CN102107119B - 多效膜蒸馏装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种多效膜蒸馏装置与方法。本发明将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收蒸发潜热。本发明提出的多效膜蒸馏由升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区三部分构成。待处理液体经过逆流多效膜蒸馏组件，被逐级加热，再经过顺流多效膜蒸馏组件，被逐级蒸发降温，成为低温浓水被排出。每一级膜组件蒸发产生的水蒸气则在真空泵的抽吸或吹扫气引导作用下，顺次通过疏水膜组件被冷凝降温，作为产水排出。水蒸汽的蒸发潜热则通过疏水膜组件，传导给待处理液体。通过本发明设计的多效膜蒸馏过程，可以实现高效、低能耗的膜蒸馏过程，热量回收率高，且无需昂贵的热泵系统。本发明的方法中，膜蒸馏组件兼起到了换热器的作用，避免了金属换热器的腐蚀与结垢问题。

Description

多效膜蒸馏装置与方法

技术领域

本发明涉及一种膜蒸馏装置与方法，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离处理方法。

背景技术

膜蒸馏在近年来吸引了世界范围内的关注和研究。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，因而可以使装置在常压、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。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。

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。

在大量的理论与实验研究基础上，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，气隙式膜蒸馏，气扫式膜蒸馏和真空式膜蒸馏。其中直接接触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，因此是被研究最多的一种膜蒸馏方式。然而与其它操作方式相比，直接接触膜蒸馏会导致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。真空式膜蒸馏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。

但是，至今为止，以上四种膜蒸馏方式都存在能耗高、效率低、可靠性低等一些问题。如直接接触式膜蒸馏虽然工艺设备简单，但由于冷热源直接接触，使设备运行能耗较高，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；真空式膜蒸馏虽然膜通量较大，但对系统要求较高。气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低。因此，研究新的膜蒸馏技术，降低投资和运行费用，可以取得显著的经济效益和社会效益。

膜蒸馏过程中水蒸气的相变热约为2500kJ/kg，远大于水的比热4kJ/kg.K。因此，如图1，待处理液体(以下简称原水)54从循环槽51经过循环泵52，在流量计53的控制下进入膜组件57的管程。膜组件57壳程内的蒸汽在真空泵11的抽吸作用下，排入到换热器59，冷却水通过冷却水入口50进入换热器59，通过冷却水出口58排出换热器59，蒸气经过冷却水的冷凝，经过气液分离器56作为产水55从系统中排出。因此，按常规减压膜蒸馏方式，需要大量的冷却水；若以待处理液体作为冷却水，将膜蒸馏过程中产生的水蒸气与待处理液体直接交换，则待处理液体不能完全吸收蒸汽潜热，只能部分冷凝水蒸汽。若采用冷媒作为中介，使用机械式压缩机来吸收蒸汽潜热，按热泵的能效比为4∶1，系统能耗也很高，而且目前热泵系统价格昂贵。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提出一种多效膜蒸馏方法。将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收蒸发潜热。

一种多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括：多效膜蒸馏区包括升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区三部分构成，每个蒸发区至少包括一级蒸发区，每一级蒸发区包括至少一支膜组件。

冷的原水依次流过升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区中的疏水膜组件的管程；所有相邻的疏水膜组件的壳程上下端依次串联后，在升温蒸发区与气液分离器、真空泵相接，将水蒸气引出，或者从第二级降温蒸发区与鼓风机相连，将水蒸气引出；疏水膜组件的壳程下端串接，将膜蒸馏产水排出。

或者，冷的原水依次流过升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区中的疏水膜组件的壳程；所有相邻的疏水膜组件的管程上下端依次串联后，在升温蒸发区与气液分离器、真空泵相接，将水蒸气引出，或者从第二级降温蒸发区与鼓风机相连，将水蒸气引出；疏水膜组件的管程下端串接，将膜蒸馏产水排出。

每个膜蒸馏区具有增压泵，以保障原水在膜表面的流速。

每一级主蒸发区内包括有增压泵和加热器，以保障原水在膜表面的流速和所需要的原水温度。

升温蒸发区的疏水膜组件的壳程下端设置为膜蒸馏产水出口，主蒸发区和降温蒸发区的疏水膜组件的壳程下端设置为膜丝亲水化渗漏液出口。

本发明还提出一种多效膜蒸馏方法，其特征在于，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收蒸发潜热，包括：待处理液体经过逆流多效膜蒸馏组件，被逐级加热；再经过顺流多效膜蒸馏组件，被逐级蒸发降温，成为低温浓水被排出；每一级膜组件蒸发产生的水蒸气则在真空泵的抽吸或吹扫气的引导作用下，顺次通过疏水膜组件被冷凝降温，作为产水排出；水蒸汽的蒸发潜热则通过疏水膜组件，传导给待处理液体。

