CN103316588A - 多效膜蒸馏装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多效膜蒸馏装置与方法。蒸馏装置包括主蒸发区、多效蒸发区；其中：主蒸发区设置循环槽以及主蒸发区膜蒸馏组件，循环槽出口连接主蒸发区膜蒸馏组件管程入口，主蒸区发膜蒸馏组件的管程出口连接循环槽入口；多效蒸发区中设置至少一级换热蒸馏装置，每一级换热蒸馏装置包括膜蒸馏组件和换热器，上述每一级膜蒸馏组件与换热器顺次管程串联，各级膜蒸馏组件之间壳程并联。本发明提出多效膜蒸馏方法，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热。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。

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蒸馏方法，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离蒸馏装置与蒸馏方法。

背景技术

膜蒸馏技术是膜技术与传统蒸馏技术相结合的新型化工分离技术，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内的有效蒸发面积大，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，且设备采用塑料材料，避免了金属材料在高盐度下的腐蚀问题。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程，操作压力低，因此设备费用也低，而且，膜蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染程度轻，对预处理的要求低。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，是可以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，膜蒸馏过程就可以进行，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。

目前已经发展出四种常见的膜蒸馏操作方式，有直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏和减压膜蒸馏。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；减压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2600kJ/kg，远大于水的比热4kJ/kg.K。因此，按常规减压膜蒸馏方式，需要大量的冷却水来冷凝膜蒸馏的蒸汽；若以原水作为冷却水，将膜蒸馏过程中产生的水蒸气与原水直接交换，则原水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。因此，以适当方式回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，是膜蒸馏技术实现工业化应用需要解决的关键问题之一。

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装置与蒸馏方法，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热。

本发明提供一种多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括主蒸发区、多效蒸发区；其中：主蒸发区设置循环槽以及主蒸发区膜蒸馏组件，循环槽出口连接主蒸发区膜蒸馏组件管程入口，主蒸区发膜蒸馏组件的管程出口连接循环槽入口；多效蒸发区中设置至少一级换热蒸馏装置，每一级换热蒸馏装置包括膜蒸馏组件和换热器，上述每一级膜蒸馏组件与换热器顺次管程串联，各级膜蒸馏组件之间壳程并联，多效蒸发区最后一级膜蒸馏组件管程出口连接主蒸发区设置的循环槽。

此外，原水入口与第一级膜蒸馏组件之间设置有多效蒸发区换热器，多效蒸发区换热器的管程与多效蒸发区的换热蒸馏装置管程相连。

另外，还设置了补充冷却区，补充冷却区设置补充换热器，补充换热器的管程入口与多效蒸发区换热器的壳程出口相连；壳程入口与冷却水口相连。

多效蒸发区换热器的壳程出口连接有真空泵，或者补充换热器的管程出口连接有真空泵。

上述每级换热蒸馏装置至少包括一支膜蒸馏组件和一支换热器。

所述换热器为聚偏氟乙烯塑料换热器。

此外，可在原水管路中设置空气流量计，可通入压缩空气；

在多效蒸发区内原水管路上可以增加设置增压泵；

在主蒸发区内的原水管路上，可以增加设置过滤器。

本发明还提供一种使用如上所述多效膜蒸馏装置的多效膜蒸馏方法，包括：原水依次逆流经过多效蒸发区中的膜蒸馏组件的管程与同级多效蒸发区中的换热器的管程，分别被换热器逐级加热和被膜蒸馏组件减压蒸发；浓缩后的原水进入主蒸发区中被蒸发浓缩；从主蒸发区膜蒸馏组件产生的蒸汽，依次通过多效蒸发区中每一级换热器降温，膜蒸馏产水由多效蒸发区中的换热器的壳程下端排出。

其中，在真空泵的抽吸作用下，蒸汽从主蒸发区依次通过多效蒸发区中每一级换热器降温，最后经过补充冷却区中的换热器降温后，不凝性气体被真空泵抽出排放；附加冷却水从补充冷却区中的换热器壳程通过，以便使水蒸汽充分冷凝，增加膜蒸馏产水量。

