CN106336058A - 一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，包括多级闪蒸单元和供液单元，所述供液单元包括：正渗透膜组件，通过渗透压差汲取海水中的水分；汲取液泵，将正渗透膜组件中的稀汲取液泵入多级闪蒸单元中提取淡水；所述多级闪蒸单元的出口与正渗透膜组件连接以将浓汲取液送回正渗透膜组件内；本发明的海水淡化系统具有淡水产率上升、使用寿命延长、更加环保、节约功耗等优点。

Description

一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统

技术领域

本发明涉及海水淡化技术领域，特别涉及一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统。

背景技术

海水淡化是解决淡水危机的一种有效途径。目前应用较广的海水淡化技术有蒸馏法和反渗透法。其中蒸馏法主要以低温多效和多级闪蒸为主。反渗透法可以在工业中生产大规模的淡水，但是存在能耗大、水回收率低和浓盐废水难以处理等问题。

正渗透(FO)作为一种新兴的膜分离技术，利用膜两侧的渗透压差来实现水自发传递的过程，即水从较高水化学势区域(低渗透压侧)自发地扩散到较低水化学势区域(高渗透压侧)。相比于其他压力驱动膜分离过程，正渗透具有低能耗、低污染和高回收率等优点。

正渗透过程实现的关键是需要一种高通量且可循环使用的驱动液，而多级闪蒸作为蒸馏法中一种可靠性高、易于大型化的技术，得到的浓盐废水含盐量高，渗透压高，完全可以满足正渗透过程的需要。

一方面，将正渗透装置用于海水淡化的技术目前已有研究。其中公开号为CN101973604 A的专利文献提供了一种正渗透海水淡化装置，在该装置中海水和磁性汲取液进入正渗透膜组件产生传质，汲取液被稀释后进入汲取液回收装置。在汲取液回收装置中的层状电磁分离设备的磁力作用下，淡水从汲取液中分离出来。上述系统的局限性在于汲取液回收装置中汲取液的再生处理较为复杂，能耗较高。

另一方面，利用多级闪蒸技术进行海水淡化已经在工业中的得到广泛应用。例如公开号为CN 105329963 A的专利文献提出了一种多真空室超重力常温多级闪蒸海水淡化系统，一台超重力机工作带动多个真空室旋转产生多种不同的真空环境，海水进入闪蒸室上部冷凝区域进行预热，再通过太阳能加热器加热，然后进入闪蒸室下部进行闪蒸。其局限性在于，依然未能解决闪蒸后浓盐废水处理问题，以及因结垢限制闪蒸后的汲取液浓度不能过高，从而降低产水率的问题。

综上所述，在海水淡化工艺中，正渗透技术和多级闪蒸技术都存在各自的优缺点，如果将两者耦合，不仅可以解决正渗透过程所需驱动液的问题，同时也可以解决多级闪蒸浓盐废水的处理问题，最大限度的降低废水的排放量，具有重要环保意义。

发明内容

本发明提供了一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，能有效提高产水率，减少环境污染以及降低能耗。

