多段式膜蒸馏装置制造方法
【专利摘要】本多段式膜蒸馏装置包括多张微孔膜，多个冷液室板框，多个热液室板框，多个相变室板框交替排列在本装置内形成由微孔膜隔离的多段互相串联的热液室、多段互相串联的冷液室和多段互相串联的相变室。高温原液在各段多个热液室中上下流动，液体蒸汽自热液室经微孔膜蒸发进入相邻的相变室，热液自身逐步降温，并被浓缩为浓缩热液排出；与热液流动方向相反，冷液在各段冷液室中上下流动，将相邻的相变室中液体蒸汽冷凝成冷凝液，自身被逐渐升温至流经冷液出口；蒸发热在热液和冷液之间实现多次交换，大大提高了膜蒸馏的热效率。用原液与部分浓缩热液混合冷液进入装置，冷液在出口被加热再作为热液进入装置，反复循环，以提高热效率。
【专利说明】多段式膜蒸馏装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及膜分离【技术领域】和污水处理【技术领域】，特别涉及高效板框式膜蒸馏单元，该单元普遍适用于膜蒸馏领域，特别适用于污水再生与零排放。
技术背景
[0002]膜蒸馏是指液体蒸汽透过半透膜蒸发，然后发生该蒸汽冷凝的膜分离过程。这一过程可以用于在一定温度范围内蒸汽压差别较大的物质的分离。
[0003]膜蒸馏技术可以用于物料分离，更可以用于污水的浓缩和海水淡化。
[0004]膜蒸馏最大的技术挑战是如何节能。
[0005]已知技术中有接触式膜蒸馏，就是热水在膜的一侧，膜的另一侧是冷水，水蒸气透过膜在冷水中冷凝并被冷水带走。这种技术几乎无法回收水的蒸发热，同时冷热水之间的热交换也大大地消耗能量，因此这种技术的造水比(整流水重量与消耗蒸汽重量比)难以得到显著。
[0006]已知技术中(中国专利申请201110428029.6)有将3-5组膜蒸馏组件通过外部串联以获得多级效果。但是由于外部辅助设备过多，难以实现更多级串联。
[0007]已知技术(中国专利200820075402.8)预热的被处理液在多组交替安置的中空纤维微孔膜和换热管串联流动，一组中空纤维膜外侧生成的蒸汽在下一组换热管外侧被冷凝，被处理液在前级蒸发降温，在下级充当冷液将蒸汽冷凝而被升温，达到节能目的。然而由于下级液体温度与上级液体温度差别较小，影响膜通量。
[0008]已知技术(中国专利申请201010265140.3)预热的被处理液在多组交替安置的中空纤维微孔膜和换热管外部定向流动，一组中空纤维膜腔内生成的蒸汽在下一组换热管中被冷凝，被处理液在前级蒸发降温，在下级充当冷液将蒸汽冷凝而被升温，达到节能目的。然而由于充当冷凝换热器周围的温度与上级热液的温度差距较小，并存在传导热交换，膜蒸馏通量较低，热效率也难以得到有效提高。
[0009]已知技术中有内置换热器方案(中国专利200820075402.8)，其中第一级膜组件所产生的蒸汽流入与之相邻的第一级换热组件在换热组件内与从膜组件内流出的低温液体进行热交换，料液温度得以提升，部分蒸汽被冷凝为液体。这是一种顺流是设计，液体交替流经膜组件和热交换器，液体在膜组件中被蒸发降温，然后立即进入热交换器并被升温。因此，作为膜蒸馏驱动力的膜两侧温差被缩小，膜蒸馏效率受到影响。
[0010]已知技术中有中空纤维与中空管逆向流动的技术(中国专利101010570625.3)，但是该技术仅仅实现了单级或单段冷热液的逆流交换，热效率仍然有待提高。
【发明内容】
[0011]本发明要解决已知技术中膜蒸馏装置热效率较低的技术问题，揭示一种多段式膜蒸馏装置。
[0012]本多段式膜蒸馏装置包括两端的热端端板和冷端端板，多张微孔膜，多个冷液室板框，多个热液室板框，多个相变室板框，将以上所述部件相互固定形成多段式膜蒸馏装置的多组螺杆和螺母及必要的密封材料；所述冷端端板上包括一个热液入口，一个冷液出口，一个冷凝液出口，还包括一个气体入口，所述热端端板上包括一个热液出口，一个冷液入口，一个冷凝液出口和一个气体出口 ；所述多张微孔膜，多个冷液室板框，多个热液室板框，多个相变室板框交替排列形成多段互相串联的热液室、多段互相串联的冷液室和多段互相串联的相变室，其中冷液室、相变室、热液室和相变室交替排列，并被微孔膜隔离。
[0013]使用多段式膜蒸馏装置时高温热液经热液入口进入多段式膜蒸馏装置，在各段多个热液室中上下流动，液体蒸汽自热液室经微孔膜蒸发进入相邻的相变室，热液自身由于失去蒸发热而逐步降温，直至流经热液出口成为浓缩热液排出；与热液流动方向相反，冷液经冷液入口注入本多段式膜蒸馏装置，冷液在各段多个冷液室中上下流动，此间将相邻的相变室中液体蒸汽冷凝成冷凝液，自身吸收蒸发热被逐渐升温，直至流经冷液出口排出；每个相变室一侧是热液室另一侧是冷液室，液体蒸汽从热液室透过微孔膜被蒸出，在相变室另一侧的冷液室表面被冷凝；冷凝液经冷凝液出口排出。
