CN108246106A - 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、多个膜蒸馏组件；每个膜蒸馏组件包括第一换热器和膜蒸馏器，膜蒸馏器的第四出口与其对应第一换热器的第二进口连接，第一换热器的第一进口与其前一个第一换热器的第一出口连接，膜蒸馏器的第三进口与其后一个膜蒸馏器的第三出口连接；第二换热器包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，第二出口通过蒸汽压缩机与第五进口连接，第六进口与处于末端第一换热器的第一出口连接，第六出口与处于末端膜蒸馏器的第三进口连接。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，能源的梯级利用，大大减少了蒸馏工序的能源消耗。
Description
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。膜蒸馏技术有很多优点:1、膜蒸馏过程几乎是在常压下进行，设备简单、操作方便，在技术力量较薄弱的地区也有实现的可能性；2、在非挥发性溶质水溶液的膜蒸馏过程中，因为只有水蒸汽能透过膜孔，所以蒸馏液十分纯净，可望成为大规模、低成本制备超纯水的有效手段；3、该过程可以处理极高浓度的水溶液，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出现膜蒸馏结晶现象，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程；4、膜蒸馏组件很容易设计成潜热回收形式，并具有以高效的小型膜组件构成大规模生产体系的灵活性；5、在该过程中无需把溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当的温差，该过程就可以进行，有可能利用太阳能、地热、温泉、工厂的余热和温热的工业废水等廉价能源。
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，解决现有技术中膜蒸馏工艺热利用率低，工序复杂，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、多个膜蒸馏组件；其中，
每个所述膜蒸馏组件包括第一换热器和膜蒸馏器，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，所述膜蒸馏器包括第三进口、第三出口和第四出口，所述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前一个所述第一换热器的所述第一出口连接，所述膜蒸馏器的所述第三进口与其后一个所述膜蒸馏器的所述第三出口连接，处于首端所述第一换热器的所述第一进口与原料液入口连接，处于首端所述膜蒸馏器的所述第三出口与原料浓缩液出口连接；
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，所述第二出口通过所述蒸汽压缩机与所述第五进口连接，所述第五出口排出冷凝液，所述第六进口与处于末端所述第一换热器的所述第一出口连接，所述第六出口与所述处于末端所述膜蒸馏器的所述第三进口连接。
其中，所述膜蒸馏组件还包括气液分离器，所述气液分离器包括第七进口、第七出口和第八出口，每个所述气液分离器的所述第七进口与其对应所述第一换热器的所述第二出口连接，所述第七出口通过所述蒸汽压缩机与所述第五进口连接，所述第八出口排出冷凝液。
其中，还包括冷凝液罐，所述冷凝液罐分别与所述第五出口和所述第八出口连接，用于收集冷凝液。
其中，还包括溶液混合桶，所述溶液混合桶包括第九进口、第九出口和第十进口，所述第九进口与所述原料液入口连接，所述第九出口与处于首端所述第一换热器的所述第一进口连接，所述第十进口与处于首端所述膜蒸馏器的所述第三出口连接。
其中，所述溶液混合桶内设有加热装置。
其中，还包括第一调节阀，所述第一调节阀设于所述第九进口处。
其中，还包括第二调节阀，所述第二调节阀设于原料浓缩液出口处。
其中，还包括溶液泵，所述溶液泵设于所述第六出口处。
其中，所述蒸汽压缩机为离心压缩机或螺杆压缩机。
其中，所述膜蒸馏组件为三个。
(三)有益效果
本发明提供的一种真空式多效膜蒸馏系统，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，多级换热的方式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，用于降低原料液升温能耗，并将蒸馏膜所产蒸汽压缩后用于加热原料液，使其达到工艺要求。这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行。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、溶液混合桶；2、第一换热器；3、溶液泵；4、膜蒸馏器；5、气液分离器；6、蒸汽压缩机；7、冷凝液罐；8、第二换热器。
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6、第二换热器8、多个膜蒸馏组件；其中，
每个膜蒸馏组件包括第一换热器2和膜蒸馏器4，第一换热器2包括第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，膜蒸馏器4包括第三进口、第三出口和第四出口，膜蒸馏器4的第四出口与其对应第一换热器2的第二进口连接，第一换热器2的第一进口与其前一个第一换热器2的第一出口连接，膜蒸馏器4的第三进口与其后一个膜蒸馏器4的第三出口连接，处于首端第一换热器2的第一进口与原料液入口连接，处于首端膜蒸馏器4的第三出口与原料浓缩液出口连接；
第二换热器8包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，第二出口通过蒸汽压缩机6与第五进口连接，第五出口排出冷凝液，第六进口与处于末端第一换热器2的第一出口连接，第六出口与处于末端膜蒸馏器4的第三进口连接。
值得注意的是，“对应”指的是同一个膜蒸馏组件中的膜蒸馏器4与第一换热器2，“处于首端”是指靠近原料液入口的，“处于末端”是指靠近第二换热器8的。
具体的，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。多个第一换热器2通过第一换热管路串联，形成多级换热。第三进口和第三出口连通成为浓缩管路，多个膜蒸馏器4通过浓缩管路串联，形成多级浓缩，并回收各级产生的蒸汽通入第二换热管路，与各级原料液换热。冷凝后的蒸汽和/或冷凝液经第二换热器8在次与原料液进行换热。
