CN110538574A - 一种高效真空膜蒸馏系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液体分流技术领域，提出一种高效真空膜蒸馏系统，包括：多效膜蒸馏组件和多效汽水换热器，在膜蒸馏组件中对料液进行加热，在汽水换热器中对料液再进行加热，其中，膜蒸馏组件的料液输送到同效的汽水换热器，下一效膜蒸馏组件的料液来源是上一效汽水换热器，下一效汽水换热器的蒸汽来源是上一效膜蒸馏组件和上一效汽水换热器。本发明利用了真空膜蒸馏过程中释放的汽化潜热重新加热了料液水，对热量进行了有效的利用。

Description

一种高效真空膜蒸馏系统
技术领域
本发明涉及一种液体分流装置，更具体地，涉及一种高效真空膜蒸馏系统。
背景技术
膜蒸馏技术是膜技术与传统蒸馏技术相结合的新型液体分离技术，利用疏水性微孔膜两侧的蒸气分压差作为推动力，利用低温热源来实现溶质和溶剂的分离过程，能把溶液中溶质浓缩到过饱和状态，直到使溶质从溶剂中直接分离结晶。
膜蒸馏过程可以处理浓度极高的水溶液，且只要膜两侧维持适当的温差，膜蒸馏过程就可以进行，可以广泛利用各种太阳能，地热能及电厂余热。由于电站存在大量低品位热源，这些热源可以加热料液以维持膜两侧的适当温差，因而需要设计适应电站需求的高效膜蒸馏系统，以提高膜蒸馏效率及膜蒸馏的通量
多效膜蒸馏为在膜蒸馏的基础上，同时结合海水淡化中的多效蒸发原理，将传统膜蒸馏过程与多效蒸发技术耦合，实现膜蒸馏过程产生的蒸汽冷凝与原料液的预热过程相结合，有效地回收利用膜蒸馏过程产生蒸汽的相变潜热，从而提高过程的能量利用率，减少了冷却水大量消耗和蒸汽潜热大量热量损失。
专利号CN108246106A,专利名称“一种真空式多效膜蒸馏系统”公布了一种多效膜蒸馏系统，实现了回收蒸汽的显热和潜热用于加热原料液，能量的回收利用率，降低膜蒸馏过程的能耗与冷却水消耗。但由于蒸汽的反复利用存在损失，造成下一效料液的温度低于上一效料液的温度。膜蒸馏的效率逐级递减。下一效膜蒸馏的渗透通量会有显著下降。这不利于膜蒸馏的高效进行。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出一种基于过程集成的高效真空膜蒸馏系统，包括：多效膜蒸馏组件和多效汽水换热器，在膜蒸馏组件中对料液进行加热，在汽水换热器中对料液再进行加热，其中，膜蒸馏组件的料液输送到同效的汽水换热器，下一效膜蒸馏组件的料液来源是上一效汽水换热器，下一效汽水换热器的蒸汽来源是上一效膜蒸馏组件和上一效汽水换热器。
可选地，膜蒸馏组件具有料液入口、料液出口和抽汽口，汽水换热器具有蒸汽入口、料液入口、料液出口和排水口，同效膜蒸馏组件的料液出口连接到同效的汽水换热器的料液进口，上一效膜蒸馏组件的抽汽口连接到下一效汽水换热器的蒸汽入口，上一效汽水换热器的料液出口连接到下一效膜蒸馏组件的料液入口，上一效汽水换热器的排水口中的汽体引入到下一效汽水换热器的蒸汽入口。
可选地，多效效汽水换热器的的排水口连接到水箱。
可选地，最后一效膜蒸馏组件的料液出口连接到冷却水水箱，并通过水泵抽回到第一效膜蒸馏组件的料液入口。
可选地，所述膜蒸馏组件包括：依次叠加的料液通道、汽侧通道和蒸馏膜；其中料液通过料液进口进入料液通道，汽侧通道内充满高温蒸汽，料液通道内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口排出，经过蒸馏膜渗透至汽侧通道的蒸汽经由抽汽口抽出。
可选地，料液进口、料液出口和抽汽口位于膜蒸馏组件侧面。
可选地，料液进口和料液出口位于膜蒸馏组件侧面的对角侧。
可选地，所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜的四角为圆角。
本发明的优点在于，第一效膜蒸馏产生的蒸汽加热第二效的出口料液，第二效膜蒸馏产生的蒸汽第三效的出口料液，蒸汽的汽化潜热梯级释放到料液中。同时在电站存在大量低品位热源的基础上，匹配相应品位的热源用于加热各效料液到相同温度，在保证能量得到回收利用的同时保证了各效入口料液的温度，即保证各效膜蒸馏的效率。这种高效多效膜蒸馏系统保证各效膜蒸馏运行在指定温度间，效率高，膜通量大。