一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，包括多级闪蒸单元和供液单元，所述供液单元包括：

正渗透膜组件，通过渗透压差汲取海水中的水分；

汲取液泵，将正渗透膜组件中的稀汲取液泵入多级闪蒸单元中提取淡水；

所述多级闪蒸单元的出口与正渗透膜组件连接以将浓汲取液送回正渗透膜组件内。

汲取液为本系统的循环溶液，可以采用干净的NaCl溶液。

为了提高淡化效率，对稀汲取液进行预热，优选的，所述多级闪蒸单元包括多个闪蒸室以及溶液加热器，每级闪蒸室包括：

上层闪蒸室；

冷凝水换热器，安装在上层闪蒸室内冷凝水蒸气；

集水盘，位于冷凝水换热器下方收集冷凝淡水；

预热管，安装在上层闪蒸室内，每级闪蒸室的预热管依次相连，第一级的预热管入口连接所述汲取液泵的出液口，最末级的预热管出口连接溶液加热器的入口；

下层闪蒸室，每级闪蒸室的下层闪蒸室依次相连，最末级的下层闪蒸室的入口连接溶液加热器的出口，第一级的下层闪蒸室出口连接所述正渗透膜组件的入口；

丝网除沫层，分隔所述上层闪蒸室和下层闪蒸室，用于过滤下层闪蒸室内的汲取液蒸发上升的水蒸气。

工作时，正渗透膜组件浸没于海水中，高浓度汲取液通过正渗透膜组件从海水中汲取水分，稀释后得到的低浓度汲取液(稀汲取液)经汲取液泵流回上层闪蒸室。在上层闪蒸室中，低浓度汲取液被从第一级闪蒸室开始，逐级被水蒸汽预热，再流入溶液加热器，经过加热的低浓度汲取液首先流入末级的下层闪蒸室，此时低浓度汲取液因其温度高于闪蒸室压力所对应的饱和温度而得以蒸发，浓度升高。然后汲取液依次流入压力更低的下一级下层闪蒸室(与预热管中的稀汲取液流动方向正好相反)，继续蒸发，最后得到高浓度汲取液，流回正渗透膜组件进行下一次循环。

为了兼顾效率和制造成本，优选的，所述多级闪蒸单元设有三个闪蒸室。

本发明适用于航行中的船舶，为了减少能耗，优选的，所述溶液加热器采用船舶的缸套水换热器。在船舶运动过程中，自然地将通过正渗透膜组件余留的浓海水散布在大海中，不需要额外的动力，且对环境不会造成危害。

为了提高淡化效率，优选的，所述正渗透膜组件包括：

多根正渗透膜丝，相互平行布置形成柱体；

多块孔板，所述正渗透膜丝穿过每块孔板以使所有正渗透膜丝相互间隔布置；

两个端盖，固定在多根正渗透膜丝的两端，用于集中所有正渗透膜丝的出液口或进液口，所述端盖上设有通孔；

多根支柱，穿过孔板和端盖的法兰边用于使所述正渗透膜丝平直。

上述结构的正渗透膜组件渗透面积大，有效减小该部件的体积，有利于小型化。

本发明将正渗透与多级闪蒸相结合，设计了一种新型的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，不仅解决了正渗透过程所需驱动液的问题，也解决了多级闪蒸浓盐废水的处理问题，最大限度的降低废水的排放量，具有重要环保意义。

本发明的有益效果：

1)产水率上升。现有技术中因海水中离子成分复杂且含有大量杂质污垢，在闪蒸系统中为避免传热管结垢带来的传热传质性能下降以及腐蚀等问题，浓度只能从3.5％蒸到6％～7％，产水率大概为50％；而本发明直接蒸馏干净的汲取液，不存在结垢问题，浓度可以从5％蒸到20％，产水率可提升至80％。

2)更加环保。现有技术的闪蒸系统中待排放的浓海水需进行处理或者通过机械方式均匀散布在大海中；而本系统在船舶运动过程中，自然地将通过正渗透膜组件余留的浓海水散布在大海中，不需要额外的动力，且对环境不会造成危害。

3)正渗透与闪蒸耦合。本系统将正渗透技术和多级闪蒸技术结合，一方面利用闪蒸过程使汲取液中水分及时蒸发，从而维持正渗透膜组件内外的浓度差，使汲取液的汲水能力始终维持在较高的水平；另一方面正渗透过程依靠浓度差自动汲水，与现在常用的反渗透过程相比，节约功耗。

附图说明

图1为本发明的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统的结构示意图。

图2为本发明的正渗透膜组件的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。作为优选实施例，本发明可用于远洋船舶上淡水的获取。

如图1和2所示，系统主要由供液单元和多级闪蒸单元组成。多级闪蒸单元由辅助冷凝水换热器101和三级闪蒸室组成，每级闪蒸室包括：上层闪蒸室102、集水盘103、丝网除沫器104、缸套水换热器105和下层闪蒸室106。供液单元由汲取液泵107和正渗透膜组件108组成。

