CN101920169B - 一种膜蒸发浓缩方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种膜蒸发浓缩装置以及方法，其中，膜蒸发浓缩装置包括：膜蒸发水槽；低压蒸气进入膜蒸发水槽；风机，设置在膜蒸发水槽的外部，用于向膜蒸发水槽中的膜组件鼓入压缩空气；膜组件的出水口连接换热器，用于对原水加热；膜蒸发浓缩装置中疏水膜组件分置于液相和气相两个基本膜区。本发明1)减缓膜污染，提高膜蒸馏通量；2)对含湿热空气尾气进行过滤、降温冷凝处理，防止了飞沫污染，获得低电导率的产水水质；3)通过絮凝气浮除杂和膜澄清过滤，将大部分有机污染物移出膜蒸发系统，减少膜蒸馏过程的污染，提高浓缩倍数；4)不仅对膜蒸馏的产气进行热量回收，还对含湿热空气进行热量回收，进一步降低膜蒸发系统的能耗。

Description

一种膜蒸发浓缩方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种膜蒸发浓缩方法及其装置，尤其涉及高含盐水处理和化工浓缩分离的膜分离处理方法及其装置。

背景技术

膜蒸馏技术与普通蒸发器比较，膜蒸馏的一个最显著的特征是单位体积的蒸发面积大、耐腐蚀、不易结垢，因而可以使装置在较低温度的蒸发过程中高效地运行，且蒸馏操作所需的汽相空间很小。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程，操作压力低，因此对膜机械性能的要求低，设备费用也低，过程安全性得到了提高，而且，膜蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染少，还可以有效利用工业废热，因此，近年来，膜蒸馏技术得到了广泛关注。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分离过程。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，只有水蒸汽能透过膜孔，原水以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，所以膜蒸馏过程理论上可以对离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发物实现100％的脱除。微孔疏水膜在膜蒸馏过程中起两相之间的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，温差极化与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。

膜蒸馏过程的操作温度低于传统的蒸馏过程，而操作压力又低于传统的膜分离过程；对膜的机械性能要求较低；与传统的蒸馏过程相比，蒸汽空间显著减少。膜蒸馏的组件可以设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性。该过程可以处理浓度极高的水溶液，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而实现膜蒸馏结晶，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，且只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，可以利用太阳能、地热、温泉、工厂余热和温热的工业废水等廉价能源。

减压膜蒸馏是在疏水膜的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换热器内进行冷凝液化。

膜蒸馏技术具有操作压力低，可得到99.99％的脱盐率和在良好操作条件下高于反渗透的水通量，显示了它作为反渗透技术的替代(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，在降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少浓水排放方面，可望取得显著的经济效益和社会效益。

但是，膜蒸馏过程中一般都存在着：1、膜蒸馏过程热能利用问题。2、随着膜蒸发浓缩过程的进行，原料液不断被浓缩，导致料液中COD等污染物浓度增大，使膜污染问题严重。3、常规减压膜蒸馏过程虽产水水质好，效率高，但运行能耗较大。这些都是膜蒸馏技术实现工业化应用必需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种新的膜蒸发浓缩方法及其装置。

本发明一种膜蒸发浓缩装置，其特征在于，包括以下部件：膜蒸发水槽，疏水膜组件，原水供水泵，鼓风机，换热器；膜蒸发水槽中设置有疏水膜组件，用于处理原水；膜蒸发水槽设置有蒸汽入口，加热用低压蒸气通过阀门控制，进入膜蒸发水槽，使得水槽中的液体达到预定的蒸发温度；风机，设置在膜蒸发水槽的外部，用于向膜蒸发水槽中的膜组件鼓入压缩空气；膜组件的出水口连接换热器，用于对原水加热，同时冷凝产水。

膜区分为两个基本膜区，分别是液相膜区，气相膜区；液相膜区设置为两组或两组以上；液相膜区中的膜组件浸没在待处理液体中；气相膜区位于液相膜区上方的气相飞沫区；液相膜区和气相膜区置于一个膜蒸发水槽中，或置于不同的容器中。

液相膜区中设置的膜组件的底部连接有输气管，输气管的一端连接有鼓风机；空气送入到膜组件下方，使空气泡自然上升，进入纤维膜组件的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在纤维膜组件的管程中自下而上流动。

在液相膜区中的一组膜区中设置一个溢流管，气浮上来的杂质通过溢流管流至膜蒸发槽外设置的膜澄清过滤水槽；膜澄清过滤水槽中设置有超滤膜，超滤膜的出水口通过泵连接到液相膜区的另外一组膜区；膜澄清过滤水槽中设置斜板过滤，作为超滤膜的预处理，污泥则从膜澄清过滤水槽的低位排泥阀排出。

