專利名稱：卷繞式膜蒸餾組件及膜蒸餾方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及膜蒸餾組件，具體涉及壓降低且熱量效率高的卷繞式膜蒸餾組件。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的膜蒸餾方法。
背景技術(shù)：
在蒸餾的過程一般包括液體蒸發(fā)和蒸氣冷凝。蒸餾適合用來分離蒸氣壓不同的兩種或多種液體，或者用來將液體從鹽溶液中全部或部分地分離出來。傳統(tǒng)的蒸餾過程需將被蒸餾物加熱到被蒸餾物中一個(gè)或多個(gè)組分的沸點(diǎn)溫度，然后將所獲得的蒸氣冷凝，得到液態(tài)蒸餾物。膜蒸餾可以通過膜來維持膜兩側(cè)的蒸氣壓力梯度，從而在更低的溫度下實(shí)現(xiàn)蒸餾。在膜蒸餾的過程中，一般會(huì)將需蒸餾的進(jìn)料溶液預(yù)熱，在膜的兩側(cè)形成溫差，從而在膜兩側(cè)產(chǎn)生蒸氣壓差，促使進(jìn)料溶液中的一部分蒸發(fā)并透過膜層。在接觸式膜蒸餾或空氣隙膜蒸餾過程中，透過膜層后的蒸氣在內(nèi)部表面或蒸氣一側(cè)的液體界面上冷凝，形成所需的液態(tài)蒸餾物。近幾年來，膜蒸饃在流體處理中的應(yīng)用越來越多，但針對膜蒸餾組件的研究大多集中在平板型模組件和中空纖維膜組件上。其中，平板型模組件一般通過借助間隔物或墊圈將膜一層層疊壓而成，其膜堆疊密度(即膜面積/組件體積比)相對較低，因而組件的每單位體積的有效膜面積相對較小。而中空纖維膜組件一般由聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氟乙烯材料制成，很難在中空纖維膜組件中使用具有更高膜蒸餾性能的聚四氟乙烯材料。采用螺旋卷的方式構(gòu)造膜蒸餾組件可以解決平板型或中空纖維型模組件所遇到的上述問題。在公開號為20090000939的美國專利申請中揭示了一種螺旋卷式膜蒸餾裝置，該螺旋卷式膜蒸餾裝置包括了一個(gè)整合有內(nèi)部冷凝器的螺旋卷式膜結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部冷凝器用來將凝結(jié)熱循環(huán)到透膜蒸發(fā)之前的鹽溶液中。所述螺旋卷式膜蒸餾裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可能會(huì)讓蒸氣通道中有液體存在，導(dǎo)致熱效率降低。此外，由于在所述裝置中蒸氣和需蒸餾的液體都是沿螺旋線路流動(dòng)，其較長的流道所產(chǎn)生的壓降可能會(huì)過大，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)透膜蒸發(fā)，且該專利申請中也沒有任何與流道的壓降控制有關(guān)的描述。因此，有必要進(jìn)一步改進(jìn)卷繞式膜蒸餾組件的設(shè)計(jì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種卷繞式膜蒸餾組件。該膜蒸餾組件包括中心元件和成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍的多層膜結(jié)構(gòu)。所述中心元件設(shè)有內(nèi)部通道。所述多層膜組件包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層，至少一個(gè)透氣不透液的膜層、和至少一個(gè)蒸氣層，其中所述蒸氣層中施加有一個(gè)負(fù)壓。所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得所述組件用于將一個(gè)進(jìn)料溶液分成蒸氣和濃縮液體時(shí)，可讓所述進(jìn)料溶液在所述進(jìn)料輸送層中沿所述組件的軸向流動(dòng),或讓所述蒸氣在所述蒸氣層中沿所述組件的軸向流動(dòng)。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種一種膜蒸餾方法。該膜蒸餾方法包括提供一個(gè)卷繞式膜蒸餾組件，該組件由多層膜結(jié)構(gòu)成螺旋形地卷繞于一個(gè)中心元件的周圍形成，其中所述多層膜結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層、至少一個(gè)透氣不透液的膜層和至少一個(gè)蒸氣層；向所述蒸氣層施加一個(gè)負(fù)壓；以及向所述進(jìn)料輸送層中引入一種進(jìn)料溶液，當(dāng)所述進(jìn)料溶液在進(jìn)料輸送層中流動(dòng)的過程中，使得該進(jìn)料溶液中的一部分蒸發(fā)并透過所述透氣不透液的膜層進(jìn)入所述蒸氣層。