專利名稱：用于凈化液體的膜蒸餾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過膜蒸餾來凈化液體的方法，特別是用于從 海水、半咸水或者工業(yè)過程水中生產(chǎn)淡水，以及用于執(zhí)行該方法的裝置。
背景技術(shù)：
膜蒸餾與公知的蒸餾技術(shù)例如多級閃蒸、多效蒸餾和蒸汽壓縮的不 同在于其使用了非選擇性的多孔膜。該膜形成了在熱的、汽化的滯留物 流與冷凝的產(chǎn)品、餾出物流之間的分隔。由于選擇的材料合適(通常是 聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯或者聚四氟乙烯)，所述孔(直徑在
0.0000l-0.005mm之間，通常在0.0001-0.0005mm之間)不會被液體所潤 濕；僅蒸汽通過所述膜。
US 3,334,186中首次描述了膜蒸餾。其目的是通過使用空氣填充的 多孔疏水膜來提高海水淡化的效率。該方法所涉及的是所謂直接接觸式 膜蒸餾熱的海水流與冷的餾出物流都直接接觸膜。
當(dāng)二十世紀(jì)八十年代中期出現(xiàn)了新一代疏水的、高度多孔的膜時(shí)， 膜蒸餾才引起實(shí)質(zhì)上的興趣。然而，研究表明膜蒸餾并不比其它與之競 爭技術(shù)的成本低，因此膜蒸餾沒有被商業(yè)化應(yīng)用。
膜蒸餾可以分為以下四種不同的類型
1， 直接接觸式膜蒸餾(DCMD)，其中熱的汽化流與冷的冷凝流
(餾出物流)直接接觸膜。 2， 空氣間隙膜蒸餾(AGMD)，其中冷凝表面與膜之間通過空氣 間隙分離。
3， 吹掃氣膜蒸餾(SGMD)，其中餾出物以蒸汽形式被惰性氣體 移除。
4， 真空膜蒸餾(VMD)，其中餾出物以蒸汽形式通過真空移除。到目前為止，直接接觸式膜蒸餾吸引了最多的關(guān)注。
在這方面，相關(guān)的參考文獻(xiàn)例如US 4,545,862描述了平面的和螺旋 巻繞的模塊(具有平面膜)。這樣的模塊被測試用于鹽水淡化。這些測試 中，餾出物流從海水流中分離，海水流以與蒸發(fā)的滯留物構(gòu)成逆流的形 式被供應(yīng)，這樣使海水有效地吸收冷凝的熱量。在該專利的實(shí)施例中， 描述了在實(shí)現(xiàn)每小時(shí)通過膜的總表面積的流量為2.21升/平方米，熱的滯 留物和海水之間的溫差A(yù)T為4。C的情況下，結(jié)果每生產(chǎn)千克餾出物消耗 的能量僅為212千焦耳。從這些數(shù)據(jù)中，可以計(jì)算出在滯留物通道中具 有相對高的平均流速0.09m/s時(shí)，比流量為1.30.10"V3/m2.s.Pa。比流量 定義為進(jìn)料流與滯留物流體積之間的每單位水蒸汽壓差、每單位膜表面 積下的餾出物的流速。
除了使用平面膜之外，中空纖維膜用于直接接觸式膜蒸餾的優(yōu)點(diǎn)也 是公知的。由于膜纖維裝填緊湊，可以得到高達(dá)500mVi^的表面積，這 使得降低設(shè)備的成本成為可能。另外，將直接接觸式膜蒸餾模塊與熱交 換模塊結(jié)合形成環(huán)路來回收冷凝熱的方法己經(jīng)被提出(見 K.Schneider，T丄van Gassel, Membrandestillation, Chem.Ing.Tech.56 (1984) 514-521)。文中還建議向DCMD的孔內(nèi)引入降低的空氣壓，通過進(jìn)料液 體的脫氣和在低于大氣壓的壓力下泵出餾出物流，表明該方法能夠使蒸 餾液的流速加倍。研究發(fā)現(xiàn)對于海水淡化，在AT為2(TC (5kPa蒸汽壓 差)和單位能耗大于1000kJ/kg水的條件下，得到大約5L/m2/h的餾出物 流速。
自1984年以來在DCMD技術(shù)領(lǐng)域幾乎沒有明顯的進(jìn)步。 空氣間隙膜蒸餾首次于1971年出現(xiàn)在GB 1 225 254A中。除了使用 空氣間隙之外，進(jìn)料與滯留物的對流流動(由此回收潛熱)也已經(jīng)被提 出。另外，1982年在DE3,123,409(Siemens)也描述了 AGMD。該申請涉 及在平面多孔膜與冷的冷凝表面之間使用其中填充空氣或者可選地例如 氫氣的較輕氣體的間隙(厚度3mm)。其目的是減少由于通過膜傳導(dǎo)而導(dǎo) 致的顯熱傳遞。通過實(shí)驗(yàn)確定了由傳導(dǎo)導(dǎo)致的熱傳遞約等于通過汽化導(dǎo) 致的熱傳遞。另外，文中提出了進(jìn)入海水與蒸汽流對流地進(jìn)料，從而回收熱量。文中還要求了太陽熱能作為熱源的用途。在理論描述的情況中，
在5'C的溫差A(yù)T、回收約4.9%以及生產(chǎn)每千水的能耗大于850kJ的條件 下，得到餾出物流速為3.36kg/m2/h。
