CN102872721B - 一种船用海水淡化装置及淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用多效膜蒸馏海水淡化装置，包括原水泵、过滤器、换热器、储液罐及各部件相连通的管路，还包括一个或多个多效膜蒸馏组件单元，所述原水泵出口与过滤器相连接，过滤器出口分两路，一路与多效膜蒸馏组件单元的冷海水进口相连接，另一路与换热器的进水口相连接，换热器的出水口与多效膜蒸馏组件单元热海水进口相连接，多效膜蒸馏组件单元底部的排水口与储液罐相连接，储液罐直接连至用水点。本发明利于船上的发动机余热，能耗低、产水成本低、设备简单、操作便捷。本发明还公开了该装置的海水淡化方法及应用在该淡化装置中的多效膜蒸馏组件。

Description

一种船用海水淡化装置及淡化方法

技术领域

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种多效膜蒸馏组件单元、船用海水淡化装置及淡化方法，尤其涉及海上作业的船只和潜艇内解决饮用水问题的方法。

背景技术

如今淡水资源越来越受到各国的重视，淡水是人类社会生存和发展的基本物质之一，但是由于工业化进程的加快，人口的增长和水污染问题越来越严重，各国都面临淡水资源的危机。我国也是淡水资源严重匮乏国之一。

近几年，海水淡化技术的发展是解决淡水资源问题的有效途径。但是海水淡化成本一直制约着海水淡化的发展。目前海水淡化的主要方法反渗透，由于其所需的操作压力高，对机械设备要求高，设备费用也高。而相对于反渗透的另外一种海水淡化方式，膜蒸馏（Membrane Distillation，以下简称MD）是一种新型的膜分离技术，它是一种热驱动过程，是将蒸馏法和膜法相结合的技术。MD装置可以在常压、较低温度的蒸发过程中高效的运行，且膜蒸馏操作压力低，脱盐率高，膜污染少，在良好的条件下比反渗透水通量大。

MD是一种采用疏水微孔膜以膜两侧蒸汽压差为传质驱动力的膜分离过程。当疏水微孔膜两侧存在蒸汽压差时，水蒸气从热侧原水一侧穿过疏水微孔膜然后再被冷凝成液态水的分离过程。MD由于其可以在常压低温操作，可以利用太阳能、地热、工厂废热、余热等低品位热源、设备简单易操作等优点，在海水淡化工程中具有一定的竞争力。

由于MD过程中存在相变，原水需进行加热，所以存在能耗较高，效率低的问题，如果能够利用废热、预热对原水进行加热，可以研究出新的膜蒸馏技术，降低投资和运行成本，就可以取得显著的经济效益和社会效益。

通过检索发现如下公开专利文献，重点列举如下：

中国专利（CN 102085454 A、CN 102371120 A、CN 102107119A和CN 101632901A）都介绍了一种相似的热回收式的减压膜蒸馏装置或者是多级式串联的多效膜蒸馏装置和方法。这些装置有一组或者多组间隔排列的框式和框式换热组件组成的或由多级膜组件相互串联，两者都是每一级膜组件蒸发产生的水蒸气在真空泵的抽吸和吹扫气引导作用下，顺次通过疏水膜组件，与换热管内的冷料液进行热交换，料液温度升高，水蒸气被冷凝降温，作为产水排出，通过该方法热量的回收利用率大于70%，但是其组件形式比较复杂，结构较为繁琐。

美国专利（US 6716355B1）介绍了一种方框式组件，在该组件中，其使用的是一层微孔疏水膜和一层冷凝中空管相互垂直间隔排列，热料液和冷料液分别通过微孔膜和中空管，热料液在微孔膜中通过微孔渗透出来的蒸气通过接触冷凝中空管管壁，蒸气的冷凝潜热被管内的冷料液吸收，从而提高热量回收。但是在该专利的实例中，尚未给出明确的实验数据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有MD技术的不足之处，利用废热、余热等低品位热源，提供一种能耗低、产水成本低、设备简单、操作便捷的具有内部高效率回收热能的船用多效膜蒸馏海水淡化装置。

