CN117463154A - 一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统及其工作方法，包括第一原料罐、第二原料罐、第三原料罐、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一真空膜组件、第二真空膜组件、第三真空膜组件、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一凝水罐、第二凝水罐、第三凝水罐、蒸汽压缩机和真空泵。本发明通过梯级回收利用了真空膜组件内部二次蒸汽潜热，不仅提高了产水量，还降低了蒸发能耗，具有分离效率高、运行能耗低及运行稳定性强等优点，可广泛应用于废水处理、海水淡化等行业。
Description
技术领域
本发明涉及节能环保技术领域，尤其涉及一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统及其工作方法。
背景技术
随着世界人口的增加和工业科技的发展，淡水资源缺乏备受关注。目前，石化、钢铁、造纸及氯碱等领域在生产加工过程中会产生大量的工业废水，将其直接排放，不仅浪费资源，还污染环境。因此，回收处理工业废水是解决淡水资源匮乏问题的一种有效途径。
真空膜蒸馏是一种新兴的工业废水处理技术，在真空负压环境下，借助疏水微孔膜，通过膜两侧蒸汽压差的驱动，将膜热侧表面溶液蒸发的水蒸汽驱动至膜冷侧，从而实现溶液的高纯分离，具有操作条件温和、分离效率高、耐腐蚀性强等优势。但由于现有的真空膜蒸馏系统产水量低、内部二次蒸汽潜热未被有效利用，蒸发能耗高，导致其运行成本高，从而限制了真空膜蒸馏技术进一步的产业化应用。
机械蒸汽再压缩(MVR)作为一种高效节能蒸发技术，主要通过机械压缩过程来提高蒸发产生的二次蒸汽的温度、压力和焓值，再将其作为热源加热原液，由于回收了大量的二次蒸汽潜热，节能效果非常显著，但目前MVR系统中常规的分离器分离效率较低，导致二次蒸汽中掺杂部分腐蚀性的杂质分子损坏蒸汽压缩机，最终导致系统瘫痪，因此，MVR系统仍然难以蒸发处理带有腐蚀性的溶液。
因此，真空膜蒸馏和MVR技术结合起来对工业废水进行蒸发和浓缩，采用真空膜蒸馏技术提高溶液的分离效率的同时，采用MVR技术降低蒸发过程运行能耗。然而，如何实现真空膜蒸馏技术与MVR技术的高效耦合将是各行业面临的难点问题。鉴于此，我们提出一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统及其工作方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，以解决的技术问题。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，包括第一原料罐、第二原料罐、第三原料罐、第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一真空膜组件、第二真空膜组件、第三真空膜组件、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第一凝水罐、第二凝水罐、第三凝水罐、蒸汽压缩机和真空泵；
所述第一原料罐的出口与所述第一循环泵的进口连通，所述第一循环泵的出口与所述第一控制阀的进口连通，所述第一控制阀的出口与所述与所述第一真空膜组件的进口连通，所述第一真空膜组件的第一溶液出口与所述第三换热器的冷侧进口连通，所述第三换热器的冷侧出口与所述第一原料罐的进口连通；
所述第一真空膜组件的蒸汽出口与所述第一换热器的热侧进口连通，所述第一换热器的热侧出口与第二凝水罐进口连通，所述第二凝水罐的出口通过三通阀分别与所述第二真空膜组件的蒸汽出口、所述第二换热器的热侧进口连通，所述第一换热器的冷侧出口与所述第二原料罐的进口连通，所述第二原料罐的出口与所述第二循环泵的进口连通，所述第二循环泵的出口与所述第二控制阀的进口连通，所述第二控制阀的出口与所述第二真空膜组件的溶液进口连通，所述第二真空膜组件的溶液出口与所述第一换热器的冷侧进口连通；
