CN105084445A - 一种高效的膜蒸馏方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高效的膜蒸馏方法与装置。方法包括以下步骤：将原料液通过一预热装置进行预热；对预热后的原料液进行温度调节，使其温度保持在一预设温度；对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；多效膜蒸馏产生的原料液蒸汽通过对所述预热装置供热而冷凝为成品液。装置包括贯穿于原料液流路设置的：预热装置，用以对原料液进行预热；一调节池；一多效膜蒸馏系统；与所述多效膜蒸馏系统的蒸汽出口连通的一蒸汽流路，所述蒸汽流路与所述预热装置连接。采用多效真空膜蒸馏，设有渗漏水收集回收系统，可有效避免渗漏水污染产水，确保产水水质。同时多效的膜蒸馏系统配合三段热回收系统，可提高系统热利用率，降低系统能耗，提高真空膜蒸馏的实用性。

Description

一种高效的膜蒸馏方法与装置

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种高效的膜蒸馏方法与装置。

背景技术

膜蒸馏技术是以疏水性膜为分离介质，通过对热侧溶液进行加热升温，使料液中的水挥发成水蒸气并进入膜孔，水蒸气在膜两侧蒸气压差的推动下穿过膜孔到达膜的另一侧，然后经过一定的冷却方式将水蒸气重新冷凝为液态水。由于膜的疏水性，溶液中的液态水和其他水溶性物质被截留，从而实现料液的浓缩过程。采用膜蒸馏浓缩除盐时，对绝大多数盐类和其他非挥发性物质都有接近100％截留效率，而且膜蒸馏操作条件温和，不需要将溶液加热至沸腾。此外，溶液中含盐量的变化对膜通量影响较小，膜蒸馏可以在极高含盐量时正常运行(含盐量可大于25％)，而且膜蒸馏可以在常压下运行，不需要高压条件。由于膜蒸馏的分离特性及众多优点，该技术在废水处理、海水淡化、化工分离、果汁浓缩等方面具有广泛的研究应用。

目前，现有技术的膜蒸馏工艺的缺点主要体现在能耗过高等方面：

膜蒸馏按照冷却侧的运行方式不同，可以将膜蒸馏分为直接接触式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏和真空膜蒸馏，这四种膜蒸馏方式各有优缺点。

真空膜蒸馏(VMD)是采用抽真空的方式使膜组件的冷凝侧保持一定负压，热侧溶液中的水以蒸气形式进入膜的另一侧后，通过真空泵的作用将其抽出膜组件，并在膜组件以外的冷凝器中冷凝为液态水。由于VMD中膜两侧蒸气压差更大，具有更大的推动力，因此VMD相比其他的膜蒸馏形式具有更大的膜通量。由于传统的真空膜蒸馏蒸气冷凝过程中需要提供额外的冷却工质，不仅限制其应用前景，同时也造成能耗较高。因此，开发出具有更高通量的膜蒸馏工艺对于膜蒸馏技术的工业化应用具有重要意义。

发明专利CN101797479A公开了一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的方法及装置。通过采用一个蒸汽压缩机直接对膜组件透过侧的蒸汽进行压缩，将压缩后的高温高压蒸汽依次通过一个加热器和一个预热器，同时将原料也通过加热器和预热器。但是该发明主要通过蒸汽压缩热维持系统运行，但实际生产中由于膜蒸馏通量较低，很难保证有足够热量维持系统稳定运行，而且该发明中产生的高温浓水中的热量并未回收，造成热量损失严重。此外，该发明中采用的是单效膜蒸馏，也没有设置渗漏水收集系统和真空泵，由于渗漏水对生产影响非常大，因此必须进行单独收集处理。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是克服现有真空膜蒸馏工艺中能耗较高的缺点，提出一种高效的膜蒸馏方法与装置。通过蒸汽压缩和多级加热对低温原料液进行加热，换热效率更高。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高效的膜蒸馏方法，包括以下步骤：

将原料液通过一预热装置进行预热；对预热后的原料液进行温度调节，使其温度保持在一预设温度；对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；多效膜蒸馏产生的原料液蒸汽通过对所述预热装置供热而冷凝为产水。

进一步地，所述预热为三段预热，蒸汽进入一二段热交换器对原料液进行二段预热；二段预热后部分蒸汽冷凝为二段冷凝水，其余蒸汽通过压缩升温后对进入一三段热交换器对原料液进行三段预热；三段预热后所述其余蒸汽冷凝为三段冷凝水；所述二段冷凝水及三段冷凝水通过一液体热泵升温后对原料液进行一段预热。

