口 22行进。当已被加热的给料溶液从该入口行进到该出口时，已被加热的给料溶液中的一部分沿着该多个中空纤维膜38流动。同时，已被馏出物回路18中的热交换器52冷却的馏出物经由第一液罐馏出物入口 54进入中空纤维膜38，并且朝向第一液罐馏出物出口 40通过管子侧上的中空纤维膜38的内部中空区域流动。当已被冷却的馏出物通过中空纤维膜38的内孔流动时，在中空纤维膜38的内表面与外表面(管子侧和外壳侧，分别地)之间的温差沿着第一开放式蓄液器12内的中空纤维膜38形成蒸汽压力差。该蒸汽压力差允许来 自第一开放式蓄液器12中的给料溶液的蒸汽被从中空纤维膜38的外壳侧输送到中空纤维 膜38的管子侧并且被冷凝成馏出物。馏出物从给料溶液分离并且跨越中空纤维膜38上而 从外壳侧行进到管子侧。馏出物通过中空纤维膜38的内孔行进到给料溶液出口22。馏出 物继续通过馏出物回路18行进到中空管46。 在通过第一开放式蓄液器12流动时，给料溶液大体上保持处于液体状态中。中空 纤维膜38的基本上疏水性的外部阻止给料溶液进入隔膜孔隙，然而允许蒸汽从中空纤维 膜38的外壳侧(蓄液器侧)输送到管子侧。另外地，在中空纤维膜38上的第一开放式蓄 液器12中的给料溶液的压力也小于中空纤维膜38的液体渗透压力。因此，不能强制部分 的液体给料溶液通过中空纤维膜38的微孔。 如以上所讨论的那样，在外壳侧上的给料溶液的升高的温度和在管子侧上的馏出 物的降低的温度相当大地增加了沿着中空纤维膜38的蒸汽压力差，由此增加了馏出物从 给料溶液的分离速率。该蒸汽压力差引起给料溶液中的一部分馏出物蒸发并且通过中空纤 维膜38的微孔传输。当蒸汽从第一开放式蓄液器12行进到中空纤维膜38的内部中空区域 内时，已被冷却的馏出物供给引起蒸汽在靠近中空纤维膜38的管子侧上的孔隙进口处冷 凝并且与馏出物混合。如在下面所讨论的那样，中空纤维膜38的膜壁是基本上疏水性的。 中空纤维膜38的疏水性壁防止了馏出物再次进入隔膜孔隙并且再次结合在中空纤维膜38 的外壳侧上的给料溶液。由于在馏出物回路18中的系统压力，一旦馏出物进入管子侧，该 馏出物便朝向第一液罐馏出物出口 40流动。 当馏出物通过中空管46的内孔流动时，在中空管46的内表面与外表面之间的温 差允许传递在第二开放式蓄液器14内的热能。当给料溶液进入第二开放式蓄液器14时， 它基本上具有低于进入第二开放式蓄液器14中的在中空管46的内孔中的馏出物的温度。 因为中空管被配置为传递热能，所以较为温暖的馏出物沿着中空管46的壁而释放热能。在 外壳侧上的第二开放式蓄液器14中的给料溶液由此被暖热并且在管子侧上的中空管46中 的馏出物被冷却。馏出物在它离开中空管46的内孔之后继续通过馏出物回路18流动。一 部分馏出物被馏出物排放线路56收集用于存储或者使用。剩余部分的馏出物如上所述地 通过馏出物回路18而被再循环、被热交换器52冷却，并且行进到中空纤维膜38的内孔。
开放式蒸馏系统10被配置为在其中第一开放式蓄液器12的外壳侧(给料溶液 侧)具有非常低的雷诺数的条件下操作。通过第一开放式蓄液器12流动的给料溶液位于 开放式蒸馏系统10的外壳侧上。使用1. 2立方米容积的上述第一开放式蓄液器12，可以以 大约34的雷诺数操作开放式蒸馏系统10。实验室研究已经证实，在开放式蒸馏系统10的 一个实施例中，在低至5的雷诺数下已经显示出充分的蒸馏效果。因此，本发明的实施例允 许在给料溶液侧上使用低的雷诺数进行蒸馏。 在一种给定系统中，如以上所讨论的那样，雷诺数取决于长度、平均流体速率和流 体粘度。因为长度是雷诺数计算中的一个分量并且可以使用具有不同尺寸的第一开放式蓄 液器，所以不同实施例的雷诺数可以显著地改变。尽管这样，本发明的实施例仍将基本上具 有低于大约2100的雷诺数。通常，对于在管道中流动而言，小于大约2100的雷诺数表示层 流。大于3000的雷诺数通常表示湍流。本发明的实施例允许在其中给料溶液具有小于大 约2100的雷诺数的系统中进行蒸馏。
