多功能膜吸收塔

摘要

本发明公开了一种多功能膜吸收塔，包括塔体，塔体一端设有进气口，另一端设有出气口，主体工艺结构包括调温段、调质段、吸收段和喷淋清洗段。调温段、调质段、吸收段所依托的新型箱式膜接触单元实现气液两相的传热、传质和吸收，喷淋清洗段可以对膜丝进行清洗；吸收段各膜接触单元可通入同种类或不同种类的吸收液同步或选择性地吸收气体中的不同组分。该塔具有气体处理量大，集成性能好，操作弹性高，气液相分布均匀，传质、传热效果优异，装卸方便，可同步或单独吸收脱除进气中的不同组分等特点，可应用于燃煤烟气和工业废气等净化处理领域，以及液体脱气/充气、气体吸收与解析过程、膜蒸馏、膜结晶、膜萃取等膜接触工艺过程。

权利要求

1.一种多功能膜吸收塔，包括塔体(1)，所述塔体(1)的一端设有进气口(2)，所述塔体(1)的另一端设有出气口(7)；其特征在于：所述塔体(1)内沿竖直方向布置有调温段(3)、调质段(4)、吸收段(5)和喷淋清洗段(6)；所述调温段(3)、调制段(4)和吸收段(5)均分别由多级箱式膜接触单元模块化集成，所述多级箱式膜接触单元为串联或并联；

所述箱式膜接触单元，包括箱体(100)，所述箱体(100)内设有多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件(20)；多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件(20)是沿着壳程流体流经方向的垂直面布置在所述箱体(100)内；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件(20)包括多片由中空纤维多孔膜丝(30)编织的疏水性中空纤维膜片(40)和密封在多片疏水性中空纤维膜片(40)两端的膜元件封头(50)；所述膜元件封头(50)设有集水流道(60)，所述集水流道(60)的两端设有管道端口；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件(20)按照垂直于壳程流体流经方向、等间距平行排布于所述箱体(100)内，且相邻的两片片状帘式疏水性中空纤维膜元件(20)中膜丝(30)的排布方向相互垂直；所述箱体(100)的壁上设有与所有管道端口位置一一对应的通孔，每个管道端口均穿过位置对应的通孔、且与通孔之间为过盈配合；

所述调温段(3)的调温液由调温液泵(301)注入调温段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝(30)中，然后，由调温液出口(402)排放；

所述调质段(4)的调质液由调质液泵(401)注入调质段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝(30)中，然后，由调质液出口(302)排放；

所述吸收段(5)的吸收液由吸收液泵(501)注入吸收段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝(30)中，然后，由吸收液出口(502)排放；

所述喷淋清洗段(6)由喷淋装置组成，所述喷淋装置有下述两种形式之一，一种是在吸收段中的每级箱式膜接触单元上方设置喷嘴(8)，另外一种是在吸收段的顶部或者顶端设置喷嘴(8)，从而对吸收段中每级箱式膜接触单元中的膜丝(30)进行清洗；所述喷淋清洗段(6)的喷淋清洗液由喷淋清洗泵(601)注入喷淋清洗段，并由所述喷嘴(6)喷出，然后，喷淋清洗液由设置在塔底的喷淋清洗液出口(602)排放。

2.根据权利要求1所述多功能膜吸收塔，其特征在于：所述多级箱式膜接触单元有1～n级，各级箱式膜接触单元采用竖直叠加串联方式连接。

3.根据权利要求1所述多功能膜吸收塔，其特征在于：所述吸收段中各级箱式膜接触单元通入同种类或不同种类的吸收液。

4.根据权利要求1所述多功能膜吸收塔，其特征在于：所述中空纤维多孔膜丝(30)的孔径范围为0.01μm～3.0μm，壁厚范围为10μm～500μm，外径范围为100μm～5000μm；孔隙率范围为30％～95％。

说明书

多功能膜吸收塔

技术领域

[0001] 本发明涉及一种气液两相膜接触传质、传热、调质、吸收设备，特别涉及一种多功能膜吸收塔。

背景技术

[0002] 膜吸收技术应用领域广泛，作为膜吸收技术工业化的重要载体——膜吸收塔，尚未得到重视和开发。目前商品化应用的膜吸收载体为中空纤维膜吸收器，多为管式或柱式
设计，即将中空纤维膜封装在膜壳中，中空纤维膜内腔称为管程，膜外表面与膜壳之间的空间为壳程，两种流体分别流经所述膜吸收器的管程和壳程，两相不直接接触，通过中空纤维膜隔开，并利用中空纤维膜表面的微孔进行传质和传热。该类管式膜吸收器气液处理能力
小、进气压力高、能耗大，且存在气液相分布不均匀的现象，功能单一，无法应用于规模化工业过程气液处理量大、压力损失小、工况条件复杂等需求。