正渗透膜组件108包括：多根正渗透膜丝202，相互平行布置形成柱体；三块孔板203，正渗透膜丝202穿过每块孔板203以使所有正渗透膜丝202相互间隔布置；两个端盖204，固定在正渗透膜丝202的两端，用于集中所有正渗透膜丝202的出液口或进液口，端盖204上设有通孔作为进出液口；四根支柱201，穿过孔板203和端盖204的法兰边用于使正渗透膜丝202平直。

本实施例的具体工作原理如下：

1)正渗透膜组件108利用水化学势差实现自动汲水功能。

供液单元核心部件为一膜组件，其中膜为水通透性好而截留率高的正渗透膜(FO)。工作时将正渗透膜组件108置于海水中，使正渗透膜丝202管外壁与海水直接接触，汲取液分别以两端盖204中心的通孔为进出口通道，均匀地从正渗透膜丝202管内流过。此时正渗透膜丝202管内汲取液浓度高于管外海水浓度，两者产生的渗透压差使海水中的水通过管壁不断地被汲取到管内，稀释汲取液。

2)多级闪蒸过程生产淡水，同时实现汲取液再生。

从正渗透膜组件108流出的低浓度溶液通过汲取液泵107流入上层闪蒸室102。在上层闪蒸室102中，低浓度汲取液被蒸汽预热，再流入缸套水换热器105，经缸套水换热器105的水加热的低浓度汲取液流入下层闪蒸室106，此时低浓度汲取液因其温度高于闪蒸室压力所对应的饱和温度而得以蒸发，浓度升高。然后汲取液依次流入压力更低的下一级闪蒸室，继续蒸发，最后得到高浓度汲取液，流回正渗透膜组件108进行下一次循环。

而下层闪蒸室106产生的蒸汽上升，经丝网除沫器104除去盐水和泡沫后进入上层闪蒸室102实现冷凝。其中一部分蒸汽因预热了低浓度汲取液而得以冷却，大部分被辅助冷凝水冷凝，冷凝后的淡水由上层底部的集水盘103收集并排出。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，包括多级闪蒸单元和供液单元，其特征在于，所述供液单元包括：

正渗透膜组件，通过渗透压差汲取海水中的水分；

汲取液泵，将正渗透膜组件中的稀汲取液泵入多级闪蒸单元中提取淡水；

所述多级闪蒸单元的出口与正渗透膜组件连接以将浓汲取液送回正渗透膜组件内。

2.如权利要求1所述的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，其特征在于，所述多级闪蒸单元包括多个闪蒸室以及溶液加热器，每级闪蒸室包括：

上层闪蒸室；

冷凝水换热器，安装在上层闪蒸室内冷凝水蒸气；

集水盘，位于冷凝水换热器下方收集冷凝淡水；

预热管，安装在上层闪蒸室内，每级闪蒸室的预热管依次相连，第一级的预热管入口连接所述汲取液泵的出液口，最末级的预热管出口连接溶液加热器的入口；

下层闪蒸室，每级闪蒸室的下层闪蒸室依次相连，最末级的下层闪蒸室的入口连接溶液加热器的出口，第一级的下层闪蒸室出口连接所述正渗透膜组件的入口；

丝网除沫层，分隔所述上层闪蒸室和下层闪蒸室，用于过滤下层闪蒸室内的汲取液蒸发上升的水蒸气。

3.如权利要求2所述的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，其特征在于，所述多级闪蒸单元设有三个闪蒸室。

4.如权利要求1所述的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，其特征在于，所述溶液加热器采用船舶的缸套水换热器。

5.如权利要求1所述的正渗透与多级闪蒸耦合的海水淡化系统，其特征在于，所述正渗透膜组件包括：

多根正渗透膜丝，相互平行布置形成柱体；

多块孔板，所述正渗透膜丝穿过每块孔板以使所有正渗透膜丝相互间隔布置；

两个端盖，固定在多根正渗透膜丝的两端，用于集中所有正渗透膜丝的出液口或进液口，所述端盖上设有通孔；

多根支柱，穿过孔板和端盖的法兰边用于使所述正渗透膜丝平直。