專利名稱：具有低雷諾數(shù)的用于膜蒸餾的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于液體處理工藝的蒸餾系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及包含用于在液體
處理工藝中從給料溶液分離餾出流體的中空纖維膜的蒸餾系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，膜蒸餾已經(jīng)在各種流體處理應(yīng)用中變得越來越普及。隔膜通常是疏水性 的和多微孔的以在操作期間保持給料溶液被從餾出溶液分離。已經(jīng)在研制程序中使用了中 空纖維和扁平薄片這兩種隔膜。對于直接接觸膜蒸餾，在管/殼構(gòu)造中通常采用中空纖維 膜，這里，沿著蒸餾模塊的縱軸布置若干束中空纖維膜。在束中的每一個中空纖維隔膜通常 均是具有外表面和內(nèi)部中空管狀區(qū)域的疏水性的、多微孔的隔膜。中空纖維膜的外表面面 向模塊的外殼側(cè)，該外殼側(cè)是該模塊的包含給料溶液的那個部分。該內(nèi)部中空管狀區(qū)域限 定該模塊的管子側(cè)，該管子側(cè)提供用于收集從給料溶液分離出的餾出流體的導(dǎo)管。
在膜蒸餾期間，給料溶液通常被預(yù)加熱以跨越中空纖維膜上形成溫差。這個溫差 在模塊中的纖維膜的外殼側(cè)與管子側(cè)之間形成蒸汽壓力差，該蒸汽壓力差引起一部分給料 溶液在靠近給料溶液側(cè)上的孔隙進(jìn)口處蒸發(fā)并且蒸汽通過中空纖維膜傳輸。所傳輸?shù)恼?汽然后靠近餾出物側(cè)上的隔膜的孔隙進(jìn)口在氣體/液體界面處凝結(jié)，由此提供所需的餾出 物。因?yàn)樵诜蛛x過程中包括液體蒸發(fā)，所以大量的熱能被從給料溶液轉(zhuǎn)移到餾出物。大量 的能量還被用于在隔膜兩側(cè)上循環(huán)給料溶液和餾出物的泵所消耗掉。減小泵送壓力和補(bǔ)償 熱能的能力顯著地影響著膜蒸餾過程的總體效率。因此，目前正存在以下需要，即在蒸餾過 程期間的低的泵送壓力要求以及熱能恢復(fù)。 大多數(shù)膜蒸餾系統(tǒng)在隔膜的給料溶液側(cè)上以高的雷諾數(shù)操作。雖然在給料溶液側(cè) 上高的雷諾數(shù)可以通過使得溫度和濃差極化(concentration polarization)最小化而在 改進(jìn)質(zhì)量傳遞方面提供優(yōu)點(diǎn)，但是具有高雷諾數(shù)的蒸餾系統(tǒng)提供了幾個缺點(diǎn)。首先，高雷諾 數(shù)增加了導(dǎo)熱損失。在蒸餾期間跨越隔膜上的過度熱傳遞并不理想。第二，高雷諾數(shù)通常 要求高的泵送壓力，這要求相當(dāng)數(shù)量的能量。即使小的泵送壓力增加也可以引起泵功耗的 顯著增加。在很多膜蒸餾系統(tǒng)中，給料溶液循環(huán)流量經(jīng)常是餾出物生產(chǎn)流量的十到二十倍。 在高壓下泵送大量的給料溶液要求大量的能量。因此，目前還正存在以下需要，即蒸餾系統(tǒng) 具有在蒸餾過程期間減少導(dǎo)熱損失和能量消耗的能力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例包括一種蒸餾系統(tǒng)，該蒸餾系統(tǒng)具有通向大氣的第一和第二蓄液 器(開放式蓄液器)、用于將給料溶液循環(huán)到蓄液器的給料回路、以及餾出物回路。該餾出 物回路包括第一餾出物入口歧管和第一餾出物出口歧管以及在第一歧管之間延伸的多個 中空纖維膜。該中空纖維膜延伸通過第一蓄液器的一個部分并且被配置為允許蒸汽傳輸。 該餾出物回路還包括第二餾出物入口歧管和第二餾出物出口歧管以及在第二歧管之間延 伸的多個中空管。該中空管延伸通過該第二蓄液器的一個部分并且被配置為防止蒸汽傳輸?shù)窃试S熱能傳輸。 本發(fā)明的一個示例性實(shí)施例包括一種蒸餾系統(tǒng)，該蒸餾系統(tǒng)具有通向大氣的第一 蓄液器、第一餾出物入口歧管、第一餾出物出口歧管和多個中空纖維膜。該中空纖維膜從第 一入口歧管到第一出口歧管并且通過該第一蓄液器的至少一個部分延伸。該中空纖維膜被 配置為允許蒸汽傳輸。該蒸餾系統(tǒng)還具有通向大氣的第二蓄液器、第二餾出物入口歧管、第 二餾出物出口歧管和多個中空管。該中空管從第二入口歧管到第二出口歧管并且通過該第 二蓄液器的至少一個部分延伸。該中空管被配置為防止蒸汽傳輸?shù)窃试S熱能傳輸。
本發(fā)明又一個示例性實(shí)施例包括一種用于在通向大氣的蓄液器中從給料溶液分 離餾出物的方法。該方法包括將給料溶液引入給料回路中。該給料溶液被加熱并且然后被 循環(huán)通過通向大氣并且包含被配置為允許餾出物傳輸?shù)亩鄠€中空纖維膜的第一蓄液器。該 給料溶液然后被循環(huán)通過通向大氣并且包含被配置為防止餾出物傳輸?shù)窃试S熱能傳輸 的多個中空管的第二蓄液器。在存在于第一蓄液器中的中空纖維膜中收集的餾出物被循環(huán) 到存在于第二蓄液器中的中空管。熱能被從中空管中的餾出物傳遞到第二蓄液器中的給料 溶液。在餾出物離開中空管之后，它被冷卻并且被循環(huán)到中空纖維膜。


