CN109647208A - 一种节能膜蒸馏海水淡化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能膜蒸馏海水淡化系统，包括换热器，原料水泵，产品水泵，浓盐水排放泵，真空泵，冷凝水排出泵，N个带有加热元件的膜组件，N个闪蒸罐；多个带有加热元件的膜组件串联构成“多效膜蒸馏”，多个闪蒸罐串联构成“多级闪蒸”；将多效膜蒸馏与多级闪蒸过程耦合，前效膜蒸馏产生的二次蒸汽作为后效膜蒸馏加热蒸汽，并且产生的高温淡水逐级闪蒸，闪蒸蒸汽用于料液加热，这样有效地回收了汽化潜热和输出流体显热，实现了能量的梯级利用，提高了系统热效率；带有加热元件的膜组件“蒸汽冷凝‑料液加热‑渗透汽化”过程“准同步”设计，料液依靠重力势能从前效向后效自流，各效无需循环泵，降低了膜蒸馏过程电能消耗，节能效果显著。

Description

一种节能膜蒸馏海水淡化系统
技术领域
本发明属于膜分离和海水淡化技术领域，涉及一种节能膜蒸馏海水淡化系统。
技术背景
水是生命之源，是人类生活和生产不可或缺的基本物质，是地球上不可替代的宝贵自然资源。随着工业化和城镇化进程加快，人口数量急剧增加，加剧了水资源污染和淡水资源匮乏，而这也正在日益影响全球的经济发展和生态环境，全球水资源危机日趋严重。
海水淡化是开源之举，是水资源的重要补充和战略储备。海水淡化，又称海水脱盐，是分离海水中盐和水的技术和过程，其实质是“以能源换水源”。经过数十年发展，世界上海水淡化技术日趋成熟，多级闪蒸(MSF)、多效蒸馏(MED)和反渗透(RO)是目前海水淡化领域的三大主流技术。其中多级闪蒸和多效蒸馏都属于热法，两者可实现能量的梯级利用，但也存在初始投资大，单位体积的换热面积小，防腐耐蚀要求高等问题。反渗透属于膜法，具有常温操作、设备灵活、适应范围广等优点，但反渗透膜的通量和选择性对料液海水温度和盐度高度敏感，截留率低，且操作条件苛刻。
膜蒸馏(MD)是膜技术与蒸馏过程相耦合的膜分离过程，它以疏水微孔膜为介质，在膜两侧蒸汽压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸汽形式透过膜孔，从而实现分离的目的。膜蒸馏技术有机结合了传统蒸馏法和膜分离法的特点，与传统蒸馏法相比，膜蒸馏具有较高的分离效率，操作温度更低，与其他膜分离过程相比，膜蒸馏在常压下操作，截留率更高，对膜的机械性能要求低。膜蒸馏过程中，动量、热量和质量同时传递。在一定条件下，膜的一侧与热的待处理溶液直接接触(称为热侧)，另一侧直接或间接与冷的水溶液接触(称为冷侧)，热侧溶液中易挥发组分在膜表面处汽化通过膜孔进入冷侧并被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物的分离。根据膜冷凝侧冷凝方式的不同，膜蒸馏一般可分为以下四种：直接接触式膜蒸馏(DCMD)、气隙式膜蒸馏(AGMD)、气扫式膜蒸馏(SGMD)和减压膜蒸馏(VMD)。
膜蒸馏过程操作温度低，可以充分利用太阳能、地热、工业余热和废热等低品位能源，但由于MD过程存在相变，所产蒸汽潜热的流失造成了系统的高能耗，热效率较低。高能耗一直以来都是限制膜蒸馏技术发展及规模化应用的关键问题之一，因此如何降低运行成本，实现高效节能，是当前膜蒸馏研究的一个重要课题。
发明专利CN108246106A公开了“一种真空式多效膜蒸馏系统”，提出的多效膜蒸馏系统由蒸汽压缩机、第二换热器和膜蒸馏组件构成，利用膜蒸馏组件和蒸汽压缩机相结合的方式对原料液进行浓缩，依靠回收前效蒸汽的显热和潜热来加热下一效原料液，虽然有利于回收蒸汽潜热，但对于产品水及蒸汽凝结水的汽化潜热未得到有效回收利用，整个系统的热效率较低。
发明专利CN106076122A公开了“一种并联式多效真空膜蒸馏装置及方法”，提出的膜蒸馏单元由料液罐、原料液增压泵、中空纤维带有加热元件的膜组件及管壳式换热器构成，通过使原料液在换热器中与蒸汽进行冷凝换热，回收蒸汽潜热，有利于提高膜蒸馏热效率，但该系统每一效膜蒸馏都需要一个料液增压泵，能耗增加，设备投资提高，运行成本大幅上升。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的需设置料液循环泵、原料液预热器以及系统热效率低等不足，提供一种热效率高、设备简单、成本低的节能膜蒸馏海水淡化系统。
本发明的技术方案概述如下：