歐洲專利申請0 164 326描述了使用空氣間隙的膜蒸餾，不同的特征 在于以同心管的形式構(gòu)造。在文章"Design and field tests of a new membrane distillation desalination process (Desalination 56 (1985)， pp. 345-354)(—種新的膜蒸餾淡化工藝的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場試驗(yàn)(脫鹽56 (1985)， pp.345-354))"中描述了一種使用平面膜包的變型。令人吃驚的是這里放 棄了海水與滯留物的對流流動原理，其結(jié)果是可能沒有回收蒸發(fā)熱。也 沒有提供能耗的數(shù)據(jù)。WO 8607585A(1986)是基于與上述研究所使用的相 同的模型數(shù)據(jù)，但是從這些數(shù)據(jù)推斷出為了同時(shí)達(dá)到高流速和低顯熱損 失(目標(biāo)是300-800kJ/kg水)，需要厚度0.2-1.0mm的空氣間隙。由于模 型中沒有計(jì)算在熱壁和冷壁之上及之內(nèi)的溫度變化，因此得出了過于樂 觀的結(jié)果。
在US 4,879,041中記載了具體用于半導(dǎo)體工業(yè)的超純水制備的空氣 間隙膜蒸餾。其中當(dāng)使用平面膜片時(shí)，研究了空氣間隙的厚度在3-10mm 范圍內(nèi)對傳質(zhì)和傳熱的影響。從這些研究中得出的結(jié)論是在厚度小于 5mm時(shí)傳遞取決于擴(kuò)散，而在厚度大于5mm時(shí)傳遞取決于自然對流。測 試得到的性能是中等的在蒸汽壓差約20kPa時(shí)，最大餾出物流速為 3.6kg/m2/h。這里又一次沒有回收冷凝熱，因此幾年之后發(fā)生回歸傳統(tǒng)無 膜多級蒸發(fā)也就不奇怪了。
在該文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，EP 1 185 356得出的結(jié)論是當(dāng)?shù)湍芎氖侵匾?標(biāo)時(shí)，空氣間隙系統(tǒng)并不是顯而易見的選擇。然而，近期的文獻(xiàn)表明， 為了達(dá)到低能耗，真空或非真空的空氣間隙對于減少從滯留物流向餾出 物和/或進(jìn)料流的顯熱流動是必要的(C.M.Guyt， Influence of membrane properties and air gap on the performance of a membrane distillation module, Thesis University of Twente， 2003;K.W丄awson， D.R丄loyd, Membrane distillation, Review, J.Membrane Science 124(1997) 1-25)。

發(fā)明內(nèi)容
然而，本發(fā)明的目的是在直接接觸式膜蒸餾的性能(比流量，或每 單位膜表面積每單位驅(qū)動力的餾出物流速)上取得突破，并明顯降低這 種膜蒸餾系統(tǒng)的成本和能耗。
現(xiàn)在，我們吃驚地發(fā)現(xiàn)通過一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的方法能夠?qū)崿F(xiàn)上 述目的，其中膜蒸餾模塊內(nèi)的液體壓力保持為一特殊狀態(tài)。
從而，本發(fā)明涉及一種通過膜蒸餾凈化液體的方法，包括-
使液體的加熱蒸發(fā)流(滯留物流)沿著多孔的疏水膜通過滯留物通 道，其中液體的蒸汽通過所述膜的孔流到所述膜的另一側(cè)，以及
在所述膜的另一側(cè)冷凝所述蒸汽來提供餾出物通道中的餾出物流， 其中通過向冷凝表面?zhèn)鬟f冷凝熱(潛熱)來產(chǎn)生餾出物流，所述的冷凝 表面形成待凈化的液體進(jìn)料流與所述餾出物流之間的無孔分隔，所述進(jìn) 料流以與滯留物流成逆流的方式通過進(jìn)料通道，在進(jìn)料通道中設(shè)置有墊 料，由此至少部分潛熱通過冷凝表面?zhèn)鬟f給所述進(jìn)料流，并由此
在每個(gè)滯留物通道和進(jìn)料通道的至少一部分上的滯留物通道和進(jìn)料 通道的對應(yīng)點(diǎn)處在滯留物流和進(jìn)料流之間施加正的液壓差。
根據(jù)本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的性能。在這方面，可以得到高于
1.5.1(T1()m3/m2.S.Pa的比流量，典型地比現(xiàn)有技術(shù)在相似工藝條件下得到 的流量高約50。％。比流量定義為進(jìn)料流與滯留物流體積之間的每單位水 蒸汽壓差、每單位膜表面積下的餾出物流速。
優(yōu)選地，在滯留物通道和進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處的滯留物流和進(jìn)料流 之間的正的液壓差施加在每個(gè)滯留物通道和進(jìn)料通道的至少50%的總長 度上，更優(yōu)選地施加在每個(gè)滯留物通道和進(jìn)料通道的至少75%的總長度 上。
按照本發(fā)明，當(dāng)多孔膜厚度在50-1000)im范圍內(nèi)時(shí)得到特別好的結(jié) 果。優(yōu)選地，多孔膜厚度在100-600nm范圍內(nèi)，更優(yōu)選125-500iim范圍 內(nèi)，以及最優(yōu)選150-400inm范圍內(nèi)。
