CN103387308A

CN103387308A - 多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统

Info

Publication number: CN103387308A
Application number: CN2013103515240A
Authority: CN
Inventors: 邢玉雷; 齐春华; 徐克�; 张铭; 吕庆春; 冯厚军
Original assignee: Tianjin Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization SOA
Current assignee: Tianjin Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization SOA
Priority date: 2013-08-13
Filing date: 2013-08-13
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2033-08-13
Also published as: CN103387308B

Abstract

本发明公开了一种多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，包括蒸汽喷射泵（9），浓水排放泵（1），料液循环泵（2），真空泵（3），产品水泵（4），N个膜组件，N个淡水闪蒸罐，N+1个换热组件，N‐1个浓水闪蒸罐；多个串联的膜组件和换热组件，构成传统蒸馏意义上的“多效”蒸馏；多个淡水闪蒸罐、多个浓水闪蒸罐串联构成传统蒸馏意义上的“多级”闪蒸，将多效膜蒸馏过程与多级闪蒸过程相耦合，膜蒸馏产生的二次蒸汽用于料液海水加热，并且膜蒸馏排出的高温浓海水和产品水逐级闪蒸，闪蒸蒸汽用于料液海水加热，实现了能量的梯级利用与料液的双程浓缩，有效地回收了汽化潜热并提高了系统热效率、造水比和浓缩比。

Description

多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统

技术领域

本发明属于膜分离和海水淡化技术领域，涉及一种多效膜蒸馏‐多级闪蒸海水淡化系统。

背景技术

水，是生命的源泉。淡水是人类社会赖以生存和发展的物质基础之一。随着社会的快速发展、人口增加以及水源污染，淡水资源越来越匮乏，全球正面临着日益严重的水资源危机。

海水淡化是解决淡水资源危机的重要方法之一。海水淡化，又称海水脱盐，是分离海水中盐和水的技术和过程，其实质是“以能源换水源”。目前，商业化的三大主流海水淡化技术分别是多效蒸馏（MED）、多级闪蒸（MSF）和反渗透（RO）。多效蒸馏和多级闪蒸都属于热法海水淡化技术，两者的技术优势是可实现能量的梯级利用或重复利用，但两者也存在初始投资大，单位体积的换热面积小，防腐耐蚀要求高等问题。反渗透属于膜分离技术，其具有常温操作、设备灵活、适应范围广等优点，但反渗透膜的通量和选择性对料液海水温度和盐度高度敏感，截留率低，且操作条件苛刻。

膜蒸馏（MD）是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，从而实现分离的目的。膜蒸馏有机地结合了蒸馏的特点和膜分离的特点，在膜蒸馏过程中既有常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程，又有分离物质扩散透过膜的膜分离过程，因此被称为膜蒸馏。与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械性能要求低等优点。

膜蒸馏过程是动量、热量和质量相互耦合同时传递的过程。在一定的条件下，当具有一定温度的热料液被输送至疏水膜的表面时，热料液与膜的一侧直接接触，该侧通常被称为“料液侧”或者“热侧”；而膜的另一侧直接或间接地与冷媒接触，该侧通常被称为“渗透侧”或者“冷侧”。由于膜的疏水性，热侧的料液不能透过膜孔，但料液中的易挥发组分可以在膜表面的汽‐液界面蒸发，并在膜两侧易挥发组分蒸汽分压差的驱动下透过膜孔，传递至冷侧，而非挥发组分则被疏水膜阻挡在热侧，从实现了混合物的分离或提纯。根据挥发性组分在膜渗透侧冷凝方式的不同，膜蒸馏一般可分为以下四种不同的结构和操作方式，即：直接接触式膜蒸馏（DCMD）、气隙式膜蒸馏（AGMD）、气扫式膜蒸馏（SGMD）和减压膜蒸馏（VMD）。

膜蒸馏是一个以蒸发为基础的膜分离过程，热量以相变传热的方式从料液侧传递到渗透则，因而能耗较高，这也是限制其工业化应用的关键问题之一。

申请公布号为CN102107119A的中国发明专利公开了一种“多效膜蒸馏装置与方法”，提出的多效膜蒸馏由升温蒸发区、主蒸发区和降温区三部分构成，将多效膜蒸馏过程中的水蒸气冷凝与原水加热过程耦合，回收蒸发潜热，有利于提高膜蒸馏热效率，但该装置的不足之处是：高温淡水的汽化潜热未得到利用，系统热效率不高；料液浓缩比相对较低。