进一步地，所述多效膜蒸馏包括，使处于预设温度的原料液通过依次连通的不少于2个膜组件，在前的膜组件的溶液侧的尾端和在后的膜组件的溶液侧的首端依次连通。

进一步地，所述膜组件中第一效膜组件的溶液侧的首端流入处于预设温度的原料液，最后一个膜组件的溶液侧的尾端流出未蒸发的原料液，回流与进行预热的原料液混合。

进一步地，还包括：收集多个膜组件的渗漏液回流与进行预热的原料液混合。

一种高效的膜蒸馏装置，包括贯穿于原料液流路设置的：

预热装置，用以对原料液进行预热；

一调节池，用以使预热后的原料液保持在一预设温度和保证池内水质均匀；

一多效膜蒸馏系统，用以对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；

与所述多效膜蒸馏系统的蒸汽出口连通的一蒸汽流路，所述蒸汽流路与所述预热装置连接，用以对预热装置供热。

进一步地，所述预热装置包括依次连通的：一二段换热器，一二段冷凝储槽，一三段换热器，一三段冷凝水储槽；还包括与二段冷凝水储槽及三段冷凝水储槽同时连通的一一段换热器；所述一段换热器、二段换热器及三段换热器依次设置于连通于温度调节池的原料液流路上。

进一步地，所述调节池内设置加热装置，用以确保调节池内原料液温度保持在设定范围。

进一步地，所述多效膜蒸馏系统包括：依次连通的不少于2个膜组件；在前的膜组件的溶液侧的尾端和在后的膜组件的溶液侧的首端依次连通；所述膜组件中第一个膜组件的溶液侧的首端与所述温度调节池连通，最后一个膜组件的溶液侧的尾端与所述调节池连通。

进一步地，还包括与多个膜组件的真空侧的渗漏液排放口连通的一渗漏液储槽；所述渗漏液储槽连通所述调节池。

通过采取上述技术方案，本发明具有以下有益效果：采用多效真空膜蒸馏，设有渗漏水收集回收系统，可以有效避免渗漏水污染产水，确保产水水质。同时多效的膜蒸馏系统配合三段热回收系统，可提高系统热利用率，降低系统能耗，提高真空膜蒸馏的实用性。

附图说明

图1是本发明的高效的膜蒸馏装置在一实施例中的工艺原理示意图。

图中：1、调节池；2、加热器；3、料液泵；4、第一效膜组件；5、疏水膜；6、第二效膜组件；7、第三效膜组件；8、第N效膜组件；9、真空泵；10、二段换热器；11、二段冷凝水储槽；12、空气压缩机；13、三段换热器；14、三段冷凝水储槽；15、液体热泵；16、一段换热器；17、产水储槽；18、原料液泵；19、原料液储槽；20、渗漏液储槽；a1、第一效膜组件蒸汽出口；a2、第二效膜组件蒸汽出口；a3、第三效膜组件蒸汽出口；a4、第N效膜组件蒸汽出口；b1、第一效膜组件真空度调节阀；b2、第二效膜组件真空度调节阀；b3、第三效膜组件真空度调节阀；b4、第N效膜组件真空度调节阀；c1、第一效膜组件渗漏液排放口；c2、第二效膜组件渗漏液排放口；c3、第三效膜组件渗漏液排放口；c4、第N效膜组件渗漏液排放口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的高效的膜蒸馏装置，包括贯穿于原料液流路设置的：预热装置，用以对原料液进行预热；加热器2和调节池1，用以使预热后的原料液保持在一预设温度，同时保证池内料液均匀；多效膜蒸馏系统，用以对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；与所述多效膜蒸馏系统的蒸汽出口连通的一蒸汽流路，所述蒸汽流路与所述预热装置连接，用以对预热装置供热；真空泵9，用以提供负压，并将膜组件内水蒸汽抽出；蒸汽压缩机12，用以压缩蒸汽，进而提高蒸汽温度；液体热泵15，用以提高液体温度。还包括用以存储原料液的原料液储槽19，用以收集多效膜蒸馏系统的渗漏液的渗漏液储槽20，与预热装置的末端连接的，用以收集成品液的成品液储槽17；以及设置在原料液流路、蒸汽流路及预热装置中用以辅助换热的多套调节阀门和泵。

其中，预热装置包括：二段换热器10，二段冷凝水储槽11，三段换热器13，三段冷凝水储槽14；二段冷凝水储槽11及三段冷凝水储槽13混合后与低温液体热泵15入口相连，经过液体热泵15升温后液体由液体热泵15出口进入到一段换热器16，对原料液进行一段预热。从图1可以看出，在原料液进入调节池1之前，一段换热器16、二段换热器10及三段换热器13依次设置在原料液流路上。

