專利名稱：中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離裝置，具體講涉及一種中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)分離裝置。
技術(shù)背景膜蒸餾(MD)是一種新型的膜分離技術(shù)，有機(jī)地集蒸發(fā)過程和膜 過程于一體。膜蒸餾過程的推動(dòng)力是膜兩側(cè)的蒸氣壓差。膜蒸餾中所 用的膜是多孔的和不被料液潤(rùn)濕的疏水膜，膜的一側(cè)是與膜直接接觸 的待處理的熱水溶液，由于膜的疏水性，水溶液不會(huì)從膜孔中通過， 但由于膜兩側(cè)揮發(fā)性組份蒸氣壓差的存在，使揮發(fā)性組份在料液(高 溫)側(cè)膜表面汽化，蒸氣通過膜孔傳遞到膜的另一側(cè)(低蒸氣壓側(cè)) 并冷凝為液體。根據(jù)蒸氣冷凝方式不同，膜蒸餾可分為直接接觸式 (DCMD)、氣隙式(AGMD)、減壓式(VMD )和氣掃式(SGMD )四種形 式。DCMD是熱料液和冷卻水與膜兩側(cè)直接接觸；AGMD是用空氣間隙 使膜與冷卻水分開，水蒸氣需要通過一層氣隙到達(dá)冷凝板上才能冷凝 下來；VMD中，透過膜的水蒸氣被真空泵抽到冷凝器中冷凝；SGMD是 利用非凝聚的吹掃氣將水蒸氣帶入冷凝器中冷凝。其中，VMD法能夠 獲得最大的膜兩側(cè)蒸氣壓差(亦即最大的驅(qū)動(dòng)力)、最小的膜孔內(nèi)蒸 氣傳質(zhì)阻力和最小的通過膜的傳導(dǎo)熱，因而也最易獲得高的蒸氣通 量。圖1簡(jiǎn)述了中空纖維減壓膜蒸餾的基本原理，熱物料液(d)流過 中空纖維膜壁(b)的外側(cè)表面(e),可揮發(fā)組份在物料液一氣相界面(f) 上蒸發(fā)，蒸氣通過膜孔(a)到達(dá)中空纖維的內(nèi)側(cè)，在真空負(fù)壓(c)下， 蒸氣流入外置的冷凝器中冷凝成液體。即在分離可揮發(fā)組份的同時(shí)， 物并牛液^皮進(jìn)一步濃縮。MD的特點(diǎn)是在接近常壓下操作的膜蒸餾具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少 的優(yōu)點(diǎn)；其次，疏水膜的抗污染能力較強(qiáng)，對(duì)原料水溶液的預(yù)處理要 求相對(duì)較簡(jiǎn)單；另外MD過程是在較低溫度下進(jìn)行的，可以利用各種 工業(yè)廢熱、余熱、太陽能、地?zé)岬鹊推肺坏哪茉?，這些無疑使MD技 術(shù)更具市場(chǎng)竟?fàn)幜?。但是迄今MD尚未得到大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，其主要 原因包括目前還沒有開發(fā)出價(jià)格合理的可市場(chǎng)化的高效MD膜組件和
與之相適應(yīng)的膜蒸餾過程與工藝。其中，膜組件內(nèi)所包含的膜應(yīng)具有較高的蒸氣通量和具備大規(guī)模生產(chǎn)的條件以及合理的價(jià)格，雖然在利 用較大內(nèi)徑、厚度和具備較大孔徑和高孔隙率中空纖維膜進(jìn)行表面復(fù)合超薄皮層的方法可制得蒸氣通量高和抗污染性強(qiáng)的MD膜，但其制 備工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)使其難于大規(guī)^莫生產(chǎn)和應(yīng)用，因此開 發(fā)蒸氣通量高、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低和性能優(yōu)良的MD膜是目前發(fā) 展的方向；另外，膜組件的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)應(yīng)能夠最大限度地克服膜兩側(cè) 溶液的溫度極化效應(yīng)和濃度極化效應(yīng)，以及有利于最大限度地發(fā)揮膜 的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生最高的蒸氣通量；膜蒸餾過程與工藝的設(shè)計(jì)除保障膜效 能的最佳實(shí)現(xiàn)和膜過程實(shí)用化之外，還應(yīng)保障項(xiàng)目的實(shí)施具備最低的 成本和最大的收益(比如MD的設(shè)計(jì)要有利于能量的最低消耗等)。 