CN101327407B - 一种液体蒸发浓缩设备与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液体分离的膜浓缩蒸发浓缩系统和方法。将具有一定温度的原液与疏水性多孔膜接触，水蒸汽以气态方式穿过多孔膜，在膜的另一侧被脱除和冷凝收集。通过该工艺过程的循环，在膜一侧可以得到原液浓缩物，富集了被处理水中的无机离子和有机物等物质，在膜的另一侧可以得到纯水。这样，纯水可以直接回用，在热池底部得到浓缩结晶盐等固形物。气提上浮液体则通过投加絮凝剂、酸、碱等化学药剂或其它公知的方法进行沉淀固化处理，经过亲水膜固液分离后，膜过滤清液返回蒸发器，继续蒸发浓缩。这样对于污水处理而言，可以大大减少污水排放量；对于海水、发酵液分离而言，可以直接得到结晶盐。

Description

一种液体蒸发浓缩设备与方法

技术领域

本发明涉及一种膜法液体浓缩处理设备及处理方法。

背景技术

膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)在近年来吸引了世界范围内的关注和研究。与常规的蒸馏(Distillation)过程相比，MD的操作温度低，无需将溶液加热至沸腾，而且蒸发面积大、蒸汽空间小；与其它压力驱动的膜分离过程相比，MD的操作压力低，脱盐率高，膜污染少。膜蒸馏过程是在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的原水一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。由于膜的疏水性，原水以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，因此在膜的孔口处形成汽/液两相界面。微孔疏水膜在膜蒸馏过程中起两相的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，

温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。

目前已经发展出四种不同的膜蒸馏操作方式，包括直接接触式膜蒸馏(direct contact membrane distillation，DCMD)，气隙式膜蒸馏(air gapmembrane distillation，AGMD)，气流吹扫式膜蒸馏(sweeping gasmembrane distillation，SGMD)和真空式膜蒸馏(vacuum membranedistillation，VMD)。其中DCMD法是将透过多孔膜的水蒸气在冷侧直接进入纯水进行冷凝，因此冷凝过程集成于膜组件以内，操作相对简单，被广泛的研究和采纳。然而与其它操作方式相比，由于直接接触而导致的更多的热量损失和较为严重的温差极化是该方法不容忽视的影响因素。VMD法则是在透过侧施加一个负压，将透过多孔膜的水蒸汽抽出到膜组件以外的冷凝器内进行冷凝液化。此过程的优点是热量损失比其它三种膜蒸馏操作方法都小，蒸馏通量较高，值得进一步研究以充分利用该方法的优势。同时，保证施加的负压低于液体进入膜孔的压力(liquid entry pressure，LEP)以防止膜孔湿化是VMD运行中十分重要的一个环节。目前为止，将VMD方法应用于从水体中去除挥发性溶质，从含盐水脱盐制备超纯水，以及溶液的浓缩等的研究工作已经在世界范围内展开。在这些研究中，各种操作条件和工艺参数如进水温度与浓度、热侧水体循环流速、和蒸汽压差等对VMD蒸汽通量的影响已经被一定程度的讨论。此外，VMD过程的传热与传质机理也被进一步的探讨。

MD技术具有操作压力低，接近100％的非挥发性物质脱除率和在良好操作条件下与高的产水通量，显示了它作为RO技术的替代(大规模纯水制备)或补充技术(如用于船舶饮用水等)的应用潜力，可以用于海水淡化与浓缩制盐、工业循环水净化于减少污水排放、发酵液中氨基酸等产物浓缩结晶以及药物纯化分离等方面。在降低投资和运行费用，提高产品质量等方面，可望取得显著的经济效益和社会效益。