其中所述進(jìn)料輸送層中的進(jìn)料溶液和所述蒸氣層中的蒸氣中的至少一個(gè)是沿所述卷繞式膜蒸餾組件的軸向流動(dòng)的。本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種卷繞式膜蒸餾組件。該膜蒸餾組件包括中心元件和成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍的多層膜結(jié)構(gòu)。所述中心元件包括隔離開的第一和第二通道、位于第一通道的入口和位于第二通道的出口。所述多層膜結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層、至少一個(gè)透氣不透液的膜層和至少一個(gè)蒸氣層，其中所述蒸氣層內(nèi)施加有負(fù)壓。所述多層膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)料輸送層可使從所述第一通道引入的進(jìn)料溶液沿螺旋方向向外流向所述進(jìn)料輸送層的最外端部分，在該最外端部分轉(zhuǎn)向后，再沿螺旋方向向內(nèi)流向所述第二通道。



通過結(jié)合附圖對于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中圖I顯示了本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中一種卷繞式膜蒸餾組件的一個(gè)橫截面示意圖。圖2顯示了在組裝如圖I所示的卷繞式膜蒸餾組件的過程中的一個(gè)中間狀態(tài)。圖3顯示了一個(gè)從圖2顯示的中間狀態(tài)組裝而成的卷繞式膜蒸餾組件。圖4示意性地顯示了圖3所示的卷繞式膜蒸餾組件的進(jìn)料輸送層和蒸氣層是如何密封的，以及進(jìn)料溶液和蒸氣在進(jìn)料輸送層和蒸氣層中分別是如何流動(dòng)的。圖5顯示了圖3所示的卷繞式膜蒸餾組件安裝于一個(gè)外殼內(nèi)的狀態(tài)。圖6顯示了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例中一種卷繞式膜蒸餾組件的橫截面的示意圖。圖7示意性地顯示了另一個(gè)實(shí)施例中一種卷繞式膜蒸餾組件的進(jìn)料輸送層和蒸氣層是如何密封的，以及進(jìn)料溶液和蒸氣在進(jìn)料輸送層和蒸氣層中分別是如何流動(dòng)的。圖8顯示了圖7所示的卷繞式膜蒸餾組件安裝于一個(gè)外殼內(nèi)的狀態(tài)。圖9示意性地顯示了又一個(gè)實(shí)施例中一種卷繞式膜蒸餾組件的進(jìn)料輸送層和蒸氣層是如何密封的，以及進(jìn)料溶液和蒸氣在進(jìn)料輸送層和蒸氣層中分別是如何流動(dòng)的。圖10顯示了圖9所示的卷繞式膜蒸餾組件安裝于一個(gè)外殼內(nèi)的狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式以下將對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)描述。為了避免過多不必要的細(xì)節(jié)，在以下內(nèi)容中將不對習(xí)知的結(jié)構(gòu)或功能進(jìn)行詳細(xì)的描述。本文中所使用的近似性的語言可用于定量表述，表明在不改變基本功能的情況下可允許數(shù)量有一定的變動(dòng)。因此，用“大約”“左右”等語言所修正的數(shù)值不限于該準(zhǔn)確數(shù)值本身。至少在某些情況下，近似性語言可能與測量儀器的精度有關(guān)。本文中所給出的數(shù)值范圍可以合并或相互交換，除非文中有其它語言限定，這些范圍應(yīng)包括范圍內(nèi)所含的子范圍。本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種卷繞式膜蒸餾組件，該卷繞式膜蒸餾組件包括中心元件以及成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍的多層膜結(jié)構(gòu)。所述中心元件設(shè)有內(nèi)部通道。所述多層膜組件包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層，至少一個(gè)透氣不透液的膜層、和至少一個(gè)蒸氣層。所述蒸氣層中施加有一個(gè)負(fù)壓。所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得所述組件用于將一個(gè)進(jìn)料溶液分成蒸氣和濃縮液體時(shí)，可讓所述進(jìn)料溶液在所述進(jìn)料輸送層中沿所述組件的軸向流動(dòng),或讓所述蒸氣在所述蒸氣層中沿所述組件的軸向流動(dòng)。