申请公布号为CN103071388A的中国发明专利公开了一种“蒸汽热压缩减压膜蒸馏装置”，该装置是利用蒸汽热压缩器将膜蒸馏产生的低温蒸汽提升品质后用于料液的加热，循环利用蒸汽潜热，对于提高膜蒸馏热效率具有一定意义，但装置的不足之处是：蒸汽的汽化潜热未得到梯级利用，浓水和淡水的汽化潜热未得到回收，系统热效率和淡水回收率比较低。

发明内容

本发明目的是克服现有技术中的不足，提供一种热效率高、造水比大、浓缩比高的多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统。

本发明的技术方案概述如下：

一种多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，包括蒸汽喷射泵9，浓水排放泵1，料液循环泵2，真空泵3，产品水泵4，N个膜组件，N个淡水闪蒸罐，N+1个换热组件，N‐1个浓水闪蒸罐；

蒸汽喷射泵9的出口通过管路与首个换热组件6.1的蒸汽进口连接，首个换热组件6.1的凝结水出口通过管路从首个淡水闪蒸罐5.1起依次与N个淡水闪蒸罐串联连接后再与产品水泵4的进口连接；

料液循环泵2的出口通过管路与末个换热组件6.5顶部的料液进口连接，末个换热组件6.5底部的料液出口通过管路与次末个换热组件6.4底部的料液进口连接，次末个换热组件6.4顶部的料液出口与末个膜组件7.4底部的料液进口连接，末个膜组件7.4顶部的料液出口通过管路依次与相邻的换热组件和膜组件的串联连接，直至首个换热组件6.1和首个膜组件7.1；首个膜组件7.1顶部的料液出口通过管路从首个浓水闪蒸罐8.1起依次与N‐1个浓水闪蒸罐串联连接后再与浓水排放泵1的进口连接，浓水排放泵1的出口与浓海水排放管10连接；料液循环泵2的进口与进料液海水管11连接；浓海水排放管10和进料液海水管11之间连接有浓水循环管12；

首个膜组件7.1的蒸汽出口通过管路与首个换热组件6.1的不凝气出口连接的管路以及首个淡水闪蒸罐5.1的蒸汽出口连接的管路汇合后与第二个换热组件6.2的蒸汽进口连接；

第二个膜组件7.2的蒸汽出口通过管路与第二个换热组件6.2的不凝气出口连接的管路、第二个淡水闪蒸罐5.2的蒸汽出口连接的管路以及首个浓水闪蒸罐8.1的蒸汽出口连接的管路汇合后与第三个换热组件6.3的蒸汽进口连接，之后的膜组件、换热组件、淡水闪蒸罐及浓水闪蒸罐亦如此依次连接，直至次末个换热组件6.4的蒸汽进口；次末个换热组件6.4的不凝气出口连接的管路与末个膜组件7.4的蒸汽出口连接的管路、末个淡水闪蒸罐5.4的蒸汽出口连接的管路以及末个浓水闪蒸罐8.3的蒸汽出口连接的管路汇合后，再分成两条管路，一条管路与蒸汽喷射泵9的引射蒸汽入口连接，另一条管路与末个换热组件6.5的蒸汽进口连接；末个换热组件6.5的不凝气出口通过管路与真空泵3的进气口连接；

第二个换热组件6.2的凝结水出口通过管路与第二个淡水闪蒸罐5.2的淡水进口管路连接；如此，第三个换热组件6.3至次末个换热组件6.4的各个换热组件的凝结水出口通过管路分别与对应的淡水闪蒸罐的淡水进口管路连接；末个换热组件6.5的凝结水出口通过管路与产品水泵4的进口管路连接；N为2‐15个；

蒸汽喷射泵9引射口连接的管路上设置有阀门，动力蒸汽进口连接有带阀门的管路，产品水泵4出口连接有带阀门的管路，真空泵3出口连接有带阀门的管路，浓海水排放管10上设置有阀门，进料液海水管11上设置有阀门，浓水循环管12上设置有阀门。

所述的膜组件优选为中空纤维式膜蒸馏组件、管式膜蒸馏组件、卷式膜蒸馏组件或板框式膜蒸馏组件。

所述的换热组件优选为管壳式换热器或板式换热器。

所述的淡水闪蒸罐优选为体闪蒸式闪蒸罐或喷淋闪蒸式闪蒸罐。

所述的浓水闪蒸罐优选为体闪蒸式闪蒸罐或喷淋闪蒸式闪蒸罐。

本发明的优点：

（1）多个膜组件和换热组件串联，构成传统蒸馏意义上的“多效”膜蒸馏；多个闪蒸罐串联，构成传统蒸馏意义上的“多级”闪蒸；将多效膜蒸馏过程与多级闪蒸过程相耦合，膜蒸馏产生的二次蒸汽用于料液海水加热，并且膜蒸馏排出的高温浓海水和产品水逐级闪蒸，闪蒸蒸汽用于料液海水加热，实现了能量的梯级利用与料液的双程浓缩，有效地回收了汽化潜热并提高了系统热效率、造水比和浓缩比。

