CN112090284B - 基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法。该系统包括中空纤维膜组件、压缩式热泵系统、凝水抽真空收集系统以及原料液循环系统，其中压缩式热泵系统包括换热介质蒸发器、换热介质冷凝器、节流阀和压缩机；凝水抽真空收集系统包括蒸汽冷凝器、辅助风机冷却器、集液箱、真空泵；原料液循环系统包括料液箱、料液泵、料液预热器、浓缩液收集箱。本发明的方法能够利用热泵系统将低品位能量转化成高位热能，充分回收膜蒸馏过程的相变热，并用于膜蒸馏过程加热原料液和冷凝蒸汽，发挥热泵系统在余热回收和低品位能源有效利用等方面的优势，提高热能利用率，降低成本，节能降耗。

Description

基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法
技术领域
本发明涉及压缩式热泵、膜蒸馏及工业废水浓缩技术领域，特别涉及一种基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法。
背景技术
水资源作为工业生产过程中重要的原料、循环媒介以及产品和废料的排放载体，需用量巨大。近年来，我国工业规模不断扩展，随之而来的是水资源消耗量和工业废水产生量迅速增大，给当前的废水处理与利用带来了巨大挑战。工业废水中一般都含有各种有毒有害化学物质，对生态环境及人类健康有着巨大的危害，只做简单的达标排放已经不能满足现阶段国家的资源利用和生态保护标准了，需要进行无害化处理及再利用。浓缩过程作为废水处理的重要一步，可以将其中的化学物质进一步聚集，提高浓度，为后续处理中的物质提取过程节省能耗，同时还可以产生一定量的净水作为工业用水再利用。
传统的工业废水浓缩技术主要有自然蒸发、多级闪蒸(MSF)、多效蒸发(MED)、机械压缩蒸发(MVR)、电渗析(ED)以及反渗透(RO)等。自然蒸发技术虽然操作简单但蒸发速率受环境影响很大，效率偏低；而多级闪蒸和多效蒸发虽然技术成熟，但能耗高；机械压缩蒸发技术的设备投资费用较高；电渗析和反渗透技术存在对原水水质要求高以及膜污染严重等问题。
膜蒸馏技术(MD)是膜技术与传统蒸馏技术相结合的新型膜技术，多空疏水膜一侧与热的待处理料液直接接触(称为料液侧)，另一侧直接或间接地与冷的水溶液接触(称为透过侧)，料液侧溶液中易挥发组分在膜表面处汽化后通过膜孔进入渗透侧并被冷凝成液相，其它组分则被疏水膜挡在料液侧，从而实现料液浓缩或混合物分离提纯的目的。膜蒸馏是热量和质量同时传递的过程，传质推动力为膜两侧透过组分的蒸汽压差。由于膜蒸馏过程存在质量和热量传递，有相变发生，导致热能利用率仅为30％，需要配合热能回收装置以提高热能利用率。热泵是将低品位热能转变成高品位热能的装置。压缩式热泵系统是通过压缩机做功驱动热泵工质在热泵系统中循环流动，实现能量转移提升，消耗很少的电能，却能从环境介质(水、空气、土壤等)中提取4-7倍于电能的能量，连续高效制取热能和冷能。因此，将热泵装置应用于膜蒸馏过程形成热泵膜蒸馏系统，为膜蒸馏过程提供热源和冷源，即加热原料液和冷凝蒸汽，发挥热泵系统在余热回收和低品位能源有效利用等方面的优势，用来回收膜蒸馏过程的相变热，提高热能利用率。
通过以上分析，膜蒸馏技术可以用于工业废水处理领域，但涉及到工业废水进一步浓缩以及如何减少膜蒸馏系统能耗等，需要进一步的探索。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法。
本发明的技术方案概述如下：
基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法，其特征是，使用基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩系统进行工业废水处理，
基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩系统，包括中空纤维膜组件1、压缩式热泵系统、原料液循环系统、凝结水抽真空收集系统；
压缩式热泵系统包括蒸汽冷凝器2、原料液预热器3、节流阀4、压缩机5，蒸汽冷凝器2通过设置有压缩机5的换热介质管道与原料液预热器3连接，原料液预热器3通过设置有节流阀4的管路连接蒸汽冷凝器2；