本發(fā)明就是兼顧了以上三個(gè)因素(即膜、膜組件和應(yīng)用工藝)，研 發(fā)出了高效中空纖維VMD膜組件裝置以及與^目應(yīng)的VMD分離方法。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種蒸氣通量高、濃縮比例高、脫鹽率高和 淡水回收率高(如果應(yīng)用于脫鹽淡化過程)、成本低、操作簡(jiǎn)單、應(yīng) 用范圍廣和能夠大規(guī)4莫應(yīng)用的中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)膜組件裝置。本發(fā)明的另一目的是提供一種中空纖維減壓膜蒸餾分離方法。 以上的設(shè)備和方法同樣適用于任何以分離為目的的減壓膜蒸餾 工藝過程。本發(fā)明VMD膜組件的設(shè)計(jì)與制造著重考慮的幾個(gè)方面是(1) 中空纖維膜是多孔和非極性的；(2)該中空纖維膜有高的空隙率、適 宜的孔徑；(3)較小的厚度和適當(dāng)?shù)膬?nèi)徑；(4)通過膜組件設(shè)計(jì)以實(shí) 現(xiàn)熱物料液相對(duì)于中空纖維膜的錯(cuò)流；(5)通過膜組件設(shè)計(jì)以保證單 位膜組件高的VMD效能。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的中空纖維減壓膜蒸餾(VMD ) 膜組件裝置A (圖2所示)包括組件外殼以及固定在外殼內(nèi)的空心多 孔管、中空纖維膜；空心多孔管固定在組件的中央，空心多孔管的一 端開放而另一端被封堵，空心多孔管上的孔在靠近開放端處最小，且 隨著與開放端距離的增加而逐漸增大；中空纖維膜平行均勻地排列在 空心多孔管周圍，且中空纖維膜層與外殼內(nèi)壁之間存在一定間隙，空 心多孔管和中空纖維膜的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼 在接近空心多孔管的封堵端設(shè)有一個(gè)液體的進(jìn)出口 ，組件外殼的兩端 分別與兩個(gè)有氣/液進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)，其中一個(gè)尾帽有一個(gè)氣/ 液進(jìn)出口，而另一個(gè)尾帽有兩個(gè)氣/液進(jìn)出口 ，其中的一個(gè)口與空心 多孔管相連接。本發(fā)明提供的中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)膜組件裝置B (圖3 所示)包括組件外殼以及固定在外殼內(nèi)的空心多孔管、中空纖維膜； 空心多孔管固定在組件的中央，空心多孔管的兩端開放，其二分之一 處的內(nèi)部空心通道被封堵成為兩個(gè)部分，空心多孔管上的孔在靠近開 放一端和另一部分的封堵處最小，并逐漸增大；中空纖維膜平行均勻 地排列在空心多孔管周圍，中空纖維膜之間以及空心多孔管與中空纖 維膜之間自長(zhǎng)度的二分之一處也被堵隔成兩個(gè)部分(也可根據(jù)需要堵 隔為多個(gè)部分，與之相應(yīng)的空心多孔管也被封堵為多個(gè)部分)，中空 纖維膜層與外殼的內(nèi)壁之間存在一定間隙；空心多孔管和中空纖維膜 的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼的兩端分別與兩個(gè)尾帽 相連結(jié)，每一個(gè)尾帽上有兩個(gè)氣/液進(jìn)出口，其中一個(gè)口與空心多孔 管相連接。本發(fā)明提供的中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)膜組件裝置C (圖4 所示)包括槽體(外殼)以及在槽內(nèi)排列的中空纖維膜和多孔板，兩 個(gè)相同的多孔板分別設(shè)置在中空纖維膜層的上下兩側(cè)，槽體內(nèi)的中空 纖維膜在相互平行的平面上平行排列，并且相鄰層與層之間中空纖維 膜的空間排列位置相互錯(cuò)開，中空纖維膜和多孔板的兩端分別被固定 密封在槽體的兩端，槽體的兩端分別與兩個(gè)有蒸氣出口的尾帽相連 結(jié)，槽體(外殼)的上下部位分別設(shè)有一個(gè)液體的進(jìn)出口，多孔^反上 設(shè)有多個(gè)孔，在外殼液體入口處附近的孔徑最小，并且隨著與液體入 口距離的增加而逐漸增大，孔徑為0. 05-2厘米，由此而形成一個(gè)垂 直錯(cuò)流中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置。所述的圓筒狀組件外殼(槽體)的內(nèi)徑為1-100厘米、長(zhǎng)度5-200 厘米、外殼厚度不大于10厘米。所述的膜組件內(nèi)多孔非極性中空纖維膜內(nèi)徑為100-1500微米，
