膜蒸馏布置.pdf

本发明涉及一种膜蒸馏布置(100)，其包含：至少两个分配器(120)，每一个分配器(120)具有顶部(122)与基部(124)以及在至少一个在该顶部(122)与基部(124)之间延伸的侧(126)；至少一个选自膜、热交换部件或它们的组合的传递元件(132)，每一个传递元件(132)具有顶部(134)与基部(136)，每一个传递元件(132)在两个分配器(120)之间支撑；多个周边密封(130)，至少一个周边密封(130)围绕每一个传递元件(132)的所述顶部(134)或所述基部(136)的周边延伸，每一个周边密封(130)在每一个传递元件(132)所述相应的顶部(134)或基部(136)与分配器(120)相应的邻近表面之间形成基本流体紧密封和流体流动空间(140、141)。每一个分配器(120)包括至少一个侧入口(114)和至少一个侧出口(116)，每一个侧入口(114)和侧出口(116)延伸到每一个分配器(120)的所述至少一侧内，并且在邻近的传递元件(132)与分配器(120)的所述各自的应邻近面之间形成的所述各自的流体流动空间(140、141)流体连通。

1.  一种膜蒸馏布置，其包含：
至少两个分配器，每一个分配器具有顶部与基部以及在至少一个在所述顶部与基部之间延伸的侧；
至少一个选自膜、热交换部件或它们的组合的传递元件，每一个传递元件具有顶部与所述基部，每一个传递元件在两个分配器之间支撑；以及
多个周边密封，每一个传递元件的所述顶部或所述基部的周边围绕延伸至少一个周边密封，每一个周边密封在每一个传递元件所述相应的顶部或基部与分配器相应的邻近表面之间形成基本流体紧密封和流体流动空间；
其特征在于，每一个分配器包括至少一个侧入口和至少一个侧出口，每一个侧入口和侧出口延伸到每一个分配器的所述至少一侧内，并且与在邻近的传递元件与所述分配器的各自的邻近面之间形成的所述各自的流体流动空间流体连通。

2.  根据权利要求1所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个侧入口和侧出口横向地延伸到每一个分配器的所述至少一个侧内。

3.  根据权利要求1或权利要求2所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述侧入口和侧出口中的每一个包含在所述分配器内形成的通道，每一个通道包括延伸到每一个分配器的所述侧内的进入段，以及在所述通道内分流成两个分开的通道的流动分流段，所述分开的通道延伸至在每一个分配器的所述顶部或所述基部上形成的所述流体流动空间中的一个。

4.  根据权利要求3所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述流动分流部包含Y接头或T接头中的至少一个。

5.  根据权利要求3或权利要求4所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述流动分流段的所述两个分开的通道与所述第一段垂直地延伸到在每一个分配器的所述顶部或基部上形成的所述各自的流体流动空间。

6.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述侧入口和侧出口包括经配置连接到至少一个外部管配件或与至少一个外部管配件连接的紧固结构。

7.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个分配器包括多个以定距离间隔的侧入口和多个以定距离间隔的侧出口。

8.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个分配器的侧入口和侧出口位于每一个分配器的大致相对侧上。

9.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个分配器各自的侧入口和侧出口分别以流体方式连接到在每一个分配器内形成的入口流体管和出口流体管。

10.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个分配器包含板。

11.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，每一个分配器由刚性材料，优选金属、陶瓷、塑胶等构造。

12.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述周边密封包含柔性垫圈。

13.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述周边密封由聚合物，优选硅橡胶形成。

14.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述周边密封包括围绕所述流体流动空间的所述周边延伸的连续完整的密封边缘。

15.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，周边密封的所述厚度尺寸适于在分配器的所述各自的邻近面和传递元件之间产生流体流动空间。

16.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，还包括在至少一个传递元件和至少一个分配器之间间隔元件，其位于所述周边密封内。

17.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述膜是不润湿的多微孔膜。

18.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述热传递部件包含金属元件或陶瓷元件。

19.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述热传递部件包含导热板，优选热传递板。

20.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，还包括多个通常垂直延伸通过每一个分配器以互连所述布置的紧固元件。

21.  根据权利要求20所述的膜蒸馏布置，其特征在于，所述紧固元件延伸通过每一个分配器的所述周边，并且通过每一个周边密封。

22.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，包含至少两个传递元件，至少一个传递元件包含膜且至少一个传递元件包含热传递组件。

23.  根据前述权利要求中的任一项所述的多层膜蒸馏布置，其特征在于，包含至少三个分配器。

24.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，包括至少一个包含至少两个热交换段的膜蒸馏热交换器段，所述热交换段包括在至少两个分配器之间支撑的热传递元件和至少一个包括至少一个在两个分配器之间支撑的膜的膜蒸馏段。

25.  根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其特征在于，还包括顶盖和底盖，所述至少两个分配器在所述顶盖和所述底盖之间支撑，每一个传递元件在以下中的至少一个之间支撑：所述顶盖和分配器；所述底盖和分配器；或两个分配器。

26.  一种膜蒸馏模块，其包括根据前述权利要求1至权利要求25中的任一项所述的膜蒸馏布置。

27.  一种膜蒸馏系统，其包含：
根据前述权利要求中的任一项所述的膜蒸馏布置，其包括至少一个在第一分配器和第二分配器之间支撑的膜；
包含注入到所述第一分配器的所述侧入口的组分的混合物的汽化流；
注入到所述第二分配器的所述侧入口的冷凝流；
其特征在于，在使用中，所述汽化流和所述冷凝流通过该膜以流体连接，并且所述膜便于所述汽化流的至少一个挥发组分传递到该冷凝流内。

28.  根据权利要求27所述的膜蒸馏系统，其特征在于，包含直接接触式膜蒸馏(DCMD)、空气隙膜蒸馏(AGMD)、扫气膜蒸馏(SGMD)、真空膜蒸馏(VMD)系统中的至少一种。

