CN111644066B - 一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法 - Google Patents

一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种真空‑曝气式膜蒸馏装置及其使用方法，涉及膜蒸馏技术领域。本发明的目的是要解决现有真空式膜蒸馏装置由于膜污染问题影响膜通量、进而影响蒸馏效率，以及经气液分离器分离后的水蒸气无法得到有效利用的问题。方法：待处理液体蒸发产生的热流体透过平板膜进入到水蒸气透过室中，并在真空泵的吸力作用下进入到气液分离器中发生冷凝相变，产生的冷凝水通过气液分离器的下出口进入到液相分离收集装置中，产生的热蒸汽通过气液分离器的上出口进入到蒸汽压缩机中进行压缩升温，经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机出口端的管路进入到原料液室内待处理液体的底部。本发明可获得一种真空‑曝气式膜蒸馏装置及其使用方法。

Description

一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及膜蒸馏技术领域，具体涉及一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法。
背景技术
水资源匮乏是目前极为严重的一个问题。在我国，淡水资源大概为28000亿立方米，位居世界第六位。但是，我国人均水资源占有量仅为2300立方米，仅占世界平均水平的四分之一。因此，废水的处理显得尤为重要，其中，含盐废水如果不经过妥善处理排放，含盐量超标，将会对土壤、地下水等造成难以挽回的损失。
膜分离技术是在20世纪初出现的一种技术，并于20世纪60年代后迅速崛起。其中，膜蒸馏技术尤为突出，并逐渐应用于各个领域。在膜蒸馏过程中，膜的一侧是温度较高的热料液，料液中水分在膜表面汽化，由于膜两侧的温度不同，会产生蒸汽压差，通过压力的作用使得蒸汽穿过膜孔到达膜的另一侧。根据对穿过膜的蒸汽处理方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触式膜蒸馏、真空式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏等形式。
在以上的膜蒸馏过程中，直接接触式膜蒸馏形式结构简单，主要用于脱盐或浓缩水溶液，但是原料液的热量有相当一部分通过跨膜导热损失掉，热效率及系统的能量利用率都相对较低。气隙式膜蒸馏膜的透过侧与冷却水之间有一冷却板，透过膜孔的水蒸气直接在冷却板上冷凝，但是膜通量低，结构复杂，用于处理溶液的成本较高。气扫式膜蒸馏是干燥气体直接通入膜的透过侧吹扫，透过的水蒸气随着被带出后冷凝，有利于去除溶液中的挥发性物质，但是由于吹扫气与透过的水蒸汽混合，需要更大的冷凝器，因此想要实现工业化的难度较高。真空式膜蒸馏是在透过侧直接用真空泵抽真空，其挥发组分从水蒸气透过室引出后冷凝，膜两侧的压差较大的传热损失低，且具有较大的膜通量，因此近年来受到了广泛的关注，且得到了良好的发展。但是，难以避免的膜污染问题始终影响真空式膜蒸馏的蒸馏效果，一直无法得到良好的解决，并且经气液分离器分离后的水蒸气无法得到有效利用，造成热能的浪费。
发明内容
本发明的目的是要解决现有真空式膜蒸馏装置由于膜污染问题影响膜通量、进而影响蒸馏效率，以及经气液分离器分离后的水蒸气无法得到有效利用的问题，而提供一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法。
一种真空-曝气式膜蒸馏装置，包括真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机，所述真空膜蒸馏单元包括原料液室、平板膜、水蒸气透过室、真空泵、气液分离器和液相分离收集装置；所述原料液室的底部设置有加热装置，原料液室和水蒸气透过室之间设有平板膜，水蒸气透过室的出口端通过管路与真空泵的进口端连通，真空泵的出口端通过管路与气液分离器连通，气液分离器的下出口通过管路与液相分离收集装置连通，气液分离器的上出口通过管路与蒸汽压缩机的进口端连通，蒸汽压缩机出口端连接的管路伸入至原料液室的底部。
一种真空-曝气式膜蒸馏装置的使用方法，按以下步骤完成：