多孔疏水膜(開孔率高于70%并優(yōu)選高于80。％，孔徑小于2.0,、 優(yōu)選在0.01-0.5jiim之間)界定了滯留物通道。最好是多孔疏水膜不會被液體潤濕。因此，只有蒸汽而沒有液體能夠通過這種膜。有關(guān)的膜可以
是市場上能夠買到的由例如PTFE、 PVDF、 PP和PE等材料制成的膜。 用于本發(fā)明中的該多孔膜能夠與其它材料(例如PP、 PET等的無紡材料) 形成疊層，其保護(hù)膜免于磨損、和/或提供機(jī)械支撐。也可以使用由例如 聚醚砜、聚砜、聚丙烯腈、聚酰胺等材料制成的所謂不對稱微濾膜和超 濾膜。在本文中優(yōu)選例如通過涂敷或其它表面改性的方法使這些膜的表 面完全或部分進(jìn)一步地疏水化。在最簡單的實(shí)施方式中，該滯留物通道 由并行設(shè)置的毛細(xì)管膜或中空纖維膜或平面膜包封組成。該滯留物流過 包封的內(nèi)部或這些纖維/毛細(xì)管的內(nèi)腔。當(dāng)使用不對稱膜時(shí)，膜的活性層 (具有最窄孔)設(shè)置在滯留物側(cè)上。該滯留物通道也可以由平板膜或膜 片形成，可選擇地設(shè)置成螺旋巻繞結(jié)構(gòu)。
供進(jìn)料流通過的進(jìn)料通道類似地優(yōu)選由親水的或疏水的材料制成的 并行設(shè)置的平面包封或者中空纖維/毛細(xì)管形成。這些通道的壁是無孔的， 也就是說是非蒸汽透過的或幾乎不能透過蒸汽的。典型地，不論是片狀 或纖維/毛細(xì)管的形式，所述壁的厚度典型地在10-2000^im之間，優(yōu)選在 20-200nm之間。所述壁可以由聚合物材料(PP、 PE、 PET、尼龍/PA， 等；具有或不具有用于例如增加熱傳導(dǎo)率的填料)、金屬(鋼、鋁等)或 這些材料的疊層等制成。另外，該冷凝材料可以是使得用于熱交換的最 終有效面積高于膜面積的形狀，例如通過肋、折疊或其它褶皺構(gòu)造，或 使用大量纖維/毛細(xì)管等。
根據(jù)本發(fā)明，在該進(jìn)料通道中設(shè)置墊料。優(yōu)選地，整個(gè)進(jìn)料通道都 裝填該墊料。合適地，在該滯留物通道中也設(shè)置墊料。優(yōu)選地，整個(gè)進(jìn)
料通道都裝填該墊料。另外，如果需要的話，該餾出物通道內(nèi)部也可以 設(shè)置墊料。在各自的通道中可以設(shè)置相同或不同的墊料。合適地，該進(jìn) 料通道和該滯留物通道中設(shè)置相似類型的墊料。該墊料可以是由例如PP、 PE、 EVA等聚合物的紡織或非紡織絲以各種形狀制成的網(wǎng)、工藝?yán)w維等
組成。合適的形狀包括對稱的正方形、矩形、菱形、波浪形等；也可以 使用不對稱形狀和絲狀。優(yōu)選的墊料的形狀是非織物的菱形結(jié)構(gòu)。
餾出物流的排放可以通過設(shè)置在餾出物通道內(nèi)部的親水的或多孔的材料(例如纖維，或條)來進(jìn)行。也可以使該餾出物通道中只存在產(chǎn)生 的水本身而沒有其它材料，并通過壓力(在餾出物的生產(chǎn)過程中形成) 或重力或抽吸作用來排放餾出物流。
根據(jù)本發(fā)明的方法可以通過多種實(shí)施方式來實(shí)施。合適地，可以使 用平面膜片或膜板，可選擇地為螺旋巻繞結(jié)構(gòu)，或由多個(gè)毛細(xì)管式通道 組成的板狀結(jié)構(gòu)來限定滯留物流的流動通道。此外，還可以使用中空纖 維或毛細(xì)管陣列。同樣可用于進(jìn)料通道，其中待凈化的進(jìn)料與滯留物流 成逆流流動，以及同樣可用于餾出物通道，其中冷凝物(餾出物)與該 滯留物流成并流或逆流或交叉流動通過該餾出物通道。
這些實(shí)施方式通常由幾個(gè)并行包封或毛細(xì)管/中空纖維陣列采用合
適的結(jié)合技術(shù)(使用合適的環(huán)氧樹脂、聚氨酯等做灌封劑；使用例如聚 硅氧垸、聚氨酯等的一種或兩種/多種組分的配方做膠合劑；高溫熔融材 料；加熱或者超聲波焊接技術(shù)；以及粘合技術(shù)領(lǐng)域的所有其它已知技術(shù)) 結(jié)合到一起而構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的第一實(shí)施方式中，待加熱的進(jìn)料流以相對于 蒸發(fā)的滯留物流的幾乎理想的逆流方式流動，且該冷凝的餾出物流以與 該滯留物流呈并流方式和/或與該進(jìn)料流呈逆流方式流動，通過該方法將 餾出物流的顯熱回收到進(jìn)料流中。
