CN101417209A - 一种节能减压膜蒸馏装置及方法 - Google Patents

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本发明涉及一种能够有效进行热量回收的减压膜蒸馏(VMD)装置及方法,包括膜蒸馏系统、热量回收系统、加热设备、减压设备、液体循环系统、预处理系统、系统控制及检测。本发明的减压膜蒸馏装置及方法能够利用低温热源、热量利用率高、设备效率高、脱盐率高、应用范围广。

Description

一种节能减压膜蒸馏装置及方法
技术领域
本发明涉及一种能够有效进行热量回收的减压膜蒸馏(VMD)装置及方法。
背景技术
淡水资源的短缺和水环境的污染是我们面临的严重问题,从浩瀚的海洋、丰富的苦咸水或工业废水中脱盐制取净水,是解决淡水短缺和开辟新的淡水来源的一种有效途径。
目前在大型脱盐设备与技术方面已基本形成了热法(MSF、MED)和膜法(RO)两大系列。在中小型脱盐设备方面,已形成了五花八门的技术种类,主要包括:化学(沉淀)法、离子交换吸附法、膜法、电去离子法、蒸馏法以及生物法等。这些技术绝大多数适宜于处理较低浓度的含盐水溶液,而对于不同规模具有较高浓度酸碱盐的水处理或不适合或成本过高。新近发展的膜蒸馏(Membrane Distillation以下简称MD)技术,兼具了蒸馏法和膜法的优点,在脱盐方面独具特色,特别是在处理高盐度和强腐蚀酸碱水溶液方面具有其它技术难以比拟的优势,在以获取淡水和化学资源利用为目的的脱盐过程中能够获得较其它技术更高比例的淡水和更根高浓度的浓缩液甚至固体,是一种具有发展前途的脱盐技术。
膜蒸馏中所用的膜是多孔的和不被料液润湿的疏水膜,膜的一侧是与膜直接接触的待处理的热水溶液,由于膜的疏水性,水溶液不会从膜孔中通过,但由于膜两侧挥发性组份蒸气压差的存在,使挥发性组份在料液(高温)侧膜表面汽化,蒸气通过膜孔传递到膜的另一侧(低蒸气压侧)并冷凝为液体。在膜蒸馏的四种形式(直接接触式、气隙式、减压式、气扫式)中,减压膜蒸馏法(VMD)能够获得最大的膜两侧蒸气压差(亦即最大的驱动力)、最小的膜孔内蒸气传质阻力和最小的通过膜的传导热,因而也最易获得高的蒸气通量。但由于相变的原因,MD通常被认为是一种热耗较高的技术。本发明研制出了能够有效进行热量回收的VMD装置及方法,能够显著提高VMD装置的热利用率、提高VMD设备的生产效率、从而有效降低生产成本、并能有效扩大VMD装置的单机规模。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够显著提高热利用率且适合于不同浓度酸碱盐水处理的高效减压膜蒸馏(VMD)装置及方法。
以上的设备和方法适用于任何以分离为目的的减压膜蒸馏工艺过程。
本发明热回收VMD系统的设计与制造着重考虑的几个方面是:(1)膜蒸馏膜组件以串联的方式进行组合,高温料液依次通过膜组件;(2)换热器以串联形式组合,并分别与膜组件的减压蒸发侧相连,而通过膜组件后的低温料液以相反的方向从换热器的另一侧流过;(3)在真空的作用下从串联膜组件内获得的不同温度水蒸气分别通过以串联形式组合的换热器进行冷凝,并回收其潜热;(4)部分未冷凝蒸汽被加温升压后回收利用其潜热;(5)低温料液被较高温度的冷凝水或排放液加热。
为实现上述目的,本发明提供的减压膜蒸馏装置(如图1所示)包括七个部分:
1、预处理系统:根据所用料液的不同性质选用不同的预处理设备和工艺,主要包括气浮、絮凝、沉淀、沙滤、吸附、膜过滤等以移除料液内的悬浮物、凝胶、固体颗粒以及其它对膜系统有害的成分。预处理是在料液进入循环系统之前实施的。