[0014]可以在本多段式膜蒸馏装置气体出口处减压，以增加多段式膜蒸馏装置效率，同时冷液室和热液室内气体在负压作用下透过微孔膜被排出。在气体入口出鼓气，可以增加多段式膜蒸馏装置效率；还同时在气体出口减压同时在气体入口出鼓气，以增加多段式膜蒸馏装置效率。
[0015]所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在热液出口至冷液入口之间的浓液排放阀、压力调节阀、冷液补充阀和增压泵，设置在冷液出口至热液入口之间的升温装置。部分浓缩热液和原液混合加压作为冷液，冷液在出口被升温作为热液，反复循环可以进一步提高膜蒸馏装置的热效率。
[0016]本发明的有益效果是在单个膜装置中实现了多段互相串联的热液室、多段互相串联的冷液室和多段互相串联的相变室，冷液和热液逆向流动并实现多段热交换，提高了膜蒸馏的热效率，另外，部分浓缩热液和原液混合加压作为冷液，冷液在出口被升温作为热液，反复循环可以进一步提高膜蒸馏装置的热效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1本发明多段式膜蒸馏装置内部结构示意图
[0018]图2本发明多段式膜蒸馏装置内部流程示意图
[0019]图3本发明多段式膜蒸馏装置流程示意图
[0020]图1、图2、和图3中21.冷液入口，22.冷液出口，23/24.冷液流道，231/241.冷液流道截断塞，31.热液入口，32.热液出口，33/34.热液流道，331/341.热液流道截断塞，421.冷凝液出口 1，422.冷凝液出口 2，44.冷凝液流道，441.冷凝液流道截断塞，52.气体出口，53.气体通道，531.气体通道截断塞，56.气体入口，102.冷液室，103.热液室，104.相变室，203.微孔膜，206.热端端板1，207.冷端端板，220.冷液室板框，221.冷液导流孔，222.冷液导流槽，223.冷板热液流道孔，224.冷板冷凝液流道孔，225.冷板气体通道孔，226.冷液室导流网，230.热液室板框，231.热液导流孔，232.热板冷液流道孔，233.热液导流槽，234.热板冷凝液流道孔，235.热板气体通道孔，236.热液室导流网，240.相变室板框，冷凝液导流孔(241),242.相变板冷液流道孔，243.相变板热液流道孔，244.冷凝液导流槽，245.相变板气体导流槽，246.气体导流孔，300.螺杆孔，600.增压泵，601.浓液排放阀，602.压力调节阀，603.原液补充阀，700.升温装置，800.冷凝液箱，801.压力控制阀，810.冷凝液外送泵
【具体实施方式】
[0021]参见图1、图2，多段式膜蒸馏装置包括两个位于多段式膜蒸馏装置两端的热端热端端板(206)和冷端端板2 (207)，多张微孔膜(203)，多个冷液室板框(220)，多个热液室板框(230)，多个相变室板框(240)，将以上所述部件相互固定形成多段式膜蒸馏装置的多组螺杆和螺母以及必要的密封材料；
[0022]两张所述微孔膜(203)位于一个所述冷液室板框(220)两侧，形成冷液室(102)，两张所述微孔膜(203)位于一个所述热液室板框(230)两侧，形成热液室(103)，冷液室
(102)与热液室(103)交替排列，所述冷液室(102)和热液室(103)之间有一相变室板框(240)，形成相变室(104);所述冷液室(102)，热液室(103)和相变室(104)相互密封；
[0023]所述冷液室板框(220)上设有多个螺杆孔(300)、两个冷液导流孔(221)、两个冷液导流槽(222)、两个冷板热液流道孔(223)、一个冷板冷凝液流道孔(224)和一个冷板气体导流孔(225)，所述冷液导流孔(221)与冷液导流槽(222)分别通过暗道相通；
[0024]所述热液室板框(230)设有多个螺杆孔(300)，两个热板冷液流道孔(232)、两个热液导流槽(233)、两个热液导流孔(231)、一个热板冷凝液流道孔(234)和一个热板气体导流孔(234)，上述热液导流槽(233)与热液导流孔(231)分别相通；
