[发明专利]具有低雷诺数的用于膜蒸馏的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于液体处理工艺的蒸馏系统。具体地，本发明涉及包含用于在液体处理工艺中从给料溶液分离馏出流体的中空纤维膜的蒸馏系统。

背景技术

近年来，膜蒸馏已经在各种流体处理应用中变得越来越普及。隔膜通常是疏水性的和多微孔的以在操作期间保持给料溶液被从馏出溶液分离。已经在研制程序中使用了中空纤维和扁平薄片这两种隔膜。对于直接接触膜蒸馏，在管/壳构造中通常采用中空纤维膜，这里，沿着蒸馏模块的纵轴布置若干束中空纤维膜。在束中的每一个中空纤维隔膜通常均是具有外表面和内部中空管状区域的疏水性的、多微孔的隔膜。中空纤维膜的外表面面向模块的外壳侧，该外壳侧是该模块的包含给料溶液的那个部分。该内部中空管状区域限定该模块的管子侧，该管子侧提供用于收集从给料溶液分离出的馏出流体的导管。

在膜蒸馏期间，给料溶液通常被预加热以跨越中空纤维膜上形成温差。这个温差在模块中的纤维膜的外壳侧与管子侧之间形成蒸汽压力差，该蒸汽压力差引起一部分给料溶液在靠近给料溶液侧上的孔隙进口处蒸发并且蒸汽通过中空纤维膜传输。所传输的蒸汽然后靠近馏出物侧上的隔膜的孔隙进口在气体/液体界面处凝结，由此提供所需的馏出物。因为在分离过程中包括液体蒸发，所以大量的热能被从给料溶液转移到馏出物。大量的能量还被用于在隔膜两侧上循环给料溶液和馏出物的泵所消耗掉。减小泵送压力和补偿热能的能力显著地影响着膜蒸馏过程的总体效率。因此，目前正存在以下需要，即在蒸馏过程期间的低的泵送压力要求以及热能恢复。

大多数膜蒸馏系统在隔膜的给料溶液侧上以高的雷诺数操作。虽然在给料溶液侧上高的雷诺数可以通过使得温度和浓差极化(concentration polarization)最小化而在改进质量传递方面提供优点，但是具有高雷诺数的蒸馏系统提供了几个缺点。首先，高雷诺数增加了导热损失。在蒸馏期间跨越隔膜上的过度热传递并不理想。第二，高雷诺数通常要求高的泵送压力，这要求相当数量的能量。即使小的泵送压力增加也可以引起泵功耗的显著增加。在很多膜蒸馏系统中，给料溶液循环流量经常是馏出物生产流量的十到二十倍。在高压下泵送大量的给料溶液要求大量的能量。因此，目前还正存在以下需要，即蒸馏系统具有在蒸馏过程期间减少导热损失和能量消耗的能力。

发明内容

本发明的实施例包括一种蒸馏系统，该蒸馏系统具有通向大气的第一和第二蓄液器(开放式蓄液器)、用于将给料溶液循环到蓄液器的给料回路、以及馏出物回路。该馏出物回路包括第一馏出物入口歧管和第一馏出物出口歧管以及在第一歧管之间延伸的多个中空纤维膜。该中空纤维膜延伸通过第一蓄液器的一个部分并且被配置为允许蒸汽传输。该馏出物回路还包括第二馏出物入口歧管和第二馏出物出口歧管以及在第二歧管之间延伸的多个中空管。该中空管延伸通过该第二蓄液器的一个部分并且被配置为防止蒸汽传输但是允许热能传输。

本发明的一个示例性实施例包括一种蒸馏系统，该蒸馏系统具有通向大气的第一蓄液器、第一馏出物入口歧管、第一馏出物出口歧管和多个中空纤维膜。该中空纤维膜从第一入口歧管到第一出口歧管并且通过该第一蓄液器的至少一个部分延伸。该中空纤维膜被配置为允许蒸汽传输。该蒸馏系统还具有通向大气的第二蓄液器、第二馏出物入口歧管、第二馏出物出口歧管和多个中空管。该中空管从第二入口歧管到第二出口歧管并且通过该第二蓄液器的至少一个部分延伸。该中空管被配置为防止蒸汽传输但是允许热能传输。

本发明又一个示例性实施例包括一种用于在通向大气的蓄液器中从给料溶液分离馏出物的方法。该方法包括将给料溶液引入给料回路中。该给料溶液被加热并且然后被循环通过通向大气并且包含被配置为允许馏出物传输的多个中空纤维膜的第一蓄液器。该给料溶液然后被循环通过通向大气并且包含被配置为防止馏出物传输但是允许热能传输的多个中空管的第二蓄液器。在存在于第一蓄液器中的中空纤维膜中收集的馏出物被循环到存在于第二蓄液器中的中空管。热能被从中空管中的馏出物传递到第二蓄液器中的给料溶液。在馏出物离开中空管之后，它被冷却并且被循环到中空纤维膜。

附图说明

图1是通向大气的蒸馏系统的概略示意图；

图2A是开放式蓄液器和馏出物回路的馏出物收集部分的概略示意图；

图2B是具有挡板的开放式蓄液器和馏出物回路的馏出物收集部分的概略示意图；

图2C是开放式蓄液器和馏出物回路的热量传递部分的概略示意图；

图3A是被配置为允许蒸汽传输的中空纤维隔膜的一个实施例的展开截面视图；