CN108176231A - 一种真空式多效膜蒸馏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及膜蒸馏技术领域，公开了一种真空式多效膜蒸馏系统，包括：蒸汽压缩机、第二换热器、第三换热器、第二膜蒸馏器和多个膜蒸馏组件；膜蒸馏组件包括第一换热器和第一膜蒸馏器，其利用膜蒸馏器与蒸汽压缩机相结合的方式对原料液进行浓缩，其利用多级换热的方式将第一膜蒸馏器产生的蒸汽压缩后用于预热原料液，并且依靠回收前效蒸汽的显热和潜热来对下一效原料液进行升温加热，用于补充料液蒸发的能耗。本发明克服传统的膜蒸馏过程热利用率低，蒸馏工序复杂，能耗较大等问题，充分考虑了能源的梯级利用，大大减少了蒸馏工序的能源消耗，很好的起到了节能减排的效果。

Description

一种真空式多效膜蒸馏系统
技术领域
本发明涉及膜蒸馏技术领域，特别是涉及一种真空式多效膜蒸馏系统。
背景技术
膜蒸馏(membrane distillation，MD)技术的研究与应用始于20世纪60年代，直到80年代初，伴随高分子材料和膜制备工艺技术的迅速发展，膜蒸馏才显示出其实用潜力。根据膜透过侧冷凝方式的不同，膜蒸馏可以分为直接接触式膜蒸馏(DCMD)、真空膜蒸馏(VMD)、气隙式膜蒸馏(AGMD)和气扫式膜蒸馏(SGMD)4种形式。现已逐渐从海水及苦咸水淡化等净水研究，扩展到化学物质及热敏性物质的浓缩和回收、水溶液中挥发性溶质的脱除和回收、废水处理等诸多领域，目前在茶叶提取液的浓缩、大豆分离蛋白、果汁浓缩、牛初乳、氨基酸的制备、部分原料液的浓缩等方面都有一定的应用，还包括不同体系的传质、传热等机理方面的研究。
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。在膜蒸馏过程中，蒸发水分必然会消耗大量的工业蒸汽或电能，每蒸发1kg的水分就需要消耗1kg多的加热蒸汽或多于0.628kW·h的电能。其机理是当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于热侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从热侧进入冷侧而冷凝从而实现浓缩。该过程与常规蒸馏中的蒸发、传质、冷凝过程十分相似，所以称其为膜蒸馏过程。它具有四个主要特点：一是膜为疏水微孔膜，不能被所处理的液体润湿，只有蒸汽能通过膜孔；二是膜至少有一面与所处理的液体接触，膜孔内没有毛细管冷凝现象发生；三是膜不能改变所处理液体中所有组分的气液平衡；四是膜过程的推动力是该组分在气相中的分压差。
但目前的膜蒸馏工艺热利用率低，工序复杂，能耗较大，不符合当今节能减排的时代背景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种真空式多效膜蒸馏系统，解决现有技术中真空式膜蒸馏工艺系统工艺复杂和能耗较大的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种真空式多效膜蒸馏系统，包括：蒸汽压缩机、第二换热器、第三换热器、第二膜蒸馏器和多个膜蒸馏组件；
每个所述膜蒸馏组件包括第一换热器和第一膜蒸馏器，所述第一换热器包括第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述第一膜蒸馏器包括第三进口、第三出口和第四出口，所述第一膜蒸馏器的所述第四出口与其对应所述第一换热器的所述第二进口连接，所述第一换热器的所述第一进口与其后一个所述第一膜蒸馏器的所述第三出口连接，所述第一换热器的所述第一出口与其后一个所述第一膜蒸馏器的所述第三进口连接，所述第一换热器的所述第二出口与其后一个所述第一换热器的所述第二进口连接；
所述第二换热器包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，所述第五进口与原料液进口连接，所述第六出口与冷凝液出口连接；
所述第三换热器包括第七进口、第七出口、第八进口和第八出口，所述第七进口与所述第五出口连接，所述第八出口与所述第六进口连接，所述第七出口与处于首端所述第一膜蒸馏器的所述第三进口连接；
所述第二膜蒸馏器包括第九进口、第九出口和第十出口，所述第九进口与处于末端所述第一换热器的所述第一出口连接，所述第九出口与处于末端所述第一换热器的所述第一进口连接；
所述第十出口与处于末端所述第一换热器的所述第二出口均通过所述蒸汽压缩机与所述第八进口连接。