圖1是通向大氣的蒸餾系統(tǒng)的概略示意圖； 圖2A是開放式蓄液器和餾出物回路的餾出物收集部分的概略示意圖； 圖2B是具有擋板的開放式蓄液器和餾出物回路的餾出物收集部分的概略示意
圖； 圖2C是開放式蓄液器和餾出物回路的熱量傳遞部分的概略示意圖； 圖3A是被配置為允許蒸汽傳輸?shù)闹锌绽w維隔膜的一個實(shí)施例的展開截面視圖； 圖3B是被配置為防止蒸汽傳輸?shù)窃试S熱傳輸?shù)闹锌展艿囊粋€實(shí)施例的展開截 面視圖； 圖3C是被配置為防止蒸汽傳輸?shù)窃试S熱傳輸?shù)闹锌展艿膫溥x實(shí)施例的展開截 面視圖。
具體實(shí)施例方式
在膜蒸餾過程中，傳統(tǒng)觀點(diǎn)在于通過在隔膜的表面上增加流動紊流而使得溫度和 濃差極化最小化。例如，形式為中空纖維或者扁平薄片(螺旋形纏繞)的隔膜被包裝到作 為接觸器的外殼中("封閉"系統(tǒng))，這允許液體在大于一個大氣壓下流動。因?yàn)檎麴s過程 是以熱方式驅(qū)動的，即，利用在給料溶液側(cè)與餾出物側(cè)之間的溫差而控制總體質(zhì)量傳遞，所 以在一些情形中能夠容忍一定的溫度和/或濃差極化。根據(jù)本發(fā)明，有可能利用處于非常 低的雷諾數(shù)的給料溶液的溫度和流動而在通向大氣(即基本上環(huán)境壓力)的系統(tǒng)中跨越隔 膜上以可行的速率促進(jìn)蒸餾。這里，"開放式"指的是蓄液器通向大氣。開放式蓄液器可以 被覆蓋以防止環(huán)境污染物進(jìn)入該蓄液器，但是被覆蓋的蓄液器仍然處于環(huán)境大氣壓力下。
雷諾數(shù)可以被描述為慣性力與粘性力的比率，并且因此它對于給定流動條件將這 兩種類型的作用力的相對重要性進(jìn)行量化。雷諾數(shù)還被用于識別并且預(yù)測不同的流態(tài)例如 層流或者湍流。層流在低雷諾數(shù)下發(fā)生，其中粘性力是主要的，并且特征在于平滑、恒定的流體運(yùn)動，而在另一方面，湍流在高雷諾數(shù)下發(fā)生并且由慣性力主導(dǎo)，慣性力趨向于產(chǎn)生隨 機(jī)渦旋、漩渦以及其它流量波動。
通 常， 如 下 地 給 定 雷 諾 數(shù)
n 戶工t、1/Ine:rtial forces
ife = ~~:"77T = 1- ^ -= TT^- -其中(Inertial forces :慣性
/i'tu/丄乂 /i/乂 Viscous torces
力；Viscous forces :粘性力)vs是平均流體速率，單位為ms—^是特征長度，單位為my是 (絕對)動力流體粘度，單位為Nsm—2或者Pa s v是運(yùn)動流體粘度，被定義成v = y / p ， 單位為m2s—1 P是流體密度，單位為kgm—3 能夠以非常低的雷諾數(shù)操作的膜蒸餾系統(tǒng)提供了優(yōu)于其它膜蒸餾系統(tǒng)的某些優(yōu) 點(diǎn)。首先，在給料溶液側(cè)上的低雷諾數(shù)降低了導(dǎo)熱損失。在蒸餾期間跨越隔膜上的任何傳 導(dǎo)熱傳遞都不是理想的。第二，低雷諾數(shù)要求僅以低的泵送壓力泵送給料溶液。因?yàn)榻o料 溶液的高壓傳送并不需要，所以給料溶液的泵送要求比在其它蒸餾系統(tǒng)中更少的功率。因 為在這里描述的開放式蒸餾系統(tǒng)并不依靠高壓來驅(qū)動蒸餾，所以降低了被用于泵送給料溶 液的功率大小。 圖1是開放式蒸餾系統(tǒng)10的一個實(shí)施例的概略示意圖，開放式蒸餾系統(tǒng)10包括 第一開放式蓄液器12、第二開放式蓄液器14、給料回路16和餾出物回路18。如在下面所討 論的那樣，給料回路16向第一開放式蓄液器12并且向第二開放式蓄液器14提供處于升高 溫度下的給料溶液。在第一開放式蓄液器12中，餾出物從給料溶液分離并且由于蒸汽壓力 差而跨越中空纖維膜38上行進(jìn)到餾出物回路18中。餾出物從第一開放式蓄液器12中的 餾出物回路段流動到第二開放式蓄液器14中的餾出物回路段，在這里，它將熱能傳遞到第 二開放式蓄液器14中的給料溶液。 由開放式蒸餾系統(tǒng)10使用的適當(dāng)給料溶液的實(shí)例包括包含著能夠利用跨越疏水 性的、多微孔的隔膜上的蒸汽壓力差而分離出的化合物的溶液，例如海水、半成水和用于水 和廢水處理工藝的其它水合鹽水溶液。如在本文中所使用地，術(shù)語"溶液"指的是包含被完 全溶解、部分地溶解、分散、乳化或者以其它方式在載液(一種或者多種)中懸浮的一種或 者更多種固體的載液。例如，給料溶液可以是包含鹽的水合鹽水溶液，鹽至少部分地溶于水
載體中。在該實(shí)例中，開放式蒸餾系統(tǒng)io可以被用于從水合鹽水溶液分離至少一部分水以
提供清潔的水作為蒸餾物。開放式蒸餾系統(tǒng)10還包括標(biāo)準(zhǔn)流體處理設(shè)施(未示出)，例如 工藝控制單元、流體泵和過濾器。 第一開放式蓄液器12是能夠包含由給料回路16傳送的給料溶液和餾出物回路18 的中空纖維膜38的蓄液器或者液罐。第一開放式蓄液器12包括給料溶液入口 20和給料 溶液出口 22。給料溶液入口 20與給料回路16流體連通并且允許向第一開放式蓄液器12 傳送給料溶液。給料溶液出口 22與給料回路16流體連通并且允許從第一開放式蓄液器12 傳送給料溶液。例如，在圖1和2中，靠近第一開放式蓄液器12的頂部定位著給料溶液入 口 20，并且靠近蓄液器的底部定位著給料溶液出口 22。用于給料溶液入口 20和出口 22的 其它位置例如第一開放式蓄液器12的底表面也是可能的。在第一開放式蓄液器12內(nèi)和中 空纖維膜38外側(cè)的給料溶液處于開放式蒸餾系統(tǒng)10的外殼側(cè)上。 第二開放式蓄液器14是能夠包含由給料回路16傳送的給料溶液和餾出物回路18