中空纖維膜的壁厚為5-50(M數(shù)米，膜的孑LP求率40-80%,孑W圣0. 02—0. 8 微米，有效長(zhǎng)度為5-180厘米；組件內(nèi)中空纖維的填裝密度在 0. 05-0. 75之間。所述的多孔非極性中空纖維膜的材質(zhì)可為聚偏二氟乙烯、聚4-甲基-1-戊烯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、聚三氟氯乙烯、全氟二曱基 間二氧雜環(huán)戊烯-四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等材料中的一種或其中 幾種的混合物、改性材料或復(fù)合材料，也可為具有一定親水性的高分 子材料，但在其成膜后，須經(jīng)過非極性表面處理以獲得膜表面的憎水 性能。所述的膜組件除中空纖維膜之外的其它部分(包括殼體、空心 多孔管、多孔板、尾(側(cè))帽、接口等)可由大多數(shù)高分子材料、無 機(jī)和金屬材料中的一種或幾種的混合物或復(fù)合材料制備而成，比如 聚乙烯、聚丙烯、聚4-曱基-1-戊烯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、有 機(jī)玻璃、尼龍、聚丙烯酸、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚酰 亞胺、不銹鋼等。所述的粘合劑應(yīng)具備耐溫性好、強(qiáng)度高、與中空纖維、空心多孔 管、多孑L板、外殼材料之間良好的粘結(jié)性等特點(diǎn)。一種減壓膜蒸餾分離方法，其特征在于包括如下步驟A物料液預(yù)處理物料液須經(jīng)過恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理以除去其中的固體顆粒、懸浮物、凝 膠等可能對(duì)中空纖維膜造成污染的成分，并加熱至50-<100°C。 B熱物料液的減壓膜蒸餾分離經(jīng)過預(yù)處理和加熱的物料液進(jìn)入膜組件后沿垂直于中空纖維膜 的方向流過中空纖維膜的外側(cè)表面；可揮發(fā)組份在物料液一膜的界面 上蒸發(fā)，蒸氣通過膜孔到達(dá)中空纖維的內(nèi)側(cè)，在真空負(fù)壓下，流入外 置的冷凝器中冷凝成液體。通常情況下，經(jīng)過膜組件后物料液的溫度有所下降，在經(jīng)過補(bǔ)充 熱量提升至較高的溫度后重新進(jìn)入膜組件進(jìn)一步分離可揮發(fā)組份，如 此循環(huán)往復(fù)以達(dá)到最佳分離目的。中空纖維膜內(nèi)側(cè)的真空度可控制在1-755毫米汞柱。中空纖維內(nèi) 側(cè)的真空度越高，所造成膜兩側(cè)的蒸氣壓差越大，相應(yīng)的膜的蒸氣通
量也越大。所述的熱物料液的間隙流速為10-1000厘米/分鐘。所述的間隙流速-液體通過膜組件的流量/單層膜纖維之間可以通過液體的面積、。如上所述中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)膜組件裝置的主要組成部 分是非極性多孔中空纖維膜，中空纖維膜的非極性能夠保持物料液在 膜的一側(cè)、使膜孔不被濕潤(rùn)和具備一定的抗污染性，多孔非極性中空 纖維膜的多孔性為蒸氣由物料液側(cè)到達(dá)膜的另一側(cè)(蒸氣低壓側(cè))提 供了傳質(zhì)通道。該減壓膜蒸餾用中空纖維膜的特點(diǎn)是具有較大的內(nèi) 徑、較小厚度、適宜的孔徑結(jié)構(gòu)和較高的空隙率。這些膜的物理特性 能夠有效地降低蒸氣從高壓側(cè)到低壓側(cè)通過膜的傳質(zhì)阻力，為水蒸氣 通過膜提供大的有效傳質(zhì)面積。膜組件的錯(cuò)流設(shè)計(jì)能夠有效地強(qiáng)化熱 物料液側(cè)過渡層的傳熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)，降低溫度極化效應(yīng)和濃度極 化效應(yīng)。與物料液相對(duì)應(yīng)的膜的另一側(cè)的真空低壓能夠有效阻止通過 膜的熱傳導(dǎo)，提高膜的熱效率。實(shí)踐表明，利用該發(fā)明的減壓膜蒸餾 膜組件裝置能夠得到很高的蒸氣通量。