Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции
Изобретение относится к устройству многоступенчатой мембранной дистилляции. Устройство содержит нагревательную ступень, несколько ступеней конденсации/выпаривания и ступень конденсации, через которые последовательно течет жидкость, концентрацию которой требуется повысить, причем каждая ступень конденсации/выпаривания содержит конденсаторный блок и выпарной блок, причем соответствующий конденсаторный блок содержит первую паровую камеру, частично ограниченную стенкой конденсации, а соответствующий выпарной блок содержит вторую паровую камеру, частично ограниченную паропроницаемой, но непроницаемой для жидкости стенкой мембраны, и в соответствующей ступени конденсации/выпаривания предусмотрен проточный канал, образованный между конденсаторным блоком и примыкающим к нему выпарным блоком, который проводит концентрируемую жидкость, так что концентрируемая жидкость нагревается от стенок конденсации, а пар, образующийся из концентрируемой жидкости, проникает через стенку мембраны во вторую паровую камеру. При этом пар, образующийся на предшествующей ступени, проводится в конденсаторный блок следующей ступени по паровому каналу, проводящему исключительно этот пар и ведущий его дальше исключительно на следующую ступень. Изобретение обеспечивает улучшение устройства многоступенчатой мембранной дистилляции. 13 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к устройству многоступенчатой мембранной дистилляции со ступенью нагрева, по меньшей мере c одной, предпочтительно с несколькими ступенями конденсации/выпаривания и ступенью конденсации, через которые последовательно течет жидкость, концентрацию которой требуется повысить, причем каждая ступень конденсации/выпаривания содержит соответственно несколько конденсаторных блоков и несколько выпарных блоков, а также несколько параллельных проточных каналов, образованных соответственно между конденсаторным блоком и примыкающим к нему выпарным блоком, которые проводят концентрируемую жидкость, причем соответствующий конденсаторный блок содержит первую паровую камеру, по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации, а соответствующий выпарной блок содержит вторую паровую камеру, по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, непроницаемой для жидкости стенкой мембраны, и в соответствующей ступени конденсации/выпаривания предусмотрен по меньшей мере один проточный канал, образованный между таким конденсаторным блоком и таким примыкающим к нему выпарным блоком, который проводит концентрируемую жидкость, так что концентрируемая жидкость нагревается от стенок конденсации, а пар, образующийся из концентрируемой жидкости, проникает через стенку мембраны во вторую паровую камеру.
В документах WO 2005/089914 и WO 2007/054311 описано устройство мембранной дистилляции этого типа, содержащее две ступени конденсации/выпаривания.
До сих пор предлагалось собирать пар с разных ступеней в боковых паровых каналах (см. еще не опубликованную заявку DE 102009020128).
Так как в таких паровых коллекторных каналах объемы пара суммируются, а также встречаются высокие скорости потока и высокие потери на трение, размеры конструкций устройства мембранной дистилляции с большим числом узлов определяются, в частности, скоростью потока.
Устройство мембранной дистилляции, известное из WO 2005/089914, собирает пар, образованный на предшествующей ступени, и подает его по паропроводу на следующую непосредственно за ней ступень, где он затем распределяется по конденсаторным блокам этой ступени. Но вышеупомянутые проблемы возникают также и здесь.
В основе изобретения стоит главным образом задача разработать улучшенное устройство многоступенчатой мембранной дистилляции указанного во введении типа, которое устраняет названные выше проблемы, в частности, также и при повышенном числе ступеней.
Согласно изобретению, эта задача решена тем, что пар, образующийся в соответствующей паровой камере соответствующей предшествующей ступени, проводится в конденсаторный блок следующей непосредственно за ней ступени по паровому каналу, проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень, причем пар, образующийся в соответствующей паровой камере предшествующей ступени, проводится по соответствующему паровому каналу только в один конденсаторный блок непосредственно следующей ступени.
Благодаря такой структуре конструкция устройства мембранной дистилляции с большим числом узлов или ступеней больше практически никак не ограничивается скоростью пара.
Выгодно также, в частности, если для образования парового канала между выпарным блоком предшествующей ступени и конденсаторным блоком непосредственно следующей за ней ступени выпарной блок имеет паровыпускной канал, а конденсаторный блок имеет канал впуска пара, и оба блока расположены таким образом, чтобы они своим сторонами, содержащими паровыпускной канал, соответственно канал впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
Согласно одной предпочтительной на практике форме осуществления, нагревательная ступень, в которой подогревается концентрируемая жидкость, содержит по меньшей мере один нагревательный блок и по меньшей мере один выпарной блок, причем соответствующий нагревательный блок содержит камеру теплоносителя, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой теплопроводящей стенкой, а соответствующий выпарной блок содержит паровую камеру, по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, но непроницаемый для жидкости стенкой мембраны, и в нагревательной ступени предусмотрен по меньшей мере один, образованный между нагревательным блоком и примыкающим к нему выпарным блоком, проточный канал, который проводит концентрируемую жидкость, так что концентрируемая жидкость подогревается от непроницаемой теплопроводящей стенки, а пар, образующийся из концентрируемой жидкости, попадает через стенку мембраны в паровую камеру.
При этом пар из паровой камеры выпарного блока нагревательной ступени по паровому каналу, проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень конденсации/выпаривания, предпочтительно проводится в конденсаторный блок этой, непосредственно следующей ступени конденсации/выпаривания, причем пар из паровой камеры выпарного блока нагревательной ступени переводится по соответствующему паровому каналу только в один конденсаторный блок непосредственно следующей ступени конденсации/выпаривания.