本发明的方法中，可以采用塑料换热器，以避免金属换热器的腐蚀与结垢问题。

在以上装置与工艺的描述中，主蒸发区、多效蒸发区内的膜组件均采用减压膜蒸馏方式。

在以上装置与工艺的描述中，也可以取消补充冷却区的设置，仅由主蒸发区和多效蒸发区构成。

在主蒸发区内的原水管路上，可以加设过滤器，以防止流体中的杂质堵塞膜组件内的原水流道。

通过本发明取得如下效果：

本发明以适当方式回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，是膜蒸馏技术实现工业化应用需要解决的关键问题之一。本发明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，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热。

在多效蒸发区中，蒸汽的蒸发潜热通过换热器，传导给原水，原水经升温后，在膜组件中发生减压蒸发，产生更低温度的蒸汽，该蒸汽进入多效蒸发区中的下一级换热器。最终，进入补充冷却区中的换热器内，以充分回收蒸汽的蒸发潜热，收集膜蒸馏产水。

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，原水可以是自来水、海水、冷却系统排出的热水或化工产品溶液等需要浓缩或淡化处理的液体。

附图说明

图1是本发明多效膜蒸馏装置第一实施例示意图；

图2是本发明多效膜蒸馏装置第二实施例示意图；

图3是本发明多效膜蒸馏装置第三实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的一种多效膜蒸馏装置的工艺示意图，由主蒸发区A、多效蒸发区B构成。

如图1所示，多效蒸发区B包括依次管程连接的原水口、流量计16、多效蒸发区换热器7、第一级换热蒸馏装置，第二级换热蒸馏装置。

具体来说，原水经过流量计16进入多效蒸发区B，流量计16的出口连接多效蒸发区换热器7的管程入口，原水在多效蒸发区换热器7中进行预热。多效蒸发区换热器7的管程出口连接到第一级膜蒸馏组件10的管程入口，原水在第一级膜蒸馏组件10中，因壳程的负压抽吸作用而发生蒸发。第一级膜蒸馏组件10的管程出口连接第一级换热器6的管程入口，原水继续得到加热。上述第一级膜蒸馏组件10与第一级换热器6构成第一级换热蒸馏装置。

第一级换热器6的管程出口与第二级膜蒸馏组件9的管程入口相连，第二级膜蒸馏组件9的管程出口与第二级换热器5的管程入口相连。第二级换热器5的管程出口与循环槽1相连。上述第二级膜蒸馏组件9与第二级换热器5构成第二级换热蒸馏装置。

这样，原水依次进入多效蒸发区换热器7、第一级膜蒸馏组件10、第一级换热器6、第二级膜蒸馏组件9、第二级换热器5的管程，依次被加热、蒸发、加热、蒸发、加热，然后进入主蒸发区循环槽1。

循环槽1属于主蒸发区A的组成部件。如图1所示，主蒸发区A中包括主蒸发区蒸馏组件4、循环泵2，循环槽1。

循环槽1的出口通过循环泵2、流量计3连接到主蒸发区膜蒸馏组件4的管程入口，循环水在膜蒸馏组件4的管程中蒸发产生水蒸气，水蒸气透过膜蒸馏组件4中的膜壁，进入膜蒸馏组件4中的壳程，壳程出口接到多效蒸发区B中第二级换热器5的壳程入口。第二级换热器5的壳程出口分为两支，一支为产水口1a，另外一支连接到第一级换热器6的壳程入口。冷凝水在重力下自然向下流，未冷凝的蒸汽则从向上的管路被抽入第一级换热器6的上进口。同样，第一级换热器6的壳程出口也分为两支，一支为产水口1b，另外一支连接到多效蒸发区换热器7的壳程入口。换热器7的壳程出口也分为两支，一支为产水口1c，另外一支连接真空泵15。本发明在多效蒸发区B外设置真空泵15，真空泵15连接到多效蒸发区换热器7的壳程出口。在真空泵15的抽吸导引作用下，蒸汽从膜蒸馏组件4的壳程出口，依次通过第二级换热器5的壳程、第一级换热器6的壳程，多效蒸发换热器7的壳程，连接到不凝汽口。

因此，从主蒸发区A出来的蒸汽，在真空泵15的抽吸作用下，依次通过第二级换热器5、第一级换热器6、多效蒸发区换热器7的壳程，被逐级冷凝。

以上换热器均可采用塑料换热器，特别是采用聚偏氟乙烯塑料换热器。

在图1中，多效蒸发区B设置了第一级换热蒸馏装置，包括第一级膜蒸馏组件10与第一级换热器6；第二级换热蒸馏装置，包括第二级膜蒸馏组件9与第二级换热器5。可以理解的是，根据膜蒸馏系统成本与温度控制方面的设计需要，也可以只设置第一级换热蒸馏装置，或者是设置三级换热蒸馏装置，或者更多级的换热蒸馏装置。