當(dāng)氯化鈉鹽溶液濃度為3%和 溫度為90T時(shí)膜的產(chǎn)水通量可達(dá)85 kg/m2-h (注以下所有膜的蒸 氣通量都使用膜的內(nèi)表面積進(jìn)行計(jì)算)。即使當(dāng)鹽溶液的濃度為15% 時(shí)，該減壓膜蒸餾裝置也能夠提供較高的穩(wěn)定的產(chǎn)水通量。長(zhǎng)期的運(yùn) 行表明，該減壓膜蒸餾裝置具有良好的抗污染性。本發(fā)明的減壓膜蒸餾裝置在分離方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如在海水 脫鹽淡化方面1、產(chǎn)品水質(zhì)量高，可以達(dá)到幾乎100%的脫鹽率；淡水的回收率 高，可達(dá)75%或更高(高于任何現(xiàn)有淡化技術(shù))；產(chǎn)水通量高，可達(dá) 35 kg/m2-h以上；鹽溶液濃度對(duì)產(chǎn)水通量的影響相對(duì)較小，當(dāng)鹽濃 度達(dá)到2G。/。時(shí)產(chǎn)水通量?jī)H下降約20-35%;如果該膜蒸餾脫鹽過程同傳 統(tǒng)的蒸餾過程和反滲透相結(jié)合能夠顯著提高凈水的回收率和整個(gè)系 統(tǒng)的效率，得到高濃度的鹽溶液。因此，利用本發(fā)明技術(shù)及設(shè)備進(jìn)行 海水淡化不但能夠得到高純度淡水，而且同時(shí)可獲得具有很高利用價(jià) 值的高濃縮海水，綜合效益非常顯著。2 、膜材料的非極性減弱了鹽溶液和膜之間的相互作用，與常規(guī) 膜過程反滲透相比具有良好的抗污染性能。3、 環(huán)保型技術(shù)，由于整個(gè)裝置均是由高分子材料制備的，避免 了傳統(tǒng)蒸餾過程因設(shè)備腐蝕所造成的環(huán)境污染。4、 節(jié)能型技術(shù)，減壓膜蒸餾具有耗電量低的特點(diǎn)，且同時(shí)可利 用次級(jí)熱源，比如太陽能、地?zé)帷⒐I(yè)廢熱或傳統(tǒng)脫鹽的余熱。5、 與傳統(tǒng)的蒸發(fā)過程相比，減壓膜蒸餾的蒸發(fā)空間非常小，設(shè) 備體積大為減小。6、 組件式的膜系統(tǒng)具有設(shè)備體積小、重量輕、容易維護(hù)的特點(diǎn)， 產(chǎn)水規(guī)?？筛鶕?jù)需要適時(shí)調(diào)整。7、 一項(xiàng)新技術(shù)平臺(tái)，該減壓膜蒸餾技術(shù)除應(yīng)用于海水淡化及其 資源的綜合利用外，也可用于工業(yè)廢水處理和可利用資源回收，廣泛 應(yīng)用于制藥工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、石油化工、食品工業(yè)和軍事4;t天工業(yè)等。8、 本發(fā)明的中空纖維減壓膜蒸餾裝置制造成本低、工藝簡(jiǎn)單， 適合于大規(guī)模應(yīng)用。


圖l是中空纖維減壓膜蒸餾原理示意圖a、膜孔，b、中空纖維 膜壁，c、減壓蒸氣出口， d、熱物料液，e、憎水膜表面，f、熱物料 液-氣相界面。圖2是錯(cuò)流中空纖維減壓膜蒸餾膜組件示意圖A: 1、中空纖維， 2、組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、減壓蒸氣出口， 6、物料液 出口， 7、物料液進(jìn)口， 8、空心多孔管，9、孔，10、液體流道，11、 物料液相對(duì)于中空纖維的流動(dòng)方向。圖3是錯(cuò)流中空纖維減壓膜蒸餾膜組件示意圖B: 1、中空纖維， 2、組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、減壓蒸氣出口， 6、物料液 出口， 7、物料液進(jìn)口， 8、空心多孔管，9、孔，10、液體流道，11、 物料液相對(duì)于中空纖維的流動(dòng)方向，12、隔板，14、錯(cuò)流室M, 15、 錯(cuò)流室N。圖4是垂直錯(cuò)流中空纖維減壓膜蒸餾膜組件示意圖C: 1、中空 纖維，2、組件外殼，3、密封膠，4、尾帽，5、減壓蒸氣出口， 6、 物料液出口， 7、物料液進(jìn)口， 11、物料液相對(duì)于中空纖維的流動(dòng)方
向，13、多孑L4反，16、多孑L豐反上的孑L。
具體實(shí)施方式
