CN104190259A - 减压多效膜蒸馏方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减压多效膜蒸馏方法及其装置，装置包括多级膜蒸馏组合元件、循环水泵、真空泵、循环加热水槽、换热器、产水泵、气液分离容器及连接管；膜蒸馏组合元件中设自上而下垂直流路的疏水膜和自下而上垂直流路的换热管；各个膜蒸馏组合元件间设料液连接管和产水连通管；方法包括料液流过膜蒸馏组合元件疏水膜流路时，在壳程负压作用下，发生膜蒸馏；蒸发的水蒸气进入壳程与换热管管壁接触，释放出相变热被冷凝，成为膜蒸馏产水；疏水膜流路中未蒸发料液，被蒸发降温后，流过换热管，吸热升温后进下级膜蒸馏组合元件疏水膜流路；由此逐级进行，使料液逐级浓缩后排放；同步实现料液浓缩与蒸发相变热充分利用，完成减压多效膜蒸馏。

Description

减压多效膜蒸馏方法及其装置

技术领域

本发明涉及膜蒸馏方法及其装置，尤其涉及一种用于水净化处理、化工分离浓缩液体与水淡化的减压多效膜蒸馏方法及其装置。

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，与普通蒸发器比较，膜蒸馏的一个最显著的特征是单位体积内的有效蒸发面积大，因而可以使装置在常压、较低温度的蒸发过程中高效地运行，且设备采用塑料材料，避免了金属材料在高盐度下的腐蚀问题。与反渗透相比，膜蒸馏是热驱动过程，操作压力低，因此设备费用也低，而且，膜蒸馏的操作压力低，脱盐率高，膜污染程度轻，对预处理的要求低。膜蒸馏是一种采用疏水微孔膜，以膜两侧蒸汽压力差为传质驱动力的膜分离过程。在微孔疏水膜两侧的蒸汽压差的驱动下，水蒸汽从被加热的料液一侧穿过疏水膜后再被冷凝为液态的分离过程。由于膜的疏水性，只有水蒸汽能透过膜孔，料液以及溶解在其中的非挥发性溶质无法穿过膜孔，所以膜蒸馏过程理论上可以对离子、大分子、胶体、细胞和其它非挥发物实现100％的脱除。微孔疏水膜在膜蒸馏过程中起两相之间的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传热与传质两种过程，温差极化与温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。

膜蒸馏过程可以处理浓度极高的水溶液，只要膜两侧维持适当的温差，膜蒸馏过程就可以进行，可以利用太阳能、地热、温泉、工厂余热和温热的工业废水等廉价能源。

膜蒸馏技术具有操作压力低，可得到99.99％的脱盐率和在良好操作条件下高于反渗透的水通量，显示了它作为反渗透技术的替代(大规模纯水制备)或补充技术(如用于船舶饮用水等)的应用潜力，在降低投资和运行费用，提高水的利用率，减少浓水排放方面，可望取得显著的经济效益和社会效益。

目前已经发展出五种常见的膜蒸馏操作方式，有直接接触式膜蒸馏、气隙式膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、减压膜蒸馏和吸收膜蒸馏。但是，至今为止，膜蒸馏技术都存在能耗高、疏水膜润湿后难以干燥等问题。如直接接触式膜蒸馏虽然工艺设备简单，但由于冷热源直接接触，使设备运行能耗较高；减压膜蒸馏虽然膜通量较大，但对疏水膜强度要求较高，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低；吸收膜蒸馏则存在吸收剂的再利用等问题。