6的中空管46的蓄液器或者液罐。第二開放式蓄液器14包括給料溶液入口 24和給料溶液 出口 26。給料溶液入口 24與給料回路16流體連通并且允許向第二開放式蓄液器14傳送 給料溶液。給料溶液出口 26與給料回路16流體連通并且允許從第二開放式蓄液器14傳 送給料溶液。例如，在圖1中，靠近第二開放式蓄液器14的底部定位著給料溶液入口 24， 并且靠近蓄液器的頂部定位著給料溶液出口 26。用于給料溶液入口 24和出口 26的其它 位置例如第二開放式蓄液器14的底表面也是可能的。在第二開放式蓄液器14內(nèi)和中空管 46外側(cè)的給料溶液處于開放式蒸餾系統(tǒng)10的外殼側(cè)上。 給料回路16是用于給料溶液的流體路徑，并且除了第一 12和第二 14開放式蓄液 器以及它們的相對應(yīng)的給料溶液入口 20、24和出口 22、26還包括給料來源線路28、給料輸 送線路30a-30e、給料循環(huán)泵32、熱交換器34和給料排放線路36。給料來源線路28是用于 將給料溶液從給料溶液來源(未示出)傳遞到給料回路16的、利用閥門控制的流體導(dǎo)管。 泵29可以被用于將給料溶液從給料溶液來源傳遞到給料回路16中。在開放式蒸餾系統(tǒng)10 的操作期間，部分的給料溶液在第一開放式蓄液器12內(nèi)被分離以在餾出物回路18中提供 所需餾出物。這樣，給料來源線路28提供另外的給料溶液以與剩余給料溶液(已經(jīng)經(jīng)過第 一開放式蓄液器12的給料溶液)相混合并且平衡給料溶液在給料回路16中的流動。
給料輸送線路30a-30e是用于給料回路16的流體導(dǎo)管，并且在圖1所示實(shí)施例中 提供順時針流動路徑。給料輸送線路30a將給料來源線路28和給料輸送線路30e連接到 流體泵32。給料輸送線路30b將給料循環(huán)泵32連接到熱交換器34。給料輸送線路30c將 熱交換器34連接到第一開放式蓄液器12的給料溶液入口 20。給料輸送線路30d將第一開 放式蓄液器12的給料溶液出口 22連接到第二開放式蓄液器14的給料溶液入口 24。給料 輸送線路30e將第二開放式蓄液器14的給料溶液出口 26連接到給料輸送線路30a，從而實(shí) 現(xiàn)給料回路。給料輸送線路30d還被連接到給料排放線路36，給料排放線路36是用于清除 一部分剩余給料溶液的、利用閥門控制的流體導(dǎo)管。 給料循環(huán)泵32是將給料輸送線路30a和30b相互連接的泵，并且被配置為在給料 回路16內(nèi)向第一開放式蓄液器12和第二開放式蓄液器14傳送給料溶液。如在下面所討論 的那樣，給料溶液被保持為液相以防止給料溶液的污染物與餾出物回路18中的所需餾出 物混合。否則這將降低餾出物的純度，并且可能潛在地要求拋棄餾出物產(chǎn)品。在中空纖維 膜38上的第一開放式蓄液器12中的給料溶液的壓力還小于餾出物回路18的中空纖維膜 38(第一管子)的液體滲透壓力。液體滲透壓力是來自給料溶液的液體以其通過餾出物回 路18的中空纖維膜38(第一管子)的孔隙而滲透(即，從外殼側(cè)到第一管子側(cè))的壓力， 并且是幾個因素的函數(shù)，該幾個因素例如隔膜的平均孔隙半徑和隔膜的平均液體接觸角度 (即，隔膜的疏水性)。給料溶液從餾出物回路18的外殼側(cè)到第一管子側(cè)內(nèi)的液體滲透可 以導(dǎo)致餾出物污染，由此降低餾出物的純度。 熱交換器34是提供熱量的熱交換器，它將給料輸送線路30b和30c相互連接，由 此增加從給料輸送線路30b流至給料輸送線路30c的給料溶液的溫度。據(jù)此，熱交換器34 在它進(jìn)入第一開放式蓄液器12之前將給料溶液加熱至升高的溫度。如在下面所討論的那 樣，加熱給料溶液允許給料溶液在升高的溫度下進(jìn)入第一開放式蓄液器12以增加餾出物 從第一開放式蓄液器12到餾出物回路18的分離速率。 進(jìn)入第一開放式蓄液器12的給料溶液的所述升高溫度小于餾出物回路18的中空纖維膜38(第一管子)的熱降解溫度。用于水基給料溶液的適當(dāng)?shù)纳邷囟鹊膶?shí)例范圍從大約5(TC到小于大約100。，特別適當(dāng)?shù)纳邷囟确秶鷱拇蠹s70。到大約90° 。雖然開放式蒸餾系統(tǒng)10被示為具有單一熱交換器(即，熱交換器34)，但是開放式蒸餾系統(tǒng)10可以可替代地包括多個熱交換器以將給料溶液加熱至升高的溫度。 餾出物回路18是用于被從給料溶液分離的餾出物的流體路徑，并且包括中空纖維膜38、第一液罐餾出物出口 40、餾出物輸送線路42a-42d、第二液罐餾出物入口 44、中空管46、第二液罐餾出物出口 48、餾出物循環(huán)泵50、熱交換器52、第一液罐餾出物入口 54和餾出物排放線路56。如在下面所討論的那樣，第一和第二液罐餾出物入口 54、44是用于接收餾出物并且分別地向多個中空纖維膜38和中空管46傳送餾出物的歧管。第一和第二液罐餾出物出口 40、48是用于分別地從多個中空纖維膜38和中空管46接收餾出物的歧管。
