CN102491577A - 一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置 - Google Patents

一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置 Download PDF

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魏炳举
王学魁
徐占武
程鹏高
麻炳辉
张焕菊
乔宝栋
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Abstract

本发明涉及一种多级串联膜蒸馏处理浓盐水的方法，包括三个过程：浓盐水膜蒸馏前的预热、膜蒸馏及蒸馏后蒸汽的冷凝获得产品淡水，其特征在于：其中膜蒸馏采用3～5级膜蒸馏单元，每级膜蒸馏单元的膜组件(膜面积)视操作规模而不同，膜组件间采用串联方式连接。本发明采用多级膜蒸馏单元方式处理海水淡化浓盐水，即前一级蒸馏出来的浓盐水直接作为下一级的进料液，由于整个过程是连续进行的，过程的温降不大，前一级膜蒸馏单元的浓盐水的温度满足下一级膜蒸馏单元进水温度要求，节省了后面几级蒸馏所需的热源，提高膜蒸馏过程热利用率，换热所用热源可以为生蒸汽或太阳能、地热、工厂废热等低品位热源，有效节省能源，并降低膜蒸馏方法处理料液的综合成本。

Description

一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置
技术领域
本发明属于海水淡化技术领域，其涉及膜分离技术，尤其是一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置。
背景技术
众所周知，淡水是人类社会赖以生存和发展的基本物质之一，随着经济的迅速发展、人口的增加以及水污染日益严重，全球正面临着严重的淡水资源危机，尤其是沿海城市。我国是淡水资源严重匮乏的国家，人均水资源占有量只有世界平均值的1/6。
海水淡化是解决淡水资源危机的主要途径，但海水淡化的成本一直是制约海水淡化产业发展的主要问题，如何降低海水淡化成本是海水淡化实现产业化的关键。另外，大生产规模海水淡化产生的大量浓盐水处理排放问题也不容忽视，带有多种化学添加剂的浓盐水(盐度为6‰～8‰)长期排向海洋，不仅增加海水淡化的运行成本，对海洋生态环境也造成严重污染。目前国外开放海域海水淡化浓盐水处理采用冲稀后直接排海，但从循环经济角度考虑，浓盐水的大量排放是资源的严重浪费，保证海水淡化产业链的零排放，保护海洋资源环境，是海水淡化产业链的关键环节。
目前，在淡化海水和苦咸水、制备超纯水等方面，新型膜分离技术膜蒸馏由于具有常压低温操作、可利用太阳能、地热、工厂废热、余热等低品位热源、设备简单、对膜的机械强度要求低等优点，且产品淡水的脱盐率接近100％，膜蒸馏在诸多海水淡化工程中有一定的竞争力，在海水淡化领域有广泛的应用。
通常情况下，膜蒸馏采用PVDF中空纤维疏水膜，膜的一侧与热的待处理的溶液直接接触(称为热侧)，另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触(称为冷侧)，由于膜两侧水溶液温度不同，膜两侧水蒸汽的分压就不同，热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜进入冷侧并被冷凝成液相，其它组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯。
实现膜蒸馏的基本条件是具有膜和膜两侧的一定的温差，浓盐水膜蒸馏生产淡水包括三个过程：预热、膜蒸馏及冷凝。在膜蒸馏过程中，渗透通量是重要的工艺指标，影响渗透通量的因素有溶液浓度、温度(温度差)、流动状态和膜结构等。根据冷侧挥发组分蒸汽冷凝方法或排除方法的不同，膜蒸馏过程可以分为：直接接触式膜蒸馏(DCMD)、空气隙式膜蒸馏(AGMD)、减压式膜蒸馏(VMD)和气体吹扫式膜蒸馏(SGMD)四种操作方式。其中，直接接触式膜蒸馏(DCMD)：温度不同的两种流体分别与膜两侧直接接触，膜的冷侧直接与冷却水接触，蒸气透过膜孔后立即在膜冷侧冷凝下来。空气隙式膜蒸馏(AGMD)：在膜组件中，冷凝面与膜通过一个空气隙(一般大约为1mm～4mm)隔开，跨膜蒸汽需要通过一层气隙到达冷凝板后才能被冷流体冷凝下来。气体吹扫式膜蒸馏(SGMD)：透过膜的蒸汽被循环流动的不凝气体带入冷凝器中冷凝。减压式膜蒸馏(VMD)：将膜的冷侧减压抽成真空，使得渗透侧的压力低于蒸气的饱和蒸气压，而冷凝在组件外进行。