[0025]所述相变室板框(240)上设有多个螺杆孔(300)，两个相变板冷液流道孔(242)、两个相变板热液流道孔(243)、一个冷凝液导流槽(244)、一个冷凝液导流孔(241)、一个相变板气体导流孔(246)和一个气体导流槽(245)，所述一个冷凝液导流槽(244)与一个冷凝液导流孔(241)通过暗道相通；所述一个相变板气体导流孔(246)和一个气体导流槽(245)通过暗道相通；
[0026]所述热端端板(206)上设有多个螺杆孔(300)，一个冷液出口(22)，一个热液入口
(31)，一个热端冷凝液出(422)和一个气体入口(56)，所述冷端端板(207)上设有多个螺杆孔(300)，一个冷液入口(21)，一个热液出口(32)，一个冷端冷凝液出(421)和一个气体出口 (52)；
[0027]所述多个冷液导流孔(221)、相变板冷液流道孔(242)、热板冷液流道孔(232)、冷端端板(207)上设置的冷液入口(21)、热端端板(206)上设置的冷液出口(22)和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成上下两个冷液流道(23和24)，多个热液导流孔(231)、相变板热液流道孔(243)、冷板热液流道孔(223)、热端端板(206)上设置的热液入口(31)、冷端端板(207)上设置的热液出口(32)和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成上下两个热液流道(33和34)，多个冷凝液导流孔(241)、冷板冷凝液流道孔(224)、热板冷凝液流道孔(234)、冷端端板(207)上设置的冷凝液出(421)、热端端板(206)上设置的冷凝液出(422)、和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成冷凝液流道(44)，多个冷板气体通道孔(225)、热板气体通道孔(235)和相变板上设置的气体导流孔(246)、冷端端板(206)上设置的气体出口(52)、热端端板(206)上设置的气体入口和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封组成气体通道(52)；
[0028]所述多个冷液室通过冷液导流槽(222)与冷液流道(23和24)相通，多个热液室
(103)通过热液导流槽(232)与热液流道(33和34)相通，多个相变室(103)通过冷凝液导流槽(244)与冷液流道(44)相通，多个相变室(104)通过气体导流槽(245)与气体通道
(53)相通；
[0029]所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在冷液流道(23和24)中至少各设一个冷液流道截断塞(231和241)，将冷液流道分成若干段，各段流向相反，所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在热液流道(33和34)中至少各设一个热液流道截断塞(331和341)，将热液流道分成若干段，各段流向相反；上述多段式膜蒸馏装置还包括设置在气体通道(53)和冷凝液通道(44)中至少一个气体通道截断塞(531)和在冷凝液通道中一个截断塞(441)，将气体流道分成若干段，各段气体流向相反；
[0030]所述相互密封的方法是粘接、焊接和密封圈密封的一种或其组合；
[0031]所述多个螺杆穿过多个螺杆孔(300)与多个螺母将多段式膜蒸馏装置固定。
[0032]使用多段式膜蒸馏装置时高温原液经热液入口(31)进入多段式膜蒸馏装置，在各段多个热液室(103)中上下流动，液体蒸汽经热液室(103)微孔膜(203)表面蒸发，进入相邻的相变室(104)，热液自身由于失去蒸发热而逐步降温，直至流经热液出口(32)成为浓缩热液排出；与热液流动方向相反，冷液经冷液入口(22)注入本多段式膜蒸馏装置，冷液在各段多个冷液室(102)中上下流动，此间将相邻的相变室(104)中液体蒸汽冷凝成冷凝液，自身吸收蒸发热被逐渐升温，直至流经冷液出口(22);每个相变室(104) —侧是热液室(103)另一侧是冷液室，液体蒸汽从热液室(103)透过微孔膜(203)被蒸出，在相变室
(104)另一侧的冷液室(102)表面被冷凝；冷凝液经冷凝液通道(42)及冷凝液出口(421)和(422)排出。