如在下面所討論的那樣，中空纖維膜38是在第一液罐餾出物入口 54和第一液罐餾出物出口 40之間通過第一開放式蓄液器12延伸的多個管狀隔膜。餾出物從第一開放式蓄液器12中的給料溶液分離并且跨越中空纖維膜38上而擴(kuò)散。中空管46是在第二液罐餾出物入口 44和第二液罐餾出物出口 48之間通過第二開放式蓄液器14延伸的多個管子。在第二開放式蓄液器14中，在中空管46中的餾出物與蓄液器中的給料溶液之間交換熱能。
餾出物輸送線路42a-42d是用于餾出物回路18的流體導(dǎo)管，并且在圖1所示實(shí)施例中提供逆時針流動路徑。給料輸送線路42a將第一液罐餾出物出口 40連接到第二液罐餾出物入口 44。給料輸送線路42b將第二液罐餾出物出口 48連接到餾出物循環(huán)泵50。給料輸送線路42c將餾出物循環(huán)泵50連接到熱交換器52。給料輸送線路42d將熱交換器52連接到第一液罐餾出物入口 54。給料輸送線路42b還被連接到餾出物排放線路56，餾出物排放線路56是用于從餾出物回路18移除一部分餾出物的、利用閥門控制的流體導(dǎo)管。餾出物排放線路56允許在收集器皿(未示出)中收集餾出物。 餾出物循環(huán)泵50是將餾出物輸送線路42b和42c相互連接的泵，并且被配置為傳送餾出物回路18內(nèi)的餾出物。熱交換器52是將餾出物輸送線路42c和42d相互連接的冷卻熱交換器，由此降低從餾出物輸送線路42c行進(jìn)至餾出物輸送線路42d的餾出物的溫度。據(jù)此，熱交換器52在它進(jìn)入第一液罐餾出物入口 54之前將餾出物冷卻至降低的溫度。如在下面所討論的那樣，冷卻該餾出物允許餾出物在降低的溫度下進(jìn)入第一開放式蓄液器12中的餾出物回路18的中空纖維膜38 (第一管子)以增加餾出物從第一開放式蓄液器12到餾出物回路18的分離速率。適當(dāng)?shù)挠糜陴s出物的降低溫度可以根據(jù)餾出物的組分而改變。對于水合餾出物而言，適當(dāng)?shù)谋唤档偷臏囟鹊膶?shí)例范圍從大約5。到大約75° ，其中特別適當(dāng)?shù)谋唤档偷臏囟确秶鷱拇蠹s20。到大約55° 。 在操作期間，給料溶液通過給料回路16流動，并且分別地被給料循環(huán)泵32泵送并且被熱交換器34加熱至升高的溫度。在通過給料回路16流動時，給料溶液經(jīng)由給料溶液入口 20流動到第一開放式蓄液器12內(nèi)。也在操作期間，餾出物供給通過餾出物回路18流動，并且它被熱交換器52冷卻至降低的溫度。在流經(jīng)餾出物回路18時，已被冷卻的餾出物經(jīng)由第一液罐餾出物入口 54流動到中空纖維膜38的管子側(cè)中。 流動到餾出物回路18和第一開放式蓄液器12內(nèi)的相應(yīng)的被冷卻的餾出物和被加熱的給料溶液在餾出物回路18的管子側(cè)于第一開放式蓄液器12的外殼側(cè)之間形成溫差。例如，在大約80。下進(jìn)入第一開放式蓄液器12的外殼側(cè)的給料溶液和在大約40。下進(jìn)入被置于第一開放式蓄液器12內(nèi)的餾出物回路18的管子側(cè)的餾出物在外殼側(cè)與管子側(cè)之間提供大約40。的溫差。這相對應(yīng)地在外殼側(cè)于管子側(cè)之間提供了蒸汽壓力差。隨著溫差增加，蒸汽壓力差也增加。較大的蒸汽壓力差增加了餾出物從給料溶液的分離速率，這里，已被分離的餾出物跨越中空纖維膜38上從第一開放式蓄液器12的外殼側(cè)傳遞到餾出物回路18的管子側(cè)。 在餾出物跨越第一開放式蓄液器12中的中空纖維膜38上而進(jìn)入餾出物回路18的管子側(cè)之后，餾出物被傳送到第二液罐餾出物入口 44。餾出物然后通過中空管46行進(jìn)到第二液罐餾出物出口 48并且繼續(xù)通過餾出物回路18。如在下面所討論的那樣，中空管46被配置為防止進(jìn)或者出管子側(cè)地傳遞餾出物，但是被配置為將熱能從管子側(cè)傳遞到外殼側(cè)。當(dāng)餾出物在中空管46中時，在通過中空管46流動的餾出物與第二開放式蓄液器14中的給料溶液之間交換熱能。 圖2A示意開放式蒸餾系統(tǒng)10的一個實(shí)施例的第一開放式蓄液器12。第一開放式蓄液器12包括給料溶液入口 20和給料溶液出口 22并且被配置為包含給料溶液。在操作期間，給料溶液流經(jīng)第一開放式蓄液器12并且占據(jù)第一開放式蓄液器12的相當(dāng)大的部分。隨著在第一開放式蓄液器12中的給料溶液液位升高到中空纖維膜38的底部上方，在給料溶液與中空纖維膜38之間的表面面積接觸增加。 第一開放式蓄液器12的尺寸可以顯著地改變。第一開放式蓄液器12的尺寸可以被確定為適合具體需要地提供開放式蒸餾系統(tǒng)。可以影響開放式蒸餾系統(tǒng)的尺寸的一些因素包括給料溶液的類型和數(shù)量。在開放式蒸餾系統(tǒng)10的一個實(shí)施例中，第一開放式蓄液器12具有大約0. 8米的高度、大約1. 