其中，所述膜蒸馏组件还包括第一气液分离器，所述气液分离器包括第十一进口、第十一出口和第十二出口，所述气液分离器的所述第十一进口与其对应所述第一换热器的所述第二出口连接，所述第十一出口与其后一个所述第一换热器的所述第二进口连接，处于末端所述气液分离器的所述十一出口通过所述蒸汽压缩机与所述第八进口连接，所述第十二出口与所述冷凝液出口连接。
其中，所述膜蒸馏组件还包括第二溶液泵，所述第二溶液泵设于所述第一进口处。
其中，所述膜蒸馏组件还包括第二料液罐，所述第二料液罐一端与所述第二溶液泵连接，另一端与其对应所述第一膜蒸馏器的所述第三出口连接。
其中，还包括第二气液分离器，所述气液分离器包括第十三进口、第十三出口和第十四出口，所述第十三进口分别与处于末端所述气液分离器的所述十一出口和所述第十出口连接，所述第十四出口与所述冷凝液出口连接。
其中，还包括第一溶液泵，所述第一溶液泵设于所述第七出口处。
其中，还包括第一料液罐，所述第一料液罐包括第十五进口、第十五出口和第十六进口，所述第十五进口与处于首端所述第一膜蒸馏器的所述第三出口连接，所述第十五出口与所述第七进口连接，所述第十六进口与所述第五出口连接。
其中，所述第一料液罐和所述第二料液罐均设有加热装置。
其中，所述蒸汽压缩机为离心压缩机或螺杆压缩机。
其中，所述膜蒸馏组件为两个。
(三)有益效果
本发明提供的一种真空式多效膜蒸馏系统，其利用膜蒸馏器与蒸汽压缩机相结合的方式对原料液进行浓缩，其利用多级换热的方式将压缩后的蒸汽用于预热原料液，并且依靠回收前效蒸汽的显热和潜热来对下一效原料液进行升温加热，用于补充料液蒸发的能耗，这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行，而且可以将不同原料液进行灵活搭配。本发明克服传统的膜蒸馏过程热利用率低，蒸馏工序复杂，能耗较大等问题，充分考虑了能源的梯级利用，大大减少了蒸馏工序的能源消耗，很好的起到了节能减排的效果。
附图说明
图1为本发明一种真空式多效膜蒸馏系统的结构示意图。
图中，1、蒸汽压缩机；2、第二换热器；3、第三换热器；4、第一换热器；5、第一膜蒸馏器；6、第二膜蒸馏器；7、第一气液分离器；8、第二溶液泵；9、第二料液罐；10、第二气液分离器；11、第一溶液泵；12、第一料液罐；13、冷凝液罐。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明公开一种真空式多效膜蒸馏系统，包括：蒸汽压缩机1、第二换热器2、第三换热器3、第二膜蒸馏器6和多个膜蒸馏组件；
每个所述膜蒸馏组件包括第一换热器4和第一膜蒸馏器5，所述第一换热器4包括第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述第一膜蒸馏器5包括第三进口、第三出口和第四出口，所述第一膜蒸馏器5的所述第四出口与其对应所述第一换热器4的所述第二进口连接，所述第一换热器4的所述第一进口与其后一个所述第一膜蒸馏器5的所述第三出口连接，所述第一换热器4的所述第一出口与其后一个所述第一膜蒸馏器5的所述第三进口连接，所述第一换热器4的所述第二出口与其后一个所述第一换热器4的所述第二进口连接；
所述第二换热器2包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，所述第五进口与原料液进口连接，所述第六出口与冷凝液出口连接；
所述第三换热器3包括第七进口、第七出口、第八进口和第八出口，所述第七进口与所述第五出口连接，所述第八出口与所述第六进口连接，所述第七出口与处于首端所述第一膜蒸馏器5的所述第三进口连接；
所述第二膜蒸馏器6包括第九进口、第九出口和第十出口，所述第九进口与处于末端所述第一换热器4的所述第一出口连接，所述第九出口与处于末端所述第一换热器4的所述第一进口连接；
所述第十出口与处于末端所述第一换热器4的所述第二出口均通过所述蒸汽压缩机1与所述第八进口连接。
值得注意的是，“对应”指的是同一个膜蒸馏组件中的对应装置，“处于首端”是指靠近原料液入口的，“处于末端”是指靠近冷凝液出口的。
具体的，第五进口和第五出口连通成为第五换热管路、第六进口和第六出口连通成为第六换热管路，第五换热管路与第六换热管路换热，利用高温气液两相流对原料液进行初次预热。第七进口和第七出口连通成为第七换热管路，第八进口和第八出口连通成为第八换热管路，第七换热管路和第八换热管路换热，利用高温高压蒸汽对原料液进行二次预热。第一进口和第一出口连通成为第一换热管路，第二进口和第二出口连通成为第二换热管路，第一换热管路和第二换热管路换热，利用前效蒸汽的显热和潜热来对下一效原料液进行升温加热，用于补充料液蒸发的能耗。多个第一膜蒸馏器5和第二膜蒸馏器6可实现多级浓缩，第一膜蒸馏器5产生的蒸汽通入第二换热管路，与各级原料液换热
