一种碟管式真空多效膜蒸馏组件及系统

1.本发明属于膜蒸馏技术领域，具体涉及一种碟管式真空多效膜蒸馏组件及系统。


背景技术：

2.膜蒸馏技术作为一种新兴的水处理技术最早应用于海水淡化，近年来在工业高含盐废水处理领域逐渐展示出广阔的应用前景。该技术依赖于温差产生的蒸汽压差进行传质，由于蒸汽压受盐浓度影响较小，因此膜蒸馏一般可将含盐废水浓缩至20％。与压力驱动的膜分离工艺如反渗透技术相比，膜蒸馏的操作压力低、产水水质好，膜污染较轻。此外，膜蒸馏的运行温度较低，并且能够利用低品位的热能，如工业废热、太阳能等。目前膜蒸馏技术实现工业化应用面临的难题主要在于通量较低，且长时间运行过程中不可避免的存在膜污染问题。因此需要探索发明一种适用于膜蒸馏高通量、抗污染的膜组件及系统，从而推进膜蒸馏的工业化进程。
3.碟管式反渗透技术在处理高浓度难降解有机废水领域显示出了巨大的优势，其导流盘上带有的凸点结构增大了流道宽度，同时使流入的废水呈湍流流态，有效降低膜面结垢倾向，且膜片层层堆叠，提高通量的同时可单独更换，操作方便。与传统的反渗透过程相比，碟管式反渗透不仅在通量和水回收率方面显著提升，对无机盐和有机物的耐受程度也大大提高，该技术最早被应用于垃圾渗滤液的处理，可以处理cod高达35000mg/l、含盐量3-6％的高盐有机废水。但是该技术运行条件苛刻，操作压力一般需要达到90bar以上，膜外壳需要能够承压90-120bar，膜需要采用专用的抗污染反渗透膜(主要依赖进口)，整个系统中的管路、阀门和泵等都需要耐高压和耐腐蚀，因此系统材质特殊、结构复杂、设备投资成本和运行成本均较高。
4.膜蒸馏是基于热法的脱盐过程，传质和传热同时进行，系统一般在常压和中低温条件下运行(40-60℃)，膜采用疏水微孔膜，设备投资成本和运行成本低。但是不同于碟管式反渗透膜组件，碟管式膜蒸馏需要实现膜组件的高效传质和膜系统热量的高效利用，为此碟管式膜蒸馏组件设计要克服以下主要难点：1.将碟管式反渗透组件的耐高压结构改变为常压结构，实现在常压条件下碟管式膜组件的湍流流态控制。2.增加碟管式组件中的蒸发传质功能，实现废水在膜元件热冷两侧的蒸发-冷凝过程。3.增加碟管式膜组件和系统的换热功能，采用多效、自换热等方式实现碟管式膜蒸馏过程热量的高效利用。4.对碟管式膜组件进出水位置、膜元件、待处理物与净水流道、中心拉杆等单元进行重构，实现碟管式膜蒸馏系统的废水高效浓缩和蒸汽的高效冷凝。