2、液体循环系统:包括原料液泵、循环泵、管路系统、储水槽(罐)等以及流量、温度、压力、浓度监测仪表和控制阀等。如果循环系统内存在由于料液浓度增加和高温等因素而产生的凝聚、沉淀现象,则需要在循环系统内增加相应设备以移除这些在膜蒸馏过程中所形成的凝聚沉淀物,主要包括沉淀、过滤等措施。
3、加热装置:根据不同热源选用不同加热器将物料液加热至50-<100℃,加热装置可以是各种锅炉、液-液和汽/气-液换热器、太阳能加热装置等,可利用能源包括(工业)废热/余热、蒸汽、电能、太阳能、地热等以及可利用燃料,比如天然气、煤制气、生物气等。
4、膜蒸馏脱盐系统:由多个膜蒸馏膜组件7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6……相互串联组成的膜蒸馏脱盐系统。该膜蒸馏系统也可由多个膜组件组串并联组成。膜蒸馏膜组件可以是由非极性多孔膜构成的多种结构形式的膜组件。
5、热量回收系统:由多个串并联的换热器组成。如图1所示,换热器8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6分别与膜组件7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6相连,以直接回收来自膜组件的蒸汽的冷凝热;换热器8.7和8.8分别用以回收高温冷凝蒸馏水、部分未被冷凝蒸汽和排放液体的热量;换热器8.9为使冷凝蒸馏水温最终降至接近常温。换热器的大小需要根据膜组件的蒸汽排出量而确定,换热器的形式可以是管壳式、平板式等各种形式适合于汽-液、液-液换热工况的换热装置。
如果加热系统使用蒸汽加热,在上述基础上经过8.6和8.7后仍未冷凝的蒸汽可被蒸气喷射式热泵加温加压后进入加热装置而利用。根据需要蒸汽喷射式热泵也可以直接同膜组件7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6相连接,把从膜组件内抽出的蒸汽直接经过加压升温后用于加热循环料液,蒸汽在加热循环料液的过程中冷凝为蒸馏水。
6、减压设备:用于保持相应于循环料液膜的另一侧的负压,多种形式的真空泵可用于本脱盐系统。如果使用蒸汽加热,部分或全部负压可由蒸汽喷射式热泵的使用而产生。
7、系统控制及检测:包括流速、温度、压力、浓度等的控制与测试。
一种能够有效进行热量循环利用的减压膜蒸馏分离方法,其特征在于包括如下步骤:
A物料液预处理
物料液在进入膜蒸馏的循环系统之前须经过恰当的预处理以除去其中的固体颗粒、悬浮物、凝胶等可能对系统造成污染的成分。
B物料液的减压膜蒸馏分离
物料液经过加热装置加热至50-<100℃后,进入串联组合的膜组件。而多孔膜的另一侧在真空(0.1-100kPa)作用下易挥发组分在膜组件内膜表面上的持续蒸发,导致了物料液温度沿着其在膜组件内的液体流动方向的顺序降低,相应地透过膜的水蒸气温度也沿着液体的流动方向而顺序降低亦即从第一级膜组件内获得的蒸汽温度最高,第二级的蒸汽温度低于第一级,第三级低于第二级,……,最后一级的水蒸气温度最低。其结果是物料液通过序列膜组件后部分水被蒸发分离、溶液被浓缩、物料液从膜组件的流出温度被显著降低。
如果循环系统内存在由于料液浓度增加和高温等因素而产生的凝聚沉淀现象,则需要在循环系统内增加相应设备设施以从系统中移除这些凝聚沉淀物,主要包括沉淀、过滤等措施。
C蒸汽冷凝及热量回收
