本发明专利技术公开了集成料液加热功能的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用；该平板式膜组件主要包括加热部件、加热板、微孔疏水膜、密封垫、膜支撑板和料液侧流道；加热板宽度方向两端下部设有密封垫，密封垫位于微孔疏水膜外端，加热板宽度方向两端中设有进料通道和出料通道，两个密封垫之间的加热板和微孔疏水膜形成料液侧流道，料液侧流道两端分别与进料通道和出料通道连通，料液侧流道的高度为0.8‑1.8mm。本发明专利技术通过有效控制料液侧流道的高度在0.8‑1.8mm范围内显著提高膜分离效能同时降低采用MD方法实现海水淡化、污水处理和食品浓缩等蒸发浓缩过程的能耗和成本。
【技术实现步骤摘要】
集成料液加热功能的平板式膜组件及在膜蒸馏中的应用
本专利技术涉及膜分离
，具体涉及一种集成料液加热功能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、高效的平板膜蒸馏膜单元，降低采用膜蒸馏方法海水淡化、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
膜蒸馏(membranedistillation,MD)是以微孔疏水膜两侧蒸汽压差驱动蒸汽渗透的节能膜分离技术，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)，MD能在较温和的操作条件下(绝对压力为101kPa、温度低于80℃)在获得纯净的渗透液(纯水)同时将料液浓缩至饱和状态，在矿物盐回收、高盐度工业废水处理、果汁和奶制品浓缩等领域展现出巨大的应用前景，受到产业界的广泛关注，目前与MD技术相关的公开专利已超1300件。根据渗透侧的捕集方式，MD一般可分为直接接触式(directcontactMD,DCMD)、气隙式(airgapMD,AGMD)、气体吹扫式(sweepinggasMD,SGMD)和真空式(vacuumMD,VMD)。各种形式MD的料液侧都需要加热料液，而加热所需的热源一般可利用过程工业中的余热资源(如低温蒸汽、热水等)，通过外置的热交换设备加热料液后进入膜单元的热侧。传统MD膜单元包含被膜物理分隔的料液侧和渗透侧两个组件，较高温度的料液和较低温度的渗透液分别在相应料液侧和渗透侧膜组件的流道中流动。由于较高温的料液比较低温的渗透液具有较高的蒸汽压，料液在膜面热侧蒸发的蒸汽压差的驱动下跨膜渗透到膜面冷侧，由此实现了料液的蒸发浓缩。在传统MD膜单元中料液沿膜面流动，由于料液的蒸发传热以及跨膜导热损失，膜表面热侧温度将沿料液流动方向降低，由此造成了膜两侧平均温差小于膜单元冷热两侧物流的进口温差；此外，流体在膜单元流道中的流动、传热和传质都受膜表面的边界层影响而产生了极化现象，即料液侧流道中的平均温度高于膜表面温度。这种无可避免的极化现象将进一步降低了MD膜单元的分离效能。为提高MD膜单元的分离效能，当前主要采用逆流操作、提高膜单元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。然而这些方法虽缓解了极化现象和减少了膜单元料液侧的温度降低问题，但却大幅增加了流体输送的动力消耗，难以显著提升MD系统的综合能效。近期随着太阳能利用的广泛应用，发现直接将太阳能加热部件与MD膜单元集成可促进太阳能的转化利用。当前在MD膜组件中集成加热部件主要用于膜面加热或料液加热。中国专利技术专利申请CN110078150A公开了一种光伏发电海水淡化DCMD复合装置，采用具有红外吸收功能的疏水膜，即直接在膜表面加热料液实现膜蒸馏分离，虽然直接在膜料液侧表面加热能有效抑制温差极化影响，但同时也因增加了膜两侧表面的温差而加剧了膜的导热散热损失；此外，应用该技术时，要先通过光伏电池组件将太阳光的短波光转换为电能，而长波红外光透过电池板冷却后辐射加热料液，由此造成红外光在透过聚光多结太阳能电池板时损耗了较大的光能，而且为维持光伏电池板高效发电还需对玻璃基板进行冷却，由此显著降低了红外辐射表面的温度，从而降低了辐射传热效能，故此MD效能提高较少。在MD膜组件中集成加热部件主要用于料液加热，中国技术专利CN208512287U公开了加热器内置型热泵膜蒸馏装置，通过置于膜单元中的加热器直接加热料液，并利用热泵技术提高了膜蒸馏系统的能效。然而当前主要的热泵技术都需要成本较高的压缩机，而且本技术并未提供膜单元内的加热器具体形式。中国专利技术专利CN110143645A公开了一种将太阳能加热部件集成于膜单元的光热膜蒸馏装置，通过光热蒸发材料将太阳能转化为热并使加热料液蒸发。然而该装置水蒸汽通道并非料液通道，水蒸汽通道两端并不连接进出水口，而在加热板上端有专门的液体流道，并与此相配的进出水口；该技术在料液与疏水膜间设置了0.1-10mm宽的水蒸汽通道，一方面需要较高的料液加热温度才能产生足够的水蒸汽，另一方面产生的水蒸汽还需通过0.1-10mm宽的水蒸汽通道才能到达膜表面进行分离，故此装置效能较低。