一种节能膜蒸馏海水淡化系统，包括换热器5，原料水泵6，产品水泵7，浓盐水排放泵8，真空泵9和冷凝水排出泵10，N个带有加热元件的膜组件，N个闪蒸罐；N取值为3-10；原料水泵6的出口通过管道与换热器5原料水入口连接，换热器5原料水出口连接的管道分两路，一路为冷却水排放管，另一路与首效带有加热元件的膜组件1.1原料水入口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1浓盐水出口通过管道与第二效带有加热元件的膜组件1.2原料水入口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2浓盐水出口通过管道依次与下一效带有加热元件的膜组件原料水入口连接，直至与末效带有加热元件的膜组件1.3原料水入口连接；末效带有加热元件的膜组件1.3浓盐水出口通过管道与浓盐水排放泵8入口连接；蒸汽管与首效带有加热元件的膜组件1.1蒸汽入口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1不凝汽和凝结水出口连接的管道分三路，一路为首效不凝汽管，第二路与冷凝水排出泵10连接，第三路与首效闪蒸罐2.1的进口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1的蒸汽出口、首效不凝汽管和首效闪蒸罐2.1的蒸汽出口通过管道汇合后，与第二效带有加热元件的膜组件1.2的蒸汽入口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为第二效不凝汽管，另一路与第二效闪蒸罐2.2进口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2的蒸汽出口、第二效不凝汽管和第二效闪蒸罐2.2的蒸汽出口通过管道汇合后，依次与相邻的带有加热元件的膜组件的蒸汽入口连接，直至与末效带有加热元件的膜组件1.3蒸汽入口连接；末效带有加热元件的膜组件1.3的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为末效不凝汽管，另一路与末效闪蒸罐2.3的进口连接；末效带有加热元件的膜组件1.3的蒸汽出口、末效不凝汽管和末效闪蒸罐2.3的蒸汽出口通过管道汇合后与换热器5蒸汽入口连接，换热器5的不凝气和凝结水出口的管道分两路，一路与真空泵9进气口连接，另一路与产品水泵7进口连接；首效闪蒸罐2.1冷凝水出口通过管道与第二效闪蒸罐2.2的进口连接；第二效闪蒸罐2.2冷凝水出口通过管道与下一效闪蒸罐进口连接；直至与末效闪蒸罐2.3的进口连接，末效闪蒸罐2.3冷凝水出口通过管道与产品水泵7进口连接。
带有加热元件的膜组件优选：带有加热元件的板框式膜蒸馏组件、带有加热元件的中空纤维式膜蒸馏组件、带有加热元件的管式膜蒸馏组件或带有加热元件的卷式膜蒸馏组件。
换热器5优选：管壳式换热器或板式换热器。
本发明的优点：
(1)多个带有加热元件的膜组件串联构成传统蒸馏意义上的“多效膜蒸馏”，多个闪蒸罐串联构成传统蒸馏意义上的“多级闪蒸”；将多效膜蒸馏与多级闪蒸过程耦合，前效膜蒸馏产生的二次蒸汽作为后效膜蒸馏加热蒸汽，并且产生的高温产品水逐级闪蒸，闪蒸蒸汽用于料液加热，这样有效地回收了汽化潜热和输出流体显热，实现了能量的梯级利用，提高了系统热效率。
(2)料液加热元件与膜蒸馏膜均设置在带有加热元件的膜组件内部，“蒸汽冷凝-料液加热-渗透汽化”三个过程“准同步”进行，各效膜蒸馏无需料液循环泵，电能消耗大幅降低，节能效果显著。
(3)原料水经由原料水泵进入首效带有加热元件的膜组件，浸没扰流加热元件和膜蒸馏膜，其后各效原料水依靠带有加热元件的膜组件相对位置高度差产生的重力势能依次从前效向后效自流，无需设置效间进料泵，进一步节省电耗。
附图说明
图1为本发明一种节能膜蒸馏海水淡化系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以N等于3为例对本发明作进一步的说明。以下说明是为了让本领域的技术人员更好地理解本发明，本发明包括但不限于以下说明内容。
一种节能膜蒸馏海水淡化系统，包括换热器5，原料水泵6，产品水泵7，浓盐水排放泵8，真空泵9和冷凝水排出泵10，3个带有加热元件的膜组件，3个闪蒸罐；原料水泵6的出口通过管道与换热器5原料水入口连接，换热器5原料水出口连接的管道分两路，一路为冷却水排放管，另一路与首效带有加热元件3.1的膜组件1.1(其中的膜为4.1)原料水入口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1浓盐水出口通过管道与第二效带有加热元件3.2的膜组件1.2(其中的膜为4.2)原料水入口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2浓盐水出口通过管道与末效带有加热元件3.3的膜组件1.3(其中的膜为4.3)原料水入口连接，末效带有加热元件的膜组件1.3浓盐水出口通过管道与浓盐水排放泵8入口连接；蒸汽管与首效带有加热元件的膜组件1.1蒸汽入口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1不凝汽和凝结水出口连接的管道分三路，一路为首效不凝汽管，第二路与冷凝水排出泵10连接，第