如图1所示,串联组合的换热器分别与串联组合的膜组件相连,从膜组件内抽出的水蒸气首先分别进入相应的换热器。同时从最后一级膜组件流出的低温液体从串联换热器的最后一级进入换热系统。由于在换热器内蒸汽的温度高于另一侧料液的温度,在料液和蒸汽之间产生热量交换,其结果是物料液被进一步加热,而水蒸气被冷凝为蒸馏水。同理,被加温的物料液相继进入下一级换热器同具有更高温度的水蒸气进行热交换被进一步加温,同时在换热器的另一侧得到冷凝蒸馏水。如此的梯级换热完成后,大部分蒸汽的冷凝热被回收用以加热物料液。
由于从最后一级膜组件内流出的物料液与最后一级或倒数第二级膜组件所产生蒸汽的温度差较小,所以从最后一级或倒数第二级膜组件抽出的水蒸气被引出直接加热低温补充料液。通过串联换热器获得的高温蒸馏水将通过另外的换热器进一步对补充料液加热。
根据实际需要,上述被降温后但仍具有较高温度的蒸馏水可被直接利用或进一步降至室温。
在实际应用过程中,由于具体设计和工况条件不同可能会有少量水蒸气在上述热交换过程中得不到充分冷凝。该少量蒸汽可通过一个后续的换热装置回收蒸馏水。如果膜蒸馏系统使用蒸汽加热,可使用蒸汽喷射式热泵将这部分蒸汽加温加压后用以加热循环物料液而得以充分利用。另外,根据需要蒸汽喷射式热泵也可以直接同膜组件相连接,把从膜组件内抽出的蒸汽直接经过蒸汽喷射式热泵加压升温后用于加热循环料液,蒸汽在加热循环料液的过程中冷凝为蒸馏水。
D料液补加、浓缩液排放和热量补充
在上述膜蒸馏过程中,由于水被连续不断从物料液中分离出去,物料液体积逐渐减小,浓度逐渐提高,因此需要连续不断地补充料液。当溶液浓度增加到一定值后,膜蒸馏的效率会显著降低,因此需要从系统中排放部分浓溶液和补充低浓度物料液以控制和维持循环体系内料液的浓度低于一定值。
经过上述的热量回收过程,大部分热量得到了回收利用,但仍有部分热量无法回收(比如:通过管路等的热扩散损失、被蒸馏水带走的部分热量等),循环液在重新进入膜蒸馏组件之前需要进行热量补充以提升温度。用于膜蒸馏的热源可以是各种低温热源、工业废热等。
E设备规模提升
根据规模要求,可通过增加单个膜组件的膜面积、串联组件的数量以及进行多组膜组件的并联设计来提高设备的处理量和规模。
F在其它易挥发组分的分离方面的应用
该减压膜蒸馏分离方法不仅可用于以水蒸发为基础的各种分离过程,而且可用于溶液中的低浓挥发性有机物的分离和溶解气体的脱除。
附图说明
图1是热量回收减压膜蒸馏装置示意图:1.1、原料水,1.2、排放浓液,1.3、蒸馏水,1.4、冷却水,1.5、蒸汽,2、预处理装置,3.1、原料液泵,3.2、物料液循环泵,3.3、真空泵,4.1、流量计,4.2、温度计,4.3、压力表,4.4、电导率仪,4.5、阀门,5.1、储液槽,5.2、缓冲罐,6.1、蒸汽喷射式热泵,6.2、加热装置,7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、膜蒸馏膜组件,8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、换热器,9、汽-水分离器。
具体实施方式
如图1所示,经过预处理(2)的原料水溶液(1.1)被原料液泵(3.1)送入膜蒸馏系统,经换热器(8.6,8.8,8.7)预热后在储液槽(5.1)内与高浓度循环液混合。混合液经循环泵(3.2)加压后进入加热器(6.2)加热至预定温度,然后以一定的流速顺序通过系列串联的膜组件(7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6)。在膜组件(7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6)内,高温料液内的水发生汽化,在真空(3.3)作用下不同温度的水蒸气(温度由高到低)分别进入换热器(8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6)进行冷凝换热。