为解决上述技术问题，本发明首先提供了一种多效膜蒸馏组件单元，其特征在于：

包括内部制成腔体的膜壳，腔体内设有并排间隔放置的PTFE中空纤维膜组件和PTFE中空管组件；

将多排间隔的PTFE中空纤维膜组件相互串联，用于输送第一进料溶液，允许蒸汽传输过该中空纤维膜；将多排间隔的PTFE中空管组件也进行串联，用于输送第二进料溶液，允许热能传输过该中空管，同时阻止蒸汽传输过该PTFE中空管， 膜壳上设有与PTFE中空纤维膜对应的热海水进口及浓海水出口、与PTFE中空管对应的冷海水进口和冷海水出口；

膜壳为蒸汽冷凝馏出物收集室，膜壳底部设有排水口用于连接用水点，传输通过PTFE中空纤维膜的蒸汽在馏出物收集室中冷凝为馏出物，并与PTFE中空管中的第二进料溶液进行热交换。

优选的，所述的PTFE中空纤维膜组件和PTFE中空管组件是片状帘式组件，每片PTFE中空纤维膜组件长度在0.8米-1.6米，每片根数在50根-500根，每片PTFE中空管组件长度大于或等于PTFE中空纤维膜组件长度。

优选的，所述的PTFE中空纤维膜组件所用的中空纤维膜是以聚四氟乙烯制得的中空纤维膜，该中空纤维膜内径0.6毫米-1.2毫米，外径1.8毫米-2.4毫米，壁厚为0.3毫米-0.9毫米，平均孔径0.05微米-0.5微米，孔隙率为40%-85% 。

优选的，所述的PTFE中空管组件所用的中空管是以聚四氟乙烯制得的毛细无孔中空管，该中空管内径0.02毫米-1毫米，外径0.05毫米-2.0毫米。

优选的，所述的膜壳内部片状帘式PTFE中空纤维膜和PTFE中空管相互交错平行排列，中空纤维膜和中空管的间距为0.1毫米-10毫米。。

优选的，所述膜壳顶部设有排气口。

在上述提供多效膜蒸馏组件单元的基础上，本发明提供的一种船用多效膜蒸馏海水淡化装置，包括原水泵、过滤器、换热器、储液罐及各部件相连通的管路，还包括一个或多个前述的多效膜蒸馏组件单元，所述原水泵出口与过滤器相连接，过滤器出口分两路，一路与多效膜蒸馏组件单元的冷海水进口相连接，另一路与换热器的进水口相连接，换热器的出水口与多效膜蒸馏组件单元热海水进口相连接，多效膜蒸馏组件单元底部的排水口与储液罐相连接，储液罐直接连至用水点。

优选的，所述效膜蒸馏组件单元的冷海水出口与换热器的进水口相连接。从而更加高效的利用船用发动机余热。

换热器利用船用发动机冷却水所含的热能，与海水进行热交换，使海水达到40℃-80℃，将进行热交换后的海水送入多效膜蒸馏组件单元的热海水进口；过滤装置可以是多种形式的过滤器以移除海水中的悬浮物、凝胶、固体颗粒等；储液装置主要用于收集冷凝液，与用水管路相连。