膜蒸馏过程中水蒸气的相变热约为2600kJ/kg，远大于水的比热4kJ/kg.K。因此，膜蒸馏过程需要大量的外加冷却水来冷凝膜蒸馏的蒸汽，若以料液作为冷却水，将膜蒸馏过程中产生的水蒸气通过换热器与料液直接交换，如气隙式膜蒸馏，则料液不能全部吸收蒸汽潜热，为了提高造水比，必须降低疏水膜面与换热壁面间的温度差，这样则导致膜蒸馏通量低。因此，以适当方式回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，将其用于对料液的加热，是膜蒸馏技术实现工业化应用需要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种减压多效膜蒸馏方法及其装置，借鉴气隙式膜蒸馏原理，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与料液加热过程耦合,回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，利用液体减压多效蒸发原理，实现料液的蒸发降温、吸收相变热升温、再次蒸发降温、再次吸收相变热升温……，由此多级循环，同步实现料液的浓缩与蒸发相变热的充分利用，从而完成本发明的减压多效膜蒸馏过程。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明减压多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括多级膜蒸馏组合元件、循环水泵、真空泵、循环加热水槽、换热器、产水泵、气液分离容器以及相互之间的连接管；该膜蒸馏组合元件中设置自上而下垂直流路的疏水膜和自下而上垂直流路的换热管；各个膜蒸馏组合元件之间设有料液连接管和产水连通管。

前述的减压多效膜蒸馏装置，其中，所述循环水泵设置在循环加热水槽出水口与第一级膜蒸馏组合元件进水口之间的料液连接管上；循环加热水槽进水口与末级膜蒸馏组合元件换热管出水口之间设有料液连接管；

该末级膜蒸馏组合元件与外接换热器管程借助膜蒸馏产水连通管连接；外接换热器壳程进口与原水管连接，壳程出口通过连接管与末级膜蒸馏组合元件换热管进口接通；末级膜蒸馏组合元件设有浓水排出口连接浓水排出管；

所述气液分离容器分别通过产水连通管与外接换热器管程出口和真空泵连接，且设有产水口连接膜蒸馏产水排出管，该膜蒸馏产水排出管上设有产水泵。

前述的减压多效膜蒸馏装置，其中：所述多级膜蒸馏组合元件为2至50。

前述的减压多效膜蒸馏装置，其中：所述每一级膜蒸馏组合元件壳程内的产水连通管进出口液位存在高度差。

前述的减压多效膜蒸馏装置，其中：所述每隔三至五级膜蒸馏组合元件之间的料液连接管上设置一个增压泵。

前述的减压多效膜蒸馏装置，其中：所述倒数第2或3级膜蒸馏组合元件料液出口位置设置一个旁路。

本发明减压多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于：包括料液流过膜蒸馏组合元件中的疏水膜流路时，在壳程的负压作用下，发生膜蒸馏；蒸发出的水蒸气进入壳程，与换热管管壁接触，释放出相变热被冷凝，成为膜蒸馏产水；疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温后，流过换热管，吸热升温，然后进入下一级膜蒸馏组合元件的疏水膜流路；由此逐级进行，使料液逐级浓缩后排放。

前述的减压多效膜蒸馏方法，其中：还包括原水经外接换热器吸收膜蒸馏产水的余热后，直接补充进入末级膜蒸馏组合元件的换热管入口。

前述的减压多效膜蒸馏方法，其中：所述各级膜蒸馏组合元件中的膜蒸馏产水，通过连通管依次连通，最后由产水泵抽出；通过每级膜蒸馏组合元件中，产水连通管的进出口液位差与真空泵，实现各级膜蒸馏组合元件壳程的真空度控制；所述每一级膜蒸馏组合元件中，疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温幅度为5至20℃。

前述的减压多效膜蒸馏方法，其中：所述料液为经过加热的原水，该原水为自来水、海水、冷却***排出的热水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。

本发明是借鉴气隙式膜蒸馏原理，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与料液加热过程耦合,回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，利用液体减压多效蒸发原理，实现料液的蒸发降温、吸收相变热升温，再次蒸发降温、再次吸收相变热升温……，由此多级循环，同步实现料液的浓缩与蒸发相变热的充分利用，从而完成减压多效膜蒸馏过程，达到在高造水比条件下，保持较高的膜蒸馏通量，实现高效低能耗膜蒸馏，热量回收率高的功效。