（2）系统设置的蒸汽喷射泵，在动力蒸汽的喷射作用下，抽射末效膜组件产生的部分二次蒸汽，提升品质后与动力蒸汽混合共同作为首效换热组件的加热热源，抽射二次蒸汽的汽化潜热通过多效膜蒸馏过程被多次重复利用，相对于无蒸汽喷射泵的工艺，系统造水比提高0.5～1倍。

（3）多效膜蒸馏‐多级闪蒸过程采用“逆流‐顺流”工艺流程，即多效膜蒸馏采用逆流进料，多级闪蒸采用顺流进料。逆流时，料液海水流动方向与加热蒸汽流动方向相反，料液海水从低温到高温逐效加热，同时逐效进行膜蒸馏，从热力学和换热器原理分析，逆流进料方式具有较好的热利用效果，可充分利用冷热流体的传热温差，从传热方面考虑是一种最佳的流程系统，具有较高的热经济性；顺流时，料液逐级闪蒸，蒸汽汽化潜热被逐级回收和利用，同时料液被深度浓缩，进一步提高了热效率和造水比。

（4）与传统多效蒸馏海水淡化系相比，本系统可进行高温蒸馏淡化，具有淡水回收率高、抗垢能力强、填装密度大、占地面积小、设备投资低等优点。

附图说明

图1为本发明多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统结构示意图。

1‐浓水排放泵；2‐料液循环泵；3‐真空泵；4‐产品水泵；5.1～5.4‐淡水闪蒸罐；6.1～6.5‐换热组件；7.1～7.4‐膜组件；8.1～8.3‐浓水闪蒸罐；9‐蒸汽喷射泵；10‐浓海水排放管；11‐进料液海水管；12‐浓水循环管。

具体实施方式

下面结合附图，以N等于4为例对本发明作进一步的说明。下述说明是为了使本领域的技术人员能够更好地理解本发明，但并不对本发明作任何限制。

一种多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，包括蒸汽喷射泵9，浓水排放泵1，料液循环泵2，真空泵3，产品水泵4，4个膜组件，4个淡水闪蒸罐，5个换热组件，3个浓水闪蒸罐；

料液循环泵2的出口通过管路与末个换热组件6.5顶部的料液进口连接，末个换热组件6.5底部的料液出口通过管路与次末个换热组件6.4底部的料液进口连接，次末个换热组件6.4顶部的料液出口与末个膜组件7.4底部的料液进口连接，末个膜组件7.4顶部的料液出口通过管路依次与相邻的换热组件和膜组件的串联连接，直至首个换热组件6.1和首个膜组件7.1；首个膜组件7.1顶部的料液出口通过管路从首个浓水闪蒸罐8.1起依次与3个浓水闪蒸罐串联连接后再与浓水排放泵1的进口连接，浓水排放泵1的出口与浓海水排放管10连接；料液循环泵2的进口与进料液海水管11连接；浓海水排放管10和进料液海水管11之间连接有浓水循环管12；

第二个换热组件6.2的凝结水出口通过管路与第二个淡水闪蒸罐5.2的淡水进口管路连接；如此，第三个换热组件6.3至次末个换热组件6.4的各个换热组件的凝结水出口通过管路分别与对应的淡水闪蒸罐的淡水进口管路连接；末个换热组件6.5的凝结水出口通过管路与产品水泵4的进口管路连接；

在上面的一种多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统中，所有的膜组件为中空纤维式膜蒸馏组件；所有的换热组件为管壳式换热器；所有的淡水闪蒸罐为体闪蒸式闪蒸罐；所有的浓水闪蒸罐为体闪蒸式闪蒸罐。