原料液循环系统包括原料液预热器3、原料液循环泵7、浓缩液收集箱9、原料液箱10、原料液循环阀一12及料液循环阀二13、原料液阀14、浓缩液收集箱阀15、原料液箱阀16，原料液箱10通过设置有原料液箱阀16的原料液输出管道分别与辅助风机冷却器6和料液循环阀二13连接，辅助风机冷却器6通过原料液循环管道依次与原料液循环泵7、原料液阀14、原料液预热器3、原料液循环阀一12、中空纤维膜组件1入口连接，中空纤维膜组件1出口通过依次设置有料液循环阀二13和浓缩液收集箱阀15的回收管道与浓缩液收集箱9连接；
凝结水抽真空收集系统包括蒸汽冷凝器2、辅助风机冷却器6、真空泵8、凝结水箱11、凝结水阀17，蒸汽冷凝器2通过蒸汽管道与中空纤维膜组件连接，蒸汽冷凝器2通过凝结水管道依次与辅助风机冷却器6、凝结水箱11连接，凝结水箱连接设置有凝结水阀17和真空泵8的抽水管路；
工业废水处理按照如下步骤进行：
1)利用工厂废热将热泵的换热介质由20±5℃加热到60±5℃，在换热介质蒸发器与压缩机之间的管道流入压缩式热泵系统中循环，作为系统的换热介质。60±5℃的换热介质首先经过压缩机5压缩成高温高压状态(100±5℃)，之后在原料液预热器3中加热冷的原料液后温度降低，经过节流阀4后介质温度进一步降低变成低温低压流体(20±5℃)，在蒸汽冷凝器2中与来自中空纤维膜组件1的高温蒸汽进行换热后温度升高，再进入压缩机5压缩成高温高压状态，如此往复循环，可以为整个工业废水浓缩工艺系统提供热源和冷源；
2)工业废水原料液存储于原料液箱10中，在原料液循环泵7的作用下进入原料液预热器3进行预热，与热泵系统中的高温高压介质换热后，达到进料温度的工业废水进入中空纤维膜组件1管程内，在组件壳程真空作用下进行蒸发浓缩，高温蒸汽穿过中空纤维膜进入蒸汽管道，浓缩液流入原料液循环管道，一部分浓缩液排入浓缩液收集箱9进行收集，剩余浓缩液与新补充的工业废水原料液混合后再次进入原料液循环泵7，进行下一次循环蒸发浓缩；
3)中空纤维膜组件1中产生的高温水蒸汽从组件壳程进入蒸汽管道，之后再蒸汽冷凝器2中和热泵换热介质进行换热，大部分蒸汽被冷凝成液体，未被冷凝部分蒸汽在辅助风机冷却器6中继续冷凝成液体，并汇入凝结水收集箱11，凝结水收集箱上部连接有真空泵8装置，用于凝结水收集系统抽真空。
本发明的系统，将热泵能量提升装置应用于膜蒸馏系统并用于工业废水浓缩上，将热泵和膜蒸馏结合形成热泵膜蒸馏系统，由热泵将低品位热源变成高品位热源，为膜蒸馏系统提供蒸发热源和凝结冷源，在提供能量的同时回收膜蒸馏过程的相变热，降低膜蒸馏系统能耗，提高热利用率。利用热泵膜蒸馏系统将废水溶液浓缩至过饱和状态，部分化学溶质会在膜表面结晶，从而达到分离回收的作用。
附图说明
图1为基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩工艺系统示意图。
具体实施方式
以下通过附图对本发明作进一步的说明。
以下以煤化工高含盐废水为例，热泵系统采用水作为换热介质，对本发明进行说明：
如图1所示，用于煤化工高含盐废水浓缩的压缩式热泵膜蒸馏废水浓缩系统，包括中空纤维膜组件1、压缩式热泵系统、原料液循环系统、凝结水抽真空收集系统；
压缩式热泵系统包括蒸汽冷凝器2、原料液预热器3、节流阀4、压缩机5，蒸汽冷凝器2通过设置有压缩机5的换热介质管道与原料液预热器3连接，原料液预热器3通过设置有节流阀4的管路连接蒸汽冷凝器2；
原料液循环系统包括原料液预热器3、原料液循环泵7、浓缩液收集箱9、原料液箱10、原料液循环阀一12及料液循环阀二13、原料液阀14、浓缩液收集箱阀15、原料液箱阀16，原料液箱10通过设置有原料液箱阀16的原料液输出管道分别与辅助风机冷却器6和料液循环阀二13连接，辅助风机冷却器6通过原料液循环管道依次与原料液循环泵7、原料液阀14、原料液预热器3、原料液循环阀一12、中空纤维膜组件1入口连接，中空纤维膜组件1出口通过依次设置有料液循环阀二13和浓缩液收集箱阀15的回收管道与浓缩液收集箱9连接；
凝结水抽真空收集系统包括蒸汽冷凝器2、辅助风机冷却器6、真空泵8、凝结水箱11、凝结水阀17，蒸汽冷凝器2通过蒸汽管道与中空纤维膜组件连接，蒸汽冷凝器2通过凝结水管道依次与辅助风机冷却器6、凝结水箱11连接，凝结水箱连接设置有凝结水阀17和真空泵8的抽水管路。
工业废水处理按照如下步骤进行：