向原料液室内注入待处理液体，启动原料液室底部的加热装置，当待处理液体升温至65℃～90℃时，待处理液体蒸发产生的热流体透过平板膜进入到水蒸气透过室中，并在真空泵的吸力作用下进入到气液分离器中发生冷凝相变，产生的冷凝水通过气液分离器的下出口进入到液相分离收集装置中，产生的热蒸汽通过气液分离器的上出口进入到蒸汽压缩机中进行压缩升温，经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机出口端的管路进入到原料液室内待处理液体的底部；直至原料液室内的待处理液体全部蒸发，关闭加热装置、真空泵、气液分离器和蒸汽压缩机，完成对待处理液体的膜蒸馏处理。
本发明的有益效果：
一、本发明一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法，在现有真空式膜蒸馏装置的基础上增设蒸汽压缩机，对待处理液体进行膜蒸馏处理过程中，经气液分离器冷凝相变产生的热蒸汽，再经蒸汽压缩机的压缩升温后进入到原料液室内待处理液体的底部，对待处理液体进行适当曝气和扰动，从而带动平板膜的波动，使膜蒸馏过程中附着在平板膜上的膜污染物质得以脱落，在一定程度上缓解了真空式膜蒸馏装置的膜污染问题，进而增大膜通量，膜通量比现有真空式膜蒸馏装置的膜通量提高71％～92％，同时，对待处理液体的扰动可以增大原料液室内待处理液体的蒸发面积，加快蒸发效率，缩短膜蒸馏处理时间，提高生产效率；另外，经蒸汽压缩机压缩升温后的热蒸汽可以作为原料液室内的部分热源，通过真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机的结合，实现了对蒸汽相变热和能量的回收利用，回收热量可达90％以上，节约原料液室内待处理液体加热所需要的能源。
二、本发明通过真空式膜蒸馏和曝气式膜蒸馏相结合，使得真空式膜蒸馏热损失少的特点和曝气式膜蒸馏膜污染问题控制良好的优点完美结合，解决了现有真空式膜蒸馏技术的瓶颈问题，提高了生产效率，节约了能源，增大了膜通量。同时，该真空-曝气式膜蒸馏装置具有投资少、安全可靠、操作简单以及易于维护等特点；本发明相较于现有的气隙式膜蒸馏装置膜通量更高，在相同膜蒸馏处理条件下，膜通量可提高一倍以上；本发明相较于现有的气扫式膜蒸馏装置，占地面积小，结构简单，易于实现工业化。
本发明可获得一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法。
附图说明
图1为实施例二利用真空-曝气式膜蒸馏装置对待处理液体进行膜蒸馏处理的流程示意图；
图2为现有真空式膜蒸馏装置对待处理液体进行膜蒸馏处理的流程示意图。
其中，1为原料液室，2为平板膜，3为水蒸气透过室，4为真空泵，5为气液分离器，6为蒸汽压缩机，7为液相分离收集装置。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种真空-曝气式膜蒸馏装置，包括真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机6，所述真空膜蒸馏单元包括原料液室1、平板膜2、水蒸气透过室3、真空泵4、气液分离器5和液相分离收集装置7；所述原料液室1的底部设置有加热装置，原料液室1和水蒸气透过室3之间设有平板膜2，水蒸气透过室3的出口端通过管路与真空泵4的进口端连通，真空泵4的出口端通过管路与气液分离器5连通，气液分离器5的下出口通过管路与液相分离收集装置7连通，气液分离器5的上出口通过管路与蒸汽压缩机6的进口端连通，蒸汽压缩机6出口端连接的管路伸入至原料液室1的底部。
本实施方式的真空膜蒸馏单元采用无壳式真空膜蒸馏单元，也可以采用有壳式中空纤维膜单元等市面常见的膜蒸馏单元，效果相同。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述液相分离收集装置7为产水罐。
其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点是：所述蒸汽压缩机6出口端连接的管路上设置有流量计。
其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式一种真空-曝气式膜蒸馏装置的使用方法，按以下步骤完成：