5米的長度，和大約1米的寬度。這個實(shí)施例提供了具有大約1. 2立方米的容積的蓄液器。具有更小和更大容積的第一開放式蓄液器12也是有可能的。 第一液罐餾出物入口 54和第一液罐餾出物出口 40位于第一開放式蓄液器12上方。第一液罐餾出物入口 54和第一液罐餾出物出口 40是歧管，各自具有多個開口。入口54和出口 40與餾出物回路18流體連通并且分別地被餾出物輸送線路42d和42a (未示出)連接。中空纖維膜38從第一液罐餾出物入口 54中的開口延伸到第一液罐餾出物出口40中的開口。相當(dāng)大的部分的中空纖維膜38被置于第一開放式蓄液器12內(nèi)。除了給料溶液，第一開放式蓄液器12還被配置為包含中空纖維膜38。在圖2A中圖示的實(shí)施例中，中空纖維膜以半圓形回路方式從入口 54和出口 40向下延伸。允許中空纖維膜38的足夠的表面面積接觸著通過第一開放式蓄液器12流動的給料溶液的其它配置是可能的。
在蒸餾系統(tǒng)10的一些實(shí)施例中，第一開放式蓄液器12可以包含一個或者更多個擋板58。擋板58用于一旦它進(jìn)入第一開放式蓄液器12便引導(dǎo)給料溶液的流動。在于圖2B中圖示的一個實(shí)施例中，第一開放式蓄液器12包含著在中空纖維膜38的下降部分與中空纖維膜38的上升部分之間位于第一開放式蓄液器12的中央部分中的單一擋板58。擋板58被布置在豎直位置中。 根據(jù)在圖2A中圖示的實(shí)施例，中空纖維膜38是在第一液罐餾出物入口 54和第一液罐餾出物出口 40之間延伸的多個管狀隔膜。中空纖維膜38由一種或者更多種疏水性的、多微孔的材料形成，該材料能夠經(jīng)由蒸汽壓力差而將餾出物從給料溶液分離。中空纖維膜38基本上被布置在第一開放式蓄液器12的內(nèi)部區(qū)域的全部容積中以提供大的總共隔膜表
9面面積。在圖2A中圖示的實(shí)施例中，十個中空纖維膜38基本上填充第一開放式蓄液器12的內(nèi)部區(qū)域。根據(jù)例如第一開放式蓄液器12的尺寸、中空纖維膜38的厚度和給料溶液的類型之類的因素，更大或者更小數(shù)目的中空纖維膜38也是可能的。 圖2C圖示出開放式蒸餾系統(tǒng)10的一個實(shí)施例的第二開放式蓄液器14。第二開放式蓄液器14可以與第一開放式蓄液器12非常類似或者相同。第二開放式蓄液器14包括給料溶液入口 24和給料溶液出口 26并且被配置為包含給料溶液。在操作期間，給料溶液通過第二開放式蓄液器14流動并且占據(jù)相當(dāng)大的部分的第二開放式蓄液器14。當(dāng)在第二開放式蓄液器14中的給料溶液的液位升高到中空管46的底部上方時，在給料溶液與中空管46之間的表面面積接觸增加。 第二開放式蓄液器14的尺寸、幾何形狀和類型可以顯著地改變。第二開放式蓄液器14的尺寸可以被確定為用于適合具體需要地提供開放式蒸餾系統(tǒng)。可以影響開放式蒸餾系統(tǒng)的尺寸的一些因素包括給料溶液的類型和數(shù)量。在開放式蒸餾系統(tǒng)10的一個實(shí)施例中，第二開放式蓄液器14具有與第一開放式蓄液器12相同的尺寸。第二開放式蓄液器具有大約0. 8米的高度、大約1. 5米的長度，和大約1米的寬度。這個實(shí)施例提供了具有大約1. 2立方米的容積的蓄液器。具有更小和更大容積的第二開放式蓄液器14也是可能的。并不要求第二開放式蓄液器14具有與第一開放式蓄液器12相同的尺度。
第二液罐餾出物入口 44和第二液罐餾出物出口 48位于第二開放式蓄液器14上方。第二液罐餾出物入口 44和第二液罐餾出物出口 48是歧管，各自具有多個開口。入口44和出口 48與餾出物回路18流體連通并且分別地被餾出物輸送線路42a和42b (未示出)連接。中空管46從第二液罐餾出物入口 44中的開口延伸到第二液罐餾出物出口 48中的開口。相當(dāng)大的部分的中空管46被置于第二開放式蓄液器14內(nèi)。除了給料溶液，第二開放式蓄液器14還被配置為包含中空管46。在于圖2C中圖示的實(shí)施例中，中空管以半圓形回路方式從入口 44和出口 48向下延伸。允許中空管46的足夠表面面積接觸著通過第二開放式蓄液器14流動的給料溶液的其它配置是可能的。 根據(jù)在圖2C中圖示的實(shí)施例，中空管46是在第二液罐餾出物入口 44與第二液罐餾出物出口 48之間延伸的多個中空管。中空管46具有非多孔的并且實(shí)心的壁。因此，中空管46防止跨越它們的非多孔并且實(shí)心的壁上而將餾出物傳遞到給料溶液以及將給料溶液傳遞到餾出物。中空管46由能夠?qū)崃繌墓茏右粋?cè)傳遞到另一側(cè)的材料形成。中空管46基本上被布置在第二開放式蓄液器14的內(nèi)部區(qū)域的全部容積中以提供大的總共管子表面面積。在于圖2C中所示的實(shí)施例中，中空管46基本上填充第二開放式蓄液器14的內(nèi)部區(qū)域。根據(jù)例如第二開放式蓄液器14的尺寸、中空管38的厚度和給料溶液的類型這樣的因素，更大或者更小數(shù)目的中空管46也是可能的。 如以上所討論的那樣，已被加熱的給料溶液被傳送到給料回路16。已被加熱的給料溶液經(jīng)由給料溶液入口 20進(jìn)入在外殼側(cè)上的第一開放式蓄液器12并且朝向給料溶液出口 22行進(jìn)。