CN101302048B - 一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，包括膜组件、海水储罐和淡水储罐，膜组件热侧设有海水进、出口，冷侧设有蒸汽出口，所述膜组件的海水进口通过料液泵与海水储罐的出口相连接，膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于同一热泵，热泵的海水出口与海水储罐相连接，热泵的淡水出口与淡水储罐的进口相连接，海水储罐的进口连接有海水加热系统。发明公开的淡化系统膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于一热泵，实现了海水对蒸汽热量的回收，提高了能源使用效率，而且不需要专门的冷却设备对蒸汽进行冷凝，节省了制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种海水淡化装置，尤其涉及一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统。
背景技术
全球80多个国家的约15亿人面临淡水不足，其中26个国家的3亿人完全生活在缺水状态。预计到2025年，全世界将有30亿人缺水，涉及的国家和地区达40多个。21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源。另一方面，地球上的海水和咸水储量巨大，约占地球总储水量的97％。因此，海水和苦咸水脱盐是有效解决淡水资源短缺的方法之一。
目前成熟的海水淡化技术主要可分为蒸馏法和膜法。蒸馏法主要包括多效蒸发、多级闪蒸等，他们可利用废热、核能等经济能源，但设备体积大、运行费用高。
反渗透(RO)是应用最广泛的膜法海水淡化技术。但是过程中需要加高压，目前最佳值虽已降至5.0～5.5MPashenzi，这意味着仍需耗用较大能量，且对设备和膜的要求都较高。同时RO技术对水质有较高要求，海水必须经过各种形式预处理，除去海水中的油污、颗粒、菌藻，使其接近纯净盐水标准。膜材定期清洗，消除堵塞、污染、结垢，这些都是要求很严的复杂工作。因此越来越多的研究者开始关注另一种膜法海水淡化技术—膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)。
膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜过程。与其他膜过程相比，膜蒸馏具有可在常压和稍高于常温的条件下进行分离的独特优点，可以充分利用太阳能、风能、地热、工业余热和废热等经济能源，且设备简单、操作方便。因此，特别适用于海岛、偏远地区等电力不发达地区。
中国专利200520005444.0公开了一种太阳能膜蒸馏系统，包括：热工质加热系统、膜组件、冷工质冷却系统、驱动系统和连接各部件的管路，其中在所述热工质加热系统中加入热太阳能加热系统、冷工质冷却系统采用太阳能冷却系统、驱动系统采用太阳能发电系统。该专利公开的太阳能膜蒸馏系统虽然也采用了太阳能，但还是需要用太阳能进行发电，从而实现对淡水蒸汽的冷却，增加了制造成本。而且从膜组件出来的蒸汽直接用冷凝器进行冷却，白白浪费了蒸汽的热量，能源使用效率不高。
发明内容
本发明提供了一种制造成本低廉、能源使用效率高的利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统。
一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，包括膜组件、海水储罐和淡水储罐，膜组件上设有海水进口、海水出口以及淡水出口，所述膜组件的海水进口通过料液泵与海水储罐的出口相连接，膜组件的海水出口和淡水出口分别与热泵的海水进口和淡水进口相连接，热泵的海水出口与海水储罐相连接，热泵的淡水出口与淡水储罐的进口相连接，海水储罐的进口连接有海水加热系统。
膜组件包括壳体，壳体内设有多孔分布器和若干条中空纤维膜，中孔纤维膜的两端分别与膜组件的海水进口和海水出口相连通。
多孔分布器为中空柱体，壁面上开有若干小孔，竖直置于膜组件的壳体中心，上端伸出壳体壁，下端与壳体壁密封连接，中空纤维膜均匀分布于多孔分布器的周围并与多孔分布器相互平行。
当采用真空式膜蒸馏时，多孔分布器的上端开口联同壳体的淡水出口与热泵的淡水进口相连接。
当采用直接接触式膜蒸馏时，多孔分布器的上端开口通过淡水循环泵与淡水储罐的出口相连接，壳体侧边的开口与热泵的淡水进口相连接。
为了防止海藻等杂质堵塞膜孔，海水加热系统的海水进口通过料液泵与海水膜过滤器相连接。
进一步加强换热效果，提高能源使用率，料液泵与海水膜过滤器之间设有热交换器，海水流经热交换器的一个通道，热交换器的另一个通道两端分别与热泵的淡水出口和淡水储罐的进口相连接。
海水加热系统为太阳能加热系统，所述的太阳能加热系统由太阳能集热器、储水器和循环泵组成，太阳能集热器的低温端通过循环泵与储水器相连接，太阳能集热器的高温端直接与储水器相连接，储水器的海水出口与海水储罐的进口相连接。
海水加热系统为工业废热加热系统，所述的工业废热加热系统为换热器管，换热器管的海水出口与海水储罐的进口相连接。
