具有低雷诺数的用于膜蒸馏的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及具有低雷诺数的用于膜蒸馏的系统和方法。一种蒸馏系统和方法包括开放式蓄液器和通过各个开放式蓄液器的某些部分延伸的多个中空纤维膜和中空管。该中空纤维膜被配置为允许蒸汽传输，并且该中空管被配置为基本上防止蒸汽传输但是允许热能传输。给料溶液被循环通过该开放式蓄液器。馏出物被中空纤维膜从给料溶液分离并且通过中空管补偿热能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于液体处理工艺的蒸馏系统。具体地，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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。 本专利技术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； 图3B是被配置为防止蒸汽传输但是允许热传输的中空管的一个实施例的展开截 面视图； 图3C是被配置为防止蒸汽传输但是允许热传输的中空管的备选实施例的展开截 面视图。具体实施例方式在膜蒸馏过程中，传统观点在于通过在隔膜的表面上增加流动紊流而使得温度和 浓差极化最小化。例如，形式为中空纤维或者扁平薄片(螺旋形缠绕)的隔膜被包装到作 为接触器的外壳中(封闭系统)，这允许液体在大于一个大气压下流动。因为蒸馏过程 是以热方式驱动的，即，利用在给料溶液侧与馏出物侧之间的温差而控制总体质量传递，所 以在一些情形中能够容忍一定的温度和/或浓差极化。根据本专利技术，有可能利用处于非常 低的雷诺数的给料溶液的温度和流动而在通向大气(即基本上环境压力)的系统中跨越隔 膜上以可行的速率促进蒸馏。这里，开放式指的是蓄液器通向大气。开放式蓄液器可以 被覆盖以防止环境污染物进入该蓄液器，但是被覆盖的蓄液器仍然处于环境大气压力下。 雷诺数可以被描述为惯性力与粘性力的比率，并且因此它对于给定流动条件将这 两种类型的作用力的相对重要性进行量化。雷诺数还被用于识别并且预测不同的流态例如 层流或者湍流。层流在低雷诺数下发生，其中粘性力是主要的，并且特征在于平滑、恒定的流体运动，而在另一方面，湍流在高雷诺数下发生并且由惯性力主导，惯性力趋向于产生随 机涡旋、漩涡以及其它流量波动。通 常， 如 下 地 给 定 雷 诺 数 n 戶工t、1/Ine:rtial forcesife = ~~:77T = 1- ^ -= TT^- -其中(Inertial forces :惯性/i'tu/丄乂 /i/乂 Viscous torces力；Viscous forces :粘性力)vs是平均流体速率，单位为ms—^是特征长度，单位为my是 (绝对)动力流体粘度，单位为Nsm—2或者Pa s v是运动流体粘度，被定义成v = y / p ， 单位为m2s—1 P是流体密度，单位为kgm—3 能够以非常低的雷诺数操作的膜蒸馏系统提供了优于其它膜蒸馏系统的某些优 点。首先，在给料溶液侧上的低雷诺数降低了导热损失。在蒸馏期间跨越隔膜上的任何传 导热传递都不是理想的。第二，低雷诺数要求仅以低的泵送压力泵送给料溶液。因为给料 溶液的高压传送并不需要，所以给料溶液的泵送要求比在其它蒸馏系统中更少的功率。因 为在这里描述的开放式蒸馏系统并不依靠高压来驱动蒸馏，所以降低了被用于泵送给料溶 液的功率大小。 图1是开放式蒸馏系统10的一个实施例的概略示意图，开放式蒸馏系统10包括 第一开放式蓄液器12、第二开放式蓄液器14、给料回路16和馏出物回路18。如在下面所讨 论的那样，给料回路16向第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从给料溶液分离馏出物的蒸馏系统，所述系统包括：通向大气的第一和第二蓄液器；被配置为将给料溶液循环到所述第一和第二蓄液器的给料回路；被配置为循环馏出物的馏出物回路，包括：第一馏出物入口歧管；第一馏出物出口歧管；从所述第一馏出物入口歧管到所述第一馏出物出口歧管并且通过所述第一蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空纤维膜，其中所述中空纤维膜被配置为允许通过其传输蒸汽；第二馏出物入口歧管；第二馏出物出口歧管；从所述第二馏出物入口歧管到所述第二馏出物出口歧管并且通过所述第二蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空管，其中所述中空管被配置为基本上防止通过其传输蒸汽，并且进一步被配置为允许通过其传输热能。

【技术特征摘要】
US 2008-7-29 12/220877一种用于从给料溶液分离馏出物的蒸馏系统，所述系统包括通向大气的第一和第二蓄液器；被配置为将给料溶液循环到所述第一和第二蓄液器的给料回路；被配置为循环馏出物的馏出物回路，包括第一馏出物入口歧管；第一馏出物出口歧管；从所述第一馏出物入口歧管到所述第一馏出物出口歧管并且通过所述第一蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空纤维膜，其中所述中空纤维膜被配置为允许通过其传输蒸汽；第二馏出物入口歧管；第二馏出物出口歧管；从所述第二馏出物入口歧管到所述第二馏出物出口歧管并且通过所述第二蓄液器的至少一个部分延伸的多个中空管，其中所述中空管被配置为基本上防止通过其传输蒸汽，并且进一步被配置为允许通过其传输热能。2. 根据权利要求l的系统，其中所述第一馏出物出口歧管与所述第二馏出物入口歧管 流体连通并且所述第二馏出物出口歧管与所述第一馏出物入口歧管流体连通。3. 根据权利要求1的系统，其中所述中空纤维膜和所述中空管包括多微孔的膜壁，并 且其中所述中空管进一步包括置于所述多微孔的膜壁上的聚合涂层。4. 根据权利要求3的系统，其中所述多微孔的膜壁由选自以下组的至少一种聚合材料 形成，所述的组包括聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、乙 烯_三氟氯乙烯共聚物及其组合。5. 根据权利要求1的系统，其中所述中空纤维膜具有范围从大约0. 1微米到大约0. 6 微米的平均微孔尺寸。6. 根据权利要求1的系统，其中所述给料回路包括被配置为将给料溶液加热至范围从 大约5(TC到小于大约IO(TC的温度的热交换器。7. 根据权利要求6的系统，其中所述给料回路包括被配置为将给料溶液加热至范围从 大约7(TC到大约9(TC的温度的热交换器。8. 根据权利要求1的系统，其中所述馏出物回路包括被配置为将馏出物冷却至范围从 大约5t:到大约75t:的温度的热交换器。9. 根据权利要求8的系统，其中所述馏出物回路包括被配置为将馏出物冷却至范围从 大约2(TC到大约55t:的温度的热交换器。10. 根据权利要求l的系统，其中所述第一蓄液器包含至少一个挡板。11. 根据权利要求l的系统，其中所述第一蓄液器和第二蓄液器被覆盖。12. 根据权利要求l的系统，其中所述中空管由非多孔材料形成。13. ...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z马，X廖，JR艾里什，
申请(专利权)人：米尔顿罗伊公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]