所述第二换热器的热侧出口与所述第三凝水罐的进口连通，所述第三凝水罐的出口通过三通阀分别与所述第三真空膜组件的蒸汽出口、所述蒸汽压缩机的进口连通，所述蒸汽压缩机的出口与所述第三换热器的进口连通，所述第三换热器的出口与所述第一凝水罐的进口连通，所述第一凝水罐的出口与所述真空泵的进口连通，所述真空泵的出口与所述第四控制阀的进口连通，所述第二换热器的冷侧出口与所述第三原料罐的进口连通，所述第三原料罐的出口与所述第三循环泵的进口连通，所述第三循环泵的出口与所述第三控制阀的进口连通，所述第三控制阀的出口与所述第三真空膜组件的溶液进口连通，所述第三真空膜组件的溶液出口与第二换热器的冷侧进口连通。
本发明设计的多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，通过在一定的负压环境下，经外部热源预热至一定温度的原料液依次充入第一原料罐、第二原料罐和第三原料罐中，再分别经第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵加压进入真空膜组件中进行蒸馏处理，第一真空膜组件所产蒸汽加热第二真空膜组件所产浓缩液，第二真空膜组件所产蒸汽加热第三真空膜组件浓缩液，而第三真空膜组件所产蒸汽蒸汽压缩机增温增压后加热第一真空膜组件浓缩液，通过梯级回收利用了真空膜组件内部二次蒸汽潜热，不仅提高了产水量，还降低了蒸发能耗，具有分离效率高、运行能耗低及运行稳定性强等优点，可广泛应用于废水处理、海水淡化等行业。
本发明还提供一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一、首先分别向第一原料罐、第二原料罐和第三原料罐中充入要求浓度和温度的原料液；
步骤二、同时开启第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵、第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀，原料液以一定的流速充满第一真空膜组件、第二真空膜组件和第三真空膜组件；
步骤三、开启第四控制阀和真空泵，将系统抽至一定的负压状态，第一真空膜组件中溶液的水分子在热侧膜表面蒸发，并在膜两侧蒸气压差的驱动下，通过膜孔到达冷侧，再进入第一换热器加热来自第二真空膜组件的浓缩液，而第二真空膜组件所产的二次蒸汽进入第二换热器加热来自第三真空膜组件的浓缩液，而第三真空膜组件所产的二次蒸汽进入蒸汽压缩机进行压缩增温增压，提高焓值，然后再进入第一换热器加热来自第一真空膜组件的浓缩液。
本发明的上述系统可以利用自身蒸汽潜热作为热源加热原料液，可以自行完成蒸发浓缩过程。
优选地，所述第一原料罐、第二原料罐和第三原料罐的结构相同，且原料罐的内壁敷设有保温材料。
优选地，所述第一真空膜组件、第二真空膜组件和第三真空膜组件的结构相同，且每个真空膜均由多根中空纤维膜丝组成，每根膜丝均由聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及聚丙烯制备而成，真空膜的膜孔径不高于0.2μm。
优选地，所述第一真空膜组件至第三真空膜组件冷侧的绝对压力逐渐降低，所述第一真空膜组件至第三真空膜组件冷侧所产二次蒸汽温度逐渐降低。
优选地，所述第一凝水罐、第二凝水罐和第三凝水罐的结构相同，且凝水罐的内壁敷设有保温材料。
优选地，所述系统在初始阶段采用外部热源预热原料液，待系统运行稳定之后，通过梯级利用第一真空膜组件、第二真空膜组件和第三真空膜组件所产二次蒸汽潜热加热原料液。
优选地，所述系统用于处理盐溶液、硫酸、硝酸、盐酸或氢氧化钠溶液。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明设计的多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，通过在一定的负压环境下，经外部热源预热至一定温度的原料液依次充入第一原料罐、第二原料罐和第三原料罐中，再分别经第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵加压进入真空膜组件中进行蒸馏处理，第一真空膜组件所产蒸汽加热第二真空膜组件所产浓缩液，第二真空膜组件所产蒸汽加热第三真空膜组件浓缩液，而第三真空膜组件所产蒸汽蒸汽压缩机增温增压后加热第一真空膜组件浓缩液，通过梯级回收利用了真空膜组件内部二次蒸汽潜热，不仅提高了产水量，还降低了蒸发能耗，具有分离效率高、运行能耗低及运行稳定性强等优点，可广泛应用于废水处理、海水淡化等行业。