29.  根据权利要求27或权利要求28所述的膜蒸馏系统，其还包含：
第一热交换段，其包括至少在第三分配器和第四分配器之间支撑的第一热传递元件；
第二热交换段，其包括至少在第五分配器和第六分配器之间支撑的第二热传递元件；
注入到所述第三分配器的侧入口内的热工艺流；
包含注入到所述第四分配器的侧入口内的组分的混合物的汽化流；
注入到所述第五分配器的侧入口内的冷凝流；
以及注入到所述第六分配器的侧入口的冷工艺流；
其特征在于，在使用中，所述第一热交换部件便于热能从所述热工艺流传递至所述汽化流以加热所述汽化流；以及
所述第二热传递部件便于热能从所述冷凝流传递至所述冷工艺流。

30.  根据权利要求27、权利要求28、权利要求29所述的膜蒸馏系统，其中所述工艺流热和冷工艺流是以下中的至少一种：
在协同定位的或一般工业过程中分别冷却并加热的工艺流；
用于在该工艺或工厂中的利用内部热循环的工厂或工业工艺的内部工艺流。

31.  一种膜蒸馏布置，其包含：
顶盖；
底盖；
至少一个在所述顶盖和所述底盖之间的分配器，每一个分配器具有顶部和基部以及至少一个在所述顶部和所述基部之间延伸的侧；
至少一个选自膜、热传递部件或它们的组合的传递元件，每一个传递元件具有顶部和基部，每一个传递元件在在以下中的至少一个之间支撑：所述顶盖和分配器；所述底盖和分配器；或两个分配器；
多个周边密封，至少一个周边密封围绕每一个传递元件的所述顶部或所述基部的所述周边延伸，每一个周边密封在每一个传递元件的各自的顶部和基部和所述顶盖、所述底盖或分配器的各自的邻近面之间形成基本流体紧密封和流体流动空间；
其特征在于，每一个分配器包括至少一个侧入口和至少一个侧出口，每一个侧入口和侧出口延伸到每一个分配器的所述至少一个侧内，并且与在所述邻近传递元件和所述顶盖、所述底盖或分配器的各自的邻近面之间形成的所述各自的流体流动空间以流体连接。