上述船用多效膜蒸馏海水淡化装置的淡化方法，其特征在于包括一下过程：

①海水料液预处理。与船只等发动机冷却水进行热交换的海水需要经过一定的预处理，出去其中的固体颗粒，悬浮物，垃圾等可能对中空纤维膜造成堵塞或污染的成份。

②海水料液利用废热的多效膜蒸馏及热量的回收利用。利用耐腐蚀泵将海水送入到过滤器中，经过简单的预处理后，一部分经过热交换装置，将海水加热至40℃-80℃后送入多效膜蒸馏组件单元，通过相关管路将海水均匀地流过PTFE中空纤维膜，另一部分则直接通过管路均匀地进入PTFE中空管，经过与蒸发出来的水蒸气换热后回流至换热器前再次进行热交换后进入PTFE中空纤维膜组件；海水料液中的易挥发组分在第一级（组）PTFE中空纤维膜外表面蒸发，蒸气在PTFE中空管外表面冷凝，中空管内的海水吸收蒸气的冷凝潜热回流至换热器；然后通过第一级（组）PTFE中空纤维膜的热海水进入第二级（组）PTFE中空纤维膜，蒸气在第二级（组）中空纤维膜表面蒸发，蒸气在PTFE中空管外表面冷凝，然后通过第二级（组）PTFE中空纤维膜的热海水再进入第三级（组）PTFE中空纤维膜，以此类推，最后热海水料液经过多级，蒸发后温度降低，浓度升高，直至海水温度降至30℃左右时将此浓海水直接排回大海；

在多效膜蒸馏系统内，通过在PTFE中空管外表面冷凝后的冷凝液顺着中空管流入膜壳下端的储液罐，储液罐直接连接用水点。

为进一步提高热利用率，在多效膜蒸馏组件单元内，中空管内的原海水料液被蒸气冷凝换热加温后流出多效膜蒸馏组件单元，然后再次进入换热器被加热至预定温度，重新进入膜组件单元的中空纤维膜进行蒸发。

此装置的膜蒸馏过程可连续运行也可间歇性运行。

可见，本发明的利用船只、潜艇等废热进行多效膜蒸馏组件及其膜蒸馏装置和方法具有较高的热利用率，节能，环保，设备简单，操作方便等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明多效膜蒸馏组件单元结构示意图：其中 4、PTFE中空纤维膜组件，5、PTFE中空管组件，31、膜壳。

图2是本发明多效膜蒸馏组件的原理示意图：其中 41、PTFE中空纤维膜，51、PTFE中空管。

图3是多效膜蒸馏海水淡化器装置示意图：其中 1、原水泵，2、换热器，3、多效膜蒸馏组件，4、PTFE中空纤维膜组件，5、PTFE中空管组件，6、储液罐，7、过滤器。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明装置由原水泵1、过滤器7、换热器2、多效膜蒸馏组件单元3、储液罐6及各部件相连通的管路组成。其中多效膜蒸馏组件单元3的膜壳上设有冷海水进口、冷海水出口、热海水进口、浓海水出口及产水口，膜壳3顶部设有排气口。原水泵1的出口与过滤器7相连接，过滤器7的出口分两路（可利于现有的各种电磁阀、分水阀及其它各种用于液体分流的装置），一路与多效膜蒸馏组件单元3的冷海水进口相连接，另一路与换热器2的进水口相连接，换热器7与多效膜蒸馏组件单元热海水进口相连接。多效膜蒸馏组件单元3的冷海水出口与换热器2的进水口相连接。多效膜蒸馏组件单元3底部的产水口与储液罐6相连接，储液罐直接连至用水点。

如图1，其中所述多效膜蒸馏组件单元包括内部制成腔体的膜壳31，腔体内设有并排间隔放置的多排PTFE中空纤维膜组件4和PTFE中空管组件5，这里的并排间隔设置是指层叠状间隔的结构，即一层PTFE中空纤维膜组件，然后一层PTFE中空管组件，再一层PTFE中空纤维膜组件，再一层PTFE中空管组件，以此类推的形式（为清楚示意原理，图1中仅以一层PTFE中空管组件配合一层PTFE中空纤维膜组件的形式体现）；所述多排间隔的PTFE中空纤维膜组件相互串联，用于输送第一进料溶液，允许蒸汽传输过该中空纤维膜；所述多排间隔的PTFE中空管组件也进行串联，用于输送第二进料溶液，允许热能传输过该中空管，同时阻止蒸汽传输过该PTFE中空管，所述膜壳上设有与PTFE中空纤维膜组件对应的热海水进口及浓海水出口、与PTFE中空管组件对应的冷海水进口和冷海水出口；所述膜壳31为蒸汽冷凝馏出物收集室，膜壳底部设有排水口用于连接用水点，传输通过PTFE中空纤维膜的蒸汽在馏出物收集室中冷凝为馏出物，并与PTFE中空管中的第二进料溶液进行热交换。

