回收可凝结的挥发性物质的多级膜蒸馏装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多级膜蒸馏装置，其包括复数个膜蒸馏单元，每一个膜蒸馏单元包括至少一个膜，每一个膜在其一面形成进料室，在其另一面形成气体室，设置来让在所述进料室中流动的进料的一部分蒸发后以气相形式通过所述膜到达所述气体室，并在所述气体室中凝结成含有可凝结的挥发性物质的馏分，而所述进料中未蒸发的部分作为浓缩液从所述进料室流出。所述多级膜蒸馏装置还包括流体连接装置，可让第i个膜蒸馏单元中的馏分作为进料流进第i+1个单元中，以产生进一步的馏分，该进一步的馏分中所述可凝结的挥发性物质含量更高。每一个膜蒸馏单元中的浓缩液不进入其它膜蒸馏单元的进料室。本发明专利技术还涉及用所述装置回收可凝结的挥发性物质的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用来回收可凝结的挥发性物质的装置和方法，更具体地，涉及一种用来从流体中回收可凝结的挥发性物质的多级膜蒸馏装置和方法。
技术介绍
随着石油和天然气等化石燃料的逐渐耗尽，生物能源作为一种分布广泛且可再生能源得到了广泛的关注。乙醇是一种重要的能源，它可以通过从生物原料中获取糖进行发酵来大规模生产。将乙醇从发酵液中分离出来的最常用的方法是蒸馏。但是蒸馏是一个能源消耗量很大的过程，它消耗的能量可能要比其回收的乙醇中所能获得的能量还要多。因此，目前很多研究都在发展可替代的、能量消耗低的回收乙醇的技术。比如，有研究用萃取法和萃取-蒸馏组合法来将乙醇从乙醇和水的混合物中分离出来。萃取涉及溶剂的使用，可能有溶剂回收的问题，因此会增加成本和复杂性。因此，需要一种能量消耗相对较低的新方法和装置，用来回收可凝结的挥发性物质。
技术实现思路
一种多级膜蒸馏装置包括复数个膜蒸馏单元，每一个膜蒸馏单元包括至少一个膜，所述至少一个膜中的每一个膜在其一面形成进料室，在其另一面形成气体室，设置来让在所述进料室中流动的进料的一部分蒸发后以气相形式通过所述膜到达所述气体室，并在所述气体室中凝结成含有可凝结的挥发性物质的馏分，而所述进料中未蒸发的部分作为浓缩液从所述进料室流出。所述多级膜蒸馏装置还包括流体连接装置，可让第i个膜蒸馏单元中的馏分作为进料流进第i+1个单元中，以产生进一步的馏分，该进一步的馏分中所述可凝结的挥发性物质含量更高。每一个膜蒸馏单元中的浓缩液不进入其它膜蒸馏单元的进料室。一种方法包括将进料通到复数个膜蒸馏单元中的第一个膜蒸馏单元，其中，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元包括至少一个膜，所述至少一个膜中的每一个膜在其一面形成进料室，在其另一面形成气体室，设置来让在所述进料室中流动的进料的一部分蒸发后以气相形式通过所述膜到达所述气体室，并在所述气体室中凝结成含有可凝结的挥发性物质的馏分，而所述进料中未蒸发的部分作为浓缩液从所述进料室流出。所述方法还包括让第i个膜蒸馏单元中的馏分作为进料流进第i+1个膜蒸馏单元中，以产生进一步的馏分，该进一步的馏分中所述可凝结的挥发性物质含量更高。所述方法还包括从所述复数个膜蒸馏单元的最后一个膜蒸馏单元中收集最终馏分。其中，每一个膜蒸馏单元中的浓缩液不进入其它膜蒸馏单元的进料室。附图说明通过结合附图对于本专利技术的实施例进行描述，可以更好地理解本专利技术，在附图中：图1是本专利技术的一个实施例的一种包括复数个串联的膜蒸馏单元的多级膜蒸馏装置的示意图。图2显示了本专利技术的一个实施例的一种用于图1所示的多级膜蒸馏装置的馏分回流设计。图3显示了图1所示的多级膜蒸馏装置的具体结构。图4显示了本专利技术的一个实施例的一种包括交替的进料室和气体室的膜蒸馏单元，在该膜蒸馏单元中，进料连续流过多个进料室，有馏分从气体室回流到进料室中。图5显示了一个从发酵液中分离乙醇的实例中的乙醇浓度曲线和给料量曲线，用来评估多级膜蒸馏的性能。具体实施方式以下将对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利技术专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本专利技术中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。本专利技术的实施例涉及从流体原料中回收可凝结的挥发性物质的装置和方法。所述装置和方法包括使用配置有馏分流设计的新式多级膜蒸馏。该多级膜蒸馏中的复数个膜蒸馏单元之间是沿着馏分的流向进行流体连通的。使用所述新式多级膜蒸馏结构可以实现以相对较低的能量消耗从工业液体或混合物中高效回收可凝结的挥发性物质。所述液体或混合物可能是包括可凝结的挥发性物质的发酵液、有机混合物溶液、废水或者生物质溶液。可用所述装置和方法回收的可凝结的挥发性物质包括但不限于乙醇、生物乙醇、甲醇、丙醇、异丙醇、丁醇、乙醛、1,1-二乙氧基乙烷、苯乙醇、氨或氯化氢或者类似的从生物之中获得的材料。为描述方便，所述待回收的可凝结的挥发性物质下文可用“目标物质”代替。这里提到的“膜蒸馏”是一个分离过程，在该过程中，可通过由温度的不同引起的压强不同来进行驱动，使得气体分子可以通过膜，而液体分子被膜阻挡住。每一个膜蒸馏单元都包括一个膜，可让气相从膜一侧的进料室进入到膜的另一侧的气体室，而液相以浓缩液的形式留在进料室中。在一些实施例中，膜蒸馏单元可进一步包括冷凝器，用于将所述气体室中的气相凝结成液相馏分。