CN109809528A - 超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置和淡化海水的方法 - Google Patents

超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置和淡化海水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，包括包括隔离室、超重力低压蒸发室、换热蛇管、海水分流箱、浓水箱、管式疏水膜组件、真空泵和转轴等结构。本发明还提供了使用上述装置淡化海水的方法。

Description

超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置和淡化海水的方法
技术领域
本发明涉及海水淡化和污水净化领域，具体地，本发明提供了一种包括隔离室、超重力低压蒸发室、换热蛇管、海水分流箱、浓水箱、管式疏水膜组件、真空泵和转轴的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置以及使用该装置淡化海水的方法。
背景技术
目前世界上对海水淡化应用比较广泛的方法主要有蒸馏法和膜法。蒸馏法优点是结构简单，容易操作等。蒸馏法又包括多级闪蒸、低温多效蒸馏、膜蒸馏等。但不同方法又存在诸多不同缺点，如传热系数低，所需的传热面积多、热利用效率低、设备结构复杂等。膜法在水处理技术方面具有占地面积小、出水的水质好、人工成本低的优点，但缺点是在压力作用下，膜会被污染，会断丝，必须定期清洁检查，而且容易造成二次污染。
真空蒸馏技术采用真空泵辅助产生真空环境，实现常温海水淡化，但是真空泵电耗高，系统密封较为困难。自然重力蒸馏法利用了海水重力和大气压力的自然方法产生真空，不仅降低了维持真空所需的电能，而且节省了蒸发后浓海水排放所需的大量泵功，所耗能量远低于传统方式，并提高了能源的综合利用效率。但这种方法的缺点在于设备体积过于庞大，高度过高，对空间有一定的要求。
近几年提出了利用旋转形成超重力真空的海水淡化技术。利用机械能驱动超重力真空蒸发旋转形成真空环境实现海水常温淡化，虽然具有工艺简单，结构紧凑，体积小，设备腐蚀少，降低真空泵能耗等优点。但缺点是液滴停留时间短、淡水和浓水之间容易产生混合、出水的水质低等。
发明内容
针对上述问题，本申请开发了一种超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，使用超重力真空蒸发膜蒸馏在保留了原有的超重力真空蒸发优点的同时，也解决了以前的缺点：在超重力真空蒸发室内利用膜蒸馏技术不仅能够提高海水-淡水的分离效率，而且淡水的水质更加纯净，同时简化了超重力真空蒸发室的内部结构。
一方面，本发明提供了一种超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，包括隔离室(5)、超重力低压蒸发室(6)、换热蛇管(2)、海水分流箱(8)、浓水箱(20)、管式疏水膜组件(22)、真空泵(28)和转轴(18)；所述超重力低压蒸发室(6)外壳侧面设有淡水出口(10)、浓水出口(1)和压力传感器接口(21)，上端面中心处开孔通过外管(12)，外管(12)中从外到内依次套有中管(15)和内管(17)；壳体(29)还设有抽气口(27)，所述抽气口(27)连接用于抽气辅助实现超重力工况真空泵(28)；所述换热蛇管(2)进口与外管(12)连接，换热蛇管(2)出口与中管(15)连接；所述超重力低压蒸发室(6)是由外筒(11)和内筒(9)组成的装置，蒸发室外筒(11)和内筒(9)之间有淡水溢流口(26)；海水分流箱(8)和浓水箱(20)分别位于超重力低压蒸发室(6)上部和下部，海水分流箱(8)和浓水箱(20)由疏导管(3)联通；管式疏水膜组件(22)由若干疏导管(3)组成，在疏导管(3)外壁裹有透气疏水膜，并在疏导管(3)内布置分流层组件(4)；在海水分流箱(8)上端中心处开孔与旋转接头Ⅰ(13)下的外管(12)、旋转接头Ⅱ(14)下的中管(15)和旋转接头Ⅲ(16)下的内管(17)所组成的套管组螺纹连接；所述转轴(1)安装于外筒(11)底部。
