CN108636121A - 一种膜蒸馏耦合mvr浓缩强腐蚀性溶液系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统及方法，属于膜分离技术领域。该系统结构特征在于：经预热的强腐蚀性溶液由循环泵加压进入减压膜组件壳程，中空纤维膜管外侧表面附近蒸发的蒸汽在膜两侧蒸汽压差的驱动下透过膜到达膜管内侧，自膜管顶端出口进入膜分离器分离净化，再进入蒸汽压缩机升温加压，压缩之后的蒸汽进入换热器对来自膜组件上部出口的浓缩液释放潜热，最终冷凝成为饱和液态水进入凝水罐收集，吸收热量的浓缩液返回原料罐继续循环浓缩，整个过程所需的真空环境由真空泵和压缩机共同维持。该发明具有耐腐蚀性强、能耗低和分离效率高等特点，适用于化工、钢铁等行业强腐蚀性溶液的高效回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统及方法，属于膜分离技术领域。
背景技术
在石油化工、环境化工以及化工浓缩等领域都涉及溶液废水的回收利用问题，尤其是强腐蚀性溶液的蒸馏浓缩备受关注。作为高能耗的蒸馏分离过程，高纯分离是大型工业生产所追求的目标，因此，实现高纯分离的同时降低能耗将成为学者和工程界的研究方向。目前，膜蒸馏和热蒸馏是最具有竞争力的两种浓缩处理方式。膜蒸馏是以疏水微孔膜两侧的蒸气压差作为推动力，将溶液中的水蒸气分子进行分离，可以实现多种盐溶液以及盐酸、硫酸等强腐蚀性溶液的浓缩，操作条件温和，具有较高的分离效率，但是其热效率较低，蒸馏产生的蒸气潜热未被回收利用从而造成大量的能量损失，这也是膜蒸馏还未完全实现工业化的重要因素。与常规的热蒸馏相比，机械蒸汽再压缩（MVR）是利用蒸汽压缩机将低温位蒸汽进行压缩增温增压，提高焓值，然后再将其作为热源加热原料液，充分回收利用了二次蒸汽潜热，是一种高效的节能技术。但是现有的MVR技术主要应用于海水淡化、高盐度废水处理以及乳液浓缩等方面，针对强腐蚀性溶液的浓缩还研究较少。
发明专利CN102688706A公开了一种稀硫酸膜蒸馏浓缩装置及浓缩方法，该装置包括膜组件、加热器、冷却器、进料罐以及出水罐等设备，通过利用直接接触膜蒸馏装置可以将稀硫酸溶液浓缩至40-70%，然而蒸馏过程中需要的热源均由恒温加热器进行提供，且过程中产生的水蒸气透过膜孔后直接冷凝，蒸汽潜热未被有效利用，故整个蒸馏过程能耗较大，增加了系统的运行成本。
发明专利CN106669207A公开了一种高盐废水的机械蒸汽再压缩蒸发结晶系统及方法，该系统包括原料罐、预热器、蒸发器、气液分离器、蒸汽压缩机、冷凝液罐以及循环泵等设备，通过该方法对高盐废水进行了浓缩处理，充分利用了二次蒸汽潜热，从而降低了系统的能耗。事实上，在稀盐酸和稀硫酸的实际浓缩过程中，蒸发产生的水蒸气中会掺杂盐酸和硫酸分子而形成酸雾，通过常规的气液分离器无法将它们完全分离，这将会腐蚀MVR关键设备蒸汽压缩机，致使昂贵精密的蒸汽压缩机直接报废，显然，上述的MVR系统并不适应盐酸、硫酸等强腐蚀性溶液的浓缩，因此限制了它的推广应用。
若能将膜蒸馏结合MVR技术应用于强腐蚀性溶液的浓缩提纯，不仅能提高蒸馏分离效率，还可以回收利用蒸汽潜热，降低系统能耗，然而，如何耦合膜蒸馏与MVR技术并能有效降低系统的腐蚀性将是研究的难点。
发明内容
本发明提出一种能耗低、分离效率高的膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统及方法。
一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统，其特征在于：包括原料罐、电加热装置、第一控制阀至第二十控制阀、第一循环泵、凹槽、液位计、中空纤维膜管、减压膜组件、第一膜再生罐、第二膜再生罐、第一膜再生工质、第二膜再生工质、第一膜分离器、第二膜分离器、蒸汽压缩机、换热器、凝水罐、真空泵、第三膜分离器、第四膜分离器、第二循环泵；