技术实现要素：

5.本发明针对上述问题提供了一种碟管式真空多效膜蒸馏组件及系统。
6.为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
7.一种碟管式真空多效膜蒸馏组件，包括碟管式构件，所述碟管式构件中的碟片式膜片上的膜为渗透蒸发膜或蒸馏膜。
8.进一步，所述碟管式构件包括外壳，在所述外壳的两端分别设置有上法兰盘和下法兰盘，所述上法兰盘和下法兰盘通过中心拉杆实现固定，在所述外壳内部设置有导流盘和碟片式膜片，在所述上法兰盘或下法兰盘上设置有待处理物入口、浓缩物出口和净水出口。
9.再进一步，所述中心拉杆为中空结构，所述中心拉杆的空腔作为冷却通道，用于通入冷却介质，加快蒸汽的冷凝速度。
10.更进一步，所述净水出口设置在下法兰盘上，在所述上法兰盘上通过管道连接有抽真空装置，用于对净水通道进行抽真空，使净水通道呈负压状态，从而加快蒸汽的流通速度。
11.多效膜蒸馏系统，包括至少两个逐级串联的膜蒸馏组件，相邻所述膜蒸馏组件的浓缩物出口和待处理物入口分别相互串联，从而实现对污水的多级浓缩。
12.更进一步，相邻所述膜蒸馏组件的中心拉杆相互串联，从而实现冷却通道的连通，且冷却介质的流向与待处理物的流向相反。
13.更进一步，所述冷却通道末端的出口通过管路与加热器的入口连通，所述加热器的出口通过管路与第一级膜蒸馏组件的待处理物入口连通。
14.更进一步，所述膜蒸馏组件的真空度随待处理物的流向逐级递增。
15.与现有技术相比本发明具有以下优点：
16.1、本发明将碟管式反渗透组件和膜蒸馏技术进行耦合，构造新型膜蒸馏组件，解决以往膜蒸馏通量较低和膜污染的问题；
17.2、本发明采用真空膜蒸馏形式可以提升一定的通量，缓解高盐废水对膜蒸馏膜造成的污染，同时碟管式膜蒸馏组件能够在较小的占地面积上实现较大的膜面积应用，实现较大的膜通量，加快膜蒸馏技术工业化的进程，同时当污染发生时可单独更换膜片，操作更加便捷；
18.3、本发明的膜蒸馏组件是通过热量进行驱动的，而现有的碟管式是通过高压(90bar)进行驱动，除了外壳需要是承压外壳之外，反渗透技术所用的膜为专用的致密膜，现在还主要依赖进口，基于承压外壳和进口的致密膜，其需要较大的设备成本，而本技术外壳无需承受较大压力，常压下即可运行，可采用普通材质制备，同时本技术的膜采用的是普通的疏水微孔膜，设备成本可降低80-90％，另外碟管式反渗透还需要高压泵等设备的持续运行，运行成本高，本发明采用余热作为膜蒸馏系统的热源，其运行成本可降低70-80％；
19.4、建立了碟管式膜蒸馏组件，通过多效串联能够进一步提升膜蒸馏通量，同时中间拉杆作为换热管能够实现膜蒸馏系统的自换热，充分实现浓缩过程的余热利用，提升性能的同时降低能耗和成本。
附图说明
20.图1为本发明膜蒸馏组件的结构示意图；
21.图2为本发明多效膜蒸馏系统的结构示意图；
22.图中，外壳—1、上法兰盘—2、下法兰盘—3、中心拉杆—4、导流盘—5、碟片式膜片—6、待处理物入口—7、浓缩物出口—8、净水出口—9、抽真空装置—10、加热器—11。
具体实施方式
23.为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
24.如图1所示，一种碟管式真空多效膜蒸馏组件，包括碟管式构件，所述碟管式构件包括外壳1，在所述外壳1的两端分别设置有上法兰盘2和下法兰盘3，所述上法兰盘2和下法兰盘3通过中心拉杆4实现固定，所述中心拉杆4为中空结构，所述中心拉杆4的空腔作为冷却通道，用于通入冷却介质，加快蒸汽的冷凝速度，在所述外壳1内部设置有导流盘5和碟片式膜片6，所述碟片式膜片6上的膜为渗透蒸发膜或蒸馏膜，在所述上法兰盘2或下法兰盘3上设置有待处理物入口7、浓缩物出口8，净水出口9设置在下法兰盘3上，在所述上法兰盘2上通过管道连接有抽真空装置10，用于对净水通道进行抽真空，使净水通道呈负压状态，从而加快蒸汽的流通速度。
25.如图2所示，多效膜蒸馏系统，包括至少两个逐级串联的膜蒸馏组件，相邻所述膜蒸馏组件的浓缩物出口8和待处理物入口7分别相互串联，从而实现对污水的多级浓缩，相邻所述膜蒸馏组件的中心拉杆4相互串联，从而实现冷却通道的连通，且冷却介质的流向与待处理物的流向相反，所述冷却通道末端的出口通过管路与加热器11的入口连通，所述加热器11的出口通过管路与第一级膜蒸馏组件的待处理物入口7连通，所述膜蒸馏组件的真空度随待处理物的流向逐级递增。
26.表1.传统膜蒸馏组件与本发明膜蒸馏组件通量对比。
[0027][0028]
由上表可知，采用本发明的膜蒸馏组件相比传统膜蒸馏组件通量可以提升55～105％。
[0029]
表2.传统膜蒸馏组件与本发明膜蒸馏组件膜污染速率对比。
[0030][0031]
由上表可知，采用本发明的膜蒸馏组件相比传统膜蒸馏组件膜污染速率可以下降47～62％。
[0032]
表3.碟管式反渗透组件与本发明碟管式膜蒸馏组件膜元件/膜壳成本对比。
[0033] 膜元件膜壳碟管式反渗透组件1000～1800元/平方米700～1200元(90bar)本发明组件200～500元/平方米100～300元
[0034]
由上表可知，采用本发明的膜蒸馏组件相比传统碟管式反渗透组件膜元件成本可
以下降70～80％，膜壳成本可以降低75～85％。
[0035]
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0036]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。