Нагревательная ступень может иметь несколько нагревательных блоков и/или несколько выпарных блоков, а также несколько параллельных проточных каналов, образованных между нагревательным блоком и соседним с ним выпарным блоком, которые проводят концентрируемую жидкость.
При этом выгодно, если для образования парового канала между выпарным блоком нагревательной ступени и конденсаторным блоком непосредственно следующей за ней ступени конденсации/выпаривания выпарной блок имеет паровыпускной канал, а конденсаторный блок имеет канал впуска пара, и оба блока расположены так, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал, соответственно канал впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
Предпочтительно, на ступени конденсации, следующей непосредственно за последней ступенью конденсации/выпаривания, подается пар с выпарного блока последней ступени конденсации/выпаривания.
При этом ступень конденсации предпочтительно содержит по меньшей мере один блок охлаждения и по меньшей мере один конденсаторный блок, причем соответствующий блок охлаждения содержит камеру охлаждающей жидкости, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой теплопроводящей стенкой, а соответствующий конденсаторный блок, в свою очередь, содержит по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации паровую камеру, на которую по паровому каналу подается пар с последней ступени конденсации/выпаривания, и на ступени конденсации по меньшей мере один блок охлаждения непосредственно примыкает к по меньшей мере одному конденсаторному блоку, так что стенка конденсации соответствующего конденсаторного блока охлаждается блоком охлаждения, но причем на практике между ними допустимо оставить зазор.
Пар из выпарного блока последней ступени конденсации/выпаривания целесообразно проводить в конденсаторный блок ступени конденсации по паровому каналу, проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на ступень конденсации.
Ступень конденсации может, в частности, содержать несколько блоков охлаждения и/или несколько выпарных блоков.
Предпочтительно, пар из паровой камеры выпарного блока последней ступени конденсации/выпаривания всегда проводится по соответствующему паровому каналу только в один конденсаторный блок ступени конденсации.
При этом выгодно, если для образования парового канала между выпарным блоком последней ступени конденсации/выпаривания и конденсаторным блоком непосредственно следующей за ней ступени конденсации выпарной блок имеет паровыпускной канал, а конденсаторный блок имеет канал впуска пара, и оба блока расположены так, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал, соответственно канал впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
Согласно одной предпочтительной на практике форме осуществления, устройство многоступенчатой мембранной дистилляции выполнено как модульная проточная система с множеством рамочных элементов, причем могут быть предусмотрены различные функциональные блоки, как, в частности, конденсаторный блок, выпарной блок, нагревательный блок и/или блок охлаждения, каждый в форме такого рамочного элемента. Рамочные элементы предпочтительно снабжены реберными структурами, посредством которых они могут соединяться друг с другом, в частности, для образования нагревательной ступени, ступени конденсации/выпаривания и/или ступени конденсации. Рамочные элементы могут содержать окруженную внешней рамкой внутреннюю область, которая предпочтительно снабжена дистанционным элементом 46, в частности, решетчатым, на обе стороны которого, в частности, для образования паровой камеры, камеры горячей жидкости или камеры охлаждающей среды, может быть нанесена, в частности, функциональная поверхность, предпочтительно пленка или мембрана.
Таким образом, устройство многоступенчатой или многоцелевой мембранной дистилляции может быть образовано, в частности, из рамочных элементов. Рамочные элементы могут иметь функциональные поверхностные покрытия. Допустимы, в частности, следующие типы рамочных элементов: рамочный элемент, снабженный с обеих сторон мембраной; рамочный элемент, снабженный с обеих сторон непроницаемой пленкой; обтянутый пленкой рамочный элемент, имеющий каналы для жидкости. Например, из таких рамочных элементов может быть выполнено устройство многоступенчатой мембранной дистилляции согласно изобретению.
В качестве теплоносителя на нагревательной ступени может применяться, например, вода. Однако в принципе нагрев может осуществляться также паром. В последнем случае многоцелевой процесс протекает в одном или нескольких конденсаторных блоках, в которые подается пар.
В нагревательных блоках разогревается жидкость, концентрацию которой требуется повысить. Концентрируемая жидкость может подаваться прямоточно пару, в противотоке пару и/или пошагово.
Предпочтительно, раствор для сгущения находится на всех ступенях при температуре кипения, соответствующей абсолютному давлению в паровой камере примыкающего выпарного блока, как это описано в документе WO 2007/054311, содержание которого тем самым введено в настоящую заявку.
Предпочтительно, устройство многоступенчатой мембранной дистилляции может также включать в себя предварительный подогрев жидкости, концентрацию которой требуется повысить, при котором концентрируемая жидкость поступает со ступени конденсации и проводится, например, в снабженные пленкой рамочные элементы. При этом концентрируемая жидкость подогревается, предпочтительно паром. До нагревательной ступени может проводиться вся концентрируемая жидкость, или на соответствующую ступень и в проточные каналы можно отводить количество концентрируемой жидкости, требующееся на одну ступень.
Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции может иметь корпус, вакуумплотный в отношении окружающей среды, в котором размещены различные ступени.
Пар, входящий в конденсаторные блоки, конденсируется на поверхностях конденсации. Соответствующая теплота передается концентрируемой жидкости от соответствующей поверхности. Образующийся здесь пар проходит через мембрану примыкающего выпарного блока, в паровую камеру, которая сообщается по давлению с паровой камерой конденсаторного блока непосредственно следующей ступени конденсации/выпаривания.
