專利名稱：一種壓氣膜蒸餾裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓氣膜蒸餾裝置與方法，尤其涉及水凈化處理和化工分 離的膜分離處理方法。
背景技術(shù)：
膜蒸餾在近年來吸引了世界范圍內(nèi)的關(guān)注和研究。與普通蒸發(fā)器比較， 膜蒸餾的 一個最顯著的特征是單位體積的蒸發(fā)面積大，因而可以使裝置在常 壓、較低溫度的蒸發(fā)過程中高效地運行，且蒸餾操作所需的汽相空間很小。 與反滲透相比，膜蒸餾是熱驅(qū)動過程，操作壓力低，因此對膜機械性能的要 求低，設(shè)備費用也低，過程安全性得到了提高，而且，膜蒸餾的操作壓力低， 脫鹽率高，膜污染少。膜蒸餾是一種采用疏水微孔膜，以膜兩側(cè)蒸汽壓力差 為傳質(zhì)驅(qū)動力的膜分離過程。在微孔疏水膜兩側(cè)的蒸汽壓差的驅(qū)動下，水蒸 汽從被加熱的原水一側(cè)穿過疏水膜后再被冷凝為液態(tài)的分離過程。由于膜的 疏水性，只有水蒸汽能透過膜孔，原水以及溶解在其中的非揮發(fā)性溶質(zhì)無法 穿過膜孔，所以膜蒸餾過程理論上可以對離子、大分子、膠體、細胞和其它
非揮發(fā)物實現(xiàn)100%的脫除。微孔疏水膜在膜蒸餾過程中起兩相之間的支撐屏
蔽作用。在膜蒸餾的過程中，同時發(fā)生傳熱與傳質(zhì)兩種過程，溫差極化與溫 差極化現(xiàn)象也會同時產(chǎn)生，從而對膜蒸餾的過程產(chǎn)生不利的影響。
膜蒸餾過程的操作溫度低于傳統(tǒng)的蒸餾過程，而操作壓力又低于傳統(tǒng)的
膜分離過程；對膜的機械性能要求較低；與傳統(tǒng)的蒸餾過程相比，蒸汽空間 顯著減少。膜蒸鎦的組件可以設(shè)計成潛熱回收形式，并具有以高效的小型膜 組件構(gòu)成大規(guī)模生產(chǎn)體系的靈活性。該過程可以處理濃度極高的水溶液，如 果溶質(zhì)是容易結(jié)晶的物質(zhì)，可以把溶液濃縮到過飽和狀態(tài)而實現(xiàn)膜蒸餾結(jié)晶， 是目前唯一能從溶液中直接分離出結(jié)晶產(chǎn)物的膜過程，且只要膜兩側(cè)維持適
當(dāng)?shù)臏夭?，該過程就可以進行，可以利用太陽能、地?zé)?、溫泉、工廠余熱和 溫?zé)岬墓I(yè)廢水等廉^f介能源。
膜蒸餾技術(shù)具有操作壓力低，?？傻玫?9. 99 %的脫鹽率和在良好操作條 件下高于反滲透的水通量，顯示了它作為反滲透技術(shù)的替代(大規(guī)模純水制備) 或補充技術(shù)(如用于船舶飲用水等)的應(yīng)用潛力，在降低投資和運行費用，提高水的利用率，減少濃水排放方面，可望取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
在大量的理論與實驗研究基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)發(fā)展出四種不同的膜蒸餾操 作方式，包括直接接觸式膜蒸餾，氣隙式膜蒸餾，氣流吹掃式膜蒸餾和真空 式膜蒸餾。其中直接接觸法是將透過多孔膜的水蒸氣在冷側(cè)直接進入純水進 行冷凝，因此冷凝過程集成于膜組件以內(nèi)，操作相對簡單，因此是被研究最 多的一種膜蒸餾方式。然而與其它操作方式相比，直接接觸膜蒸餾會導(dǎo)致更 多的熱量損失和較為嚴重的溫差極化，是該方法不容忽視的影響因素。真空 式膜蒸餾法則是在透過側(cè)施加一個負壓，將透過多孔膜的水蒸汽抽出到膜組 件以外的冷凝器內(nèi)進行冷凝液化。此過程的優(yōu)點是熱量損失比其它三種膜蒸 餾操作方法都小，蒸餾通量較高，同時，保證施加的負壓低于液體進入膜孔 的壓力以防止膜孔濕化是真空式膜蒸餾運行中十分重要的一個環(huán)節(jié)。目前為