關(guān)于該實(shí)施方式，US 4,545,862中描述了一種使用平面的和(優(yōu)選 地)螺旋巻繞模塊的方法，其中使用平面的疏水的PTFE薄膜。該方法被 進(jìn)行了鹽水淡化試驗(yàn)。在這些試驗(yàn)中，將餾出物流從以與蒸發(fā)的滯留物 成逆流方式供應(yīng)的海水流中分離，因此，所述海水流有效地吸收冷凝熱。 在測試了所述餾出物流的兩種排出方式后，例如從模塊的低溫側(cè)(進(jìn)料 的入口，滯留物的出口)和從模塊的高溫側(cè)(進(jìn)料的出口，滯留物的入 口)，令人吃驚地發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用第一種排出方式時(shí)，所述模塊的性能(流量) 顯著地增加。這歸功于"擠奶"效應(yīng)，由于膜材料在垂直于該凝器片的 表面方向上發(fā)生局部變形，冷凝片比極具柔性和撓性的膜材料堅(jiān)硬，于 是將后者部分地壓入形成該滯留物通道的墊料(網(wǎng))中；而且還由于滯 留物和餾出物流采用并流流動，從而"迫使"餾出物流出。另夕卜，在US4，545，862中，潛熱的回收是通過進(jìn)料和滯留物流的逆流流動來實(shí)現(xiàn)的。 典型地，將進(jìn)料泵入進(jìn)料通道的壓力高于蒸發(fā)的滯留物流進(jìn)入滯留物通 道的壓力。
然而本發(fā)明與上述和已知的方法在本質(zhì)上的不同在于在每個(gè)滯留 物和進(jìn)料通道的至少部分上的每個(gè)滯留物通道和進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處在 滯留物流和進(jìn)料流之間產(chǎn)生正的液壓差。通過這樣做，將膜壓靠在非透 過性的冷凝表面，或當(dāng)冷凝表面和膜之間設(shè)置了餾出物排出材料時(shí)壓靠 在該表面。該冷凝壁又將被壓靠在進(jìn)料通道內(nèi)的墊料上。在US 4,545,862 中這種配置是不可能的，參見

圖1A、 1B和3，以及第6欄第52-63行及 第8欄第13-24行和第42-68行的描述，因?yàn)?在進(jìn)料通道30中沒有出現(xiàn)墊料。
一相對堅(jiān)硬的冷凝片材料12壓靠滯留物通道20中的墊料54。
—由于進(jìn)料和滯留物之間的壓力差，垂直于冷凝表面的方向作用的 力始終從進(jìn)料指向滯留物；只有這樣才能實(shí)現(xiàn)所述的"擠奶效應(yīng)"。
一這實(shí)質(zhì)上意味著滯留物通道和進(jìn)料液通道之間的液壓差始終是 負(fù)的。
在本發(fā)明中，進(jìn)料通道包含墊料，通過滯留物和進(jìn)料通道之間的正 的液壓差將該冷凝片材料壓靠該墊料，這種方法實(shí)質(zhì)上不可能得到在US 4,545,862中描述的"擠奶作用"。另夕卜，應(yīng)指出采用US 4,545,862中描述 的構(gòu)造不能實(shí)施本發(fā)明的工藝過程。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式中，在滯留物通道中設(shè)置附加 通道供流體通過，從而在滯留物流與該流體流之間施加正的液壓差。優(yōu) 選地，所述流體流以與所述滯留物流并流的方式通過該附加通道，且該 流體流優(yōu)選包括余熱流(廢熱或來自熱液體的熱量等)。優(yōu)選地，該附加 通道包括非透過性壁，熱流體能夠以與所述滯留物流并流的方式、在等 于或優(yōu)選稍微高于所述滯留物流流體壓力的流體壓力下通過該附加通道 泵送，由此產(chǎn)生對該進(jìn)料/餾出物/滯留物通道的有利的額外壓力。
該實(shí)施方式具有以下優(yōu)點(diǎn)充分利用了余熱及通過上升的溫差保持 朝向進(jìn)料流的入口側(cè)的驅(qū)動力。適用于該方法的模塊可以具有特別緊湊及低成本的結(jié)構(gòu)。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方式中，在餾出物通道的高溫側(cè)并 由此與滯留物流成逆流方式排出該餾出物流。這樣的變型具有以下優(yōu)點(diǎn)-產(chǎn)生熱的餾出物流，從而從進(jìn)料流中帶走顯熱，此時(shí)該進(jìn)料流與餾出物 流并流流動，這樣該進(jìn)料流可以得到更多的潛熱，因此更多的蒸汽被冷 凝并產(chǎn)生更多的餾出物。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一引人注目的實(shí)施方式中，在餾出物通道 的高溫側(cè)排出該餾出物流。這樣，餾出物流與滯留物成逆流流動的方式 排出。合適地，在具有或沒有額外加熱的情況下，所述的餾出物流能夠 被引入前述設(shè)置于滯留物通道中的附加通道中。該實(shí)施方式具有的優(yōu)點(diǎn) 是在給定的進(jìn)料流流量下，產(chǎn)生更多的餾出物，以及從進(jìn)料流中得到的 顯熱以并流方式傳遞給滯留物流，這樣減少了用于形成蒸汽所需引入的 熱量，其結(jié)果是非常有利地降低了該方法的能耗。