Камеры теплоносителя в нагревательных блоках нагревательной ступени соединены с секцией конденсации/выпаривания только через, например, предусмотренные в соответствующих рамочных элементах отверстия для неконденсирующихся газов в конденсаторных блоках и дроссель внизу для проведения дистиллята на секцию конденсации/выпаривания. В секции конденсации/выпаривания абсолютное давление ниже, чем на нагревательной ступени.
Пар, образующийся в паровой камере выпарного блока нагревательной ступени, может входить в находящуюся непосредственно напротив паровую камеру конденсаторного блока секции конденсации/выпаривания и конденсироваться там, но при этом между ними может все же оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята. Здесь также снова передается тепло, и в паровой камере соседнего выпарного блока, которая по уровню давления сообщается с паровой камерой соседнего конденсаторного блока секции конденсация/выпаривания, образуется новый пар.
Реберные структуры, которыми отдельные рамочные элементы могут соединяться друг с другом, могут представлять собой, например, сварные реберные структуры или клеевые структуры, посредством которых рамочные элементы могут быть приварены или приклеены друг к другу. В случае сварных структур для соединения рамочных элементов могут применяться, например, способы сварки трением, лазерной сварки и/или сварки с контактным нагревом.
С предлагаемым изобретением устройством многоступенчатой мембранной дистилляции достигаются, наряду с прочими, следующие преимущества:
Можно обеспечить очень большие поверхности обмена при малом объеме. Пар, выходящий из выпарного блока, входит на следующую за ним ступень в паровую камеру конденсаторного блока. Больше не суммируются никакие объемные потоки пара, так что больше не встречаются возрастающие скорости потока, которые до сих пор ограничивали в размерах конструкции тепловых установок.
Далее изобретение подробнее поясняется на примерах осуществления с обращением к чертежам, на которых показано:
| Фиг.1 | схематический вид сверху типичной формы осуществления устройства многоступенчатой мембранной дистилляции; |
| Фиг.2 | сопоставимая с формой осуществления с Фиг.1 форма осуществления устройства многоступенчатой мембранной дистилляции, причем дополнительно предусмотрен подогрев концентрируемой жидкости; |
| Фиг.3 | иллюстративная форма осуществления рамочного элемента, выполненного как конденсаторный блок, а также иллюстративная форма осуществления рамочного элемента, выполненного как выпарной блок, вид в перспективе; |
| Фиг.4 | схематический вид спереди рамочного элемента с Фиг.3, выполненного как выпарной блок; |
| Фиг.5 | схематический вид спереди рамочного элемента с Фиг.3, выполненного как конденсаторный элемент; |
| Фиг.6 | схематический вид спереди примерной формы осуществления рамочного элемента, который может применяться и как нагревательный блок, и как блок охлаждения; |
| Фиг.7 | схематический вид спереди примерной формы осуществления нагревательной ступени, ступени конденсации/выпаривания и ступени конденсации, содержащей устройство многоступенчатой мембранной дистилляции, и |
| Фиг.8 | схематическое перспективное изображение формы осуществления устройства многоступенчатой мембранной дистилляции, сопоставимой с формой осуществления согласно Фиг.7, в которой дополнительно предусмотрен также подогрев концентрируемой жидкости. |
Фиг.1 схематически показывает в виде сверху иллюстративную форму осуществления устройства 10 многоступенчатой мембранной дистилляции.
Как можно видеть, например, из изображенного на Фиг.1, устройство 10 многоступенчатой мембранной дистилляции содержит нагревательную ступень 28, предпочтительно несколько ступеней конденсации/выпаривания 121-123 и ступень конденсации 36. Через ступени 28, 121-123, 36 последовательно течет жидкость 14, концентрацию которой требуется повысить.
Каждая ступень конденсации/выпаривания 121-123 содержит по меньшей мере один конденсаторный блок K и по меньшей мере один выпарной блок V, причем конденсаторный блок K содержит первую паровую камеру 181, по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации 16, а выпарной блок V содержит вторую паровую камеру 182, по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, но непроницаемый для жидкости стенкой мембраны 20.
На каждой ступени конденсации/выпаривания 121-123 предусмотрен по меньшей мере один проточный канал 22, образованный между таким конденсаторным блоком K и таким примыкающим к нему выпарным блоком V, который проводит концентрируемую жидкость 14, так что концентрируемая жидкость 14 нагревается от стенки конденсации 16, а пар, образующийся из концентрируемой жидкости 14, поступает через стенку мембраны 20 во вторую паровую камеру 182.
При этом пар, образованный на предшествующей ступени 28, 121-123, проводится в конденсаторный блок K непосредственно следующей ступени 121-123, 36 по паровому каналу 24, 26 (см., например, Фиг.3-5), проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень 121-123, 36.
Предпочтительно, устройство 10 многоступенчатой мембранной дистилляции содержит более трех ступеней конденсации/выпаривания 121-123. Однако в принципе можно предусмотреть также менее трех таких ступеней конденсации/выпаривания.
В частности, как следует, например, из Фиг.7 и 8, можно также расположить несколько ступеней 28, 121-123, 36 друг под другом.
По меньшей мере одна ступень конденсации/выпаривания 121-123 может также содержать несколько конденсаторных блоков K и/или несколько выпарных блоков V, а также несколько параллельных проточных каналов 22, образованных между конденсаторным блоком K и примыкающим к нему выпарным блоком V, которые проводят концентрируемую жидкость 14.
Предпочтительно, пар, образующийся в паровой камере 182 предшествующей ступени 28, 121-123, проводится по соответствующему паровому каналу 24, 26 только в один конденсаторный блок K непосредственно следующей за ней ступени 121-123, 36.