止，將真空式膜蒸餾方法應(yīng)用于從水體中去除揮發(fā)性溶質(zhì)，從含鹽水脫鹽制 備超純水，以及溶液的濃縮等的研究工作已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。在這些研 究中，各種操作條件和工藝參數(shù)如進水溫度與濃度、熱側(cè)水體循環(huán)流速和蒸 汽壓差等對真空式膜蒸餾蒸汽通量的影響已經(jīng)被一定程度的討論。此外，真 空式膜蒸餾過程的傳熱與傳質(zhì)機理也被進一步的探討。
由于膜蒸餾過程是以蒸汽壓差或溫度差為驅(qū)動力，以目前的技術(shù)水平， 在純水制備領(lǐng)域與反滲透技術(shù)相比并無明顯優(yōu)勢，但是，在高濃度水溶液濃 縮方面膜蒸餾過程的發(fā)展?jié)摿κ欠礉B透過程無法比擬的。濃水溶液極高的滲 透壓使反滲透過程無法運行，而膜蒸餾可把水溶液濃縮至過飽和狀態(tài)。
但是，至今為止，以上四種膜蒸餾方式都存在能耗高、效率低、可靠性 低等一些問題。如直接接觸式膜蒸餾雖然工藝設(shè)備簡單，但由于冷熱源直接
接觸，使設(shè)備運行能耗較高，并且容易產(chǎn)生疏水膜親水化滲漏問題；真空式 膜蒸餾雖然膜通量較大，但對系統(tǒng)要求較高。氣隙式膜蒸餾和氣流吹掃式膜 蒸餾則通量較低。因此，研究新的膜蒸餾技術(shù)，降低投資和運行費用，可以 取得顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種新型的壓氣膜蒸餾裝 置和方法。
本發(fā)明提供一種壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于，包括熱水罐和冷凝器， 其中上述熱水罐包括兩級疏水膜組件，分別用于壓縮空氣的微孔曝氣和水蒸 汽分離；上述冷凝器用于冷卻水蒸汽。
5上述熱水罐上設(shè)置進水分配管，向熱水罐中引入原水；熱水罐的底部設(shè) 置加熱器，上述加熱器用于將原水加熱至預(yù)定溫度；上述加熱器的上方設(shè)置 第一級疏水膜組件，上述膜組件上連接有壓縮空氣進口，壓縮空氣進口用于 向熱水罐內(nèi)引入壓縮空氣，壓縮空氣由中空纖維膜內(nèi)部，透過膜，以微孔曝 氣方式進入原水中；熱水罐1的頂部設(shè)置第二級疏水膜組件，對潤濕的壓縮 空氣進行過濾。
上述第一級疏水膜組件為外接觸式，無外殼，直接浸沒在原水中，壓縮 空氣由中空纖維膜內(nèi)部透過膜，以^f鼓孔曝氣方式進入原水中；上述第二級疏 水膜組件為內(nèi)接觸式，有外殼，可由多支膜組件并聯(lián)構(gòu)成，直接固定在熱水 罐的頂部，被原水充分潤濕的壓縮空氣由膜組件下端口進入中空纖維膜內(nèi)部， 透過膜過濾后，由設(shè)置在第二級疏水膜組件上的濕熱空氣引出管導(dǎo)入冷凝器。 上述冷凝器上設(shè)置有濕熱空氣引出管，用于將濕熱空氣引入到冷凝器中； 冷卻水進口，用于引入冷卻水；冷卻水出口，用于排出冷卻水；廢氣出口， 用于排出廢氣；蒸餾水產(chǎn)水引出管，用于引出產(chǎn)品水。
上述冷凝器的材質(zhì)是玻璃、金屬或塑料中空纖維。
本發(fā)明一種壓氣膜蒸餾方法，其特征在于首先，預(yù)熱的原水通過進水 分配管均勻分布進入熱水罐中；然后，原水被加熱器加熱至預(yù)定溫度；壓縮 空氣由進口進入中空纖維疏水膜組件的管程內(nèi)，透過膜壁，以微孔曝氣方式 進入原水中；上述壓縮空氣被原水充分潤濕后，由膜組件下端口進入中空纖 維膜管程內(nèi)，透過膜壁后，由濕熱空氣引出管導(dǎo)入冷凝器，產(chǎn)品水從產(chǎn)水引 出管流出，廢氣由出口排空；冷卻水由進口進入冷凝器，再由冷卻水出口排 出。
通過本發(fā)明取得如下效果
本發(fā)明設(shè)計了新的膜蒸餾過程，由兩級疏水膜組件構(gòu)成壓氣膜蒸餾系統(tǒng)， 傳質(zhì)機理不再是利用水蒸氣分壓差，而是直接氣體壓差傳質(zhì)，因此傳質(zhì)效率 高。