圖l概要描述了中空纖維減壓膜蒸餾的基本工作原理，熱物料液 (d )流過中空纖維膜壁(b )的外側(cè)表面(e)，可揮發(fā)組份在物料液 —?dú)庀嘟缑鎓上蒸發(fā)，蒸氣通過膜孔(a)到達(dá)中空纖維的內(nèi)側(cè)，在真 空負(fù)壓(c)下，蒸氣流入外置的冷凝器中冷凝成液體。即在分離可揮發(fā)組份的同時(shí)，物料液被進(jìn)一步濃縮。如圖2所示，在此錯(cuò)流中空纖維VMD膜組件A中， 一根周圍帶孔 的空心多孔管(8)被固定在柱形膜組件的中央，空心多孔管(8)的 一端開放(7)而另一端被封堵，空心多孔管(8)上的孔(9)在靠 近開放端(7)處最小，且隨著距物料液進(jìn)口 (7)處的距離的增加而逐 漸增大，其目的是有利于獲得均勻的流體分布；中空纖維膜(l)平 行均勻地排列在空心多孔管(8 )周圍，中空纖維膜(1 )層與外殼(2 ) 的內(nèi)壁之間存在一定間隙(10),空心多孔管(8)和中空纖維膜(1) 的兩端被粘合劑(3)固定在組件外殼(2)內(nèi)，組件外殼(2)在接近 空心多孔管(8 )的封堵端設(shè)有一個(gè)液體的進(jìn)出口 ( 6 )，組件外殼(2 ) 的兩端分別與兩個(gè)有氣/液進(jìn)出口的尾帽(4)相連結(jié)，其中一個(gè)尾帽 (4)有一個(gè)氣/液進(jìn)出口 (5 ),而另一個(gè)尾帽(4)有兩個(gè)氣/液進(jìn)出 口 (5, 7)，其中的一個(gè)口 (7)與空心多孔管(8)相連接。被加熱 的物料液從入口 (7)進(jìn)入膜組件，然后從空心管(8 )壁上的小孔(9 ) 流出，形成相對(duì)于中空纖維膜(1 )的錯(cuò)流(11)，穿過中空纖維層的 物料液在靠近組件外殼(2)處的流體通道(10)會(huì)集，沿殼壁經(jīng)出 口 (6)流出組件。外置的真空系統(tǒng)通過接口 (5)同膜組件相連，亦 即將真空施加于中空纖維膜的內(nèi)側(cè)。在中空纖維膜(1)外側(cè)表面液 一氣相界面蒸發(fā)的蒸氣通過膜孔擴(kuò)散至低壓側(cè)(中空纖維內(nèi)側(cè))，然 后經(jīng)出口 ( 5)流出膜組件被外置的冷卻系統(tǒng)冷凝為液體。該形式膜 組件的特點(diǎn)是由于存在相對(duì)于中空纖維膜的錯(cuò)流，能夠有效地克服膜 壁外側(cè)的溫度極化現(xiàn)象和濃度極化現(xiàn)象，而有利于提高膜的蒸氣通 量。圖3所示為另一不同結(jié)構(gòu)形式的錯(cuò)流中空纖維VMD膜組件B。與 圖2所示組件A的不同之處是空心多孔管(8)的兩端都敞開，在其長(zhǎng)度的1/2處^皮封堵為兩個(gè)部分(14, 15 );空心多孔管上的孔(9 ) 在靠近開放一端(7 )和另一部分的封堵處(12 )最小，并逐漸增大； 與之相應(yīng)，中空纖維膜(1)之間以及空心多孔管(8)與中空纖維膜(1 )之間自長(zhǎng)度的二分之一處也被堵隔(12 )成兩個(gè)部分(14， 15 )(也可根據(jù)需要堵隔為多個(gè)部分，與之相應(yīng)的空心多孔管也被封堵為 多個(gè)部分)，中空纖維膜(1)層與外殼(2)的內(nèi)壁之間存在一定間 隙(10);組件外殼(2)的兩端分別與兩個(gè)尾帽(4)相連結(jié)，每一 個(gè)尾帽(4)上有兩個(gè)氣/液進(jìn)出口，其中一個(gè)口與空心多孔管(8) 相連接。組件外殼(2)上則沒有開口。被加熱的物料液從入口 (7) 進(jìn)入膜組件，然后從空心管(8 )壁上的小孔(9 )流出，進(jìn)入錯(cuò)流室 M(14)，形成相對(duì)于中空纖維(1)的錯(cuò)流(11),穿過中空纖維(l) 層的物料液在通過通道(10 )后進(jìn)入錯(cuò)流室N ( 15 )，再以相對(duì)于中 空纖維(1)的錯(cuò)流通過小孔(9)匯集于空心多孔管(8)的內(nèi)腔， 經(jīng)出口 ( 6 )流出組件。外置的真空系統(tǒng)通過"l妻口 ( 5 )同膜組件相連。 在中空纖維膜(1)外側(cè)表面液一氣相界面蒸發(fā)的蒸氣通過膜孔擴(kuò)散 至低壓側(cè)(中空纖維內(nèi)側(cè))，然后經(jīng)出口 ( 5 )流出膜組件被外置的冷 卻系統(tǒng)冷凝為液體。該結(jié)構(gòu)形式適合于大型膜組件的設(shè)計(jì)，多個(gè)錯(cuò)流 室的設(shè)置有利于達(dá)到最佳的VMD效果。圖4是垂直錯(cuò)流中空纖維VMD膜組件裝置C的結(jié)構(gòu)示意圖。