本发明装置的方法：

装置工作时，海水通过原水泵1提升，经过过滤器7将海水中的杂质、胶体等污染物除去后，一部分海水直接通过多效膜蒸馏组件单元3的冷海水进口进入多效膜蒸馏组件单元3内的PTFE中空管组件5，一部分经换热器2，利用发动机冷却水升温后，通过多效膜蒸馏组件单元3的热海水进口进入多效膜蒸馏组件单元3内的PTFE中空纤维膜组件4。多效膜蒸馏组件单元3内的PTFE中空纤维膜组以片状帘式结构分冷热水流道间隔3毫米堆叠而成，热海水与冷海水通过各自流道逆流经过多效膜蒸馏组件单元3，由于温度差导致的蒸汽压差作用，热海水中的一部分水分子会以蒸汽状态穿过膜的微孔，在冷海水膜组表面凝结成冷凝水，冷凝水从多效膜蒸馏组件单元3的产水口流至淡储液罐6。在该装置运行中，如图2所示，在多效膜蒸馏组件单元内部，热海水侧PTFE中空纤维膜41表面形成的水蒸气在冷海水侧PTFE中空管51表面凝结的同时，起到了加热冷海水的作用，使多效膜蒸馏组件单元3的冷海水出口处的海水温度升至40-50℃左右，将该水回流至换热器7的进口处，经过换热器二次加热后作为热海水进入多效膜蒸馏组件单元3，通过此回路回收了大量的冷凝潜热，使进入多效膜蒸馏组件单元的热海水温度明显升高，在提高装置产水通量的同时减小了换热器2的规格，降低了投资成本及占地面积。

在多效膜蒸馏组件单元3内，PTFE中空纤维膜组件4和PTFE中空管组件5可以形成多级串联，即将中空纤维膜组件单元之间进行串联，中空管组件单元也相互串联，中空纤维膜和中空管组件单元之间相互间隔排列。