还可以，用管式膜蒸馏组件、卷式膜蒸馏组件或板框式膜蒸馏组件替代上面的中空纤维式膜蒸馏组件构成本发明。

还可以，用板式换热器替代上面的管壳式换热器构成本发明。

还可以，用喷淋闪蒸式闪蒸罐替代上面的体闪蒸式闪蒸罐构成本发明。

管壳式换热器采用的换热元件为管式膜或金属传热管；所述的板式换热器采用的换热元件为板式膜或金属板片。

上面是以N为4举的例子，N还可以是2个，3个，5个，6个，7个，8个，9个，10个，11个，12个，13个，14个或15个；

Claims

1.一种多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，包括蒸汽喷射泵（9），浓水排放泵（1），料液循环泵（2），真空泵（3），产品水泵（4），N个膜组件，N个淡水闪蒸罐，N+1个换热组件，N‐1个浓水闪蒸罐；

蒸汽喷射泵（9）的出口通过管路与首个换热组件（6.1）的蒸汽进口连接，首个换热组件（6.1）的凝结水出口通过管路从首个淡水闪蒸罐（5.1）起依次与N个淡水闪蒸罐串联连接后再与产品水泵（4）的进口连接；

料液循环泵（2）的出口通过管路与末个换热组件（6.5）顶部的料液进口连接，末个换热组件（6.5）底部的料液出口通过管路与次末个换热组件（6.4）底部的料液进口连接，次末个换热组件（6.4）顶部的料液出口与末个膜组件（7.4）底部的料液进口连接，末个膜组件（7.4）顶部的料液出口通过管路依次与相邻的换热组件和膜组件的串联连接，直至首个换热组件（6.1）和首个膜组件（7.1）；首个膜组件（7.1）顶部的料液出口通过管路从首个浓水闪蒸罐（8.1）起依次与N‐1个浓水闪蒸罐串联连接后再与浓水排放泵（1）的进口连接，浓水排放泵（1）的出口与浓海水排放管（10）连接；料液循环泵（2）的进口与进料液海水管（11）连接；浓海水排放管（10）和进料液海水管（11）之间连接有浓水循环管（12）；

首个膜组件（7.1）的蒸汽出口通过管路与首个换热组件（6.1）的不凝气出口连接的管路以及首个淡水闪蒸罐（5.1）的蒸汽出口连接的管路汇合后与第二个换热组件（6.2）的蒸汽进口连接；

第二个膜组件（7.2）的蒸汽出口通过管路与第二个换热组件（6.2）的不凝气出口连接的管路、第二个淡水闪蒸罐（5.2）的蒸汽出口连接的管路以及首个浓水闪蒸罐（8.1）的蒸汽出口连接的管路汇合后与第三个换热组件（6.3）的蒸汽进口连接，之后的膜组件、换热组件、淡水闪蒸罐及浓水闪蒸罐亦如此依次连接，直至次末个换热组件（6.4）的蒸汽进口；次末个换热组件（6.4）的不凝气出口连接的管路与末个膜组件（7.4）的蒸汽出口连接的管路、末个淡水闪蒸罐（5.4）的蒸汽出口连接的管路以及末个浓水闪蒸罐（8.3）的蒸汽出口连接的管路汇合后，再分成两条管路，一条管路与蒸汽喷射泵（9）的引射蒸汽入口连接，另一条管路与末个换热组件（6.5）的蒸汽进口连接；末个换热组件（6.5）的不凝气出口通过管路与真空泵（3）的进气口连接；

第二个换热组件（6.2）的凝结水出口通过管路与第二个淡水闪蒸罐（5.2）的淡水进口管路连接；如此，第三个换热组件（6.3）至次末个换热组件（6.4）的各个换热组件的凝结水出口通过管路分别与对应的淡水闪蒸罐的淡水进口管路连接；末个换热组件（6.5）的凝结水出口通过管路与产品水泵（4）的进口管路连接；N为2‐15个；

蒸汽喷射泵（9）引射口连接的管路上设置有阀门，动力蒸汽进口连接有带阀门的管路，产品水泵（4）出口连接有带阀门的管路，真空泵（3）出口连接有带阀门的管路，浓海水排放管（10）上设置有阀门，进料液海水管（11）上设置有阀门，浓水循环管（12）上设置有阀门。

2.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，其特征在于，所述的膜组件为中空纤维式膜蒸馏组件、管式膜蒸馏组件、卷式膜蒸馏组件或板框式膜蒸馏组件。

3.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，其特征在于，所述的换热组件为管壳式换热器或板式换热器。

4.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，其特征在于，所述的淡水闪蒸罐为体闪蒸式闪蒸罐或喷淋闪蒸式闪蒸罐。

5.根据权利要求1所述的多效膜蒸馏-多级闪蒸海水淡化系统，其特征在于，所述的浓水闪蒸罐为体闪蒸式闪蒸罐或喷淋闪蒸式闪蒸罐。