為實(shí) 現(xiàn)物料液相對(duì)于中空纖維膜的垂直錯(cuò)流，物料液通過位于組件外殼(2)中心部位的進(jìn)口 (7),經(jīng)過多孔板(13)的均勻分配之后，以 均勻的流速垂直(11)通過中空纖維膜(1)層，在到達(dá)中空纖維膜(1 )層的另一面后則通過另外一個(gè)相同的多孔板(13),最后匯集并 通過出口 (6)流出組件。外置的真空系統(tǒng)通過設(shè)置于組件槽體兩端 的尾帽(4)上的兩個(gè)接口 (5)同膜組件相連。在中空纖維膜(1) 外側(cè)表面液一氣相界面蒸發(fā)的蒸氣通過膜孔擴(kuò)散至低壓側(cè)(中空纖維 內(nèi)側(cè))，然后經(jīng)出口 (5)流出膜組件被外置的冷卻系統(tǒng)冷凝為液體。 在該型膜組件內(nèi)，中空纖維膜(1)在相互平行的平面上平行排列， 并且相鄰層與層之間中空纖維膜的空間排列位置相互錯(cuò)開；兩個(gè)相 同的多孔板(13)上設(shè)有多個(gè)孔(16),在外殼液體入口處附近的孔 徑最小，并且隨著與液體入口距離的增加而逐漸增大；兩個(gè)多孔板(13)平行置于中空纖維膜(1)層的兩側(cè)。該型結(jié)構(gòu)的膜組件能夠 完全實(shí)現(xiàn)物料液相對(duì)于中空纖維的垂直錯(cuò)流，最大限度地克服中空纖 維外側(cè)的溫度極化和濃度極化效應(yīng)。在下述實(shí)施例中，真空度是指膜組件真空接入口 (5)處的真空度；蒸氣通量的計(jì)算是根據(jù)被外置的冷凝裝置把從膜組件內(nèi)抽出的蒸 氣冷凝為液體的重量而計(jì)算的。"非極性中空纖維膜"從天津膜科力科技有限公司購買。 實(shí)施例l中空纖維膜材質(zhì)聚4-曱基-1-戊烯，內(nèi)徑900微米，膜厚IOO 微米，膜的孔隙率58°/。，有效長(zhǎng)度60厘米。膜組件垂直錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)C (如圖4所示)，膜層厚度30厘米。操作條件物料液8%維生素C水溶液，進(jìn)口溫度6(TC,真空度 110毫米汞柱。蒸汽通量28 kg/m2-h。 對(duì)比例1中空纖維膜同實(shí)施例1。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)B (如圖3所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度29厘米。操作條件同實(shí)施例1。 膜的蒸汽通量25 kg/m2-h。 實(shí)施例2中空纖維膜材質(zhì)聚四氟乙烯，內(nèi)徑540微米，膜厚86微米， 膜的孔隙率76%,有效長(zhǎng)度40厘米。膜組件垂直錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)C (如圖4所示)，膜層厚度50厘米。搡作條件物料液8% (NaCl)濃海水，進(jìn)口溫度91°C，真空度 50毫米汞柱。蒸汽通量106 kg/m2-h。 對(duì)比例2中空纖維膜同實(shí)施例2。
膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)A (如圖2所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度47厘米。操作條件同實(shí)施例2。 膜的蒸汽通量93 kg/m2-h。 實(shí)施例3中空纖維膜材質(zhì)聚乙烯，內(nèi)徑1300微米，膜厚320微米，膜 的孔隙率6樣，有效長(zhǎng)度120厘米。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)B (如圖3所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度84厘米。操作條件物料液6y。NiS04水溶液，進(jìn)口溫度80。C,真空度243 毫米汞柱。蒸汽通量32 kg/m2-h。 對(duì)比例3中空纖維膜同實(shí)施例3。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)A (如圖2所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度77厘米。操作條件同實(shí)施例2。 膜的蒸汽通量22 kg/m2-h。 