一種新型高效的膜蒸餾方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種膜蒸餾的裝置和方法，具體涉水處理、化工分離和液態(tài)食品加工的蒸餾裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]膜蒸餾技術(shù)是一種高效的膜分離技術(shù)。膜蒸餾過(guò)程是以疏水性膜為分離介質(zhì)，通過(guò)控制溫度，對(duì)熱側(cè)溶液進(jìn)行加熱升溫，使溶液中的水揮發(fā)成水蒸氣并進(jìn)入膜孔，水蒸氣在膜兩側(cè)蒸氣壓差的推動(dòng)下穿過(guò)膜孔到達(dá)膜的另一側(cè)，然后經(jīng)過(guò)一定的冷卻方式重新冷凝為液態(tài)水。由于膜的疏水性，溶液中的液態(tài)水和其他水溶性物質(zhì)被截留，從而實(shí)現(xiàn)熱側(cè)溶液的濃縮過(guò)程。采用膜蒸餾濃縮除鹽時(shí)，對(duì)絕大多數(shù)鹽類(lèi)和其他非揮發(fā)性物質(zhì)都有接近100%截留效率，而且膜蒸餾操作條件溫和，不需要將溶液加熱至沸騰。此外，與反滲透相比，溶液中含鹽量的變化對(duì)膜通量影響較小，膜蒸餾可以在極高含鹽量時(shí)正常運(yùn)行(含鹽量可大于25% )，而且膜蒸餾可以在常壓下運(yùn)行，不需要高壓條件。由于膜蒸餾的分離特性及其固有優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在廢水處理、海水淡化、化工分離、果汁濃縮等方面具有廣泛的研宄應(yīng)用。
[0003]膜蒸餾按照冷卻側(cè)的運(yùn)行方式不同，可以將膜蒸餾分為直接接觸式膜蒸餾、氣掃式膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾和真空膜蒸餾，這四種膜蒸餾方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。
[0004]氣掃式膜蒸餾(SGMD)中，熱側(cè)溶液經(jīng)加熱后進(jìn)入膜組件的一側(cè)，其中的水蒸氣在蒸氣壓的推動(dòng)下穿過(guò)膜孔到達(dá)膜的另一側(cè)后，被鼓入的空氣帶離出膜組件，在膜組件外側(cè)的冷凝器中冷凝為液態(tài)水，從而實(shí)現(xiàn)溶液的濃縮過(guò)程。SGMD避免了冷凝液與膜表面直接接觸，可以有效降低熱量損失。但是由于水蒸氣需要在膜組件以外的冷凝器中冷凝，傳質(zhì)距離相比直接接觸式膜蒸餾要大得多，因此膜通量相對(duì)較低。
[0005]真空膜蒸餾(VMD)是采用抽真空的方式使膜組件的冷凝側(cè)保持一定負(fù)壓，熱側(cè)溶液中的水以蒸氣形式進(jìn)入膜的另一側(cè)后，通過(guò)真空泵的作用將其抽出膜組件，并在膜組件以外的冷凝器中冷凝為液態(tài)水。由于VMD中膜兩側(cè)蒸氣壓差更大，具有更大的推動(dòng)力，因此VMD相比其他的膜蒸餾形式具有更大的膜通量。但是要保持膜組件的疏水特性，避免膜發(fā)生穿透，VMD運(yùn)行中跨膜壓差必須小于膜的穿透壓力，因此膜組件中的真空度不能過(guò)低，這就造成VMD中膜通量的提升受到限制。
[0006]專(zhuān)利CN103803669公開(kāi)了一種采用空氣吹真空膜蒸餾技術(shù)進(jìn)行苦咸水、海水的淡化，致密的硅橡膠膜或者疏水性多孔膜安裝在中空纖維膜裝置的組件中；膜內(nèi)側(cè)出口一端和大氣相通；利用空氣帶出水蒸氣；另一端連接隔膜真空泵進(jìn)料；經(jīng)過(guò)過(guò)濾的進(jìn)料液常溫進(jìn)料，不使用加熱裝置，通過(guò)進(jìn)料泵送入到中空膜裝置組件的外側(cè)，在隔膜真空泵的出口處收集產(chǎn)水，濃水返回進(jìn)料罐。該真空膜蒸餾法與傳統(tǒng)SGMD和VMD等具有共同的缺點(diǎn)，即膜通量低，從而造成膜蒸餾系統(tǒng)的投資成本和占地面積等迅速增加，不適合大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。
[0007]因此，開(kāi)發(fā)出具有更高通量的膜蒸餾工藝對(duì)于膜蒸餾技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有膜蒸餾工藝中膜通量較低的缺點(diǎn)，提出一種新型高效的膜蒸餾裝置與方法。
[0009]一種新型高效的膜蒸餾方法，包括如下步驟:
[0010](I)將原料液加熱至30?90°C后，從膜組件的進(jìn)料口泵入膜組件的溶液側(cè)；
[0011](2)待原料液充滿(mǎn)膜組件的溶液側(cè)后，打開(kāi)膜組件真空側(cè)的進(jìn)氣口 ；
[0012](3)在膜組件真空側(cè)的出氣口抽真空，控制膜組件真空側(cè)的真空度為-1?-0.004Mpa，外界空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入膜組件的真空側(cè)，外界空氣與原料液逆流流動(dòng)。
