CN108636122A - 一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统及工作方法，属于膜分离技术领域。该系统包括：原料罐、电加热装置、循环泵、减压膜组件、支架、电动机、蒸汽压缩机、换热器、凝水罐、真空泵、控制阀等组件，所述减压膜组件、换热器以及循环泵均采用环形布置方式，其特征在于：原料罐中的料液通过减压膜组件分成气液两相流体，气相进入蒸汽压缩机增温增压并将其作为液相流体的热源，从而实现蒸汽潜热的回收利用。本发明不仅可以最大限度的节约膜组件占地面积，还有效降低了工质汇流时的能量损失，进而提高了系统的能源利用效率和经济性能。

Description

一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统及工作方法

技术领域

本发明涉及一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统及工作方法，属于膜分离技术领域。

背景技术

膜蒸馏作为以疏水微孔膜两侧的蒸汽压差为推动力的新型高效气液分离手段，有效的将膜技术与低温蒸发过程相结合，克服了传统蒸馏过程中的高温高压的缺陷，具有浓缩倍数高、适应性强、成本低等优势，在海水淡化、污水处理以及工业废液的循环利用等领域备受关注。但是由于蒸馏过程中产生的蒸汽相变热未能得到有效的回收利用，使得整个蒸馏过程的热效率的提高受到很大的限制。机械蒸汽再压缩技术十分成熟，它能够将二次蒸汽通过压缩机压缩提高其热焓，进一步作为热源循环再利用，从而达到了节能的目的，同时省却了冷却水循环系统。因此，利用机械蒸汽再压缩技术回收膜蒸馏过程的蒸汽潜热极具开发和应用的潜力。

申请号为201610983912.4的专利申请公开了一种机械蒸汽再压缩的膜蒸馏装置，该装置包括支撑体、中空纤维微孔膜、蒸汽压缩机、以及中空纤维实壁导热管等部件，通过压缩机将膜组件产生的蒸汽压缩增温再加热原料液，实现了二次蒸汽潜热的回利用，起到了显著的节能效果。

申请号为201680008113.3的专利申请公开了一种具有混合蒸汽压缩驱动的膜蒸馏装置及其使用方法，该装置包括蒸汽压缩机、蒸汽膨胀器、原动机以及膜组件等部件，通过压缩机产生的压缩输出流与蒸汽膨胀器产生的膨胀输出流将中压蒸汽输出流供于膜蒸馏组件，其优点在于提高了系统的能量效率和操作灵活性。

然而，随着膜蒸馏技术的工程化应用和规模的不断壮大，需要较多的膜组件形成较大的膜组件阵列，以满足系统的产水需求，再加上膜组件之间布置位置的不合理，必然会导致工质流经系统各个组件以及管路的压降和温降增大，进而致使系统的能量损失增加，因而有必要对多膜组件与压缩机之间的排布位置和连接方式进行合理的设计，确保系统管路压降能够满足其内工质流量的需求，同时不会因为压降过大或者工质汇流时压降不同而对系统性能造成影响。

发明内容

本发明提出一种压力损失小、能耗低的多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统及工作方法。

一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统，其特征在于：包括原料罐、第一控制阀至第十六控制阀、第一循环泵至第三循环泵、第一减压膜组件至第六减压膜组件、支架、电动机、蒸汽压缩机、第一换热器至第三换热器、凝水罐、真空泵、电加热装置；

其中第一减压膜组件至第六减压膜组件均设有料液进口、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组成，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；

其中原料罐内部设有电加热装置，下部设有三个出口，上部设有三个进口，原料罐的第一出口经第一控制阀与第一循环泵进口相连，原料罐的第二出口经第二控制阀与第二循环泵进口相连，原料罐的第三出口经第三控制阀与第三循环泵进口相连；

其中第一循环泵的出口分为两路，一路经第五控制阀与第一减压膜组件进口相连，另一路经第六控制阀与第二减压膜组件进口相连，第一减压膜组件和第二减压膜组件蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机进口，第一减压膜组件料液出口经第十六控制阀与第三换热器冷侧进口相连，第二减压膜组件料液出口经第十一控制阀与第一换热器冷侧进口相连，第一换热器冷侧出口与原料罐第一进口相连，第三换热器冷侧出口与原料罐第三进口相连；

其中第二循环泵的出口分为两路，一路经第七控制阀与第三减压膜组件进口相连，另一路经第八控制阀与第四减压膜组件进口相连，第三减压膜组件和第四减压膜组件蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机进口，第三减压膜组件料液出口经第十二控制阀与第一换热器冷侧进口相连，第四减压膜组件料液出口经第十三控制阀与第二换热器冷侧进口相连，第二换热器冷侧出口与原料罐第二进口相连；

其中第三循环泵的出口分为两路，一路经第九控制阀与第五减压膜组件进口相连，另一路经第十控制阀与第六减压膜组件进口相连，第五减压膜组件和第六减压膜组件蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机进口，第五减压膜组件料液出口经第十四控制阀与第二换热器冷侧进口相连，第六减压膜组件料液出口经第十五控制阀与第三换热器冷侧进口相连；

