CN104190260B - 减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置，其装置包括气隙膜蒸馏组件、减压膜蒸馏组件、第一换热器、第二换热器、第一膜蒸馏产水收集罐、第二膜蒸馏产水收集罐、循环泵、热泵、真空泵、原水罐及连接管路；减压组合气隙膜蒸馏方法，其方法包括，利用热泵对进入气隙膜蒸馏组件料液补充加热；热泵产生冷水用于气隙膜蒸馏组件和减压膜蒸馏组件两个膜蒸馏单元产水冷却；进入减压膜蒸馏组件的未蒸发料液降温后流入原水罐与新补充原水汇合后，由循环泵送入气隙膜蒸馏组件吸热升温，进入热泵继续补热，进行下一循环；其利用减压膜蒸馏的降温作用，降低气隙膜蒸馏料液出口温度，利用热泵进行冷热流体间热量转移，从而实现高通量的气隙膜蒸馏过程。

Description

减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置
技术领域
本发明涉及膜蒸馏工艺及其装置，尤其涉及应用于水净化处理、化工分离浓缩液体与水淡化的减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置。
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，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气隙式膜蒸馏技术中存在的上述缺点，而提供一种减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置，其可利用减压膜蒸馏的降温作用，降低气隙膜蒸馏料液出口温度，利用热泵进行冷热流体间热量转移，从而实现高通量的气隙膜蒸馏过程。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明减压组合气隙膜蒸馏装置，其特征在于，包括气隙膜蒸馏组件、减压膜蒸馏组件、第一换热器、第二换热器、第一膜蒸馏产水收集罐、第二膜蒸馏产水收集罐、循环泵、热泵、真空泵、原水罐以及连接管路；该气隙膜蒸馏组件的蒸发段出口串接减压膜蒸馏组件；热泵的热端分别串接气隙膜蒸馏组件的蒸发段入口和换热管的出口；热泵的冷端串接与气隙膜蒸馏组件连接的第一换热器和与减压膜蒸馏组件的第二换热器；该气隙膜蒸馏组件的产水出口与第一换热器管接，且第一换热器与第一膜蒸馏产水收集罐管接；该减压膜蒸馏组件的产水出口与第二换热器管接，且第二换热器与第二膜蒸馏产水收集罐管接；该减压膜蒸馏组件的未蒸发料液出口与原水罐管接，该原水罐与气隙膜蒸馏组件之间的连接管路上设置循环泵；该真空泵与第二膜蒸馏产水收集罐管接。
本发明减压组合气隙膜蒸馏方法，其特征在于：包括，利用热泵对进入气隙膜蒸馏组件的料液进行补充加热；热泵产生的冷水用于气隙膜蒸馏组件和减压膜蒸馏组件两个膜蒸馏单元产水的冷却；进入减压膜蒸馏组件的未蒸发料液降温后流入原水罐，与新补充原水汇合后，由循环泵送入气隙膜蒸馏组件吸热升温，进入热泵继续补热，进行下一个循环。
前述的减压组合气隙膜蒸馏方法，其中：所述气隙膜蒸馏组件的料液出口温度为50至80℃；所述减压膜蒸馏组件的料液出口温度为40至60℃。
前述的减压组合气隙膜蒸馏方法，其中：所述原水是自来水、海水、冷却系统排出的热水或者是需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液；所述料液是经加热的自来水、海水、冷却系统排出的热水或者是需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。
本发明减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置的有益效果，本发明提供的膜蒸馏装置，包括气隙膜蒸馏组件、减压膜蒸馏组件、换热器、水槽、水泵、热泵以及连接管路等。本发明提出的减压组合气隙膜蒸馏方法，主要是利用减压膜蒸馏的降温作用，降低气隙膜蒸馏料液出口温度，利用热泵进行冷热流体间热量转移，其允许在气隙膜蒸馏的后段，料液仍具有较高的温度，可以为50至80℃，以便维持较高的气隙膜蒸馏通量，再串接减压膜蒸馏过程，对料液进行降温，降温至4至60℃，然后，无需外接冷却水，直接将40至60℃的低温料液返回至气隙膜蒸馏组件中的换热管中，完成气隙膜蒸馏过程。利用热泵对气隙升温后的料液进行补充加热，热泵产生的冷水则可用于气隙膜蒸馏和减压膜蒸馏两个膜蒸馏单元产水的冷却，使减压膜蒸馏过程仍具有较高的膜蒸馏通量，因而，组合膜蒸馏过程总体保持了较高的膜蒸馏通量。本发明的减压组合气隙膜蒸馏方法，在高造水比条件下，具有更大的气隙膜蒸馏过程热端蒸发能力，保持了较高的膜蒸馏通量，同时，无需外加冷却水，可以实现高效、低能耗的膜蒸馏过程。
附图说明
图1是本发明的减压组合气隙膜蒸馏装置工艺流程示意图。
图中主要标号说明：1为补充原水，2为循环水槽(原水罐)，3为循环泵，5为气隙膜蒸馏组件，4为气隙膜蒸馏组件换热管入口，6为气隙膜蒸馏组件换热管出口，7为热泵，8为气隙膜蒸馏组件疏水膜入口，9为气隙膜蒸馏组件疏水膜出口，10为减压膜蒸馏组件，11为第一换热器、13为第二换热器，12为第一膜蒸馏产水收集罐、14为第二膜蒸馏产水收集罐，15为真空泵。
具体实施方式
按照图1，对本发明的减压组合气隙膜蒸馏方法与装置进行进一步说明。
经过热泵7补充加热的料液，从气隙膜蒸馏组件5的入口8进入中空纤维疏水膜丝的管程，进行蒸发，未蒸发料液从气隙膜蒸馏组件5的中空纤维疏水膜出口9流出，出口温度为50至80℃，进入减压膜蒸馏组件10，在真空泵作用下，进行减压膜蒸馏，未蒸发料液被降温，温度为40至60℃，然后流入循环水槽(原水罐)2，与新补充的原水1汇合后，由循环泵3，送入气隙膜蒸馏组件5的入口4，进入换热管中，吸热升温后，从气隙膜蒸馏组件5的换热管出口6进入热泵7继续补热，进行下一个循环。
从气隙膜蒸馏组件5产生的冷凝水以及未完全冷凝的蒸气从气隙膜蒸馏组件5的出口进入第一换热器11，被热泵7产生的冷流体在第一换热器11中降温，得到气隙膜蒸馏产水进入第一膜蒸馏产水收集罐12；从减压膜蒸馏组件10产生的水蒸气则在真空泵15的抽吸作用下进入第二换热器13，被热泵7产生的冷流体在第二换热器13中降温冷凝，得到减压膜蒸馏产水进入第二膜蒸馏产水收集罐14。
本发明实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
本发明提出的减压组合气隙膜蒸馏方法的工作原理是，以往的气隙膜蒸馏技术，为降低换热管中液体温度，需要使疏水膜管路蒸发后段的料液温度低，一般为30至40℃，这样料液蒸发能力减弱,使得膜蒸馏通量较低。本发明提出的减压组合气隙膜蒸馏方法，主要是利用减压膜蒸馏的降温作用，降低气隙膜蒸馏料液出口温度，利用热泵进行冷热流体间热量转移，其允许在气隙膜蒸馏的后段，料液仍具有较高的温度，温度为50至80℃，高于常规气隙膜蒸馏的30至40℃，从而维持较高的气隙膜蒸馏通量，再串接减压膜蒸馏过程，对料液进行降温，降温至40至60℃，然后，无需外接冷却水，直接将混合了补充原水的低温料液，用循环泵返回至气隙膜蒸馏组件中的换热管中，完成气隙膜蒸馏过程。该过程可以有更大的气隙膜蒸馏过程热端蒸发能力，从而可以获得更高的膜蒸馏通量。利用热泵对气隙升温后的料液进行补充加热，热泵产生的冷水则可用于气隙膜蒸馏和减压膜蒸馏两个膜蒸馏单元产水的冷却，实现了热量在冷热流体之间的逆向转移，从而具有更低的能耗。减压膜蒸馏过程本身具有较高的膜蒸馏通量，因而，组合膜蒸馏过程总体保持了较高的膜蒸馏通量。
本发明的减压组合气隙膜蒸馏方法，在高造水比条件下，具有更大的气隙膜蒸馏过程热端蒸发能力，保持了较高的膜蒸馏通量，同时，无需外加冷却水，可以实现高效、低能耗的膜蒸馏过程。
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者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。
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 (4)

