CN104190258A - 液隙多效膜蒸馏工艺及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种液隙多效膜蒸馏工艺及其装置，装置为多级膜蒸馏组件与多级换热组件间交错顺次管接成原水流程；热泵热端出口与各级换热组件顺次串联管接成热流体流程；末级换热组件与热泵热端入口管接；热泵冷端出口与各级膜蒸馏组件顺次串联管接成冷流体流程，末级膜蒸馏组件与热泵冷端入口管接，第一级膜蒸馏组件设浓水排出口；原水水管出口与第一级换热组件管接；方法为原水流过换热组件及膜蒸馏组件，膜蒸馏产出水由产出水口排出，未蒸发原水由浓水排出口排出；热泵冷端流出膜蒸馏产出水排出，冷流体流过膜蒸馏组件返回热泵冷端入口循环；热泵热端流出高温纯水对换热组件原水加热，返回热泵热端入口循环；膜蒸馏通量和热量回收效果高。
Description
技术领域
本发明涉及膜蒸馏装置与蒸馏方法，尤其涉及一种应用于水净化处理和化工分离浓缩领域的液隙多效膜蒸馏工艺及其装置。
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液体分离技术，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隔离作用。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。
目前已经发展出五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、减压膜蒸馏和吸收膜蒸馏。但是，至今为止，膜蒸馏技术都存在能耗高、疏水膜润湿后难以干燥等问题。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；减压膜蒸馏虽然膜通量较大，但对疏水膜强度要求较高，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低；吸收膜蒸馏则存在吸收剂的再利用等问题。
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，膜蒸馏过程需要大量的外加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通过换热器与原水直接交换，如气隙式膜蒸馏，则原水不能完全吸收蒸汽潜热，为了提高造水比，必须降低膜丝与换热管间的温度差，则导致膜蒸馏通量低。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
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种液隙多效膜蒸馏工艺及其装置，可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，实现膜蒸馏技术的工业化。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明液隙多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括多级膜蒸馏组件、多级换热组件、热泵以及连接管路；其中，多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间的管程或者壳程交错顺次管接，构成原水流程；热泵的热端出口与各级换热组件的壳程或管程顺次串联管接，构成热流体流程；该末级换热组件与热泵的热端入口管接；热泵的冷端出口与各级膜蒸馏组件的壳程或管程顺次串联管接，构成冷流体流程，该末级膜蒸馏组件与热泵的冷端入口管接，第一级膜蒸馏组件设有浓水排出口；原水水管进口与原水水源连接，原水水管出口与第一级换热组件管程或壳程管接，原水依次交替管接流过各级换热组件管程或壳程(即与热流体不在同程)以及各级膜蒸馏组件管程或壳程(即与冷流体不在同程)，剩余液体作为膜蒸馏浓水由浓水排出口排出，膜蒸馏产出水由设置在热泵冷端出口与第一级膜蒸馏组件之间连接管上的产出水口排出。
前述的液隙多效膜蒸馏装置，其中：所述膜蒸馏组件由2至20级构成，换热组件由2至20级构成，该膜蒸馏组件与换热组件级数相同。
前述的液隙多效膜蒸馏装置，其中：所述原水流程管路、热流体流程和冷流体流程管路上分别设置管道混合器。
前述的液隙多效膜蒸馏装置，其中：所述多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间交错顺次管接包括多级膜蒸馏组件之间壳程顺次串联、多级换热组件之间壳程顺次串联、各膜蒸馏组件管程与各换热组件管程交替顺次串联；还包括多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间壳程交错顺次串联、各膜蒸馏组件管程与各换热组件管程交替顺次串联。
