通过膜蒸馏净化液体的方法技术

本发明专利技术的方法包括以下步骤：使一温热的液体蒸汽流（渗余流）（３）通过一多孔膜（４），蒸汽（９）流经膜（４）的孔，将上述蒸汽（９）在冷的冷凝器表面（２）冷凝从而形成馏出流（１０），上述冷凝器表面（２）将进液流（１）和上述馏出流（１０）隔开，并且进液流（１）与渗余流（３）的流向相反，在多孔膜（４）与冷凝器表面（２）之间存在有厚度小于５毫米的空气间隙。为了提高每单位驱动力的馏出速率，空气间隙（５）中保持有一压力，该压力小于大气压但高于进液流的蒸汽压，多孔膜（４）的孔隙率高于０．７，冷凝器表面的表面积为多孔膜（４）表面积的１．２到６倍，渗余流（３）与馏出流的显热之间的有效局部蒸汽压差通过热交换释放给进液流（１）和／或渗余流（３）。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种通过膜蒸馏特别用于从海水、咸水或工业用水生产脱盐水的对液体进行净化的方法，其包括—使一较温热的液体蒸汽流(渗余流)通过一多孔膜，蒸汽经过膜的孔隙流到该膜的另一边，然后—将上述蒸汽在一较冷的冷凝器表面冷凝从而形成馏出流，上述冷凝器表面在要被净化的进液流和上述馏出流间形成了无孔分隔，并且进液流与渗余流(retenate stream)的流向相反以使相当比例的潜热通过蒸汽转移到进液流，在多孔膜与冷凝器表面之间存在有厚度小于5毫米的空气间隙。膜蒸馏不同于已知的蒸馏工艺，例如多级闪蒸、多效蒸馏和蒸汽压缩，在于其使用了非选择性的多孔膜。该膜将温热的渗余蒸汽流和冷凝产物—馏出流隔开。通过适当选取材料(通常为聚丙烯、聚乙烯或聚四氟乙烯)，孔隙(直径在0.00001和0.005mm之间，通常在0.0001和0.0005mm之间)不被液体润湿；只存在着蒸汽通过膜。膜蒸馏首次提出是在1967年公开的美国专利3 334 186。该专利技术的目的是为了通过使用充满空气的多孔疏水性膜来改善海水脱盐的效率。该专利技术所涉及的方法为所谓的直接接触型膜蒸馏温热的海水流和冷的馏出流与膜直接接触。对膜蒸馏的广泛兴趣产生于二十世纪八十年代中期，当时产生了新一代的含有大量孔隙的疏水性膜。然而，研究表明膜蒸馏与其相竞争的其他工艺一样昂贵，因此当时没有商业应用。四种类型的膜蒸馏具有如下的区别1.直接接触型膜蒸馏(DCMD)，其温热的蒸汽流和冷的冷凝流(馏出流)与膜直接接触。2.空气间隙膜蒸馏(AGMD)，其冷凝器表面与膜通过空气间隙隔开。3.吹扫气体膜蒸馏，其通过惰性气体将馏出液以蒸汽形式移出。4.真空膜蒸馏，其通过真空将馏出物以蒸汽形式移出。该方法只涉及将易挥发组分从含水液流中移出而所关心的不是产生液体馏出物。目前为止，人们对接触型膜蒸馏关注最多。美国专利4 545 862介绍了一螺旋型组件(具有平板膜)。其用于海水脱盐的测试。在这些测试中，馏出流与和渗余蒸汽流反向流动的海水进入流隔开，于是海水流有效地吸收了冷凝热。在该专利的一实施例中，在温热的渗余流与海水之间的温差ΔT为4℃，能量消耗为产生每千克馏出物仅消耗212千焦的情况下，获得了较高的流动速率，为每平方米每小时5.3升。除了使用平板膜外，还已知将中空的纤维膜用于接触型膜蒸馏的优点。由于膜纤维紧密排列，能够获得每立方米为500平方米的表面积，从而能够降低设备成本。此外，有人建议将接触型膜蒸馏组件与热交换器偶合从而回收冷凝热。已发现，对于海水脱盐，在ΔT为14-16℃和每千克水比能量消耗大于1,000千焦的情况下，获得的馏出速率为大约每平方米每小时8.5升。自1984年以来，在DCMD的工艺方面无明显的进展。英国专利申请GB 1 225 254 A(Henderyckx)于1971年首次介绍了空气间隙膜蒸馏。除了使用空气间隙外，该专利已建议使用流向相反的进入流和渗余流(从而回收潜热)。此外，在1982年德国专利申请3 123 409中也介绍了AGMD。该专利申请涉及使用充满空气或选择性使用一种更轻的气体如氢气，的间隙(厚度为3mm)，该间隙位于扁平多孔膜和冷的冷凝器表面之间。其目的在于减少由于通过膜的传导而引起的显热(perceptible heat)的输送。通过实验得出如下结论通过传导进行的热量的输送与通过蒸发进行的热量的输送几乎等同。此外，其建议进入的海水与蒸汽流反向流动以回收热量。其还公开使用太阳能的热量作为热源。其介绍了一理论上的情况，即在ΔT为5℃，回收率为4.9％和产生每千克水大于850千焦的能量消耗情况下，获得的馏出速率为每平方米每小时3.36千克。欧洲专利申请0 164 326介绍了膜蒸馏中使用空气间隙，其各种结构通过同心管道的形式构成。该方法的变例(其中使用了平板膜的膜束)，在一篇名为一种新的膜蒸馏脱盐法的记载测试和设计的文章中(脱盐过程56(1985)，pp 345-354)予以介绍。