气相膜区中的组膜组件的壳程的上侧口通过管路连接，顺次管接于膜蒸发槽外的换热器、第二产水罐，利用膜蒸发槽的内部压力，将含湿热空气送出膜蒸发槽，冷凝液化。

原水槽通过原水进水管与换热器相连，换热器分为两组，每组换热器有两级，其中第一组换热器包括第一级换热器，第二级换热器；第二组换热器包括第一级换热器，第二级换热器。

液相膜区中的膜组件壳程的下侧口用管路连接，将膜组件中可能有的渗漏液通过阀门低位排出膜蒸发槽；液相膜区中的膜组件壳程的上侧口用管路连接，顺次管接于膜蒸发槽外的二级换热器、一级换热器、带液位控制或时间继电器控制的气液分离器、第一产水罐和真空泵，将膜蒸发透过的水蒸气液化、冷凝、收集。

液相膜区底部排出的浓水，还经流量计定量混合盐析剂后，在工业结晶器中结晶，结晶后的母液再返回液相膜区继续蒸发浓缩。

本发明还提供一种膜蒸发浓缩方法，其特征在于：包括减压膜蒸馏、膜法含湿空气过滤、絮凝气浮除杂、膜澄清过滤、蒸发潜热回收五个过程；减压膜蒸馏过程为：通过输气管向浸没在处理液体中的液相膜区中设置的组膜组件的管程中鼓入空气；空气送入到膜组件下方，使空气泡自然上升，进入纤维膜组件的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在纤维膜组件的管程中自下而上流动；膜法含湿空气过滤过程为，对于空气提升后的饱和含湿尾气，通过位于液相膜区上方的气相飞沫区的气相膜区中设置膜组件，对含湿热空气进行过滤、收集；絮凝气浮除杂过程为，通过向原水进水管中注入絮凝剂，利用膜蒸发水槽中空气气泡的气浮提升作用，将待处理液中杂质通过溢流管排入超滤膜过滤槽中；

膜澄清过滤过程为，通过设置在超滤膜过滤槽中的斜板预过滤，降低超滤膜的污染，杂质排出系统，膜过滤清液返回膜蒸发水槽，继续蒸发；蒸发潜热回收过程为，通过第一组换热器，利用减压膜蒸馏的透过水蒸气对原液进行加热；通过第二组换热器，对饱和含湿尾气的热量进行回收。

在膜蒸馏过程中，连续鼓入空气以控制膜污染和实现液体流动，同时，鼓入的空气饱和吸湿后，经过疏水膜过滤，进入换热器液化，获得产水。

通过本发明取得如下效果：

本发明的膜蒸发浓缩方法，集成了减压膜蒸馏、膜法含湿空气过滤、絮凝气浮除杂、膜澄清过滤、蒸发潜热回收五个过程。1)利用鼓气减压膜蒸馏机理，减缓膜污染，提高膜蒸馏通量；2)利用压力差驱动的膜过滤机理，对含湿热空气尾气进行过滤、降温冷凝处理，防止了飞沫污染，获得低电导率的产水水质；3)通过絮凝气浮除杂和膜澄清过滤，将大部分有机污染物移出膜蒸发系统，减少膜蒸馏过程的污染，提高浓缩倍数；4)不仅对膜蒸馏的产气进行热量回收，还对含湿热空气进行热量回收，进一步降低膜蒸发系统的能耗。

设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

附图说明

图1、2是本发明的膜蒸发浓缩工艺装置示意图。

具体实施方式

本发明的系统如图1所示。本发明涉及的膜蒸发浓缩装置包括依次连接的如下部件：

原水泵50，膜蒸发水槽10，疏水膜组件11、12、13，鼓风机16，换热器1、2、6、7，膜过滤槽25，泵9，超滤膜27，产水槽41、43，真空泵44，流量计3、4、8、17、28、32，斜板26，膜区MD1、MD2、MD3，隔板23，溢流管24，电热风筒18，单向阀19，输气管20，渗漏液收集管21，渗漏液排出阀22，原水进水管5，超滤抽吸泵29，气液分离器45等。

下面详细描述本发明膜蒸发浓缩装置的结构。

膜蒸发浓缩装置中分为液相和气相两个基本膜区，液相膜区又可分为两组膜区或两组以上的膜区。图1示例性显示了一种实施方式。如图1所示，本发明的液相膜区分为两组，包括第一膜区MD1，第二膜区MD2，气相膜区是第三膜区MD3。三个膜区可置于同一个容器内，如置于膜蒸发水槽10中，也可以置于不同的容器内。