从最后一级膜组件(7.6)内流出的被进一步浓缩的低温料液,再顺序进入换热器(8.5、8.4、8.3、8.2、8.1)的一侧同另一侧来自膜组件的水蒸气进行热交换,其结果是物料液被加温,而水蒸气被冷凝。从最后一级膜组件(7.6)抽出的水蒸气由于其温度较低而被用于(通过换热器(8.6))加热补充原料水溶液(1.1)。被换热器(8.5、8.4、8.3、8.2、8.1)冷凝且具有较高温度的蒸馏水及部分未凝蒸汽通过换热器(8.7)对补充原料水溶液(1.1)进一步加热。被预热的补充原料水溶液(1.1)和经过换热器(8.5、8.4、8.3、8.2、8.1)加热的循环物料液共同流入储液槽(5.1),混合后再次被加热(6.2)进行膜蒸馏。
循环体系内的部分高浓物料液(1.2)通过调节阀门(4.5)排出膜蒸馏系统,其部分热量通过换热器(8.8)同补充物料液(1.1)进行交换回收,同时储存于缓冲罐(5.2)的蒸馏水(1.3)也不断从膜蒸馏系统内释出,原料水溶液(1.1)的补充是通过原料液泵(3.1)而输入膜蒸馏系统的。
经过换热器(8.6和8.7)冷凝和降温后的蒸馏水以及可能存在的少量蒸汽通过换热器(8.9)进一步降温后使用。如果膜蒸馏系统使用蒸汽(1.5)加热,最后未被冷凝的蒸汽在经过汽-水分离器(9)后被蒸汽喷射式热泵(6.1)加温加压后回到加热器(6.2)加热循环物料液。另外,根据需要蒸汽喷射式热泵(6.1)也可以直接同膜组件相连接,把从膜组件内抽出的蒸汽直接经过蒸汽喷射式热泵(6.1)加压升温后用于加热循环料液,蒸汽在加热器(6.2)内加热循环料液的过程中冷凝为蒸馏水。
实施例1
物料水溶液:海水
预处理:沉淀、沙滤、微滤
膜及膜组件:聚丙烯中空纤维膜,板框式错流膜组件结构
热回收装置:管壳式钛质换热器,蒸汽喷射式热泵
加热:热源为热电厂乏汽,物料液的膜组件进口温度90℃
结果:产品为蒸留水、12%含盐浓海水,热量回收利用率85%。
实施例2
物料水溶液:稀硫酸、盐酸工业废水
预处理:微滤
膜及膜组件:聚四氟乙烯中空纤维膜,管壳式膜组件结构
热回收装置:塑料材质换热器,蒸汽喷射式热泵
加热:低压蒸汽,物料液的膜组件进口温度85℃
结果:产品为蒸馏水、高浓含酸水溶液,热量回收利用率80%。
实施例3
物料水溶液:8%乙醇水溶液
预处理:微滤
膜及膜组件:聚偏氟乙烯平板膜,卷式层流组件结构
热回收装置:铜质板式换热器
加热:冷却塔热交换,物料液的膜组件进口温度65℃
结果:产品为95%乙醇溶液,热量回收利用率50%。
实施例4
物料水溶液:高盐度有机合成工业废水(含低分子水溶性有机物)
预处理:沉淀、微滤、超滤
膜及膜组件:聚4-甲基-1-戊烯中空纤维膜,管壳式错流组件结构
热回收装置:铜镍合金螺旋式换热器
加热:可燃工业废气,物料液的膜组件进口温度76℃
结果:产品为蒸馏水、25%含盐浓缩液,热量回收利用率66%。
实施例5
物料水溶液:5%柠檬酸钠水溶液
预处理:微滤
膜及膜组件:全氟二甲基间二氧杂环戊烯-四氟乙烯管式膜,管壳式组件结构
热回收装置:不锈钢管壳式换热器,蒸汽喷射式热泵
加热:锅炉低压蒸汽,物料液的膜组件进口温度88℃
结果:产品为蒸馏水、柠檬酸钠饱和溶液和柠檬酸钠固体结晶,热量回收利用率85%。
实施例6
物料水溶液:海水
预处理:絮凝、沉淀、沙滤、微滤
膜及膜组件:聚偏氟乙烯中空纤维膜,缠绕式组件结构
热回收装置:海军铜板式换热器
加热:太阳能,物料液的膜组件进口温度65℃
结果:产品为蒸留水,热量回收利用率55%。
实施例7
物料水溶液:含镍电镀工业废水
预处理:微滤
膜及膜组件:聚四氟乙烯中空纤维膜,管壳式错流组件结构