通过上述预热装置的布置方式，蒸汽首先经过二段换热器10，可以初步将水蒸汽冷凝为液态水，一方面对原料液进行换热，另一方面可以有效降低进入蒸汽压缩机12的蒸汽量，进而降低后续负荷，由于经过二段和三段预热后原料液温度升高，与二段冷凝水储槽11和三段冷凝水储槽14混合后的混合液体温差较小，换热效率低，因此将二段冷凝水储槽11和三段冷凝水储槽14混合后的混合液体经过液体热泵15升温后进入一段换热器16，实现更高的换热效率，同时也更有利于降低产水槽17内的产水温度，有利于回用。

调节池1中设有加热器2，当调节池1内料液温度低于设定值时，启动加热器2对料液加热，用以使温度调节池1中的原料液保持在一预设的温度。

多效膜蒸馏系统包括：依次连通的多个膜组件，包括第一效膜组件4、第二效膜组件6、第三效膜组件7至第N效膜组件8，N为小于等于14的整数；在前的膜组件的溶液侧的尾端和在后的膜组件的溶液侧的首端依次连通。实际上，本发明不限于图1中所示的多效膜组件，只要膜组件数量大于等于2个均可应用于本发明的方法及装置；针对不同的应用环境，膜组件的数量保持在14个以下能够获得较好的技术效果。

在图1中，多个膜组件的形式为中空纤维式膜组件，膜组件溶液侧为中空纤维式膜组件的管程，膜组件真空侧为中空纤维式膜组件的壳程；或者膜组件溶液侧为中空纤维式膜组件的壳程，膜组件真空侧为中空纤维式膜组件的管程。实际上，在其他的实施例中，也可采用卷式膜组件或板式膜组件等其他形式的膜组件，在此仅用以说明本发明的一种实施方式，对于膜组件的形式并不做限定。每个膜组件中设置有一道疏水膜5。疏水膜5可以为聚四氟乙烯材料、聚丙烯材料、聚偏氟乙烯或陶瓷材料。另外，在膜组件的外部可设有保温层(图未示意)。

第一效膜组件4的溶液侧的首端与所述温度调节池1连通；原料液通过第二原料液泵3从此压入，第N效模组件8的溶液侧的尾端与调节池1连通，原料液经过多效膜组件后从此回流至调节池1。

多个膜组件共同连通一个真空泵9，每个膜组件的抽真空侧设有真空度调节阀：包括第一效膜组件真空度调节阀b1、第二效膜组件真空度调节阀b2、第三效膜组件真空度调节阀b3、……直至第N效膜组件真空度调节阀b4、用于控制不同膜组件内的真空度。

还包括与多个膜组件的渗漏液排放口连通的渗漏液储槽20；渗漏液储槽20也连通调节池1，渗漏液同样回流至调节池1。渗漏液被收集至渗漏液储槽20并回流至调节池1，避免因局部膜孔渗漏影响膜组件正常运行或污染产水。

本发明的高效的膜蒸馏装置在运行时，即实施本发明的高效的膜蒸馏方法时，首先通过原料液泵18将原料液由原料液储槽19泵入调节池1，期间原料料液依次通过一段换热器16、二段换热器10、三段换热器13，当调节池1内水量达到设定值时，开启加热器2，将温度调节池1内料液加热至设定温度(一般为30～95℃)。然后打开料液泵3，将料液从温度调节池1泵入第一效膜组件4，由第一效膜组件4的管程的一端进入，从第一效膜组件4的管程的另一端流出后进入第二效膜组件6，由第二效膜组件6的管程的一端进入，从第二效膜组件6的管程的另一端流出，然后进入第三效膜组件7，依次类摧，料液进入第N效膜组件8管程的一端，从第N效膜组件8管程的另一端流出后，重新流回到调节池1。

打开真空泵9，然后根据不同效膜组件温度不同，缓慢调节第一效膜组件真空度调节阀b1、第二效膜组件真空度调节阀b2、第三效膜组件真空度调节阀b3直至第N效膜组件真空度调节阀b4。真空泵9抽出的蒸汽首先通过二段换热器10对原料液进行预热，部分蒸汽冷凝后通过二段冷凝储槽11收集，其余未冷凝的蒸汽通过蒸气压缩机12压缩升温后进入三段换热器13对原料液进行三段加热，同时生成的冷凝水通过三段冷凝储槽14收集。

