减压超滤膜蒸馏装置及其方法与流程

本发明涉及高盐度废水处理、化工与医药浓缩分离的膜分离技术,尤其涉及一种减压超滤膜蒸馏装置及其方法。

背景技术：

膜蒸馏技术是近年来膜技术领域研究的热点之一，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，分离过程的安全性得到了提高，而且，膜蒸馏的脱盐率高，膜污染程度低。

现有常规膜蒸馏是以疏水膜为分离介质，以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力，以传热过程为主要控制因素的膜分离过程。在疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的原料液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，液体水以及溶解在原料液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。现有膜蒸馏技术包括减压膜蒸馏、气隙膜蒸馏、气扫膜蒸馏、直接接触膜蒸馏和吸收膜蒸馏。其中减压膜蒸馏具有最大的膜蒸馏通量和最低的产水电导率。

目前膜蒸馏技术存在着诸多关键问题，其一是由于不可避免的膜污染现象，在膜蒸馏过程中存在不可回避的疏水膜的亲水化渗漏；关键问题之二是由于疏水膜制备材料与方法的限制，膜蒸馏通量与膜机械强度均较低，因此，这是膜蒸馏技术实现工业化应用必需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有膜蒸馏技术存在的上述问题，而提供一种减压超滤膜蒸馏装置及其方法，采用超滤膜作为原料液分布机构，透过该超滤膜的原料液，在该超滤膜另一侧表面均匀分布，一部分在真空泵减压下 作用下蒸发，蒸发的蒸汽从超滤膜组件上端口引出膜组件，未蒸发的原料液，则在自然重力作用下，沿超滤膜外表面向下流，从膜组件未蒸发清液出口流出膜组件，实现气液分离。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明减压超滤膜蒸馏装置，其特征在于：原料液槽11的出口通过管线与超滤膜组件13的壳程或者管程连接，该超滤膜组件13的未蒸发清液出口15通过管线与浓水收集槽16连接，超滤膜组件13蒸馏蒸汽出口17通过管线与外接冷凝器18进口连接，该外接冷凝器18的出口通过管线与膜蒸馏产水收集槽19连接，该膜蒸馏产水收集槽19通过管线与真空泵20连接；该原料液槽11与超滤膜组件13壳程或者管程连接的管线上设有进料控制阀门12，该超滤膜组件13第二出口连接的管线上设有清洗排出阀14；该外接冷凝器18壳体上设有冷却水进口22和冷却水出口23；该超滤膜组件13蒸馏蒸汽出口17与外接冷凝器18连接管线的垂直管段高度h为15至30cm。

前述的减压超滤膜蒸馏装置，其中超滤膜的分离孔径为0.01至2.0μm，超滤膜组件的结构形式为常规的中空纤维型、管式、板框式或者卷式。

本发明减压超滤膜蒸馏装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：

(一)关闭超滤膜组件12的清洗排出阀14，启动真空泵20；

(二)原料液槽11中的热原料液，在真空泵20的负压抽吸下，经进料控制阀门12的原料液流量控制进入超滤膜组件13的管程或者壳程中，经超滤膜除杂过滤后，透过超滤膜的清液自然分布在超滤膜外表面；

(三)在真空泵20的抽吸作用下，部分清液蒸发，水蒸汽从超滤膜组件13膜蒸馏蒸汽出口17，经一段垂直管完成气液分离后，进入外接冷凝器18中，冷凝后的膜蒸馏产水流入膜蒸馏产水收集槽19中；

(四)超滤膜组件13内未蒸发的清液，在重力作用下，沿着超滤膜外表面向下流，然后从超滤膜组件13未蒸发清液出口15而流入浓水收集槽16中；

(五)进入浓水收集槽(16)中的浓水达到一定体积后排放。

本发明减压超滤膜蒸馏装置，其特征在于：原料液槽11的出口通过管线与循环水槽26第一进水口261连接，该循环水槽26的出口通过管线与超滤膜组件13壳程或者管程连接，该超滤膜组件13的未透过超滤膜的原料液出口140通过管线与循环水槽26第二进水口262连接，超滤膜组件13蒸馏蒸 汽出口17通过管线与外接冷凝器18进口连接，超滤膜组件13的未蒸发清液出口15通过管线与循环水槽26第三进水口263连接，该外接冷凝器18的出口通过管线与膜蒸馏产水收集槽19连接，该膜蒸馏产水收集槽19通过管线与真空泵20连接；该原料液槽11与循环水槽26第一进水口连接的管线上设有进料控制阀门12，该循环水槽26出口与超滤膜组件13壳程或者管程连接的管线上依次设有循环流量控制阀25和循环水泵24；该外接冷凝器18壳体上设有冷却水进口22和冷却水出口23；该超滤膜组件蒸馏蒸汽出口17与外接冷凝器18连接管线的垂直管段高度h为15至30cm。