當(dāng)已被加熱的給料溶液從該入口行進(jìn)到該出口時，已被加熱的給料溶液中的一部分沿著該多個中空纖維膜38流動。同時，已被餾出物回路18中的熱交換器52冷卻的餾出物經(jīng)由第一液罐餾出物入口 54進(jìn)入中空纖維膜38，并且朝向第一液罐餾出物出口 40通過管子側(cè)上的中空纖維膜38的內(nèi)部中空區(qū)域流動。當(dāng)已被冷卻的餾出物通過中空纖維膜38的內(nèi)孔流動時，在中空纖維膜38的內(nèi)表面與外表面(管子側(cè)和外殼側(cè)，分別地)之間的溫差沿著第一開放式蓄液器12內(nèi)的中空纖維膜38形成蒸汽壓力差。該蒸汽壓力差允許來 自第一開放式蓄液器12中的給料溶液的蒸汽被從中空纖維膜38的外殼側(cè)輸送到中空纖維 膜38的管子側(cè)并且被冷凝成餾出物。餾出物從給料溶液分離并且跨越中空纖維膜38上而 從外殼側(cè)行進(jìn)到管子側(cè)。餾出物通過中空纖維膜38的內(nèi)孔行進(jìn)到給料溶液出口22。餾出 物繼續(xù)通過餾出物回路18行進(jìn)到中空管46。 在通過第一開放式蓄液器12流動時，給料溶液大體上保持處于液體狀態(tài)中。中空 纖維膜38的基本上疏水性的外部阻止給料溶液進(jìn)入隔膜孔隙，然而允許蒸汽從中空纖維 膜38的外殼側(cè)(蓄液器側(cè))輸送到管子側(cè)。另外地，在中空纖維膜38上的第一開放式蓄 液器12中的給料溶液的壓力也小于中空纖維膜38的液體滲透壓力。因此，不能強(qiáng)制部分 的液體給料溶液通過中空纖維膜38的微孔。 如以上所討論的那樣，在外殼側(cè)上的給料溶液的升高的溫度和在管子側(cè)上的餾出 物的降低的溫度相當(dāng)大地增加了沿著中空纖維膜38的蒸汽壓力差，由此增加了餾出物從 給料溶液的分離速率。該蒸汽壓力差引起給料溶液中的一部分餾出物蒸發(fā)并且通過中空纖 維膜38的微孔傳輸。當(dāng)蒸汽從第一開放式蓄液器12行進(jìn)到中空纖維膜38的內(nèi)部中空區(qū)域 內(nèi)時，已被冷卻的餾出物供給引起蒸汽在靠近中空纖維膜38的管子側(cè)上的孔隙進(jìn)口處冷 凝并且與餾出物混合。如在下面所討論的那樣，中空纖維膜38的膜壁是基本上疏水性的。 中空纖維膜38的疏水性壁防止了餾出物再次進(jìn)入隔膜孔隙并且再次結(jié)合在中空纖維膜38 的外殼側(cè)上的給料溶液。由于在餾出物回路18中的系統(tǒng)壓力，一旦餾出物進(jìn)入管子側(cè)，該 餾出物便朝向第一液罐餾出物出口 40流動。 當(dāng)餾出物通過中空管46的內(nèi)孔流動時，在中空管46的內(nèi)表面與外表面之間的溫 差允許傳遞在第二開放式蓄液器14內(nèi)的熱能。當(dāng)給料溶液進(jìn)入第二開放式蓄液器14時， 它基本上具有低于進(jìn)入第二開放式蓄液器14中的在中空管46的內(nèi)孔中的餾出物的溫度。 因?yàn)橹锌展鼙慌渲脼閭鬟f熱能，所以較為溫暖的餾出物沿著中空管46的壁而釋放熱能。在 外殼側(cè)上的第二開放式蓄液器14中的給料溶液由此被暖熱并且在管子側(cè)上的中空管46中 的餾出物被冷卻。餾出物在它離開中空管46的內(nèi)孔之后繼續(xù)通過餾出物回路18流動。一 部分餾出物被餾出物排放線路56收集用于存儲或者使用。剩余部分的餾出物如上所述地 通過餾出物回路18而被再循環(huán)、被熱交換器52冷卻，并且行進(jìn)到中空纖維膜38的內(nèi)孔。
開放式蒸餾系統(tǒng)10被配置為在其中第一開放式蓄液器12的外殼側(cè)(給料溶液 側(cè))具有非常低的雷諾數(shù)的條件下操作。通過第一開放式蓄液器12流動的給料溶液位于 開放式蒸餾系統(tǒng)10的外殼側(cè)上。使用1. 2立方米容積的上述第一開放式蓄液器12，可以以 大約34的雷諾數(shù)操作開放式蒸餾系統(tǒng)10。實(shí)驗(yàn)室研究已經(jīng)證實(shí)，在開放式蒸餾系統(tǒng)10的 一個實(shí)施例中，在低至5的雷諾數(shù)下已經(jīng)顯示出充分的蒸餾效果。因此，本發(fā)明的實(shí)施例允 許在給料溶液側(cè)上使用低的雷諾數(shù)進(jìn)行蒸餾。 在一種給定系統(tǒng)中，如以上所討論的那樣，雷諾數(shù)取決于長度、平均流體速率和流 體粘度。因?yàn)殚L度是雷諾數(shù)計(jì)算中的一個分量并且可以使用具有不同尺寸的第一開放式蓄 液器，所以不同實(shí)施例的雷諾數(shù)可以顯著地改變。盡管這樣，本發(fā)明的實(shí)施例仍將基本上具 有低于大約2100的雷諾數(shù)。通常，對于在管道中流動而言，小于大約2100的雷諾數(shù)表示層 流。大于3000的雷諾數(shù)通常表示湍流。本發(fā)明的實(shí)施例允許在其中給料溶液具有小于大 約2100的雷諾數(shù)的系統(tǒng)中進(jìn)行蒸餾。