本发明液隙多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于，原水依次交替管接流过各级换热组件管程或壳程以及各级膜蒸馏组件管程或壳程，由于膜蒸馏而增加的冷流体体积量作为膜蒸馏产出水由设置在热泵冷端出口与首级膜蒸馏组件之间的连接管上的产出水口排出，未蒸发的原水作为浓水由浓水排出口排出；从热泵冷端流出的低温纯水，体积增加的部分作为膜蒸馏装置产出水排出，其余部分作为冷流体，依次流过各级膜蒸馏组件的壳程或者管程，(即与原水不在同程)，吸收水蒸气的相变热后，返回热泵冷端入口，被热泵降温，由此循环进行；从热泵热端流出的高温纯水，依次流过各级换热组件壳程或管程，(即与原水不在同程)，对换热组件管程或者壳程的原水进行加热，被降温后的纯水，返回热泵热端入口，被热泵再次升温，由此循环进行。
前述的液隙多效膜蒸馏工艺方法，其中，所述所述低温纯水温度为5至35℃；所述所述高温纯水温度为65至95℃。
前述的液隙多效膜蒸馏工艺方法，其中，所述原水是自来水、海水、冷却系统排出的热水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。
本发明液隙多效膜蒸馏工艺及其装置的有益效果，通过本发明的膜蒸馏工艺及其装置，实现了原水分别与冷、热流体在较高温度差的工艺条件下，被加热升温、发生膜蒸馏并降温、被加热升温、发生膜蒸馏并降温……，顺次进行，从而实现多效蒸发过程。在具有较高的膜蒸馏通量条件下，兼具有较高的热量回收效果。
附图说明
图1是本发明的两级多效膜蒸馏装置工艺流程示意图。
图2是本发明的五级多效膜蒸馏装置工艺流程示意图。
图1中，21为原水进水管，22为第一级换热组件，23为第一级换热组件管程与第二级膜蒸馏组件管程的连接管，24为第二级膜蒸馏组件，25为第二级膜蒸馏组件管程与第二级换热组件管程的连接管，26为第二级换热组件，27为第一级膜蒸馏组件管程与第二级换热组件管程的连接管，28为第一级膜蒸馏组件，29为膜蒸馏浓水排出管，30为热泵，31为膜蒸馏产水管。32为热泵冷端出水口与第一级膜蒸馏组件壳程入口的连接管，33为第一级膜蒸馏组件壳程出口与第二级膜蒸馏组件壳程入口的连接管，34为第二级膜蒸馏组件壳程入口与热泵冷端入口的连接管，35为热泵热端出口与第一级换热组件壳程入口的连接管，36为第一级换热组件壳程出口与第二级换热组件壳程入口的连接管，37为第二级换热组件壳程出口与热泵热端入口的连接管，A浓水，B产出水，C原水。
图2中，41为原水进水管，42、43、44、45、46分别为第一、二、三、四、五级膜蒸馏组件，其壳程顺次串联；51、52、53、54、55分别为第一、二、三、四、五级换热组件，其壳程顺次串联；膜蒸馏组件管程与换热组件管程交替顺次串联；47为膜蒸馏浓水排出管；40为热泵，48为膜蒸馏产水管，。60为管道混合器，A浓水，B产出水，C原水。
具体实施方式
本发明提出的液隙多效膜蒸馏方法，依据实际需要，可以设置多级膜蒸馏组件与换热组件，但至少需要两级。图1、图2分别就本发明的两级、五级液隙多效膜蒸馏装置工艺流程进行说明。
按照图1所示工艺，仅以原水均流过膜蒸馏组件与换热组件的管程为例，存在有多种并流与逆流流向方式。
逆流方式之一：
原水C由进水管21，进入第一级换热组件22的管程，再由连接管23，进入第二级膜蒸馏组件24的管程，再由连接管25，进入第二级换热组件26的管程，再由连接管27，进入第一级膜蒸馏组件28，再由排出管29，将膜蒸馏浓水A排出膜蒸馏装置。将热泵30冷端出来的冷流体，由连接管32，进入第一级膜蒸馏组件28的壳程，吸收第一级膜蒸馏组件28的产水后，稍有升温，再由连接管33，进入第二级膜蒸馏组件24的壳程，吸收第二级膜蒸馏组件24的产水B，再由连接管34，返回热泵进行降温，作为冷流体循环进行膜蒸馏过程。吸收水蒸气增加的冷流体，即膜蒸馏产水B，由膜蒸馏产水管31排出。热泵产生的热流体，从热端出口由连接管35，进入第一级换热组件22，再由连接管36，进入第二级换热组件26，再由连接管37，返回热泵进行加热，作为热流体循环进行膜蒸馏过程。
并流方式之一：
原水C由进水管21，进入第一级换热组件22的管程，再由连接管23，进入第二级膜蒸馏组件24的管程，再由连接管25，进入第二级换热组件26的管程，再由连接管27，进入第一级膜蒸馏组件28，再由排出管29，将膜蒸馏浓水排出膜蒸馏装置。将热泵30冷端出来的冷流体，由连接管34，进入第二级膜蒸馏组件24的壳程，吸收第二级膜蒸馏组件24的产水后，稍有升温，再由连接管33，进入第一级膜蒸馏组件28的壳程，吸收第一级膜蒸馏组件28的产水，再由连接管33，返回热泵进行降温，作为冷流体循环进行膜蒸馏过程。吸收水蒸气增加的冷流体，即膜蒸馏产水B，由膜蒸馏产水管31排出。热泵产生的热流体，从热端出口由连接管37，进入第二级换热组件26，再由连接管36，进入第一级换热组件22，再由连接管35，返回热泵进行加热，作为热流体循环进行膜蒸馏过程。
依据实际需要，在第一、二级膜蒸馏组件和第一、二级换热组件之间，即原水、冷流体、热流体之间，可以有多种逆流、并流排列方式，本发明的内容并不仅限于上述两种逆流、并流排列方式。
按照图2所示工艺图，仅以原水均流过膜蒸馏组件与换热组件的管程为例，存在有多种并流与逆流流向方式。
逆流方式之一：
如图2，原水C通过连接管41从高温端顺次交替进入换热组件51、膜蒸馏组件42、换热组件52、膜蒸馏组件43、换热组件53、膜蒸馏组件44、换热组件54、膜蒸馏组件45、换热组件55、膜蒸馏组件46的管程，膜蒸馏浓水由排出管47排出膜蒸馏装置。热泵40产出的热流体，顺次分别进入换热组件51、52、53、54、55的壳程，对原水进行加热，然后，返回热泵进行加热，作为热流体循环进行膜蒸馏过程。热泵产出的冷流体，顺次分别进入膜蒸馏组件42、43、44、45、46的壳程，吸收水蒸气，然后，返回热泵进行降温，作为冷流体循环进行膜蒸馏过程。膜蒸馏增加的冷流体，即膜蒸馏产水，由管路48排出膜蒸馏装置。
