CN111111451B - 一种减压多效膜蒸馏方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种减压多效膜蒸馏方法及其装置，在膜蒸馏组合元件的内部，热料液自上而下流动，流动过程中发生负压蒸发并被降温；产生的蒸汽通过换热壁对冷流体进行加热而自身被冷凝；同时冷料液自下而上流动，在被换热壁加热的同时，发生负压蒸发。热料液的蒸发降温与冷料液的被加热升温，是连续无级过程，可以实现高效的多效蒸发。本发明提出的减压多效膜蒸馏方法，通过将膜蒸馏过程中产生水蒸汽的冷凝与料液的加热过程相耦合,在高造水比条件下，具有较高的膜蒸馏通量，同时，可以显著减少外加冷却水用量。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。

Description

一种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，尤其涉及一种用于高盐度废水浓缩处理、工业物料分离浓缩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物料处理时的腐蚀问题。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。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蒸汽分压差，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。

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，由于分离过程中存在相变过程，至今为止，膜蒸馏技术都存在能耗高的问题。膜蒸馏过程中水蒸气的相变热约为2500kJ/kg，远大于水的比热4.2kJ/kg.K。因此，膜蒸馏过程不仅需要外加热源，还需要大量的外加冷却水来冷凝膜蒸馏的蒸汽。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，并减少冷却水用量，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技术存在的上述缺点，提供一种减压多效膜蒸馏方法及其装置。利用化工多效蒸发原理，将膜蒸馏过程中产生水蒸汽的冷凝与料液的加热过程相耦合,在大量减少冷却水用量的同时，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，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。

一种减压多效膜蒸馏装置，包括膜蒸馏组合元件，所述膜蒸馏组合元件为疏水膜、换热壁、疏水膜依次排列组成。

圆柱形膜蒸馏组合元件，中心是自上而下垂直流路的内层疏水膜，所述的内层疏水膜为中空纤维疏水膜或管式疏水膜，内层疏水膜外面是换热管，换热管外面是自下而上流路的外层疏水膜，所述的外层疏水膜为管式疏水膜，三者由内而外依次排列，构成一个组合，一个或多个组合平行排列构成一个管式膜蒸馏组合元件。

板框式膜蒸馏组合元件，由外层平板式疏水膜、换热板、内层平板式疏水膜、内层平板式疏水膜、换热板、外层平板式疏水膜依次平行排列构成一个组合，一个或多个组合平行排列构成一个平板式膜蒸馏组合元件。

无论是圆柱形膜蒸馏组合元件，还是板框式膜蒸馏组合单元，都可以将一个或多个膜蒸馏组合元件串联，形成连续的长流道。

所述的圆柱形膜蒸馏组合元件的内层疏水膜的热料液流道上部入口与热料液循环加热装置通过管路连接，内层疏水膜的热料液流道下部出口通过管路与换热器的热流体出水管路连通，然后连接至外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部的进口，外层疏水膜与换热壁所构成的流道的上部出口通过连接管与热料液循环加热装置连接，内层疏水膜与换热壁所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，外层疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，换热器的冷流体出口连接气液分离器，气液分离器的下部排水口连接接水容器，气液分离器的排气口连接真空泵，换热器的冷流体入口通过离心泵连接原水，换热器的热流体出口一路连接排水管路，另一路与外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部进口连接。

上述装置的蒸馏方法为热料液自上而下流过内层疏水膜的热料液流道，在内层疏水膜与换热壁之间的真空层的负压作用下，发生膜蒸馏并被降温；被蒸发降温后的料液通过浓水排放阀排出部分浓缩液后，大部分的浓缩液自下而上进入外层疏水膜与换热壁之间的冷料液流道，在外层疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间的真空层的负压作用下发生膜蒸馏，并同时在换热壁的加热作用下被加热，料液同步发生膜蒸馏并被升温，未蒸发的被浓缩料液返回热料液循环加热装置。

所述的板框式膜蒸馏组合元件的两内层平板式疏水膜所夹合构成的热料液流道上部入口与热料液循环加热装置通过管路连接，该热料液流道下部出口通过管路与换热器的热流体出水管路连通，然后连接至外层平板式疏水膜与换热板所夹合构成的流道下部的进口，该流道的上部出口通过连接管与热料液循环加热装置连接，内层平板式疏水膜与换热板所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，外层平板式疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，换热器的冷流体出口连接气液分离器，气液分离器的下部排水口连接接水容器，气液分离器的排气口连接真空泵，换热器的冷流体入口通过离心泵连接原水，换热器的热流体出口一路连接排水管路，另一路与外层平板式疏水膜与换热板所构成的流道下部进口连接。