蒸汽压缩机1可将低温低压蒸汽压缩成高温高压蒸汽，用来为原料液升温，其还可以为膜蒸馏器的蒸汽侧提供真空环境，调节真空侧蒸汽量。利用蒸汽压缩机1、第二换热器2和第三换热器3进行初次预热和二次预热。膜蒸馏器其内部包含蒸馏膜，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。其机理是当不同温度的水溶液被疏水微孔膜分隔开时，由于膜的疏水性，两侧的水溶液均不能透过膜孔进入另一侧，但由于热侧水溶液与膜界面的水蒸汽压高于冷侧，水蒸汽就会透过膜孔从热侧进入冷侧而冷凝从而实现浓缩。多个膜蒸馏组件中的第一换热器4利用膜蒸馏器排出的蒸汽对原料液进行多级加热。根据不同的实际需要和工艺要求可选用不同数量的膜蒸馏组件。
本发明提供的一种真空式多效膜蒸馏系统，其利用膜蒸馏器与蒸汽压缩机相结合的方式对原料液进行浓缩，其利用多级换热的方式将压缩后的蒸汽用于预热原料液，并且依靠回收前效蒸汽的显热和潜热来对下一效原料液进行升温加热，用于补充料液蒸发的能耗，这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行，而且可以将不同原料液进行灵活搭配。本发明克服传统的膜蒸馏过程热利用率低，蒸馏工序复杂，能耗较大等问题，充分考虑了能源的梯级利用，大大减少了蒸馏工序的能源消耗，很好的起到了节能减排的效果。
其中，所述膜蒸馏组件还包括第一气液分离器7，所述气液分离器包括第十一进口、第十一出口和第十二出口，所述气液分离器的所述第十一进口与其对应所述第一换热器4的所述第二出口连接，所述第十一出口与其后一个所述第一换热器4的所述第二进口连接，处于末端所述气液分离器的所述十一出口通过所述蒸汽压缩机1与所述第八进口连接，所述第十二出口与所述冷凝液出口连接。本实施例第二出口排出的蒸汽和\或冷凝水不是直接与蒸汽压缩机1连接，而是利用第一气液分离器7将冷凝水和蒸汽分离后，蒸汽通过蒸汽压缩机1压缩成为高温高压的蒸汽，通过第二换热器2和第三换热器3给原料液换热，而冷凝水则直接排出。
优选地，所述膜蒸馏组件还包括第二溶液泵8，所述第二溶液泵8设于所述第一进口处，用于给膜蒸馏组件内的原料液提供循环动力。
优选地，所述膜蒸馏组件还包括第二料液罐9，所述第二料液罐9一端与所述第二溶液泵8连接，另一端与其对应所述第一膜蒸馏器5的所述第三出口连接。第二料液罐9内料液浓度随着过程的推进不断上升。浓度达到要求后，另行更换料液，具有调节浓度的功能。
其中，还包括第二气液分离器10，所述气液分离器包括第十三进口、第十三出口和第十四出口，所述第十三进口分别与处于末端所述气液分离器的所述十一出口和所述第十出口连接，所述第十四出口与所述冷凝液出口连接。本实施例的蒸汽不是与蒸汽压缩机1直接连接，第二气液分离器10接收第二膜蒸馏器6的蒸汽和/冷凝水，并分离冷凝水从冷凝水出口排出，蒸汽则通入蒸汽压缩机1压缩成高压高温的蒸汽后供第二换热器2和第三换热器3换热使用。
优选地，在冷凝液出口处设置冷凝液罐13，回收及储存冷凝液。
还包括第一溶液泵11，所述第一溶液泵11设于所述第七出口处，用于给即将进入第一膜蒸馏器5的原料液提供循环动力。
还包括第一料液罐12，所述第一料液罐12包括第十五进口、第十五出口和第十六进口，所述第十五进口与处于首端所述第一膜蒸馏器5的所述第三出口连接，所述第十五出口与所述第七进口连接，所述第十六进口与所述第五出口连接。其主要作用是将原料液浓缩液回液与原料液进行混合，为是水提液浓缩到特定浓度提供混合容积。本实施例第二换热器2的原料液不是与第三换热器3直接连接，而是利用溶液混合桶将原料液浓缩到特定浓度后再通入第三换热器3换热。
优选地，所述第一料液罐12和所述第二料液罐9均设有加热装置，来提升系统开启时原料液的温度。
其中，所述蒸汽压缩机1为离心压缩机或螺杆压缩机。
如图1所示，本实施例膜蒸馏组件为两个。
本发明提供的一种真空式多效膜蒸馏系统，其利用膜蒸馏器与蒸汽压缩机相结合的方式对原料液进行浓缩，其利用多级换热的方式将压缩后的蒸汽用于预热原料液，并且依靠回收前效蒸汽的显热和潜热来对下一效原料液进行升温加热，用于补充料液蒸发的能耗，这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行，而且可以将不同原料液进行灵活搭配。本发明克服传统的膜蒸馏过程热利用率低，蒸馏工序复杂，能耗较大等问题，充分考虑了能源的梯级利用，大大减少了蒸馏工序的能源消耗，很好的起到了节能减排的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，包括：蒸汽压缩机(1)、第二换热器(2)、第三换热器(3)、第二膜蒸馏器(6)和多个膜蒸馏组件；