为了强化流体温度的均匀性，可以在冷流体、热流体、原水管路中，分别设置多个管道混合器，如图2中的60。
并流方式之一：
如图2，原水C通过连接管41’从低温端顺次交替进入换热组件55、膜蒸馏组件46、换热组件54、膜蒸馏组件45、换热组件53、膜蒸馏组件44、换热组件52、膜蒸馏组件43、换热组件51、膜蒸馏组件42的管程，膜蒸馏浓水由排出管47’排出膜蒸馏装置。热泵40产出的热流体，顺次分别进入换热组件51、52、53、54、55的壳程，对原水进行加热，然后，返回热泵进行加热，作为热流体循环进行膜蒸馏过程。热泵产出的冷流体，顺次分别进入膜蒸馏组件42、43、44、45、46的壳程，吸收水蒸气，然后，返回热泵进行降温，作为冷流体循环进行膜蒸馏过程。膜蒸馏增加的冷流体，即膜蒸馏产水B，由管路48排出膜蒸馏装置。
原水从高温端进入换热组件是指原水进入换热组件流程时，首先与从热泵出来的高温热流体进行换热。原水从低温端进入换热组件是指原水进入换热组件流程时，首先与即将返回热泵的较低温度的热流体进行换热。
依据实际需要，在原水、冷流体、热流体之间，可以有多种逆流、并流排列方式，本发明的内容并不仅限于上述两种逆流、并流排列方式。
在本发明的膜蒸馏装置中，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。
本发明实施例中为进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种液隙多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括多级膜蒸馏组件、多级换热组件、热泵以及连接管路；其中，多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间的管程或者壳程交错顺次管接，构成原水流程；热泵的热端出口与各级换热组件的壳程或管程顺次串联管接，构成热流体流程；该末级换热组件与热泵的热端入口管接；热泵的冷端出口与各级膜蒸馏组件的壳程或管程顺次串联管接，构成冷流体流程，该末级膜蒸馏组件与热泵的冷端入口管接，第一级膜蒸馏组件设有浓水排出口；
原水水管进口与原水水源连接，原水水管出口与第一级换热组件管程或壳程管接，原水依次交替管接流过各级换热组件管程或壳程以及各级膜蒸馏组件管程或壳程，膜蒸馏浓水由浓水排出口排出，膜蒸馏产出水由设置在热泵冷端出口与第一级膜蒸馏组件之间的连接管上的产出水口排出。
2.根据权利要求1所述的液隙多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述膜蒸馏组件由2至20级构成，换热组件由2至20级构成，该膜蒸馏组件与换热组件级数相同。
3.根据权利要求1所述的液隙多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述原水流程管路、热流体流程和冷流体流程管路上分别设置管道混合器。
4.根据权利要求1所述的液隙多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间交错顺次管接包括多级膜蒸馏组件之间壳程顺次串联、多级换热组件之间壳程顺次串联、各膜蒸馏组件管程与各换热组件管程交替顺次串联；还包括多级膜蒸馏组件与多级换热组件之间壳程交错顺次串联、各膜蒸馏组件管程与各换热组件管程交替顺次串联。
5.一种液隙多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于，原水依次交替管接流过各级换热组件管程或壳程以及各级膜蒸馏组件管程或壳程，由于膜蒸馏而增加的冷流体体积量作为膜蒸馏产出水由设置在热泵冷端出口与首级膜蒸馏组件之间的连接管上的产出水口排出，未蒸发的原水作为浓水由浓水排出口排出；从热泵冷端流出的低温纯水，体积增加的部分作为膜蒸馏装置产出水排出，其余部分作为冷流体，依次流过各级膜蒸馏组件的壳程或者管程，吸收水蒸气的相变热后，返回热泵冷端入口，被热泵降温，由此循环进行；从热泵热端流出的高温纯水，依次流过各级换热组件壳程或管程，对换热组件管程或者壳程的原水进行加热，被降温后的纯水，返回热泵热端入口，被热泵再次升温，由此循环进行。
6.根据权利要求5所述的液隙多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于，所述低温纯水温度为5至35℃；所述所述高温纯水温度为65至95℃。
7.根据权利要求5所述的液隙多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于，所述原水是自来水、海水、冷却系统排出的热水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。
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