海水加热系统为地热加热系统，所述的地热加热系统由地热井、抽水泵、水源热泵、回罐井依次连接组成，水源热泵的海水出口与海水储罐的进口相连接。
本发明提供的利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，其膜组件的海水出口和蒸汽出口连接于一热泵，实现了海水对蒸汽热量的回收，提高了能源使用效率。而且，本发明系统不需要专门的冷却设备对蒸汽进行冷凝，节省了制造成本。
附图说明
图1为本发明真空式膜蒸馏海水淡化系统的结构示意图；
图2为本发明接触式膜蒸馏海水淡化系统的结构示意图；
图3为图1所示系统膜组件内流体流动示意图；
图4为图2所示系统膜组件内流体流动示意图；
图5为本发明太阳能加热系统结构示意图；
图6为本发明地热加热系统的结构示意图；
图7为本发明工业废热加热系统的结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，包括膜组件6、海水储罐4和淡水储罐9，膜组件6上设有海水进口、海水出口以及淡水出口，膜组件6的海水进口通过料液泵10与海水储罐4的出口相连接。为了便于控制和测量海水的流量和淡水转化效率，在料液泵10与膜组件6之间加设流量计5。为了测量海水温度，海水出罐4的出口处加设有温度计。
膜组件6的海水出口和淡水出口连接于同一热泵7，分别与热泵7的海水进口和淡水进口相连接，热泵7的海水出口与海水储罐4相连接，海水储罐4的进口连接有海水加热系统2。
为了防止海藻等杂质堵塞膜孔，提高设备的使用寿命和减少清洗次数，海水加热系统2的海水进口通过料液泵3连接有海水膜过滤器1(美国GE公司生产、型号为EW4026F)。
为了进一步提高能源的使用效率，热泵7的淡水出口与淡水储罐9的进口之间设有热交换器8，使流出热泵7的的淡水流经热交换器8的一个通道，未经加热的海水流经热交换器8的另一通道，实现热交换。热交换器8的海水出口与料液泵3相连接，海水进口与海水膜过滤器1相连接。
如图3和图4所示，膜组件6包括壳体23，壳体23为一中空圆柱体，由ABS材料制成，外径80mm，内径65mm，长度350mm，内部设有多孔分布器21和600根中空纤维膜22，壳体23和中空纤维膜22的两端分别采用环氧树脂粘接在一起，壳体22两端用两个圆锥体盖进行密封，两个圆锥体盖形成的内腔与壳体23的内腔相互隔绝，与中空纤维膜22的内腔相连通构成膜组件6的管程，膜组件6的海水进口和海水出口分别设于壳体23的下端圆锥体盖和上端圆锥体盖上，。
多孔分布器21为一中空柱体，其横截面可以是方形、圆形或椭圆形等，最好是采用圆形。其外径约为13mm，内径约为11mm，壁面开有若干小孔，孔径3mm。多孔分布器21竖直置于壳体23的中心，上端伸出壳体23的壁面，下端与壳体23的壁面用环氧树脂密封连接。
纤维膜22与壳体23壁之间的空隙构成膜组件6的壳程，壳程通过多孔分布器21及壳体23的淡水出口与外部管路相连通。
中空纤维膜22均匀围绕着多孔分布器21，上述实施例中空纤维膜22的内径为0.8mm，壁厚0.15mm，平均孔径0.18μm，孔隙率85％，所用膜材料为聚偏氟乙烯材料。
当采用真空式膜蒸馏淡化海水时，多孔分布器21的上端联同壳体23的淡水出口与热泵7的淡水进口相连接。热海水从膜组件6的海水进口进入，经过中空纤维膜22的内腔，直接从膜组件6的海水出口出去进入热泵7中，而淡水蒸汽穿过中空纤维膜22的膜孔，进入壳体23内，最后从多孔分布器21的上端开口与壳体23的淡水出口出来进入热泵7中，淡水蒸汽在热泵7中冷凝后流经热交换器8进入淡水储罐9中，淡水储罐9上还连接有真空泵11，以防止淡水倒流。
当采用直接接触式膜蒸馏淡化海水时，多孔分布器21的上端开口通过淡水循环泵12与淡水储罐9相连接。热海水从膜组件6的海水进口进入，经过中空纤维膜22的内腔，直接从膜组件6的海水出口出去进入热泵7中，而淡水蒸汽穿过中空纤维膜22的膜孔，进入壳体23内，由于从淡水储罐9内出来淡水温度较低，穿过多孔分布器21侧壁上的小孔直接将淡水蒸汽冷凝成淡水，从而一同从膜组件6的壳体23的淡水出口流出，进入热泵7内，淡水从热泵7中出来后流经热交换器8进入淡水储罐9中，部分淡水经淡水储罐9上连接的淡水料液泵12回灌到膜组件6中，不断循环。由于在膜组件6中使用了多孔分布器21，使得淡水分散得很均匀，能改善淡水壳程侧的流动状况，有效冷却淡水蒸汽。
无论采用哪中蒸馏淡化方式，从膜组件6流出的淡水或其蒸汽从热泵7的淡水进口进入热泵7，流出的海水从海水进口进入热泵7，通过热泵7的热功转化，将淡水或其蒸汽的热量转移到海水中，从而提高了海水的温度，温度升高的海水又重新回到海水储罐4中，这样一方面充分利用了能源，另一方面又冷却了淡水，一举两得。
海水加热系统可以使用太阳能加热系统、地热加热系统和工业废热加热系统。
如图5所示，一种太阳能加热系统，主要包括太阳能集热器13、储水器14和循环泵15，储水器14中的海水经循环泵14送至太阳能集热器13中加热，加热后的海水经太阳能集热器的高温端流回至储水器中。储水器的出口与海水储罐4的进口相连。其中太阳能集热器采用13层真空溅射镀膜集热管，面积为8m2，光热转化效率达90％以上，储水器14的进口与料液泵3与相连接，出口与海水储罐4相连接。