前述的减压超滤膜蒸馏装置，其中超滤膜的分离孔径为0.01至2.0μm，超滤膜组件的结构形式为常规的中空纤维型、管式、板框式或者卷式。

本发明减压超滤膜蒸馏装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)启动真空泵20，原料液槽11中的热原料液，在真空泵20的负压抽吸下，经进料控制阀门12控制原料液流量，进入循环水槽26；

(二)启动循环水泵24，进入循环水槽26的原料液在循环水泵24驱动下，通过循环流量控制阀25，进入超滤膜组件13的管程或者壳程中，经超滤膜除杂过滤后，透过超滤膜的清液自然分布在超滤膜的外表面；

(三)在真空泵20的抽吸作用下，部分清液蒸发，水蒸汽从超滤膜组件13的膜蒸馏蒸汽出口17，经过一段高度h为15至30cm的垂直管段完成气液分离后，进入冷凝器18中；

(四)在冷凝器18内冷凝后的膜蒸馏产水流入膜蒸馏产水收集槽19中；

(五)未蒸发的清液，在重力作用下，沿超滤膜外表面向下流，然后从超滤膜组件13的未蒸发清液出口15，流回循环水槽26中；

(六)未透过超滤膜的原料液从该超滤膜组件13的未透过超滤膜原料液出口140经管线回流至循环水槽26内。

本发明减压超滤膜蒸馏装置及其方法的显著特征是：不采用疏水膜作为气液分离介质，改为使用透水性超滤膜作为原料液分布机构。该超滤膜具有透水性能，因为透水性超滤膜所提供的蒸发面积大于膜孔道的实际气液接触界面面积，与疏水膜相比，具有在单位体积内蒸发面积更大的特点；利用膜组件壳程空间和自然重力作用，实现气液分离，可以得到低电导率的膜蒸馏产水；蒸发过程是在分离膜的表面而不取决于膜孔通道，因而可以制备低孔 隙率和小孔径的膜，相应可以得到更高机械强度的膜；由于可以提高膜的机械强度，因而可以制备更薄的膜，提高膜的导热性能，有利于蒸发温度的提高；无需蒸汽透过膜孔进行传质，因而降低了气相传质阻力；因不使用疏水膜，相应避免了疏水膜的亲水化渗漏问题。这样可以实现高效的膜法蒸馏过程。

该方法同样是将膜技术与传统蒸馏技术结合的膜蒸馏技术，利用了分离膜气液接触面积大的优点，相比于现有减压膜蒸馏、气隙膜蒸馏、气扫膜蒸馏、直接接触膜蒸馏和吸收膜蒸馏，本发明提出的减压超滤膜蒸馏是更为高效的膜蒸馏技术。

依据具体实施的方式不同，可以有减压超滤膜蒸馏，即在超滤膜的透过侧施加负压，将在超滤膜表面蒸发的水蒸汽抽出到膜组件外部的冷凝器内进行冷凝液化；可以有气扫式超滤膜蒸馏，即在超滤膜的透过侧施加吹扫气，将在超滤膜表面蒸发的水蒸汽吹出到膜组件外部的冷凝器内进行冷凝液化，等等。

附图说明

图1为现有疏水膜蒸馏气液接触面实施状态示意图。图中1为热原料液、2为疏水膜材料、3为疏水膜孔的气液接触面。

图2为本发明减压超滤膜蒸馏装置实施状态示意图。图中1为热原料液，4为超滤膜，5为超滤膜的表面液膜。

图3为本发明减压超滤膜蒸馏装置结构一实施例图。图中11为原料液槽、12为进料控制阀门、13为超滤膜组件、14为清洗排出阀、15为膜组件未蒸发清液出口、16为浓水收集槽、17为膜组件膜蒸馏蒸汽出口、18为外接冷凝器、19为膜蒸馏产水收集槽、20为提供负压的真空泵、22为冷凝器的冷却水进口、23为冷凝器的冷却水出口、h为膜组件壳程上端膜蒸馏蒸汽出口的垂直管高度。

图4为本发明减压超滤膜蒸馏装置结构另一实施例图。图中11为原料液槽、12为进料控制阀、13为超滤膜组件、140为超滤膜组件未透过超滤膜原料液出口、15为膜组件未蒸发清液出口、17为膜组件膜蒸馏蒸汽出口、18为外接冷凝器、19为膜蒸馏产水收集槽、20为提供负压的真空泵、22为冷凝器的冷却水进口、23为冷凝器的冷却水出口、24为循环水泵、25为循环流量控 制阀、26为循环水槽、261第一进水口、262第二进水口、263第三进水口。