向原料液室1内注入待处理液体，启动原料液室1底部的加热装置，当待处理液体升温至65℃～90℃时，待处理液体蒸发产生的热流体透过平板膜2进入到水蒸气透过室3中，并在真空泵4的吸力作用下进入到气液分离器5中发生冷凝相变，产生的冷凝水通过气液分离器5的下出口进入到液相分离收集装置7中，产生的热蒸汽通过气液分离器5的上出口进入到蒸汽压缩机6中进行压缩升温，经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机6出口端的管路进入到原料液室1内待处理液体的底部；直至原料液室1内的待处理液体全部蒸发，关闭加热装置、真空泵4、气液分离器5和蒸汽压缩机6，完成对待处理液体的膜蒸馏处理。
本实施方式经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机6出口端的管路进入到原料液室1内待处理液体的底部，除了可以作为原料液室1内的部分热源，还对待处理液体进行适当曝气，从而带动平板膜2的波动，将膜蒸馏过程中附着在平板膜2上的膜污染物质得以脱落，防止平板膜2结垢，在一定程度上的减少膜污染问题，进而增大膜通量；同时，对待处理液体的扰动可以增大原料液室1内待处理液体的蒸发面积，加快蒸发效率，缩短处理时间。
本实施方式的有益效果：
一、本实施方式一种真空-曝气式膜蒸馏装置及其使用方法，在现有真空式膜蒸馏装置的基础上增设蒸汽压缩机6，对待处理液体进行膜蒸馏处理过程中，经气液分离器5冷凝相变产生的热蒸汽，再经蒸汽压缩机6的压缩升温后进入到原料液室1内待处理液体的底部，对待处理液体进行适当曝气和扰动，从而带动平板膜2的波动，使膜蒸馏过程中附着在平板膜2上的膜污染物质得以脱落，在一定程度上缓解了真空式膜蒸馏装置的膜污染问题，进而增大膜通量，膜通量比现有真空式膜蒸馏装置的膜通量提高71％～92％，同时，对待处理液体的扰动可以增大原料液室1内待处理液体的蒸发面积，加快蒸发效率，缩短膜蒸馏处理时间，提高生产效率；另外，经蒸汽压缩机6压缩升温后的热蒸汽可以作为原料液室1内的部分热源，通过真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机6的结合，实现了对蒸汽相变热和能量的回收利用，回收热量可达90％以上，节约原料液室1内待处理液体加热所需要的能源。
二、本实施方式通过真空式膜蒸馏和曝气式膜蒸馏相结合，使得真空式膜蒸馏热损失少的特点和曝气式膜蒸馏膜污染问题控制良好的优点完美结合，解决了现有真空式膜蒸馏技术的瓶颈问题，提高了生产效率，节约了能源，增大了膜通量。同时，该真空-曝气式膜蒸馏装置具有投资少、安全可靠、操作简单以及易于维护等特点；本实施方式相较于现有的气隙式膜蒸馏装置膜通量更高，在相同膜蒸馏处理条件下，膜通量可提高一倍以上；本实施方式相较于现有的气扫式膜蒸馏装置，占地面积小，结构简单，易于实现工业化。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同点是：所述液相分离收集装置7为产水罐。
其他步骤与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同点是：所述蒸汽压缩机6出口端的管路上设置有流量计。
其他步骤与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同点是：所述经压缩升温后的热蒸汽在蒸汽压缩机6出口端管路内的线速度为3m/s～5m/s。
其他步骤与具体实施方式四至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同点是：所述待处理液体为自来水、海水、化工废水或冷却系统排出水。
其他步骤与具体实施方式四至七相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种真空-曝气式膜蒸馏装置，包括真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机6，所述真空膜蒸馏单元包括原料液室1、平板膜2、水蒸气透过室3、真空泵4、气液分离器5和产水罐；所述原料液室1的底部设置有加热装置，原料液室1和水蒸气透过室3之间设有平板膜2，水蒸气透过室3的出口端通过管路与真空泵4的进口端连通，真空泵4的出口端通过管路与气液分离器5连通，气液分离器5的下出口通过管路与产水罐连通，气液分离器5的上出口通过管路与蒸汽压缩机6的进口端连通，蒸汽压缩机6出口端连接的管路伸入至原料液室1的底部，蒸汽压缩机6出口端连接的管路上设置有流量计。