蒸汽压缩机6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4的蒸汽侧提供真空环境，调节真空侧蒸汽量。膜蒸馏器4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2利用膜蒸馏器4排出的蒸汽对原料液进行初次多级预热。第二换热器8利用蒸汽压缩机6排出的高温高压蒸汽对原料液进行升温，使原料液达到工艺要求。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，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，多级换热的方式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，用于降低原料液升温能耗，并将蒸馏膜所产蒸汽压缩后用于加热原料液，使其达到工艺要求。这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行。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，膜蒸馏组件还包括气液分离器5，气液分离器5包括第七进口、第七出口和第八出口，每个气液分离器5的第七进口与其对应第一换热器2的第二出口连接，第七出口通过蒸汽压缩机6与第五进口连接，第八出口排出冷凝液。即第二出口不是与蒸汽压缩机6和第五进口直接连接，而是通过气液分离器5将蒸汽和冷凝液分离，将冷凝液直接排出，蒸汽作为换热介质进入第二换热器。气液分离器5的主要作用是将经过第一换热器2的蒸汽进行气液分离，将冷凝液排出，将未利用的蒸汽与下一效蒸汽汇合用于对第三效原料液加热。
其中，还包括冷凝液罐7，冷凝液罐7分别与第五出口和第八出口连接，用于收集冷凝液。冷凝液罐7收集经气液分离器5分离出的冷凝液和蒸汽经第二换热器8冷凝成的冷凝水。如果冷凝水出口侧若仍含有饱和蒸汽，可以有两种处理方式：①将蒸汽分离出来通入蒸汽压缩机6入口前，对其进行加热；②引入冷水对其进行冷凝。由于此时液体为负压，其后的冷凝水需加水泵排除到外环境。
其中，还包括溶液混合桶1，溶液混合桶1包括第九进口、第九出口和第十进口，第九进口与原料液入口连接，第九出口与处于首端第一换热器2的第一进口连接，第十进口与处于首端膜蒸馏器4的第三出口连接。即原料液入口不是与第一换热器直接连接，而是利用溶液混合桶1将原料液浓缩到特定浓度后在通入第一进口。溶液混合桶1主要作用是将原料液浓缩液回液与原料液进行混合，为将原料液浓缩到特定浓度提供混合容积。优选地，溶液混合桶1内设有加热装置，用于提升原料液的温度。
其中，还包括第一调节阀，第一调节阀设于第九进口处，用于调节原料液的输入量。还包括第二调节阀，第二调节阀设于原料浓缩液出口处，用于调节浓缩后原料液的输出量。
其中，还包括溶液泵3，溶液泵3设于第六出口处，为原料液提供循环动力。
其中，蒸汽压缩机6为离心压缩机或螺杆压缩机。
如图1所示，本实施例的膜蒸馏组件为三个，即经过三个第一换热器2换热以及三个膜蒸馏器4浓缩，以实现较好的浓缩效果和热量利用率。
本发明提供的一种真空式多效膜蒸馏系统，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，多级换热的方式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，用于降低原料液升温能耗，并将蒸馏膜所产蒸汽压缩后用于加热原料液，使其达到工艺要求。这种方式可以使蒸馏过程灵活，持续，稳定进行。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(6)、第二换热器(8)、多个膜蒸馏组件；其中，
每个所述膜蒸馏组件包括第一换热器(2)和膜蒸馏器(4)，所述第一换热器(2)包括第一进口、第一出口、第二进口和第二出口，所述膜蒸馏器(4)包括第三进口、第三出口和第四出口，所述膜蒸馏器(4)的所述第四出口与其对应所述第一换热器(2)的所述第二进口连接，所述第一换热器(2)的所述第一进口与其前一个所述第一换热器(2)的所述第一出口连接，所述膜蒸馏器(4)的所述第三进口与其后一个所述膜蒸馏器(4)的所述第三出口连接，处于首端所述第一换热器(2)的所述第一进口与原料液入口连接，处于首端所述膜蒸馏器(4)的所述第三出口与原料浓缩液出口连接；
所述第二换热器(8)包括第五进口、第五出口、第六进口和第六出口，所述第二出口通过所述蒸汽压缩机(6)与所述第五进口连接，所述第五出口排出冷凝液，所述第六进口与处于末端所述第一换热器(2)的所述第一出口连接，所述第六出口与所述处于末端所述膜蒸馏器(4)的所述第三进口连接。
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气液分离器(5)，所述气液分离器(5)包括第七进口、第七出口和第八出口，每个所述气液分离器(5)的所述第七进口与其对应所述第一换热器(2)的所述第二出口连接，所述第七出口通过所述蒸汽压缩机(6)与所述第五进口连接，所述第八出口排出冷凝液。
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，还包括冷凝液罐(7)，所述冷凝液罐(7)分别与所述第五出口和所述第八出口连接，用于收集冷凝液。
4.如权利要求1所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括溶液混合桶(1)，所述溶液混合桶(1)包括第九进口、第九出口和第十进口，所述第九进口与所述原料液入口连接，所述第九出口与处于首端所述第一换热器(2)的所述第一进口连接，所述第十进口与处于首端所述膜蒸馏器(4)的所述第三出口连接。
5.如权利要求4所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，所述溶液混合桶(1)内设有加热装置。
6.如权利要求4所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括第一调节阀，所述第一调节阀设于所述第九进口处。
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，还包括第二调节阀，所述第二调节阀设于原料浓缩液出口处。
8.如权利要求1所述的真空式多效膜蒸馏系统，其特征在于，还包括溶液泵(3)，所述溶液泵(3)设于所述第六出口处。
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(6)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，所述膜蒸馏组件为三个。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109647208A (zh) * | 2019-02-02 | 2019-04-19 | 自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所 | 一种节能膜蒸馏海水淡化系统 |
| CN111111451A (zh) * | 2020-01-17 | 2020-05-08 | 吕剑阳 | 一种减压多效膜蒸馏方法及其装置 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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