CN108744980A - 不带存液膜组件耦合mvr浓缩强腐蚀性溶液系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种不带存液膜组件耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统及方法，属于膜分离技术领域。该系统包括原料罐、电加热装置、减压膜组件、膜分离器、膜再生装置、蒸汽压缩机、换热器、凝水罐、真空泵、循环泵和控制阀等组件。系统在负压环境下通过减压膜组件将预热的强腐蚀性溶液分离成为水蒸气和浓缩液两相流体，其中气相从膜组件底端蒸汽出口流出，进入膜分离器分离净化后导入蒸汽压缩机进行压缩，压缩之后的高温位蒸汽在换热器中与来自膜组件的浓缩液换热，最后冷凝为液态水进行收集，吸热的浓缩液返回原料罐继续浓缩。本发明不仅提高了强腐蚀性溶液的浓缩倍数，还降低了系统能耗和运行成本，实现了资源的循环再利用。
Description
技术领域
本发明涉及不带存液膜组件耦合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
近年来，膜蒸馏作为一种高新的分离技术，在强腐蚀性溶液废水的处理方面已得到广泛的研究和应用，相比传统的过滤法、化学沉淀法、离子交换法以及蒸发法等处理方式，具有操作条件温和、工艺过程简单、成本低、占地面积小等优势，尤其还可以通过与其他分离技术集成，形成深度浓缩处理溶液废水的新工艺，不仅有效的进化溶液废水，还可以回收部分有用物质，对于实现能源、经济和环境之间的协调发展具有极大的意义。
膜蒸馏是以一种高分子疏水微孔膜为屏障，在膜两侧的蒸气压差的推动下，溶液中挥发性组份以蒸汽形式穿过膜孔，从而实现溶液混合物的分离和提纯。根据水蒸气在渗透侧冷凝方式的不同可将膜蒸馏分为直接接触式、气隙式、气扫式和减压式四种类型，其中减压式相比于其他三种，膜两侧的蒸汽压差最大，因此具有更高的通量和热效率；但是由于存在膜污染、膜润湿以及能耗高等问题，限制了膜蒸馏的工业化发展。目前，有关膜蒸馏研究主要集中于膜组件的结构设计、操作工艺的改进以及与其他热源的集成等几个方面。
发明专利CN103080013B公开了一种蒸汽压缩膜蒸馏系统和方法，该装置包括膜蒸馏模块、蒸汽压缩机以及热交换器等部件，通过蒸汽压缩机将膜蒸馏模块冷侧蒸汽的温度、压力和焓值提高，再作为膜蒸馏模块高温侧的热源，实现了蒸汽潜热的回收利用，然而他仅论述了膜蒸馏复合蒸汽再压缩系统在盐溶液中的应用，所提出的系统无法适用于腐蚀性强酸强碱的溶液的浓缩，具有一定的局限性。
实用新型专利CN205087954U公开了一种利用真空式膜蒸馏系统浓缩稀盐酸的装置，该装置包括原料罐、过滤器、真空膜组件以及冷凝器等设备，可将3%的稀盐酸浓缩至15%以上，实现了废酸的回收利用，然而该装置没有耦合机械蒸汽再压缩系统，所产的蒸汽在冷凝器中直接冷凝，大量的蒸汽潜热未被有效利用，将导致系统整体能耗的增加，无法实现节能的目的。
实用新型专利CN206199023U公开了一种带机械蒸汽压缩的膜蒸馏装置，该装置通过将水蒸汽压缩增温进而加热原料液，提高了系统的能源利用效率。该系统仅适用于盐溶液的处理，对于强酸强碱等强腐蚀性溶液并不适用，因为装置中的气液分离器无法将掺杂在蒸汽中的腐蚀性溶质分子分离，这将对压缩机造成腐蚀，会直接导致昂贵精密的蒸汽压缩机报废；另外该装置的膜组件蒸汽出口位置朝上，由于蒸汽透过膜面在较长的膜管中压降变大，势必会有部分冷凝成为液体聚集在膜管中，会造成膜组件传质有效膜面积减小，由于未设计相关有效措施处理冷凝液，随着工作时间的加长，冷凝液会充满膜管，最终导致蒸馏膜系统停止工作。
综上所述，现有的膜蒸馏通过结合机械蒸汽压缩，利用二次蒸汽的冷凝热量加热原料液，普遍存在换热温差低、传热效果差以及适用范围小等问题，因此，有必要研发一种适用于强腐蚀性溶液的膜蒸馏MVR装置及方法。
发明内容
本发明提出一种能耗低、分离效率高的不带存液膜组件耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统及方法。
不带存液膜组件耦合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、第一控制阀至第十一控制阀、循环泵、减压膜组件、中空纤维膜管、第一膜分离器、第二膜分离器、膜再生工质、膜再生罐、电动机、蒸汽压缩机、换热器、凝水罐、真空泵；