图3A是隔膜60的展开截面视图，这是中空纤维膜38 (图2A所示)的单一隔膜的 一个实例。如在图3A中所示，隔膜60包括膜壁62和内部中空区域64。膜壁62大体上由 一种或者更多种疏水性材料形成并且包括允许气体和蒸汽传输，但是限制液体和固体流动 的多个微孔(未示出)。这允许已被蒸发的馏出物经由蒸汽压力输送而从给料溶液分离。 用于膜壁62的适当材料的实例包括疏水性的聚合材料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、 聚二氟乙烯、Halar⑧ECTFE(可从比利时布鲁塞尔的Solvay Solexis得到的乙烯-三氟氯 乙烯共聚物)及其组合。其它适当的材料可以包括非疏水性的聚合物材料，例如聚砜、聚醚 砜和利用疏水性材料(一种或者多种)涂覆的聚酰亚胺。用于膜壁62的特别适当的材料 的实例包括耐热聚合材料，例如聚四氟乙烯、聚二氟乙烯及其组合。用于膜壁62的适当的 壁厚度的实例范围从大约50微米到大约500微米，其中特别适当的壁厚度范围从大约100 微米到大约250微米。 如以上所讨论的那样，在中空纤维膜38上的第一开放式蓄液器12中的给料溶液 的压力也小于隔膜60的膜壁62的液体渗透压力。膜壁62的液体渗透压力基本上取决于 膜壁62的组分并且取决于膜壁62的微孔的尺寸。用于膜壁62的适当的平均微孔尺寸的 实例范围从大约0. 1微米到大约0. 6微米，其中特别适当的平均微孔尺寸范围从大约0. 2 微米到大约0.4微米。 图3B是非多孔中空管66的展开截面视图，它是单一中空管46 (图2B所示)的一 个实例。如在图3B中所示，非多孔中空管66包括非多孔并且实心的壁68和内部中空区域 70。实心壁68由阻挡气体和蒸汽传输的非多孔材料构成，由此防止沿着非多孔中空管66 的质量(流体)传递。用于非多孔中空管66的适当材料包括具有高的导热率并且对于热 量和水溶液而言稳定的聚合材料。适当材料的实例包括以上讨论的用于膜壁62的适当聚 合材料。其它适当材料可以包括能够经受由系统提供的热应力并且在水性环境中耐腐蚀的 材料。实例包括金属例如不锈钢。 图3C是涂层中空管72的展开截面视图，它是单一中空管46的另一个实例。如在 图3C中所示，涂层中空管72包括内部中空区域74，与隔膜60的膜壁类似的膜壁62，和与 非多孔中空管66的壁类似的非多孔并且实心的壁68。非多孔并且实心的壁68围绕膜壁 62从而阻挡气体和蒸汽传输。在上面描述了用于涂层中空管72的膜壁62和非多孔并且实 心的壁68的适当材料。 虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以理解，可以 在形式和细节方面作出改变而不偏离本发明的精神和范围。
1权利要求
一种用于从给料溶液分离馏出物的蒸馏系统，所述系统包括通向大气的第一和第二蓄液器；被配置为将给料溶液循环到所述第一和第二蓄液器的给料回路；被配置为循环馏出物的馏出物回路，包括第一馏出物入口歧管；第一馏出物出口歧管；从所述第一馏出物入口歧管到所述第一馏出物出口歧管并且通过所述第一蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空纤维膜，其中所述中空纤维膜被配置为允许通过其传输蒸汽；第二馏出物入口歧管；第二馏出物出口歧管；从所述第二馏出物入口歧管到所述第二馏出物出口歧管并且通过所述第二蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空管，其中所述中空管被配置为基本上防止通过其传输蒸汽，并且进一步被配置为允许通过其传输热能。
2. 根据权利要求l的系统，其中所述第一馏出物出口歧管与所述第二馏出物入口歧管 流体连通并且所述第二馏出物出口歧管与所述第一馏出物入口歧管流体连通。
3. 根据权利要求1的系统，其中所述中空纤维膜和所述中空管包括多微孔的膜壁，并 且其中所述中空管进一步包括置于所述多微孔的膜壁上的聚合涂层。
4. 根据权利要求3的系统，其中所述多微孔的膜壁由选自以下组的至少一种聚合材料 形成，所述的组包括聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、乙 烯_三氟氯乙烯共聚物及其组合。