每个所述膜蒸馏组件包括第一换热器(4)和第一膜蒸馏器(5)，所述第一换热器(4)包括第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述第一膜蒸馏器(5)包括第三进口、第三出口和第四出口，所述第一膜蒸馏器(5)的所述第四出口与其对应所述第一换热器(4)的所述第二进口连接，所述第一换热器(4)的所述第一进口与其后一个所述第一膜蒸馏器(5)的所述第三出口连接，所述第一换热器(4)的所述第一出口与其后一个所述第一膜蒸馏器(5)的所述第三进口连接，所述第一换热器(4)的所述第二出口与其后一个所述第一换热器(4)的所述第二进口连接；
所述第二换热器(2)包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，所述第五进口与原料液进口连接，所述第六出口与冷凝液出口连接；
所述第三换热器(3)包括第七进口、第七出口、第八进口和第八出口，所述第七进口与所述第五出口连接，所述第八出口与所述第六进口连接，所述第七出口与处于首端所述第一膜蒸馏器(5)的所述第三进口连接；
所述第二膜蒸馏器(6)包括第九进口、第九出口和第十出口，所述第九进口与处于末端所述第一换热器(4)的所述第一出口连接，所述第九出口与处于末端所述第一换热器(4)的所述第一进口连接；
所述第十出口与处于末端所述第一换热器(4)的所述第二出口均通过所述蒸汽压缩机(1)与所述第八进口连接。
2.如权利要求1所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件还包括第一气液分离器(7)，所述气液分离器包括第十一进口、第十一出口和第十二出口，所述气液分离器的所述第十一进口与其对应所述第一换热器(4)的所述第二出口连接，所述第十一出口与其后一个所述第一换热器(4)的所述第二进口连接，处于末端所述气液分离器的所述十一出口通过所述蒸汽压缩机(1)与所述第八进口连接，所述第十二出口与所述冷凝液出口连接。
3.如权利要求2所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件还包括第二溶液泵(8)，所述第二溶液泵(8)设于所述第一进口处。
4.如权利要求3所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件还包括第二料液罐(9)，所述第二料液罐(9)一端与所述第二溶液泵(8)连接，另一端与其对应所述第一膜蒸馏器(5)的所述第三出口连接。
5.如权利要求2所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括第二气液分离器(10)，所述气液分离器包括第十三进口、第十三出口和第十四出口，所述第十三进口分别与处于末端所述气液分离器的所述十一出口和所述第十出口连接，所述第十四出口与所述冷凝液出口连接。
6.如权利要求1所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括第一溶液泵(11)，所述第一溶液泵(11)设于所述第七出口处。
7.如权利要求4所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括第一料液罐(12)，所述第一料液罐(12)包括第十五进口、第十五出口和第十六进口，所述第十五进口与处于首端所述第一膜蒸馏器(5)的所述第三出口连接，所述第十五出口与所述第七进口连接，所述第十六进口与所述第五出口连接。
8.如权利要求7所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述第一料液罐(12)和所述第二料液罐(9)均设有加热装置。
9.如权利要求1所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述蒸汽压缩机(1)为离心压缩机或螺杆压缩机。
10.如权利要求1-9中任意一项所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件为两个。
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