在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，進(jìn)料溶液沿螺旋線路向內(nèi)流向中心元件并從該中心元件流出所述組件，蒸氣在所述蒸氣層中沿組件的軸向流出所述組件。由于多層膜結(jié)構(gòu)是成螺旋狀設(shè)置在中心元件的周圍的，中心元件基本相當(dāng)于是所述卷繞式膜蒸餾組件的中心軸，本文所述的組件的“軸向”是指與中心元件平行的方向。進(jìn)料輸送層中的進(jìn)料溶液或蒸氣層中的蒸氣可以沿組件的軸向流動(dòng)，也可以沿進(jìn)料輸送層或蒸氣層所界定的螺旋線路流動(dòng)。所述卷繞式膜蒸餾組件設(shè)置成可讓未冷凝的蒸氣在離開組件之后再進(jìn)行冷凝的形式，比如，所述卷繞式膜蒸餾組件不包括整合于組件內(nèi)的冷凝結(jié)構(gòu)，使得蒸氣可以以未冷凝的形式流出所述組件。所述卷繞式膜蒸餾組件可進(jìn)行適當(dāng)密封以實(shí)現(xiàn)在100°C以上的溫度下進(jìn)行操作?！に鐾笟獠煌敢旱哪げ牧弦话惆ň鬯姆蚁⒕燮蚁?、聚丙烯、聚乙烯材料以及其它適合用在膜蒸餾領(lǐng)域的膜材料。所述進(jìn)料輸送層可以是由透氣不透液的膜的膜壁所形成的溶液通道，其內(nèi)可包括用來支撐膜壁或增強(qiáng)流體均勻性的進(jìn)料輸送結(jié)構(gòu)或間隔元件等。適合用作進(jìn)料輸送層的材料包括可讓進(jìn)料溶液從其中流過的柔性片狀材料。進(jìn)料輸送層可包括用來在與進(jìn)料輸送層接觸的膜表面促進(jìn)形成湍流的結(jié)構(gòu)，以防止溶液中的溶質(zhì)在膜表面過量堆積。在一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)料輸送層包括多孔塑料片。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)料輸送層包括多孔金屬片。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)料輸送層包括多孔復(fù)合材料。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)料輸送層是塑性織物。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述進(jìn)料輸送層是塑性篩。所述進(jìn)料輸送層和所述蒸氣層可由相同的材料制成，也可由不同的材料制成。所述蒸氣層可以是所述膜的另一側(cè)形成的蒸氣通道，其內(nèi)可包括用來支撐膜壁的間隔元件等。適合用蒸氣層的材料包括可讓蒸氣從其中通過的柔性片狀材料。在一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸氣層包括多孔塑料片，在另一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸氣層包括多孔金屬片。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸氣層包括多孔復(fù)合材料。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸氣層是塑性織物。在又一個(gè)實(shí)施例中，所述蒸氣層是塑性篩。所述卷繞式膜蒸餾組件增加了膜的堆積密度，降低了液/氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，且其可利用更加高效、性能更好的平均孔直徑在O. I到I. O微米之間的聚四氟乙烯微孔膜。所述卷繞式膜蒸餾組件的設(shè)計(jì)本身也解決了蒸氣層內(nèi)的背壓問題和液/氣泄漏問題。圖I顯示了一個(gè)實(shí)施例中一種卷繞式膜蒸餾組件100，其包括一個(gè)中心元件102和成螺旋狀地設(shè)置于所述中心元件周圍的一個(gè)多層膜結(jié)構(gòu)104。圖2顯示了在組裝所述卷繞式膜蒸餾組件100的過程中的一個(gè)中間狀態(tài)。如圖2所示，所述中心元件102有一個(gè)內(nèi)部通道106，該內(nèi)部通道具有兩個(gè)開口 108和110，分別位于，比如，中心元件102的軸向兩端。其中開口 108是密封的，開口 110未密封，用作中心元件內(nèi)部通道106的出口。用來成螺旋狀地設(shè)置于中心元件102的周圍以形成多層膜結(jié)構(gòu)104的膜堆疊組件111包括一個(gè)進(jìn)料輸送層112、一個(gè)折疊的透氣不透液的膜層113和一個(gè)蒸氣層114。