[0003] 公开号为CN 202020991U，其公开日为2011年11月2日的中国专利申请提供了一种新型低气阻箱式气液接触膜吸收单元，包括多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件、膜清洗
部件和箱体。然而，一方面，其多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件的集水管占用单元内部体积，导致膜填充密度低，处理效率及能力低；另一方面，其多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件独立平行排布于单元内部，对流体导流均布的效果有待提高。

[0004] 发明专利内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种多功能膜吸收塔。该塔具有气/液处理量大，集成性能好，操作弹性高，气液相分布均匀，可同步或单独吸收脱除进气中的不同组分，传质、传热效果优异，装卸方便、工业适用性广泛等特点，可应用于液体脱气/充气、气体吸收与解析过程、膜蒸馏、膜结晶、膜萃取、膜汽提等膜接触过程。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出的一种多功能膜吸收塔，包括塔体，所述塔体的一端设有进气口，所述塔体的另一端设有出气口；所述塔体内沿竖直方向布置有调温段、调质段、吸收段和喷淋清洗段；所述调温段、调制段和吸收段均分别多级箱式膜接触单元模块化集成，所述多级箱式膜接触单元为串联或并联；所述箱式膜接触单元，包括箱体，所述箱体内设有多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件；多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件是沿着壳程流体流经方向的垂直面布置在所述箱体内；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件
包括多片由中空纤维多孔膜丝编织的疏水性中空纤维膜片和密封在多片疏水性中空纤维
膜片两端的膜元件封头；所述膜元件封头设有集水流道，所述集水流道的两端设有管道端
口；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件按照垂直于壳程流体流经方向、等间距平行排 布于所述箱体内，且相邻的两片片状帘式疏水性中空纤维膜元件中膜丝的排布方向相互垂
直；所述箱体的壁上设有与所有管道端口位置一一对应的通孔，每个管道端口均穿过位置
对应的通孔、且与通孔之间为过盈配合；所述调温段的调温液由调温液泵注入调温段中的
多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝中，然后，由调温液出口排放；所述调质段的调质液由调质液泵注入调质段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝中，然后，由调质
液出口排放；所述吸收段的吸收液由吸收液泵注入吸收段中的多级箱式膜接触单元的中空
纤维多孔膜丝中，然后，由吸收液出口排放；所述喷淋清洗段由喷淋装置组成，所述喷淋装置有下述两种形式之一，一种是在吸收段中的每级箱式膜接触单元上方设置喷嘴，另外一
种是在吸收段的顶部或者顶端设置喷嘴，从而对吸收段中每级箱式膜接触单元中的膜丝进
行清洗；所述喷淋清洗段的喷淋清洗液由喷淋清洗泵注入喷淋清洗段，并由所述喷嘴喷出，然后，喷淋清洗液由设置在塔底的喷淋清洗液出口排放。

[0007] 进一步讲，所述多级箱式膜接触单元有1～n级，各级箱式膜接触单元采用竖直叠加串联方式连接。

[0008] 所述吸收段中各级箱式膜接触单元通入同种类或不同种类的吸收液。

[0009] 所述中空纤维多孔膜丝的孔径范围为0.01μm～3.0μm，壁厚范围为10μm～500μm，外径范围为100μm～5000μm；孔隙率范围为30％～95％。

[0010] 本发明通过所述调温段、调质段、吸收段和喷淋清洗段四个功能段有机组合可以实现包括但不限于燃煤烟气和工业废气等净化处理、液体脱气/充气、气体吸收与解析过
程、膜蒸馏、膜结晶和膜萃取的膜接触工艺过程。

附图说明

[0011] 图1是本发明多功能膜吸收塔结构示意图；

[0012] 图2是图1中所示各功能段所采用的箱式膜接触单元中空纤维膜元件的结构示意图；

[0013] 图3是图2中A-A所示剖切位置的剖面图；

[0014] 图4是图1中所示各功能段所采用的箱式膜接触单元局部剖视图；

[0015] 图5是图4所示箱式膜接触单元外观示意图；

[0016] 图6是图5所示反方向视角的箱式膜接触单元外观示意图。

[0017] 图中：

[0018] 1-塔体，2-进气口，3-调温段，4-调质段，5-吸收段，6-喷淋清洗段，7-出气口，8-喷嘴，11、12、13、14、21、22、23、24、31、32、33、34、41、42、43、44、51、52、53、54、61、62、63、64、71、72、73、74、81、82、83、84-管程流体流经帘式膜元件集水流道的进/出口，20-片状帘式疏水性中空纤维膜元件，30-膜丝，40-疏水性中空纤维膜片，50-膜元件封头，60-集水流道，
100-箱体，301-调温液泵，302-调质液出口，401-调质液泵，402-调温液出口，501-吸收液泵，502-吸收液出口，601-喷淋液泵，602-喷淋清洗液出，B-壳程流 体，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8-管程流体。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