圖3A是隔膜60的展開截面視圖，這是中空纖維膜38 (圖2A所示)的單一隔膜的 一個實(shí)例。如在圖3A中所示，隔膜60包括膜壁62和內(nèi)部中空區(qū)域64。膜壁62大體上由 一種或者更多種疏水性材料形成并且包括允許氣體和蒸汽傳輸，但是限制液體和固體流動 的多個微孔(未示出)。這允許已被蒸發(fā)的餾出物經(jīng)由蒸汽壓力輸送而從給料溶液分離。 用于膜壁62的適當(dāng)材料的實(shí)例包括疏水性的聚合材料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、 聚二氟乙烯、Halar⑧ECTFE(可從比利時布魯塞爾的Solvay Solexis得到的乙烯-三氟氯 乙烯共聚物)及其組合。其它適當(dāng)?shù)牟牧峡梢园ǚ鞘杷缘木酆衔锊牧希缇垌?、聚?砜和利用疏水性材料(一種或者多種)涂覆的聚酰亞胺。用于膜壁62的特別適當(dāng)?shù)牟牧?的實(shí)例包括耐熱聚合材料，例如聚四氟乙烯、聚二氟乙烯及其組合。用于膜壁62的適當(dāng)?shù)?壁厚度的實(shí)例范圍從大約50微米到大約500微米，其中特別適當(dāng)?shù)谋诤穸确秶鷱拇蠹s100 微米到大約250微米。 如以上所討論的那樣，在中空纖維膜38上的第一開放式蓄液器12中的給料溶液 的壓力也小于隔膜60的膜壁62的液體滲透壓力。膜壁62的液體滲透壓力基本上取決于 膜壁62的組分并且取決于膜壁62的微孔的尺寸。用于膜壁62的適當(dāng)?shù)钠骄⒖壮叽绲?實(shí)例范圍從大約0. 1微米到大約0. 6微米，其中特別適當(dāng)?shù)钠骄⒖壮叽绶秶鷱拇蠹s0. 2 微米到大約0.4微米。 圖3B是非多孔中空管66的展開截面視圖，它是單一中空管46 (圖2B所示)的一 個實(shí)例。如在圖3B中所示，非多孔中空管66包括非多孔并且實(shí)心的壁68和內(nèi)部中空區(qū)域 70。實(shí)心壁68由阻擋氣體和蒸汽傳輸?shù)姆嵌嗫撞牧蠘?gòu)成，由此防止沿著非多孔中空管66 的質(zhì)量(流體)傳遞。用于非多孔中空管66的適當(dāng)材料包括具有高的導(dǎo)熱率并且對于熱 量和水溶液而言穩(wěn)定的聚合材料。適當(dāng)材料的實(shí)例包括以上討論的用于膜壁62的適當(dāng)聚 合材料。其它適當(dāng)材料可以包括能夠經(jīng)受由系統(tǒng)提供的熱應(yīng)力并且在水性環(huán)境中耐腐蝕的 材料。實(shí)例包括金屬例如不銹鋼。 圖3C是涂層中空管72的展開截面視圖，它是單一中空管46的另一個實(shí)例。如在 圖3C中所示，涂層中空管72包括內(nèi)部中空區(qū)域74，與隔膜60的膜壁類似的膜壁62，和與 非多孔中空管66的壁類似的非多孔并且實(shí)心的壁68。非多孔并且實(shí)心的壁68圍繞膜壁 62從而阻擋氣體和蒸汽傳輸。在上面描述了用于涂層中空管72的膜壁62和非多孔并且實(shí) 心的壁68的適當(dāng)材料。 雖然已經(jīng)參考示例性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以 在形式和細(xì)節(jié)方面作出改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
1權(quán)利要求
一種用于從給料溶液分離餾出物的蒸餾系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括通向大氣的第一和第二蓄液器；被配置為將給料溶液循環(huán)到所述第一和第二蓄液器的給料回路；被配置為循環(huán)餾出物的餾出物回路，包括第一餾出物入口歧管；第一餾出物出口歧管；從所述第一餾出物入口歧管到所述第一餾出物出口歧管并且通過所述第一蓄液器的至少一個部分延伸的多個中空纖維膜，其中所述中空纖維膜被配置為允許通過其傳輸蒸汽；第二餾出物入口歧管；第二餾出物出口歧管；從所述第二餾出物入口歧管到所述第二餾出物出口歧管并且通過所述第二蓄液器的至少一個部分延伸的多個中空管，其中所述中空管被配置為基本上防止通過其傳輸蒸汽，并且進(jìn)一步被配置為允許通過其傳輸熱能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一餾出物出口歧管與所述第二餾出物入口歧管 流體連通并且所述第二餾出物出口歧管與所述第一餾出物入口歧管流體連通。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述中空纖維膜和所述中空管包括多微孔的膜壁，并 且其中所述中空管進(jìn)一步包括置于所述多微孔的膜壁上的聚合涂層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中所述多微孔的膜壁由選自以下組的至少一種聚合材料 形成，所述的組包括聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、乙 烯_三氟氯乙烯共聚物及其組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述中空纖維膜具有范圍從大約0. 1微米到大約0. 6 微米的平均微孔尺寸。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述給料回路包括被配置為將給料溶液加熱至范圍從 大約5(TC到小于大約IO(TC的溫度的熱交換器。