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述卷繞式膜蒸餾組件100可通過以下步驟制成(a)將進(jìn)料輸送層112從其的一端邊沿(下文稱為進(jìn)料輸送層112的最內(nèi)端邊沿)開始在中心元件102上纏繞一圈或多圈，其余未纏繞的部分向中心元件102的一側(cè)延伸；(b)將透氣不透液的蒸餾膜層113疊放中心元件102上，并沿中心元件102折疊，折疊后的兩半將所述進(jìn)料輸送層112未纏繞的部分夾在中間；(c)將蒸氣層114疊放在所述中心元件102上，使得該蒸氣層114與所述蒸餾膜層113折疊后的其中一半同延；(d)沿箭頭180所指方向轉(zhuǎn)動(dòng)中心元件102，使得各層的未纏繞部分纏繞在中心元件102上。通過所述方法，所述膜堆疊組件成螺旋狀地被纏繞于所述中心元件102上，使得進(jìn)料輸送層112與中心元件102接觸，蒸氣層114不與中心元件102接觸。所述中心元件102還包括用來使中心元件102的內(nèi)部通道106和進(jìn)料輸送層112之間實(shí)現(xiàn)流體連通的手段，比如通孔120。如圖3所示，所述膜堆疊組件完全纏繞在所述中心元件102上之后，在中心元件 102周圍形成一個(gè)圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)130，從而得到組裝好的膜蒸餾組件100。所述圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)130具有兩個(gè)相對的軸向端面132和134、以及一個(gè)柱狀外表面136。可對所述多層膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)料輸送層和蒸氣層進(jìn)行適當(dāng)密封以形成合適的進(jìn)料溶液流道和蒸氣流道。圖4示意性地顯示了進(jìn)料溶液層112和蒸氣層114是如何密封的，以及溶液和蒸氣是如何流動(dòng)的。如圖4所示，所述進(jìn)料輸送層在其軸向兩端的邊沿都用密封劑116進(jìn)行了密封，以防止進(jìn)料輸送層內(nèi)的溶液從這兩邊流出，而其最外端邊沿未密封，用作將進(jìn)料溶液引入進(jìn)料輸送層的入口。所述蒸氣層在其最外端邊沿及其中一個(gè)軸向端邊沿用密封劑118進(jìn)行了密封，而其另一個(gè)軸向端邊沿未密封，用作蒸氣的出口。如圖5所示，所述膜蒸餾組件100可安裝在一個(gè)外殼150內(nèi)，比如，可使中心元件102的軸向一端與外殼150的一個(gè)開口 152相對，將中心元件102的軸向另一端固定在外殼150的另一個(gè)開口 154處，從而將所述蒸餾組件100安裝在外殼150內(nèi)。使用時(shí)，可通過比如真空泵，向蒸氣層中施加一個(gè)負(fù)壓。從外殼的入口 156引入的進(jìn)料溶液，比如含有鹽、糖或蛋白質(zhì)等溶質(zhì)的水，從位于圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)130的外表面136上的原液輸送層112的未密封的最外端邊沿138進(jìn)入到原液輸送層112。在原液輸送層112內(nèi)的溶液沿螺旋線路向內(nèi)流向中心元件102的內(nèi)部通道106，并從出口 110流出，最后以濃縮液的形式從外殼出口 154流出外殼150。在所述進(jìn)料輸送層112中的溶液，從溶液最初接觸進(jìn)料輸送層112之處流向中心元件的內(nèi)部通道106的過程中，溶液的一部分蒸發(fā)并透過膜層進(jìn)入蒸氣層。在蒸氣層中的蒸氣沿膜蒸餾組件100的軸向流向圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)130的端面134，并從位于該端面134上的蒸氣層的未密封的軸向端邊沿流出。在所述柱狀結(jié)構(gòu)130的外表面136和所述外殼150的內(nèi)表面之間有一個(gè)密封兀件170,用來防止所述從端面134流出的蒸氣與所述從外殼入口 156引入的進(jìn)料溶液之間直接進(jìn)行接觸或流通。所述密封元件170的設(shè)置可將所述從端面134流出的蒸氣引到外殼150的開口 152處，使其從開口 152處流出外殼。在上述情形下，所述膜蒸餾組件使得蒸氣沿最短的路徑從蒸氣層中流出，從而將蒸氣的壓降降低到了最小，克服了蒸氣背壓的問題，從而可以獲得一個(gè)更高的流量。在圖示的實(shí)施例中，所述卷繞式膜蒸餾組件100包括單個(gè)的進(jìn)料輸送層112。在另一些實(shí)施例中，卷繞式膜蒸餾組件也可能包括復(fù)數(shù)個(gè)進(jìn)料輸送層。比如，在圖6所示的實(shí)施例中，一種卷繞式膜蒸餾組件200包括兩個(gè)進(jìn)料輸送層212和214。多個(gè)進(jìn)料輸送通道的使用可減小進(jìn)料溶液的壓降。如圖7和8所示，在另一個(gè)實(shí)施例中，一種卷繞式膜蒸餾組件300包括一個(gè)中心元件302和一個(gè)成螺旋狀地設(shè)置于所述中心元件周圍的多層膜結(jié)構(gòu)304。