其中减压膜组件设有料液进口，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；
其中膜分离器采用的膜为耐腐蚀性材料，膜的孔径大于水蒸气分子直径，且小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径；确保水蒸气分子能够顺利通过膜孔，强腐蚀性溶液溶质分子完全被截留；
其中原料罐内部设有电加热装置，原料罐的出口经第一控制阀与循环泵进口相连，循环泵的出口与减压膜组件第一侧下部进口相连，减压膜组件底端蒸汽出口分为两路，一路经第二控制阀与第一膜分离器的进口相连，另一路经第三控制阀与第二膜分离器的进口相连，第一膜分离器的出口经第六控制阀，第二膜分离器的出口经第七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，凝水罐出口经第十一控制阀与真空泵相连；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，电动机连接至蒸汽压缩机；
其中膜再生工质分为两路，一路经第八控制阀与第一膜分离器的出口相连，另一路经第九控制阀与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五控制阀同时与膜再生罐进口相连，膜再生罐出口连接下一个利用环节。
上述的不带存液膜组件耦合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：启动电加热装置将原料罐中的强腐蚀性溶液进行预热，然后开启第一控制阀和循环泵，将强腐蚀性溶液打入减压膜组件的壳程；启动真空泵使减压膜组件的管程处于负压状态，在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，溶液中的部分水蒸发为水蒸气透过膜管壁表面进入膜组件的管程，然后通过第一膜分离器或者第二膜分离器将膜组件底端出来的蒸汽进行分离净化，再送入蒸汽压缩机压缩，增温增压之后的水蒸汽进入换热器加热来自膜组件第二侧上部出口的浓缩液，最终冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐，被加热的浓缩液返回原料罐继续循环浓缩；
减压膜组件中的溶液在中空纤维膜管外流动，中空纤维膜管内抽真空，管程蒸汽出口方向向下，蒸汽在管中自上而下进行流动，管程中不会聚集冷凝液；
通过第二控制阀、第三控制阀、第六控制阀和第七控制阀的开关闭合交替使用第一膜分离器和第二膜分离器分离净化膜组件底端出口的蒸汽，同时可延长膜分离器的使用寿命，保持良好的分离性能；
上述的不带存液膜组件耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统的工作方法，其特征还在于：利用稀酸、稀碱和热蒸汽等膜再生工质以反冲或浸泡的方式对膜分离器中的膜进行再生。
附图说明
图1是本发明提出的不带存液膜组件耦合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，3-1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，4循环泵，5减压膜组件，6中空纤维膜管，7-1第一膜分离器，7-2第二膜分离器，8膜再生工质，9膜再生罐，10电动机，11蒸汽压缩机，12换热器，13凝水罐，14真空泵。
具体实施方式
图1是本发明提出的不带存液膜组件耦合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：首先，启动原料罐1中的电加热装置2，对强腐蚀性溶液进行预热，再开启第一控制阀3-1和循环泵4，将强腐蚀性溶液充满减压膜组件5的壳程；然后，开启真空泵控制阀3-11和真空泵14对系统进行抽真空，使减压膜组件5的管程处于负压状态，在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，膜组件壳程溶液中的部分水蒸发为水蒸气透过膜管壁表面进入膜组件的管程，然后通过第一膜分离器7-1或者第二膜分离器7-2将膜组件底端出来的蒸汽进行分离净化，再送入蒸汽压缩机11进行压缩，增温增压之后的水蒸汽进入换热器12加热来自膜组件5第二侧上部出口的浓缩液，最终冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐13，被加热的浓缩液返回原料罐1继续循环浓缩。