本發(fā)明特別適用于海水淡化。該領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)，例如多極閃蒸和 反滲透，已經(jīng)被最優(yōu)化到實(shí)際上最大的程度，并且由于每單位產(chǎn)品的能 耗和投資等級過高，使得這些現(xiàn)有技術(shù)與陸上的凈化生產(chǎn)技術(shù)相比成本 太高。通過本發(fā)明的使用，在高流速、低熱損失、極低能耗、高的水回 收率、良好水質(zhì)以及水生產(chǎn)成本的突破方面得到了驚人的效果。該方法 適于在相對低的溫度下使用(低等級熱、廢熱、太陽熱能收集器等)?？?以預(yù)見的是在能量效率上將有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，特別是在小規(guī)模的應(yīng)用的 情況下。
本發(fā)明還涉及一種適用于本發(fā)明方法的設(shè)備，該設(shè)備包括一組件， 所述組件包括餾出物通道、滯留物通道和其中設(shè)置墊料的進(jìn)料通道，所 述組件具有用于供應(yīng)進(jìn)料液的第一分配腔，與第一分配腔相對設(shè)置的用 于排出進(jìn)料液的第二分配腔，用于供應(yīng)滯留物流的第三分配腔和與第三 分配腔相對設(shè)置的用于排出滯留物流的第四分配腔，其中所述組件設(shè)有 用于將進(jìn)料液壓泵入組件的第一泵，以及設(shè)置在第二分配腔的下游或熱 交換器下游的用于在較高壓力下(相對于進(jìn)料通道中的壓力)將滯留物 流泵出到熱交換器和/或滯留物通道的分配腔的第二泵，進(jìn)料通道和餾出物通道之間的壁包括無孔膜形式的冷凝表面，且滯留物通道和餾出物通 道之間的壁包括多孔膜。
優(yōu)選地，該多孔膜的厚度范圍為100-600pm，更優(yōu)選地在范圍 125-50(Him內(nèi)，最優(yōu)選在范圍150-400pm內(nèi)。
在本發(fā)明的一個(gè)非常引人注目的實(shí)施方式中，該設(shè)備包括許多前述 的組件(模塊)，這些組件相互并行地連接。在這種情況下，第一泵合適 地被設(shè)置在一系列連接的組件的上游，而另一個(gè)或多個(gè)附加泵合適地設(shè) 置在一系列連接組件的下游或設(shè)置在相互連接的各個(gè)組件之間?？梢岳?解的是，為了更精確地控制滯留物通道內(nèi)的壓力與進(jìn)料通道內(nèi)的壓力， 可以在相互并行連接的各個(gè)組件之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)泵。
在一個(gè)非常引人注目的實(shí)施方式中，在滯留物通道中設(shè)置供流體通
過的附加通道，其中該流體流的液壓等于或高于滯留物流的液壓。優(yōu)選 地，所述流體流沿與所述滯留物流并流的方向通過附加通道，該流體流 優(yōu)選包括余熱流。優(yōu)選地，該附加通道包括非透過性的壁，通過該非透 過性的壁，熱流體可以合適地以等于或優(yōu)選稍高于所述的滯留物流流體 壓力的流體壓力以與所述滯留物流并流的方式被泵送，從而引起施加在 膜/餾出物/冷凝通道上的額外的并因此是有利的壓力。
在另一個(gè)非常引人注目的實(shí)施方式中，從待使用的該組件(模塊) 的一側(cè)或兩側(cè)施加等于或高于滯留物流流體壓力的壓力。這樣可以在膜/ 餾出物/冷凝通道上有利地施加額外壓力。通過使用一種部件可以在待使 用的組件的一側(cè)或兩側(cè)建立所述的額外壓力，所述部件的體積可以通過 向所述部件引入適當(dāng)?shù)牧黧w(例如油、水、空氣或其它氣體)來增加。 這樣，在組件的一側(cè)或兩側(cè)得到氣球型結(jié)構(gòu)，加壓的該結(jié)構(gòu)會向膜/餾出 物/冷凝通道上施加額外的壓力?？梢岳斫獾氖沁@種部件通常由柔性材料 制成。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在基于圖1-5更詳細(xì)描述本發(fā)明，圖中表示出了本發(fā)明的多種引 人注目的實(shí)施方式。圖1描述了按照本發(fā)明的大量并行設(shè)置的通道和稱為"模塊"的材
料。該模塊分為低溫側(cè)C和高溫側(cè)H。進(jìn)料泵IP將相對較冷的進(jìn)料流1 在低溫側(cè)C泵入并行的進(jìn)料通道2。這些進(jìn)料通道由無孔壁3和墊料4 構(gòu)成。在這些進(jìn)料通道2中，該進(jìn)料流通過從壁3的另一側(cè)的熱的餾出 物通道5吸收熱量來加熱。因此，進(jìn)料流逐漸變熱并在泵6P的幫助下作 為流6在高溫側(cè)H離開該模塊。該泵通過抽吸作用來保證進(jìn)料通道2中 的壓力相對較低，典型地在0.1-3.0巴(絕對壓力)之間。該相對高溫的 進(jìn)料流6被泵入熱交換裝置7中，在那里被外部輸入熱量15進(jìn)一步加熱 (使用的熱可以是廢熱、太陽能熱、流、蒸汽、熱的固體材料等)，并作 為相對高溫的滯留物流8離開該裝置。流8在高溫側(cè)H進(jìn)入該模塊，以 與流1或多或少地成逆流流動的方式流過該并行設(shè)置的滯留物通道9。該 滯留物通道9由蒸汽透過膜10和墊料11構(gòu)成。在這些滯留物通道中， 由于水蒸汽的蒸發(fā)和一些熱傳導(dǎo)，該滯留物流8逐漸冷卻，水蒸汽穿過 膜11進(jìn)入餾出物通道5并冷凝形成純凈的液態(tài)餾出物13。