进一步地，所述外筒(11)与所述内筒(9)均为圆柱型容器且内筒(9)的直径为外筒(11)的0.85-0.95倍。
进一步地，所述外筒(11)与所述内筒(9)由筒壁径向均布的螺栓组螺纹连接，使得外筒(11)与所述内筒(9)组成的整体装置与转轴(18)等角速度旋转。
进一步地，疏导管(3)上下开外螺纹孔。
进一步地，海水分流箱(8)底板开多个通孔(7)，海水分流箱(8)中的密封螺母(25)与穿过海水分流箱(8)底部通孔(7)的疏导管(3)上端的外螺纹连接。
进一步地，浓水箱(20)的上板(19)开与海水分流箱(8)下底板的通孔(7)同中心线的内螺纹孔(23)，所述内螺纹孔(23)与疏导管(3)下端的外螺纹连接。
进一步地，管式疏水膜组件(22)由若干疏导管(3)组成，在疏导管(3)管壁开有间隔3-5mm均匀分布的通孔，疏导管(3)外壁裹有透气疏水膜。
进一步地，疏导管(3)内的分流层组件(4)是3-10层平行的开孔平板，截面形状与疏导管相同，外径为疏导管(3)内径的0.7-0.95倍,分流层组件(4)上开有2-3mm均匀分布的通孔。
进一步地，外管(12)与蒸发室外筒(9)之间由2-3组O型圈密封并固定。
另一方面，本发明提供了使用上述超重力低压恒温膜蒸馏蒸发海水淡化装置淡化海水的方法，包括：首先将超重力低压区域内充满淡水，将外管(12)、中管(15)和换热蛇管(2)中充满常温海水形成液封，再利用真空泵(28)抽气使超重力低压蒸发室(6)内气体压强下降到设定的值；然后启动转轴(18)，带动一体连接的内筒(9)、外筒(11)旋转，运行稳定后内外筒组成的超重力低压蒸发室(6)中心区域出现低压无水区域，即为海水低压蒸发区域，预加热的海水在达到设定温度后通过内管(17)进入安装在超重力低压蒸发室(6)内的海水分流箱(8)，海水在海水分流箱(8)内通入疏导管(3),与其中内安置的分流层组件(4)多次撞击保持小水滴状态而充分蒸发，蒸汽通过裹在疏导管(3)外壁的管式疏水膜(22)因膜两侧压差的作用下穿过膜孔，过膜后的蒸汽与淡水直接接触冷凝获得淡水，经由超重力低压蒸发室溢流口(26)、隔离室的淡水出口(10)排出；之后，未蒸发的浓水由疏导管(3)流入浓水箱(20)，由浓水出口(1)排出；与此同时，换热蛇管(2)内的海水在热平衡计算而得的流速下流动，蛇管进口与外管(12)旋转端连接，常温海水由此进入蛇管；蛇管出口与中管(15)旋转段连接，吸收热量达到预热效果的海水由此流出蛇管，安装于超重力低压区域，流入的常温海水，吸收水蒸气冷凝释放的热量达到预热效果，然后流出后直接通入海水预热器，同时保证超重力低压区域内流体恒温；海水蒸发所需低压环境及产生的不凝气体由所述真空泵(28)通过抽气口(27)辅助超重力工况实现；超重力工况通过转轴(18)的旋转获得。
本申请中的换热蛇管是由满足所需机械性能的螺旋状铜管、钢管或聚合物管材制成。
本申请中海水分流箱底部和浓水箱上部的通孔或对应内螺纹孔数量可以根据设备大小确定，孔心距为45-55mm，数量一般为25-40个。
本申请中的旋转接头用于将外管、中管和内管分为静止和旋转段，外管、中管和内管位于旋转接头以上的部分为静止段、位于旋转接头以下的部分为旋转段；旋转接头Ⅰ和旋转接头Ⅲ的竖直间距为330-350mm，旋转接头Ⅰ和旋转接头Ⅱ的竖直间距为180-200mm，旋转接头Ⅲ和旋转接头Ⅱ的竖直间距为130-150mm。
本申请中的转轴的驱动方式可以根据条件选择各种现有的方式，包括但不限于，电动机、风力轮机、水轮机和汽轮机(需配合相应变速齿轮组)。
本发明提供的装置利用真空泵、超重力低压蒸发室、进出口接头组、管式疏水膜组件和换热蛇管五者结合实现低温热法海水淡化，超重力低压蒸发室不仅可以降低真空泵的负荷及抽气时间，而且节约能量；进出口接头组确保预热海水和循环海水的流动互不影响，且进出口接头组上下都用静密封替代动密封，静密封有结构简单、不易损坏、密封效果好等优点；管式疏水膜组件具有分离效率高、海水-淡水隔离效果好等优点，工艺及装置不仅可以提高海水淡化的效率和水质，而且可简化超重力低压海水淡化装置的内部结构；换热蛇管可以保证低压区域内温度恒定，能量重复使用，降低预热海水成本，节约能源。工艺过程可由电能驱动，也可使用风能、水能等可再生机械能源。