本发明利用了真空膜蒸馏过程中释放的汽化潜热重新加热了料液水，是对热量的有效利用。同时效间真空梯级减小，使得汽化潜热充分释放，经真空泵后进入汽水换热器压力上升，残留蒸汽可以充分冷凝。本发明通过不同效料液水的温度提高了不同效的真空膜蒸馏效率。
附图说明
为了更容易理解本发明，将通过参照附图中示出的具体实施方式更详细地描述本发明。这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，不应认为对本发明保护范围的限制。
图1为本发明的膜蒸馏系统的结构示意图。
图2为本发明的高效真空膜蒸馏组件的结构示意图。
图3为图2中的高效真空膜蒸馏组件的俯视图。
图4为图3中的高效真空膜蒸馏组件各个位置的截面图。
图5为图2中的高效真空膜蒸馏组件各个位置的截面图。
图6为两个高效真空膜蒸馏组件的一种结合方式的示意图。
图7为串联的两个高效真空膜蒸馏组件的截面图。
图8为显示了图7中的流体的流动示意图。
图9为并联的两个高效真空膜蒸馏组件件的截面图。
图10为图9中的流体的流动示意图。
图11为膜表面的速度分布图。
图12为改进的真空膜蒸馏装置的结构示意图。
附图标记
1-一效膜蒸馏组件，2-二效膜蒸馏组件，3-三效膜蒸馏组件，4-四效膜蒸馏组件，5-一效汽水换热器，6-二效汽水换热器，7-三效汽水换热器，8-四效汽水换热器，9～10-节流阀，11-冷却水水箱，12-真空泵，13-水泵，14-加热器，15- 水箱，101-料液进口，102-料液出口，103-抽汽口，104-料液通道，105-汽侧通道， 106-蒸馏膜，107-水侧通道，108-隔板，109-管道壁面，110-料液，111-蒸馏气体， 112-PTEE膜。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的实施方式，其中相同的部件用相同的附图标记表示。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合。
如图1所示，本发明的膜蒸馏装置包括多个膜蒸馏组件和汽水换热器。
在本发明的装置中，每一效(每一级的意思)膜蒸馏组件具有一个入口(料液入口)和两个出口(料液出口和抽汽口)。每一效的汽水换热器具有两个入口 (蒸汽入口和料液入口)和两个出口(料液出口和排水口)。
料液水的流程的流程如下。料液经加热器14加热到90℃后，进入一效膜蒸馏组件1(可以是真空的)。一效膜蒸馏组件1的料液入口连接到加热器14，接收料液输入，一效膜蒸馏组件1的料液出口连接到一效汽水换热器5的料液入口。一效膜蒸馏组件1的抽汽口经由节流阀9连接到二效汽水换热器6，作为蒸汽进入二效汽水换热器6。
其中，对于一效汽水换热器5的来说，其各个接口连接方式为：一效汽水换热器5的蒸汽入口连接到外部的蒸汽源，一效汽水换热器5的料液入口连接到一效膜蒸馏组件1的料液出口，一效汽水换热器5的排水口连接到二效汽水换热器 6的蒸汽入口，一效汽水换热器5的排水口中的蒸汽可以作为二效汽水换热器6 的蒸汽的来源之一。一效汽水换热器5的排水口中凝结的水流向水箱15。
蒸汽的流程如下。蒸汽进入一效汽水换热器5加热，蒸汽经过蒸汽口进入二效膜蒸馏组件2。以此类推。
料液水从一效膜蒸馏组件1的出口水出来后，进入一效汽水换热器5换热。接着依次进入二效膜蒸馏组件2，二效汽水换热器6，三效膜蒸馏组件3，三效汽水换热器7，四效膜蒸馏组件4，四效汽水换热器8，然后进入水箱13，通过水泵13打回至料液水加热器14进行再次加热。完成料液水侧循环。
从一效真空膜蒸馏组件1出来的料液水、一效真空膜蒸馏组件1中产生的蒸汽、一效汽水换热器5内未凝结的蒸汽一起经节流阀9进入二效汽水换热器6，依此类推，进入三效汽水换热器7后，剩余蒸汽同三效膜蒸馏组件3和四效膜蒸馏组件4产生的蒸汽一起经真空泵12送入汽水换热器8完全冷凝成水。
凝结水的流程如下。在各换热器内会产生凝结水，一效汽水换热器5、二效汽水换热器6、三效汽水换热器7、四效汽水换热器8的凝结水经由各自的排水口汇流在一起收集，进入水箱15。