三路与首效闪蒸罐2.1的进口连接；首效带有加热元件的膜组件1.1的蒸汽出口、首效不凝汽管和首效闪蒸罐2.1的蒸汽出口通过管道汇合后，与第二效带有加热元件的膜组件1.2的蒸汽入口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为第二效不凝汽管，另一路与第二效闪蒸罐2.2进口连接；第二效带有加热元件的膜组件1.2的蒸汽出口、第二效不凝汽管和第二效闪蒸罐2.2的蒸汽出口通过管道汇合后，与末效带有加热元件的膜组件1.3蒸汽入口连接；末效带有加热元件的膜组件1.3的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为末效不凝汽管，另一路与末效闪蒸罐2.3的进口连接；末效带有加热元件的膜组件1.3的蒸汽出口、末效不凝汽管和末效闪蒸罐2.3的蒸汽出口通过管道汇合后与换热器5蒸汽入口连接，换热器5的不凝气和凝结水出口连接的管道分两路，一路与真空泵9进气口连接，另一路与产品水泵7进口连接；首效闪蒸罐2.1冷凝水出口通过管道与第二效闪蒸罐2.2的进口连接；第二效闪蒸罐2.2冷凝水出口通过管道与末效闪蒸罐2.3进口连接；末效闪蒸罐2.3冷凝水出口通过管道与产品水泵7进口连接。
N还可以取值4、5、6、7、8、9或10个。
带有加热元件的膜组件为带有加热元件的中空纤维式膜蒸馏组件。
还可以选带有加热元件的板框式膜蒸馏组件、带有加热元件的管式膜蒸馏组件或带有加热元件的卷式膜蒸馏组件。
换热器为管壳式换热器。
还可以选板式换热器。
带有加热元件的中空纤维式膜蒸馏组件，在组件外壳内部设置中空纤维膜和加热元件，加热元件可以为金属传热管、金属传热板、塑料传热管、塑料传热板或塑料传热薄膜。

Claims (3)

1.一种节能膜蒸馏海水淡化系统，包括换热器(5)，原料水泵(6)，产品水泵(7)，浓盐水排放泵(8)，真空泵(9)和冷凝水排出泵(10)，N个带有加热元件的膜组件，N个闪蒸罐；N取值为3-10；原料水泵(6)的出口通过管道与换热器(5)原料水入口连接，换热器(5)原料水出口连接的管道分两路，一路为冷却水排放管，另一路与首效带有加热元件的膜组件(1.1)原料水入口连接；首效带有加热元件的膜组件(1.1)浓盐水出口通过管道与第二效带有加热元件的膜组件(1.2)原料水入口连接；第二效带有加热元件的膜组件(1.2)浓盐水出口通过管道依次与下一效带有加热元件的膜组件原料水入口连接，直至与末效带有加热元件的膜组件(1.3)原料水入口连接；末效带有加热元件的膜组件(1.3)浓盐水出口通过管道与浓盐水排放泵(8)入口连接；蒸汽管与首效带有加热元件的膜组件(1.1)蒸汽入口连接；首效带有加热元件的膜组件(1.1)不凝汽和凝结水出口连接的管道分三路，一路为首效不凝汽管，第二路与冷凝水排出泵(10)连接，第三路与首效闪蒸罐(2.1)的进口连接；首效带有加热元件的膜组件(1.1)的蒸汽出口、首效不凝汽管和首效闪蒸罐(2.1)的蒸汽出口通过管道汇合后，与第二效带有加热元件的膜组件(1.2)的蒸汽入口连接；第二效带有加热元件的膜组件(1.2)的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为第二效不凝汽管，另一路与第二效闪蒸罐(2.2)进口连接；第二效带有加热元件的膜组件(1.2)的蒸汽出口、第二效不凝汽管和第二效闪蒸罐(2.2)的蒸汽出口通过管道汇合后，依次与相邻的带有加热元件的膜组件的蒸汽入口连接，直至与末效带有加热元件的膜组件(1.3)蒸汽入口连接；末效带有加热元件的膜组件(1.3)的不凝汽和凝结水出口连接的管道分两路，一路为末效不凝汽管，另一路与末效闪蒸罐(2.3)的进口连接；末效带有加热元件的膜组件(1.3)的蒸汽出口、末效不凝汽管和末效闪蒸罐(2.3)的蒸汽出口通过管道汇合后与换热器(5)蒸汽入口连接，换热器(5)的不凝气和凝结水出口的管道分两路，一路与真空泵(9)进气口连接，另一路与产品水泵(7)进口连接；首效闪蒸罐(2.1)冷凝水出口通过管道与第二效闪蒸罐(2.2)的进口连接；第二效闪蒸罐(2.2)冷凝水出口通过管道与下一效闪蒸罐进口连接；直至与末效闪蒸罐(2.3)的进口连接，末效闪蒸罐(2.3)冷凝水出口通过管道与产品水泵(7)进口连接。
2.根据权利要求1所述的一种节能膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于所述的带有加热元件的膜组件为带有加热元件的板框式膜蒸馏组件、带有加热元件的中空纤维式膜蒸馏组件、带有加热元件的管式膜蒸馏组件或带有加热元件的卷式膜蒸馏组件。
3.根据权利要求1所述的一种节能膜蒸馏海水淡化系统，其特征在于所述的换热器(5)为管壳式换热器或板式换热器。
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