膜蒸馏布置
技术领域
本发明一般来讲涉及膜蒸馏布置和设备。本发明特别适合在水处理应用中使用，并且这将方便在下文中公开涉及到该实例性应用的本发明。然而，应当理解本发明不限于该应用，并且可以用于包括流体处理工艺步骤的任何工艺系统、工艺联动装置或工厂。
背景技术
以下关于本发明的背景的讨论旨在帮助理解本发明。然而，应当理解本讨论不是确认或承认所参考的材料中的任一项在本申请的优先权日是公布的、已知的或公知常识。
膜蒸馏是一种可以用于生产经纯化的工艺用水的工艺。膜蒸馏是一种分离方法，此方法在该膜的一侧使用多孔膜把蒸汽相从热汽化液体进料(或渗余液)中分离出来，并且在另一侧将该蒸汽传递至冷冷凝器、渗透流体或在一些情况下传递至冷表面。用于扩散的驱动力是由穿过该膜的温度差或在该渗透侧降低的蒸气压力产生的蒸汽压力差。利用在汽化流体中的不同组分的相对挥发度实现分离，通过对流机制或扩散机制使得高挥发性汽化流体中的组分的蒸汽能够通过该膜孔。保留的组分通过膜材料的疏水性保持在该汽化流体中，该膜材料对液相是屏障但是允许蒸汽通过该膜。在任何情况下，蒸汽渗透穿过多孔膜，并且在较冷的流体中，或在该冷凝渗透侧的表面上，或在外部安装的冷凝器单元内冷凝。因此，冷凝的蒸汽从该渗余液中除去，并因此有利于将蒸汽从该渗余液中分离。此类有利效果的实例是盐水脱盐。
存在四种主要类型的膜蒸馏体系：
1.直接接触式膜蒸馏(DCMD)，其中暖的汽化流和冷冷凝流(馏分流)两个都与该膜直接接触。
2.空气隙膜蒸馏(AGMD)，其中接触该冷凝流的冷凝器表面通过空气隙与该膜分离。
3.扫气膜蒸馏(SGMD)，其中该汽化流的汽化的部分通过惰性气体以蒸汽形式除去。
4.真空膜蒸馏(VMD)，其中该汽化流的汽化的部分通过真空以蒸汽形式除去。
常常，膜蒸馏设备采用单个膜层布置。然而，当构造多层设备时，该膜通常支撑在支承板上和支承板之间，同时垫圈密封设置在每一个板之间以围绕每一个膜层产生流体密封。支承板中的每一个通常配置有入口通道和出口通道，所述通道包含一系列对齐的垂直(相对于该膜和支承板的纵向平面)延伸穿过设备的各支承板、密封和其他层的通道和缝隙。这种配 置需要该入口和出口的流体传输通道穿过所述各种密封垫圈延伸。所得的在密封垫圈内的流体传输缝隙会损害支承板之间的密封完整性。
可以通过在该叠堆中的每一层之间使用多个密封和/或更严格且更紧的密封协议和紧固布置改进密封以改善密封。然而，那些多层模块设计会使得装配和拆卸困难，例如更换被弄湿或弄脏的膜。此类布置还会导致流动到该膜的流体较差的最佳分布。
在俄罗斯专利公布RU2040314C1中提供一个先前的膜蒸馏布置的实例。该专利申请描述了包含热交换室、膜蒸馏入口室以及膜蒸馏出口室的叠堆布置的多层膜蒸馏装置。热交换室、膜蒸馏入口室以及膜蒸馏出口室中的每一个使用其中包括空间的支撑框架的堆叠布置形成。热交换室的该支撑框架通过热交换板在两侧上支撑并靠近，并且膜蒸馏室的该支撑框架用疏水多微孔膜在两侧上支撑并靠近。
尽管所述支撑框架的使用可有助于密封，但是布置的入口和出口管仍由对齐的通道和缝隙形成在布置的各个层中的垂直(相对于该膜和支撑框架的纵向长度)流动形成。每一个支撑框架和密封包括对齐的用于流体流动的缝隙。每一层密封还包括补充的流体流动缝隙以调节在该框架中的流体管。这些流体流动缝隙是密封最弱的区域，因为密封的这些段不是固体并且在压力下可能变形。
还应注意，热交换室和膜蒸馏入口室包含分型面流体循环，其中该热进料流体在该室里流过由隔离板形成的台阶结构。本申请人认为，在该布置内的热进料容易通过该隔离与其自身交换热量，这由于该进料在该隔离的一侧的流入以更高的温度至在该隔离的另一侧流出而导致热量损失。
因此，期望提供代替的和/或改进的膜蒸馏布置，其具有改进的密封、尤其在膜叠堆中的层之间便于组装。
发明内容
本发明的第一个方面提供膜蒸馏布置，其包含：
至少两个分配器，每一个分配器具有顶部与基部以及在至少一个在该顶部与基部之间延伸的侧；
至少一个选自膜、热交换部件或它们的组合的传递元件，每一个传递元件具有顶部与基部，每一个传递元件在两个分配器之间支撑；
多个周边密封，每一个传递元件的顶部或基部的周边围绕延伸至少一个周边密封，每一 个周边密封在每一个传递元件相应的顶部或基部与分配器相应的邻近表面之间形成基本流体紧密封和流体流动空间；
其中每一个分配器包括至少一个侧入口和至少一个侧出口，每一个侧入口和侧出口延伸到每一个分配器的至少一侧内，并且在邻近的传递元件与分配器的各邻近面之间形成的各自的流体流动空间流体连通。
因此，本发明提供多层膜蒸馏布置，其与现有的多层膜蒸馏布置相比具有代替的和/或改进的密封。新布置的关键是分配器的配置。不同于现有布置，该入口和出口配置不包括延伸穿过在层之间的流体密封的流体通道。与之相反，每一个分配器包括引导水流入该传递元件紧邻的流体流动通道的侧入口和侧出口，该侧入口和侧出口引导流体从传递元件之间的布置流入和流出。所有的入口和出口流体流动在每一个分割器板之间或在每一个分割器板内内在化。这种布置能够方便沿每一个膜层的每一侧的独立流量分布，同时提高物理完整性以确保有效的密封和结构支撑。
为了调节间隔(优选形成至少部分所述流体通道)和密封的目的，该布置还包括周边密封。该密封不包括任何用于层之间的入口或出口流体流动的液体连通通道。这种布置考虑到如完整垫圈的更容易的密封可以在该布置的堆叠的临近部件之间密封。因此，这种布置增加了易组装性、能够简单液体密封并且包括直接流入该流体流动通道。
侧入口和侧出口能够在任何适合的方向进入分配器的侧。在优选的实施例中，每一个侧入口和侧出口横向延伸进入每一个分配器的至少一个侧。