本发明减压多效膜蒸馏方法的工作原理：从循环加热水槽出来的料液，经循环水泵，送入第一级膜蒸馏组合元件中的疏水膜流路中，自上而下流经疏水膜流路，在第一级膜蒸馏组合元件壳程的负压作用下，发生膜蒸馏，蒸发出的水蒸气透过疏水膜的膜孔，进入第一级膜蒸馏组合元件壳程，然后与换热管壁接触，加热换热管中的料液，水蒸气自身则被冷凝，释放相变热，成为第一级膜蒸馏产水。疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温后，则在第一级膜蒸馏组合元件中，自下而上流过换热管，因其温度低于相同水平高度位置的换热管外的水蒸气温度，因而吸热升温，然后，流出第一级膜蒸馏组合元件。通过本发明的膜蒸馏组合元件设计，从第一级膜蒸馏组合元件中流出的料液温度，仅稍低于进入第一级膜蒸馏组合元件的进口温度。

从第一级膜蒸馏组合元件中流出的料液，继续进入第二级膜蒸馏组合元件，同样，自上而下流经疏水膜流路，在第二级膜蒸馏组合元件壳程的负压作用下，发生膜蒸馏，蒸发出的水蒸气透过疏水膜的膜孔，进入第二级膜蒸馏组合元件壳程，然后与换热管壁接触，加热换热管中的料液，水蒸气自身则被冷凝，释放相变热，成为第二级膜蒸馏产水。疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温后，则在第二级膜蒸馏组合元件中，自下而上流过换热管，因其温度低于相同水平高度位置的换热管外的水蒸气温度，因而吸热升温，然后，流出第二级膜蒸馏组合元件。从第二级膜蒸馏组合元件中流出的料液温度，仅稍低于进入第二级膜蒸馏组合元件的进口温度。

由此逐级进行，料液逐级降温，并得到浓缩。

原水经外接换热器吸收膜蒸馏产水的余热后，直接补充进入末级膜蒸馏组合元件的换热管入口。

第一级膜蒸馏组合元件中的膜蒸馏产水通过连通管进入第二级膜蒸馏组合元件壳程，第二级膜蒸馏组合元件中的膜蒸馏产水通过连通管进入第三级膜蒸馏组合元件壳程，以此类推，最后进入末级膜蒸馏组合元件中，再由产水泵抽出，经外接换热器与原水换热后，由气液分离容器，分别连接产水管和真空泵。在每级膜蒸馏组合元件中，产水连通管的进口液位都要高于产水连通管的出口液位。类似低温多效蒸发装置的产水管设置。通过每级膜蒸馏组合元件中产水连通管的进出口液位差与真空泵设置，实现各级膜蒸馏组合元件壳程的真空度梯级控制。

依据实际需要，可以设置多级膜蒸馏组合元件，但至少需要两级。可以为2至50级，通过适当的级数设置，可以兼顾得到高造水比与高膜蒸馏通量。

由于料液管道输送路径较长，需要在膜蒸馏组合元件级间适当的位置配置一个或多个增压水泵。一般在3至5级膜蒸馏组合元件级间配置一个增压水泵。

为了提高装置的总体功效，可以在倒数第2或3级膜蒸馏组合元件料液出口位置，设置旁路，使部分较高温度的料液直接返回加热水槽，另一部分料液依旧进入下一级膜蒸馏组合元件，对料液进行进一步浓缩。在末级膜蒸馏组合元件，膜蒸馏后的料液，30至100％作为浓水排出***，其余料液与新补充的原水混合降温后，进入换热管。