Для образования соответствующего парового канала 24, 26 между выпарным блоком V предшествующей ступени 28, 121-123 и конденсаторным блоком K непосредственно следующей за ней ступени 121-123, 36 выпарной блок V может содержать паровыпускной канал 24 (см., например, Фиг.3 и 4), а конденсаторный блок K может содержать канал 26 впуска пара (см., например, Фиг.5). При этом оба блока V, K предпочтительно расположены так, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал 24, соответственно канал 26 впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята (см., например, Фиг.1).
На нагревательной ступени 26 подводимую концентрируемую жидкость можно нагревать. При этом такая нагревательная ступень 28 может содержать, например, по меньшей мере один нагревательный блок 301 и по меньшей мере один выпарной блок V, причем нагревательный блок 301 содержит камеру теплоносителя 34, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой теплопроводящей стенкой 32, а выпарной блок V содержит паровую камеру 182, по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, но непроницаемой для жидкости стенкой мембраны 20.
При этом в нагревательной ступени 28 можно предусмотреть по меньшей мере один, образованный между нагревательным блоком 301 и примыкающим к нему выпарным блоком V, проточный канал 22, который проводит концентрируемую жидкость 14, так что концентрируемая жидкость 14 подогревается от непроницаемой теплопроводящей стенки 32, а пар, образующийся из концентрируемой жидкости 14, попадает через мембрану 20 в паровую камеру 182.
Пар из паровой камеры 182 выпарного блока V нагревательной ступени 28 можно по паровому каналу 24, 26, проводящему исключительно этот пар и ведущий его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень конденсации/выпаривания 121-123, перевести в конденсаторный блок K этой непосредственно следующей ступени конденсации/выпаривания 121-123.
Нагревательная ступень 28 может содержать несколько нагревательных элементов 301 и/или несколько выпарных блоков V, а также несколько проводящих концентрируемую жидкость 14 параллельных проточных каналов 22, образованных между нагревательным блоком 301 и примыкающим к нему выпарным блоком V.
Предпочтительно, пар из паровой камеры 182 выпарного блока V нагревательной ступени 28 переводится по соответствующему паровому каналу 24, 26 только в один конденсаторный блок K непосредственно следующей за ней ступени конденсации/выпаривания 121-123.
Для образования парового канала 24, 26 между выпарным блоком V нагревательной ступени 28 и конденсаторным блоком K непосредственно следующей за ней ступени конденсации/выпаривания 121-123 выпарной блок V может содержать паровыпускной канал 24 (см., например, Фиг.3 и 4), а конденсаторный блок K может содержать канал 26 впуска пара (см., например, Фиг.5). При этом оба блока V, K могут быть расположены так, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал 24, соответственно канал 26 впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
На ступень конденсации 36, непосредственно следующую за последней ступенью конденсации/выпаривания 123, может подаваться пар с выпарного блока V последней ступени конденсации/выпаривания 123.
Как можно понять опять же из Фиг.1, ступень конденсации 36 может содержать по меньшей мере один блок охлаждения 301 и по меньшей мере один конденсаторный блок K. При этом блок охлаждения 302 может содержать камеру охлаждающей жидкости 38, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой теплопроводящей стенкой 32, а конденсаторный блок K, в свою очередь, может содержать, в частности, по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации 16 паровую камеру 181, на которую по соответствующему паровому каналу 24, 26 подается пар с последней ступени конденсации/выпаривания 123. На ступени конденсации K по меньшей мере один блок охлаждения 302 предпочтительно находится рядом с по меньшей мере одним конденсаторным блоком K, так что стенка конденсации 16 конденсаторного блока K охлаждается от блока охлаждения 302, причем в этом случае также можно оставить зазор.
Пар из выпарного блока V последней ступени конденсации/выпаривания 123 предпочтительно проводится по паровому каналу 24, 26, проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на ступень конденсации 36, в конденсаторный блок K ступени конденсации 36.
Ступень конденсации 36 может содержать несколько блоков охлаждения 302 и/или несколько выпарных блоков V.
Предпочтительно, пар из паровой камеры 182 выпарного блока V последней ступени конденсации/выпаривания 123 переводится по соответствующему паровому каналу 24, 26 только в один конденсаторный блок K ступени конденсации 36.
Для образования парового канала 24, 26 между выпарным блоком V последней ступени конденсации/выпаривания 123 и конденсаторным блоком K непосредственно следующей за ней ступени конденсации 36 выпарной блок V также может содержать паровыпускной канал 24, а конденсаторный блок K также может содержать канал 26 впуска пара. В таком случае оба блока V, K, в частности, снова могут быть расположены таким образом, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал 24, соответственно канал 26 впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
Равным образом, во всех упомянутых выше случаях паровой канал 24, 26 может быть образован, в частности, паровыпускном каналом 24 и каналом 26 впуска пара, если оба соответствующих блока V, K разместить относительно друг друга таким образом, чтобы они своими сторонами, содержащими паровыпускной канал 24 или канал 26 впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу, но чтобы при этом, однако, мог оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята.
В таком случае целесообразно, чтобы оба блока V, K в области этих каналов впуска и выпуска пара 24, 26 были так соединены друг с другом, чтобы пар из паровыпускного канала 24 мог попадать, предпочтительно по меньшей мере в основном, непосредственно в канал 26 впуска пара.
В нагревательной ступени 28 может иметь место, например, обогрев водой. Однако в принципе допустим также другой теплоноситель.
Отвод неконденсирующихся газов обозначен стрелками 66.
