一种直接冷却渗透液的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用制造技术

本发明专利技术属于膜蒸馏技术领域，具体涉及一种直接冷却渗透液的平板式膜组件及系统；该平板式膜组件主要包括：疏水微孔膜、热侧容腔、冷侧容腔、半导体热泵组件、外置加热单元；在疏水微孔膜两侧分别设有热侧容腔和冷侧容腔，在两侧容腔的两端分别设有进料通道和出料通道；半导体热泵组件的吸热面贴附于冷侧容腔，半导体热泵的散热面紧贴于外置加热单元；半导体热泵组件的吸热面到疏水微孔膜的距离为1

【技术实现步骤摘要】
一种直接冷却渗透液的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用


[0001]本专利技术属于膜蒸馏
，具体涉及一种直接冷却渗透液的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用，通过本专利技术可获得一种紧凑、高效的平板膜蒸馏单元，降低膜蒸馏方法在海水淡化、污水处理和食品浓缩等蒸发浓缩过程的能耗和成本。

技术介绍

[0002]膜蒸馏(membrane distillation,MD)是以微孔疏水膜两侧蒸汽压差驱动蒸汽渗透的新型膜分离技术，广泛应用于海水淡化、污水处理和食品浓缩等领域。区别于传统热法蒸发浓缩方法(如多效蒸发、多级闪蒸等)和其他膜分离技术(如反渗透、纳滤、电渗析等)，膜蒸馏具有截留率高、操作条件温和、易于规模化等优点。
[0003]根据渗透侧的捕集方式，膜蒸馏一般可分为直接接触式(direct contact membrane distillation,DCMD)、气隙式(air gap membrane distillation,AGMD)、气体吹扫式(sweeping gas membrane distillation,SGMD)和真空式(vacuum membrane distillation,VMD)。相对于其他MD方法，DCMD因过程配置最为简单而成为广泛研究的MD过程。
[0004]典型的DCMD系统既需要加热料液又需要冷却渗透液，故系统运行同时需要热源和冷阱驱动。加热所需的热源一般可利用过程工业中的余热资源(如低温水蒸气、热水等)，料液通过外置的热交换设备加热后进入膜组件的热侧；而渗透液经冷阱降温后进入膜组件的冷侧。由于料液在膜组件的热侧蒸发以及散热损失，膜组件的热侧温度将沿料液流动方向降低，而冷侧温度将沿渗透液温度流动方向升高，由此造成了膜面平均温差(膜分离的有效推动力)小于膜组件冷热两侧的进口温差(即过程系统提高的推动力)。由此，DCMD膜组件的分离效能较低；同时，在膜组件冷热两侧都存在极化作用(即边界层现象)，使热侧膜表面流体温度低于主流，而膜冷侧表面流体温度高于主流，这种不可避免的极化作用进一步降低了DCMD分离效能。
[0005]当前为提高DCMD分离效能主要采取逆流操作、提高膜组件两侧流体流率和强化流道中流体扰动等方法提高膜面平均温差和缓解极化作用。然而这些方法是以增加流体输送的动力消耗为代价而提升膜分离效能，因此难以显著提升DCMD系统的综合能效。此外，在过程工业中常用的冷阱一般通过制冷循环实现，其中包括压缩、节流和热交换等过程，过程复杂且设备成本较高。
[0006]因此为降低DCMD系统过程能耗，近年来出现了采用热泵的MD集成系统。热泵是将热能从低温物系向加热对象输送的装置，通过同时实现制冷与加热的高效能量转换，可显著提升MD系统的综合能效。中国专利技术专利申请CN108622983b公开了一种采用热泵的膜蒸馏装置及方法，将传统的热泵循环集成于DCMD膜组件，利用热泵原理同时实现渗透液的制冷和料液的加热。此外，利用热泵的膜蒸馏方法还包括：集成热泵的两效膜蒸馏系统(CN105709601A)、集成太阳能预热和热泵冷却的DCMD系统(CN105749752A)及通过优化中空纤维膜提高热泵膜蒸馏系统热效率的方法(CN106582292A)等。
[0007]相对于采用蒸汽作为工质的传统压缩式热泵(包括压缩机、节流阀等设备)，采用热电制冷技术的半导体制冷片具有体积小、成本低、易于实现系统小型化的优点，在加热与制冷的能量转换方面具有更高的简便性。半导体热泵利用Peltier效应，通过电流作用使热量从低温的吸热面向高温的放热面移动。中国专利技术专利CN113716785A公开了一种采用热电制冷技术实现VMD的膜组件，但在该技术中半导体制冷片的散热面需适配大面积的金属散热翅片，由此增加了设备材料成本，并且难以进一步缩小膜组件尺寸；同时该专利技术需要额外的加热装置提供系统运行所需热量，这也增加了方案实施成本。
[0008]综上，为促进膜蒸馏技术在海水淡化、污水处理和食品浓缩等领域的应用，当今急需解决以下问题：(1)降低类似热泵膜蒸馏系统这类高效热、冷源利用方法的系统配置复杂性和成本；(2)优化膜组件设计以缓解极化作用、强化热质传递过程以及提高膜组件中的能量利用率。