其中蒸汽压缩机出口分为三路，第一路与第一换热器热侧进口相连，第二路与第二换热器热侧进口相连，第三路与第三换热器热侧进口相连，第一换热器、第二换热器和第三换热器热侧出口同时连接到凝水罐进口，凝水罐通过第四控制阀与真空泵相连，电动机与蒸汽压缩机相连。

上述的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统，其特征在于：流体在管道输运过程中存在压降，其计算公式如下：

式中：ρ为流体密度，U为流体流速，D为管道内径，f为壁面摩擦系数，L为管道长度，S为管道沿程高程；

由公式可知流体在管道中的压降受到流体流速、流体密度、管道直径以及管道长度等因素的影响，在管道流体流速、密度、管道直径可以确定的情况下，管道长度决定其压降的大小，根据等压降梯度原则，减压膜组件、换热器和循环泵均采用环形布置方式，确保膜组件料液进口、膜组件料液出口、膜组件蒸汽出口以及压缩机蒸汽出口的各段管路保持相同的压降，使得各支路流体相互均匀的汇流，减少因不同程度的掺混造成的能量损失。

上述的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统，其特征在于：减压膜组件数量可扩展为多只，并通过调整膜组件数量来控制整个系统的产水规模。

上述的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：首先开启电加热装置将原料罐中的原料液加热至所要求的温度，开启第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀，启动第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵，将原料罐中的料液分成三路依次充满六组膜组件；然后开启第四控制阀和真空泵对系统进行抽真空，使得六组膜组件减压侧处于所要求的真空状态，再开启蒸汽压缩机，待蒸汽压缩机运行稳定后关闭真空泵，后期可根据系统的需求间断的开启真空泵，并通过第四控制阀来调节系统真空度；膜组件中的料液在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，蒸发出水蒸气透过膜表面进入减压侧，然后直接导入蒸汽压缩机进行压缩，通过压缩之后的蒸汽温度、压力和焓值得到了明显的提升，再分成三路进入第一换热器、第二换热器和第三换热器，并将二次蒸汽潜热释放，加热来自膜组件的浓缩液，最后蒸汽冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐，而换热之后的浓缩液分别经原料罐第一进口、第二进口和第三进口进入原料罐继续循环浓缩；

膜组件减压侧的真空压力可通过真空泵、真空泵控制阀和蒸汽压缩机协同控制。

附图说明

图1是本发明提出的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统；

图2是系统蒸汽压缩机和原料罐位置布置前视图；

图3是单只减压膜组件内部结构图；

图中标号名称：1原料罐，2-1第一控制阀，2-2第二控制阀，2-3第三控制阀，2-4第四控制阀，2-5第五控制阀，2-6第六控制阀，2-7第七控制阀，2-8第八控制阀，2-9第九控制阀，2-10第十控制阀，2-11第十一控制阀，2-12第十二控制阀，2-13第十三控制阀，2-14第十四控制阀，2-15第十五控制阀，2-16第十六控制阀，3-1第一循环泵，3-2第二循环泵，3-3第三循环泵，4-1第一减压膜组件，4-2第二减压膜组件，4-3第三减压膜组件，4-4第四减压膜组件，4-5第五减压膜组件，4-6第六减压膜组件，5支架，6电动机，7蒸汽压缩机，8-1第一换热器，8-2第二换热器，8-3第三换热器，9凝水罐，10真空泵，11蒸汽压缩机进口，12蒸汽压缩机出口，13原料罐出口，14原料罐进口，15电加热装置，16减压膜组件料液进口，17减压膜组件浓缩液出口，18减压膜组件蒸汽出口，19中空纤维膜管。

具体实施方式

图1是本发明提出的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统，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：首先开启电加热装置15将原料罐1中的原料液进行预热，再开启第一控制阀2-1、第二控制阀2-2和第三控制阀2-3，启动第一循环泵3-1、第二循环泵3-2和第三循环泵3-3，将原料罐1中的料液分成三路依次充满六组膜组件；然后开启第四控制阀2-4和真空泵10对系统进行抽真空，使得六组膜组件减压侧处于所要求的真空状态，再开启蒸汽压缩机7，待蒸汽压缩机运行稳定后关闭真空泵10，后期可根据系统的需求间断的开启真空泵10，并通过第四控制阀2-4来调节系统真空度；膜组件中的料液在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，蒸发出水蒸气透过膜表面进入减压侧，然后直接导入蒸汽压缩机7进行压缩，通过压缩之后的蒸汽温度、压力和焓值得到了明显的提升，再分成三路进入第一换热器8-1、第二换热器8-2和第三换热器8-3，并将二次蒸汽潜热释放，加热来自膜组件的浓缩液，最后蒸汽冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐9，而换热之后的浓缩液分别经原料罐1第一进口、第二进口和第三进口进入原料罐1继续循环浓缩。