其中减压膜组件设有原料液进口、浓缩液出口和蒸汽出口，其内部结构为壳程式，由多根中空纤维膜管构成，膜管均采用聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维疏水微孔膜，孔径为0.2-0.4μm，膜管底端设有凹槽，用以收集膜管内部分冷凝液，凹槽设有液位显示计；
其中第一膜分离器和第二膜分离器中的膜材料均具有耐腐蚀性，膜的孔径小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径，且大于水蒸气分子直径，确保水蒸气分子能通过膜孔，溶质分子完全被截留；第三膜分离器和第四膜分离器中的膜材料也具有耐腐蚀性，膜的孔径小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径，且大于液态水分子直径，确保液态水分子能通过膜孔，溶质分子完全被截留；
其中原料罐的出口与第一循环泵进口相连，第一循环泵的出口与减压膜组件第一侧下部进口相连，减压膜组件顶端蒸汽出口分为两路，一路经第五控制阀与第一膜分离器进口相连，另一路经第六控制阀与第二膜分离器进口相连，第一膜分离器的出口经第九控制阀，第二膜分离器的出口经第十控制阀同时与蒸汽压缩机进口相连，蒸汽压缩机出口与换热器热侧进口相连，换热器热侧出口与凝水罐进口相连，凝水罐出口与真空泵相连；减压膜组件第二侧上部浓缩液出口与换热器冷侧进口相连，换热器冷侧出口与原料罐进口相连，电加热装置放置于原料罐的溶液中；减压膜组件底端凹槽出口与第二循环泵进口相连，第二循环泵出口分为两路，一路经第十九控制阀与第三膜分离器进口相连，另一路经第二十控制阀与第四膜分离器进口相连，第三膜分离器出口经第十三控制阀，第四膜分离器出口经第十五控制阀同时与凝水罐进口相连；
其中第一膜再生工质分为两路，一路经第七控制阀与第一膜分离器出口相连，另一路经第八控制阀和第二膜分离器出口相连，第一膜分离器进口经第四控制阀，第二膜分离器进口经第三控制阀同时与第一膜再生罐进口相连，第一膜再生罐出口连接下一个利用环节；第二膜再生工质分为两路，一路经第十四控制阀与第三膜分离器出口相连，另一路经第十二控制阀与第四膜分离器出口相连，第三膜分离器进口经第十七控制阀，第四膜分离器进口经第十八控制阀同时与第二膜再生罐进口相连，第二膜再生罐出口连接下一个利用环节。
上述的一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：原料罐中的强腐蚀性溶液通过预热装置预热之后，由第一循环泵加压进入减压膜组件，膜组件溶液中的水分子在中空纤维膜管外侧表面吸收热量蒸发汽化，并在膜两侧蒸汽压差的驱动下通过膜表面到达中空纤维膜管内侧，蒸发的水蒸气自膜组件顶端蒸汽出口进入第一膜分离器或者第二膜分离器进行分离净化，净化后的水蒸气进入蒸汽压缩机升温加压，压缩之后的水蒸汽再进入换热器与来自膜组件第二侧上部出口的浓缩液进行热量交换，最终冷凝成为饱和液态水进入凝水罐收集，浓缩液吸收热量之后返回原料罐继续循环浓缩；在蒸馏过程中中空纤维膜管内会有部分蒸汽冷凝成液体流入到膜组件底端凹槽中，并通过第二循环泵抽至第三膜分离器或者第四膜分离器进行分离净化，最后排到凝水罐；
当减压膜组件底端凹槽中的液位到达设定的高度时，启动第二循环泵，将槽中冷凝液体排出；
第一膜分离器和第二膜分离器通过第五控制阀、第六控制阀、第九控制阀和第十控制阀的开关进行切换工作，除去膜组件顶端出口蒸汽中混有的强腐蚀性溶质分子；第三膜分离器和第四膜分离器通过第十三控制阀、第十五控制阀、第十九控制阀和第二十控制阀的开关进行切换工作，除去凹槽中冷凝液体中含有的强腐蚀性溶质；
需要定期的使用再生工质对所述的膜分离器通过循环反冲或者浸泡方式进行清洗再生，以延长膜的使用时间；
真空泵采用间歇式运行方式，系统在整个运行过程中需要的真空环境由蒸汽压缩机和真空泵共同维持。
附图说明
图1是本发明提出的一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统。