具体实施方式

如图1所示，采用常规疏水膜的膜蒸馏过程，其蒸发面积与疏水膜表面的开孔情况密切相关，由于制膜方法与膜材料强度问题所限，制约了图1中疏水膜孔的气液接触面3的气液接触面积的提高。

如图2所示，采用本发明的超滤膜蒸馏方法，原料液1将会透过超滤膜4，在超滤膜的另一侧由于重力作用而自然流下，同时在超滤膜的表面形成一层厚度可控的液膜5。该具有透水性能的超滤膜4作为原料液1的分布机构，提供原料液1的蒸发气液相界面，利用膜组件壳程空间和自然重力作用，水蒸汽上升，未蒸发的原料液作为浓水向下流动，实现气液分离。

由于制膜的开孔率与强度问题的制约，图1中气液接触面3的表面积远小于图2中液膜5的表面积；蒸发过程是在分离膜的表面而不取决于膜孔通道，因而可以制备低孔隙率和小孔径的膜，相应可以得到更高机械强度的膜；由于可以提高膜的机械强度，因而可以制备更薄的膜，提高膜的导热性能，有利于蒸发温度的提高；现有膜蒸馏技术，都是水蒸汽透过膜孔进行传质，膜蒸馏通量与膜的厚度成反比，超滤膜蒸馏过程无需蒸汽透过膜孔进行传质，因而降低了气相传质阻力；由于不依靠超滤膜作为气液隔离介质，因而不存在疏水膜的膜孔润湿渗漏问题。这样可以实现高效的膜法蒸馏过程。超滤膜的作用是作为原料液分布机构，为原料液提供更大面积的气液蒸发相界面。

如图3所示，本发明的减压超滤膜蒸馏方法是，关闭超滤膜组件12的清洗排出阀14，启动真空泵20：原料液槽11中的热原料液，在真空泵20的负压抽吸下，经进料控制阀门12的原料液流量控制，按一定的流量进入超滤膜组件13的管程中，经超滤膜除杂过滤后，透过超滤膜的清液自然分布在超滤膜的外表面；在真空泵20的抽吸作用下，部分清液蒸发，水蒸汽从超滤膜组件13壳程上端膜蒸馏蒸汽出口17，经过一段具有足够高度的垂直管段h，完成气液分离后，进入外接冷凝器18中，冷凝后的膜蒸馏产水流入膜蒸馏产水收集槽19中，垂直管段的高度为20cm；未蒸发的清液，在重力作用下，沿超滤膜外表面向下流，然后从超滤膜组件13壳程下端出口15而流入浓水收集槽16中，进入浓水收集槽16中的浓水达到一定体积后排放。冷却水从冷却水进口22进入冷凝器18，然后从冷凝器18的冷却水出口23排出。

原料液可以经进料控制阀门12控制从超滤膜组件13底端向上进入超滤膜组件13的管程中，也可以从超滤膜组件13底端向上进入超滤膜组件13的壳程中，还可以从超滤膜组件13顶端向下进入超滤膜组件13的管程中，也可以从超滤膜组件13顶端向下进入超滤膜组件13的壳程中，具体的流路设置根据膜组件的结构形式如中空纤维型、管式、板框式或者卷式，以及原料液特性而定。

膜蒸馏过程中，通过原料液循环，可以控制膜污染进程，同时有利于提高蒸发清液的温度，从而提高膜蒸馏通量。如图4所示，本发明的减压超滤膜蒸馏方法是，启动真空泵20：原料液槽11中的热原料液，在真空泵20的负压抽吸下，经进料控制阀门12控制原料液流量，按一定的流量进入循环水槽26；启动循环水泵24，由第一进水口261进入循环水槽26的原料液在循环水泵24驱动下，通过循环流量控制阀25，由超滤膜组件13底端进入超滤膜组件13的管程中，经超滤膜除杂过滤后，透过超滤膜的清液自然分布在超滤膜的外表面；在真空泵20的抽吸作用下，部分清液蒸发，水蒸汽从位于超滤膜组件13壳程上端的膜蒸馏蒸汽出口17，经过一段高度h为15cm的垂直管段完成气液分离后，进入冷凝器18中，冷凝后的膜蒸馏产水流入膜蒸馏产水收集槽19中；未蒸发的清液，在重力作用下，沿超滤膜外表面向下流，然后从超滤膜组件13壳程下端的未蒸发清液出口15，由第三进水口263流回循环水槽26中。未透过超滤膜的原料液从该超滤膜组件13的未透过超滤膜原料液出口140经管线，由第二进水口262回流至循环水槽26内。