該餾出物通道 一側(cè)由膜10界定且另一側(cè)由無孔冷凝壁3界定。在通道5內(nèi)部可以設(shè)置 墊料12。當(dāng)然，在本發(fā)明的所有應(yīng)用中這不是嚴(yán)格必須的。在餾出物通 道5中釋放的熱量多數(shù)通過壁3傳遞到在進(jìn)料通道2中流動的進(jìn)料流1。 液態(tài)餾出物優(yōu)選在低溫側(cè)C離幵該模塊，這樣流13的顯熱被回收并傳遞 到流1中。當(dāng)然，液態(tài)餾出物也可以在C和H兩側(cè)排放。該排放可以通 過重力、泵送和/或在通道5內(nèi)部由于產(chǎn)生水而積累壓力來進(jìn)行。較冷且 濃縮的滯留物流作為流14在低溫側(cè)C離開該模塊。對于該模塊的大部分， 特別是在高溫側(cè)H，滯留物通道9中的絕對液壓高于相應(yīng)的進(jìn)料通道2 中的絕對液壓。滯留物通道中典型的絕對液壓范圍在1.0-4.0巴之間。
圖2表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式。該實(shí)施方式與圖1中所示的實(shí)施 方式的不同在于滯留物通道9內(nèi)部設(shè)置第四類通道17。在這些通道17中， 液壓優(yōu)選等于或高于通道9的相應(yīng)部分內(nèi)部的壓力。這可以通過向這些 通道17中引入流16 (液體或氣體或分散相等)來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，流16 的溫度等于或高于并流流過通道9的滯留物流8的溫度并給流8傳遞熱 量。通道17由兩個(gè)無孔的、熱傳導(dǎo)的壁20和墊料18構(gòu)成，制成壁20
14的材料與壁3的材料相似(但不是必須相同)。
圖3和圖4表示本發(fā)明的第三實(shí)施方式，它們分別不具有和具有第 四通道，它們與圖1和圖2所示實(shí)施方式的不同在于餾出物流13專用地 在模塊的高溫側(cè)H排出。
圖5表示本發(fā)明的第四實(shí)施方式，與圖2和圖4的不同在于被泵入 到第四通道17中的流體是按照上述的第三實(shí)施方式中的在模塊的高溫側(cè) H排出的餾出物流13本身。所述流體(餾出物流13)優(yōu)選地在熱交換裝 置21中使用輸入熱量22 (可以分別與裝置7、輸入熱量15相同)進(jìn)一 步加熱，然后作為加熱的餾出物流23 (如果需要的話使用泵23P)泵入 通道17。這樣，流體23的大部分熱量轉(zhuǎn)移到滯留物通道9，冷卻的餾出 物作為流24在低溫側(cè)C離開模塊。
實(shí)施例
實(shí)施例1
膜蒸餾模塊用厚75^m、寬0.50m、長1.50m的6個(gè)PET片和厚度 2mm的聚丙烯墊料形成的3個(gè)冷凝包封、由此為3個(gè)進(jìn)料通道所構(gòu)成。 另外，用4片相似尺寸的多孔膨脹的PTFE片(開孔率80%，厚度120pm) 形成2個(gè)膜包封，在包封中設(shè)置2個(gè)由另外4個(gè)PET片和2個(gè)厚度為 0.8mm的PP墊料組成的額外廢熱通道(圖2中的"附加通道"17)。每 個(gè)膜包封中使用2個(gè)厚度為1.6mm的PP墊料，獲得的模塊具有(圖2): 在兩個(gè)"附加通道"17周圍的四個(gè)滯留物通道9，四個(gè)餾出物通道5以 及三個(gè)進(jìn)料通道2。
這樣得到的模塊的膜總表面積為3.0m2。在該模塊上使用人造海水進(jìn) 行了膜蒸餾實(shí)驗(yàn)，滯留物通道的平均溫度55'C，滯留物通道的的平均流 速為ca,0.04m/s。使用現(xiàn)有技術(shù)的壓力配置(即，進(jìn)料通道中的壓力高于 滯留物通道的壓力，不同于本發(fā)明的配置)，測得以下的絕對壓力P-進(jìn) 料1=1.56巴，P-進(jìn)料6=1.50巴，P-滯留物8=1.42巴，和P-滯留物14=1.08 巴。測得的比流量為1.15.1(T1()m3/m2.S.Pa。使用按照本發(fā)明的壓力配置， 測得以下的絕對壓力P-進(jìn)料1=0.99巴，P-進(jìn)料6=0.62巴，P-滯留物8=1.54 巴，和P-滯留物14=1.12巴。測得的比流量為1.70.10-1Gm3/m2.s.Pa;這比按照現(xiàn)有技術(shù)的工藝得到的結(jié)果提高差不多50%。 實(shí)施例2
使用與實(shí)施例1中相同的模塊和工藝條件，僅通過增加進(jìn)料流量來 得到滯留物通道中0.06m/s的平均流速。
使用現(xiàn)有技術(shù)的壓力配置(如上所述)，測得以下的絕對壓力P-進(jìn) 料1=2.35巴，P-進(jìn)料6=2.25巴，P-滯留物8=2.05巴，和P-滯留物14=1.14 巴。測得的比流量為1.25.1(TIGm3/m2.S.Pa。使用按照本發(fā)明的壓力配置， 測得以下的絕對壓力P-進(jìn)料1=1.11巴，P-進(jìn)料6^.73巴，P-滯留物8-1.35 巴，和P-滯留物14=1.14巴。測得的比流量為1.75.10—1Qm3/m2.s.Pa;這比 按照現(xiàn)有技術(shù)的工藝得到的結(jié)果提高40%。