实施例二：利用实施例一一种真空-曝气式膜蒸馏装置对化工废水进行膜蒸馏处理，按以下步骤完成：
向原料液室1内注入化工废水，启动原料液室1底部的加热装置，当化工废水升温至65℃～90℃时，化工废水蒸发产生的热流体(水蒸气)透过平板膜2进入到水蒸气透过室3中，并在真空泵4的吸力作用下进入到气液分离器5中发生冷凝相变，产生冷凝水和热蒸汽，产生的冷凝水通过气液分离器5的下出口进入到产水罐中，产生的热蒸汽通过气液分离器5的上出口进入到蒸汽压缩机6中进行压缩升温，经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机6出口端的管路进入到原料液室1内化工废水的底部，对化工废水进行曝气，蒸汽压缩机6出口端的管路上设置有流量计，通过流量计控制经压缩升温后的热蒸汽在蒸汽压缩机6出口端管路内的线速度为5m/s；持续进行膜蒸馏处理，直至原料液室1内的化工废水全部蒸发，关闭加热装置、真空泵4、气液分离器5和蒸汽压缩机6，完成对化工废水的膜蒸馏处理。
膜通量的测试：
以化工废水为测试对象，采用图2中现有真空式膜蒸馏装置进行膜通量测试，向原料液室1内注入化工废水，然后启动原料液室1底部的加热装置和真空泵4，利用电子天平实时记录气液分离器5内存水的质量变化，并根据该质量变化计算膜蒸馏运行中膜的渗透通量(即膜通量)，得出膜通量为65～70L/(m2·h)。
同样以化工废水为测试对象，采用实施例一真空-曝气式膜蒸馏装置进行膜通量测试，在相同的膜蒸馏处理条件以及膜通量测试条件下，得出膜通量为120～125L/(m2·h)。通过先后两次膜通量的数据对比可以得出，本实施例中通过经压缩升温后的热蒸汽对原料液室1底部化工废水的曝气和扰动，从而带动平板膜2的波动，使膜蒸馏过程中附着在平板膜2上的膜污染物质得以脱落，在一定程度上缓解了膜污染的问题，进而增大膜通量，本实施例中膜通量比现有真空式膜蒸馏装置的膜通量提高71％～92％。

Claims (4)

1.一种真空-曝气式膜蒸馏装置，其特征在于它包括真空膜蒸馏单元和蒸汽压缩机(6)，所述真空膜蒸馏单元包括原料液室(1)、平板膜(2)、水蒸气透过室(3)、真空泵(4)、气液分离器(5)和液相分离收集装置(7)；所述原料液室(1)的底部设置有加热装置，原料液室(1)和水蒸气透过室(3)之间设有平板膜(2)，水蒸气透过室(3)的出口端通过管路与真空泵(4)的进口端连通，真空泵(4)的出口端通过管路与气液分离器(5)连通，气液分离器(5)的下出口通过管路与液相分离收集装置(7)连通，气液分离器(5)的上出口通过管路与蒸汽压缩机(6)的进口端连通，蒸汽压缩机(6)出口端连接的管路伸入至原料液室(1)的底部，蒸汽压缩机(6)出口端连接的管路上设置有流量计。
2.根据权利要求1所述的一种真空-曝气式膜蒸馏装置，其特征在于所述液相分离收集装置(7)为产水罐。
3.如权利要求1所述的一种真空-曝气式膜蒸馏装置的使用方法，其特征在于该使用方法按以下步骤完成：
向原料液室(1)内注入待处理液体，启动原料液室(1)底部的加热装置，当待处理液体升温至65℃～90℃时，待处理液体蒸发产生的热流体透过平板膜(2)进入到水蒸气透过室(3)中，并在真空泵(4)的吸力作用下进入到气液分离器(5)中发生冷凝相变，产生的冷凝水通过气液分离器(5)的下出口进入到液相分离收集装置(7)中，产生的热蒸汽通过气液分离器(5)的上出口进入到蒸汽压缩机(6)中进行压缩升温，经压缩升温后的热蒸汽通过蒸汽压缩机(6)出口端的管路进入到原料液室(1)内待处理液体的底部，经压缩升温后的热蒸汽在蒸汽压缩机(6)出口端管路内的线速度为3m/s～5m/s，蒸汽压缩机(6)出口端的管路上设置有流量计；直至原料液室(1)内的待处理液体全部蒸发，关闭加热装置、真空泵(4)、气液分离器(5)和蒸汽压缩机(6)，完成对待处理液体的膜蒸馏处理，待处理液体为自来水、海水、化工废水或冷却系统排出水。
4.根据权利要求3所述的一种真空-曝气式膜蒸馏装置的使用方法，其特征在于所述液相分离收集装置(7)为产水罐。
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