CN205164512U - 一种空气隙膜蒸馏装置 - Google Patents

Abstract

一种空气隙膜蒸馏装置，主要包括膜蒸馏膜堆、换热装置和夹紧装置三部分。膜蒸馏膜堆由一定数目的交错排列的热料液隔板、微孔疏水膜、冷凝板和冷料液隔板组成；换热装置由热工质隔板、冷工质隔板和换热板组成；夹紧装置由左夹紧板、右夹紧板和若干个螺杆组成。所述冷凝板的表面设置有多个竖直沟槽，在保证空气隙存在的同时，有效增大了蒸汽的冷凝面积，并为疏水膜提供支撑；换热板表面和料液隔板表面设置有水平沟槽，增强了工质和料液的湍动；膜蒸馏膜堆和换热装置在单一膜蒸馏装置中有机结合，冷料液出水通过换热装置加热后作为热料液返回膜蒸馏膜堆。本装置具有结构紧凑、组装方便、便于规模放大和热能利用率高的优点。

Description

一种空气隙膜蒸馏装置

技术领域

本实用新型涉及一种空气隙膜蒸馏装置，属于膜分离和化工分离技术领域。

背景技术

膜蒸馏(MD)技术是将膜技术与传统蒸馏技术相结合的新型液体分离技术。该技术以疏水微孔膜作为汽-液两相分离介质，在膜两侧蒸气压差推动下，水中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，在组件内部的冷侧或外部的冷凝器中冷凝。在MD过程中，同时发生传质和传热，温度极化和浓度极化均会对过程产生不利影响。由于MD具有操作温度低、可利用低品位热源和离子截留率高等优势，逐渐受到人们的重视。在常见的直接接触膜蒸馏(DCMD)、真空膜蒸馏(VMD)、吹扫气膜蒸馏(SGMD)、空气隙膜蒸馏(AGMD)等四种膜蒸馏形式中，关于空气隙膜蒸馏的研究较多。空气隙膜蒸馏是在冷热料液之间引入一层空气隙，透过膜孔的蒸汽穿越空气隙，在气隙另一侧的冷凝板表面冷凝。由于冷料液和产水被冷凝板隔开，冷料液可以用待处理的料液来回收蒸汽潜热。空气隙的存在，大大降低了膜的直接热传导损失，从而使膜蒸过程馏具有最高的热能利用效率。

常见的空气隙膜蒸馏组件有中空纤维式和平板式。由于中空纤维式空气隙膜蒸馏组件中空气隙难以稳定存在，而可选择的性能优良的中空纤维疏水膜很少，同时中空纤维空气隙膜组件制作复杂，因此多数中空纤维空气隙膜蒸馏仍处于实验室水平。与此相比，板式空气隙膜蒸馏由于其空气隙便于控制、组装方便、所使用的平板膜价格低廉，因此在实际应用中越来越受到重视。然而，传统的板式空气隙膜蒸馏装置也具有占地面积大和膜面积小等缺点。专利CN201420519010.1和CN200420049655.X均报道了利用多个并联的料液隔板来增大膜面积和减小占地面积；为了提高热能的利用率，吸收蒸汽潜热的冷料液需要外部换热器加热后作为热料液返回膜组件，因而增加了辅助设备。料液隔板需要添加额外的湍急件来削弱温度极化，所用微孔疏水膜需要单独的支撑板来支撑，因此，由于湍急件和支撑板的存在，膜组件的组装难度增加。可见，针对现有板式空气隙膜蒸馏组件及装置的缺陷，继续开发新型、高效、便捷的板式空气隙MD装置具有重要意义。