附图说明
图1为本发明的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统实施例的结构示意图。
图中标号说明：
101、第一原料罐；102、第二原料罐；103、第三原料罐；201、第一循环泵；202、第二循环泵；203、第三循环泵；301、第一控制阀；302、第二控制阀；303、第三控制阀；304、第四控制阀；401、第一真空膜组件；402、第二真空膜组件；403、第三真空膜组件；501、第一换热器；502、第二换热器；503、第三换热器；601、第一凝水罐；602、第二凝水罐；603、第三凝水罐；7、蒸汽压缩机；8、真空泵。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，包括第一原料罐101、第二原料罐102、第三原料罐103、第一循环泵201、第二循环泵202、第三循环泵203、第一控制阀301、第二控制阀302、第三控制阀303、第四控制阀304、第一真空膜组件401、第二真空膜组件402、第三真空膜组件403、第一换热器501、第二换热器502、第三换热器503、第一凝水罐601、第二凝水罐602、第三凝水罐603、蒸汽压缩机7和真空泵8。
具体的，第一原料罐101的出口通过管道与第一循环泵201的进口连通，第一循环泵201的出口通过管道与第一控制阀301的进口连通，第一控制阀301的出口通过管道与与第一真空膜组件401的进口连通，第一真空膜组件401的第一溶液出口通过管道与第三换热器503的冷侧进口连通，第三换热器503的冷侧出口通过管道与第一原料罐101的进口连通；第一真空膜组件401的蒸汽出口通过管道与第一换热器501的热侧进口连通，第一换热器501的热侧出口通过管道与第二凝水罐602进口连通，第二凝水罐602的出口通过三通阀分别与第二真空膜组件402的蒸汽出口、第二换热器502的热侧进口连通，第一换热器501的冷侧出口通过管道与第二原料罐102的进口连通，第二原料罐102的出口通过管道与第二循环泵202的进口连通，第二循环泵202的出口通过管道与第二控制阀302的进口连通，第二控制阀302的出口通过管道与第二真空膜组件402的溶液进口连通，第二真空膜组件402的溶液出口通过管道与第一换热器501的冷侧进口连通；第二换热器502的热侧出口通过管道与第三凝水罐603的进口连通，第三凝水罐603的出口通过三通阀分别与第三真空膜组件403的蒸汽出口、蒸汽压缩机7的进口连通，蒸汽压缩机7的出口通过管道与第三换热器503的进口连通，第三换热器503的出口通过管道与第一凝水罐601的进口连通，第一凝水罐601的出口通过管道与真空泵8的进口连通，真空泵8的出口通过管道与第四控制阀304的进口连通，第二换热器502的冷侧出口通过管道与第三原料罐103的进口连通，第三原料罐103的出口通过管道与第三循环泵203的进口连通，第三循环泵203的出口通过管道与第三控制阀303的进口连通，第三控制阀303的出口通过管道与第三真空膜组件403的溶液进口连通，第三真空膜组件403的溶液出口通过管道与第二换热器502的冷侧进口连通。
本发明设计的多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，通过在一定的负压环境下，经外部热源预热至一定温度的原料液依次充入第一原料罐101、第二原料罐102和第三原料罐103中，再分别经第一循环泵201、第二循环泵202和第三循环泵203加压进入真空膜组件中进行蒸馏处理，第一真空膜组件401所产蒸汽加热第二真空膜组件402所产浓缩液，第二真空膜组件402所产蒸汽加热第三真空膜组件403浓缩液，而第三真空膜组件403所产蒸汽蒸汽压缩机7增温增压后加热第一真空膜组件401浓缩液，通过梯级回收利用了真空膜组件内部二次蒸汽潜热，不仅提高了产水量，还降低了蒸发能耗，具有分离效率高、运行能耗低及运行稳定性强等优点，可广泛应用于废水处理、海水淡化等行业。