每一个侧入口和侧出口之间的流体连接与传递元件和分配器之间的流体流动空间可以采取任何适合的形式。在一些实施例中，该流体连接包含通道、管、槽、口或类似的中的一个。这种流体连接优选用通道的形式。该通道优选经配置将每一个侧入口和侧出口连接，优选独立地连接到在每一个分配器的顶部和基部上的两个独立流体流动空间中的一个。因此，每一个侧入口和侧出口优选包含在该分配器内形成的通道，其中每一个通道包括延伸到每一个分配器侧面内的进入段，和通道分离成两个分开的通道的流动分流段，分开两个通道延伸至在每一个分配器的顶部或基部上形成的流体流动空间中的一个。该流体分流段可以采取任何适合的形式，例如，Y、T或其他三接头形连接。在优选的实施例中，该流动分流段的两个分开的通道优选基本上与第一段垂直地延伸至在每一个分配器顶部或基部上形成的各自流体流动空间。
该侧入口和侧出口的位置有利地允许外部配件如管配件紧固到在该分配器的各出口和入 口的开口内。因此，在一些实施例中，该侧入口和侧出口包括经配置连接到至少一个外部管配件连接的紧固结构。该紧固结构可以包含任何适合的元件，诸如卡扣连接、扣连接器、管连接器等。在一优选的实施例中，该紧固结构包括螺纹开口，例如螺纹孔。
在其他实施例中，每一个分配器的各侧入口和侧出口分别以流体方式连接至在每一个分配器内形成的入口流体管和出口流体管。每一个分配器的入口流体管和出口流体管可以包含在每一个分配器内的伸长的通道，该通道可以流体方式连接至流体分布布置，例如连接到容器和泵的管道网络。在一些实施例中，每一个分配器的入口流体管和出口流体管可以通过外部管配件或类似物连接至独立的流体分布布置。在其他实施例中，每一个分配器的入口流体管和出口流体管分别连接至公用流体分布布置，例如公用分布管。优选地，每一个分配器的入口流体管和出口流体管经配置分隔分布管以便分隔流过该膜分布布置的不同的流体流动路径。在这点上，入口流体管优选连接至入口流体分布布置，并且出口流体管优选连接至出口流体分布布置。
每一个分配器可以包括任何数目的侧入口和侧出口。其中提供多个侧入口和侧出口，入口和出口的数目由在该流动空间内充分混合和横跨该传递元件的流体阻力的平衡确定。优选的是各侧入口和侧出口沿分配器的边以一定距离间隔。此外，优选的是提供相同数目的侧入口和侧出口以便提供均匀流过在该传递元件和分配器顶部或基部之间的各流体流动空间。此外，每一个分配器各侧入口和侧出口优选位于每一个分配器的大致相对侧上。
该分配器可以具有任何合适的配置，例如板、块、楔等。在一些实施例中，每一个分配器包含一块板。该板可以具有任何期望的形状，包括(但不限于)矩形、圆形或正多边形，诸如正六边形、正八边形或正方形。每一个分配器优选由刚性材料构造，诸如金属、陶瓷、塑胶等。在一些实施例中，该分配器由有机玻璃材料构成。
该周边密封在该传递元件和该分配器的各邻近面之间提供流体密封，且适用于顶盖和底盖。该周边密封优选包含围绕该传递元件的周边延伸的密封体，更优选流体流动空间。该周边密封的密封体优选不包括任何流体流动缝隙或开口。该周边密封优选包含柔性元件，例如柔性垫圈。该周边密封优选由一种或多种聚合物，例如橡胶，诸如硅橡胶形成。该周边密封优选包括连续的完整的密封边缘，其围绕该流体流动空间的周边延伸以便使该传递元件和一个或多个分配器的邻近面之间的密封完整性达到最大。
一个或多个流体流动空间或通道被设计在该传递元件和分配器的各邻近面之间，其中流体在邻近传递元件处并且在该侧入口和侧出口之间流动。在一些实施例中，周边密封的厚度 尺寸设计为适于在分配器的各自的邻近面和传递元件的邻近面之间的流体流动空间。该空间的部分或全部也可以被设计在该支承板的配置内。例如，在一些实施例中，每一个支承板可包括形成在该分配器的各邻近面和传递元件之间的流体流动空间至少一部分的凹口。
在一些实施例中，该流动空间通过在至少一个传递元件和至少一个分配器之间并入间隔元件，例如粗糙网孔材料维持，其位于该周边密封内。该间隔元件作为固定厚度间隔物，其产生尺寸一致的流动空间。优选地，该网孔流动间隔物经配置还促进沿该流动空间的湍流，该流动空间有助于从该流体到该传递元件的热交换。
对于膜蒸馏，该传递元件中的至少一个包含膜。该膜作为在汽化流和冷凝流之间的物理屏障，其只允许蒸汽从该热汽化流运输到该冷却的冷凝流。任何适合的膜可以用于本发明的布置中，其包括聚合物膜、有机膜、无机(包括陶瓷)膜，以及具有选择能力的无机和聚合物的膜(即，渗透汽化膜)。该膜优选基本上疏水的，并且更优选不润湿的并且微多孔的。适合的膜的实例包括乙烯三氟氯乙烯(海拉尔)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚偏二氟乙烯(PVDF)基的膜。该膜优选平面膜，其包括(但不限于)片、管、板、垫类等。
本发明的膜蒸馏布置可以包括通过两个分配器之间的热交换部件的包含物的热交换器段或区域。该热交换部件将能量从该热交换部件的一侧上的一种流体流动传递到该热交换部件的另一侧上的另一个以流体方式分开的流动。该热交换部件可以包含任何适合的材料，其包括(但不限于)金属、陶瓷、聚合物(例如塑胶)、它们的组合等。该热交换部件优选包含导热板，优选热传递板。因此，对于具有热传递段的膜蒸馏，至少两个热传递元件用于该布置，至少一个传递元件包含膜并且至少一个传递元件包含热传递部件。
该膜蒸馏布置还可以包括用于将该布置的各个层和部件紧固在一起的多个紧固元件。该紧固元件优选通常垂直地延伸穿过每一个分配器板以连接该布置。在一些实施例中，紧固元件延伸穿过每一个分配器的周边并且穿过每一个周边密封。该紧固件优选经配置将该膜蒸馏布置的层压缩在一起。
该紧固元件优选配置为以足够的力将分配器与周边密封夹在一起以提供液体紧密封。在一些实施例中，使用包含连接在刚性金属框架内的金属板的顶盖和底盖实现夹住，该顶盖和底盖包括产生它们之间的夹力的紧固元件。
该膜蒸馏布置可以包括任何数目的分配器。在一些实施例中，该布置包括至少两个分配器，并且更优选并联的分配器。在一些实施例中，3、4、5、10，或20或更多的分配器可以 在该堆叠的布置中使用。
在一些实施例中，该膜蒸馏布置可以经配置产生如申请人的国际专利申请PCT/AU2012/000215所描述和教导的膜蒸馏热交换器系统和/或设备，该国际专利申请的内容通过引用的方式并入本说明书。此类膜蒸馏布置可以优选包括至少一个包含至少两个热交换段的膜蒸馏热交换器段，该热交换段包括在至少两个分配器之间支撑的热传递元件和至少一个包括至少一个在两个分配器之间支撑的膜的膜蒸馏段。