膜蒸馏技术应用于工业循环水处理的一个独特的优势在于它不仅可以在膜的透过侧产生纯水，而且在浓水侧可以产生含盐量很高甚至接近饱和的高度浓缩水，高度浓缩的污水则可进一步采用化学絮凝等其他物化方法进行处理，从而大大减少污水的排放量。通过从大量的循环水系统中浓缩提取小体积的污染物，实现对循环水整体水质的洁净程度控制，不同于常规处理方法是从水中获取净化水作循环水补水，因此可以大量减少杀菌剂和阻垢剂的投加，同时减少污水的排放，减少补给水量。

用于海水淡化时，在得到99.99％脱盐率的淡水同时，还可望直接利用浓海水制盐。另外，膜蒸馏过程在实际运行中可以利用其它热源如地热、温泉、太阳能等和低品废热如工厂余热等，进一步显示了其更加广泛的应用前景。

目前的VMD过程在实际应用中存在几个问题：其一，大多数VMD过程采用热水从柱式膜组件的中空纤维内侧流动的方法，当中空纤维膜内径较小时，浓水中的悬浮杂质和无机垢容易堵塞中空纤维膜流道，当中空纤维膜内径较大时，单位体积膜组件内装填的膜面积减小，中空纤维膜强度减弱。其二，VMD过程采用热水从柱式膜组件的中空纤维外侧流动的方法时，热侧流体流动分布不均导致热侧流体温度不均，影响液体蒸发效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种液体分离的膜蒸发浓缩(Membrane Evaporated Concentration，MEC)系统和方法。

通过本发明取得如下效果：

本发明设计了新的膜蒸发浓缩过程，其将具有一定温度的原液与疏水性多孔膜接触，水蒸汽以气态方式穿过多孔膜，在膜的另一侧被脱除和冷凝收集。通过该工艺过程的循环，在膜一侧可以得到原液浓缩物，富集了被处理水中的无机离子和有机物等物质，在膜的另一侧可以得到纯水。这样，纯水可以直接回用，在热池底部得到浓缩结晶盐等固形物。气提上浮液体则通过投加絮凝剂、酸、碱等化学药剂或其它公知的方法进行沉淀固化处理，经过亲水膜固液分离后，膜过滤清液返回蒸发器，继续蒸发浓缩。这样对于污水处理而言，可以大大减少污水排放量；对于海水、发酵液分离而言，可以直接得到结晶盐。

附图说明

图1是本发明膜蒸发浓缩装置示意图；

图2是本发明膜蒸发浓缩(MEC)液体处理系统示意图；

图3a是本发明膜组件膜丝倒U型浇铸结构示意图；

图3b是本发明膜组件膜丝U型浇铸结构示意图；

图3c是本发明膜组件膜丝直型两端浇铸结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的膜蒸发部分包括：热池2；设置在热池2上的料液进口1；设置在热池2中的浸没式疏水中空纤维膜蒸发器3；控制膜污染的穿孔曝气管4，设置在蒸发器3的下部；设置在热池2外部的中空纤维冷凝器5；在冷凝器5的纯水出水口后面设置负压泵6，采用负压抽吸，将水蒸气导入冷凝器5中进行冷凝收集。

浓缩结晶盐等固形物则从设置在热池2底部的低位排出口7排出蒸发器。

如图2为MEC系统主体工艺示意图。如图2所示，通过上浮污染物溢流管10，连接热池2与反应过滤池11。反应过滤池(11)设置有亲水膜化学反应器。利用穿孔曝气管4的气浮提升作用，将蒸发热池2中的悬浮杂质和浓水溢流至浸没式膜反应过滤池11。反应过滤池11上设置有加药口17，通过加药口17搅拌投加絮凝剂、酸、碱等化学药剂，使有机物、沉淀盐类等从设置在反应过滤池11底部的排放口14排出。膜过滤水则通过自吸泵16抽吸，通过清水回流管15输送返回至膜蒸发池2，继续浓缩蒸发。

热反应池2中的膜为聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，内径：0.2-3.0mm，壁厚：0.05-1.0mm，膜蒸发器多支并列组成一级，多极串联构成一组。