在本发明的装置中，本发明特别适用于电场，因为电场的热量是非常富裕的，因此，本发明要考虑的是把电场的过剩热量来把料液和蒸汽加热到90度，大大提高多效膜蒸馏系统的效率。因为随时每一效温度是降低的，第一效温差合适，而下面的每一效温差变低，蒸馏膜效率变低。另外，通过对蒸汽的回收利用，也利用了余热，环保节能。通过对每一效的蒸汽进行加热，保证了每一效的料液温度是相同的，热应力好，密封性好。
另外，如果不加热到所需温度，温差不稳定，则膜蒸馏组件的使用寿命和工作效率会大大降低。而且这个加热是利用温差来进行。如果膜两侧的温度不稳定，膜蒸馏组件的使用寿命和工作效率会大大降低。而且，如果膜两侧的温度不达到一定温度(例如90度)，则膜蒸馏组件的使用寿命和工作效率会大大降低。而且，通过实验，如果加热到90度，比80度的效率大的多。
下面来说明图1中的膜蒸馏组件。该膜蒸馏组件每一个水侧通道两侧均为汽侧通道，每一个汽侧通道两侧均为水侧通道。这可以大幅度增加单位体积的膜面积。使得基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件结构紧凑，产水能力增强。同时基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件的料液的进口及出口设计在膜蒸馏组件的侧面，可以减小料液侧的进口阻力损失，同时也可以保证料液在膜蒸馏组件内均匀流动。另外几个膜蒸馏组件可以自由拼接在一起。构成串联或并联管道。串联可以最大限度利用料液侧的热量。并联可以提高水处理能力。
如图1所示的该基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件的立体图，本发明的基于流道优化设计的高效真空膜蒸馏组件由依次叠加的料液通道104、汽侧通道105和蒸馏膜106组成。叠加后的结构两侧由不导热的材料(例如塑料)封装。料液进口101、料液出口102及抽汽口103均布置在膜蒸馏组件侧面。膜蒸馏组件内部的具体结构如图2所示。图2显示了膜蒸馏组件的俯视图，图3显示了图 2中的料液进口、料液出口和抽汽口的截面图。料液由料液进口101进入后，均匀的分配至各料液通道104，料液通道104内的料液经过膜蒸馏，浓水汇集至料液出口102排出。经蒸馏膜106透至汽侧通道105的蒸汽经由抽汽口103抽出送至冷凝器。
本发明没有引入冷凝器，由于本发明只涉及一种真空式膜蒸馏组件，该组件主要涉及膜蒸馏过程中料液蒸发，跨膜及蒸汽被真空泵抽走的过程，不涉及之后蒸汽的冷凝。
在图3所示的实施例中，一个可真空膜蒸馏组件可以包括：5个汽侧通道，5 个料液通道，9片蒸馏膜。蒸馏膜大小为500×500mm。上下部均为塑料制成的流道，流道上开三个孔，分别为料液进口，料液出口及抽汽口。当然也可以根据需要设置汽侧通道和料液通道的数量。
本发明的技术特点在于汽侧通道和水侧通道间隔布置，可以成倍增加单位体积内的膜面积，有利于提高产水量。同时，料液入口，料液出口设置在膜蒸馏组件的对角侧，同时在膜蒸馏组件侧面开口，这种设计方式的优势在于可以使得料液均匀匀速的进入膜蒸馏组件内进行膜蒸馏。
同时，这种设计使得该空膜蒸馏组件可以自由的进行串联和并联装配。装配方式如图5-9所示。图6-7显示了两个真空膜蒸馏组件并列布置，若将第一个真空膜蒸馏组件的料液入口与第二个真空膜蒸馏组件的料液入口相连，第一个真空膜蒸馏组件的料液出口与第二个真空膜蒸馏组件的料液出口相连，抽汽口相连，构成并联膜结构。该种构造方式可以显著提高膜蒸馏组件的处理水量。
若将第一个真空膜蒸馏组件的料液出口与第二个真空膜蒸馏组件的料液入口相连，抽汽口与抽汽口相连，则构成串联结构，如图5和图8-9所示，串联结构可以有效利用料液热量。料液侧通道两侧均为膜，可以通过两侧进行膜蒸馏，增大了膜蒸馏的有效膜面积。
例如，在四个膜组件串联运行，料液进口温度90℃，料液出口温度50℃，料液流速为100L/h的条件下，同等大小的常规平板膜有效膜面积为4m2，渗透通量为20L/h。该新型高效真空膜蒸馏系统的有效膜面积为8m2。膜面积增加了1 倍。相应的，渗透通量为40L/h，也增加了1倍。该新型高效真空膜蒸馏系统可以大幅提高单位膜组件体积的有效膜面积。膜组件占地面积更小，前期投资更少。