尽管上文根据附图详细描述了本发明的具体实施过程，但是这并不能限制本发明，本领域的普通技术人员理应明白，凡在本发明的宗旨和原则之内，在本发明的启示下所做的各种变动和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统，其特征在于包括：原料罐（1）、第一控制阀至第十六控制阀（2-1……2-16）、第一循环泵至第三循环泵（3-1……3-3）、第一减压膜组件至第六减压膜组件（4-1……4-6）、支架（5）、电动机（6）、蒸汽压缩机（7）、第一换热器至第三换热器（8-1……8-3）、凝水罐（9）、真空泵（10）、电加热装置（15）；

其中第一减压膜组件至第六减压膜组件均设有料液进口（16）、浓缩液出口（17）和蒸汽出口（18），其内部结构为壳程式，由多根中空纤维膜管（19）组成，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；

其中原料罐（1）内部设有电加热装置（2），下部设有三个出口，上部设有三个进口，原料罐（1）的第一出口经第一控制阀（2-1）与第一循环泵（3-1）进口相连，原料罐（1）的第二出口经第二控制阀（2-2）与第二循环泵（3-2）进口相连，原料罐（1）的第三出口经第三控制阀（2-3）与第三循环泵（3-3）进口相连；

其中第一循环泵（3-1）的出口分为两路，一路经第五控制阀（2-5）与第一减压膜组件（4-1）进口相连，另一路经第六控制阀（2-6）与第二减压膜组件（4-2）进口相连，第一减压膜组件（4-1）和第二减压膜组件（4-2）蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机（7）进口，第一减压膜组件（4-1）料液出口经第十六控制阀（2-16）与第三换热器（8-3）冷侧进口相连，第二减压膜组件（4-2）料液出口经第十一控制阀（11）与第一换热器（8-1）冷侧进口相连，第一换热器（8-1）冷侧出口与原料罐（1）第一进口相连，第三换热器（8-3）冷侧出口与原料罐（1）第三进口相连；

其中第二循环泵（3-2）的出口分为两路，一路经第七控制阀（2-7）与第三减压膜组件（4-3）进口相连，另一路经第八控制阀（2-8）与第四减压膜组件（4-4）进口相连，第三减压膜组件（4-3）和第四减压膜组件（4-4）蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机（7）进口，第三减压膜组件（4-3）料液出口经第十二控制阀（2-12）与第一换热器（8-1）冷侧进口相连，第四减压膜组件（4-4）料液出口经第十三控制阀（2-13）与第二换热器（8-2）冷侧进口相连，第二换热器（8-2）冷侧出口与原料罐（1）第二进口相连；

其中第三循环泵（3-3）的出口分为两路，一路经第九控制阀（2-9）与第五减压膜组件（4-5）进口相连，另一路经第十控制阀（2-10）与第六减压膜组件（4-6）进口相连，第五减压膜组件（4-5）和第六减压膜组件（4-6）蒸汽出口同时连接到蒸汽压缩机（7）进口，第五减压膜组件（4-5）料液出口经第十四控制阀（2-14）与第二换热器（8-2）冷侧进口相连，第六减压膜组件（4-6）料液出口经第十五控制阀（2-15）与第三换热器（8-3）冷侧进口相连；

其中蒸汽压缩机（7）出口分为三路，第一路与第一换热器（8-1）热侧进口相连，第二路与第二换热器（8-2）热侧进口相连，第三路与第三换热器（8-3）热侧进口相连，第一换热器（8-1）、第二换热器（8-2）和第三换热器（8-3）热侧出口同时连接到凝水罐（9）进口，凝水罐（9）通过第四控制阀（2-4）与真空泵（10）相连，电动机（6）与蒸汽压缩机（7）相连。

2.根据权利要求1所述的一种多膜蒸馏组件与压缩机等压降排布系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：首先开启电加热装置（15）将原料罐（1）中的原料液进行预热，再开启第一控制阀（2-1）、第二控制阀（2-2）和第三控制阀（2-3），启动第一循环泵（3-1）、第二循环泵（3-2）和第三循环泵（3-3），将原料罐（1）中的料液分成三路依次充满六组膜组件；然后开启第四控制阀（2-4）和真空泵（10）对系统进行抽真空，使得六组膜组件减压侧处于所要求的真空状态，再开启蒸汽压缩机（7），待蒸汽压缩机运行稳定后关闭真空泵（10），后期可根据系统的需求间断的开启真空泵（10），并通过第四控制阀（2-4）来调节系统真空度；膜组件中的料液在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，蒸发出水蒸气透过膜表面进入减压侧，然后直接导入蒸汽压缩机（7）进行压缩，通过压缩之后的蒸汽温度、压力和焓值得到了明显的提升，再分成三路进入第一换热器（8-1）、第二换热器（8-2）和第三换热器（8-3），并将二次蒸汽潜热释放，加热来自膜组件的浓缩液，最后蒸汽冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐（9），而换热之后的浓缩液分别经原料罐（1）第一进口、第二进口和第三进口进入原料罐（1）继续循环浓缩；

膜组件减压侧的真空压力可通过真空泵、真空泵控制阀和蒸汽压缩机协同控制。