另外，在系统开始运行期间，开启第二控制阀3-2、第五控制阀3-5、第六控制阀3-6和第九控制阀3-9，关闭第三控制阀3-3、第四控制阀3-4、第七控制阀3-7和第八控制阀3-8，第一膜分离器7-1正常工作，第二膜分离器7-2清洗再生，运行一段时间之后，切换到第一膜分离器7-1清洗再生，第二膜分离器7-2正常工作，如此交替运行，可以延长膜的使用寿命，提高分离性能。
Claims (3)
1.不带存液膜组件耦合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）、第一控制阀至第十一控制阀（3-1……3-11）、循环泵（4）、减压膜组件（5）、中空纤维膜管（6）、第一膜分离器（7-1）、第二膜分离器（7-2）、膜再生工质（8）、膜再生罐（9）、电动机（10）、蒸汽压缩机（11）、换热器（12）、凝水罐（13）、真空泵（14）；
其中减压膜组件（5）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（6）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；
其中膜分离器采用的膜为耐腐蚀性材料，膜的孔径大于水蒸气分子直径，且小于强腐蚀性溶液溶质的分子直径；确保水蒸气分子能够顺利通过膜孔，强腐蚀性溶液溶质分子完全被截留；
其中原料罐（1）内部设有电加热装置（2），原料罐（1）的出口经第一控制阀（3-1）与循环泵（4）进口相连，循环泵（4）的出口与减压膜组件（5）第一侧下部进口相连，减压膜组件（5）底端蒸汽出口分为两路，一路经第二控制阀（3-2）与第一膜分离器（7-1）的进口相连，另一路经第三控制阀（3-3）与第二膜分离器（7-2）的进口相连，第一膜分离器（7-1）的出口经第六控制阀（3-6），第二膜分离器（7-2）的出口经第七控制阀（3-7）同时与蒸汽压缩机（11）进口相连，蒸汽压缩机（11）出口与换热器（12）热侧进口相连，换热器（12）热侧出口与凝水罐（13）进口相连，凝水罐（13）出口经第十一控制阀（3-11）与真空泵（14）相连；减压膜组件（5）第二侧上部浓缩液出口与换热器（12）冷侧进口相连，换热器（12）冷侧出口与原料罐（1）进口相连，电动机（10）连接至蒸汽压缩机（11）；
其中膜再生工质（8）分为两路，一路经第八控制阀（3-8）与第一膜分离器（7-1）的出口相连，另一路经第九控制阀（3-9）与第二膜分离器（7-2）出口相连，第一膜分离器（7-1）进口经第四控制阀（3-4），第二膜分离器（7-2）进口经第五控制阀（3-5）同时与膜再生罐（9）进口相连，膜再生罐（9）出口连接下一个利用环节。
2.根据权利要求1所述的不带存液膜组件耦合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：启动电加热装置（2）将原料罐（1）中的强腐蚀性溶液进行预热，然后开启第一控制阀（3-1）和循环泵（4），将强腐蚀性溶液打入减压膜组件（5）的壳程；启动真空泵（14）使减压膜组件（5）的管程处于负压状态，在中空纤维膜两侧饱和压力差的作用下，溶液中的部分水蒸发为水蒸气透过膜管壁表面进入膜组件的管程，然后通过第一膜分离器（7-1）或者第二膜分离器（7-2）将膜组件底端出来的蒸汽进行分离净化，再送入蒸汽压缩机（11）压缩，增温增压之后的水蒸汽进入换热器（12）加热来自膜组件（5）第二侧上部出口的浓缩液，最终冷凝成为饱和液态水收集至凝水罐（13），被加热的浓缩液返回原料罐（1）继续循环浓缩；
减压膜组件（5）中的溶液在中空纤维膜管（6）外流动，中空纤维膜管（6）内抽真空，管程蒸汽出口方向向下，蒸汽在管中自上而下进行流动，管程中不会聚集冷凝液；
通过第二控制阀（3-2）、第三控制阀（3-3）、第六控制阀（3-6）和第七控制阀（3-7）的开关闭合交替使用第一膜分离器（7-1）和第二膜分离器（7-2）分离净化膜组件（5）底端出口的蒸汽，同时可延长膜分离器的使用寿命，保持良好的分离性能。
3.根据权利要求2所述的不带存液膜组件耦合MVR浓缩强腐蚀性溶液系统工作方法，其特征还在于：利用稀酸、稀碱、热蒸汽等膜再生工质（8）以反冲或浸泡的方式对膜分离器中的膜进行再生。
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Legal Events
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