该冷凝器可包括一个相对较冷的表面，当气相流经该相对较冷的表面时，会凝结成液态馏分。可用的膜蒸馏配置包括但不限于真空膜蒸馏(vacuummembranedistillation，VMD)、空隙膜蒸馏(airgapmembranedistillation，AGMD)、直接接触膜蒸馏(directcontactmembranedistillation，DCMD)和气扫式膜蒸馏(sweepinggasmembranedistillation，SGMD)。膜蒸馏单元之间可串联连接。除了最后一级的膜蒸馏单元之外，每一个膜蒸馏单元的馏分都流向下一级膜蒸馏单元中进行进一步蒸馏，以提高馏分中的目标物质的浓度。具体而言，膜蒸馏单元的气体室中获得的馏分会作为进料流向下一级膜蒸馏单元的进料室中。所述多级膜蒸馏单元沿馏分流动方向而非进料流动方向整合。从膜蒸馏单元的进料室流出的浓缩液被不进入另一个膜蒸馏单元的进料室。下文将结合附图对本专利技术的实施例的一些多级膜蒸馏的非限制性实例进行说明。图1-3显示了一个多级膜蒸馏装置100，其包括多个串联的膜蒸馏(MD)单元。下文将以一个从发酵液中分离生物乙醇的例子来解释说明该装置100的工作过程。如图1所示，多级膜蒸馏装置100包括复数个膜蒸馏单元101，即，第1级、第2级、第3级、…、第i级、第i+1级、…、第n级膜蒸馏单元。这些膜蒸馏单元在馏分的流动方向是流体连通的。其中，n是比2大的整数，i是比1大比n小的整数。将含有8wt％乙醇的发酵液(原料)输入第1级膜蒸馏单元中。在该第1级膜蒸馏单元中，从所述发酵液中获得大约含16wt％乙醇的第1级馏分，剩余的发酵液被作为第1级浓缩液输出。所述第1级馏分作为进料被输入到第2级膜蒸馏单元中。在该第2级膜蒸馏单元中，从所述第1级馏分中获得大约含40wt％乙醇的第2级馏分，剩余部分被作为第2级浓缩液输出。接着第2级膜蒸馏单元中得到的第2级馏分进一步被输入到第3级膜蒸馏单元中，以此类推，直到最后一级膜蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多级膜蒸馏装置，其包括：复数个膜蒸馏单元，每一个膜蒸馏单元包括至少一个膜，所述至少一个膜中的每一个膜在其一面形成进料室，在其另一面形成气体室，设置来让在所述进料室中流动的进料的一部分蒸发后以气相形式通过所述膜到达所述气体室，并在所述气体室中凝结成含有可凝结的挥发性物质的馏分，而所述进料中未蒸发的部分作为浓缩液从所述进料室流出；以及流体连接装置，可让第i个膜蒸馏单元中的馏分作为进料流进第i+1个单元中，以产生进一步的馏分，该进一步的馏分中所述可凝结的挥发性物质含量更高，其中,每一个膜蒸馏单元中的浓缩液不进入其它膜蒸馏单元的进料室。

【技术特征摘要】
1.一种多级膜蒸馏装置，其包括：复数个膜蒸馏单元，每一个膜蒸馏单元包括至少一个膜，所述至少一个膜中的每一个膜在其一面形成进料室，在其另一面形成气体室，设置来让在所述进料室中流动的进料的一部分蒸发后以气相形式通过所述膜到达所述气体室，并在所述气体室中凝结成含有可凝结的挥发性物质的馏分，而所述进料中未蒸发的部分作为浓缩液从所述进料室流出；以及流体连接装置，可让第i个膜蒸馏单元中的馏分作为进料流进第i+1个单元中，以产生进一步的馏分，该进一步的馏分中所述可凝结的挥发性物质含量更高，其中,每一个膜蒸馏单元中的浓缩液不进入其它膜蒸馏单元的进料室。2.如权利要求1所述的装置，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元进一步包括用于将所述气相凝结成馏分的冷凝器。3.如权利要求1所述的装置，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元包括复数个平行排列的膜，提供交替排列的进料室和气体室，其中所述进料平行流过多个所述进料室。4.如权利要求3所述的装置，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元进一步包括复数个冷凝器，每一个冷凝器包括一个冷却面和一个与所述冷却面相对的负表面，所述膜和所述冷凝器交替排列，其中，所述气体室形成于所述膜和所述冷凝器的冷却面之间，所述进料室形成于所述膜和所述冷凝器的负表面之间。5.如权利要求1所述装置，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元包括复数个平行排布的膜，提供交替排列的进料室和气体室，其中，所述
\t进料连续地流经多个所述进料室。6.如权利要求5所述装置，在所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元中，至少一个气体室中的馏分回流到至少一个进料室中。7.如权利要求5所述装置，所述复数个膜蒸馏单元中的每一个膜蒸馏单元进一步包括复数个冷凝器，每个冷凝器都有一个冷却面和一个与所述冷却面相对的负表面，所述膜和所述冷凝器交替排列，其中，所述气体室形成于所述膜和所述冷凝器的冷却面之间，所述进料室形成于所述膜和所述冷凝器的负表面之间。8.一种方法，包括将进料通到复数个膜蒸馏单元中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻献国，雷晖，安德鲁·夏皮罗，杨海，熊日华，马库斯·汉克，詹斯·鲁特恩，伯纳多·西内利，安娜·米兰达·科斯塔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US