发明内容

本实用新型即根据以上现存MD的不足，提供一种空气隙MD装置，主要包括膜蒸馏膜堆、换热装置和夹紧装置；膜蒸馏膜堆由一定数目的交错排列的热料液隔板、微孔疏水膜、冷凝板和冷料液隔板组成；换热装置由第一级热工质隔板、第二级热工质隔板、第一级冷工质隔板、第二级冷工质隔板和换热板组成，热工质隔板和冷工质隔板被换热板隔开，换热装置位于膜蒸馏膜堆的一侧；夹紧装置由左夹紧板、右夹紧板和若干个螺杆组成，位于膜蒸馏膜堆和换热装置的两端。其特征在于：所述热料液隔板、微孔疏水膜、冷凝板和冷料液隔板都设置有热料液进口、热料液出口、产水出口、冷料液进口和冷料液出口；所述热料液隔板的热料液进口处、热料液出口处和产水出口处设置有水流分布暗道，所述冷料液隔板的冷料液进口处、冷料液出口处和产水出口处设置有水流分布暗道；所述膜蒸馏膜堆和换热装置之间有换向板，所述换向板设置有冷料液出口、热料液进口和热料液流道，所述热料液流道位于冷料液出口和热料液进口之间，所述热料液流道靠近冷料液隔板的一侧设置有下底板；所述左夹紧板上设置有冷料液进口、热料液出口、产水出口和螺栓孔，所述右夹紧板上有热工质进口、热工质出口和螺栓孔。

所述冷凝板靠近微孔疏水膜一侧的表面上，设置有多个锯齿状的竖直沟槽，沟槽的槽顶与冷凝板表面相平，沟槽的深度即为空气隙的厚度，沟槽和产水出口之间设置有水流分布暗道。

所述换热板两侧的表面设置有多个锯齿状的水平沟槽，沟槽的槽底与换热板表面相平，沟槽的深度不超过工质隔板厚度的二分之一。

所述冷热料液隔板两侧的表面，设置多个锯齿状的水平沟槽，沟槽的槽顶略低于料液隔板的表面，水平沟槽靠近水流分布暗道的位置设置有缓冲坡。

所述膜蒸馏膜堆的冷料液出口与换热装置的冷工质进口通过换向板的冷料液出口连接，膜蒸馏膜堆的热料液进口与换热装置的冷工质出口通过换向板的热料液进口和热料液流道连接，冷料液作为冷工质进入换热装置，冷工质作为热料液返回膜蒸馏膜堆。

所述料液隔板、工质隔板和换向板均采用耐热、耐酸碱腐蚀的聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)材质，冷凝板和换热板均采用导热性能优良的金属板材质。

实用新型的有益效果为：一种空气隙膜蒸馏装置，通过在膜蒸馏装置内部引入换热装置，有效解决传统膜蒸馏因外部换热导致的占地面积大和辅助设备多等问题；根据处理料液量的要求，可增加料液隔板和工质隔板的数量，在单个装置中实现多个料液隔板和工质隔板并联工作，具有结构紧凑、占地面积小和组装方便等优点；冷凝板设置有多个锯齿状的竖直沟槽，沟槽的深度即为空气隙的厚度，在缩短空气隙厚度的同时，有效增大了蒸汽的冷凝面积，另外冷凝板沟槽的槽顶，为疏水膜提供支撑，无需支撑板；料液隔板和换热板的表面设置有多个锯齿状的水平沟槽，料液或工质垂直流过沟槽，料液和工质可以在较低的流速下实现湍流，有效削弱了温差极化和浓差极化现象，有利于膜通量的提高和冷热工质的热交换；膜蒸馏膜堆的冷料液吸收热料液的蒸汽潜热，然后作为冷工质进入换热装置，通过加热后作为热料液返回到膜蒸馏膜堆，整个膜蒸馏装置仅需冷料液泵和热工质泵，无需热料液泵，减小了辅助设备和能耗。