实施例1

原水：海水；过滤器：PP棉滤芯。

多效膜蒸馏组件单元材料：PTFE中空纤维膜：内径0.6毫米，外径1.8毫米，膜孔径0.1微米；PTFE中空管：内径0.6毫米，外径1毫米。

组件单元数量：1个；单位组件单元内：PTFE中空纤维膜组件数量：2个，每个60根；PTFE中空管组件数量3个，每个180根；换热器数量：1个。

海水的中空纤维膜组件进口温度：70-80℃；中空管组件进口温度25-40℃。

结果：产品为蒸馏水，水通量为3.32L/(m2*h)，蒸馏出水的电导率1.2μS/cm，热回收利用率70%以上

实施例2

原水：海水；过滤器：PP棉滤芯。

多效膜蒸馏组件单元材料：PTFE中空纤维膜：内径1.2毫米，外径2.4毫米，膜孔径0.5微米；PTFE中空管：内径0.8毫米，外径1毫米。

组件单元数量：2个；单位组件单元内：PTFE中空纤维膜组件数量：5个，每个60根；PTFE中空管组件数量6个，每个180根；换热器数量：2个。

海水的中空纤维膜组件进口温度：70-80℃；中空管组件进口温度25-40℃。

结果：产品为蒸馏水，水通量为12.48L/(m2*h)，蒸馏出水的电导率43.7μS/cm，热回收利用率70%以上。

实施例3

原水：海水；过滤器：PP棉滤芯。

多效膜蒸馏组件单元材料：PTFE中空纤维膜：内径0.8毫米，外径2.3毫米，膜孔径0.22微米；PTFE中空管：内径0.6毫米，外径1毫米。

组件单元数量：1个；单位组件单元内：PTFE中空纤维膜组件数量：6个，每个60根；PTFE中空管组件数量7个，每个180根；换热器数量：2个。

海水的中空纤维膜组件进口温度：70-80℃；中空管组件进口温度25-40℃。

结果：产品为蒸馏水，水通量为6.55L/(m2*h)，蒸馏出水的电导率5.8μS/cm，热回收利用率70%以上

实施例4

原水：海水；过滤器：PP棉滤芯。

膜组件材料：PTFE中空纤维膜：内径1.2mm，外径2.3mm，膜孔径0.3μm；PTFE中空管：内径0.8mm，外径1mm。

组件单元数量：2个；单位组件单元内：PTFE中空纤维膜组件数量：6个，每个60根；PTFE中空管组件数量7个，每个180根；换热器数量：2个。

海水的中空纤维膜组件进口温度：70-80℃；中空管组件进口温度25-40℃。

结果：产品为蒸馏水，水通量为9.86L/(m2*h)，蒸馏出水的电导率10.3μS/cm，热回收利用率70%以上。

本发明船用多效膜蒸馏海水淡化装置也可以利于海边或海中的其它动力设备的余热，不局限于船体上的发动机。

除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。 

Claims (3)

1.一种船用多效膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：包括原水泵（1）、过滤器（7）、换热器（2）、储液罐（6）及各部件相连通的管路，还包括一个或多个多效膜蒸馏组件单元（3），所述原水泵（1）出口与过滤器（7）相连接，过滤器（7）出口分两路，一路与多效膜蒸馏组件单元（3）的冷海水进口相连接，另一路与换热器（2）的进水口相连接，换热器（2）的出水口与多效膜蒸馏组件单元（3）热海水进口相连接，多效膜蒸馏组件单元（3）底部的排水口与储液罐（6）相连接，储液罐直接连至用水点；所述多效膜蒸馏组件单元包括内部制成腔体的膜壳，腔体内设有并排间隔放置的多排PTFE中空纤维膜组件和PTFE中空管组件；所述多排间隔的PTFE中空纤维膜组件相互串联，用于输送第一进料溶液，允许蒸汽传输过该中空纤维膜；所述多排间隔的PTFE中空管组件也进行串联，用于输送第二进料溶液，允许热能传输过该中空管，同时阻止蒸汽传输过该PTFE中空管，所述膜壳上设有与PTFE中空纤维膜组件对应的热海水进口及浓海水出口、与PTFE中空管组件对应的冷海水进口和冷海水出口；所述膜壳为蒸汽冷凝馏出物收集室，膜壳底部设有排水口用于连接用水点，传输通过PTFE中空纤维膜的蒸汽在馏出物收集室中冷凝为馏出物，并与PTFE中空管中的第二进料溶液进行热交换。

2.根据权利要求1所述的船用多效膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述效膜蒸馏组件单元（3）的冷海水出口与换热器（2）的进水口相连接。

3.一种权利要求1或2所述船用多效膜蒸馏海水淡化装置的淡化方法，其特征在于：通过热交换装置利用发动机冷却水所含有的热能与海水热交换后，被加热的海水进入膜组件腔体内的PTFE中空纤维膜，高温海水不断蒸发，蒸汽通过PTFE中空纤维膜膜壁上的孔隙进入膜壳腔内，并在温度较低的PTFE中空管外壁上冷凝，蒸汽在PTFE中空管外壁上冷凝过程中释放的冷凝潜热被PTFE中空管内的海水吸收，使PTFE中空管内的海水温度不断升高，同时PTFE中空纤维膜内的海水由于水分不断蒸发，温度逐渐降低，海水浓度也增加，最后从膜组件下端的排水口排入海中。

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