[0020] 如图1所示，本发明提出的一种多功能膜吸收塔，包括塔体1，所述塔体1的一端设有进气口2，所述塔体1的另一端设有出气口7；主体工艺结构包括调温段、调质段、吸收段和喷淋清洗段四个功能段。所述塔体1内沿竖直方向布置有调温段3、调质段4、吸收段5和喷淋清洗段6。主体工艺各功能段的设置情况、大小和数量根据气体处理量、温度、浓度、组成等的需要而定，各段可根据气体处理工艺的需求排列组合，不限顺序。

[0021] 所述箱式膜接触单元，如图2所示，包括箱体100，所述箱体100内设有多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件20；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件20包括多片由中空纤维
多孔膜丝30编织的疏水性中空纤维膜片40和密封在多片疏水性中空纤维膜片40两端的膜
元件封头50；所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件20按照垂直于壳程流体流经方向、等间
距平行排布于所述箱体100内，且相邻的两片片状帘式疏水性中空纤维膜元件20中膜丝30
的排布方向相互垂直；所述箱体100的壁上设有与所有管道端口位置一一对应的通孔，每个管道端口均穿过位置对应的通孔、且与通孔之间为过盈配合。如图3所示，所述膜元件封头
50设有集水流道60，所述集水流道60的两端设有管道端口，由于多片片状帘式疏水性中空
纤维膜元件20是按照相邻两面片状帘式疏水性中空纤维膜元件20两端的膜元件封头50交
错90度来布置的，从而在多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件20的外围形成八列管道端
口。

[0022] 将每片片状帘式疏水性中空纤维膜元件20的同一端的膜元件封头50上、且位于箱体100外同一列的一个管道端口用封堵封闭，将每片片状帘式疏水性中空纤维膜元件20的
同一端的膜元件封头50、且位于箱体100外同一列的另一个管道端口伸出箱体100作为管程
流体流经帘式膜元件集水流道的进/出口。如图4、图5和图6示出了箱体100内容纳有8片片
状帘式疏水性中空纤维膜元件20的端口连接形式，如图5所示，自上向下叠放的片状帘式疏水性中空纤维膜元件依次为第1、2、3、4、5、6、7、8片，每片片状帘式疏水性中空纤维膜元件
20的膜元件封头50的管道端口，即第1片的四个管路端口为11、12、13、14，第2片的四个管路端口为21、22、23、24，以此类推，第8片的四个管路端口为81、82、83和84。其中的第2、4、6、8片的同一端膜元件封头50上同一侧的一个管道端口22、42、62、82及第1、3、5、7片的同一端膜元件封头5上同一侧的一个管道端口11、31、51、71均从与之位置对正的箱体100壁上的通孔伸出作为管程流体流经帘式膜元件集水流道的进/出口；如图6所示，其中的第2、4、6、8片的另一端膜元件封头50上同一侧的一个管道端口24、44、64、84及第1、3、5、7片的另一端膜元件封头50上同一侧的一个管 道端口13、33、53、73均从与之位置对正的箱体100壁上的通孔伸出作为管程流体流经帘式膜元件集水流道的进/出口；8片片状帘式疏水性中空纤维膜
元件20的其余管路端口21、41、61、81、12、32、52、72、23、43、63、83、14、34、54和74封闭，如图
5和图6所示。

[0023] 如图5和图6所示，所述箱体100的外形可以是正方体或长方体的壳体，由于箱体是正方体或长方体的六面体，因此，所述箱体100的六面壁是两两一组为正对面设置的，其中一组平行于所述片状帘式疏水性中空纤维膜元件布置方向的对面壁为可打开的箱体壁，其
余的四面箱体壁为连续封闭设置的。

[0024] 如图5和图6所示，所述箱式膜接触单元运行模式为，管程流体C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8分别由端口24、44、64、84、13、33、53、73进入多片片状帘式疏水性中空纤维膜元件疏水性中空纤维膜片中孔(即管程)，然后分别由端口22、42、62、82、11、31、51、71流出，所述流体C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8可以是同种流体，也可以分别是不同种类的流体；壳程流体B由箱体100的一侧流入箱体100内形成的壳程，沿着相互平行布置的片状帘式疏水性中空纤维膜元件20的垂直方向，流经疏水性中空纤维膜片轴方向流过疏水性中空纤维膜30外表
面。两相流体不直接接触，是以疏水性中空纤维膜30为介质进行传质/传热过程。