膜蒸馏过程冷热端，即疏水膜两侧温差越大，同时，真空度越高，膜蒸馏通量越大。由此工艺，保障了在每一级膜蒸馏过程中都具有较高的冷热端温度差，同时，通过真空度控制可以获得较高的膜蒸馏通量。通过多级设置，实现膜蒸馏相变热的充分回收，从而可获得较高造水比。克服现有气隙式膜蒸馏工艺中，为提高造水比，只能降低每一级膜蒸馏过程中的冷热端温度差，导致膜蒸馏通量较低的问题。

换热管可以采用金属材料，也可以采用塑料空心纤维，如聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯空心纤维材料等。

本发明使用的疏水膜，可以是中空纤维膜、管式膜、板框平板膜、卷式平板膜。

换热管如采用塑料空心纤维，最好采用导热性能更好的、具有空隙结构的塑料空心纤维。如通过湿法纺丝得到的聚偏氟乙烯塑料空心纤维，具有可高达80％以上的空隙率，使用时，在空隙率中填充液体水，可显著提高聚偏氟乙烯塑料空心纤维的导热性能，提高换热效率。

本发明提出的减压多效膜蒸馏方法，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与料液加热过程耦合，在高造水比条件下，具有较高的膜蒸馏通量，同时，无需外加冷却水。通过本发明设计的多效膜蒸馏过程，可以实现高效、低能耗的膜蒸馏过程，热量回收率高。

附图说明

图1为本发明减压多效膜蒸馏装置一种工艺流程示意图。

图2为本发明减压多效膜蒸馏装置另一种工艺流程示意图。

图中主要标号说明：1为原水进水管，2为外接换热器，3为循环加热水槽，5为循环水泵，6和7为增压水泵，8为产水泵，9为真空泵。11为第一级膜蒸馏组合元件、12为第二级膜蒸馏组合元件、13为第三级膜蒸馏组合元件，14为流程当中某一级膜蒸馏组合元件，其料液出口设置有旁路管53，15为末级膜蒸馏组合元件。21为第一级膜蒸馏组合元件中的换热管，23为第三级膜蒸馏组合元件中的换热管，24为流程当中某一级膜蒸馏组合元件中的换热管，其料液出口设置有旁路管53，25为末级膜蒸馏组合元件中的换热管。31为第一级膜蒸馏组合元件中的疏水膜、32为第二级膜蒸馏组合元件中的疏水膜、33为第三级膜蒸馏组合元件中的疏水膜，34为流程当中某一级膜蒸馏组合元件中的疏水膜，35为末级膜蒸馏组合元件中的疏水膜。41为第一级与第二级膜蒸馏组合元件之间的膜蒸馏产水连通管，42为第二级与第三级膜蒸馏组合元件之间的膜蒸馏产水连通管，43为第三级与第四级膜蒸馏组合元件之间的膜蒸馏产水连通管，44为流程当中某两级膜蒸馏组合元件中之间的膜蒸馏产水连通管，45为末级膜蒸馏组合元件与产水泵之间的膜蒸馏产水连通管。50为气液分离容器，51为装置膜蒸馏产水排出管，52为装置浓水排出管，53旁路，A原水，B产水，C浓水。

具体实施方式

本发明提出的多效膜蒸馏方法，依据实际需要，可以设置多级膜蒸馏组合元件，但至少需要两级。下面根据本发明的多效膜蒸馏装置工艺流程示意图进行说明。图1、图2均是本发明的多效膜蒸馏装置工艺流程示意图，二者的管路连接稍有不同。

如图1所示，从循环加热水槽3出来的料液，温度为60至95℃，经循环水泵5，送入第一级膜蒸馏组合元件11中的疏水膜流路中，自上而下流经疏水膜流路31，在第一级膜蒸馏组合元件11壳程的负压作用下，发生膜蒸馏，蒸发出的水蒸气透过疏水膜的膜孔，进入第一级膜蒸馏组合元件壳程，然后与换热管21管壁接触，加热换热管中的料液，水蒸气自身则被冷凝，释放相变热，成为第一级膜蒸馏产水。疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温5至20℃后，则在第一级膜蒸馏组合元件11中，自下而上流过换热管21，因其温度低于相同水平高度位置的换热管外的水蒸气温度，因而吸热升温，然后，流出第一级膜蒸馏组合元件11。通过本发明的膜蒸馏组合元件设计，从第一级膜蒸馏组合元件中流出的料液温度，仅稍低于进入第一级膜蒸馏组合元件的进口温度，温度差为5至10℃。