實(shí)施例3
使用與實(shí)施例2中相同的模塊和工藝條件，以及相同的滯留物通道 內(nèi)平均流速0.06m/s。這里僅"附加通道"中的壓力被增加到等于或高于 滯留物通道中的壓力。使用現(xiàn)有技術(shù)的壓力配置(如上所述)，測得以下 的絕對壓力P-進(jìn)料1=1.93巴，P-進(jìn)料6=1.83巴，P-滯留物8=1.70巴， 和P-滯留物14=1.12巴。測得的比流量為1.25.1(T1Qm3/m2.s.Pa。使用按照 本發(fā)明的壓力配置，測得以下的絕對壓力P-進(jìn)料1=0.88巴，P-進(jìn)料6=0.49 巴，P-滯留物8=1.40巴，和P-滯留物14=1.13巴。第四通道中上游(見 線23)壓力1.47巴、下游(見線24)壓力1.38巴。測得的比流量為 1.90.1(T'Wmls.Pa;這比按照現(xiàn)有技術(shù)的工藝得到的結(jié)果提高至少60X。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員從以上的結(jié)果中可以清楚地看到，本發(fā)明與現(xiàn)有 技術(shù)的工藝相比較取得了顯著的進(jìn)步。
權(quán)利要求
1、通過膜蒸餾來凈化液體的方法，包括使液體的加熱蒸發(fā)流(滯留物流)沿著多孔的疏水膜通過滯留物通道，其中液體的蒸汽通過所述膜的孔流到所述膜的另一側(cè)，以及在所述膜的另一側(cè)上冷凝所述蒸汽以在餾出物通道中提供餾出物流，其中通過向冷凝表面?zhèn)鬟f冷凝熱(潛熱)來產(chǎn)生餾出物，所述的冷凝表面形成所述餾出物流與待凈化的液體進(jìn)料流之間的無孔分隔，所述進(jìn)料流以與所述滯留物流成逆流的方式通過進(jìn)料通道，在所述進(jìn)料通道中設(shè)置有墊料，由此至少部分潛熱通過所述冷凝表面?zhèn)鬟f給所述進(jìn)料流，并由此在每個(gè)所述滯留物通道和所述進(jìn)料通道的至少一部分上的所述滯留物通道和所述進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處在所述滯留物流和所述進(jìn)料流之間施加正的液壓差。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述正的液壓差施加 在每個(gè)所述滯留物通道和所述進(jìn)料通道總長度的至少50%上的所述滯留 物通道和所述進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處的所述滯留物流和所述進(jìn)料流之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述正的液壓差施加 在每個(gè)所述滯留物通道和所述進(jìn)料通道總長度的至少75%上的所述滯留 物通道和所述進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處的所述滯留物流和所述進(jìn)料流之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l一3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多 孔膜的厚度在100-600(im之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述多孔膜的厚度在 125-500iim之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，該多孔膜的厚度在 200-400,之間。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l一6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所述 滯留物通道中設(shè)置附加通道，流體流通過所述附加通道流至所述滯留物 流，從而所述流體流的液壓等于或高于所述滯留物流的液壓。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述流體流以與所述滯留物流成并流的方式流過所述附加通道，且所述流體流加熱所述滯留 物流。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，通過余熱加熱所述滯 留物流。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1一9中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述餾 出物流在所述餾出物通道的高溫側(cè)以與所述進(jìn)料流成并流流動的方式排 出。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1一10中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述 餾出物流在高于大氣壓的壓力下排出。