第一原料罐101、第二原料罐102和第三原料罐103的结构相同，且原料罐的内壁敷设有保温材料。
第一真空膜组件401、第二真空膜组件402和第三真空膜组件403的结构相同，且每个真空膜均由多根中空纤维膜丝组成，每根膜丝均由聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及聚丙烯制备而成，真空膜的膜孔径不高于0.2μm；第一真空膜组件401至第三真空膜组件403冷侧的绝对压力逐渐降低，第一真空膜组件401至第三真空膜组件403冷侧所产二次蒸汽温度逐渐降低。
第一凝水罐601、第二凝水罐602和第三凝水罐603的结构相同，且凝水罐的内壁敷设有保温材料。
系统在初始阶段采用外部热源预热原料液，待系统运行稳定之后，通过梯级利用第一真空膜组件401、第二真空膜组件402和第三真空膜组件403所产二次蒸汽潜热加热原料液。
本发明的该系统用于处理盐溶液、硫酸、硝酸、盐酸或氢氧化钠溶液。
实施例2
本实施例提供一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤一、首先分别向第一原料罐101、第二原料罐102和第三原料罐103中充入要求浓度和温度的原料液；
步骤二、同时开启第一循环泵201、第二循环泵202、第三循环泵203、第一控制阀301、第二控制阀302和第三控制阀303，原料液以一定的流速充满第一真空膜组件401、第二真空膜组件402和第三真空膜组件403；
步骤三、开启第四控制阀304和真空泵8，将系统抽至一定的负压状态，第一真空膜组件401中溶液的水分子在热侧膜表面蒸发，并在膜两侧蒸气压差的驱动下，通过膜孔到达冷侧，再进入第一换热器501加热来自第二真空膜组件402的浓缩液，而第二真空膜组件402所产的二次蒸汽进入第二换热器502加热来自第三真空膜组件403的浓缩液，而第三真空膜组件403所产的二次蒸汽进入蒸汽压缩机7进行压缩增温增压，提高焓值，然后再进入第一换热器501加热来自第一真空膜组件401的浓缩液。
本发明的上述系统可以利用自身蒸汽潜热作为热源加热原料液，可以自行完成蒸发浓缩过程。
本发明实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统，其特征在于：包括第一原料罐(101)、第二原料罐(102)、第三原料罐(103)、第一循环泵(201)、第二循环泵(202)、第三循环泵(203)、第一控制阀(301)、第二控制阀(302)、第三控制阀(303)、第四控制阀(304)、第一真空膜组件(401)、第二真空膜组件(402)、第三真空膜组件(403)、第一换热器(501)、第二换热器(502)、第三换热器(503)、第一凝水罐(601)、第二凝水罐(602)、第三凝水罐(603)、蒸汽压缩机(7)和真空泵(8)；
所述第一原料罐(101)的出口与所述第一循环泵(201)的进口连通，所述第一循环泵(201)的出口与所述第一控制阀(301)的进口连通，所述第一控制阀(301)的出口与所述与所述第一真空膜组件(401)的进口连通，所述第一真空膜组件(401)的第一溶液出口与所述第三换热器(503)的冷侧进口连通，所述第三换热器(503)的冷侧出口与所述第一原料罐(101)的进口连通；
所述第一真空膜组件(401)的蒸汽出口与所述第一换热器(501)的热侧进口连通，所述第一换热器(501)的热侧出口与第二凝水罐(602)进口连通，所述第二凝水罐(602)的出口通过三通阀分别与所述第二真空膜组件(402)的蒸汽出口、所述第二换热器(502)的热侧进口连通，所述第一换热器(501)的冷侧出口与所述第二原料罐(102)的进口连通，所述第二原料罐(102)的出口与所述第二循环泵(202)的进口连通，所述第二循环泵(202)的出口与所述第二控制阀(302)的进口连通，所述第二控制阀(302)的出口与所述第二真空膜组件(402)的溶液进口连通，所述第二真空膜组件(402)的溶液出口与所述第一换热器(501)的冷侧进口连通；