在一些实施例中，该膜蒸馏布置还包含顶盖和底盖，该至少两个分配器在该顶盖和底盖之间支撑，每一个传递元件在以下中的至少一个之间支撑：该顶盖和分配器；该底盖和分配器；或两个分配器。
该顶盖和底盖包含形成该布置上的上部壳体和下部壳体的压盖部件。在一些实施例中，顶盖和/或底盖可以包括至少一个入口、至少一个出口或两者都包括。该顶盖和底盖的入口和出口与在邻近传递元件和该顶盖或底盖的各面之间形成的所述流体流动室以流体连通。
在一些实施例中，该顶盖和/或底盖形成为分开的部件。在其他实施例中，该顶盖和/或底盖形成更大部件的部分，例如骨架、壳体等。该顶盖和底盖也优选由刚性材料，诸如金属、陶瓷、塑胶等构造。在一些实施例中，该顶盖和底盖包含板。
本发明的第二个方面提供膜蒸馏布置，其包含：
顶盖；
底盖；
至少一个分配器，优选至少两个分配器，其在该顶盖和该底盖之间，每一个分配器具有顶部和基部以及至少一个在该顶部和基部之间延伸的侧；
至少一个选自膜、热传递部件或它们的组合的传递元件，每一个传递元件具有顶部和基部，每一个传递元件在在以下中的至少一个之间支撑：该顶盖和分配器；该底盖和分配器；或两个分配器；
多个周边密封，至少一个周边密封围绕每一个传递元件的顶部或基部的周边延伸，每一个周边密封在每一个传递元件的各自的顶部和基部和该顶盖、该底盖或分配器的各自的邻近面之间形成基本流体紧密封和流体流动空间；
其中每一个分配器包括至少一个侧入口和至少一个侧出口，每一个侧入口和侧出口延伸到每一个分配器的所述至少一个侧内，并且与在该邻近传递元件和该顶盖、该底盖或分配器的各自的邻近面之间形成的各自的流体流动空间以流体连接。
本发明的第三个方面提供膜蒸馏系统，其包含：
根据本发明所述第一个方面和第二个方面的膜蒸馏布置，其包括至少一个在第一分配器和第二分配器之间支撑的膜；
包含注入到所述第一分配器的侧入口内的组分的混合物的汽化流；
注入到所述第二分配器的侧入口内的冷凝流；并且
在使用中，该汽化流和该冷凝流通过该膜以流体连接，并且该膜便于该汽化流的至少一个挥发组分传递到该冷凝流内。
本发明可以包含任何常规的膜蒸馏设备或系统，其包括(但不限于)直接接触式膜蒸馏(DCMD)、空气隙膜蒸馏(AGMD)、扫气膜蒸馏(SGMD)、真空膜蒸馏(VMD)。
再次，该系统可以优选布置以产生如在申请人的国际专利申请PCT/AU2012/000215(国际专利公开W02012/116409A)中所描述和教导的膜蒸馏热交换器系统和/或设备。此类膜蒸馏热交换器系统优选地还包含：
第一热交换段，其包括至少在第三分配器和第四分配器之间支撑的第一热传递元件；
第二热交换段，其包括至少在第五分配器和第六分配器之间支撑的第二热传递元件；
注入到所述第三分配器的侧入口内的热工艺流；
包含注入到所述第四分配器的侧入口内的组分的混合物的汽化流；
注入到所述第五分配器的侧入口内的冷凝流；以及
注入到所述第六分配器的侧入口的冷工艺流；
其中在使用中，所述第一热传递部件便于热能从该热工艺流传递至汽化流以加热该汽化流；以及
所述第二热传递部件便于热能从该冷凝流传递至该冷工艺流。
应当理解，热工艺流是指相对于该汽化流和该冷凝流具有温度差的工艺流，其中所述热工艺流具有比所述汽化流和该冷凝流更高的温度。类似地，该冷工艺流是指相对于该汽化流和该冷凝流具有温度差的工艺流，其中所述冷工艺流具有比所述汽化流和该冷凝流更低的温度。在那些具有热工艺流和冷工艺流的实施例中，应当理解该热流具有比该冷流更高的温度。该精确的温度和温度差依赖于汽化流期望的汽化温度和该冷凝流的冷凝温度。应当理解，因此大的温度差可以在本发明的范围内。
本发明所述的膜蒸馏系统和布置的一些实施例可以利用在协同定位或一般工业过程中的废热源(与有价值的源相对)加热该汽化流来驱动在该汽化流中的组分的分离。例如，在一 个实施例中，该热工艺流和/或冷工艺流是乳品加工厂的工艺流。例如，该热工艺流可以是乳清工艺流。此外，该汽化流可以是水流，处理过的废水流，并且在一些情况下当该废水流汽化的水组分通过该膜时基本上被纯化。在一些实施例中，该汽化流可以是经组分汽化器浓缩的水或液体流。
该热工艺流和冷工艺流优选在选协同定位的或一般工业过程中分别冷却和加热。这些流中每一个的的期望的温度通常可以通常被用在热交换器中以获得所述期望的温度。本发明的膜系统可以用在该热交换器中为该工艺中的工艺流体，例如工艺用水提供额外的流体处理益处。优选地，该热交换器系统的热工艺流和冷工艺流以流体方式分成汽化流和冷凝流。
本发明的所述膜蒸馏布置优选构造为模块。
附图说明
本发明通过参考附图中的图来描述，该附图示出本发明的具体优选的实施例其中：
图1是包含根据本发明的第一个实施例的膜蒸馏布置的膜蒸馏模块的透视图。
图1A是图1所示的膜蒸馏模块的侧视图。
图2是包含该图1所示的膜蒸馏模块的膜蒸馏布置的层的段的一般横截面视图。
图3是图2所示的膜蒸馏布置的分配器板的(A)侧视图和(B)俯视图。
图4是图2所示的膜蒸馏布置的顶板和底板的(A)侧视图和(B)俯视图。
图5是图2所示的膜蒸馏布置的周边密封的俯视图。
图6是根据本发明的第二个实施例的膜蒸馏布置的膜蒸馏模块的透视图
图7是图6所示的膜蒸馏布置的流体蒸馏布置的一般横截面视图。
图8是图6所示的膜蒸馏布置的流体蒸馏布置的横截面的侧视图。
图9是图6所示的膜蒸馏模块的分解的透视图。
具体实施方式
图1至图5示出包含根据本发明的第一个实施例的膜蒸馏布置的膜蒸馏模块100。图1、图1A和图2提供该膜蒸馏模块100的重要特征部件的综述。图3至图5提供膜蒸馏模块100的各个层的详细视图。
首先参考图1、图1A和图2，可以看到所示的膜蒸馏模块100具有包含外壳的多层结构，该外壳具有顶盖板110和底盖板112以及固定在他们中间的多个层115(下面更详细地描述)。 每一个所示层115中均具有一系列以定距离间隔的入口114和出口116。在所示实施例中，每一层的入口和出口被连接到并联的T型接合外部管配件119。然而，应理解其他配件同样可以使用。