本发明的结构非常简单、实用、灵活(可以任意并联或串联)，而且没有温差带来的混沌。
该发明成倍的提高了真空平板式膜蒸馏的有效蒸馏面积，使得平板式膜蒸馏固有的蒸馏面积小，渗透通量小的问题得到了解决。同时，由于组件内部温度梯度小，减少了导热带来的损失，进而进一步提高了膜蒸馏的效率。
经过理论计算。若没有利用潜热去加热下一级料液。将电耗折合成汽耗，该膜蒸馏装置的造水比理论值为1。采用本发明所示的高效真空膜蒸馏系统，该膜蒸馏装置的造水比可达3.6。能源利用效率显著提高。
进一步，本发明对真空膜蒸馏结构进行了优化设计。具体的，选取一组膜结构为研究对象，对其内部料液流动进行了数值模拟。发现膜组件的边角地带存在流动死区，流动死区部分的料液不流动，会导致该部分料液浓度大幅度提升，最终达到饱和或过饱和状态，析出的晶体会堵塞料液通道，污染膜孔表面，进而导致膜组件的失效，膜表面的速度分布如图11所示。进一步的，构建了组件优化的新型真空膜蒸馏装置，如图12所示，图12是改进的料液侧流道图片，四角进行了优化改进，进行了光滑处理，把四个角改为圆角。料液通道内的不均匀性得到了显著改善，料液流速为1m/s时，速度不均匀系数从0.74降低至0.5。料液通道内部料液流动得到明显改善。料液流速为0.2m/s时，速度不均匀系数从0.72 降低至0.48。料液流动的均匀性将大幅提高膜蒸馏的效率。
以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，包括：多效膜蒸馏组件和多效汽水换热器，在膜蒸馏组件中对料液进行加热，在汽水换热器中对料液再进行加热，其中，
膜蒸馏组件的料液输送到同效的汽水换热器，下一效膜蒸馏组件的料液来源是上一效汽水换热器，下一效汽水换热器的蒸汽来源是上一效膜蒸馏组件和上一效汽水换热器。
2.根据权利要求1所述的高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，
膜蒸馏组件具有料液入口、料液出口和抽汽口，汽水换热器具有蒸汽入口、料液入口、料液出口和排水口，
同效膜蒸馏组件的料液出口连接到同效的汽水换热器的料液进口，上一效膜蒸馏组件的抽汽口连接到下一效汽水换热器的蒸汽入口，上一效汽水换热器的料液出口连接到下一效膜蒸馏组件的料液入口，上一效汽水换热器的排水口中的汽体引入到下一效汽水换热器的蒸汽入口。
3.根据权利要求1所述的高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，
多效效汽水换热器的的排水口连接到水箱。
4.根据权利要求1所述的高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，
最后一效膜蒸馏组件的料液出口连接到冷却水水箱，并通过水泵抽回到第一效膜蒸馏组件的料液入口。
5.根据权利要求1所述的高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，所述膜蒸馏组件包括：
依次叠加的料液通道(104)、汽侧通道(105)和蒸馏膜(106)；
其中料液通过料液进口(101)进入料液通道(104)，汽侧通道(105)内充满高温蒸汽，料液通道(104)内的料液经过膜蒸馏后汇集至料液出口(102)排出，经过蒸馏膜(106)渗透至汽侧通道(105)的蒸汽经由抽汽口(103)抽出。
6.根据权利要求5所述的高效真空膜蒸馏系统，其特征在于，
料液进口(101)、料液出口(102)和抽汽口(103)位于膜蒸馏组件侧面。
7.根据权利要求6所述的高效真空膜蒸馏系统，其位置在于，料液进口(101)和料液出口(102)位于膜蒸馏组件侧面的对角侧。
8.根据权利要求5所述的高效真空膜蒸馏系统，其位置在于，
所述新型真空膜蒸馏结构的蒸馏膜(106)的四角为圆角。
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