在图1中，在每一级换热蒸馏装置中，只设置了一支膜蒸馏组件以及一支塑料换热器。根据实际膜蒸馏系统设计的需要，每一级换热蒸馏装置中的膜蒸馏组件可以并接设置一支或更多支膜蒸馏组件。同样，每一级换热蒸馏装置中的换热器可以并接设置一支或更多支换热器，同时，每一级中的换热器与膜蒸馏组件数目不需要相同。

另外，如图1，为了提高膜蒸馏与传热功效，还可以通过空气流量计22的控制，在原水管路中通入一定量的压缩空气23，提高流体在膜组件和换热器管程的扰动程度，促进传质与传热。

此外，如图1，图3，根据实际膜蒸馏系统设计的需要，可以在多效蒸发区内原水管路的适当位置加设增压泵21，以保障原水的输送。

如图1，在主蒸发区内的原水管路上，可以加设过滤器24，以防止流体中的杂质堵塞膜组件内的原水流道。

此外，如图2所示，本发明还可以设置附加冷却区C。附加冷却区C中额外设置补充换热器8，其管程入口连接到多效蒸发区换热器7的壳程出口，冷却水从壳程入口进入补充换热器8，利用额外的冷却水进一步冷却蒸汽，管程出口连接到产水口2b，产水口2b连接真空泵15。上述补充换热器8也是聚偏氟乙烯塑料换热器。

下面根据本发明图2所示的第二实施例，详细说明本发明膜蒸馏方法。

冷的原水经过流量计16控制一定的流量后，顺次流过多效蒸发区换热器7、第一级膜蒸馏组件10、第一级换热器6、第二级膜蒸馏组件9、第二级换热器5的管程，然后进入主蒸发区A中的循环槽1，在循环泵2的驱动下，进入主蒸发区膜蒸馏组件4的管程。原水在主蒸发区膜蒸馏组件4中蒸发产生的水蒸汽，透过主蒸发区膜蒸馏组件4中的膜壁，进入主蒸发区膜蒸馏组件4中的壳程。

然后，在真空泵15的抽吸导引作周下，水蒸汽依次进入多效蒸发区B中第二级换热器5、第一级换热器6、多效蒸发区换热器7的壳程逐级冷凝，最后，进入补充换热器8的管程，完成冷凝。

在第二级换热器5、第二级换热器6、主蒸发区换热器7、补充换热器8的壳程的低位端，收集膜蒸馏产水11、12、13、14。

多效蒸发区B中，由于第一级膜蒸馏组件10、第二级膜蒸馏组件9的壳程上端，分别与同一级的第一级换热器6、第二级换热器5的壳程下端口并接，因此，第一级膜蒸馏组件10、第二级膜蒸馏组件9的管程中的原水所蒸发产生的蒸汽，在真空泵15的抽吸导引作用下，分别从各自的膜组件的壳程上端，与同一级的换热器的壳程下端并接，在真空泵15的抽吸导引作用下，进入下一级的换热器、补充换热器的壳程上端，然后被冷凝。

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23量为热流体流量(m³/h)的10～100％，热流体温度一般为40～90℃。

因此，本发明的多效膜蒸馏装置由主蒸发区、多效蒸发区以及补充冷却区构成。冷的原水顺次流过多效蒸发区和主蒸发区中换热器和膜蒸馏组件的管程；从主蒸发区膜蒸馏组件产生的蒸汽，经真空泵抽吸导引作用下，顺次通过多效蒸发区和补充冷却区中的换热器；附加冷却水从补充冷却区中的换热器壳程通过；多效蒸发区中，膜蒸馏组件的壳程与同级多效蒸发区中的换热器并联相接；膜蒸馏产水由多效蒸发区和补充冷却区中的换热器的壳程下端排出。多效蒸发区中的膜蒸馏组件和换热器，顺次管程串联，壳程并联，且至少有一级，每级各至少有一支膜蒸馏组件和换热器；补充冷却区中只有换热器，可以为零支或多支换热器。