如在图4中最好地所示，该顶盖板110和底盖板112包含矩形板，其具有一系列围绕该周边的以定距离间隔的紧固孔113，其经配置用于容纳紧固件的轴，例如延长的螺栓或如图1所示的紧固杆129。如下面将要解释的，该模块100的各个层115包括补充紧固缝隙使紧固杆129能够将该层115互连、紧固并配合地压缩在一起。该顶盖板110和底盖板112也优选由刚性材料，诸如金属、陶瓷、塑胶等构造。
保持在该顶盖板110和底盖板112之间的该堆叠层115的内部配置在图2中最好地示出，图2提供通过该模块100的三层的横断面视图，其穿过由在图1中的线A-A限定的面。应注意，该层115所示出的段的尺寸在图2中被放大以便更好地示出各个部件和在该模块100的多层结构内的流体流动。
如图2所示，该膜蒸馏布置的堆叠的多层布置包括重复的成层结构，其包含：分配器120、周边密封130、流动间隔物131、传递元件132、第二流动间隔物131、第二周边密封130，然后第二分配器120等在该顶盖板110和该底盖板120之间紧固。
如图2和图3所示，每一个分配器120包含平面的矩形板，其具有顶部面122和基部124以及至少四个在该顶部面122和该基部124之间延伸的侧126。虽然矩形板被示出，但是应当理解该分配器120可以具有任何期望的形状，其包括(但不限于)矩形、圆形或正多变形，诸如正六边形、正八边形或正方形。每一个分配器120由刚性材料，诸如金属、陶瓷、塑胶等构造。在所示的实施例中，该顶盖板110和底盖板112用铝构造，并且每一个分配器120由有机玻璃构造。然而，应该理解其他材料同样可以使用。
每一个分配器120还包括一系列围绕该周边以定距离间隔的紧固孔128，其经配置用于容纳紧固件的轴，例如伸长的螺栓或如图1所示的紧固杆129。再次，该模块100的各个层115包括足够的紧固孔，其使该紧固杆129能够将该层115互连、紧固并配合地压缩在一起。
每一个分配器120还包括一系列侧入口114和一系列延伸到每一个分配器120的对面的侧126内的侧出口116。如图1所示，该侧入口114和该侧出口116可以被连接到T接头外部管配件119。虽然未示出，但是应当理解，每一个侧入口114和侧出口116的开口是螺纹，其允许T接头外部管配件119的补充的螺纹管在那里紧固。
应当理解，其他流体管或流动配置也可以被用作替代形式或与外部管配件连接以进料流 过或流动到该侧入口114并且从该侧出口116流动。例如，该侧入口114和侧出口116可以形成具有或附接到每一个分配器120的流动管结构的主要段或形成的壳体。
每一个分配器120包括围绕每一个分配器120的所述周顶部122或所述基部124延伸的周边密封130。在每一个周边密封130之间保持的一般来讲是平面传递元件132。
如将在下面进一步所详细解释的，根据该模块100的特定段的应用的需要，该传递元件132可以包含膜、热传递板或它们的组合。不管该传递元件132的性质如何，每一个传递元件132具有顶部面134和基部136。在该多层堆叠中，每一个传递元件132可以在两个周边密封130之间支撑，该周边密封130保持在以下中的至少一个之间：该顶盖板110和分配器120；底盖板112和分配器120；或两个分配器120。如图2所示，在大多数情况下，该传递元件132支撑保持在两个分配器120之间的两周边密封130。
每一个周边密封130起在该邻近传递元件132和分配器120、顶盖板110或底盖板112之间形成流体紧密封的作用。如图5所示，每一个周边密封130包含矩形直线圈，其经配置并且大小适于围绕每一个传递元件132的周边配合。所示的周边密封130包含由聚合物，例如橡胶，诸如硅橡胶形成的柔性垫圈。如可以理解的，该周边密封130形成连续的完整的围绕该流体流动空间的周边延伸的密封边缘以便使在该传递元件130和该顶盖110、底盖112或分配器板120的邻近面之间的密封完整性达到最大。
每一个周边密封130包括一系列围绕该周边以定距离间隔的紧固孔133，其经配置容纳紧固件的轴，例如伸长的螺栓或如图1所示的紧固杆130。再次，该模块100的各个层115包括足够的紧固孔，其使该紧固杆129能够将各层115互连、紧固并配合地压缩在一起。尽管该紧固孔稍微减少了该密封面，但是该密封杆129提供该周边密封好的对齐，因此，该密封面的损失可以被容许。
如在图2中最好地示出，该周边密封130的厚度还在每一个邻近传递元件132的各自的顶部134或基部136和分配器120之间形成流体流动空间140和141。该流体流动空间140和141包含在每一个邻近传递元件132的各自的顶部134或基部136和分配器120之间的一般平面间隙，通过该平面间隙流体在该侧入口114和每一个分配器120的侧出口116之间流动，并且可以与该传递元件132接触。在热交换板的情况下，所述两个流体流动空间140、141起到热交换的作用。在膜的情况下，所述两个流体流动空间140、141便于蒸汽通过该膜从加热汽化流传送至冷却的冷凝流。
位于在该传递元件132和分配器120之间的所述周边密封130内的是流动间隔物131。 该间隔物131通常以网孔的形式。在这种情况下，该流动间隔物131是通常应用于反渗透膜元件结构中的盐水间隔物，例如，如用于陶氏化学反渗透膜元件的34密尔盐水间隔物。然而，应当理解，本发明的一些实施例可以不包括在一个或多个传递元件132和分配器120之间的流动间隔物131。
在膜的情况下，所述两个流体流动空间140、141通过该流动间隔物131维持，其便于加热流或冷却流沿该膜的所述面的湍流流动。这种在每一个流和该膜的密切接触促进蒸汽通过该膜从加热汽化流到冷却冷凝流的传输。
如在图2和图3中最好地示出，每一个分配器120的该侧入口114和该侧出口116与各自的流体流动空间140、141以流体连通，该流体流动空间140、141在每一个分配器120的各自的面和该传递元件132的邻近顶部134或基部136之间形成。
