提高膜通量的方法及其膜组件技术

本发明专利技术提供一种提高膜通量的方法及其膜组件。该方法包括：在膜组件的热工质容腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。通过本发明专利技术实施例，在膜组件的热工质容腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流，从而可降低膜两侧的温度和浓度极化现象，提高膜通量；并且该膜组件结构简单、操作和拆装容易、易清洗并耐腐蚀。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及 膜蒸馏
，特别涉及一种提高膜通量的方法及其膜组件。
技术介绍
我国中西部的内蒙、甘肃、宁夏等地区太阳能资源十分丰富。但是这些地区水 资源比较缺乏，饮用的地表水多为高矿高氟苦咸水，而且偏远地区常规能源比较缺乏， 因此，可以充分利用太阳能资源采用膜蒸馏技术净化苦咸水，特别是对于一些交通、电 力都不发达的偏远地区具有良好的社会效益和经济效益。膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，其所用的膜为不被待处理的溶液润湿的疏水微孔膜。现以空气隙式膜蒸馏(Air Gap Membrane Distillation, AGMD)为例说明其工作原理。如图1所示，膜的一侧(热侧)与高温原料水溶液(或称原料液，热侧溶液，热工 质)相接触，膜的另一侧(即冷侧)与低温冷壁相邻。传递组分在膜的热侧蒸发汽化， 借助热侧与冷侧之间相当于温度差的蒸气压差，促使热侧产生的蒸气通过膜的微孔，再 经空气隙扩散到达冷侧的冷壁表面被冷凝下来，而液相水和溶质由于多孔膜的疏水作用 (即表面张力)无法透过膜被截留在热侧，从而达到了液相水溶液与气相水分离的目的。由上述可知，膜蒸馏是热量和质量同时传递的过程，传质的推动力为膜两侧透 过组分的蒸汽压差。因此，实现膜蒸馏必须有两个条件1)膜蒸馏所用的膜必须是疏水 微孔膜；2)膜两侧要有一定的温度差存在，以提供传质所需的推动力。另外，膜蒸馏的重要指标是追求尽可能高的蒸馏通量，也称膜通量(膜通量⑴ 是指单位时间内通过单位膜面积的物质量，单位是千克/平方米·小时(kg/m2 · h)或 千摩尔/平方米·小时(kmol/m2 · h))，在膜蒸馏过程中操作温差、冷热端流量、温度 与浓度极化(边界层)等许多因素都会影响蒸馏通量。当操作条件一定时，温度与浓度 极化(边界层)是造成膜通量降低的两个非常重要因素。其中，1)热量传递与温度极化现象膜蒸馏依靠相变实现分离，蒸发潜热伴随水蒸汽的流动进行输送，该输送过程 的主要阻力集中于汽液界面的蒸发与冷凝。温度极化现象(温度边界层)是指膜蒸馏 过程中，溶液在膜面的热侧要发生汽化就必须吸收大量的汽化热，结果使近膜面处的温 度低于溶液主体的温度，在膜面处产生温度极化边界层。由于温度极化边界层的存在， 使得膜两侧的饱和蒸汽压差减小，从而影响膜通量。2)质量传递与浓度极化现象空气隙膜蒸馏传质过程包括水分子从料液传递到膜面热侧，在膜面热侧汽化成 水蒸气，然后通过膜孔扩散到膜的冷侧，通过空气隙到达冷壁遇冷凝结成水。浓度极化现象(浓度边界层)是指膜蒸馏过程中，溶液在膜面的热侧发生汽化 使膜面处的溶液浓度会逐渐升高，结果膜面处的溶液浓度比溶液主体浓度高，从而形成 了浓度极化边界层。浓度极化边界层的存在使得从膜面到溶液主体产生溶质的扩散流，增加了从溶液主体到膜面的传质阻力，使膜通量降低。目前可采用搅拌、加置挡板、超声激励等技术来减少边界层对膜通量的影响。Paz Godino 等在 Journal of Membrane Science 121 (1996) 83-93， Membrene distillation theory and experiments”中，在膜组件中加入了机械搅拌装置，使物料混合均勻，破坏温度浓度极化现象，使蒸馏溶液的浓度与温度保持均勻，达到提高膜通量的 效果。但专利技术人在实现本专利技术的过程中发现这种采用加设搅拌装置的缺陷在于增加膜 组件的尺寸，给膜蒸馏装置的结构设计带来一定的难度，使装置结构复杂，不易拆装清 洗，且需要消耗能源，增加生产成本。此外，现有的膜蒸馏装置使操作过程中热溶液的入流方向与膜面垂直，成90度 的角度(称法向入流)，采用该方法入流的热溶液虽对膜面处产生扰动，但幅度不大； 在一定程度上可削弱膜两侧的温度和浓度极化现象，但膜通量提高有限，影响了分离效率。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种提高膜通量的方法及其膜组件，通过采用入流调整结 构，使得从热工质容腔的进口流入的热 工质的入流方向调整为沿着膜面的切向方向并在 膜附近产生涡流，从而降低膜两侧的温度和浓度极化现象，提高膜通量；并且该膜组件 结构简单、操作和拆装容易、易清洗并耐腐蚀。本专利技术实施例提供一种提高膜通量的方法，该方法包括在膜组件的热工质容 腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。本专利技术实施例还提供一种膜组件，该膜组件包括设有冷壁的冷工质容腔、设有 膜的热工质容腔，该膜的渗透侧与该冷壁之间具有间隙，该冷工质容腔设有进出口、热 工质容腔设有进出口；其中，该热工质容腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的 切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。本专利技术实施例的有益效果在于，通过采用入流调整结构，使得从热工质容腔的 进口流入的热工质的入流方向调整为沿着膜面的切向方向并在膜附近产生涡流，从而降 低膜两侧的温度和浓度极化现象，提高膜通量；并且该膜组件结构简单、操作和拆装容 易、易清洗并耐腐蚀，适合化工、食品、医药、电子等工业领域的水处理、产品分离、 生成高纯水等，尤其适合淡水缺乏地区，如西部地区的淡水生产。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部 分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中图1空气隙膜组件工作原理示意图；图2是本专利技术实施例2的空气隙膜组件的结构示意图；图3A是本专利技术实施例的热工质容腔的主视图；图3B是本专利技术实施例的热工质容腔的右视图；图3C是沿着图3A所示的A-A的剖视图之一；图3D是沿着图3A所示的A-A的剖视图之二 ；图4A是本专利技术实施例中热工质容腔内的分水盘的结构示意图；图4B是本专利技术实施例中沿着图4A所示的B_B的槽的剖面示意图；图5是采用图3A的分水盘使得热工质容腔的进口流入的热工质沿着膜面的切向 方向旋转入流的示意图；图6A是本专利技术实施例中热工质容腔内的连接构件的结构示意图；图6B是本专利技术实施例中沿着图6A所示的C-C的剖面示意图；图7A是本专利技术实施例的冷工质容腔的主视图；图7B是本专利技术实施例的冷工质容腔的左视图；图7C是沿着图7A所示的D-D的剖视图；图8是图7A至7C所示的冷工质容腔上冷壁的放大图；图9是本专利技术实施例的多层平板空气隙膜组件的结构示意图之一；图10是本专利技术实施例的多层平板空气隙膜组件的结构示意图之二 ；图11是图10中在两个热工质容腔之间的冷工质容腔的结构剖示图；图12是图10中在两个冷工质容腔之间的热工质容腔的结构剖示图；图13是本专利技术实施例的多层平板空气隙膜组件的结构示意图之三。具体实施例方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图，对 本专利技术实施例作进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本发 明，但并不作为对本专利技术的限定。实施例1本专利技术实施例提供一种提高膜通量的方法，该方法包括在膜组件的热工质容 腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。 目前，在通常的膜组件中，热工质是通过热工质容腔进口直接流入热工质容腔 (热容腔)，即，热工质在热容腔中通常是整体沿垂直于膜面方向流动(法向入流)到达 膜面，此时产生浓度极化和温度极化现象较严重，传质和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高膜通量的方法，其特征在于，所述方法包括：在膜组件的热工质容腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。