[0013]本發(fā)明兼具真空膜蒸餾與氣掃式膜蒸餾的優(yōu)點(diǎn)，原料液與空氣逆流操作，大幅度的提高了膜通量；將原料液加熱后泵入膜組件，并控制膜組件內(nèi)的真空度，進(jìn)一步提高了膜通量。本發(fā)明膜蒸餾方法的膜通量高達(dá)2620-20630g/m2.h，比相同真空度條件下傳統(tǒng)VMD通量提高了 16.7-169.7%o
[0014]該工藝可以用于水溶液的濃縮處理，也可以應(yīng)用于果汁濃縮、水溶液中氣體分離等其他用途。本發(fā)明不但可應(yīng)用于內(nèi)壓式膜蒸餾，還可應(yīng)用于外壓式膜蒸餾和浸沒(méi)式真空膜蒸餾。
[0015]優(yōu)選步驟⑴中將原料液加熱至63?71°C。
[0016]通常情況下，原料液的溫度越高，膜通量就越大。但現(xiàn)實(shí)試驗(yàn)中，溫度升高不僅會(huì)增加系統(tǒng)能耗，同時(shí)溫度升高到一定程度后可能會(huì)破壞膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)，改變膜的分離性能，使膜通量降低。在本發(fā)明原料液溫度范圍內(nèi)，不僅可以獲得較高膜通量，同時(shí)可以有效確保膜的分離性能穩(wěn)定。
[0017]所述步驟(2)中控制膜表面空氣流速為0.05-10m/s ；
[0018]優(yōu)選所述步驟(2)中控制膜表面的空氣流速為0.05-2.5m/s ；
[0019]更優(yōu)選所述步驟(2)中控制膜表面的空氣流速為0.1-2.5m/so
[0020]所述膜表面的空氣流速為進(jìn)氣口空氣流量除以膜組件真空側(cè)的截面積。
[0021]隨著膜表面空氣流速的升高，空氣對(duì)水蒸氣的夾帶作用增強(qiáng)，可有效提高水蒸氣的傳質(zhì)推動(dòng)力，從而提高膜通量?？諝饬魉贋?0m/s以后，繼續(xù)增大空氣流速會(huì)增加空氣對(duì)水蒸氣的稀釋作用，對(duì)后續(xù)冷凝過(guò)程產(chǎn)生不利影響，所以本發(fā)明步驟(2)中控制膜表面空氣流速為0.1?10m/so
[0022]所述膜組件的進(jìn)氣口為線(xiàn)形進(jìn)氣口。
[0023]線(xiàn)形進(jìn)氣口中進(jìn)入的空氣在同一截面上速度相同，通過(guò)膜表面的空氣在與透過(guò)膜的水蒸氣之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，流體粘度較大，能夠帶走更多的水蒸氣。
[0024]所述線(xiàn)形進(jìn)氣口為與膜表面平行的線(xiàn)形進(jìn)氣口。
[0025]在減壓蒸發(fā)的過(guò)程中，水蒸氣主要存在于靠近膜表面的區(qū)域中，也就是空氣與水蒸氣之間的的粘性和摩擦作用只在靠近膜表面很薄的一個(gè)區(qū)域內(nèi)起到主要作用，采用與膜表面平行的線(xiàn)形進(jìn)氣口能夠使真空側(cè)的空氣流速相同，將透過(guò)膜的水蒸氣快速帶走，防止出現(xiàn)吹掃死角，水蒸氣冷凝在膜表面，堵塞膜，影響膜通量。采用與膜表面平行的線(xiàn)形進(jìn)氣口能夠進(jìn)一步的提高膜通量。
[0026]所述步驟(3)中膜組件真空側(cè)的真空度為-0.3?-0.004Mpa，優(yōu)選所述步驟(3)中膜組件真空側(cè)的真空度為-0.2?-0.007Mpa。
[0027]隨著管程中真空度的增加，膜兩側(cè)水蒸氣的跨膜壓差增大，從而提高傳質(zhì)推動(dòng)力，最終造成膜通量升高，但是真空度過(guò)高，會(huì)引起膜的穿透，使膜失去疏水性能。
[0028]所述膜組件為中空纖維式膜組件、板式膜組件或卷式膜組件。
[0029]所述膜組件為中空纖維式膜組件，所述膜組件溶液側(cè)為中空纖維式膜組件的管程，膜組件真空側(cè)為中空纖維式膜組件的殼程；或者所述膜組件溶液側(cè)為中空纖維式膜組件的殼程，膜組件真空側(cè)為中空纖維式膜組件的管程。
[0030]所述膜組件中的膜材料為疏水膜材料，包括但不限于PTFE材料、聚丙烯材料、聚偏氟乙稀材料。
[0031]一種新型高效的膜蒸餾裝置，包括原料罐、膜組件、冷凝器、真空泵、冷凝水集水槽和進(jìn)料泵，所述新型高效的膜蒸餾裝置還包括換熱器和空氣流量調(diào)節(jié)閥，原料罐、換熱器和膜組件的溶液側(cè)通過(guò)液路管路依次相連構(gòu)成一個(gè)閉合回路，進(jìn)料泵設(shè)置在液路管路上，原料罐出口與換熱器進(jìn)料端相連接，換熱器出料端與膜組件溶液側(cè)的進(jìn)料口相連接，膜組件溶液側(cè)的出料口與原料罐的進(jìn)料口相連接；膜組件真空側(cè)的出氣口與冷凝器入口相連接，冷凝器的出水口連接有冷凝水集水槽，冷凝器的排氣口與真空泵相連接，膜組件真空側(cè)設(shè)有通過(guò)氣路管路與大氣相連通的進(jìn)氣口，進(jìn)氣口與膜組件的出料口位