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的系統(tǒng)，其中所述給料回路包括被配置為將給料溶液加熱至范圍從 大約7(TC到大約9(TC的溫度的熱交換器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述餾出物回路包括被配置為將餾出物冷卻至范圍從 大約5t:到大約75t:的溫度的熱交換器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中所述餾出物回路包括被配置為將餾出物冷卻至范圍從 大約2(TC到大約55t:的溫度的熱交換器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一蓄液器包含至少一個擋板。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述第一蓄液器和第二蓄液器被覆蓋。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l的系統(tǒng)，其中所述中空管由非多孔材料形成。
13. —種用于從給料溶液分離餾出物的蒸餾系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 通向大氣的第一蓄液器；第一餾出物入口歧管； 第一餾出物出口歧管；從所述第一餾出物入口歧管到所述第一餾出物出口歧管并且通過所述第一蓄液器的至少一個部分延伸的多個中空纖維膜，其中所述中空纖維膜被配置為允許通過其傳輸蒸 汽；通向大氣的第二蓄液器； 第二餾出物入口歧管； 第二餾出物出口歧管；并且從所述第二餾出物入口歧管到所述第二餾出物出口歧管并且通過所述第二蓄液器的 至少一個部分延伸的多個中空管，其中所述中空管被配置為基本上防止通過其傳輸蒸汽， 并且進(jìn)一步被配置為允許通過其傳輸熱能；被配置為向所述第一蓄液器和第二蓄液器提供給料溶液的給料回路；禾口 被配置為在所述中空纖維膜與所述中空管之間循環(huán)餾出物的餾出物回路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13的系統(tǒng)，其中所述中空纖維膜和所述中空管包括多微孔的膜壁， 并且其中所述中空管還包括置于所述多微孔的膜壁上的聚合涂層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中所述多微孔的膜壁由選自以下組的至少一種聚合材 料形成，所述的組包括聚丙烯、聚乙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚二氟乙烯、 乙烯_三氟氯乙烯共聚物及其組合。
16. —種用于從通向大氣的蓄液器中的給料溶液分離餾出物的方法，所述方法包括 將所述給料溶液引入給料回路中；加熱所述給料溶液；通過通向大氣并且包含被配置為允許傳輸餾出物的多個中空纖維膜的第一蓄液器而 循環(huán)所述給料溶液從而餾出物被從所述第一蓄液器傳遞到所述中空纖維膜的內(nèi)部區(qū)域； 將在所述中空纖維膜中收集的餾出物循環(huán)到多個中空管；通過通向大氣并且包含被配置為基本上防止蒸汽傳輸并且還被配置為允許熱能傳輸 的多個中空管的第二蓄液器而循環(huán)所述給料溶液從而熱能被從中空管傳遞到所述第二蓄 液器中的所述給料溶液；在所述餾出物離開所述中空管之后冷卻所述餾出物；禾口將所述餾出物循環(huán)到所述中空纖維膜。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述給料溶液被加熱至范圍從大約5(TC到小于大約 IO(TC的溫度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述給料溶液被加熱至范圍從大約7(TC到大約9(rC 的溫度。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述餾出物被冷卻至范圍從大約5t:到大約75t:的溫度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述餾出物被冷卻至范圍從大約2(TC到大約55t:的溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有低雷諾數(shù)的用于膜蒸餾的系統(tǒng)和方法。一種蒸餾系統(tǒng)和方法包括開放式蓄液器和通過各個開放式蓄液器的某些部分延伸的多個中空纖維膜和中空管。該中空纖維膜被配置為允許蒸汽傳輸，并且該中空管被配置為基本上防止蒸汽傳輸?shù)窃试S熱能傳輸。給料溶液被循環(huán)通過該開放式蓄液器。餾出物被中空纖維膜從給料溶液分離并且通過中空管補(bǔ)償熱能。
文檔編號B01D61/36GK101711945SQ20091016468
公開日2010年5月26日 申請日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者J·R·艾里什, X·廖, Z·馬 申請人:米爾頓·羅伊公司