【技术特征摘要】
1.一种提高膜通量的方法，其特征在于，所述方法包括在膜组件的热工质容腔内 设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向方向旋转入流并在膜附近产生涡流。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入流调整结构为与所述膜平行设置 的分水盘，所述分水盘与膜之间形成一定的空间；所述分水盘周边沿径向设置至少一个 与所述分水盘水平面成一定角度的槽，通过所述分水盘使得从所述热工质容腔的进口流 入的热工质从所述槽进入所述分水盘与膜之间形成的空间，以使所述热工质沿着膜面的 切向方向旋转入流，并在所述膜附近产生涡流。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述槽与所述分水盘水平面的角度为 30度、或者45度、或者60度、或者90度。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述槽的数量为4个、6个、8个、10 个或12个，且均勻分布。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜组件采用平板式膜组件。6.—种膜组件，所述膜组件包括设有冷壁的冷工质容腔、设有膜的热工质容腔，所 述膜的渗透侧与所述冷壁之间具有间隙，所述冷工质容腔设有进出口、热工质容腔设有 进出口；其特征在于，所述热工质容腔内设置入流调整结构，使热工质沿着膜面的切向 方向旋转入流并在膜附近产生涡流。7.根据权利要求6所述的膜组件，其特征在于，所述入流调整结构为与所述膜平行设 置的分水盘，所述分水盘与膜之间形成一定的空间；...

【专利技术属性】
技术研发人员：田瑞，杨晓宏，贾立庄，董银元，王亚辉，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：15[中国|内蒙]