實(shí)施例4中空纖維膜材質(zhì)有機(jī)硅改性聚丙稀氰，內(nèi)徑210微米，膜厚 50微米，膜的孔隙率51%,有效長(zhǎng)度12厘米。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)B (如圖3所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度3厘米。操作條件物料液3%1(恥3水溶液，進(jìn)口溫度7(TC,真空度355 毫米汞柱。蒸汽通量27 kg/m2-h。 實(shí)施例5中空纖維膜材質(zhì)聚偏二氟乙烯，內(nèi)徑605微米，膜厚425微米， 膜的孔隙率75%,有效長(zhǎng)度80厘米。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)B (如圖3所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度21厘米。
操作條件物料液5%稀醋酸溶液，進(jìn)口溫度65。C,真空度550 毫米汞柱。蒸氣通量15 kg/m2-h (醋酸含量78°/0。 實(shí)施例6中空纖維膜材質(zhì)全氟二曱基間二氧雜環(huán)戊烯-四氟乙烯，內(nèi)徑 460微米，膜厚125微米，膜的孔隙率77%，有效長(zhǎng)度28厘米。膜組件錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)A (如圖2所示)，多孔管外側(cè)膜層厚 度25厘米。操作條件物料液混合多元醇水溶液，進(jìn)口溫度85°C,真空度 65毫米汞柱。蒸氣通量77 kg/W-h。 實(shí)施例7中空纖維膜材質(zhì)聚丙烯，內(nèi)徑305微米，膜厚96微米，膜的 孔隙率80%,有效長(zhǎng)度36厘米。膜組件垂直錯(cuò)流膜組件結(jié)構(gòu)C (如圖4所示)，膜層厚度31厘米。操作條件物料液5%檸檬酸鈉水溶液，進(jìn)口溫度79。C，真空度 30毫米汞柱。蒸汽通量105 kg/m2-h。圖5是多孔板示意圖。
權(quán)利要求
1、一種中空纖維減壓膜蒸餾(VMD)膜組件裝置，包括多孔非極性中空纖維膜、液體分流管(板)、組件外殼以及含有流體進(jìn)出口的尾帽；該中空纖維膜組件裝置有三種基本的錯(cuò)流結(jié)構(gòu)形式；在不同形式的膜組件內(nèi)中空纖維膜平行均勻地排列在組件外殼內(nèi)，而液體分流管(板)與中空纖維膜平行地內(nèi)置于組件外殼內(nèi)部，中空纖維膜以及液體分流管(板)的兩端被固定密封在組件外殼內(nèi)，但中空纖維膜的兩端完全開放，組件外殼的兩端分別與含有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)。
2、 按照權(quán)利要求1的中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置，其特征在于所述的 膜組件外殼內(nèi)的中空纖維膜是多孔和非極性的，中空纖維膜的內(nèi)徑為 100-1500微米，中空纖維膜的壁厚為5-500微米，膜的孔隙率40-80°/。，孑L 徑0.02-0.8微米；膜組件內(nèi)中空纖維膜的有效長(zhǎng)度為5-180厘米，膜層總 厚度為1-100厘米，中空纖維的填裝密度在O. 05-0. 75之間。
3、 按照權(quán)利要求1的中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置，所述的圓筒狀組件 外殼的內(nèi)徑以及矩形槽體外殼的寬和高為1-IOO厘米、長(zhǎng)度為5-200厘米、 外殼厚度不大于10厘米。
4、 按照權(quán)利要求1的中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置，其錯(cuò)流膜組件的結(jié) 構(gòu)可表述為一根空心多孔管固定在組件的中央，空心多孔管的一端開放而 另一端被封堵，空心多孔管上的孔在靠近開放端處最小，且隨著與開放端 距離的增加而逐漸增大，中空纖維膜平行均勻地排列在空心多孔管周圍， 且中空纖維膜層與外殼內(nèi)壁之間存在一定間隙，空心多孔管和中空纖維膜 的兩端被粘合劑固定在組件外殼內(nèi)，組件外殼在接近空心多孔管的封堵端 設(shè)有一個(gè)液體的出口 ，組件外殼的兩端分別與兩個(gè)有氣/液進(jìn)出口的尾帽相 連結(jié)，其中一個(gè)尾帽有一個(gè)蒸氣出口，置于外殼有液體出口的一端，而另 一個(gè)尾帽有兩個(gè)氣/液進(jìn)出口 ，其中的一個(gè)口為液體進(jìn)口與空心多孔管相連 接，而另一個(gè)口設(shè)為蒸氣出口，由此而構(gòu)成了一個(gè)完整的錯(cuò)流中空纖維減 壓膜蒸餾膜組件裝置。