5. 根据权利要求1的系统，其中所述中空纤维膜具有范围从大约0. 1微米到大约0. 6 微米的平均微孔尺寸。
6. 根据权利要求1的系统，其中所述给料回路包括被配置为将给料溶液加热至范围从 大约5(TC到小于大约IO(TC的温度的热交换器。
7. 根据权利要求6的系统，其中所述给料回路包括被配置为将给料溶液加热至范围从 大约7(TC到大约9(TC的温度的热交换器。
8. 根据权利要求1的系统，其中所述馏出物回路包括被配置为将馏出物冷却至范围从 大约5t:到大约75t:的温度的热交换器。
9. 根据权利要求8的系统，其中所述馏出物回路包括被配置为将馏出物冷却至范围从 大约2(TC到大约55t:的温度的热交换器。
10. 根据权利要求l的系统，其中所述第一蓄液器包含至少一个挡板。
11. 根据权利要求l的系统，其中所述第一蓄液器和第二蓄液器被覆盖。
12. 根据权利要求l的系统，其中所述中空管由非多孔材料形成。
13. —种用于从给料溶液分离馏出物的蒸馏系统，所述系统包括 通向大气的第一蓄液器；第一馏出物入口歧管； 第一馏出物出口歧管；从所述第一馏出物入口歧管到所述第一馏出物出口歧管并且通过所述第一蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空纤维膜，其中所述中空纤维膜被配置为允许通过其传输蒸 汽；通向大气的第二蓄液器； 第二馏出物入口歧管； 第二馏出物出口歧管；并且从所述第二馏出物入口歧管到所述第二馏出物出口歧管并且通过所述第二蓄液器的 至少一个部分延伸的多个中空管，其中所述中空管被配置为基本上防止通过其传输蒸汽， 并且进一步被配置为允许通过其传输热能；被配置为向所述第一蓄液器和第二蓄液器提供给料溶液的给料回路；禾口 被配置为在所述中空纤维膜与所述中空管之间循环馏出物的馏出物回路。
14. 根据权利要求13的系统，其中所述中空纤维膜和所述中空管包括多微孔的膜壁， 并且其中所述中空管还包括置于所述多微孔的膜壁上的聚合涂层。
15. 根据权利要求14的系统，其中所述多微孔的膜壁由选自以下组的至少一种聚合材 料形成，所述的组包括聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、 乙烯_三氟氯乙烯共聚物及其组合。
16. —种用于从通向大气的蓄液器中的给料溶液分离馏出物的方法，所述方法包括 将所述给料溶液引入给料回路中；加热所述给料溶液；通过通向大气并且包含被配置为允许传输馏出物的多个中空纤维膜的第一蓄液器而 循环所述给料溶液从而馏出物被从所述第一蓄液器传递到所述中空纤维膜的内部区域； 将在所述中空纤维膜中收集的馏出物循环到多个中空管；通过通向大气并且包含被配置为基本上防止蒸汽传输并且还被配置为允许热能传输 的多个中空管的第二蓄液器而循环所述给料溶液从而热能被从中空管传递到所述第二蓄 液器中的所述给料溶液；在所述馏出物离开所述中空管之后冷却所述馏出物；禾口将所述馏出物循环到所述中空纤维膜。
17. 根据权利要求16的方法，其中所述给料溶液被加热至范围从大约5(TC到小于大约 IO(TC的温度。
18. 根据权利要求17的方法，其中所述给料溶液被加热至范围从大约7(TC到大约9(rC 的温度。
19. 根据权利要求16的方法，其中所述馏出物被冷却至范围从大约5t:到大约75t:的温度。
20. 根据权利要求19的方法，其中所述馏出物被冷却至范围从大约2(TC到大约55t:的温度。
全文摘要
本发明涉及具有低雷诺数的用于膜蒸馏的系统和方法。一种蒸馏系统和方法包括开放式蓄液器和通过各个开放式蓄液器的某些部分延伸的多个中空纤维膜和中空管。该中空纤维膜被配置为允许蒸汽传输，并且该中空管被配置为基本上防止蒸汽传输但是允许热能传输。给料溶液被循环通过该开放式蓄液器。馏出物被中空纤维膜从给料溶液分离并且通过中空管补偿热能。
文档编号B01D61/36GK101711945SQ20091016468
公开日2010年5月26日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年7月29日
发明者J·R·艾里什, X·廖, Z·马 申请人:米尔顿·罗伊公司