热反应池2中设有空气曝气管4，其有三个作用：一是通过鼓气搅动，使热池2中被处理液体与疏水膜丝均匀接触，减小浓差极化与温差极化作用；二是利用气泡摩擦摆动效果，控制膜污染；三是利用气浮提升作用，使悬浮物上浮，从出口8溢流出蒸发器。

当浓缩结晶盐等固形物在热池2中含量较多时，停止曝气，使浓缩结晶盐等固形物在重力作用下，自然下沉，从低位出口7排出。

冷凝器5为中空纤维冷凝器，其中的高分子材料为聚偏氟乙烯中空纤维，内径：0.2-3.0mm，壁厚：0.05-1.0mm，冷凝器多支并列组成一级，多极串联构成一组。

膜化学反应器12采用亲水性帘式聚偏氟乙烯中空纤维膜，其中设有空气曝气管，利用气泡摩擦摆动效果，控制膜污染。

通常膜蒸馏是采用内压式中空纤维膜，热水流经中空纤维膜内侧，由于中纤维膜内径不大，使得中空纤维膜管内流道容易堵塞，因此对原水预处理要求高，同时，为了防止在膜组件内部冷凝，需要对中空纤维膜组件进行保温处理。本发明采用浸没式外压中空纤维疏水膜作为蒸发器，将外压中空纤维疏水膜直接浸没于加热原水池中，优点是无需对膜组件进行复杂的保温处理、膜蒸发面积大。

通常膜蒸发是采用柱式膜组件，本发明采用浸没一体式，一方面，设备紧凑、结构简单，另一方面，可以有效控制膜污染与直接进行结晶分离。易清洗(可以采用容易控制且清洗效果好的空气清洗)、不易在膜表面结垢与结晶、结晶物容易利用重力自然下沉收集、悬浮杂质容易利用气浮提升作用上浮排出。

膜组件结构形式可以为U型、倒U型、直型，如图3所示。图3a显示了本发明膜组件膜丝倒U型浇铸结构示意图；图3b显示了本发明膜组件膜丝U型浇铸结构示意图；图3c显示了本发明膜组件膜丝直型两端浇铸结构示意图。

本发明还提供一种膜蒸发浓缩液体处理方法，其特征在于：

将海水、工业循环水、发酵液、反渗透浓水等需要处理的原水，从料液进口1进入热池2，通过浸没式疏水中空纤维膜蒸发器3，采用负压泵6，将水蒸气导入冷凝器5中进行冷凝收集。浓缩结晶盐等固形物则从低位排出口7排出蒸发器。通过穿孔曝气管4在线清洗，控制膜污染。利用穿孔曝气管4的气浮提升作用，将蒸发热池2中的悬浮杂质和浓水溢流至浸没式膜反应过滤池11。通过加药口17搅拌投加絮凝剂、酸、碱等化学药剂，使高浓度的盐、有机物沉淀，成为污泥，通过排放口14排出。膜过滤水则通过自吸泵16抽吸，输送返回至膜蒸发池2，继续浓缩蒸发。

由于疏水膜的空气透过性好，为了控制膜污染，可以从空气口9通入低压压缩空气，对膜进行空气内压反冲冲击清洗。

热池2中的被处理水，可以在热池中被直接加热，也可以通过热交换，在热池外部被加热至规定温度后，再引入热池。

当浓缩结晶盐等固形物在热池2中含量较多时，停止曝气，使浓缩结晶盐等固形物在重力作用下，自然下沉，从低位出口7排出。

由于疏水膜的空气透过性好，为了控制膜污染，可以从空气口9通入低压压缩空气，对膜进行空气内压反冲冲击清洗。

作为蒸发器可以采用聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜材料，膜结构形式可以采用中空纤维膜、平板膜、管式膜组件，本发明优选聚偏氟乙烯中空纤维膜组件作为蒸发器。根据处理量的不同，可以将多个膜组件并联或同时串联使用。