[0025] 本发明中壳程待处理气体与管程液相之间通过膜接触单元内的疏水性多孔膜材料接触传热、传质和吸收；各层膜接触单元可选用同种或不同材料的疏水性多孔膜。所提及的疏水性多孔膜材料，选自聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚醚砜、聚芳醚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、硅橡胶、陶瓷、玻璃、金属，一种或两种以上高分子聚合物、无机非金属、金属共混或覆合的中空纤维膜材料；其最大孔径范围为0.01μm～3.0μm，壁厚范围为10μm～
500μm，外径范围为100μm～5000μm；孔隙率范围为30％～90％，经编织或不经编织，均布在新型箱式膜接触单元内，其填充密度是膜接触单元内所填充的中空纤维膜总体积占膜接触
单元内部空间体积的百分比，其范围为1％～70％。

[0026] 所述调温段3依托箱式膜接触单元模块化集成，可以由多级箱式膜接触单元串联或并联构成，其多孔中空纤维膜具有巨大的接触面积和孔隙率，可实现待处理气体的温度
调节，升温/降温以满足后续工艺的要求；所述调温段3的调温液由调温液泵301注入调温段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝30中，然后，由调温液出口402排放，如图1所示。

[0027] 所述调质段4依托箱式膜接触单元模块化集成,可以由多级箱式膜接触单元串联或并联构成，其多孔中空纤维膜具有巨大的接触面积,向待处理气体均匀释放或喷入调节
剂(包括不限于氧化剂、还原剂、酸液和碱液)，实现进入所述多功能膜吸收塔壳程待处理气体的化学物质组成的调节，以满足后续工艺的要求。所述调质段4的调质液由调质液泵401
注入调质段中的多极箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝30中，然后，由调质液出口302排放， 如图1所示。

[0028] 所述吸收段5依托箱式膜接触单元模块化集成，可以由多级箱式膜接触单元串联或并联构成，其多孔中空纤维膜具有巨大的接触面积与待处理气体充分均匀错流接触，管
程流入特定性质的吸收液，实现壳程中待处理气体中特定化学组分的脱除/回收，所述吸收段5的吸收液由吸收液泵501注入吸收段中的多级箱式膜接触单元的中空纤维多孔膜丝30
中，然后，由吸收液出口502排放，如图1所示。

[0029] 所述调温段3、调制段4和吸收段5均分别多级箱式膜接触单元模块化集成，所述调温段3、调质段4、吸收段5所依托的箱式膜接触单元有1～n层，各箱式膜接触单元可采用竖直叠加串联的方式连接方式；温度调节剂和吸收液可以采用串联或并联的形式流经各层膜
接触单元，吸收段各膜接触单元可通入同种类或不同种类的吸收液同步或选择性地吸收气
体中的不同组分。

[0030] 所述喷淋清洗段是独立设置的；由喷淋装置组成，工艺设计可根据实际工艺需要，与所述多功能膜吸收塔各功能段膜接触单元可任意组合集成，主要功能为实现箱式膜接触单元内部对膜丝外表面的清洗；可实现停车或在线清洗。如图1所示，所述喷淋装置有下述两种形式之一，一种是在吸收段中的每级箱式膜接触单元上方设置喷嘴8，另外一种是在吸收段的顶部或者顶端设置喷嘴8，从而对吸收段中每级箱式膜接触单元中的膜丝30进行清
洗；所述喷淋清洗段6的喷淋清洗液由喷淋清洗泵601注入喷淋清洗段，并由所述喷嘴6喷
出，然后，喷淋清洗液由设置在塔底的喷淋清洗液出口602排放。

[0031] 本发明根据燃煤烟气或化工废气等进气温度、组成及浓度不同，膜吸收塔各部件可选用耐温、耐腐蚀、耐酸碱、耐磨损等不同的材料予以应对；根据实际工况，本发明主体工艺的调温段、调质段、吸收段和喷淋清洗段等各段的有无、大小和数量根据气体处理量、温度、浓度、组成等的需要而定，各段可根据气体处理工艺的需求排列组合，不限顺序；所述调温段、调质段、吸收段所依托的新型箱式膜接触单元有1～n层，各箱式膜接触单元可采用竖直叠加串联的方式连接；温度调节剂和吸收液可以采用串联或并联的形式流经各层膜接触
单元，吸收段各膜接触单元可通入同种类或不同种类的吸收液同步或选择性地吸收气体中
的不同组分。

[0032] 本发明多功能吸收塔通过所述调温段3、调质段4、吸收段5和喷淋清洗段6四个功能段有机组合除可应用于燃煤烟气和工业废气的单独或同步脱硫、脱硝、脱碳、脱汞等气体处理领域外，还可应用于液体脱气/充气、气体吸收与解析过程、膜蒸馏、膜结晶、膜萃取等膜接触工艺过程。

[0033] 尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护范围之内。