每一个分配器120的侧入口114和侧出口116的侧开口和所述流体流动空间140、141之间以流动通道150(图2)的形式流体连接。每一个流动通道150包括带卷送进段152，其横向地延伸到每一个分配器120的侧内，以及流动分流段154，其中该通道通过T接头分流成两条分开的通道，该通道在反方向延伸至形成于每一个分配器120的所述顶部122或所述基部124上的所述流体流动空间140、141。应当理解，在其他实施例中，该流动分流段154可以具有其他合适的形式，例如Y接头或其他三通接头。如在图3中最好地示出，在每一个分配器120的所述顶部122或所述基部124内的出口开口155可以包含伸长的开口，其具有喇叭口或其他方式扩大到该形状的通道。这种形状可以允许当进入各自的流体流动段140、141时，该流体流动速度慢。
应当理解，在该流动通道150内的所述T接头引导该入口流动到每一个分配器120的相对侧(顶部122或基部124)上的独立的流动内。该独立流动通过该分配器120的所述厚度分开。在一些实施例中，该流动通常在出口流动通道会集。在所示的实施例中，该出口流动通道150在该分配器120内的T接头内会集。
每一个分配器120的该侧入口114和侧出口116的该侧进入使该模块100的流体入口和出口能够被定位在每一个传递元件132之间。与现有膜蒸馏布置中的垂直通过该层115(包括密封和传递元件)相反，所有入口流体和出口流体在该传递元件132之间流入和流出该模块100。因为所有的入口流体流动和出口流体流动在每一个分配器120内或之间内在化，所以没有流体传输缝隙、管或空隙需要通过该传递元件132或周边密封130定位。
如上所述，该模块100包括多个紧固杆129，其通常垂直延伸通过所述顶盖110、周边密 封130、分配器120以及底盖112的配合、补充并对齐的紧固孔113、128以及133，以将该模块100的层115互连、紧固并压缩在一起。该紧固杆129经配置在该顶盖110和该底盖112之间用该周边密封130上的足够的力将该分配器120夹在一起以提供液体紧密封。虽然未示出，但是应当理解至少该杆129的末端可以是螺纹并被容纳在该顶盖110和该底盖112的螺纹紧固孔113内或容纳到补充螺帽内，然后其可以被拧紧以在该顶盖110和该底盖112之间在图2中箭头A的方向上压缩该模块100的层115。
该传递元件132的选择取决于在该膜蒸馏模块的特定段中的具体应用需要。
对于膜蒸馏，至少一个传递元件132包含膜。在膜蒸馏中，该膜作为在汽化流和冷凝流之间的物理屏障，其只允许蒸汽从该热汽化流运输到该冷却的冷凝流。可以使用任何适合的膜，诸如(但不限于)乙烯三氟氯乙烯(海拉尔)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚(偏二氟乙烯)(PVDF)基的膜。
在需要热交换器段的情况下，该传递元件132可以包含热传递板。该热传递板将能量从在该热传递板的一侧上的一个流体流动传递到在该热传递板的另一侧上的另一个以流体方式分开的流动。该热传递板可以包含任何合适的导热材料，其包括(但不限于)金属、陶瓷、聚合物(诸如塑胶)、它们的组合等。
应当理解，热交换器元件和膜的组合可以适于某些应用，例如具有热交换段或类似物的膜，并且应该理解落入本发明的范围内。
在使用中，该膜蒸馏模块100可以被用于膜蒸馏。在这种布置中，该膜蒸馏布置可以包括至少一个在第一分配器120和第二分配器120之间支撑的膜传递元件132。在大多数实施例中，一些可以使用单独一个膜传递元件132，并且如图2所示布置，其具有在三个分配器板120之间固定的膜传递元件132。汽化流，例如在图2中的流200，包含注入所述第一分配器120的该侧入口内的组分的混合物。冷凝流，例如流210被注入到所述第二分配器120和所述第三分配器120的侧入口114内。在所示的实施例中，通过将汽化流和冷凝流注入到该模块100的不同侧设置逆流。然而，应当理解，横跨该膜传递元件132的并流也可以通过将这些流注入到所述相同的侧实现，并因此产生所述相同的流动方向。
在每一种情况下，该汽化流200和冷凝流210在相应的箭头方向上逆流流过该分配器通道150并流过该各自的流体流动空间140、141。在该流体流动空间141、142中，该汽化流200和冷凝流210通过该膜以流体连接。该膜便于该汽化流200的至少一种挥发组分传递到该冷凝流210内。
应当理解，在该模块100中的膜115可以被布置以产生如发明人的国际专利申请PCT/AU2012/000215(国际专利公开W02012/116409A)所描述和教导的膜蒸馏热交换器系统和/或设备。此类热交换器膜蒸馏布置可以优选包括至少两个热交换段和至少一个膜蒸馏段。再次，在每一个热交换段内的传递元件132可以包含在两个分配器120之间支撑的热交换板。类似地，在每一个膜蒸馏段内的该传递元件132可以包含在两个分配器120之间支撑的膜。然后，如先前所述，膜蒸馏工艺可以在汽化流和冷凝流之间运行。此外，热传递还可以在热工艺流和冷工艺流之间实现，其中第一热传递段便于热能从该热凝流传递至该汽化流以加热该汽化流，并且第二热传递段便于热能从该冷凝流传递至该冷工艺流。
图6至图9示出包含根据本发明的第二个实施例的膜蒸馏布置的膜蒸馏模块300。
图6提供该膜蒸馏模块300的外部透视图。图9提供该模块300的分解的透视图。与第一个实施例相似，该膜蒸馏模块300具有多层结构，其包含具有顶盖板310和底盖板312以及紧固在它们之间的多个层315(在下面详细描述)的外壳。
该顶盖板310和底盖板312包含具有一系列围绕该周边以定距离间隔的紧固孔313(图7)的矩形板，该紧固孔313经配置容纳该紧固件的轴(虽然未在图6中示出，但是例如，如图1所示伸长的螺栓或紧固杆129)。与第一个实施例相似，该模块300的各个层315包括补充紧固设备，其使该紧固杆129能够将该层315互连、紧固并配合地压缩在一起。该顶盖板310和底盖板312也优选由刚性材料，诸如金属、陶瓷、塑胶等构造。