液相膜区采用浸没式膜组件，图1中液相膜区分为两个区：第一膜区MD1和第二膜区MD2，在实际应用中，液相膜区可以分为两个及其以上的膜区，有利于提高浓缩效率，如可分为三个膜区或四个膜区。第一膜区MD1中设置第一组膜组件11，第二膜区MD2中设置第二组膜组件12，第三膜区MD3中设置第三组膜组件13。第一膜区MD1中的膜组件11和第二膜区MD2中的膜组件12浸没在待处理液体中，两区之间用隔板23分开。第三膜区MD3位于第一膜区和第二区上方的气相飞沫区。膜组件11、12、13均为内接触式疏水性中空纤维膜组件。

原水槽10通过原水进水管5与换热器相连。换热器分为两组，每组换热器有两级。如图1所示，第一组换热器包括第一级换热器1，第二极换热器2；第二组换热器包括第一级换热器6，第二级换热器7。原水进水管5连接第二级换热器的出水口，将原水输送到膜蒸发水槽10。原水进水管路5上还设置有进药口，进药管路上连接流量计8和泵9，絮凝剂在泵9的作用下注如到原水中。

膜蒸发槽10中第一组膜组件11和第二组膜组件12的底部连接有输气管20，输气管20延伸出膜蒸发槽10，并连接有鼓风机或者空气压缩机16。

用鼓风机或空气压缩机16将空气送入中，通过输气管20在第一区MD1和第二区MD2每支膜组件下方输出，使空气泡自然上升，进入中空纤维膜11、12的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在中空纤维膜11、12的管程中自下而上流动。在第一膜区和第二膜区进行减压膜蒸馏过程，无循环水泵，利用空气的气提升作用实现液体循环。

在第一膜区MD1设置一个溢流管24，气浮上来的杂质通过溢流管24流至膜蒸发槽10外设置的膜澄清过滤水槽25。

膜澄清过滤水槽25中设置有超滤膜27，超滤膜27的出水口通过泵29连接到第二膜区MD2。通过泵29的抽吸作用，将膜滤清液送入第二膜区MD2，继续蒸发。

第二膜区底部设置浓水排放阀51，控制浓水排出速度，使其达到预定的浓缩倍数或含盐浓度。

膜澄清过滤水槽25中还可以设置斜板过滤26，作为超滤膜27的预处理，污泥则从膜澄清过滤水槽的低位排泥阀30排出。

第一膜区、第二膜区底部分别设置排污阀32和33，用于排污。

膜澄清过滤水槽25中设置水位控制开关31，以控制抽吸水泵29的启停。

膜蒸发水槽10设置有两个蒸汽入口，加热用低压蒸气通过两个阀门控制，分别进入第一膜区MD1和第二膜区MD2，使第一膜区和第二膜区的液体达到预定的蒸发温度。

第一膜区和第二区膜组件壳程的下侧口用管路21连接，将膜组件中可能有的渗漏液通过阀门22低位排出膜蒸发槽10。

第一膜区和第二区膜组件壳程的上侧口用管路15连接，顺次管接于膜蒸发槽外的二级换热器2、一级换热器1、带液位控制或时间继电器控制的气液分离器45、第一产水罐43和真空泵44，将膜蒸发透过的水蒸气液化、冷凝、收集。

第三区MD3膜组件壳程的上侧口用管路14连接，顺次管接于膜蒸发槽外的二级换热器7、一级换热器6、第二产水罐41，利用膜蒸发槽的内部压力，将含湿热空气送出膜蒸发槽10，冷凝液化、降温。出口42可以直通大气，也可以外接真空泵，增大压差，获得更多的淡水产量，加快系统的膜蒸发浓缩速度。

本发明还提供一种新的膜蒸发浓缩方法，其特征是，减压膜蒸馏过程、膜法含湿空气过滤、絮凝气浮除杂、膜澄清过滤、蒸发潜热回收五个过程同时进行，在控制膜污染、降低系统能耗的同时，获得更高的膜产水通量。

本发明的减压膜蒸馏过程与常规减压膜蒸馏过程不同，一是膜区MD1、MD2疏水性膜组件浸没在待处理液体中，有利于膜组件保温和处理液循环加热；二是输气管20向中空纤维膜组件管程中鼓入空气，可以减缓膜污染和提高膜蒸馏功效；三是待处理液体的循环过程中无循环水泵，通过空气气泡的夹带提升作用实现处理液的循环；四是有利于实现高倍率循环浓缩。