冷却水从冷却水进口22进入冷凝器18，然后从冷凝器18的冷却水出口23排出。

同样，经控制阀门12控制的原料液可以从下向上进入超滤膜组件13的管程中，也可以从下向上进入超滤膜组件13的壳程中，还可以从上向下进入超滤膜组件13的管程中，也可以从上向下进入超滤膜组件13的壳程中，具体的流路设置依膜组件的结构形式如中空纤维型、管式、板框式或者卷式，以及原料液特性而定。

由于需要超滤膜的外表面来提供原料液的蒸发面积，因此，在制作超滤膜组件时，需要将超滤膜均匀排布，以尽量减少膜外表面相互之间的直接接触，以免损失蒸发面积。膜组件的膜蒸馏蒸汽出口连接的管线必须保证使蒸 汽垂直上升有足够高度的垂直管段h，该垂直管段h的高度可以设置为10至100cm，取决于具体的膜蒸馏装置结构和膜组件结构配置，以防止气雾夹带影响膜蒸馏产水的水质，完成气液分离，以保障膜蒸馏产水电导率值足够低，符合处理要求。该垂直管段h的高度一般设置在15至30cm较好。

实施例1，采用如图3减压超滤膜蒸馏装置，以自来水作为原料液，从下向上进入超滤膜组件的管程中，自来水电导率为360μS/cm，自来水温度为60℃，将面积为0.05㎡的疏水膜组件(自制，代号M-1)用乙醇润湿后作为超滤膜，进行减压超滤膜蒸馏过程，设置垂直管段的高度h为15cm，真空负压为0.089MPa，得到的膜蒸馏通量为15L/㎡.h，膜蒸馏产水电导率为4.2μS/cm。

比较例1，采用常规减压膜蒸馏装置，同样以自来水作为原料液，自来水电导率为360μS/cm，自来水温度为60℃，使用面积为0.05㎡的疏水膜组件(自制，代号M-1)进行常规减压膜蒸馏过程，真空负压为0.089MPa，得到的膜蒸馏通量为11L/㎡.h，膜蒸馏产水电导率为3.2μS/cm。

由实施例1与比较例1来看，使用同样一支膜组件，膜蒸馏过程不同，膜蒸馏通量相差较大。

实施例2，使用中空纤维超滤膜组件(自制，代号M-2)，其余条件同实施例1。得到的膜蒸馏通量为15L/㎡.h，膜蒸馏产水电导率为4.1μS/cm。

M-1膜组件的纯水超滤膜通量为280L/㎡.h@0.10MPa，M-2膜组件与M-1膜组件的中空纤维膜外表面积相同，M-2膜组件的纯水超滤膜通量为1080L/㎡.h@0.10MPa，远高于M-1膜组件。由实施例1与实施例2比较，膜蒸馏通量与所用超滤膜的孔径和超滤通量无关。

实施例3，采用如图4减压超滤膜蒸馏装置，以自来水作为原料液，从下向上进入超滤膜组件的管程中，自来水电导率为360μS/cm，自来水温度为60℃，原料液循环流速为0.40m/S。将面积为0.05㎡的疏水膜组件(自制，代号M-1)用乙醇润湿后作为超滤膜进行减压超滤膜蒸馏过程，设置垂直管段高度h为15cm，真空负压为0.089MPa，得到的膜蒸馏通量为22L/㎡.h，膜蒸馏产水电导率为4.2μS/cm。通过原料液循环，有利于提高蒸发清液的温度，从而提高膜蒸馏通量。

本发明实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。

本发明是利用膜组件壳程或者管程空间和自然重力作用，实现气液分离，可以得到低电导率的膜蒸馏产水。本发明的优点：不采用疏水膜作为气液分离介质，改进为使用透水性超滤膜作为原料液分布机构，从而避免了疏水膜的亲水化渗漏问题；与疏水膜的膜孔道气液界面相比，超滤膜具有更大的原料液蒸发面积，因而有更大的膜蒸馏通量；蒸发过程是在分离膜的表面而不取决于膜孔通道，因而可以制备低孔隙率和小孔径的膜，相应可以得到更高机械强度的膜；由于可以提高膜的机械强度，因而可以制备更薄的膜，提高膜的导热性能，有利于蒸发温度的提高；无需蒸汽透过膜孔进行传质，因而降低了气相传质阻力，从而可以实现高效的膜法蒸馏过程。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。