此外，发明了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，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热。包括：原水依次逆流经过多效蒸发区中的膜蒸馏组件的管程与同级多效蒸发区中的换热器的管程，分别被换热器逐级加热和被膜蒸馏组件减压蒸发，最后进入主蒸发区中被蒸发浓缩；从主蒸发区膜蒸馏组件产生的蒸汽，在真空泵的抽吸作用下，依次通过多效蒸发区中每一级换热器降温，最后经过补充冷却区中的换热器降温后，不凝性气体被真空泵抽出排放；膜蒸馏产水由多效蒸发区和补充冷却区中的换热器的壳程下端排出。多效蒸发区中的膜蒸馏组件的壳程与同级多效蒸发区中的换热器的壳程并联相接。附加冷却水从补充冷却区中的换热器壳程通过，以便使水蒸汽充分冷凝，增加膜蒸馏产水量。在多效膜蒸馏装置的主蒸发区中，只设置有一级膜蒸馏组件。在多效蒸发区中，设置有膜蒸馏组件和换热器，有且至少有一级，每级中的膜蒸馏组件和换热器为管程串联、壳程并联。补充冷却区中只有换热器，可以为零支或多支换热器，使蒸汽尾气充分冷凝。

在多效蒸发区中，蒸汽的蒸发潜热通过换热器，传导给原水，原水经升温后，在膜组件中发生减压蒸发，产生更低温度的蒸汽，该蒸汽进入多效蒸发区中的下一级换热器。最终，进入补充冷却区中的换热器内，以充分回收蒸汽的蒸发潜热，收集膜蒸馏产水。

Claims (10)

1.一种多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括主蒸发区、多效蒸发区；其中：

主蒸发区设置循环槽以及主蒸发区膜蒸馏组件，循环槽出口连接主蒸发区膜蒸馏组件管程入口，主蒸区发膜蒸馏组件的管程出口连接循环槽入口；

多效蒸发区中设置至少一级换热蒸馏装置，每一级换热蒸馏装置包括膜蒸馏组件和换热器，上述每一级膜蒸馏组件与换热器顺次管程串联，各级膜蒸馏组件之间壳程并联，多效蒸发区最后一级膜蒸馏组件管程出口连接主蒸发区设置的循环槽。

2.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于，原水入口与第一级膜蒸馏组件之间设置有多效蒸发区换热器，多效蒸发区换热器的管程与多效蒸发区膜蒸馏装置管程相连。

3.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于，还设置有补充冷却区，补充冷却区中设置补充换热器，补充换热器的管程入口与多效蒸发区换热器的壳程出口相连；补充换热器的壳程入口与冷却水进口相连。

4.根据权利要求2所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：

多效蒸发区换热器的壳程出口连接有真空泵。

5.根据权利要求3所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：

补充换热器的管程出口连接有真空泵。

6.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：

每级换热蒸馏装置至少包括一支膜蒸馏组件和一支换热器。

7.根据权利要求1或2或3所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述换热器为聚偏氟乙烯塑料换热器。

8.根据权利要求1或2或3所述的多效膜蒸馏装置，其特征在于：

在原水管路中设置空气流量计，通入压缩空气；

在多效蒸发区内原水管路上设置增压泵；

在主蒸发区内的原水管路上，设置过滤器。

9.一种使用权利要求1至8任何一项所述多效膜蒸馏装置的多效膜蒸馏方法，其特征在于，包括：

原水依次逆流经过多效蒸发区中的膜蒸馏组件的管程与同级多效蒸发区中的换热器的管程，分别被换热器逐级加热和被膜蒸馏组件减压蒸发；

浓缩后的原水进入主蒸发区中被蒸发浓缩；

从主蒸发区膜蒸馏组件产生的蒸汽，依次通过多效蒸发区中每一级换热器降温；

膜蒸馏产水由多效蒸发区中的换热器的壳程下端排出。

10.根据权利要求9所述多效膜蒸馏装置的多效膜蒸馏方法，其特征在于：

在真空泵的抽吸作用下，蒸汽从主蒸发区依次通过多效蒸发区中每一级换热器降温，最后经过补充冷却区中的换热器降温后，不凝性气体被真空泵抽出排放；

附加冷却水从补充冷却区中的换热器壳程通过，以便使水蒸汽充分冷凝，增加膜蒸馏产水量。

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