原水经过增压泵、流量计控制一定的流量后，首先流入升温蒸发区的疏水膜组件的管程，与其壳程中的水蒸气发生热量交换；壳程中的水蒸气被冷凝成膜蒸馏产水，原水则被加热升温，并在真空泵的抽吸或吹扫气的作用下，发生初级膜蒸馏，膜蒸馏产水从疏水膜组件的壳程下端排出。

升温蒸发区被加热升温的原水，经过增压泵的加压和加热器的加热，继续流入主蒸发区的疏水膜组件的管程，进行主体膜蒸馏过程；产水的水蒸汽在真空泵的抽吸或吹扫气的导引作用下，从疏水膜组件的壳程上端，进入升温蒸发区的疏水膜组件的壳程，对疏水膜组件的管程的原水进行加热。

在主蒸发区中蒸发浓缩后的原水，一部分返回主蒸发区，加热后继续蒸发；另一部分进入降温蒸发区的疏水膜组件的管程，继续发生膜蒸馏，同时，因蒸发而被降温，之后，从疏水膜组件的管程排出；透过疏水膜组件的水蒸汽，在真空泵的抽吸或吹扫气的导引作用下，进入下一级疏水膜组件的壳程，冷凝液从疏水膜组件的壳程下端，作为膜蒸馏产水排出，未冷凝液从疏水膜组件的壳程上端，进入下一级疏水膜组件的壳程。

本发明的方法中，膜蒸馏组件兼起到了换热器的作用，可以避免金属换热器的腐蚀与结垢问题。

在以上描述中，主蒸发区、升温蒸发区和降温蒸发区可以采用减压膜蒸馏方式，也可以采用气扫式膜蒸馏；每一级膜组件蒸发产生的水蒸气则在真空泵的抽吸或吹扫气的引导作用下，顺次通过疏水膜组件被冷凝降温，作为产水排出。作为气扫式膜蒸馏，还可以分为内吹扫式和外吹扫式，即吹扫气可以走疏水膜的管程或壳程。如图4，吹扫气走疏水膜的管程。

在主蒸发区之间的原水管路上，可以加设过滤器，防止堵塞膜组件内的原水流道。

主蒸发区之间还可以设置除硬度装置，防止浓缩液体的结垢和堵塞膜组件内的原水流道。

通过本发明取得如下效果：

通过本发明设计的多效膜蒸馏过程，可以实现高效、低能耗的膜蒸馏过程，热量回收率高，且无需昂贵的热泵系统。

在本发明的系统中，待处理的液体可以是自来水、海水、冷却系统排出的热水或化工产品溶液。

附图说明

图1是减压膜蒸馏工艺示意图。

图2是本发明多效膜蒸馏配置第一实施例示意图。

图3是本发明多效膜蒸馏配置第二实施例示意图。

图4是本发明多效膜蒸馏配置第三实施例示意图。

具体实施方式

本发明中，原水经过逆流多效膜蒸馏组件，被逐级加热，再经过顺流多效膜蒸馏组件，被逐级蒸发降温，成为低温浓水被排出。每一级膜组件蒸发产生的水蒸气则在真空泵的抽吸或吹扫气的引导作用下，顺次通过疏水膜组件被冷凝降温，作为膜蒸馏产水排出。水蒸汽的蒸发潜热则通过疏水膜组件，传导给待处理液体。

实施例1

如图2所示，是本发明的一种多效膜蒸馏的工艺示意图。冷的原水54经过增压泵21、流量计53控制一定的流量后，依次流过疏水膜组件1、2、3、4、5、6、7、8的管程；疏水膜组件1、2、3、4、5、6、7、8的壳程上端则依次串联后，与气液分离器56、真空泵11相接；疏水膜组件1、2、3、4、5、6、7、8的壳程下端串接，将膜蒸馏产水排出。

多效膜蒸馏由升温减压蒸发区C、D、主蒸发区A和降温蒸发区B三部分构成。

如图2，冷的原水经过增压泵21、流量计控制一定的流量后，首先流入第一级升温减压蒸发区D的疏水膜组件1、2的管程，与其壳程中的水蒸气发生热量交换。壳程中的水蒸气被冷凝成膜蒸馏产水，原水则被加热升温，并在真空泵11的抽吸作用下，发生初级膜蒸馏，从疏水膜组件1、2的壳程下端，将膜蒸馏产水排出。

在第一级升温减压蒸发区被初步加热升温的原水，经过增压泵22，继续流入第二级升温减压蒸发区C的疏水膜组件3、4的管程，同样，与其壳程中的水蒸气发生热量交换。壳程中的水蒸气被冷凝成膜蒸馏产水，原水则被加热进一步升温，并在真空泵11的抽吸作用下，发生二级膜蒸馏，从疏水膜组件3、4的壳程下端，将膜蒸馏产水排出。