附图说明
图1是本发明实例1的流程及结构示意图；
图2是本发明中海水箱及海水箱底板的结构示意图；
图3是本发明中换热蛇管的结构示意图；
图4是本发明中管式疏水膜组件的结构示意图；
图5是本发明中浓水箱上板的结构示意图；
图6是本发明海水进出口接头套管组的结构示意图。
1、浓水出口；2、换热蛇管；3、疏导管；4、分流层组件；5、隔离室；6、超重力低压蒸发室；7、海水分流箱底板通孔；8、海水分流箱；9、内筒；10、淡水出口；11、外筒；12、外管；13、旋转接头Ⅰ；14、旋转接头Ⅱ；15、中管；16、旋转接头Ⅲ；17、内管；18、转轴；19、浓水箱上板；20、浓水箱；21、压力传感器接口；22、管式疏水膜组件；23、浓水箱上板内螺纹孔；24、海水分流箱底板；25、密封螺母；26、淡水溢流口；27、抽气口；28、真空泵。
具体实施方式
实施例1
装置结构如图1-6所示。
工作过程为：首先将超重力低压区域内充满淡水，将外管(12)、中管(15)和换热蛇管(2)中充满常温海水形成液封，再利用真空泵(28)抽气使超重力低压蒸发室(6)内气体压强下降到设定的值；然后启动转轴(18)，带动一体连接的内筒(9)、外筒(11)旋转，运行稳定后内外筒组成的超重力低压蒸发室(6)中心区域出现低压无水区域，即为海水低压蒸发区域，预加热的海水在达到设定温度后通过内管(17)进入安装在超重力低压蒸发室(6)内的海水分流箱(8)，海水在海水分流箱(8)内通入疏导管(3),与其中内安置的分流层组件(4)多次撞击保持小水滴状态而充分蒸发，蒸汽通过裹在疏导管(3)外壁的管式疏水膜(22)因膜两侧压差的作用下穿过膜孔，过膜后的蒸汽与淡水直接接触冷凝获得淡水，经由超重力低压蒸发室溢流口(26)、隔离室的淡水出口(10)排出；之后，未蒸发的浓水由疏导管(3)流入浓水箱(20)，由浓水出口(1)排出；与此同时，换热蛇管(2)内的海水在热平衡计算而得的流速下流动，蛇管进口与外管(12)旋转端连接，常温海水由此进入蛇管；蛇管出口与中管(15)旋转段连接，吸收热量达到预热效果的海水由此流出蛇管，安装于超重力低压区域，流入的常温海水，吸收水蒸气冷凝释放的热量达到预热效果，然后流出后直接通入海水预热器，同时保证超重力低压区域内流体恒温；海水蒸发所需低压环境及产生的不凝气体由所述真空泵(28)通过抽气口(27)辅助超重力工况实现；超重力工况通过转轴(18)的旋转获得。

Claims (10)

1.一种超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，包括隔离室(5)、超重力低压蒸发室(6)、换热蛇管(2)、海水分流箱(8)、浓水箱(20)、管式疏水膜组件(22)、真空泵(28)和转轴(18)；所述超重力低压蒸发室(6)外壳侧面设有淡水出口(10)、浓水出口(1)和压力传感器接口(21)，上端面中心处开孔通过外管(12)，外管(12)中从外到内依次套有中管(15)和内管(17)；壳体(29)还设有抽气口(27)，所述抽气口(27)连接用于抽气辅助实现超重力工况真空泵(28)；所述换热蛇管(2)进口与外管(12)连接，换热蛇管(2)出口与中管(15)连接；所述超重力低压蒸发室(6)是由外筒(11)和内筒(9)组成的装置，蒸发室外筒(11)和内筒(9)之间有淡水溢流口(26)；海水分流箱(8)和浓水箱(20)分别位于超重力低压蒸发室(6)上部和下部，海水分流箱(8)和浓水箱(20)由疏导管(3)联通；管式疏水膜组件(22)由若干疏导管(3)组成，在疏导管(3)外壁裹有透气疏水膜，并在疏导管(3)内布置分流层组件(4)；在海水分流箱(8)上端中心处开孔与旋转接头Ⅰ(13)下的外管(12)、旋转接头Ⅱ(14)下的中管(15)和旋转接头Ⅲ(16)下的内管(17)所组成的套管组螺纹连接；所述转轴(1)安装于外筒(11)底部。