5、 在權(quán)利要求4所述錯(cuò)流膜組件的基礎(chǔ)上，空心多孔管的兩端開放，其二 分之一處的內(nèi)部空心通道被封堵成為兩個(gè)部分，空心多孔管上的孔在靠近 開放一端和另一部分的封堵處最小，并逐漸增大；中空纖維膜平行均勻地 排列在空心多孔管周圍，中空纖維膜之間以及空心多孔管與中空纖維膜之間自長(zhǎng)度的二分之一處也被堵隔成兩個(gè)部分(也可根據(jù)需要堵隔為多個(gè)部分，與之相應(yīng)的空心多孔管也被封堵為多個(gè)部分)，組件外殼的兩端分別與兩個(gè)尾帽相連結(jié)，每一個(gè)尾帽上有兩個(gè)氣/液進(jìn)出口，其中一個(gè)口為液體進(jìn) 出口與空心多孔管相連接，而另一個(gè)口為蒸氣出口，由此而構(gòu)成了另一個(gè)完整的錯(cuò)流中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置。
6、 按照權(quán)利要求1的中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置，其錯(cuò)流膜組件的結(jié) 構(gòu)也可表述為兩個(gè)相同的多孔板分別平行設(shè)置在中空纖維膜層的上下兩 側(cè)，槽體(外殼)內(nèi)的中空纖維膜在相互平行的平面上平行排列，并且相 鄰層與層之間中空纖維膜的空間排列位置相互錯(cuò)開，中空纖維膜和多孔板 的兩端分別被固定在槽體的兩端，槽體的兩端分別與兩個(gè)含有一個(gè)蒸氣出 口的尾帽相連結(jié)，槽體的上下部位分別設(shè)有一個(gè)液體的進(jìn)出口，多孔板上 設(shè)有多個(gè)孔，在距外殼液體入口最近處的孔徑最小，并且隨著與液體入口 距離的增加而逐漸增大，孔徑為O. 05-2厘米，由此而形成一個(gè)垂直錯(cuò)流中 空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置。
7、 一種減壓膜蒸餾分離方法，其特征在于包括如下步驟A物料液預(yù)處理物料液須經(jīng)過恰當(dāng)?shù)念A(yù)處理以除去其中的固體顆粒、懸浮物、凝膠等 可能對(duì)中空纖維膜造成污染的成分，并加熱至50-<100°C。 B熱物料液的減壓膜蒸餾分離經(jīng)過預(yù)處理和加熱的物料液進(jìn)入膜組件后沿垂直于中空纖維膜的方向 流過中空纖維膜的外側(cè)表面，而真空施加于中空纖維膜的內(nèi)側(cè)；可揮發(fā)組 份在物料液一膜的界面上蒸發(fā)，蒸氣通過膜孔到達(dá)中空纖維的內(nèi)側(cè)，在真 空負(fù)壓下，流入外置的冷凝器中冷凝成液體。經(jīng)過膜組件后的物料液在經(jīng)過補(bǔ)充熱量提升至確定的溫度后重新進(jìn)入 膜組件進(jìn)一步分離可揮發(fā)組份，如此循環(huán)往復(fù)以達(dá)到最佳分離目的。
8、 按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的真空度為1-755毫米汞柱。
9、 按照權(quán)利要求7的方法，其特征在于所述的熱物料液的間隙流速為 10-1000厘米/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中空纖維減壓膜蒸餾膜組件裝置及方法，包括多孔非極性中空纖維膜、液體分流管(板)、組件外殼以及含有流體進(jìn)出口的尾帽；在不同結(jié)構(gòu)形式的膜組件內(nèi)中空纖維膜平行均勻地排列在組件外殼內(nèi)，而液體分流管(板)與中空纖維膜平行地內(nèi)置于組件外殼內(nèi)部，組件外殼的兩端分別與含有流體進(jìn)出口的尾帽相連結(jié)。本發(fā)明的減壓膜蒸餾裝置蒸氣通量高、脫鹽率高、淡水回收率高、應(yīng)用范圍廣。
文檔編號(hào)B01D61/36GK101147845SQ20061001571
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者侯愛平, 董為毅 申請(qǐng)人:天津海之凰科技有限公司