附图说明

图1为利用空气隙膜蒸馏装置组装示意图；

图2为空气隙膜蒸馏装置的水流布置图；

图3为冷料液隔板结构图；

图4为冷料液隔板的1-1局部剖面放大图；

图5为冷料液隔板的2-2剖面图；

图6为冷凝板结构图；

图7为冷凝板的3-3剖面图；

图8为换热板结构图；

图9为换热板的4-4剖面图；

图10为第一级冷工质隔板结构图；

图11为第二级冷工质隔板结构图；

图12为换向板结构图。

如图，1-冷料液进口、2-热料液出口、3-产水出口、4-左夹紧板、5-热料液隔板、6-微孔疏水膜、7-冷凝板、8-冷料液隔板、9-换向板、10-第二级冷工质隔板、11-换热板、12-第一级热工质隔板、13-第一级冷工质隔板、14-第二级热工质隔板、15-右夹紧板、16-热工质进口、17-热工质出口、18-螺栓孔、19-热料液进口、20-冷料液出口、21-盖板、22-下底板、23-圆柱凸台、24-缓冲坡、25-水平沟槽、26-槽顶、27-槽底、28-盖板、29-竖直沟槽、30-冷工质进口、31-热工质收集口、32-冷工质收集口、33-冷工质出口、34-热料液流道。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图和实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型所提供的空气隙膜蒸馏装置，主要包括膜蒸馏膜堆、换热装置和夹紧装置。膜蒸馏膜堆由交错排列的热料液隔板5、微孔疏水膜6、冷凝板7和冷料液隔板8组成；换热装置由第一级热工质隔板12、第二级热工质隔板14、第一级冷工质隔板13、第二级冷工质隔板10和换热板11组成，热工质隔板和冷工质隔板被换热板11隔开，换热装置位于膜蒸馏膜堆的一侧；夹紧装置由左夹紧板4、右夹紧板15和若干个螺杆组成，位于膜蒸馏膜堆和换热装置的两端。所述热料液隔板5的热料液进口19处、热料液出口2处和产水出口3处设置有水流分布暗道，所述冷料液隔板8的冷料液进口1处、冷料液出口20处和产水出口3处设置有水流分布暗道；所述膜蒸馏膜堆和换热装置之间有换向板9，所述换向板9设置有冷料液出口20、热料液进口19和热料液流道34，所述热料液流道34位于冷料液出口和热料液进口之间，热料液流道34靠近冷料液隔板的一侧设置有下底板；所述左夹紧板4上设置有冷料液进口1、热料液出口2、产水出口3和螺栓孔18，所述右夹紧板上有热工质进口16、热工质出口17和螺栓孔18。

冷凝板7靠近微孔疏水膜5一侧的表面上设置有多个锯齿状的竖直沟槽29。竖直沟槽29的深度即为空气隙的厚度，竖直沟槽29的存在提供了稳定的空气隙；竖直沟槽29的槽顶26与冷凝板7的表面相平；竖直沟槽29通过水流分布暗道与产水出口3相连，从而便于产水沿着沟槽29流入产水出口3。沟槽29的存在有效增大了蒸汽的冷凝面积，冷凝面积为传统冷凝板的2-3倍，有利于蒸汽冷凝；沟槽29的槽顶26为微孔疏水膜6提供支撑，解决了传统使用支撑板支撑微孔疏水膜6带来的额外传质阻力。

水流分布暗道由盖板21(或盖板28)、下底板22和圆柱凸台23形成。圆柱凸台23位于下底板22上，盖板21(或盖板28)和下底板22的厚度均为1mm，圆柱凸台23的高度为1-3mm，三者的总高度等于隔板的厚度；在膜蒸馏装置夹紧状态下，盖板21(或盖板28)和下底板22为微孔疏水膜6和冷凝板7提供支撑，实现了更好的密封，防止料液窜流；水流分布暗道可以实现均匀布水和集水。