12、 根據(jù)權(quán)利要求7—11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在所 述餾出物通道的高溫側(cè)排出所述餾出物流，對排出的餾出物流加熱，然 后使這樣得到的加熱的餾出物流通過設(shè)置在所述滯留物通道內(nèi)的附加通 道。
13、 適用于權(quán)利要求l一6、 10和11中任一項(xiàng)所述的方法的設(shè)備， 所述裝置包括一組件，該組件包括餾出物通道、滯留物通道和內(nèi)部設(shè)置 墊料的進(jìn)料通道，其中所述組件具有用于供應(yīng)進(jìn)料液的第一分配腔，與 該第一分配腔相對設(shè)置的用于排出進(jìn)料液的第二分配腔，用于供應(yīng)滯留 物流的第三分配腔以及與該第三分配腔相對設(shè)置的用于排出所述滯留物 流的第四分配腔，其中所述組件設(shè)有用于將進(jìn)料流壓力泵入所述組件內(nèi) 的第一泵，以及設(shè)置在所述第二分配腔的下游的用于在壓力下將所述滯 留物流泵入所述滯留物通道的第二泵，所述進(jìn)料通道和所述餾出物通道 之間的壁包括無孔膜形式的冷凝表面，且所述滯留物通道和所述餾出物 通道之間的壁包括多孔膜。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述多孔膜的厚度 范圍在100-600pm之間。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述多孔膜的厚度 范圍在125-500iim之間。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其特征在于，所述多孔膜的厚度 范圍在200-400iim之間。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13 — 16中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述 設(shè)備包括多個(gè)如權(quán)利要求13 — 16所述的組件，各組件之間相互并行連接。
18、 根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，在一系列連接的組 件的上游設(shè)置第一壓力部件，在該一系列連接的組件的下游或相互并行 連接的各組件之間設(shè)置一個(gè)或多個(gè)附加泵。
19、 根據(jù)權(quán)利要求13 — 18中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，在所 述滯留物通道內(nèi)設(shè)置用于使所述流體流與所述滯留物流進(jìn)行熱交換接觸 的附加通道。
20、 根據(jù)權(quán)利要求13 — 19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述 組件的一側(cè)或兩側(cè)包括一部件，所述部件的體積能夠通過向所述部件中 引入合適的流體來增大，從而在運(yùn)行中所述部件的增大的體積在所述膜/ 餾出物/冷凝通道上施加額外的壓力。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過膜蒸餾來凈化液體的方法，包括使液體的加熱蒸發(fā)流(滯留物流)沿著多孔的疏水膜(10)通過滯留物通道，其中液流的蒸汽通過所述膜的孔流到所述膜的另一側(cè)，并在所述膜的另一側(cè)冷凝所述蒸汽來在餾出物通道(5)中提供餾出物流，其中通過向冷凝表面(3)傳遞冷凝熱(潛熱)來產(chǎn)生餾出物，所述冷凝表面形成所述餾出物流與待凈化的液體進(jìn)料流之間的無孔分隔，進(jìn)料流以與滯留物流成逆流的方式通過進(jìn)料通道(2)，在進(jìn)料通道中設(shè)置有墊料(4)，由此至少部分潛熱通過冷凝表面?zhèn)鬟f給所述進(jìn)料流，并由此在每個(gè)滯留物通道(9)和進(jìn)料通道的至少一部分上的滯留物通道和進(jìn)料通道的對應(yīng)點(diǎn)處在滯留物流和進(jìn)料流之間施加正的液壓差。本發(fā)明還提供一種適用于所述方法的設(shè)備。
文檔編號B01D61/36GK101600492SQ200780040566
公開日2009年12月9日 申請日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者埃里克·范松斯貝克, 恩格爾貝特·彼得·于里·揚(yáng)·庫勒, 揚(yáng)·亨德里克·哈內(nèi)馬埃杰爾, 揚(yáng)·威廉·阿西克, 漢斯·德容, 約蘭達(dá)·范梅杰沃爾特, 艾伯特·愛德華·揚(yáng)森 申請人:荷蘭應(yīng)用自然科學(xué)研究組織