Процесс может обогреваться также паром, причем в этом случае соответствующий нагревательный блок может быть заменен, например, на конденсаторный блок.
В нагревательном блоке нагревается жидкость, концентрацию которой требуется повысить. Концентрируемая жидкость может вводиться, например, прямоточно пару, в противотоке пару и пошагово.
Как уже говорились вначале, для многоцелевого процесса жидкость, концентрацию которой требуется повысить, предпочтительно на всех ступенях находится при температуре кипения, соответствующей абсолютному давлению в паровой камере. При этом сошлемся еще раз, в частности, на документ WO 2007/054311, содержание которого включено в описание настоящей заявки.
Фиг.2 показывает форму осуществления устройства 10 многоступенчатой мембранной дистилляции, сопоставимую с формой осуществления с Фиг.1, причем, например, из Фиг.2 можно видеть, однако, что в устройстве 10 двухступенчатой мембранной дистилляции дополнительно можно предусмотреть подогрев 68 концентрируемой жидкости 14. Концентрируемая жидкость 14 может подаваться со ступени конденсации 36. При этом ее можно провести в блоки предварительного нагрева 50. Эти блоки предварительного нагрева 50 также могут содержать, например, жидкостную камеру 34, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой теплопроводящей стенкой 32. Подогрев может осуществляться, в частности, паром. В частности, можно провести всю концентрируемую жидкость 14 до нагревательной ступени 28 или можно, например, отводить на соответствующую ступень и в проводящие концентрируемую жидкость проточные каналы 22 количество концентрируемой жидкости, требующееся на одну ступень.
В остальном это, содержащее предварительный подогрев, устройство 10 многоступенчатой мембранной дистилляции может быть выполнено, например, так же, по меньшей мере в основном, как это было описано в связи с Фиг.1. Соответствующие друг другу детали обозначены одинаковыми позициями.
Как можно видеть, например, на Фиг.3-6, устройство 10 многоступенчатой мембранной дистилляции может быть выполнено, в частности, как модульная проточная система с множеством рамочных элементов. При этом, например, в форме таких рамочных элементов могут быть выполнены разные функциональные блоки, как, в частности, конденсаторный блок K, выпарной блок V, нагревательный блок 301, блок охлаждения 302 и/или устройство предварительного нагрева 50.
Рамочные элементы предпочтительно снабжены реберными структурами 40, которыми они могут соединяться друг с другом, в частности, для образования нагревательной ступени 28, ступени конденсации/выпаривания 121-123 и/или ступени конденсации 36. При этом различные рамочные элементы могут быть, например, приварены или приклеены друг к другу посредством реберных структур 40. Если, например, применяются сварные реберные структуры, то для соединения рамочных элементов могут применяться, например, способы сварки трением, лазерной сварки и/или сварки с контактным нагревом.
Рамочные элементы содержат каждый внутреннюю область 44, окруженную внешней рамкой 42, которая предпочтительно снабжена дистанционным элементом 46, в частности, решетчатым.
Фиг.3 показывает в виде в перспективе иллюстративную форму осуществления рамочного элемента, выполненного как конденсаторный блок K, а также иллюстративную форму осуществления рамочного элемента, выполненного как выпарной блок V.
В частности, для образования паровой камеры 181-182, камеры теплоносителя 34, камеры охлаждающей среды 38 или для создания устройства 50 предварительного нагрева на обе стороны такого, в частности, решетчатого дистанционного элемента 46 может быть нанесена, в частности, пленка или мембрана, чтобы образовать соответствующую функциональную поверхность.
При этом в случае конденсаторного блока K предпочтительно применять пленки, а в случае выпарного блока V предпочтительно применять паропроницаемые, но непроницаемые для жидкости мембраны.
На Фиг.3 оба рамочных элемента, выполненных в форме конденсаторного блока, соответственно выпарного блока V, расположены относительно друг друга в соответствии с выполняемой функцией, причем рамочный элемент, предусмотренный как конденсаторный блок K, может быть обтянут, в частности, конденсационной пленкой, а рамочный элемент, предусмотренный как выпарной блок V, может быть обтянут, в частности, мембраной. При нагреве устройства многоступенчатой мембранной дистилляции рамочный элемент, предусмотренный в качестве конденсаторного блока K, может быть открыт, например, влево и вниз, чтобы пар мог входить в этот конденсаторный блок K и конденсироваться в нем. На закрытых сторонах рамочный элемент, выполненный в качестве конденсаторного блока V, предпочтительно имеет в общей сложности по меньшей мере один или несколько проходов для неконденсирующихся газов.
В результате комбинации снабженного пленкой рамочного элемента, выполненного как конденсаторный блок K, и снабженного мембраной рамочного элемента, выполненного как выпарной блок V, между мембраной и пленкой образуется проточный канал 22, проводящий концентрируемую жидкость.
В этот проточный канал 22 можно вставить еще один дистанционный элемент. Вместо такого дистанционного элемента можно также, сконструировать дистанционный элемент 46, в частности, решетчатый, таким образом, чтобы при заполнении проточного канала 22 образовывались определенные каналы для проведения раствора.
Как можно понять из Фиг.3, внешние рамки 42 обоих блоков K, V, выполненных в форме рамочного элемента, могут быть снабжены сквозными отверстиями 54, в частности, для теплоносителя или охлаждающей среды. Как, например, можно видеть из Фиг.3, при этом такое сквозное отверстие 54 можно предусмотреть в каждой угловой зоне рамочного элемента. Кроме того, такое сквозное отверстие 54, как можно видеть также, например, из Фиг.1, может быть отделено от внутренней области 44 отрезками ребра 56.