所述中心元件302包括一個(gè)內(nèi)部通道306，該內(nèi)部通道有開口 308和310，該開口308和310可分別位于中心元件302的軸向兩端。其中，開口 308是密封的，而開口 310未密封，用作出口。用來成螺旋狀地設(shè)置于 中心元件302的周圍以形成多層膜結(jié)構(gòu)304的膜堆疊組件311包括一個(gè)進(jìn)料輸送層、一個(gè)折疊的透氣不透液的膜層和一個(gè)蒸氣層。所述進(jìn)料輸送層在其最外端邊沿以密封劑316密封，而其軸向兩端邊沿未密封，分別作為進(jìn)料溶液進(jìn)入和離開所述進(jìn)料輸送層的入口和出口。所述蒸氣層在其軸向兩端的邊沿以及其最外端邊沿都以密封劑318進(jìn)行了密封，以防止蒸氣層內(nèi)的蒸氣從這些邊沿流出，促使蒸氣沿螺旋線路流向中心元件302的內(nèi)部通道306?？赏ㄟ^一定的方法，比如，與前述組裝卷繞式膜蒸餾組件100的方法相類似的一種方法，將所述膜堆疊組件以螺旋狀的形式設(shè)置在中心元件302的周圍，使得蒸氣層與中心元件接觸，而進(jìn)料輸送層不與中心元件接觸。所述中心元件302包括用來使中心元件302的內(nèi)部通道306與蒸氣層相通的結(jié)構(gòu)，如通孔320等。所述膜堆疊組件完全纏繞在所述中心元件302上之后，在中心元件302周圍形成一個(gè)圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)330，從而得到組裝好的膜蒸餾組件300。所述圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)330具有兩個(gè)相對的軸向端面332和334。如圖8所示，所述膜蒸餾組件300可安裝在一個(gè)外殼350內(nèi)，比如，可使中心元件302的軸向一端與外殼350的一個(gè)開口 352相對，將中心元件302的軸向另一端固定在外殼350的另一個(gè)開口 354處，從而將所述蒸餾組件300安裝在外殼350內(nèi)。使用時(shí)，可通過比如真空泵，向蒸氣層中施加一個(gè)負(fù)壓。從外殼的入口 356引入的進(jìn)料溶液從原液輸送層的其中一個(gè)未密封的軸向端邊沿進(jìn)入到原液輸送層，該未密封的軸向端邊沿位于圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)330的端面334上的。在原液輸送層內(nèi)的溶液沿所述膜蒸餾組件300的軸向流向圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)330的另一個(gè)端面332，以濃縮液的形式從位于該端面332上的原液輸送層的另一個(gè)未密封的軸向端邊沿流出。所述溶液在進(jìn)料輸送層中流動(dòng)的過程中，溶液中的一部分蒸發(fā)并透過膜層進(jìn)入蒸氣層。在蒸氣層中的蒸氣沿螺旋線路向內(nèi)流向中心元件302的內(nèi)部通道306，并從中心元件302的出口 310流出，最后從外殼出口354流出外殼350。在所述柱狀結(jié)構(gòu)330的外表面336和所述外殼350的內(nèi)表面之間有一個(gè)密封元件370，其在軸向上位于靠近端面334的位置，用來防止所述從端面332流出的濃縮液與所述從外殼入口 356引入的進(jìn)料溶液之間直接進(jìn)行接觸或流通。所述密封元件370的設(shè)置可將所述從端面332流出的蒸氣引到外殼350的開口 352處，使其從該開口 352處流出外殼，而不會(huì)與密封元件370另一側(cè)的進(jìn)料溶液混到一起。在上述情形下，所述膜蒸餾組件的進(jìn)料輸送層中的溶液的路徑較短，可降低進(jìn)料溶液的壓降，提高膜蒸餾的效率。如圖9和10所示，在又一實(shí)施例中，一種卷繞式膜蒸餾組件500包括一個(gè)中心元件502和一個(gè)成螺旋狀地設(shè)置于所述中心元件周圍的多層膜結(jié)構(gòu)504。所述中心元件502包括一個(gè)內(nèi)部通道506，該內(nèi)部通道有入口 508和出口 510，該入口 508和出口 510可分別位于中心元件502的軸向兩端。所述中心元件的內(nèi)部通道506在一個(gè)在軸向上位于所述入口 508和出口 510之間的位置509上被隔開，使得該內(nèi)部通道506形成了被隔開的第一通道512和第二通道514，并阻隔了第一通道512和第二通道514之間的直接流體流通。其中入口 508在第一通道512處，出口 510在第二通道514處。本文所說的“直接流體流通”是指流體未經(jīng)多層膜結(jié)構(gòu)504中的任何部分，比如進(jìn)料輸送層，而直接在兩個(gè)區(qū)域間進(jìn)行流體流通。