热料液隔板5和冷料液隔板8两侧的表面均设置有多个锯齿状的水平沟槽25。水平沟槽25的槽顶26略低于料液隔板的表面，在膜蒸馏装置夹紧状态下，槽顶26和微孔疏水膜6之间形成0.5-1mm宽的狭缝；料液在狭缝中垂直流过水平沟槽25，由于锯齿状沟槽的粗糙度较大，料液可以在较低流速下实现湍流，对微孔疏水膜6形成有效的冲刷，充分削弱温度极化和浓度极化，有利于膜通量的提高；水平流道25的稳定存在解决了传统由于额外添加湍流件带来的组装难度。料液隔板水平沟槽25的两端设置有缓冲坡24，缓冲坡24的设置便于料液进出水流分布暗道。

换热板11两侧的表面设置有多个锯齿状的水平沟槽25。尺寸与料液隔板上的水平沟槽25相通，水平沟槽25的槽底27与换热板11的表面相平，水平沟槽25的深度不超过冷热工质隔板厚度的二分之一；在膜蒸馏装置夹紧状态下，换热板11的水平流道25嵌入工质隔板，相邻换热板11的槽顶26之间形成0.5-1mm宽的狭缝，冷热工质以湍流形式流过换热板11的表面，有效提高了提高传热系数，使热工质能够快速地将热量传递给冷料液。

膜蒸馏膜堆和换热装置通过换向板9实现连接。膜蒸馏膜堆的冷料液出口20通过换向板9与换热装置的冷工质进口30相连，吸收蒸汽潜热的冷料液作为冷工质进入换热装置；膜蒸馏膜堆的热料液进口19通过换向板9与换热装置的冷工质出口33相连，冷料液在换热装置经过换热后作为热料液返回到膜蒸馏膜堆，从而实现热能的高效利用；冷热工质在换热装置内全程逆流，可以实现充分的热交换冷冷料液为待；整个膜蒸馏装置仅需冷料液泵和热工质泵，无需热料液泵，减小了辅助设备和能耗。

热料液的进出口和冷料液的进出口均呈现对角布置，水孔的这种布置可以实现多个冷料液隔板8和多个热料液隔板5的交错排列，根据处理料液量的要求，可适当增加或减少热料液隔板5、冷料液隔板8和冷凝板7的数量或面积；冷热工质进口和收集口的对角布置也可以实现多个冷热工质隔板的并联，整个膜蒸馏装置结构紧凑、组装方便，便于规模放大。

本实例中，热工质为工业的废热流体或加热的介质，需保持在60℃以上；冷料液为待处理的料液，需保持在10-30℃；料液隔板、工质隔板和换向板9均采用耐热、耐酸碱腐蚀的聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)材质，厚度为3-5mm；冷凝板7和换热板11采用导热性能优良的金属板材质，厚度为1-2mm；左夹紧板4和右夹紧板15采用铝合金材质，厚度为10-15mm，夹紧板四边尺寸大于隔板10-20mm，便于开螺栓孔；竖直沟槽29的深度为1-3mm，相邻槽顶26的间距为5-10mm；水平沟槽25的深度为1-2mm；槽顶26的间距为5-10mm；缓冲坡24的长度为10-20mm；微孔疏水规模采用疏水性较强的PTFE材质。