从第一级膜蒸馏组合元件11换热管21中流出的料液，继续进入第二级膜蒸馏组合元件12中的疏水膜流路中，同样，自上而下流经疏水膜流路，在第二级膜蒸馏组合元件12壳程的负压作用下，发生膜蒸馏，蒸发出的水蒸气透过疏水膜的膜孔，进入第二级膜蒸馏组合元件壳程，然后与换热管管壁接触，加热换热管中的料液，水蒸气自身则被冷凝，释放相变热，成为第二级膜蒸馏产水。疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温5至20℃后，则在第二级膜蒸馏组合元件12中，自下而上流过换热管，因其温度低于相同水平高度位置的换热管外的水蒸气温度，因而吸热升温，然后，流出第二级膜蒸馏组合元件，进入第三级膜蒸馏组合元件。从第二级膜蒸馏组合元件中流出的料液温度，仅稍低于进入第二级膜蒸馏组合元件的进口温度，温度差为5至10℃。

由此逐级进行，料液逐级降温，并得到浓缩。

原水A经外接换热器2吸收膜蒸馏产水的余热后，直接补充进入末级膜蒸馏组合元件15的换热管25入口。

第一级膜蒸馏组合元件11中的膜蒸馏产水通过连通管41进入第二级膜蒸馏组合元件12壳程，第二级膜蒸馏组合元件12中的膜蒸馏产水通过连通管42进入第三级膜蒸馏组合元件13壳程，以此类推，最后进入末级膜蒸馏组合元件15中，由产水管45，经外接换热器2与原水换热后，经过气液分离容器50，再由产水泵8抽出，由气液分离容器50，分别连接产水管51、产水泵8和真空泵9。在每级膜蒸馏组合元件中，产水连通管的进口液位都要高于产水连通管的出口液位，类似低温多效蒸发装置的产水管设置。通过每级膜蒸馏组合元件中产水连通管的进出口液位差与真空泵9，实现各级膜蒸馏组合元件壳程的真空度梯级控制。

依据实际需要，可以设置多级膜蒸馏组合元件，但至少需要两级，可以为2至50级，通过适当的级数设置，可以兼顾得到高的造水比与高的膜蒸馏通量。

由于料液管道输送路径较长，需要在膜蒸馏组合元件级间适当的位置配置一个或多个增压水泵，如图中所示的增压水泵6和7。

为了提高总体装置功效，可以在适当的某一级膜蒸馏组合元件14料液出口位置，设置旁路53，使部分较高温度的料液直接返回循环加热水槽3，另一部分料液依旧进入下一级膜蒸馏组合元件，对料液进行进一步浓缩。在末级膜蒸馏组合元件15，膜蒸馏后的料液，部分作为浓水C，由浓水管52排出***，另一部分料液与新补充的原水混合降温后，进入换热管25。

如图2所示，只是管路的连接方法与图1稍有区别。从循环加热水槽3出来的60至95℃料液，经循环水泵5，送入第一级膜蒸馏组合元件11中的疏水膜流路中，发生膜蒸馏，疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温5至20℃后，直接进入第二级膜蒸馏组合元件12的疏水膜管路中，继续进行膜蒸馏，疏水膜流路中未蒸发的料液，再次被蒸发降温5至20℃后，回到第一级膜蒸馏组合元件中，作为冷却液体自下而上流过换热管，吸热升温后，进入第三级膜蒸馏组合元件疏水膜流路中，继续进行膜蒸馏。这样，从第一级膜蒸馏组合元件开始，其换热管中冷却液体来自下一级膜蒸馏组合元件，与图1管路连接方法相比具有更低的温度，因而具有更好的降温作用；从第三级膜蒸馏组合元件开始，其疏水膜流路中的料液，是被前两级更高温度的蒸气所加热，与图1管路连接方法相比具有更高的温度，因而具有更好的蒸发作用。即图2管路连接方法与图1相比，可以使蒸发料液与冷却料液之间具有更大的温度差。