在第二级升温减压蒸发区C被再次加热升温的原水，经过增压泵23和加热器13的加热，温度达到50～90℃后，继续流入主蒸发区A的疏水膜组件5、6的管程，进行主体膜蒸馏过程。产水的水蒸汽在真空泵11的抽吸导引作用下，从疏水膜组件5的壳程上端，进入第二级升温减压蒸发区C的疏水膜组件3、4的壳程，对疏水膜组件3、4的管程的原水进行加热。

在主蒸发区A中蒸发浓缩后的原水，经过增压泵24后面的两个分流阀门控制流量，一部分返回主蒸发区A，加热后继续蒸发；另一部分进入第一级降温减压蒸发区B的疏水膜组件7、8的管程，继续发生膜蒸馏，同时，因蒸发而被降温，之后，从疏水膜组件8的管程排出。透过疏水膜组件7、8的水蒸汽，在真空泵11的抽吸作用下，冷凝液从疏水膜组件7、8的壳程下端，将膜蒸馏产水排出，未冷凝液从疏水膜组件7的壳程上端，进入疏水膜组件6的壳程。

为了叙述方便，图2中示意给出了两级升温减压蒸发区、一级主蒸发区和一级降温蒸发区，但本发明的多效膜蒸馏方法并不限于此。根据膜蒸馏系统成本与温度控制方面的设计需要，可以仅设置一级升温减压蒸发区或更多级升温减压蒸发区；可以设置相互串联的更多级主蒸发区，以提高原水的浓缩倍数；可以设置相互串联的更多级降温蒸发区，以降低排出浓水的温度。

图2中每一级蒸发区有两支疏水膜组件，根据实际膜蒸馏系统设计的需要，每一级蒸发区可以设置一支或更多支疏水膜组件。

根据实际膜蒸馏系统设计的需要，在每一级蒸发区内可以设置增压泵，如图2中的增压泵22、23。

每一级主蒸发区内包括有增压泵(图2中增压泵24)和加热器，以保障原水高速流经膜表面和原水温度。

膜蒸馏产水主要从升温减压蒸发区的疏水膜组件1、2、3、4的壳程下端排出。

为了提高膜蒸馏功效，还可以通过流量计控制，在原水中通入一定量的压缩空气，提高热流体在膜组件管程的扰动程度。

原水在膜组件管程的流动线速度一般可以为0.1～2米/秒，通入的扰动压缩空气量为热流体流量(m³/h)的10～100％，热流体温度一般为40～90℃。

以上是为了叙述方便，也可以设计使原水走壳程，水蒸汽走管程。

实施例2

还可以采用如图3的多效膜蒸馏配置。膜蒸馏产水由升温减压蒸发区的疏水膜组件1、2、3、4的壳程下端排出，膜丝亲水化渗漏液则由主蒸发区和降温减压蒸发区的疏水膜组件5、6、7、8的壳程下端排出。其它部分同实施例1。

在以上描述中，主蒸发区、升温蒸发区和降温蒸发区采用减压膜蒸馏方式，也可以采用气扫式膜蒸馏。作为气扫式膜蒸馏，还可以分为内吹扫式和外吹扫式，即吹扫气可以走疏水膜的管程或壳程。如图4，吹扫气走疏水膜的管程。

实施例3

如图4，通过鼓风机61将吹扫气引入降温蒸发区B的疏水膜组件的壳程，每一级膜组件蒸发产生的水蒸气在吹扫气的引导作用下，顺次通过疏水膜组件被冷凝降温，作为产水55排出；吹扫尾气则从升温蒸发区D疏水膜组件的壳程上出口62排出。其它部分同实施例1。

Claims (3)

1.一种多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括：

多效膜蒸馏区包括升温蒸发区(C、D)、主蒸发区(A)和降温蒸发区(B)三部分构成，每个蒸发区至少包括一级蒸发区，每一级蒸发区包括至少一支膜组件；

相邻的疏水膜组件的壳程上下端依次串联，冷的原水(54)依次流过升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区中的疏水膜组件的管程；

在升温蒸发区(D)膜组件壳程出口与气液分离器(56)、真空泵(11)相接，将水蒸气引出，或者降温蒸发区(B)与鼓风机(61)相连，将水蒸气引出；疏水膜组件的壳程下端串接，将膜蒸馏产水(55)排出。

2.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：每个膜蒸馏区具有增压泵，以保障原水在膜表面的流速。

3.根据权利要求2所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：

每一级主蒸发区内包括有增压泵(24)和加热器，以保障原水在膜表面的流速和所需要的原水温度。

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