2.根据权利要求1所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述外筒(11)与所述内筒(9)均为圆柱型容器且内筒(9)的直径为外筒(11)的0.85-0.95倍。
3.根据权利要求1或2所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：所述外筒(11)与所述内筒(9)由筒壁径向均布的螺栓组螺纹连接，使得外筒(11)与所述内筒(9)组成的整体装置与转轴(18)等角速度旋转。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：疏导管(3)上下开外螺纹孔。
5.根据权利要求4所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：海水分流箱(8)底板开多个通孔(7)，海水分流箱(8)中的密封螺母(25)与穿过海水分流箱(8)底部通孔(7)的疏导管(3)上端的外螺纹连接。
6.根据权利要求5所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：浓水箱(20)的上板(19)开与海水分流箱(8)下底板的通孔(7)同中心线的内螺纹孔(23)，所述内螺纹孔(23)与疏导管(3)下端的外螺纹连接。
7.根据权利要求1-6任一项所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：管式疏水膜组件(22)由若干疏导管(3)组成，在疏导管(3)管壁开有间隔3-5mm均匀分布的通孔，疏导管(3)外壁裹有透气疏水膜。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：疏导管(3)内的分流层组件(4)是3-10层平行的开孔平板，截面形状与疏导管相同，外径为疏导管(3)内径的0.7-0.95倍,分流层组件(4)上开有2-3mm均匀分布的通孔。
9.根据权利要求1-8任一项所述的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于：外管(12)与蒸发室外筒(9)之间由2-3组O型圈密封并固定。
10.使用根据权利要求1-9任一项的超重力低压恒温膜蒸馏海水淡化装置淡化海水的方法，包括：首先将超重力低压区域内充满淡水，将外管(12)、中管(15)和换热蛇管(2)中充满常温海水形成液封，再利用真空泵(28)抽气使超重力低压蒸发室(6)内气体压强下降到设定的值；然后启动转轴(18)，带动一体连接的内筒(9)、外筒(11)旋转，运行稳定后内外筒组成的超重力低压蒸发室(6)中心区域出现低压无水区域，即为海水低压蒸发区域，预加热的海水在达到设定温度后通过内管(17)进入安装在超重力低压蒸发室(6)内的海水分流箱(8)，海水在海水分流箱(8)内通入疏导管(3),与其中内安置的分流层组件(4)多次撞击保持小水滴状态而充分蒸发，蒸汽通过裹在疏导管(3)外壁的管式疏水膜(22)因膜两侧压差的作用下穿过膜孔，过膜后的蒸汽与淡水直接接触冷凝获得淡水，经由超重力低压蒸发室溢流口(26)、隔离室的淡水出口(10)排出；之后，未蒸发的浓水由疏导管(3)流入浓水箱(20)，由浓水出口(1)排出；与此同时，换热蛇管(2)内的海水在热平衡计算而得的流速下流动，蛇管进口与外管(12)旋转端连接，常温海水由此进入蛇管；蛇管出口与中管(15)旋转段连接，吸收热量达到预热效果的海水由此流出蛇管，安装于超重力低压区域，流入的常温海水，吸收水蒸气冷凝释放的热量达到预热效果，然后流出后直接通入海水预热器，同时保证超重力低压区域内流体恒温；海水蒸发所需低压环境及产生的不凝气体由所述真空泵(28)通过抽气口(27)辅助超重力工况实现；超重力工况通过转轴(18)的旋转获得。
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