图中标号名称：1原料罐，2电加热装置，3-1第一控制阀，3-2第二控制阀，3-3第三控制阀，3-4第四控制阀，3-5第五控制阀，3-6第六控制阀，3-7第七控制阀，3-8第八控制阀，3-9第九控制阀，3-10第十控制阀，3-11第十一控制阀，3-12第十二控制阀，3-13第十三控制阀，3-14第十四控制阀，3-15第十五控制阀，3-16第十六控制阀，3-17第十七控制阀，3-18第十八控制阀，3-19第十九控制阀，3-20第二十控制阀，4第一循环泵，5凹槽，6液位计，7中空纤维膜管，8减压膜组件，9-1第一膜再生罐，9-2第二膜再生罐，10-1第一膜再生工质，10-2第二膜再生工质，11-1第一膜分离器，11-2第二膜分离器，12蒸汽压缩机，13换热器，14凝水罐，15真空泵，16-1第三膜分离器，16-2第四膜分离器，17第二循环泵。
具体实施方式
图1是本发明提出的一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统。下面参照图1说明该工艺的具体工作过程。
该装置的工作过程如下：将原料罐1中的强腐蚀性溶液通过预热装置2预热之后，开启第一控制阀3-1，经第一循环泵4加压进入减压膜组件8，然后开启第十一控制阀3-11和真空泵15抽真空，系统抽至一定的真空度后开启蒸汽压缩机12，待蒸汽压缩机12运行稳定之后停止真空泵15，膜组件8溶液中的水分子在中空纤维膜管7外侧表面吸收热量蒸发汽化，并在膜两侧蒸汽压差的驱动下通过膜表面到达中空纤维膜管7内侧，蒸发的水蒸气自膜组件8顶端蒸汽出口进入第一膜分离器11-1或者第二膜分离器11-2进行分离净化，净化后的水蒸气进入蒸汽压缩机12升温加压，压缩之后的水蒸汽再进入换热器13与来自膜组件第二侧上部出口的浓缩液进行热量交换，最终冷凝成为饱和液态水进入凝水罐14收集，浓缩液吸收热量之后返回原料罐1继续循环浓缩；在蒸馏过程中中空纤维膜管7内会有部分蒸汽冷凝成液体流入到膜组件底端凹槽5中，并通过第二循环泵17抽至第三膜分离器16-1或者第四膜分离器16-2进行分离净化，最后排到凝水罐14。
所述的膜分离器采用交替运行的方式进行工作，对于停止工作的膜分离器可进行膜再生处理，具体实施方式为：以第一膜分离器11-1为例进行说明，首先关闭第五控制阀3-5和第九控制阀3-9，开启第四控制阀3-4和第七控制阀3-7，然后再生工质10-1反向流入第一膜分离器11-1不断进行冲洗膜表面，清除污染物之后流入第一膜再生罐9-1，完成清洗再生过程。
Claims (2)
1.一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统，其特征在于包括：原料罐（1）、电加热装置（2）、第一控制阀至第二十控制阀（3-1……3-20）、第一循环泵（4）、凹槽（5）、液位计（6）、中空纤维膜管（7）、减压膜组件（8）、第一膜再生罐（9-1）、第二膜再生罐（9-2）、第一膜再生工质（10-1）、第二膜再生工质（10-2）、第一膜分离器（11-1）、第二膜分离器（11-2）、蒸汽压缩机（12）、换热器（13）、凝水罐（14）、真空泵（15）、第三膜分离器（16-1）、第四膜分离器（16-2）、第二循环泵（17）；
其中减压膜组件（8）设有原料液进口、浓缩液出口和蒸汽出口，其内部结构为壳程式，由多根中空纤维膜管（7）构成，膜管均采用聚四氟乙烯（PTFE）中空纤维疏水微孔膜制成，孔径为0.2-0.4μm，膜管底端设有凹槽（5），用以收集膜管内部分冷凝液，凹槽（5）设有液位显示计（6）；
其中第一膜分离器（11-1）和第二膜分离器（11-2）中的膜材料均具有耐腐蚀性，膜的孔径小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径，且大于水蒸气分子直径，确保水蒸气分子能通过膜孔，溶质分子完全被截留；第三膜分离器（16-1）和第四膜分离器（16-2）中的膜材料也具有耐腐蚀性，膜的孔径小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径，且大于液态水分子直径，确保液态水分子能通过膜孔，溶质分子完全被截留；