热回收装置:塑料材质管壳式换热器,蒸汽喷射式热泵
加热:锅炉低压蒸汽,物料液的膜组件进口温度88℃
结果:产品为蒸馏水、10%含镍浓缩液(可直接回用),热量回收利用率86%。

Claims (10)

1、一种能够有效进行热量回收的减压膜蒸馏(VMD)装置,其特征包括膜蒸馏系统和与膜一侧相连接的减压系统以及与其另一侧相连接的液体循环系统、与液体循环系统相结合的循环液体加热设备、与减压系统和液体循环系统相联系的热量回收系统。
2、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,所述的膜蒸馏系统是由单个或多个并列或串联的膜组件组构成的,每一个膜组件组由单个或多个串联或并联的膜组件组成;膜组件的核心组成部分是多孔非极性高分子膜,高分子膜的形式可为中空纤维膜、管式膜和平板膜,膜组件的形式包括板框式错流膜组件结构、管壳式膜组件结构、卷式膜组件结构、缠绕式膜组件结构。
3、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,所述的液体循环系统主要包括泵、管路系统、控制阀、储液槽(罐)等,以及与此相联系的流量、温度、压力、浓度等参数的测试仪表和控制系统;如果液体循环系统内存在由于料液浓度增加和高温等因素而产生的凝聚、沉淀现象,则需要在循环系统内增加相应设备以移除这些在膜蒸馏过程中所形成的凝聚、沉淀物,这些滤除设备主要包括沉淀、过滤等,滤出设备的位置在储液槽附近或与储液槽结合为一体。
4、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,所述的减压系统用于保持系统的负压,主要包括真空泵、缓冲装置、管路、储水槽等,以及与之相关的压力、温度、流量、浓度等参数的测试仪表和控制系统,多种形式的真空泵能够适应于具有较高湿度的工况条件;如果所述加热系统使用蒸汽加热,还应该包括一个(组)蒸汽喷射式热泵和汽-水分离器,通过换热器后少量仍未被冷凝的蒸汽经过汽-水分离后被蒸汽喷射式热泵加温加压,尔后通过加热器加热循环物料液,同时给系统提供一定的负压;另外,根据需要蒸汽喷射式热泵也可以直接同膜组件(组)相连接,把从膜组件内抽出的蒸汽直接经过蒸汽喷射式热泵加压升温后用于加热循环料液,在加热循环料液的过程中蒸汽冷凝为较高温度的蒸馏水,该高温蒸馏水通过换热器进一步加热补充料液至较高的温度。
5、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,所述的热量回收系统是由多个换热器组成的,其中与每一个膜组件(组)相连的换热器为汽-液换热器,除与最后第一级或包括倒数第二级膜组件(组)相连的换热器外,其它与膜组件(组)相连的换热器串联组合;从最后一级膜组件(组)内流出的低温物料液以相反的方向进入串联换热器序列同从膜组件内抽出的水蒸汽进行热交换;另外的换热器分别用以回收从末级膜组件(组)内抽出的水蒸气的热量、高温冷凝水的热量以及排放液的热量;换热器的形式可以是管壳式、平板式、螺旋式、板翅式换热器等各种形式适合于汽-液、液-液换热工况的换热装置。
6、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,根据不同热源选用不同加热器将物料液加热至50-<100℃,可利用热源包括(工业)废热/余热、蒸汽、电能、化石燃料、太阳能、地热等以及其它可利用燃料,比如天然气、煤制气、生物气等,加热装置可以是各种锅炉、液-液和汽/气-液换热器、太阳能加热装置等。
