[实用新型]一种具有热回收功能的膜组件

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种具有热回收功能的膜组件，属于膜分离装置领域。制成的热回收膜组件可以用在膜蒸馏、渗透汽化、蒸发渗透等有相变的或有高温透过液的膜过程中，回收相变热或高温透过液的热量，属于热回收技术领域。

背景技术

有相变的膜过程，如膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)过程中，膜两侧分别是冷、热两种流体，在热侧的低沸点物质汽化扩散通过膜孔的同时，热量也以汽化热的形式从热侧通过膜传递到冷侧，还有部分热量则由于冷热侧存在温差而以热传导的方式传递到冷侧，汽化热和跨膜导热两方面的原因导致膜蒸馏过程的热利用率低，造水比小于1。在膜组件外部增加换热器以回收汽化潜热是最通用的做法，如：【LEE H Y,HE F,SONG L M,et al. Desalination with a cascade of cross-flow hollow fiber membrane distillation devices integrated with a heat exchanger[J].AICHE Journal,2011,54(7):1780-1795】，并采用多效操作的模式，如：【吕双江,高启君,武春瑞等.减压分级式多效膜蒸馏过程的研究,天津工业大学学报, 2013,32(2):1-6】。但设置外部换热器增加了设备投资，使得系统复杂化，造水比提高得也不是很多。

开发具有热回收功能的膜组件，在膜组件内部实现潜热回收能使系统简化，造水比也更高。如1971年Henderyckx申请了气隙式平板膜组件用于潜热回收的专利【US Patent 3563860】，在板框式的膜组件中，冷凝板、空气隙和疏水多孔膜构成“三明治”的形式，海水在流过冷凝板上侧时被透过空气隙的蒸汽预热，预热的海水经进一步加热，返回组件进入膜侧从而实现料液的蒸馏浓缩。1985年Gore等实用新型了气隙式卷式组件回收潜热，造水比高达11.0【美国专利US 4545862】。与平板和卷式膜组件相比，中空纤维膜组件由于膜的装填密度大而受到人们的重视。1999年，Guijt等给出了具有潜热回收功能的气隙式中空纤维膜组件的原理图(图1)，膜组件内装填了两种膜丝，即透气的中空纤维多孔疏水膜和具有冷凝作用的致密、不透气液的中空纤维膜，两种膜丝平行排列并被空气隙隔开【GUIJT C M, RACZ I G,HEUVENJW V,et al.[J].Desalination,1999,126:119-125】。2004年，Hanemaaijer 等对由多个错流的气隙式中空纤维膜组件串联起来的潜热回收系统进行了研究并申请了专利【美国专利US 6716355B1】，两种中空纤维之间的夹角在10°-170°之间变动。2005年，Guijt 等又对具有潜热内部回收的AGMD膜组件进行了研究，此次采用的是圆柱形的膜组件，一根疏水中空纤维膜被置于环形不能透过溶液和蒸气的管纤维中间，两种纤维的圆心重合，从而使膜组件具有固定厚度的空气隙，在实验过程发现其热量回收率能达到理想状态下的 95％-98％【GUIJT C M,MEINDERSMA G W,Reith T,et al.Air gap membrane distillation 2. Model validation and hollow fiber module performance analysis[J].Separation and Purification Technology,2005,43(3):245-255】。2006年，Meindersmaa等实用新型了具有热回收的多效平板膜组件，称为系统，其造水比在9-20之间【MEINDERSMAA G W,GUIJT C M, DE HAAN A B.Desalination and water recycling by air gap membrane distillation[J].Desalination, 2006,187(1-3):291-301】。2013年，秦英杰等利用自制的具有高效内部热量回收功能的多效膜蒸馏组件，对不同浓度的氯化钠水溶液进行浓缩研究，实验结果表明其造水比为最大可达12.5【YAO K,QIN Y,YUAN Y.A continuous-effect membrane distillation process based on hollow fiber AGMD module with internal latent-heat recovery[J].AICHE Journal,2013,59: 1278-1297】。同年，Geng等设计了一种用于浓缩高浓度盐水的膜蒸馏器，主要由中空纤维膜和中空纤维管相间排列平行组成，相邻的中空纤维膜与中空管之间设置有隔网，有效的提高了膜蒸馏过程中的热效率，可达90％以上【CN 203155102U】，2014年，在用此实用新型进行实验时其造水比达6.44【GENG H,HE Q,WU H,et al.Experimental study of hollow fiber AGMD modules with energy recovery for high saline water desalination[J].Desalination,2014, 344:55-63】。2015年，李卜义等开发了一种添加隔热管状隔网并呈螺旋缠绕结构编排的中空纤维膜组件，将中空纤维膜与若干中空纤维冷凝管呈立体交错缠绕编排，增加了流体扰动度、跨膜传质、传热系数，从而削弱浓度和温度极化效应的影响，并对空气隙式膜蒸馏海水淡化过程进行性能研究，结果表明其热效率高达94.3％，造水比为5.73【李卜义,王建友,王济虎等.新型中空纤维空气隙式膜蒸馏用于海水淡化,化工学报,2015,66(1):149-156】。2016年，吕晓龙等将中空纤维膜插入相应的毛细铜管中，实用新型了一种新型双管气隙式膜组件，最大造水比为6.6【LIU Z,GAO Q,LU X,et al.Study on the performance of double-pipe air gap membrane distillation module[J].Desalination,2016,396:48-56】。