其中原料罐（1）的出口与第一循环泵（4）进口相连，第一循环泵（4）的出口与减压膜组件（8）第一侧下部进口相连，减压膜组件（8）顶端蒸汽出口分为两路，一路经第五控制阀（3-5）与第一膜分离器（11-1）进口相连，另一路经第六控制阀（3-6）与第二膜分离器（11-2）进口相连，第一膜分离器（11-1）的出口经第九控制阀（3-9），第二膜分离器（11-2）的出口经第十控制阀（3-10）同时与蒸汽压缩机（12）进口相连，蒸汽压缩机（12）出口与换热器（13）热侧进口相连，换热器（13）热侧出口与凝水罐（14）进口相连，凝水罐（14）出口与真空泵（15）相连；减压膜组件（8）第二侧上部浓缩液出口与换热器（13）冷侧进口相连，换热器（13）冷侧出口与原料罐（1）进口相连，电加热装置（2）放置于原料罐（1）的溶液中；减压膜组件（8）底端凹槽（5）出口与第二循环泵（17）进口相连，第二循环泵（17）出口分为两路，一路经第十九控制阀（3-19）与第三膜分离器（16-1）进口相连，另一路经第二十控制阀（3-20）与第四膜分离器（16-2）进口相连，第三膜分离器（16-1）出口经第十三控制阀（3-13），第四膜分离器（16-2）出口经第十五控制阀（3-15）同时与凝水罐（14）进口相连；
其中第一膜再生工质（10-1）分为两路，一路经第七控制阀（3-7）与第一膜分离器（11-1）出口相连，另一路经第八控制阀（3-8）和第二膜分离器（11-2）出口相连，第一膜分离器（11-1）进口经第四控制阀（3-4），第二膜分离器（11-2）进口经第三控制阀（3-3）同时与第一膜再生罐（9-1）进口相连，第一膜再生罐（9-1）出口连接下一个利用环节；第二膜再生工质（10-2）分为两路，一路经第十四控制阀（3-14）与第三膜分离器（16-1）出口相连，另一路经第十二控制阀（3-12）与第四膜分离器（16-2）出口相连，第三膜分离器（16-1）进口经第十七控制阀（3-17），第四膜分离器（16-2）进口经第十八控制阀（3-18）同时与第二膜再生罐（9-2）进口相连，第二膜再生罐（9-2）出口连接下一个利用环节。
2.根据权利要求1所述的一种膜蒸馏耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：原料罐（1）中的强腐蚀性溶液通过预热装置（2）预热之后，由第一循环泵（4）加压进入减压膜组件（8），膜组件（8）溶液中的水分子在中空纤维膜管（7）外侧表面吸收热量蒸发汽化，并在膜两侧蒸汽压差的驱动下通过膜表面到达中空纤维膜管（7）内侧，蒸发的水蒸气自膜组件（8）顶端蒸汽出口进入第一膜分离器（11-1）或者第二膜分离器（11-2）进行分离净化，净化后的水蒸气进入蒸汽压缩机（12）升温加压，压缩之后的水蒸汽再进入换热器（13）与来自膜组件（8）第二侧上部出口的浓缩液进行热量交换，最终冷凝成为饱和液态水进入凝水罐（14）收集，浓缩液吸收热量之后返回原料罐（1）继续循环浓缩；在蒸馏过程中中空纤维膜管（7）内会有部分蒸汽冷凝成液体流入到膜组件底端凹槽（5）中，并通过第二循环泵（17）抽至第三膜分离器（16-1）或者第四膜分离器（16-2）进行分离净化，最后排到凝水罐（14）；
当减压膜组件（8）底端凹槽（5）中的液位到达设定的高度时，启动第二循环泵（17），将槽中冷凝液体排出；
第一膜分离器（11-1）和第二膜分离器（11-2）通过第五控制阀（3-5）、第六控制阀（3-6）、第九控制阀（3-9）和第十控制阀（3-10）的开关进行切换工作，除去膜组件（8）顶端出口蒸汽中混有的强腐蚀性溶质分子；第三膜分离器（16-1）和第四膜分离器（16-2）通过第十三控制阀（3-13）、第十五控制阀（3-15）、第十九控制阀（3-19）和第二十控制阀（3-20）的开关进行切换工作，除去凹槽（5）中冷凝液体中含有的强腐蚀性溶质；
真空泵（15）采用间歇式运行方式，系统在整个运行过程中需要的真空环境由蒸汽压缩机（12）和真空泵（15）共同维持。
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