CN102125806A - 一种将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的方法，将疏水平膜及一些辅助材料，按蒸汽流动方向，以粗网，膜片和细网的三层结构形式排列，一起卷绕在打有小孔的中心管上制作螺旋式膜组件，其中细网与膜片直接接触的区域采用了规则排列的条状孔隙结构；卷制的同时各部分按真空操作过程的要求进行密封粘结；并根据组件的结构特点制作出膜壳，将组件置入膜壳并进行封装得到可有效应用于真空膜蒸馏的装置，从而使疏水平膜能以更合理的方式应用于真空膜蒸馏。

Description

一种将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的方法

一、技术领域

本发明属于螺旋式膜组件应用的技术领域，特别涉及将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的技术方法。

二、背景技术

真空膜蒸馏(VMD)是在膜蒸馏的基础上，在蒸汽透过侧制造低压环境，从而在疏水膜两侧实现蒸汽压差，驱动蒸汽透过膜并直接将蒸汽抽出组件外冷凝的操作方式。当前，真空膜蒸馏以其通量更大，热效率更高的优点逐渐得到众多研究人员的青睐。

由于要在蒸汽透过侧保持低压环境，所以真空膜蒸馏对组件密封性的要求比传统膜蒸馏要高，常见的膜组件主要有管式，中空纤维式和平板式，其中管式膜组件主要应用于超滤和反渗透，在真空膜蒸馏中应用研究较少，中空纤维式和平板式在真空膜蒸馏中的研究更为广泛。

当前最受关注的莫过于中空纤维式膜组件，近年来，关于中空纤维膜的理论和应用研究均有大量的文献发表，研究采用的膜原材料多为聚偏氟乙烯(PVDF)，中空纤维膜的优势在于无需支撑体，组件制备相对简单，且装填密度大，但它的劣势在于一些重要的疏水性材料不适于纺丝，如聚四氟乙烯(PTFE)，在一定程度上限制了膜蒸馏技术的发展。

平板式膜组件在膜生物反应器(MBR)中的应用研究非常成熟，在膜蒸馏乃至真空膜蒸馏中的应用亦有一些研究人员进行尝试，但均不太成功，一是组件的制作上膜面积损失比较大，单位膜面积的组件占地空间大，二是组件装配上也比中空纤维膜组件更为复杂，而真空膜蒸馏的操作方式更是为组件的制作和装配增加了难度。

通过分析，可以看到中空纤维式膜组件和平板式膜组件对于真空膜蒸馏来说都不是最理想的组件，理想的真空膜蒸馏组件应至少包括两方面的特点：一是适于绝大多数有机疏水膜材料，从而可以从中选择在通量和强度等方面综合性能更好的膜材料，膜的形式应该是平膜；二是组件的制作和装配应相对简单。考虑这两点要求，开发出一种新型的真空膜蒸馏组件，这是本发明的出发点。

主要参考文献：

(1)吴庸烈。膜蒸馏技术及其应用进展。膜科学与技术，2003，23(4)：67。

(2)高振，徐世昌，马友光等。真空膜蒸馏技术应用研究现状及进展。海湖盐与化工，2003，32(6)：21～24。

(3)郝高峰，丁忠伟，刘丽英等。中空纤维膜组件结构对其膜蒸馏性能的影响。北京化工大学学报(自然科学版)，2009，36(5)：9～12。

三、发明内容

本发明提出将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏，组件采用的原材料包括：有机疏水平膜，粗网，无纺布，细网，UVPC中心导流管，粘结剂，膜壳及相应UVPC管件。现对照附图详细说明如下。

附图说明：附图1是螺旋式膜组件的内部三层结构图；附图2螺旋式膜组件的外观结构图；附图3是将螺旋式膜组件置于膜壳后装置的剖面形状图。其中，附图1和附图3中的箭头代表流体的流动方向，粗实线箭头代表进料液的流动方向，细实线箭头代表蒸汽的流动方向。

附图1呈现的是本发明中螺旋式膜组件的内部三层结构示意图，图中，1是粗网，2是筛绢，3是膜片，4是细网，箭头表示的是蒸汽的运行方向，按蒸汽的运行方向，从上到下共分为三层结构，其中粗网和筛绢共同组成第一层结构，作为料液流动的格网，称其为料液侧，粗网的孔径和厚度都比较大，其网面的菱形结构可强化对料液的扰动作用，筛绢衬于粗网和膜片之间，作为保护层；膜片作为第二层结构，是整个结构中的核心材料，也是料液侧和真空侧的分界面；细网为第三层结构，称其为真空侧，一方面作为蒸汽向中心管运行的螺旋型流道，流道内部为高真空环境，另一方面也作为膜组件的外层包裹材料。