舉例來說，在圖示的實(shí)施例中，從入口 508引入到第一通道512中的進(jìn)料溶液在沒有流經(jīng)進(jìn)料輸送層中的任何部分的情況下不能直接流向第二通道514。用來成螺旋狀地設(shè)置于中心元件502的周圍以形成多層膜結(jié)構(gòu)504的膜堆疊組件511包括一個(gè)進(jìn)料輸送層、一個(gè)折疊的透氣不透液的膜層和一個(gè)蒸氣層。所述進(jìn)料輸送層在其軸向兩端邊沿及最外端邊沿都用密封劑524進(jìn)行了密封，以防止進(jìn)料輸送層內(nèi)的溶液從這些邊沿流出。所述蒸氣層在其最外端邊沿以及其中一個(gè)軸向端邊沿用密封劑526進(jìn)行了密封，而其另一個(gè)軸向端邊沿未密封，用作蒸氣流出蒸氣層的出口。進(jìn)料輸送層還進(jìn)一步用密封劑528沿一條線進(jìn)行了密封，該密封線從進(jìn)料輸送層的最內(nèi)端邊沿上靠近內(nèi)部通道506被隔開的位置509處開始，比如，從進(jìn)料輸送層的最內(nèi)端邊沿與中心元件502上與 509對應(yīng)的位置接觸之處開始，向進(jìn)料輸送層的最外端邊沿延伸至進(jìn)料輸送層的最外端部分529，其中該最外端部分529靠近進(jìn)料輸送層的最外端邊沿。所述密封劑528形成的密封線將所述進(jìn)料輸送層的除最外端部分529的其余部分分成了第一部分516和第二部分518?？赏ㄟ^一定的方法，比如，與前述組裝卷繞式膜蒸餾組件100的方法相類似的一種方法，將所述膜堆疊組件以螺旋狀的形式設(shè)置在中心元件502的周圍，使得進(jìn)料輸送層與中心元件502接觸，而蒸氣層不與中心元件502接觸。所述中心元件502包括用來使第一通道512與進(jìn)料輸送層的第一部分516相通的結(jié)構(gòu)，如通孔520，以及用來使第二通道514與進(jìn)料輸送層的第二部分518相通的結(jié)構(gòu)，如通孔522。在上述情形下，從第一通道512進(jìn)入到進(jìn)料輸送層第一部分516的溶液沿螺旋線路向外流向進(jìn)料輸送層的最外端部分529,在該最外端部分529處轉(zhuǎn)向并流入進(jìn)料輸送層第二部分518，在進(jìn)料輸送層第二部分518內(nèi)沿螺旋線路向內(nèi)流向第二通道514，因此，在其以濃縮液得形式進(jìn)入第二通道514之前，溶液在進(jìn)料輸送層內(nèi)的流道長度幾乎是進(jìn)料輸送層的長度L的兩倍。本文所說的“進(jìn)料輸送層的長度L”是指在進(jìn)料輸送層所形成的螺旋方向上，從進(jìn)料輸送層的最內(nèi)端開始到進(jìn)料輸送層的最外端的長度。所述膜堆疊組件完全纏繞在所述中心元件502上之后，在中心元件502周圍形成一個(gè)圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)530，從而得到組裝好的膜蒸餾組件500。所述圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)530具有兩個(gè)相對的軸向端面532和534。所述膜蒸餾組件500可以安裝在一個(gè)外殼550內(nèi)，比如，可分別將中心元件502的軸向兩端固定在外殼550的入口 552和出口 554處，從而將所述蒸餾組件500安裝在外殼550內(nèi)。使用時(shí)，可通過比如真空泵，向蒸氣層中施加一個(gè)負(fù)壓。從外殼的入口 552引入的進(jìn)料溶液從入口 508流入中心元件502的第一通道512，然后流入進(jìn)料輸送層。在進(jìn)料輸送層中的溶液沿螺旋線路向外流向進(jìn)料輸送層的最外端部分529，在該最外端部分529轉(zhuǎn)向后沿螺旋線路向內(nèi)流向第二通道514，然后以濃縮液的形式從出口 510流出第二通道514，最后從外殼出口 554流出外殼。在所述進(jìn)料輸送層中的溶液，從溶液最初接觸進(jìn)料輸送層之處流向第二通道514的過程中，溶液的一部分蒸發(fā)并透過膜層進(jìn)入蒸氣層。在蒸氣層中的蒸氣沿膜蒸餾組件500的軸向流向圓柱狀纏繞結(jié)構(gòu)530的端面532，并從位于該端面532上的蒸氣層未密封的軸向端邊沿流出，最后從外殼開口 556流出外殼550?？赏ㄟ^密封元件實(shí)現(xiàn)所述內(nèi)部通道504在位置509處的密封，所述密封元件包括可拆卸地安裝于中心元件內(nèi)的密封元件或是與所述中心元件一體成形的密封元件。在本實(shí)施例中，由于進(jìn)料溶液分別從中心元件502上的入口 508和出口 510流入和流出膜蒸餾組件500，當(dāng)膜蒸餾組件500安裝在外殼中時(shí)，不需要加設(shè)額外的密封元件，組件500本身已能保證良好的氣液密封。另外，由于蒸氣層中蒸氣的壓降低，所述組件500還可實(shí)現(xiàn)較高的蒸餾流量。前述多個(gè)實(shí)施例中所描述的膜蒸餾組件可讓蒸氣沿最短的路徑流出蒸氣層，從而減小蒸氣的壓降，或是讓溶液沿最短的路徑流出進(jìn)料輸送層，減小溶液的壓降。此外，由于冷凝發(fā)生在液體飽和溫度下，該飽和溫度是冷凝器內(nèi)壓力的函數(shù)，當(dāng)膜蒸餾組件產(chǎn)生的蒸