关于膜法空气过滤。对于空气提升后的饱和含湿尾气，通过膜区MD3疏水膜，对含湿热空气进行过滤、收集，一是提高系统的淡化水产量；二是可以回收湿热空气中的热量。

关于絮凝气浮除杂和膜澄清过滤。通过向原水进水管5中由计量泵9定量注入絮凝剂，利用膜蒸发水槽10中空气气泡的气浮提升作用，将待处理液中杂质通过溢流管24排入超滤膜过滤槽25中。通过斜板26预过滤，可以降低超滤膜27的污染。杂质排出系统，膜过滤清液返回膜蒸发水槽，继续蒸发。

关于蒸发潜热回收，一是通过换热器1、2，利用减压膜蒸馏的透过水蒸气对原液进行加热；二是通过另一组换热器6、7，对饱和含湿尾气的热量进行回收。提高系统整体的热量回收率。

本发明的膜蒸发浓缩工艺过程简述如下：

待处理原水经过水泵50增压后分两路分别进入换热器1、2和换热器6、7两组换热器，每路原水首先进入第一级换热器使水蒸气充分冷凝，然后控制一定量被预热的原水进入第二级换热器继续被加热。水蒸气在第二级换热器2、7中被冷凝液化。

两路在第二级换热器中被加热的原水，合并在一条原水进水管5中，被计量泵9注入一定量的絮凝剂后，送入膜蒸发槽10中的第一膜区MD1。

膜蒸发槽10内，疏水性膜组件分为MD1、MD2、MD3三个区域排布，用鼓风机或空气压缩机16将空气送入膜蒸发槽10中，通过输气管20在第一区MD1和第二区MD2每支膜组件下方输出，使空气泡自然上升，进入中空纤维膜11、12的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在中空纤维膜11、12的管程中自下而上流动。在第一膜区MD1中气浮上来的杂质通过溢流管24流至膜蒸发槽10外的膜澄清过滤水槽25。

膜澄清过滤水槽25中配置有超滤膜27，通过泵29的抽吸作用，将膜滤清液送入第二膜区MD2，继续蒸发，第二膜区底部设置的浓水排放阀51控制浓水排出速度，使其达到预定的浓缩倍数或含盐浓度。

加热用低压蒸气通过两个阀门控制，分别进入第一膜区MD1和第二膜区MD2，使第一膜区和第二膜区的液体达到预定的蒸发温度。

由于膜蒸发槽内温度一般不超过100℃，膜蒸发槽材料可以是耐温塑料(如氯化聚氯乙烯、聚砜等)、环氧玻璃钢、碳钢衬胶或衬塑，等等。膜蒸发槽外部需要覆加保温材料进行保温处理。

空气管路上可以串接电热风筒18和单向阀19。电热风筒18的作用是用热风对膜蒸发槽10内的膜组件11、12、13进行热风干燥，解决疏水膜的亲水化问题。

如图2，显示了本发明另外一个实施方式。从第二膜区底部阀门51排出的浓水，还可以经流量计32定量混合盐析剂后，进入工业结晶器33中结晶，结晶后的母液再返回第二膜区继续蒸发浓缩，从而实现零液体排放。

本发明的膜蒸发浓缩方法，集成了减压膜蒸馏、膜法含湿空气过滤、絮凝气浮除杂、膜澄清过滤、蒸发潜热回收五个过程，在控制膜污染、降低系统能耗的同时，获得更高的膜产水通量。1)利用鼓气减压膜蒸馏机理，减缓膜污染，提高膜蒸馏通量；2)利用压力差驱动的膜过滤机理，对含湿热空气尾气进行过滤、降温冷凝处理，防止了飞沫污染，获得低电导率的产水水质；3)通过絮凝气浮除杂和膜澄清过滤，将大部分有机污染物移出膜蒸发系统，减少膜蒸馏过程的污染，提高浓缩倍数；4)不仅对膜蒸馏的产气进行热量回收，还对含湿热空气进行热量回收，进一步降低膜蒸发系统的能耗。

本发明膜蒸发温度一般为50～90℃，膜蒸发槽10中的被处理液体可以如图1所示，用低压废蒸汽加热，也可以用电加热，或其它加热方式。

本发明可以用于海水淡化、高含盐工业废水处理、工业循环冷却水净化减排处理、化工产品浓缩等。

设备简单，操作方便，易于实现自动控制。

Claims (4)