技术实现思路
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[0009]本专利技术目的在于提供一种提升膜蒸馏分离效能并同时降低采用DCMD方法成本的直接冷却渗透液的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用，实现海水淡化、污水处理和食品浓缩等蒸发浓缩过程能耗和成本的显著降低。
[0010]本专利技术采用半导体制冷片代替传统热泵循环系统，降低冷、热源利用方法的系统配置复杂性和成本；并通过将半导体制冷片的吸热面集成在膜组件的渗透侧，相对于已有的利用半导体制冷片通过金属间壁从渗透侧气隙吸热的技术方案，本专利技术采用直接冷却渗透液的方式，利用液体导热系数显著高于气体的特性提高了传热效能，有效增大了膜两侧的平均温差，显著提升膜分离效能。
[0011]本专利技术目的是通过下述技术方案实现：
[0012]一种直接冷却渗透液的平板式膜组件，主要包括膜分离单元、半导体热泵组件、外置加热单元；
[0013]所述膜分离单元包括疏水微孔膜、热侧容腔、冷侧容腔；在疏水微孔膜两侧分别设有热侧容腔和冷侧容腔；所述半导体热泵组件的吸热面贴附于膜分离单元的冷侧容腔，半导体热泵组件的散热面紧贴于外置加热单元；
[0014]优选地，在热侧容腔的两端分别设有至少一个料液进口通道和料液出口通道，任一料液进口通道与任一料液出口通道的轴线不共线。
[0015]优选地，在冷侧容腔的两端分别设置至少一个渗透液进口通道和渗透液出口通道，任一渗透液进口通道与任一渗透液出口通道的轴线不共线。
[0016]半导体热泵的吸热面到疏水微孔膜的距离为1
‑
5mm。
[0017]优选地，所述半导体热泵组件包括安装框架和半导体制冷片，更优选地，半导体制冷片选用型号为TEC2
‑
19006，尺寸为40
ⅹ
40
ⅹ
6.3mm，装嵌于耐热环氧树脂安装框架。
[0018]优选地，所述疏水微孔膜采用聚偏氟乙烯平面膜，平均孔径为0.22um，平均膜厚度为0.012mm。
[0019]优选地，外置加热单元由高导热材料制成，尺寸为40
ⅹ
40
ⅹ
7mm，在一端同时设有进口通道和出口通道，内部构造为M型流道。更优选地，所述的高导热材料选用铝材、铜材、铝合金或铜合金。
[0020]一种直接接触式膜蒸馏系统，包括料液储槽、料液循环泵、直接冷却渗透液的平板式膜组件、渗透液储槽、渗透液循环泵；
[0021]所述料液储槽通过管道与料液循环泵连接，料液循环泵通过管道与直接冷却渗透液的平板式膜组件的外置加热单元的进口通道连接，外置加热单元的出口通道通过管道分别与直接冷却渗透液的平板式膜组件热侧容腔的料液进口通道连接，直接冷却渗透液的平板式膜组件热侧容腔的料液出口通道通过管道与料液储槽相连接；渗透液储槽通过管道与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种直接冷却渗透液的平板式膜组件，其特征在于：主要由包括膜分离单元、半导体热泵组件、外置加热单元；所述膜分离单元包括疏水微孔膜、热侧容腔、冷侧容腔；所述疏水微孔膜两侧分别设有热侧容腔和冷侧容腔；所述半导体热泵组件的吸热面贴附于膜分离单元的冷侧容腔，半导体热泵组件的散热面紧贴于外置加热单元。2.根据权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于：在热侧容腔的两端分别设有至少一个料液进口通道和料液出口通道，任一料液进口通道与任一料液出口通道的轴线不共线；在冷侧容腔的两端分别设置至少一个渗透液进口通道和渗透液出口通道，任一渗透液进口通道与任一渗透液出口通道的轴线不共线。3.根据权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于：半导体热泵的吸热面到疏水微孔膜的距离为1
‑
5mm；所述半导体热泵组件包括安装框架和半导体制冷片。4.根据权利要求1所述的平板式膜组件，其特征在于：所述的微孔疏水膜选用PVDF微孔疏水膜，平均孔径为0.22um，平均膜厚度为0.012mm；半导体制冷片选用型号为TEC2
‑
19006，...

【专利技术属性】
技术研发人员：关国强，张易凡，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：