7、按照权利要求1的减压膜蒸馏装置,原料液在进入液体循环系统之前需要经过适当的预处理以去除料液内的悬浮物、凝胶、固体颗粒以及其它对膜系统有害的成分,预处理装置包括气浮、絮凝、沉淀、沙滤、破乳、吸附、膜过滤中的一种或几种的组合。
8、一种使用如权利要求1所述装置的能够有效进行热量回收的减压膜蒸馏(VMD)方法,其特征在于包括如下步骤:
A物料液预处理
物料液预处理过程为:物料液经气浮、絮凝、沉淀、沙滤、破乳、吸附、膜过滤中的一个或几个过程的处理,去除物料液中的悬浮物、凝胶、固体颗粒以及其它对膜系统有害的成分;
B物料液的减压膜蒸馏分离
预处理后的物料液经过加热装置加热至50-<100℃后,进入膜组件系统(膜组件以串联、并联或串并联的任何形式组合),而多孔膜的另一侧在真空(0.1-100kPa)作用下水在膜组件内的膜表面持续蒸发,导致物料液温度沿着膜组件内液体流动方向的顺序降低,相应地透过膜的水蒸气温度也沿着液体的流动方向而顺序降低,其结果是物料液通过序列膜组件后部分水被蒸发分离、溶液被浓缩、从膜组件流出物料液的温度被显著降低;
如果循环系统内存在由于料液浓度增加和高温等因素而产生的凝聚、沉淀现象,则需要在循环系统内增加相应的分离设施(主要包括沉淀、过滤等)以从系统中移除这些凝聚、沉淀物;
C蒸汽冷凝及热量回收
串联组合的换热器分别与串联组合的膜组件(组)相连,从膜组件内抽出的水蒸气首先分别进入相应的换热器;同时从最后一级膜组件流出的低温物料液从串联换热器的最后一级进入换热系统;由于在换热器内蒸汽的温度高于另一侧料液的温度,在料液和蒸汽之间产生热量交换,其结果是物料液被进一步加热,而水蒸气被冷凝为蒸馏水;在经过逐级的热量交换后,大部分蒸汽的冷凝热被回收用以加热物料液;
由于从最后一级膜组件(组)内流出的物料液与最后一级或包括倒数第二级膜组件(组)所产生蒸汽的温度差较小,所以从最后一级或包括倒数第二级膜(组)抽出的水蒸气通过换热器用于加热低温补充料液;通过串联换热器组获得的高温蒸馏水、部分未凝蒸汽和从膜系统中释出的高温排放液将通过另外的换热器进一步加热补充料液;根据需要,上述被降温后但仍具有较高温度的蒸馏水可被直接利用或进一步降至室温使用;
对于上述热交换过程中仍得不到充分冷凝的少量水蒸气可通过一个后续的换热装置回收蒸馏水;如果膜蒸馏系统使用蒸汽加热,可使用蒸汽喷射式热泵将这部分蒸汽加温加压后用以加热循环物料液而得以充分利用;另外,根据需要蒸汽喷射式热泵也可以直接同膜组件(组)相连接,把从膜组件内抽出的蒸汽
Figure A200710059968C0004105737QIETU
接经过蒸汽喷射式热泵加压升温后用于加热循环料液,蒸汽在加热循环料液的过程中冷凝为高温蒸馏水,该高温蒸馏水通过换热器进一步加热补充料液至较高的温度;
D料液补加、浓缩液排放和热量补充
在上述膜蒸馏过程中,由于水被连续不断地从物料液中分离出去,物料液体积逐渐减小,浓度逐渐提高,因此需要连续不断地补充料液,同时从系统中部分排放浓溶液以控制和维持循环体系内料液的浓度低于一定值;
由于部分热量的损失,循环液在重新进入膜组件之前需要进行热量补充以提升温度,用于膜蒸馏的热源可以是各种低温热原、(工业)废热/余热、燃料、蒸汽、电、太阳能、地热等;
E设备规模提升
根据规模要求,可通过增加单个膜组件的膜面积和串、并联组件的数量以及进行多个膜组件组的串、并联设计来提高设备的处理量和规模。
9、权利要求1所述装置和权利要求8所述方法不仅可用于以水蒸发为基础的各种水溶液的分离过程,而且可用于水溶液中低浓挥发性有机物的分离和溶解气体的脱除。
10、上述权利1-9也适用于直接接触膜蒸馏、气隙式膜蒸馏和气扫式膜蒸馏。
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