将二段冷凝储槽11和三段冷凝储槽14中的料液混合后进入液体热泵15，通过液体热泵15升温后进入一段热交换器16，与原料液换热后进入产水储槽17，回用于其他工艺。打开第一效膜组件渗漏液排放口c1、第二效膜组件渗漏液排放口c2、第三效膜组件渗漏液排放口c3直至第N效膜组件渗漏液排放口c4，如果有渗漏液，通过各排放口将渗漏液收集至渗漏液储槽20，然后回流到温度调节池1。

由于多效膜蒸馏的运行，调节池1内料液体积逐渐减少，通过控制器控制原料液泵18，不断通过原料液储槽19给温度调节池1补充料液。同时调节池1设置温度自动控制装置，保证温度调节池1内温度恒定，由于原料液经过三级预热后温度升高，如果预热后料液温度已经达到调节池1内要求温度，则不需启动加热器2，如果预热后料液温度达不到调节池1内所需温度，则自动开启加热器2加热至设定温度。

如上所述，本发明的高效的膜蒸馏装置及方法相较于现有技术，确保有足够热量维持系统稳定运行，提高系统热利用率至80％-85％，较现有技术而言，其热利用率能够提高50％-80％，降低系统能耗，提高真空膜蒸馏的实用性。

本发明可以用于水溶液的浓缩处理，也可以应用于果汁浓缩、水溶液中气体分离等其他用途。不但可应用于内压式膜蒸馏，还可应用于外压式膜蒸馏和浸没式真空膜蒸馏。

上述实施例仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效的膜蒸馏方法，包括以下步骤：

将原料液通过一预热装置进行预热；对预热后的原料液进行温度调节，使其温度保持在一预设温度；对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；多效膜蒸馏产生的蒸汽通过对所述预热装置供热而冷凝为产水。

2.如权利要求1所述的高效的膜蒸馏方法，其特征在于，所述预热为三段预热，蒸汽进入一二段热交换器对原料液进行二段预热；二段预热后部分蒸汽冷凝为二段冷凝水，其余蒸汽通过压缩升温后对进入一三段热交换器对原料液进行三段预热；三段预热后所述其余蒸汽冷凝为三段冷凝水；所述二段冷凝水及三段冷凝水通过一液体热泵升温后对原料液进行一段预热。

3.如权利要求1所述的高效的膜蒸馏方法，其特征在于，所述多效膜蒸馏包括，使处于预设温度的原料液通过依次连通的不少于2个膜组件，在前的膜组件的溶液侧的尾端和在后的膜组件的溶液侧的首端依次连通。

4.如权利要求3所述的高效的膜蒸馏方法，其特征在于，所述膜组件中第一个膜组件的溶液侧的首端流入处于预设温度的原料液，最后一个膜组件的溶液侧的尾端流出未蒸发的原料液，回流与进行预热的原料液混合。

5.如权利要求1所述的高效的膜蒸馏方法，其特征在于，还包括：收集多个膜组件的渗漏液回流与进行预热的原料液混合。

6.一种高效的膜蒸馏装置，其特征在于，包括贯穿于原料液流路设置的：

预热装置，用以对原料液进行预热；

一调节池，用以使预热后的原料液保持在一预设温度和保证池内水质均匀；

一多效膜蒸馏系统，用以对处于预设温度的原料液进行多效膜蒸馏；

与所述多效膜蒸馏系统的蒸汽出口连通的一蒸汽流路，所述蒸汽流路与所述预热装置连接，用以对预热装置供热。

7.如权利要求6所述的高效的膜蒸馏装置，其特征在于，所述预热装置包括依次连通的：一二段换热器，一二段冷凝水储槽，一三段换热器，一三段冷凝水储槽；还包括与二段冷凝水储槽及三段冷凝水储槽同时连通的一一段换热器；所述一段换热器、二段换热器及三段换热器依次设置于连通于调节池的原料液流路上。

8.如权利要求6所述的高效的膜蒸馏装置，其特征在于，所述调节池内设置加热装置，用以确保调节池内原料液温度保持在设定范围。

9.如权利要求6所述的高效的膜蒸馏装置，其特征在于，所述多效膜蒸馏系统包括：依次连通的不少于2个膜组件；在前的膜组件的溶液侧的尾端和在后的膜组件的溶液侧的首端依次连通；所述膜组件中第一个膜组件的溶液侧的首端与所述温度调节池连通，最后一个模组件的溶液侧的尾端与所述调节池连通。

10.如权利要求6所述的高效的膜蒸馏装置，其特征在于，还包括与多个膜组件的真空侧的渗漏液排放口连通的一渗漏液储槽；所述渗漏液储槽连通所述调节池。