Внешняя рамка 42 рамочного элемента, предусмотренного, например, в качестве конденсаторного блока K или выпарного блока V, может, кроме того, быть снабжена сквозными отверстиями 58, в частности, для концентрируемой жидкости 14. Хотя эти сквозные отверстия 58 также лежат в пределах наружной области реберных структур 40, однако, в отличие от сквозных отверстий 54, они не отделены от внутренней области 44. Как опять же можно видеть из Фиг.3, такое сквозное отверстие 58 можно предусмотреть в угловых зонах внешней рамки 42.
При обогреве устройства мембранной дистилляции рамочный конденсаторный блок K может быть открыт влево и вниз, чтобы пар мог входить и конденсироваться. На закрытых сторонах этот конденсаторный блок K может содержать в общей сложности по меньшей мере один или несколько проходов для неконденсирующихся газов.
В выпарном блоке V, показанном на Фиг.3, можно видеть один паровыпускной канал 24, выходящий вверх, и один канал, выходящий сбоку вправо.
Фиг.4 показывает схематический вид спереди рамочного элемента с Фиг.3, выполненного как выпарной блок V. Соответствующие друг другу детали обозначены одинаковыми позициями.
В данном случае на обеих сторонах дистанционного элемента 46 предпочтительно находится мембрана.
Рамочный выпарной блок V может быть открыт, например, вправо и вверх, чтобы пар мог выходить из блока.
Фиг.5 показывает схематический вид спереди рамочного элемента с Фиг.3, выполненного как конденсаторный блок K.
На Фиг.5 снова можно видеть, наряду с прочим, сквозные отверстия 54, служащие, например, водопроводящим каналом, и сквозные отверстия 58, служащие, в частности, каналом для концентрируемой жидкости. В данном случае с обеих сторон дистанционного элемента 46 можно предусмотреть, в частности, пленку.
Соответствующие друг другу детали обозначены одинаковыми позициями.
Рамочный элемент, в данном случае снабженный, например, с обеих сторон дистанционного элемента 46 пленкой, можно использовать, в частности, для конденсации греющего пара или пара, происходящего с выпарного блока.
Фиг.6 показывает схематический вид спереди иллюстративной формы осуществления рамочного элемента, который можно использовать в качестве нагревательного блока 301 или в качестве охлаждающего блока 302. Дистанционный элемент 46 в настоящем случае с обеих сторон снабжен, в частности, пленкой. Через образованную между пленками камеру теплоносителя или охлаждающей среды 34, соответственно 38, течет теплоноситель, соответственно охлаждающая среда, например, вода. Теплоноситель или охлаждающая среда может подаваться по каналам 60, например, водопроводящим каналам, в камеру теплоносителя или охлаждающей среды 34, соответственно 38 и снова удаляться оттуда.
На Фиг.6 снова можно видеть, в частности, сквозные отверстия 58, служащие каналами для концентрируемой жидкости.
Этот рамочный элемент может использоваться, например, на нагревательной ступени или как холодильный элемент на ступени конденсации.
И на этой Фиг.6 детали, которые соответствуют другим фигурам, обозначены теми же позициями.
Фиг.7 показывает схематический вид спереди иллюстративной формы осуществления устройства 10 многоступенчатой мембранной дистилляции, содержащего нагревательную ступень 28, ступень конденсации/выпаривания 121 и ступень конденсации 36. Так, рассматриваемое устройство многоступенчатой мембранной дистилляции может быть, в частности, трехступенчатым устройством мембранной дистилляции.
Как можно видеть на Фиг.7, несколько рядов ступеней 28, 121, 36 могут располагаться друг под другом.
Устройство 10 мембранной дистилляции 10 может иметь корпус 62, вмещающий различные ступени 28, 121, 36, который предпочтительно является ваккумплотным в отношении окружающей среды.
В примере осуществления, представленном на Фиг.7, слева находятся нагревательные ступени 28, размещенные параллельно друг над другом, причем устройство 10 мембранной дистилляции в настоящем случае может обогреваться, например, подаваемым с левой стороны технологическим паром. Этот пар может поступать, например, из паровой турбины.
Пар, входящий в конденсационные установки K или соответствующие рамочные элементы нагревательной ступени 28, конденсируется, например, на образованных пленками стенках конденсации. Теплота передается через поверхность на концентрируемую жидкость, из которой образуется пар, проходящий через смежную мембрану соседнего выпарного блока или соответствующего рамочного элемента в соответствующую паровую камеру, сообщающуюся по давлению с паровой камерой конденсаторного блока или соответствующего рамочного элемента следующей ступени.
Камера охлаждающей среды нагревательной ступени 28 предпочтительно соединена со ступенью конденсации/выпаривания только через отверстия для неконденсирующихся газов в конденсаторных блоках и с дросселем внизу для провода дистиллята на ступень конденсации/выпаривания 121. На ступени конденсации/выпаривания 12 абсолютное давление ниже, чем на нагревательной ступени 28.
Пар, образующийся в паровом канале нагревательной ступени 28, может входить в находящуюся непосредственно напротив паровую камеру конденсаторного блока ступени конденсации/выпаривания 121 и конденсироваться, но при этом, однако, между ними может оставаться зазор, в частности, для отвода дистиллята. И здесь также передается тепло, и в паровой камере соседнего выпарного блока ступени конденсации/выпаривания 121, которая сообщается по уровню давления с паровой камерой конденсаторного блока ступени конденсации 36, образуется новый пар.