本实施例的空气隙膜蒸馏装置工作过程：

热工质和冷料液分别经热工质进口16和冷料液进口1进入换热装置和膜蒸馏膜堆；热工质通过热工质进口16首先进入到第一级热工质隔板12，然后由热工质收集口31进入第二级热工质隔板14，最后由热工质出口17流出膜蒸馏装置；冷料液由冷料液进口1处的水流分布暗道进入到冷料液隔板8，冷料液垂直流过水平沟槽25，最后由水流分布暗道进入到冷料液出口20，冷料液作为冷工质通过换向板9的冷料液出口20进入到换热装置的冷工质进口30；冷料液首先进入第一级冷工质隔板13，然后由冷工质收集口32，进入到第二级冷工质隔板10，最后由冷工质出口33进入换向板9的热料液流道34，冷料液在经过换热后作为热料液返回到膜蒸馏膜堆；热料液由热料液进口19处的水流分布暗道进入到热料液隔板5，热料液与冷料液呈逆流流经热料液隔板5，热料液产生的蒸汽透过微孔疏水膜6，穿越冷凝板竖直沟槽29形成的空气隙，在冷凝板竖直沟槽29的表面冷凝，产水靠重力作用沿着竖直沟槽29，由水流分布暗道流入产水出口3，最后在换向板9的下底板22的阻挡下流出膜蒸馏装置；热料液由于失去蒸发热，自下而上温度逐渐降低，冷料液由于吸收蒸汽的潜热，自上而下温度逐渐升高，吸热后的冷料液进入到换热装置进行二次加热后返回膜蒸馏膜堆，整个过程实现了热能的最大利用，具有较高的热能利用率。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种空气隙膜蒸馏装置，主要包括膜蒸馏膜堆、换热装置和夹紧装置；膜蒸馏膜堆由一定数目的的交错排列的热料液隔板、微孔疏水膜、冷凝板和冷料液隔板组成；换热装置由第一级热工质隔板、第二级热工质隔板、第一级冷工质隔板、第二级冷工质隔板和换热板组成，热工质隔板和冷工质隔板被换热板隔开，换热装置位于膜蒸馏膜堆的一侧；夹紧装置由左夹紧板、右夹紧板和若干个螺杆组成，位于膜蒸馏膜堆和换热装置的两端；其特征在于：所述热料液隔板、微孔疏水膜、冷凝板和冷料液隔板都设置有热料液进口、热料液出口、产水出口、冷料液进口和冷料液出口；所述热料液隔板的热料液进口处、热料液出口处和产水出口处设置有水流分布暗道，所述冷料液隔板的冷料液进口处、冷料液出口处和产水出口处设置有水流分布暗道；所述膜蒸馏膜堆和换热装置之间有换向板，所述换向板设置有冷料液出口、热料液进口和热料液流道，所述热料液流道位于冷料液出口和热料液进口之间，所述热料液流道靠近冷料液隔板的一侧设置有下底板；所述左夹紧板上设置有冷料液进口、热料液出口、产水出口和螺栓孔，所述右夹紧板上有热工质进口、热工质出口和螺栓孔。

2.根据权利要求1所述的一种空气隙膜蒸馏装置，其特征还在于：冷凝板靠近微孔疏水膜一侧的表面上，设置有多个锯齿状的竖直沟槽，沟槽的槽顶与冷凝板表面相平，沟槽的深度即为空气隙的厚度，沟槽和产水出口之间设置有水流分布暗道。

3.根据权利要求1所述的一种空气隙膜蒸馏装置，其特征还在于：换热板两侧的表面设置有多个锯齿状的水平沟槽，沟槽的槽底与换热板表面相平，沟槽的深度不超过工质隔板厚度的二分之一。

4.根据权利要求1所述的一种空气隙膜蒸馏装置，其特征还在于：冷热料液隔板两侧的表面，设置多个锯齿状的水平沟槽，沟槽的槽顶略低于料液隔板的表面，水平沟槽靠近水流分布暗道的位置设置有缓冲坡。

5.根据权利要求1所述的一种空气隙膜蒸馏装置，其特征还在于：膜蒸馏膜堆的冷料液出口与换热装置的冷工质进口通过换向板的冷料液出口连接，膜蒸馏膜堆的热料液进口与换热装置的冷工质出口通过换向板的热料液进口和热料液流道连接，冷料液作为冷工质进入换热装置，冷工质作为热料液返回膜蒸馏膜堆。

6.根据权利要求1所述的一种空气隙膜蒸馏装置，其特征还在于：所述料液隔板、工质隔板和换向板均采用耐热、耐酸碱腐蚀的聚丙烯(PP)或聚四氟乙烯(PTFE)材质，冷凝板和换热板均采用导热性能优良的金属板材质。