氣進(jìn)入冷凝器內(nèi)進(jìn)行冷凝時(shí)，壓力的降低會(huì)導(dǎo)致冷凝需在更低的溫度下發(fā)生，因此壓降的減小也可以減小溫降，從而提高使用所述膜蒸餾組件的膜蒸餾系統(tǒng)的熱效率。本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀本文后，可理解本發(fā)明在膜蒸餾組件的制造成本和操作簡便程度上也具有很大的優(yōu)勢。雖然結(jié)合特定的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種卷繞式膜蒸餾組件，其包括 中心元件，設(shè)有內(nèi)部通道；以及 多層膜結(jié)構(gòu)，成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍，所述多層膜組件包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層，至少一個(gè)透氣不透液的膜層、和至少一個(gè)蒸氣層，其中所述蒸氣層中施加有一個(gè)負(fù)壓， 其中，所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得所述組件用于將一個(gè)進(jìn)料溶液分成蒸氣和濃縮液體時(shí)，可讓所述進(jìn)料溶液在所述進(jìn)料輸送層中沿所述組件的軸向流動(dòng)，或讓所述蒸氣在所述蒸氣層中沿所述組件的軸向流動(dòng)。
2.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得進(jìn)料溶液可沿螺旋方向流向所述中心元件的內(nèi)部通道，而蒸氣可在所述蒸氣層內(nèi)沿所述組件的軸向流動(dòng)。
3.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述進(jìn)料輸送層的軸向兩端的邊沿是密封的，而所述進(jìn)料輸送層的最外端的邊沿未密封，用作進(jìn)料溶液進(jìn)入所述進(jìn)料輸送層的開口，所述蒸氣層的最外端的邊沿和其中一個(gè)軸向端的邊沿是密封的，而另一個(gè)軸向端的邊沿未密封，用作蒸氣出口。
4.如權(quán)利要求I所述的模組，其中所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得進(jìn)料溶液可在所述進(jìn)料輸送層內(nèi)沿所述組件的軸向流動(dòng)，而蒸氣可沿螺旋方向流向所述中心元件的內(nèi)部通道。
5.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述進(jìn)料輸送層的最外端的邊沿是密封，而所述進(jìn)料輸送層的軸向兩端的邊沿未密封，分別用作進(jìn)料溶液進(jìn)入和離開所述進(jìn)料輸送層的開口，所述蒸氣層的軸向兩端的邊沿和最外端的邊沿都是密封的。
6.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述中心元件包括隔離開的第一和第二通道、位于第一通道處的入口和位于第二通道處的出口 ；其中所述多層膜結(jié)構(gòu)使得從所述第一通道引入到所述進(jìn)料輸送層中的進(jìn)料溶液可沿螺旋方向向外流向所述進(jìn)料輸送層的最外端部分，在該最外端部分轉(zhuǎn)向后，再沿螺旋方向向內(nèi)流向所述第二通道，而蒸氣可在所述蒸氣層內(nèi)沿所述組件的軸向流動(dòng)。
7.如權(quán)利要求6所述的組件，其中所述隔離開的第一和第二通道是通過在一個(gè)位于中心元件的軸向兩端之間的位置將所述中心元件的內(nèi)部通道進(jìn)行阻隔形成的。
8.如權(quán)利要求6所述的組件，其中所述進(jìn)料輸送層的軸向兩端的邊沿和最外端的邊沿是密封的，且所述進(jìn)料輸送層進(jìn)一步沿一條線進(jìn)行密封，該線從所述進(jìn)料輸送層的最內(nèi)端的邊沿靠近所述第一和第二通道被隔離開的位置處開始，向所述進(jìn)料輸送層的最外端部分延伸。
9.如權(quán)利要求6所述的組件，其中所述蒸氣層的最外端邊沿和其中一個(gè)軸向端的邊沿是密封的，而另一個(gè)軸向端的邊沿未密封，用作蒸氣出口。
10.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述組件不包括整合于該組件內(nèi)的冷凝結(jié)構(gòu)，使得蒸氣可以以未冷凝的形式流出所述組件。