與氣掃式膜蒸餾相比，壓縮空氣經(jīng)過膜過濾，潔凈，產(chǎn)水水質(zhì)好；空氣 潤濕充分，耗氣量少。
與直接接觸式膜蒸餾相比，冷熱流體不直接在膜兩側(cè)接觸冷凝，可以顯 著降低能耗。
與真空膜蒸餾相比，空氣壓縮機能耗低于真空泵，電能利用效率高；設(shè)備要求簡單。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，待處理的液體可以是自來水、海水、冷卻系統(tǒng)排出
的熱水或化工產(chǎn)品:溶液。


圖l是本發(fā)明壓氣膜蒸餾裝置工藝示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)如圖1所示。本發(fā)明的壓氣膜蒸餾裝置從整體上看，包括 熱水罐1和冷凝器9，其中上述熱水罐1包括兩級疏水膜組件5, 7，分別用 于壓縮空氣的微孔曝氣和水蒸汽分離；上述冷凝器9用于冷卻水蒸汽。 上述熱水罐1上設(shè)置進水分配管2,向熱水罐1中引入原水； 熱水罐1的底部設(shè)置加熱器6，用于將原水加熱至預(yù)定溫度， 一般為50 ~ 90°C;
加熱器6的上方設(shè)置第一級疏水膜組件5，上述膜組件5上連接有壓縮空 氣進口 4,用于向熱水罐內(nèi)引入壓縮空氣，壓縮空氣由中空纖維膜內(nèi)部，透過 膜，以微孔曝氣方式進入原水3中；上述疏水膜組件5為外接觸式，無外殼， 直接浸沒在原水中，壓縮空氣由中空纖維膜內(nèi)部，透過膜，以微孔曝氣方式 進入原水3中，膜不易被污染，對原水預(yù)處理要求也相應(yīng)較低。也可以用常 規(guī)的微孔曝氣頭取代疏水膜組件5，進一步降低設(shè)備總體造價，但壓縮空氣未 經(jīng)過膜過濾，產(chǎn)水水質(zhì)會明顯下降，而且，微孔曝氣頭形成的氣泡尺寸會相 對較大，影響壓縮空氣的吸收水汽能力。
熱水罐1的頂部設(shè)置第二級疏水膜組件7,上述疏水膜組件7為內(nèi)接觸式， 有外殼，可以是多支膜組件并聯(lián)，直接固定在熱水罐頂部，被原水充分潤濕 的壓縮空氣由膜組件下端口進入中空纖維膜內(nèi)部，透過膜，由設(shè)置在其上的 濕熱空氣引出管8導(dǎo)入冷凝器9。
上述冷凝器9上設(shè)置有濕熱空氣引出管8，用于將濕熱空氣引入到冷凝器 9中；冷卻水進口 10，用于引入冷卻水；冷卻水出口 11,用于排出冷卻水； 廢氣出口12,用于排出廢氣；蒸餾水產(chǎn)水引出管13,用于引出產(chǎn)品水。
上述冷凝器9材質(zhì)可以是玻璃、金屬或塑料中空纖維，本發(fā)明優(yōu)選中空 纖維。
本發(fā)明的壓氣膜蒸餾方法是被預(yù)熱的原水通過進水分配管2均勻分布 進入熱水罐l中，再被加熱器6加熱至預(yù)定溫度， 一般為50 9(TC;壓縮空 氣由進口 4進入中空纖維疏水膜組件5管程內(nèi)，透過膜壁，以微孔曝氣方式進入原水3中，被原水充分潤濕后，由膜組件下端口進入中空纖維膜7管程 內(nèi)，透過膜壁后，由濕熱空氣引出管8導(dǎo)入冷凝器9，產(chǎn)品水從產(chǎn)水引出管 13流出，廢氣由出口 12排空；冷卻水由進口 10進入冷凝器9，再由冷卻水 出口 ll排出。
本發(fā)明特點如下
設(shè)計了新的膜蒸餾過程，由兩級疏水膜組件構(gòu)成壓氣膜蒸餾系統(tǒng)，傳質(zhì) 機理不再是利用水蒸氣分壓差，而是直接氣體壓差傳質(zhì)，因此傳質(zhì)效率高。
與氣掃式膜蒸餾相比，壓縮空氣經(jīng)過膜過濾，潔凈，產(chǎn)水水質(zhì)好；空氣 潤濕充分，耗氣量少。
與直接接觸式膜蒸餾相比，冷熱流體不直接在膜兩側(cè)接觸冷凝，可以顯 著降低能耗。
與真空膜蒸餾相比，空氣壓縮機能耗低于真空泵，電能利用效率高；設(shè) 備要求簡單。
權(quán)利要求