为提高太阳能利用效能，中国专利技术专利申请CN110104716A公开了一种基于膜蒸馏的双管对置式太阳能海水淡化装置，主要结构包括对置的太阳能真空集热管、隔水透气膜管、冷凝器、热交换器、补水泵、风机、淡水收集箱、密封塞、支撑网。该装置的太阳能真空集热管内管吸收太阳能升温，内管与隔水透气膜管间海水受热蒸发，在隔水透气膜管内外蒸气压差的作用下，水蒸气进入隔水透气膜管内；在风机作用下，管内水蒸气被气流带出，经冷凝器凝结成淡水；同时，冷凝器中水蒸气冷凝释放的汽化潜热预热低温海水。该技术所公开的膜蒸馏装置属SGMD，料液通入太阳能真空收集热管中加热蒸发，蒸汽渗透到置于太阳能真空收集热管中的管状膜内侧，在吹扫空气作用下带出膜管后在冷凝器中凝结后收集于淡水收集箱。因而该装置需在太阳能真空集热管中布置管状隔水透气膜，为维持膜的管状结构还需在膜管内设置支撑结构和空气吹扫管，故膜单元结构较复杂，维护成本较高。为简化装置结构，中国专利技术专利申请CN111087044A公开了一种太阳能空气隙膜蒸馏海水淡化装置，包括太阳光收集转换组件和AGMD组件；太阳光收集转换组件用于吸收太阳光产生红外热辐射；AGMD组件包括膜组件料液侧流道和淡水流道；膜组件料液侧流道与海水供给系统连通；膜组件料液侧流道吸收太阳光收集转换组件产生的红外热辐射；蒸汽透过膜与冷凝板之间的流道为淡水流道；膜组件料液侧流道内的蒸汽可通过蒸汽透过膜进入所述淡水流道。本专利技术太阳能吸收装置与海水不直接接触，太阳能吸收装置的温度可以达到更高，且可以使太阳光收集及转换组件不被海水污染。然而该技术采用红外辐射传热对料液加热，虽能保护太阳光收集转换组件不与海水直接接触而受污染，但辐射传热效能与辐射表面温度的四次方成正比，故此为获得较高的辐射传热效能需较高的辐射表面温度。中国专利技术专利申请CN109928461公开了一种板式VMD水处理装置及太阳能板式膜蒸馏淡化系统，从下至上依次包括相连在一起的第一进料端板、第一疏水微孔膜、第一膜支持网、真空冷却板、第二疏水微孔膜、第二膜支持网以及第二进料端板；真空冷却板内部设置有冷却水流道，真空冷却板底端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流入孔，顶端设置有与冷却水通道相连通的冷却水流出孔；真空冷却板底端开设有与第一方形真空通道相连通的第一抽气孔，真空冷却板底端开设有与第二方形真空通道相连通的第二抽气孔。本专利技术通过预热进料实现了蒸汽的冷凝潜热回收利用，提高了系统的能量利用率；通过设置膜支持网，膜蒸馏过程中膜不易损坏，增加了装置的耐久性和稳定性。然而该技术仅是在膜组件中设置了传统MD系统的加热单元，而对MD分离效能有重要影响的流道，采用常规的沿膜面切向进、出料的流道设计方案。该技术记载：“热水流道(508)的一侧设置有进料孔(506)，另一侧设置有出料孔(503)，进料孔(506)与出料孔(503)本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成料液加热功能的平板式膜组件，主要包括加热部件、加热板、微孔疏水膜、密封垫、膜支撑板和料液侧流道；膜支撑板上端设有微孔疏水膜，微孔疏水膜上端设有加热板，加热板上端设有加热部件；其特征在于，加热板宽度方向两端下部设有密封垫，密封垫位于微孔疏水膜外端，加热板宽度方向两端中设有进料通道和出料通道，两个密封垫之间的加热板和微孔疏水膜形成料液侧流道，料液侧流道两端分别与进料通道和出料通道连通，料液侧流道的高度为0.8-1.8mm。/n
【技术特征摘要】
1.一种集成料液加热功能的平板式膜组件，主要包括加热部件、加热板、微孔疏水膜、密封垫、膜支撑板和料液侧流道；膜支撑板上端设有微孔疏水膜，微孔疏水膜上端设有加热板，加热板上端设有加热部件；其特征在于，加热板宽度方向两端下部设有密封垫，密封垫位于微孔疏水膜外端，加热板宽度方向两端中设有进料通道和出料通道，两个密封垫之间的加热板和微孔疏水膜形成料液侧流道，料液侧流道两端分别与进料通道和出料通道连通，料液侧流道的高度为0.8-1.8mm。
2.根据权利要求1所述的集成料液加热功能的平板式膜组件，其特征在于，所述的料液侧流道的高度为0.8-1.0mm。
3.根据权利要求1所述的集成料液加热功能的平板式膜组件，其特征在于，所述的加热板由高导热材料制成。
4.根据权利要求3所述的集成料液加热功能的平板式膜组件，其特征在于，所述的高导热材料选用铝材、铜材、铝合金或者铜合金。
5.根据权利要求1所述的集成料液加热功能的平板式膜组件，其特征在于，所述的加热部件选用太阳能吸热板、换热器或电加热器。
6.根据权利要求1所述的集成料液加热功能的平板式膜组件，其特征在于，所述的进料通道和出料通道垂直于微孔疏水膜的膜面。
【专利技术属性】
技术研发人员：关国强，汪奇，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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