保持在该顶盖板310和底盖板312之间的该堆叠层315的内部配置具有如关于图2所示出并描述的类似配置，并且应当理解，以上说明图2的说明同样应用于本实施例的堆叠层315的内部。同时参考图7(外部横截面)、图9(分解图)和图2(内部横截面)，该膜蒸馏布置的本实施例的该堆叠多层布置还包括重复成层结构，其包含：分配器320(图7、图9)或120(图2)、周边密封130、流动间隔物131(在图9中未示出)、传递元件132、第二流动间隔物131(在图9中未示出)、第二周边密封130，然后第二分配器320(图7、图9)或120(图2)等紧固在该顶盖板310和该底盖板320之间。这些堆叠层315的配置和操作同以上第一实施例的相关描述。
该第二膜蒸馏布置实施例300不同于第一个实施例所描述的通过在该进口314A和出口316A与该层315之间流体连接配置的该膜蒸馏布置100。在第二个实施例中，进口314A和出口316A被提供在该模块的角落，其以流体方式连接到延伸通过每一个层315的厚度的公用分布管318、318A。在所示的实施例中，该进口314A和出口316A包含螺纹管，该螺纹管螺纹 地容纳在固定到该顶盖板310和底盖板312中的每一个的角落内的螺纹底座321内。每一个分配器320的各侧入口314和侧出口316在伸长的每一个分配器320内形成的分布器通道350中内部形成。每一个分布器通道350形成公用流体管，并形成在该侧入口314和侧出口316与延伸通过该层315的该流体分布管318(入口)或318A(出口)中的每一个之间的连接。如在图7和图8中最好地示出，每一个分配器320还包括使流体能够在相应流体分布管318(入口)或318A(出口)和分布器通道350之间连通的流体流动缝隙365。
每一个分布器350包括在每一个分配器320的边缘内伸长的管，其与该流体分布管318(入口)或318A(出口)以流体连通。在本实施例中，每一个分布器通道350延伸该分配器320的大部分长度，在该分配器320的角落的槽口362终止。每一个角落槽口362包含位于该分配器320的对角线角落的正方形挖去(图9)，该分配器位于装配时在该邻近分配器的流体分布管318(入口)或318A内待对齐的位置。
每一个分布器通道350也是通过配置为槽(图7)的侧入口314和侧出口316与在该分配器320之间的流体流动空间140、141(图2)以流体连通。应当理解，如关于图2所示出并描述，侧入口314和侧出口316连接到具有进入段152和流动分流段154的相似流动通道150。
该侧入口314和侧出口316提供横向的侧进入到每一个分配器320内，从而使该模块300的流体入口和出口能够位于每一个传递元件132之间。与第一个实施例类似，所有的入口流体和出口流体在该传递元件132之间流入和流出该模块300。
每一个相应流体分布管318(入口)或318A(出口)以流体方式连接到备用分配器320的该流体流动空间140、141。通过使用放置在每一个流体分布管318(入口)或318A(出口)内的流体不透过衬套364完成流体流动分离，流体分布管318(入口)或318A(出口)在分配器320之间分隔各自的流动路线。如在图8和图9中最好地示出，该衬套364包含位于该流体分布管318(入口)或318A(出口)的流体管段，其阻止流体在该流体分布管318(入口)或318A(出口)选择的段和选择的分布器通道350之间连通。在所示的实施例中，该衬套364包含与该分配器320相同的材料形成的圆柱形管，其粘合到该分配器320上以形成关于该流体流动缝隙365的延伸的流体通道，该流体流动缝隙365在该选择的流体分布管318(入口)或318(出口)位置内的每一个相应分配器320内。然而，应当理解，该衬套364可以整体地形成或以别的方式在那个位置连接(螺纹连接或类似的)
该衬套364在该分配器320内的适当位置被连接并密封，该衬套364在所需要的位置穿 过邻近分配器的角落槽口362。如在图8中最好地示出，该衬套364被设计成围绕分配器320的半个厚度延伸，以便与来自另一个分配器320(来自备用层)的另一个衬套364交叉并密封。每一个分配器的上述角落槽口362起提供空间以允许邻近分配器的该衬套364交叉的作用，并且在该空间内提供流体密封。然而，应当理解，其他配置(诸如延伸分配器的全部厚度的衬套或类似的)是可以的。密封垫圈380和382用于在邻近衬套364(密封垫圈382)的该各自的毗连端和衬套364的邻近端与该入口314A和出口316A之间密封。在衬套364、入口314A和出口316A的这些邻近端之间的压缩产生流体紧密封。应该注意的是，如果那些密封失败，那么任何损失的流体将向外泄漏到通过周边密封130在层315的层结构内形成流体紧密封的层315。
使用本布置使到该流体流动空间140、141的通道入口314和出口316的尺寸能够更大(在第二个实施例中的槽314、316与第一个实施例中的圆形孔114、116相比)，并且因此减少与较小的通道有关的流动限制问题。尽可能低的流动限制有益于通过较高流动速率、在膜上较低的压力和驱动水循环需要的较低的泵送能量。
应当理解，本发明的所示实施例的步骤的优点包括：
1)使用简单的周边垫圈简单有效的密封，其使流动传送到该膜的每一侧同时也在该膜垫圈上产生均匀的力；以及
2)使用如刚性介质的分配器引导流动至通道以使在该模块外面连接，而同时使用在每一个分配器内的整体通道以引导该流动至沿着该膜的侧的正确位置。
本领域的技术人员将理解，本文所述的本发明是易受除了那些具体描述之外的变型和修改影响的。应当理解的是，本发明包括所有此类变型和修改，其将落入本发明的实质和范围内。
在该术语“包含”、“包含”、“包含的”、“包含”被用于本说明书(包括权利要求书)的情况下，虽然它们被解释为详细指明所述的特征、整数、步骤或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、部件或其集合的存在。