现有技术采用一级膜蒸馏单元对海水进行处理，蒸馏后出来的浓水浓度很小，从工业角度来说，经过处理后盐水的浓度基本上没太大变化，且出来的高温浓水直接排放就造成了一定的热量损失，在经济上也不合理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法及浓盐水淡化装置，本方法及装置有效节省能源，并降低膜蒸馏法处理料液的综合成本。
本发明实现目的的技术方案如下：
一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，方法包括以下步骤：浓盐水蒸馏前的预热、膜蒸馏及蒸馏后蒸汽冷凝获得淡水，其特征在于：其中膜蒸馏采用3～5级膜蒸馏单元，每级膜蒸馏单元的膜组件的膜面积视操作规模而不同使用不同个数膜组件，膜组件间采用串联方式连接，浓盐水经预热后依次进入3～5级膜蒸馏单元进行蒸馏，3～5级膜蒸馏单元之间进水需要保温。
而且，所述的膜蒸馏方式包括真空膜蒸馏、直接接触膜蒸馏、空气隙式膜蒸馏或吹扫气式膜蒸馏。
而且，所述浓盐水来源于海水淡化浓盐水、苦咸水、海水、有机溶液或含盐废水。
而且，所述膜组件为平板式、管式、卷式和中空纤维式膜组件。
而且，所述以水蒸汽作为膜蒸馏透过物的膜蒸馏产品淡水脱盐率高于99.9％。
一种多级串联真空膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：装置的连接为：淡化浓水池出口通过料液泵与储水罐进口连接，储水罐出口通过原料料液泵与换热器的管壳进水管相连，换热器的管壳出水管与料液罐进口相连，料液罐的出口通过一级料液泵与一级膜蒸馏单元入口相连，一级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，一级膜蒸馏单元的浓盐水出口与一级保温罐入口连接，一级保温罐出口通过二级料液泵与二级膜蒸馏单元的入口连接，二级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，二级膜蒸馏单元的浓盐水出口与二级保温罐入口连接，二级保温罐出口通过三级料液泵与三级膜蒸馏单元的入口相连接，三级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，三级膜蒸馏单元的浓盐水出口与浓盐水池连接。
而且，所述一级膜蒸馏单元由2-5个膜组件串联，二级膜蒸馏单元由2-5个膜组件串联，三级膜蒸馏单元由多个膜组件2-5个膜组件串联。
而且，所述膜组件为中空纤维疏水微孔膜组件或卷式膜组件或管式膜组件或平板膜组件。
而且，所述膜组件中空纤维疏水微孔膜。
而且，所述三级膜蒸馏单元的反向冲洗口连接一反向冲洗装置。
本发明的优点和有益效果如下：
1、本发明采用多级膜蒸馏单元方式处理海水淡化浓盐水，即前一级蒸馏后出来的浓盐水直接作为下一级的进料液，由于整个过程是连续进行的，过程的温降不大，前一级膜蒸馏单元的浓盐水的温度足以进行下一级膜蒸馏单元，节省了后面几级进行蒸馏所需的热源，提高膜蒸馏过程热利用率，换热所用热源可以为太阳能、地热、工厂废热等低品位热源，有效节省能源，并降低膜蒸馏法处理料液的综合成本。
2、本发明的每一级蒸馏采用多根膜组件同时操作的方式，大大提高了海水淡化的速率，由于每级出来的浓盐水浓度不断增大，到最后出来的浓盐水浓度足够大，实现了盐的进一步浓缩，获得更多的淡水，提高了水的利用率，减少了废水的排放，最终的高浓度盐水可直接输送到盐田晒盐。
3、本发明使用的膜组件为中空纤维疏水微孔膜组件或卷式膜组件或管式膜组件或平板膜组件，本实施例中采用的聚偏氟乙烯中空纤维膜，疏水性强、化学稳定性好、耐温范围大，可耐酸、强碱及有机溶剂。
4、本方法应用膜蒸馏原理，包括真空膜蒸馏、空气隙式膜蒸馏、吹扫气式膜蒸馏、直接接触膜蒸馏，所用的装置结构简单、操作方便，热效率及能源利用率高、可降低海水淡化综合成本，是海水淡化产业链发展的关键技术。
附图说明
图1为本发明膜蒸馏过程分离原理示意图；
图2为本发明实施例中空纤维膜组件结构示意图，其中：1、挡板，2、膜壳，3、中空纤维膜，4、环氧树脂，5、端盖；
图3为本发明多级膜蒸馏单元海水淡化浓盐水的方法示意图；
图4为本发明多级膜蒸馏单元海水淡化浓盐水方法产生的浓盐水回浓处理(经过三级膜蒸馏单元后的浓盐水回到原料液罐内循环使用)并考虑膜清洗的全套方案示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，浓盐水可以是海水淡化浓盐水、苦咸水、海水、果汁等所有适合用膜蒸馏方法浓缩的物料，温度为20℃，浓度为6°Bé，浓盐水膜蒸馏生产淡水包括三个过程：蒸馏前的预热、膜蒸馏及蒸馏后的冷凝，其中膜蒸馏采用3-5级膜蒸馏单元，每级膜蒸馏单元使用2～5个膜组件，膜组件间采用串联方式连接，浓盐水经预热后依次进入3～5级膜蒸馏单元进行蒸馏，3～5级膜蒸馏单元之间浓盐水一直处在保温的条件下，蒸馏顺序为：泵从浓盐水储水罐中将浓盐水送入料液罐，再经一级料液泵送到预热器，预热后，进入一级膜蒸馏单元，一级膜蒸馏单元后的浓盐水，直接作为原料流入保温罐，经料液泵送到二级膜蒸馏单元，二级膜蒸馏单元后的浓盐水流入保温罐，经料液泵送到三级膜蒸馏单元，经料液泵送到三级膜蒸馏单元，依此类推，汽化产生的淡水由同一支管输送，经冷凝收集到浓盐水池，膜蒸馏后的浓盐水流入缓冲池，直接输送到盐田晒盐或者回到原浓盐水储水罐进行循环蒸馏。