11.如權(quán)利要求I所述的組件，其中所述組件的密封結(jié)構(gòu)使其可在高于100°c的溫度下操作使用。
12.—種膜蒸懼方法,該方法包括 提供一個(gè)卷繞式膜蒸餾組件，該組件由多層膜結(jié)構(gòu)成螺旋形地卷繞于一個(gè)中心元件的周圍形成，其中所述多層膜結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層、至少一個(gè)透氣不透液的膜層和至少一個(gè)蒸氣層； 向所述蒸氣層施加一個(gè)負(fù)壓； 向所述進(jìn)料輸送層中引入一種進(jìn)料溶液，當(dāng)所述進(jìn)料溶液在進(jìn)料輸送層中流動(dòng)的過程中，使得該進(jìn)料溶液中的一部分蒸發(fā)并透過所述透氣不透液的膜層進(jìn)入所述蒸氣層， 其中所述進(jìn)料輸送層中的進(jìn)料溶液和所述蒸氣層中的蒸氣中的至少一個(gè)是沿所述卷繞式膜蒸餾組件的軸向流動(dòng)的。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括在所述卷繞式膜蒸餾組件的外部冷凝所述蒸氣。
14.一種卷繞式膜蒸餾組件，其包括 中心元件，其包括隔離開的第一和第二通道、位于第一通道的入口和位于第二通道的出口；以及 多層膜結(jié)構(gòu)，其成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍，該多層膜結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層、至少一個(gè)透氣不透液的膜層和至少一個(gè)蒸氣層，其中所述蒸氣層內(nèi)施加有負(fù)壓， 其中所述多層膜結(jié)構(gòu)的進(jìn)料輸送層可使從所述第一通道引入的進(jìn)料溶液沿螺旋方向向外流向所述進(jìn)料輸送層的最外端部分，在該最外端部分轉(zhuǎn)向后，再沿螺旋方向向內(nèi)流向所述第二通道。
15.如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述隔離開的第一和第二通道是通過在一個(gè)位于中心元件的軸向兩端之間的位置將所述中心元件的一個(gè)內(nèi)部通道進(jìn)行阻隔形成的。
16.如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述進(jìn)料輸送層的軸向兩端的邊沿和最外端的邊沿是密封的，且所述進(jìn)料輸送層進(jìn)一步沿一條線進(jìn)行密封，該密封線從所述進(jìn)料輸送層的最內(nèi)端的邊沿靠近所述第一和第二通道被隔離開的位置處開始，向所述進(jìn)料輸送層的最外端部分延伸。
17.如權(quán)利要求16所述的組件，其中所述進(jìn)料輸送層的除其最外端部分的其他部分被所述密封線分隔成第一部分和第二部分，所述中心元件包括可使所述第一通道與所述進(jìn)料輸送層第一部分進(jìn)行流體流通的結(jié)構(gòu)、和可使所述第二通道與述進(jìn)料輸送層第二部分進(jìn)行流體流通的結(jié)構(gòu)。
18.如權(quán)利要求14所述的組件，其中該組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置可使得進(jìn)料溶液在以濃縮液形式進(jìn)入所述第二通道之前，其在所述進(jìn)料輸送層內(nèi)的流道長度至少是進(jìn)料輸送層長度的I.5 倍。
19.如權(quán)利要求14所述的組件，其中所述蒸氣層的最外端邊沿和其中一個(gè)軸向端邊沿是密封的，而另一個(gè)軸向端邊沿未密封，用作蒸氣出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種卷繞式膜蒸餾組件及膜蒸餾方法。該膜蒸餾組件包括中心元件和成螺旋形地卷繞于所述中心元件的周圍的多層膜結(jié)構(gòu)。所述中心元件設(shè)有內(nèi)部通道。所述多層膜組件包括至少一個(gè)進(jìn)料輸送層，至少一個(gè)透氣不透液的膜層、和至少一個(gè)蒸氣層，其中所述蒸氣層中施加有一個(gè)負(fù)壓。所述組件的結(jié)構(gòu)設(shè)置使得所述組件用于將一個(gè)進(jìn)料溶液分成蒸氣和濃縮液體時(shí)，可讓所述進(jìn)料溶液在所述進(jìn)料輸送層中沿所述組件的軸向流動(dòng)，或讓所述蒸氣在所述蒸氣層中沿所述組件的軸向流動(dòng)。
文檔編號B01D61/36GK102895880SQ20111021694
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者安德魯.夏皮羅, 楊海, 喻獻(xiàn)國, 泰德.安德森, 史蒂文.克魯斯, 王晨, 雷暉 申請人:通用電氣公司