1.一种减压组合气隙膜蒸馏装置，其特征在于，包括气隙膜蒸馏组件、减压膜蒸馏组件、第一换热器、第二换热器、第一膜蒸馏产水收集罐、第二膜蒸馏产水收集罐、循环泵、热泵、真空泵、原水罐以及连接管路；
该气隙膜蒸馏组件的蒸发段出口串接减压膜蒸馏组件；热泵的热端分别串接气隙膜蒸馏组件的蒸发段入口和换热管的出口；热泵的冷端串接与气隙膜蒸馏组件连接的第一换热器和与减压膜蒸馏组件的第二换热器；
该气隙膜蒸馏组件的产水出口与第一换热器管接，且第一换热器与第一膜蒸馏产水收集罐管接；
该减压膜蒸馏组件的产水出口与第二换热器管接，且第二换热器与第二膜蒸馏产水收集罐管接；该减压膜蒸馏组件的未蒸发料液出口与原水罐管接，该原水罐与气隙膜蒸馏组件之间的连接管路上设置循环泵；
该真空泵与第二膜蒸馏产水收集罐管接。
2.一种减压组合气隙膜蒸馏方法，其特征在于：包括，利用热泵对进入气隙膜蒸馏组件的料液进行补充加热；热泵产生的冷水用于气隙膜蒸馏组件和减压膜蒸馏组件两个膜蒸馏单元产水的冷却；进入减压膜蒸馏组件的未蒸发料液降温后流入原水罐，与新补充原水汇合后，由循环泵送入气隙膜蒸馏组件吸热升温，进入热泵继续补热，进行下一个循环。
3.根据权利要求2所述的减压组合气隙膜蒸馏方法，其特征在于：所述气隙膜蒸馏组件的料液出口温度为50至80℃；所述减压膜蒸馏组件的料液出口温度为40至60℃。
4.根据权利要求2所述的减压组合气隙膜蒸馏方法，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是需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液；所述料液是经加热的自来水、海水、冷却系统排出的热水或者是需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。
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