1.一种膜蒸发浓缩装置，其特征在于，包括以下部件：

膜蒸发水槽(10)，疏水膜组件，原水供水泵(50)，鼓风机(16)，换热器；

膜蒸发水槽(10)中设置有疏水膜组件，用于处理原水；

膜蒸发水槽(10)设置有蒸汽入口，加热用低压蒸气通过阀门控制，进入膜蒸发水槽，使得水槽中的液体达到预定的蒸发温度；

鼓风机(16)，设置在膜蒸发水槽(10)的外部，用于向膜蒸发水槽(10)中的膜组件鼓入压缩空气；

膜组件的出水口连接换热器，用于对原水加热，同时冷凝产水；

膜区分为两个基本膜区，分别是液相膜区(MD1、MD2)，气相膜区(MD3)；

液相膜区设置为两组或两组以上；液相膜区中的膜组件浸没在待处理液体中；

气相膜区位于液相膜区上方的气相飞沫区；

液相膜区和气相膜区置于一个膜蒸发水槽(10)中，或置于不同的容器中；

液相膜区中设置的膜组件的底部连接有输气管(20)，输气管(20)的一端连接有鼓风机(16)；空气送入到膜组件下方，使空气泡自然上升，进入纤维膜组件(11、12)的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在纤维膜组件的管程中自下而上流动；

在液相膜区中的一组膜区中设置一个溢流管(24)，气浮上来的杂质通过溢流管(24)流至膜蒸发水槽(10)外设置的膜澄清过滤水槽(25)；

膜澄清过滤水槽(25)中设置有超滤膜(27)，超滤膜(27)的出水口通过泵(29)连接到液相膜区的另外一组膜区；

膜澄清过滤水槽(25)中设置斜板过滤(26)，作为超滤膜(27)的预处理，污泥则从膜澄清过滤水槽的低位排泥阀(30)排出；

气相膜区中的组膜组件的壳程的上侧口通过管路(14)连接，顺次管接于膜蒸发水槽外的换热器、第二产水罐(41)，利用膜蒸发水槽的内部压力，将含湿热空气送出膜蒸发水槽(10)，冷凝液化；

原水槽(10)通过原水进水管(5)与换热器相连，换热器分为两组，每组换热器有两级，其中第一组换热器包括第一级换热器(1)，第二级换热器(2)；第二组换热器包括第一级换热器(6)，第二级换热器(7)；

液相膜区中的膜组件壳程的下侧口用管路(21)连接，将膜组件中可能有的渗漏液通过阀门低位排出膜蒸发水槽(10)；

液相膜区中的膜组件壳程的上侧口用管路(15)连接，顺次管接于膜蒸发水槽外的第一组换热器中第二级换热器(2)、第一级换热器(1)、带液位控制或时间继电器控制的气液分离器(45)、第一产水罐(43)和真空泵(44)，将膜蒸发透过的水蒸气液化、冷凝、收集。

2.根据权利要求1所述的膜蒸发浓缩装置，其特征在于：

液相膜区底部排出的浓水，还经流量计定量混合盐析剂后，在工业结晶器(33)中结晶，结晶后的母液再返回液相膜区继续蒸发浓缩。

3.一种膜蒸发浓缩方法，其特征在于：包括减压膜蒸馏、膜法含湿空气过滤、絮凝气浮除杂、膜澄清过滤、蒸发潜热回收五个过程；

减压膜蒸馏过程为：通过输气管(20)向浸没在处理液体中的液相膜区中设置的组膜组件的管程中鼓入空气；空气送入到膜组件下方，使空气泡自然上升，进入纤维膜组件的管程，利用气提升作用，带动被处理液体在纤维膜组件的管程中自下而上流动；

膜法含湿空气过滤过程为，对于空气提升后的饱和含湿尾气，通过位于液相膜区上方的气相飞沫区的气相膜区中设置膜组件，对含湿热空气进行过滤、收集；

絮凝气浮除杂过程为，通过向原水进水管(5)中注入絮凝剂，利用膜蒸发水槽(10)中空气气泡的气浮提升作用，将待处理液中杂质通过溢流管(24)排入膜澄清过滤水槽(25)中；

膜澄清过滤过程为，通过设置在膜澄清过滤水槽(25)中的斜板(26)预过滤，降低超滤膜(27)的污染，杂质排出系统，膜过滤清液返回膜蒸发水槽，继续蒸发；

蒸发潜热回收过程为，通过第一组换热器，利用减压膜蒸馏的透过水蒸气对原液进行加热；通过第二组换热器，对饱和含湿尾气的热量进行回收。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：在膜蒸馏过程中，连续鼓入空气以控制膜污染和实现液体流动，同时，鼓入的空气饱和吸湿后，经过疏水膜过滤，进入换热器液化，获得产水。

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