На Фиг.7 можно видеть, кроме того, перепуск конденсата 64, например, между находящимися друг под другом ступенями.
Детали, соответствующие деталям на других фигурах, обозначены теми же позициями.
Фиг.8 показывает схематическое перспективное изображение формы осуществления устройства 10 многоступенчатой мембранной дистилляции, сопоставимой с формой осуществления с Фиг.7, но где снова дополнительно предусмотрен предварительный подогрев концентрируемой жидкости. При этом этот подогрев снова может быть выполнен так, как это было описано в связи с Фиг.2. Соответствующие друг другу детали снова обозначены одинаковыми позициями.
С предлагаемым изобретением устройством многоступенчатой мембранной дистилляции можно создавать очень большие поверхности обмена при малом объеме. Различные блоки устройства мембранной дистилляции могут, в частности, быть реализованы как соответствующие рамочные элементы, которые, как видно из фигур, могут быть, в частности, пластинчатыми. Пар, выходящий из создающего пар блока, входит на непосредственно следующую ступень в конденсационный канал или паровую камеру конденсационного блока. Не происходит никакого суммирования объемов пара, и тем самым не происходит повышения скорости течения, что до сих пор лимитировало тепловые установки.
СПИСОК ПОЗИЦИЙ ДЛЯ ССЫЛОК
| 10 | устройство мембранной дистилляции |
| 121-123 | ступень конденсации/выпаривания |
| 14 | жидкость, концентрацию которой требуется повысить |
| 16 | стенка конденсации |
| 181 | первая паровая камера |
| 182 | вторая паровая камера |
| 20 | стенка мембраны |
| 22 | проточный канал |
| 24 | паровыпускной канал |
| 26 | канал впуска пара |
| 24, 26 | паровой канал |
| 28 | нагревательная ступень |
| 301 | нагревательный блок |
| 302 | блок охлаждения |
| 32 | непроницаемая теплопроводящая стенка |
| 34 | камера для жидкости |
| 36 | ступень конденсации |
| 38 | камера охлаждающей среды |
| 40 | реберная структура |
| 42 | наружная рамка |
| 44 | внутренняя область |
| 46 | дистанционный элемент |
| 50 | устройство предварительного нагрева |
| 54 | сквозное отверстие |
| 56 | отрезок ребра |
| 58 | сквозное отверстие |
| 60 | канал, например, водопроводящий канал |
| 62 | корпус |
| 64 | отвод конденсата |
| 66 | неконденсирующиеся газы |
| 68 | подогрев конденсируемой жидкости |
| K | конденсаторный блок |
| V | выпарной блок |
1. Устройство (10) многоступенчатой мембранной дистилляции с нагревательной ступенью (28), по меньшей мере с одной, предпочтительно несколькими ступенями конденсации/выпаривания (121-123) и ступенью конденсации (36), через которые последовательно течет жидкость (14), концентрацию которой требуется повысить, причем каждая ступень конденсации/выпаривания (121-123) содержит соответственно несколько конденсаторных блоков (K) и несколько выпарных блоков (V), а также несколько параллельных проточных каналов (22), образованных соответственно между конденсаторным блоком (K) и примыкающим к нему выпарным блоком (V) и проводящих концентрируемую жидкость (14), причем соответствующий конденсаторный блок (K) содержит первую паровую камеру (181), по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации (16), а соответствующий выпарной блок (V) содержит вторую паровую камеру (182), по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, непроницаемой для жидкости стенкой (20) мембраны, и на соответствующей ступени конденсации/выпаривания (121-123) предусмотрен по меньшей мере один проточный канал (22), образованный между таким конденсаторным блоком (K) и таким примыкающим к нему выпарным блоком (V) и проводящий концентрируемую жидкость (14), так что концентрируемая жидкость (14) нагревается стенками конденсации (16), а пар, образующийся из концентрируемой жидкости (14), проникает через стенку (20) мембраны во вторую паровую камеру (182), отличающееся тем, что пар, образующийся в соответствующей паровой камере (182) на соответствующей предшествующей ступени (28, 121-123, 36), проводится в конденсаторный блок (K) непосредственно следующей степени (121-123, 36) по паровому каналу (24, 26), проводящему исключительно этот пар и ведущий его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень (121-123, 36), причем пар, образующийся в соответствующей паровой камере (182) соответствующей предшествующей ступени (28, 121-123), проводится по соответствующему паровому каналу (24, 26) только в один конденсаторный блок (K) непосредственно следующей ступени (121-123, 36).
2. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.1, отличающееся тем, что для образования соответствующего парового канала (24, 26) между соответствующим выпарным блоком (V) соответствующей предшествующей ступени (28, 121-123) и соответствующим конденсаторным блоком (K) соответствующей следующей непосредственно за ней ступени (121-123, 36) выпарной блок (V) содержит паровыпускной канал (24), а конденсаторный блок (K) содержит канал (26) впуска пара, и оба блока (V, K) расположены так, чтобы они своим сторонами, содержащими паровыпускной канал (24) или, соответственно, канал (26) впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу.
3. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по одному из пп.1 или 2, отличающееся тем, что нагревательная ступень (28), в которой подогревается подводимая жидкость (14), концентрацию которой требуется повысить, содержит по меньшей мере один нагревательный блок (301) и по меньшей мере один выпарной блок (V), причем соответствующий нагревательный блок (301) содержит камеру теплоносителя (34), по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой для текучей среды теплопроводящей стенкой (32), а соответствующий выпарной блок (V) содержит паровую камеру (182), по меньшей мере частично ограниченную паропроницаемой, непроницаемой для жидкости стенкой (20) мембраны, и в нагревательной ступени (28) предусмотрен по меньшей мере один, образованный между нагревательным блоком (301) и примыкающим к нему выпарным блоком (V), проточный канал (22), который проводит концентрируемую жидкость (14), так что концентрируемая жидкость (14) подогревается от непроницаемой для текучей среды теплопроводящей стенки (32), а пар, образующийся из концентрируемой жидкости (14), попадает через стенку (20) мембраны в паровую камеру (182).
4. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.3, отличающееся тем, что пар из паровой камеры (182) соответствующего выпарного блока (V) нагревательной ступени (28) проводится по паровому каналу (24, 26), проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на непосредственно следующую ступень конденсации/выпаривания (121-123), в конденсаторный блок (K) этой непосредственно следующей ступени конденсации/выпаривания (121-123), причем пар из паровой камеры (182) соответствующего выпарного блока (V) нагревательной ступени (28) по соответствующему паровому каналу (24, 26) проводится только в один конденсаторный блок (K) следующей непосредственно за ней ступени конденсации/выпаривания (121-123).
5. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.3, отличающееся тем, что нагревательная ступень (28) имеет несколько нагревательных блоков (301) и/или несколько выпарных блоков (V), а также несколько проводящих концентрируемую жидкость (14) параллельных проточных каналов (22), каждый из которых образован между нагревательным блоком (301) и примыкающей к нему выпарным блоком (V).
6. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.4, отличающееся тем, что для образования соответствующего парового канала (24, 26) между соответствующим выпарным блоком (V) нагревательной ступени (28) и соответствующим конденсаторным блоком (K) следующей непосредственно за ней ступени конденсации/выпаривания (121-123), выпарной блок (V) имеет паровыпускной канал (24), а конденсаторный блок (K) имеет канал (26) впуска пара, и оба блока (V, K) установлены так, чтобы они своим сторонами, содержащими паровыпускной канал (24) и, соответственно, канал (26) впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу.
7. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.1, отличающееся тем, что на ступень конденсации (36), непосредственно следующую за последней ступенью конденсации/выпаривания (123), подается пар из соответствующего выпарного блока (V) последней ступени конденсации/выпаривания (123).
8. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.7, отличающееся тем, что ступень конденсации (36) содержит по меньшей мере один блок охлаждения (302) и по меньшей мере один конденсаторный блок (K), причем соответствующий блок охлаждения (302) содержит камеру (38) охлаждающей среды, по меньшей мере частично ограниченную непроницаемой для текучей среды теплопроводящей стенкой (32), а соответствующий конденсаторный блок (K) в свою очередь содержит по меньшей мере частично ограниченную стенкой конденсации (16) паровую камеру (181), в которую по соответствующему паровому каналу (24, 26) подается пар с последней ступени конденсации/выпаривания (123), и в ступени конденсации (K) по меньшей мере один блок охлаждения (302) непосредственно примыкает по меньшей мере к одному конденсаторному блоку (K), так что стенка конденсации (16) соответствующего конденсаторного блока (K) охлаждается блоком охлаждения (302).
9. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.8, отличающееся тем, что пар из соответствующего выпарного блока (V) последней ступени конденсации/выпаривания (123) проводится в конденсаторный блок (K) ступени конденсации (36) по паровому каналу (24, 26), проводящему исключительно этот пар и ведущему его дальше исключительно на ступень конденсации (36).
10. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.8, отличающееся тем, что ступень конденсации (36) содержит несколько блоков охлаждения (302) и /или несколько выпарных блоков (V).
11. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по одному из пп.8-10, отличающееся тем, что пар из паровой камеры (182) соответствующего выпарного блока (V) последней ступени конденсации/выпаривания (123) проводится по соответствующему паровому каналу (24, 26) только в один конденсаторный блок (K) ступени конденсации (36).
12. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.11, отличающееся тем, что для создания соответствующего парового канала (24, 26) между соответствующим выпарным блоком (V) последней ступени конденсации/выпаривания (123) и соответствующим конденсаторным блоком (K) следующей непосредственно за ней ступени конденсации (36) выпарной блок (V) имеет паровыпускной канал (24), а конденсаторный блок (K) имеет канал (26) впуска пара, и оба блока (V, K) расположены таким образом, чтобы они своим сторонами, содержащими паровыпускной канал (24) и, соответственно, канал (26) впуска пара, были обращены друг к другу и непосредственно примыкали друг к другу.
13. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено в виде модульной проточной системы с множеством рамочных элементов, при этом предусмотрены различные функциональные блоки, такие как, в частности, соответствующий конденсаторный блок (K), соответствующий выпарной блок (V), соответствующий нагревательный блок (301) и/или соответствующий блок охлаждения (302), каждый в форме такого рамочного элемента, причем рамочные элементы предпочтительно снабжены реберными структурами (40), посредством которых они могут соединяться друг с другом, в частности, для образования нагревательной ступени (28), соответствующей ступени конденсации/выпаривания (121-123) и/или ступени конденсации (36), и каждый содержит окруженную внешней рамкой (42) внутреннюю область (44), которая предпочтительно снабжена дистанционным элементом (46), в частности решетчатым, на обе стороны которого для образования соответствующей паровой камеры (181, 182), соответствующей камеры (34) теплоносителя или соответствующей камеры (38) охлаждающей среду нанесена, в частности, функциональная поверхность, предпочтительно пленка или мембрана.
14. Устройство многоступенчатой мембранной дистилляции по п.1, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере три ступени конденсации/выпаривания (121-123).