令人惊奇的是，由于无法对蒸发热进行热回收，因此放弃了海水与渗余流流向相反的原则。能量消耗数据也没有提及。国际专利申请WO 8607585 A(1986)基于同样的模型数据，但进一步推断出要获得高流速和低的显热损失(300-800千焦/每千克水)所需的空气间隙厚度为0.2至1.0mm。该模型中没有记载热和冷表面和内部的温度降低，原因在于其描述的是一个过于乐观的画面。美国专利4 879 041介绍了专门用于半导体工业超纯水制备的空气间隙膜蒸馏。其研究了在使用平板膜时，空气间隙的厚度在3到10mm范围内对传质和传热影响。从这些研究中得到的结论是厚度小于5mm时，传递是由扩散决定的，厚度大于5mm时，传递是由对流决定的。测得的特性适中在蒸汽压差约为20千帕的情况下，最大馏出流速为3.6千克每平方米每小时。在这里，冷凝热也没有被回收，因此几年后重新回到传统的没有膜的多级蒸发也不会使人们感到惊奇。在二十世纪九十年代，人们对膜蒸馏的关注减少了，对其关注也通常局限于接触型膜蒸馏和对吹扫气体膜蒸馏和用于从含水液流中去除和提取易挥发组分的真空膜蒸馏的研究。基于上述文献，对于低能量消耗的膜蒸馏系统需要一无空气间隙的体系。基于现有技术，如果采用空气间隙或使用热量回收，获得小于850千焦每千克的能量消耗是不可能的。这与高温差(ΔT通常大于40℃)和由其引起的高驱动力(蒸汽压差通常远远大于15千帕)有关。直接接触型膜蒸馏系统设计更简单，建设容易，并且比空气间隙膜蒸馏系统便宜，而且从以前的技术中可以看到其能量消耗低。因此，从先前的技术看，选择空气间隙膜蒸馏用于低成本由海水或微咸水生产蒸馏水效果不明显。本专利技术的目的是在空气间隙膜蒸馏的效能(每单位驱动力的馏出速率)上有所突破，从而显著地降低膜蒸馏系统的成本和能量消耗。本专利技术的目的主要在于，通过至少为5的因子提高其效能达到大于1千克水/每平方米膜表面积/每小时/每千帕压力差，同时显热的损失小于240千焦/每千克水，或小于潜热的10％。为了达到该目的，前序部分中提及的方法的特征在于，在气体间隙中保持有一压力，该压力低于大气压且高于进液流的蒸汽压；多孔膜的孔隙率ε大于0.7，孔隙率被理解为开孔体积与多孔膜的总体积的比率；冷凝器表面的表面积为多孔膜表面积的1.2到6倍，优选2到3倍；渗余流与冷凝流之间的有效局部蒸汽压差小于10Kpa(0.1巴)，优选小于5Kpa(0.05巴)；馏出流的显热通过热交换释放给进液流和/或渗余流，优选渗余流。渗余流的显热损失小于300千焦/每千克冷凝物(小于12％的潜热)，比流速为大于0.5千克(优选大于1.0千克)冷凝物/每平方米膜/每小时/每千帕水蒸气压差。膜的孔隙率ε，冷凝器表面积和膜表面积的比率S，以千帕为单位的渗余流与进液流的局部蒸汽压差D，以厘米为单位的气体间隙的厚度L以及气体间隙中的绝对压力与渗余流的局部水蒸气压的比率P满足如下关系 已知的AGMD和/或DCMD法在上述关系中的结果为小于0.5(通常小于0.1)，并且无法获得所需要的特性。当采用本专利技术的方法时，有利的是可以使用一些彼此相连接的组件，每个组件由一些多孔的平行连接的渗余流通道组成，这些通道被空气间隙和来自于进液流通道的无孔膜隔开，进液流通道与渗余流通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过膜蒸馏净化液体、特别用于由海水、微咸水或工艺用水生产脱盐水的方法，其包括： －使一较温热的液体蒸汽流（渗余流）通过一多孔膜，蒸汽经过膜的孔隙流到该膜的另一边，然后 －将上述蒸汽在一较冷的冷凝器表面冷凝从而形成馏出流，上述冷凝器表面在要被净化的进液流和上述馏出流之间形成了无孔分隔，并且进液流与渗余流的流向相反以使相当比例的潜热通过蒸汽转移到进液流，在多孔膜与冷凝器表面间存在着一个厚度小于５毫米的空气间隙， 其特征在于，在气体间隙保持有一压力，该压力低于大气压且高于进液流的蒸汽压； 多孔膜的孔隙率ε大于０．７，孔隙率被理解为开孔体积与多孔膜的总体积的比率； 冷凝器表面的表面积为多孔膜表面积的１．２到６倍，优选２到３倍； 渗余流与冷凝流之间的有效局部蒸汽压差小于１０Ｋｐａ（０．１巴），优选小于５Ｋｐａ（０．０５巴）；且 馏出流的显热通过热交换释放给进液流和／或渗余流，优选渗余流。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：扬亨德里克哈内麦耶尔，扬威廉范赫芬，
申请(专利权)人：荷兰应用科学研究会NTO，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]