[0033]本多段式膜蒸馏装置中热液经过多段蒸发，冷液经过多段冷凝，蒸发热在热液和冷液之间多次传递；高温区蒸汽在低温区被冷凝，将蒸发热专递给冷液和热液；使得本膜蒸馏过程热效率得到明显提高。其中冷液和热液均可经外部热交换系统和循环系统进一步实现热能回收，这些外部设施可以采用已知技术得以实现。
[0034]使用多段式膜蒸馏装置时在气体出口(52)减压，可以增加多段式膜蒸馏装置效率。同时冷液室(102)和热液室(103)内的气体在负压作用下透过微孔膜(203)进入相变室(104)，再经气体通道(53)和气体出口(52)排出。在气体入口出(56)鼓气，可以增加多段式膜蒸馏装置效率；还同时在气体出口(52)减压同时在气体入口出(56)鼓气，以增加多段式膜蒸馏装置效率。
[0035]如图3所示，所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在热液出口(32)至冷液入口(21)之间的浓液排放阀￠01)、压力调节阀￠02)、冷液补充阀(603)和增压泵￠00)，设置在冷液出口(22)至热液入口(31)之间的升温装置(700)，冷凝液箱(800)，压力调节阀(801)和冷凝液外送泵(810)。
[0036]使用该多段式膜蒸馏装置时原液通过补充阀(602)注入与部分浓缩热液混合成冷液，经加压泵￠00)由冷液入口(22)进入多段式膜蒸馏装置。在气体出口(52)减压。冷液在各段多个冷液室(102)中上下流动，此间将相邻的相变室(104)中液体蒸汽冷凝成冷凝液，自身吸收蒸发热被逐渐升温，直至流经冷液出口(22)后进入液体升温器(700)，冷液升温后成为热液，该热液经热液入口(31)进入多段式膜蒸馏装置，在各段多个热液室(103)中上下流动，液体蒸汽经热液室微孔膜表面蒸发，进入相邻的相变室(104)，热液自身由于相变热而逐步降温，直至流经热液出口(32)流出，热液经蒸发浓缩成为浓缩热液。部分浓缩热液经浓液排放阀(601)排放，另外部分浓缩热液经压力调节阀(602)与原液混合成冷液，该冷液经增压泵(600)加压经冷液入口(22)进入多段式膜蒸馏装置。冷凝液经冷凝液通道(42)及冷凝液出口(421)和(422)排出进入负压冷凝液箱(800)，通过调节压力控制阀(801)控制两个冷凝液出口(421)和(422)的负压，避免较热蒸汽经热端冷凝液出口(422)进入冷凝液箱，冷凝液外送泵(810)将冷凝液外送。
[0037]用原液与部分浓缩热液混合并加压作为冷液，冷液在出口被加热作为热液，反复循环，回收部分浓缩热液热容量和全部冷液吸收的热容量可以进一步提高膜蒸馏装置的热效率。
[0038]实施例1
[0039]原水为模拟海水，含盐量重量百分百3.5%。如图3所示高效膜蒸馏装置，其中使用PTFE疏水膜总面积为5平方米，热水和冷水均为20段，气体为2段。原水经原水阀(602)注入，经加压泵(600)进入高效膜蒸馏装置；气体出口(52)施加负压，将组件中气体排出；启动电热升温装置(700)，使热液入口温度逐渐升高至80°C，产水经冷凝液出口(421)流入产水箱(800)，压力控制阀(801)被关闭，产水经冷凝液外送泵(810)送出。根据产水流量按1: 1设置浓水排放量，按1: 2设置原水补充量直至达到稳态运行，负压-28KPa。原水温度21°C，产水温度52°C，产水电导率5.2uS/cm，浓水温度29°C，膜通量5.8L/m2.hr，产水热能消耗224KJ/L。
[0040]实施例2
[0041]升温装置是太阳能水加热器，热液温度72_85°C，其他与实施例1同。原水温度23-26 °C，产水温度50-55 °C，产水电导率4.5-6.luS/cm,浓水温度28-31 °C，晴天膜通量4.5-7.6L/m2.hr.。
【权利要求】
1.一种多段式膜蒸馏装置，其特征在于: 包括两个位于多段式膜蒸馏装置两端的端板1(206)和端板2(207)，多张微孔膜(203)，多个冷液室板框(220)，多个热液室板框(230)，多个相变室板框(240)，将以上所述部件相互固定形成多段式膜蒸馏装置的多组螺杆和螺母以及必要的密封材料； 两张所述微孔膜(203)位于一个所述冷液室板框(220)两侧，形成冷液室(102)，两张所述微孔膜(203)位于一个所述热液室板框(230)两侧，形成热液室(103)，冷液室(102)与热液室(103)交替排列，所述冷液室(102)和热液室(103)之间有一相变室板框(240)，形成相变室(104);所述冷液室(102)，热液室(103)和相变室(104)相互密封； 