附图2呈现的是螺旋式膜组件的外观结构以及三层结构在组件内部的具体组织形式，图中，1是中心导流管，2是膜片，3是粗网，4是细网，5是条状孔隙，在细网表面与膜片直接接触的区域采用了规则排列的条状孔隙结构，具体排列形式见卷轴表面，最外侧的孔隙距细网边缘要保持一定距离，作为粘结剂的粘结空间，孔隙的纵向长度要比膜片的纵向长度略短，孔隙的宽度为3mm，两条孔隙间的距离为5mm，条状孔隙的存在可以拓宽真空侧的流道空间。组件的卷制方法为，将膜片对折中间包夹粗网，然后置于细网上，一起卷绕到打好孔的中心管上。需要注意的是，膜片纵向的两侧边缘与细网要密封粘结，以形成细网流道与外界的隔绝环境，从而可以确保真空条件下的密封性，同时也防止进料液从侧面进入细网流道，对过膜蒸汽造成污染。卷至最后，上层膜片的横向边缘要与卷轴上的细网粘结，上下两层膜片的横向边缘也要相互粘结，以此彻底实现细网侧蒸汽的螺旋流道与粗网侧料液流道的完全隔绝。

附图3为将膜组件装配进膜壳后的装置剖面形状图，图中，1是料液进口，2是料液出口，3是蒸汽出口，4是中心导流管，中心管上打有微孔，以使中心管内部与细网流道相通，共同形成真空环境。粗线箭头表示料液的流动方向，穿过中心管微孔的细线箭头表示过膜蒸汽的流动方向。在组件内部，粗网围绕中心导流管形成环状的多层流道，细网围绕中心导流管形成螺旋型的流道。工作方式及原理如下：一定温度的原料液由组件下端的料液进口1进入膜壳，然后进入由粗格网形成的流道，粗网与膜表面接触界面处的挥发性组分蒸发，在膜两侧蒸汽压差的作用下，蒸汽透过疏水膜微孔进入细网侧，在负压的作用下，蒸汽由细网的螺旋型流道穿过微孔进入中心管4，再由蒸汽出口3被抽出组件外，而原料液经过粗网流道进入装置上端，由料液出口2排出。

本发明中的螺旋式膜组件应用于真空环境，膜片在负压作用下会与细网紧密接触，故对膜材料的强度要求更高，或在膜片与细网之间再加一层衬，减轻细网对膜面的损伤，延长膜片乃至整个膜组件的使用寿命；另外真空操作对于组件的密封要求更高。

四、实施方式

在淡水缺乏但地热苦咸水丰富的地区，可以采用螺旋式膜组件真空膜蒸馏的方法来制备饮用水。

基本条件和假设：

(1)深层地下水温度为85℃，电导率为6000μs/cm，浅层地下水温度为25℃，电导率为450μs/cm。

(2)螺旋式膜组件的参数：组件外径100mm，组件有效长度400mm，中心管内径20mm，有效膜面积1.2m²，最高耐受温度70℃。

(3)在前处理充分且连续运行的情况下，膜组件的清洗周期为3个月。

(4)进料液要进行一定程度的预处理。

运行模式：

根据组件的耐受温度，设定组件工作温度为65℃，其它操作条件：真空度为-0.095MPa，进料流量6m³/h。

热料液和冷料液先进行混合调节，将温度调至65℃，此时电导率为4000μs/cm；然后进行沉砂，絮凝沉淀，以及过滤预处理，去除料液中的杂质，延长组件使用寿命及清洗周期。

组件的安装与运行：根据附图3中组件形状的特点，料液进口1与恒温设备的出口相连，料液出口2与恒温设备的进口相连，形成料液的循环流动，同时，要有连续性的补水设施连接恒温设备，蒸汽出口3与冷却设备相连，冷却设备再连接真空设备，通过控制阀调节真空度既可利用该组件进行真空膜蒸馏的操作。

由于在运行过程中，循环料液会不断减少，且温度也会有小幅下降，故采用连续性的补水设施连接恒温设备，以保证进料液的流量和温度分别恒定在6m³/h和65℃。随着装置的运行，进料液不断被浓缩，组件的通量也会显著下降，当通量下降到初始通量的50％，用新鲜溶液更换恒温设备中的浓溶液。利用连续收集设备收集冷却后的产水，得到的产水电导率可达到2μs/cm以内。

Claims (3)

1.一种将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的方法，其特征在于：将疏水平膜及辅助材料以粗网，膜片和细网的三层结构形式排列，一起卷绕在打有小孔的中心管上制作螺旋式膜组件，并将其应用于真空膜蒸馏。

2.一种将螺旋式膜组件应用于真空膜蒸馏的方法，其特征在于：将螺旋式膜组件置入膜壳中，进料液由装置下端料液进口流入，由装置上端侧方的出口流出，蒸汽经由细网的螺旋流道进入中心导流管，完成螺旋式膜组件的真空膜蒸馏操作。

3.如权利要求1所说的一种应用于真空膜蒸馏的螺旋式膜组件，其特征在于：细网表面与膜片直接接触的区域采用了规则排列的条状孔隙结构。

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