在末级膜蒸馏组合元件中，疏水膜流路中未蒸发的料液，分为三路，其一作为浓水排出，其二作为冷却液体进入本级换热管，其三作为冷却液体返回上一级的换热管。

图2中的其余部分，与图1相同。

在本发明的膜蒸馏装置中，料液经加热的自来水、海水、冷却***排出的热水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。

本发明实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种减压多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括多级膜蒸馏组合元件、循环水泵、真空泵、循环加热水槽、换热器、产水泵、气液分离容器以及相互之间的连接管；该膜蒸馏组合元件中设置自上而下垂直流路的疏水膜和自下而上垂直流路的换热管；各个膜蒸馏组合元件之间设有料液连接管和产水连通管。

2.根据权利要求1所述的减压多效膜蒸馏装置，其特征在于，所述循环水泵设置在循环加热水槽出水口与第一级膜蒸馏组合元件进水口之间的料液连接管上；循环加热水槽进水口与末级膜蒸馏组合元件换热管出水口之间设有料液连接管；

该末级膜蒸馏组合元件与外接换热器管程借助膜蒸馏产水连通管连接；外接换热器壳程进口与原水管连接，壳程出口通过连接管与末级膜蒸馏组合元件换热管进口接通；末级膜蒸馏组合元件设有浓水排出口连接浓水排出管；

所述气液分离容器分别通过料液连接管与外接换热器壳程出口和真空泵连接，且设有产水口连接膜蒸馏产水排出管，该膜蒸馏产水排出管上设有产水泵。

3.根据权利要求1所述的减压多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述多级膜蒸馏组合元件为2至50。

4.根据权利要求1所述的减压多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述每一级膜蒸馏组合元件壳程内的产水连通管进出口液位存在高度差。

5.根据权利要求1所述的减压多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述每隔三至五级膜蒸馏组合元件之间的料液连接管上设置一个增压泵。

6.根据权利要求1所述的减压多效膜蒸馏装置，其特征在于：所述倒数第2或3级膜蒸馏组合元件料液出口位置设置一个旁路。

7.一种减压多效膜蒸馏工艺方法，其特征在于：包括料液流过膜蒸馏组合元件中的疏水膜流路时，在壳程的负压作用下，发生膜蒸馏；蒸发出的水蒸气进入壳程，与换热管管壁接触，释放出相变热被冷凝，成为膜蒸馏产水；疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温后，流过换热管，吸热升温，然后进入下一级膜蒸馏组合元件的疏水膜流路；由此逐级进行，使料液逐级浓缩后排放。

8.根据权利要求7所述的减压多效膜蒸馏方法，其特征在于：还包括原水经外接换热器吸收膜蒸馏产水的余热后，直接补充进入末级膜蒸馏组合元件的换热管入口。

9.根据权利要求7所述的减压多效膜蒸馏方法，其特征在于：所述各级膜蒸馏组合元件中的膜蒸馏产水，通过连通管依次连通，最后由产水泵抽出；通过每级膜蒸馏组合元件中，产水连通管的进出口液位差与真空泵，实现各级膜蒸馏组合元件壳程的真空度控制；所述每一级膜蒸馏组合元件中，疏水膜流路中未蒸发的料液，被蒸发降温幅度为5至20℃。

10.根据权利要求7所述的减压多效膜蒸馏方法，其特征在于：所述料液为经过加热的原水，该原水为自来水、海水、冷却***排出的热水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液。