所述冷液室板框(220)上设有多个螺杆孔(300)、两个冷液导流孔(221)、两个冷液导流槽(222)、两个冷板热液流道孔(223)、一个冷板冷凝液流道孔(224)和一个冷板气体导流孔(225)，所述冷液导流孔(221)与冷液导流槽(222)分别通过暗道相通； 所述热液室板框(230)设有多个螺杆孔(300)，两个热板冷液流道孔(232)、两个热液导流槽(233)、两个热液导流孔(231)、一个热板冷凝液流道孔(234)和一个热板气体导流孔(234)，上述热液导流槽(233)与热液导流孔(231)分别相通； 所述相变室板框(240)上设有多个螺杆孔(300)，两个相变板冷液流道孔(242)、两个相变板热液流道孔(243)、一个冷凝液导流槽(244)、一个冷凝液导流孔(241)、一个相变板气体导流孔(246)和一个气体导流槽(245)，所述一个冷凝液导流槽(244)与一个冷凝液导流孔(241)通过暗道相通；所述一个相变板气体导流孔(246)和一个气体导流槽(245)通过暗道相通； 所述端板I (206)上设有多个螺杆孔(300)，一个冷液出口(22)，一个热液入口(31)，一个冷凝液出口 2 (422)和一个气体入口(56)，所述端板2 (207)上设有多个螺杆孔(300)，一个冷液入口(21)，一个热液出口(32)，一个冷凝液出口 1(421)和一个气体出口(52)；所述多个冷液导流孔(221)、相变板冷液流道孔(242)、热板冷液流道孔(232)、冷端端板(206)上设置的冷液入口(21)、热端端板(206)上设置的冷液出口(22)和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成上下两个冷液流道(23和24)，多个热液导流孔(231)、相变板热液流道孔(243)、冷板热液流道孔(223)、热端端板(206)上设置的热液入口(31)、冷端端板(206)上设置的热液出口(32)和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成上下两个热液流道(33和34)，多个冷凝液导流孔(241)、冷板冷凝液流道孔(224)、热板冷凝液流道孔(234)、冷端端板(207)上设置的冷凝液出口(421)、热端端板(206)上设置的冷凝液出口(422)、和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封形成冷凝液流道(44)，多个冷板气体通道孔(225)、热板气体通道孔(235)和相变板上设置的气体导流孔(246)、冷端端板(206)上设置的气体出口(52)、热端端板(206)上设置的气体入口和微孔膜(203)上设置的相应孔相互密封组成气体通道(52)。 所述多个冷液室通过冷液导流槽(222)与冷液流道(23和24)相通，多个热液室(103)通过热液导流槽(232)与热液流道(33和34)相通，多个相变室(103)通过冷凝液导流槽(244)与冷液流道(44)相通，多个相变室(104)通过气体导流槽(245)与气体通道(53)相通； 所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在冷液流道(23和24)中至少各设一个冷液流道截断塞(231和241)，将冷液流道分成若干段，各段流向相反，所述多段式膜蒸馏装置还包括设置在热液流道(33和34)中至少各设一个热液流道截断塞(331和341)，将热液流道分成若干段，各段流向相反；上述多段式膜蒸馏装置还包括设置在气体通道(53)和冷凝液通道(44)中至少一个气体通道截断塞(531)和在冷凝液通道中一个截断塞(441)，将气体流道分成若干段，各段气体流向相反。 所述相互密封的方法是粘接、焊接和密封圈密封的一种或其组合。 所述多个螺杆穿过多个螺杆孔(300)与多个螺母将多段式膜蒸馏装置固定。
2.根据权利要求1所述多段式膜蒸馏装置其特征在于还包括设置在热液出口(32)至冷液入口 (21)之间的浓液排放阀(601)、压力调节阀(602)、冷液补充阀(603)和增压泵(600)，设置在冷液出口 (22)至热液入口 (31)之间的升温装置(700)。
【文档编号】B01D63/08GK104399372SQ201410458960
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】孟广祯, 王彦, 荣福彪 申请人:北京坎普尔环保技术有限公司