如图6所示，一种地热加热系统，主要由地热井16、抽水泵17、水源热泵18和回罐井19依次连接组成，，从地热井16经抽水泵17抽出来的热水流经水源热泵18的一个通道，流回到回罐井。未经加热的海水流经另一个通道，实现热量交换回收。水源热泵18的海水进口与料液泵3相连接，海水出口与海水储罐4的进口相连接。
如图7所示，一种工业废热加热系统，其主要结构为一换热器管20，换热器管20的一个通道流经高温废气或废液，另一个通道流经未经加热的海水，实现热量交换。换热器管20的海水进口与料液泵3相连接，海水出口与海水储管4相连接。
本发明的膜蒸馏海水淡化系统工作流程如下：
(1)冷海水经海水膜过滤器1过滤后经过热交换器8进行热交换，通过料液泵3送入海水加热系统2中加热，加热后的海水被送入海水储罐4中恒温保存。
(2)将海水储罐4中的热海水通过料液泵10泵入膜组件6进行膜蒸馏，蒸馏后的海水直接进入热泵7内，而透过膜孔的蒸汽直接或经淡水冷却后进入热泵7内，海水和蒸汽(或液化淡水)在热泵7内进行热功转化，海水温度升高流回海水储罐4中，蒸汽液化为淡水(或淡水降温)。
(3)淡水从热泵7的淡水出口出来后流经热交换器8，与最初的冷海水再次进行热交换，热交换后进入淡水储罐9中保存。
当采用接触式膜蒸馏淡化时，淡水储罐9中的淡水还需经淡水循环泵12泵入膜组件6中用于冷却透过膜孔的蒸汽。
上述实施例中，膜组件6海水进口处的海水温度控制在50-80℃，最好为60℃；真空膜蒸馏时壳程侧的真空度为0.1MPa(直接接触式膜蒸馏时，多空分布器21进口处淡水温度控制在15-35℃)。
上述工艺条件下，淡水产量：5-10L/h，产水电导率小于10μs/cm，热量回收率在85％以上。
Claims (8)
1.一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，包括膜组件(6)、海水储罐(4)和淡水储罐(9)，膜组件(6)上设有海水进口、海水出口以及淡水出口，其特征在于：所述膜组件(6)的海水进口通过料液泵(10)与海水储罐(4)的出口相连接，膜组件(6)的海水出口和淡水出口分别与热泵(7)的海水进口和淡水进口相连接，热泵(7)的海水出口与海水储罐(4)相连接，热泵(7)的淡水出口与淡水储罐(9)的进口相连接，海水储罐(4)的进口连接有海水加热系统(2)；所述的膜组件(6)包括壳体(23)，壳体(23)内设有多孔分布器(21)和若干条中空纤维膜(22)，所述的中孔纤维膜(22)的两端分别与膜组件(6)的海水进口和海水出口相连通；所述的多孔分布器(21)为中空柱体，壁面上开有若干小孔，竖直置于膜组件(6)的壳体(23)中心，上端伸出壳体(23)壁，下端与壳体(23)壁密封连接，中空纤维膜(22)均匀分布于多孔分布器(21)的周围并与多孔分布器(21)相互平行。
2.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的多孔分布器(21)的上端开口与热泵(7)的淡水进口相连接。
3.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的多孔分布器(21)的上端开口通过淡水循环泵(12)与淡水储罐(9)的出口相连接。
4.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的海水加热系统(2)的海水进口通过料液泵(3)与海水膜过滤器(1)相连接。
5.根据权利要求4所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的料液泵(3)与海水膜过滤器(1)之间设有热交换器(8)，海水流经热交换器(8)的一个通道，热交换器(8)的另一个通道两端分别与热泵(7)的淡水出口和淡水储罐(9)的进口相连接。
6.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的海水加热系统为太阳能加热系统，所述的太阳能加热系统由太阳能集热器(13)、储水器(14)和循环泵(15)组成，太阳能集热器(13)的低温端通过循环泵(15)与储水器相连接，太阳能集热器(13)的高温端直接与储水器(14)相连接，储水器(14)的出口与海水储罐(4)的进口相连接。
7.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的海水加热系统为工业废热加热系统，所述的工业废热加热系统为换热器管(20)，换热器管(20)的海水出口与海水储罐(4)的进口相连接。
8.根据权利要求1所述的膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于：所述的海水加热系统为地热加热系统，所述的地热加热系统由地热井(16)、抽水泵(17)、水源热泵(18)、回罐井(19)依次连接组成，水源热泵(18)的海水出口与海水储罐(4)的进口相连接。
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