冷凝器可以采用通用的金属材料冷凝器，本发明优选耐腐蚀、难结垢的聚偏氟乙烯中空纤维换热器。

浸没式膜化学反应装置中的亲水性膜，可以是聚砜、聚醚砜、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯等膜过滤材料，膜结构形式可以采用中空纤维膜、平板膜、管式膜组件，本发明优选亲水性聚偏氟乙烯中空纤维膜组件作为固液分离器。根据处理量的不同，可以将多个膜组件并联使用。

本发明的系统适用的待处理的液体可以是自来水、海水、发酵液、冷却循环水，也可以用于化工挥发性物料分离或其它可以蒸发浓缩的液体体系。

本发明特点如下：

1、如图2，膜蒸发器3优选聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，内径：0.2-3.0mm，壁厚：0.05-1.0mm。采用外压浸没式膜组件结构，膜蒸发器3由多个膜组件并列组成一级，多极串联构成一组。

2、换热器5优选采用聚偏氟乙烯中空纤维，内径：0.2-3.0mm，壁厚：0.05-1.0mm。换热器3由多支并列组成一级，多极串联构成一组。

3、在曝气控制膜污染的同时，利用气浮提升作用，部分浓缩水进入浸没式膜反应过滤池11，通过投加絮凝剂、酸碱等化学药剂，使高浓度的盐、有机物沉淀，成为污泥，排放。透过膜的清水被负压抽吸出来，输送至膜蒸发池2继续浓缩。

Claims (6)

1.一种膜蒸发浓缩液体处理系统，其特征在于，包括：

热池，其中设置有疏水膜蒸发器，对原液进行分离，水蒸气被冷凝后收集；

与热池连接的反应过滤池，其上设置有化学药剂投加口，反应过滤池设置有亲水膜化学反应器，对从热池中溢出的上浮污染物进行分离。

2.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理系统，其膜蒸发器特征在于：

被处理料液从设置在热池上的料液进口进入热池，从浸没式疏水膜蒸发器排出的蒸汽被负压泵抽吸，进入到冷凝器中被冷凝，获得纯水；

在热池底部获得浓缩结晶沉淀物，通过排出口排出；

在热池底部装有曝气管。

3.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理系统，其膜化学反应器特征在于：

连接热池与反应过滤池之间设置有上浮污染物溢流管，

蒸发器中的液体在气浮提升作用下进入反应池，在反应池上设置有加药口，投加絮凝剂或酸或碱化学药剂；

亲水膜化学反应器进行过滤后，膜过滤水通过吸泵送回热池中；

膜化学反应池底部设置低位排放口，污泥通过上述排放口排出；

膜化学反应池中还设置有曝气管。

4.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理系统，其特征在于：

膜蒸发器中的膜为聚偏氟乙烯中空纤维疏水膜，内径：0.2-3.0mm，壁厚：0.05-1.0mm，浸没式疏水膜组件多支并列组成一级，多极串联构成一组。

5.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩液体处理系统，其特征在于：

化学反应器中的膜为亲水性帘式聚偏氟乙烯中空纤维膜，其中设有空气曝气管，利用气泡摩擦摆动效果，控制膜污染。

6.一种膜蒸发浓缩液体处理方法，其特征在于：

首先，需要处理的原水，从料液进口进入热池；

原水通过浸没式疏水中空纤维膜蒸发器进行过滤；

设置在热池上的负压泵，将水蒸气导入冷凝器中进行冷凝收集；

浓缩结晶盐固形物则从低位排出口排出蒸发器；

通过设置在膜蒸发器下部的穿孔曝气管进行在线清洗，控制膜污染；

利用穿孔曝气管的气浮提升作用，将蒸发热池中的悬浮杂质和浓水溢流至浸没式膜反应过滤池；

通过设置在膜反应过滤池上的加药口搅拌投加絮凝剂、酸、碱化学药剂，使高浓度的盐、有机物沉淀，成为污泥，通过排放口排出；

膜过滤水则通过自吸泵抽吸，输送返回至膜蒸发池，继续浓缩蒸发。

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