1)利用工厂废热将热泵的换热介质由20±5℃加热到60±5℃，在换热介质蒸发器与压缩机之间的管道流入压缩式热泵系统中循环，作为系统的换热介质。60±5℃的换热介质首先经过压缩机5压缩成高温高压状态(100±5℃)，之后在原料液预热器3中加热冷的原料液后温度降低，经过节流阀4后介质温度进一步降低变成低温低压流体(20±5℃)，在蒸汽冷凝器2中与来自中空纤维膜组件1的高温蒸汽进行换热后温度升高，再进入压缩机5压缩成高温高压状态，如此往复循环，可以为整个工业废水浓缩工艺系统提供热源和冷源；
2)工业废水原料液存储于原料液箱10中，在原料液循环泵7的作用下进入原料液预热器3进行预热，与热泵系统中的高温高压介质换热后，达到进料温度的工业废水进入中空纤维膜组件1管程内，在组件壳程真空作用下进行蒸发浓缩，高温蒸汽穿过中空纤维膜进入蒸汽管道，浓缩液流入原料液循环管道，一部分浓缩液排入浓缩液收集箱9进行收集，剩余浓缩液与新补充的工业废水原料液混合后再次进入原料液循环泵7，进行下一次循环蒸发浓缩；
3)中空纤维膜组件1中产生的高温水蒸汽从组件壳程进入蒸汽管道，之后再蒸汽冷凝器2中和热泵换热介质进行换热，大部分蒸汽被冷凝成液体，未被冷凝部分蒸汽在辅助风机冷却器6中继续冷凝成液体，并汇入凝结水收集箱11，凝结水收集箱上部连接有真空泵8装置，用于凝结水收集系统抽真空。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩方法，其特征是，使用基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩系统进行工业废水处理，
基于压缩式热泵的膜蒸馏工业废水浓缩系统包括中空纤维膜组件(1)、压缩式热泵系统、原料液循环系统、凝结水抽真空收集系统；
压缩式热泵系统包括蒸汽冷凝器(2)、原料液预热器(3)、节流阀(4)、压缩机(5)，蒸汽冷凝器(2)通过设置有压缩机(5)的换热介质管道与原料液预热器(3)连接，原料液预热器(3)通过设置有节流阀(4)的管路连接蒸汽冷凝器(2)；
原料液循环系统包括原料液循环泵(7)、浓缩液收集箱(9)、原料液箱(10)、原料液循环阀一(12)、料液循环阀二(13)、原料液阀(14)、浓缩液收集箱阀(15)、原料液箱阀(16)，原料液箱(10)通过设置有原料液箱阀(16)的原料液输出管道分别与辅助风机冷却器(6)和料液循环阀二(13)连接，辅助风机冷却器(6)通过原料液循环管道依次与原料液循环泵(7)、原料液阀(14)、原料液预热器(3)、原料液循环阀一(12)、中空纤维膜组件(1)入口连接，中空纤维膜组件(1)出口通过依次设置有料液循环阀二(13)和浓缩液收集箱阀(15)的回收管道与浓缩液收集箱(9)连接；
凝结水抽真空收集系统包括辅助风机冷却器(6)、真空泵(8)、凝结水箱(11)、凝结水阀(17)，蒸汽冷凝器(2)通过蒸汽管道与中空纤维膜组件连接，蒸汽冷凝器(2)通过凝结水管道依次与辅助风机冷却器(6)、凝结水箱(11)连接，凝结水箱连接设置有凝结水阀(17)和真空泵(8)的抽水管路；
工业废水处理按照如下步骤进行：
1)利用工厂废热将热泵的换热介质由20±5℃加热到60±5℃，在蒸汽冷凝器(2)与压缩机(5)之间的管道流入压缩式热泵系统中循环，作为系统的换热介质；60±5℃的换热介质首先经过压缩机(5)压缩成100±5℃的高温高压状态，之后在原料液预热器(3)中加热冷的原料液后温度降低，经过节流阀(4)后介质温度进一步降低变成20±5℃的低温低压流体，在蒸汽冷凝器(2)中与来自中空纤维膜组件(1)的高温蒸汽进行换热后温度升高，再进入压缩机(5)压缩成高温高压状态，如此往复循环，为整个工业废水浓缩工艺系统提供热源和冷源；
2)工业废水原料液存储于原料液箱(10)中，在原料液循环泵(7)的作用下进入原料液预热器(3)进行预热，与热泵系统中的高温高压介质换热后，达到进料温度的工业废水进入中空纤维膜组件(1)管程内，在组件壳程真空作用下进行蒸发浓缩，高温蒸汽穿过中空纤维膜进入蒸汽管道，浓缩液流入原料液循环管道，一部分浓缩液排入浓缩液收集箱(9)进行收集，剩余浓缩液与新补充的工业废水原料液混合后再次进入原料液循环泵(7)，进行下一次循环蒸发浓缩；
3)中空纤维膜组件(1)中产生的高温水蒸汽从组件壳程进入蒸汽管道，之后在蒸汽冷凝器(2)中和热泵换热介质进行换热，大部分蒸汽被冷凝成液体，未被冷凝部分蒸汽在辅助风机冷却器(6)中继续冷凝成液体，并汇入凝结水箱(11)，凝结水箱上部连接有真空泵(8)，用于凝结水收集系统抽真空。
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