一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化装置，如图3所示，装置的组成为，淡化浓水池出口通过料液泵与储水罐进口连接，储水罐出口通过原料料液泵与换热器的管壳进水管相连，换热器的管壳出水管与料液罐进口相连，料液罐的出口通过一级料液泵与一级膜蒸馏单元入口相连，一级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，一级膜蒸馏单元的浓盐水出口与一级保温罐入口连接，一级保温罐出口通过二级料液泵与二级膜蒸馏单元的入口连接，二级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，二级膜蒸馏单元的浓盐水出口与二级保温罐入口连接，二级保温罐出口通过三级料液泵与三级膜蒸馏单元的入口相连接，三级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，三级膜蒸馏单元的浓盐水出口与浓盐水池连接，三级膜蒸馏单元的反向冲洗口连接一反向冲洗装置。
其中，一级膜蒸馏单元由4个膜组件串联，二级膜蒸馏单元由2个膜组件串联，三级膜蒸馏单元由2个膜组件串联。膜组件为中空纤维疏水微孔膜组件或卷式膜组件或管式膜组件或平板膜组件。本实施例中膜组件使用是中空纤维疏水微孔膜，中空纤维疏水微孔膜包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)和聚偏氟乙烯(PVDF)等高聚物微孔膜，本实施例中采用的是聚偏氟乙烯中空纤维膜，它的疏水性强、化学稳定性好、耐温范围大，可耐酸、强碱及有机溶剂。其结构示意图如图2所示，外径为90mm，长度为0.9m，外壳用ABS工程塑料圆管，内部填装聚偏氟乙烯中空纤维微孔膜2000根，有效填装面积为3m2。各级串联的膜组件间存在一定的间隔，还包括保温层，实施例中所有设备的外侧壁面都包覆保温材料。本发明中使用的膜组件结构如图2，有4个口：正上、正下、上侧口和下侧口。进料液由正上方口进，蒸馏后的浓缩液从正下方口出，进料液也可以由正下方口进，蒸馏后的浓缩液由正上方口出，实施例中还涉及到膜的清洗问题。换热过程主要由换热器完成，采用固定管板式换热器。管程走浓盐水，而壳程是用120℃的饱和蒸汽加热，压力不算大(大概为0.2MPa)，当壳程作为冷凝器时，用海水或河水进行冷凝，预热器管程和壳程均为不锈钢。由于反渗透后的浓盐水已经经过微滤和超滤，达到膜组件的条件，所以膜蒸馏车间不需要再进行浓盐水预处理，就可以直接进入膜组件进行淡化。由于膜蒸馏的操作温度较低，在60～90℃之间，蒸馏前的预热可以采用低压蒸汽、太阳能辅助电加热等热源加热淡化浓盐水。
在本实施例中，一、二、三级膜蒸馏单元的淡水出口配有真空系统，真空开启时在一、二、三级膜蒸馏单元内形成真空，在压差的作用下，水汽化经膜孔逸出，将一、二、三级膜蒸馏单元的蒸汽统一由一根管道收集，从而实现了液相海水和气相水分离，达到了淡化海水的目的，各级所产生的蒸汽冷却可以采用直接接触式或空气隙式或吹扫气式或真空与冷凝结合的方式。
上述装置中的料液流程为：加热后的浓盐水用离心泵从浓盐水贮池中将浓盐水送入车间内的保温罐，经料液泵打到预热器，用120℃饱和蒸汽进行预热到75℃，然后，将浓盐水用泵打进下一级级膜蒸馏单元；一级膜蒸馏单元单元馏后的浓盐水，流入保温罐，经料液泵进入二级膜蒸馏单元单元；二级膜蒸馏单元单元馏后的浓盐水流入保温罐，经料液泵送到三级膜蒸馏单元单元，三级膜蒸馏单元单元后的浓盐水输送回原料液罐进行循环使用或直接输送到盐田晒盐，而蒸馏出来的淡水的处理根据具体的膜蒸馏操作方式的不同，选择不同的方式处理。
其中三级膜蒸馏单元单元出来浓盐水的循环利用过程和膜的清洗过程如图4，选用0.5mol/L盐酸和膜蒸馏淡水对膜进行反洗，两种反洗液进行反洗时，用量都为60L/h。换热所用热源可以为太阳能、地热、工厂废热等低品位热源
由于各级料液泵输送的液体均为浓盐水，具有腐蚀性，泵过流部件可选用材料为316L，管路材料均为PPR。
本实施例中冷凝过程采用的是水喷射真空泵，最大抽气量是20～700m3/min，配带功率为2.2～37kw，采用本实施例中的流程，日处理海水量为10吨；一级膜蒸馏单元能得到的盐水浓度为6～7波美度，二级为8～9波美度，三级为11～12波美度，总的淡水产量为650kg/h。
由上述可知，本发明充分实现了能源的重复利用或梯级利用，充分利用了海水资源；方法简单、便于操作。