所述第二换热器(502)的热侧出口与所述第三凝水罐(603)的进口连通，所述第三凝水罐(603)的出口通过三通阀分别与所述第三真空膜组件(403)的蒸汽出口、所述蒸汽压缩机(7)的进口连通，所述蒸汽压缩机(7)的出口与所述第三换热器(503)的进口连通，所述第三换热器(503)的出口与所述第一凝水罐(601)的进口连通，所述第一凝水罐(601)的出口与所述真空泵(8)的进口连通，所述真空泵(8)的出口与所述第四控制阀(304)的进口连通，所述第二换热器(502)的冷侧出口与所述第三原料罐(103)的进口连通，所述第三原料罐(103)的出口与所述第三循环泵(203)的进口连通，所述第三循环泵(203)的出口与所述第三控制阀(303)的进口连通，所述第三控制阀(303)的出口与所述第三真空膜组件(403)的溶液进口连通，所述第三真空膜组件(403)的溶液出口与第二换热器(502)的冷侧进口连通。
2.一种如权利要求1所述的多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、首先分别向第一原料罐(101)、第二原料罐(102)和第三原料罐(103)中充入要求浓度和温度的原料液；
步骤二、同时开启第一循环泵(201)、第二循环泵(202)、第三循环泵(203)、第一控制阀(301)、第二控制阀(302)和第三控制阀(303)，原料液以一定的流速充满第一真空膜组件(401)、第二真空膜组件(402)和第三真空膜组件(403)；
步骤三、开启第四控制阀(304)和真空泵(8)，将系统抽至一定的负压状态，第一真空膜组件(401)中溶液的水分子在热侧膜表面蒸发，并在膜两侧蒸气压差的驱动下，通过膜孔到达冷侧，再进入第一换热器(501)加热来自第二真空膜组件(402)的浓缩液，而第二真空膜组件(402)所产的二次蒸汽进入第二换热器(502)加热来自第三真空膜组件(403)的浓缩液，而第三真空膜组件(403)所产的二次蒸汽进入蒸汽压缩机(7)进行压缩增温增压，提高焓值，然后再进入第一换热器(501)加热来自第一真空膜组件(401)的浓缩液。
3.根据权利要求2所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述第一原料罐(101)、第二原料罐(102)和第三原料罐(103)的结构相同，且原料罐的内壁敷设有保温材料。
4.根据权利要求2所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述第一真空膜组件(401)、第二真空膜组件(402)和第三真空膜组件(403)的结构相同，且每个真空膜均由多根中空纤维膜丝组成，每根膜丝均由聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯及聚丙烯制备而成，真空膜的膜孔径不高于0.2μm。
5.根据权利要求4所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述第一真空膜组件(401)至第三真空膜组件(403)冷侧的绝对压力逐渐降低，所述第一真空膜组件(401)至第三真空膜组件(403)冷侧所产二次蒸汽温度逐渐降低。
6.根据权利要求2所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述第一凝水罐(601)、第二凝水罐(602)和第三凝水罐(603)的结构相同，且凝水罐的内壁敷设有保温材料。
7.根据权利要求2所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述系统在初始阶段采用外部热源预热原料液，待系统运行稳定之后，通过梯级利用第一真空膜组件(401)、第二真空膜组件(402)和第三真空膜组件(403)所产二次蒸汽潜热加热原料液。
8.根据权利要求2所述的一种多效真空膜蒸馏耦合机械蒸汽再压缩蒸发系统的工作方法，其特征在于：所述系统用于处理盐溶液、硫酸、硝酸、盐酸或氢氧化钠溶液。
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