1、一種壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于，包括熱水罐(1)和冷凝器(9)，其中上述熱水罐(1)包括兩級疏水膜組件(5，7)，分別用于壓縮空氣的微孔曝氣和水蒸汽分離；上述冷凝器(9)用于冷卻水蒸汽。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于 上述熱水罐(1)上設(shè)置進水分配管(2 ),向熱水罐(1 )中引入原水； 熱水罐(1)的底部設(shè)置加熱器(6)，上述加熱器用于將原水加熱至預(yù)定溫度;上述加熱器(6)的上方設(shè)置第一級疏水膜組件(5),上述膜組件(5) 上連接有壓縮空氣進口 (4),壓縮空氣進口 (4)用于向熱水罐(1)內(nèi)引入 壓縮空氣，壓縮空氣由中空纖維膜內(nèi)部，透過膜，以微孔曝氣方式進入原水 (3)中；熱水罐1的頂部設(shè)置第二級疏水膜組件(7 ),對潤濕的壓縮空氣進行過濾。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于 上述第一級疏水膜組件(5)為外接觸式，無外殼，直接浸沒在原水(3)中，壓縮空氣由中空纖維膜內(nèi)部透過膜，以微孔曝氣方式進入原水(3)中； 上述第二級疏水膜組件(7 )為內(nèi)接觸式，有外殼，可由多支膜組件并聯(lián)構(gòu)成， 直接固定在熱水罐(1)的頂部，凈皮原水充分潤濕的壓縮空氣由膜組件下端口 進入中空纖維膜內(nèi)部，透過膜過濾后，由設(shè)置在第二級疏7JC膜組件(7)上的 濕熱空氣引出管(8)導(dǎo)入冷凝器(9)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于 上述冷凝器(9)上設(shè)置有濕熱空氣引出管(8),用于將濕熱空氣引入到冷凝器(9)中；冷卻水進口 (10)，用于引入冷卻水；冷卻水出口 (11)，用 于排出冷卻水；廢氣出口 (12)，用于排出廢氣；蒸餾水產(chǎn)水引出管(13)， 用于引出產(chǎn)品水。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于: 上述冷凝器(9)的材質(zhì)是玻璃、金屬或塑料中空纖維。
6、 一種壓氣膜蒸餾方法，其特征在于首先，預(yù)熱的原水通過進水分配管(2)均勻分布進入熱7K罐(1)中； 然后，原水被加熱器(6)加熱至預(yù)定溫度；壓縮空氣由進口 (4)進入中空纖維疏水膜組件(5)的管程內(nèi)，透過膜 壁，以微孔曝氣方式進入原水(3)中；上述壓縮空氣凈皮原水充分潤濕后，由膜組件下端口進入中空纖維膜(7) 管程內(nèi)，透過膜壁后，由濕熱空氣引出管(8)導(dǎo)入冷凝器(9)，產(chǎn)品水從產(chǎn) 水引出管(13)流出，廢氣由出口 (12)排空；冷卻水由進口 (10)進入冷凝器(9)，再由冷卻水出口 (11)排出。
全文摘要
一種壓氣膜蒸餾裝置，其特征在于，包括熱水罐(1)和冷凝器(9)，其中上述熱水罐(1)包括兩級疏水膜組件(5，7)，分別用于壓縮空氣的微孔曝氣和水蒸汽分離；上述冷凝器(9)用于冷卻水蒸汽。本發(fā)明設(shè)計了一種新的膜蒸餾過程，由兩級疏水膜組件構(gòu)成壓氣膜蒸餾系統(tǒng)，傳質(zhì)機理不再是利用水蒸氣分壓差，而是直接氣體壓差傳質(zhì)，因此傳質(zhì)效率高。與氣掃式膜蒸餾相比，壓縮空氣經(jīng)過膜過濾，潔凈，產(chǎn)水水質(zhì)好；空氣潤濕充分，耗氣量少。與直接接觸式膜蒸餾相比，冷熱流體不直接在膜兩側(cè)接觸冷凝，可以顯著降低能耗。與真空膜蒸餾相比，空氣壓縮機能耗低于真空泵，電能利用效率高；設(shè)備要求簡單。
文檔編號B01D63/02GK101564649SQ20081005286
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者呂曉龍 申請人:天津工業(yè)大學(xué)