Claims (10)

1.一种多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，方法包括以下步骤：浓盐水蒸馏前的预热、膜蒸馏及蒸馏后蒸汽冷凝获得淡水，其特征在于：其中膜蒸馏采用3～5级膜蒸馏单元，每级膜蒸馏单元的膜组件的膜面积视操作规模而不同使用不同个数膜组件，膜组件间采用串联方式连接，浓盐水经预热后依次进入3～5级膜蒸馏单元进行蒸馏，3～5级膜蒸馏单元之间进水需要保温。
2.根据权利要求1所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，其特征在于：所述的膜蒸馏方式包括真空膜蒸馏、直接接触膜蒸馏、空气隙式膜蒸馏或吹扫气式膜蒸馏。
3.根据权利要求1所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，其特征在于：所述浓盐水来源于海水淡化浓盐水、苦咸水、海水、有机溶液或含盐废水。
4.根据权利要求1所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，其特征在于：所述膜组件为平板式、管式、卷式和中空纤维式膜组件。
5.根据权利要求1所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化方法，其特征在于：所述以水蒸汽作为膜蒸馏透过物的膜蒸馏产品淡水脱盐率高于99.9％。
6.一种多级串联真空膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：装置的连接为：淡化浓水池出口通过料液泵与储水罐进口连接，储水罐出口通过原料料液泵与换热器的管壳进水管相连，换热器的管壳出水管与料液罐进口相连，料液罐的出口通过一级料液泵与一级膜蒸馏单元入口相连，一级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，一级膜蒸馏单元的浓盐水出口与一级保温罐入口连接，一级保温罐出口通过二级料液泵与二级膜蒸馏单元的入口连接，二级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，二级膜蒸馏单元的浓盐水出口与二级保温罐入口连接，二级保温罐出口通过三级料液泵与三级膜蒸馏单元的入口相连接，三级膜蒸馏单元的淡水出口通过管路与水喷射真空泵连接，三级膜蒸馏单元的浓盐水出口与浓盐水池连接。
7.根据权利要求6所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：所述一级膜蒸馏单元由2-5个膜组件串联，二级膜蒸馏单元由2-5个膜组件串联，三级膜蒸馏单元由多个膜组件2-5个膜组件串联。
8.根据权利要求6或7所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：所述膜组件为中空纤维疏水微孔膜组件或卷式膜组件或管式膜组件或平板膜组件。
9.根据权利要求6或7所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：所述膜组件中空纤维疏水微孔膜。
10.根据权利要求6所述的多级串联膜蒸馏浓盐水淡化装置，其特征在于：所述三级膜蒸馏单元的反向冲洗口连接一反向冲洗装置。
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