上述装置的蒸馏方法为：热料液自上而下流过两内层平板式疏水膜夹合构成的的热料液流道，在内层平板式疏水膜与换热板之间的真空层的负压作用下，发生膜蒸馏并被降温；被蒸发降温后的料液通过浓水排放阀排出部分浓缩液后，大部分的浓缩液自下而上进入外层平板式疏水膜与换热板之间的冷料液流道，在外层平板式疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间的真空层的负压作用下发生膜蒸馏，并同时在换热板的加热作用下被加热，料液同步发生膜蒸馏并被升温，未蒸发的被浓缩料液返回热料液循环加热装置。

室温下的原水从换热器的冷流体入口进入，被加热后，从换热器的热流体出口流出，小部分由冷却水排放管排出，大部分与内层疏水膜内部流道下口流出的浓缩料液合并后，自下而上进入外层疏水膜与换热壁所构成的流道。

内层、外层疏水膜所蒸发产生的水蒸气分别进入内层疏水膜与换热壁所构成的真空层、外层疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳所构成的真空层，冷凝成为膜蒸馏产水，分别进入换热器降温，再经过气液分离器由接水容器收集。

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；

所述原水为自来水、海水、高盐度水或者需要浓缩或淡化处理的化工产品溶液

本发明的减压多效膜蒸馏方法的核心特征是：在膜蒸馏组合元件的内部，热料液自上而下流动，流动过程中发生负压蒸发并被降温；产生的蒸汽通过换热壁对冷流体进行加热而自身被冷凝；同时冷料液自下而上流动，在被换热壁加热的同时，发生负压蒸发。热料液的蒸发降温与冷料液的被加热升温，是连续无级过程，可以实现高效的多效蒸发。通过将膜蒸馏过程中产生水蒸汽的冷凝与料液的加热过程相耦合,在大量减少冷却水用量的同时，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热，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。

为了提高本发明的减压多效膜蒸馏过程的造水比，即减少冷却水用量并同步实现蒸发相变热的充分利用，膜蒸馏组合元件的长度应长于常规的减压膜蒸馏组件的长度。常规的减压膜蒸馏组件的长度一般不超过100厘米，本发明建议的膜蒸馏组合元件的长度为100至200厘米。如果单个膜蒸馏组合元件的长度不超过100厘米，可以将多个膜蒸馏组合元件串联，形成连续的长流道。

本发明使用的疏水膜，可以是中空纤维疏水膜，也可以采用管式、板框平板式和卷式疏水膜。

本发明使用的换热器可以是列管式，也可以是平板式。换热材料可以采用金属材料，也可以采用塑料，如聚丙烯、聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯等。如采用塑料中空纤维，最好采用导热性能更好的、具有空隙结构的塑料中空纤维。如通过湿法纺丝得到的聚偏氟乙烯塑料中空纤维，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中空纤维的导热性能，提高换热效率。

膜蒸馏组合元件中可以采用换热管，也可以采用换热板。

本发明的优点和有益效果：

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，显著减少外加冷却水用量。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示意图。

图2为圆柱形膜蒸馏组合单元33的构成示意图。

图3为多个圆柱形膜蒸馏组合单元33在壳体9内并列排布构成的圆柱形膜蒸馏组合元件的结构示意图。

图4为本发明板框式膜蒸馏组合单元的构成示意图。类似图3，多个平行排列的平板式膜蒸馏组合单元构成一个膜蒸馏组合元件。

图中主要标号说明：1为热料液循环加热槽，2为循环水泵，3为循环流量控制阀，4为循环流量计，5为连接管，6为热料液入口，7为连接管，8为外层回流液出口，9为膜蒸馏组合单元壳体，10为内层疏水膜，11为换热壁，12为外层疏水膜，13为外层疏水膜的膜蒸馏产水出口，14为连接管，15为内层疏水膜的膜蒸馏产水出口，16为连接管，17为换热器，18为真空泵，19为气液分离器，20为接水容器，21为换热器冷流体入口，22为原水离心泵，23为连接管，24为排水阀，25为冷却水排放管，26为换热器热流体出口，27为浓水排放阀，28、29、30为连接管，31为内层冷料液出口，32为外层冷料液入口，33为膜蒸馏组合的一个单元，其中包括内层疏水膜、换热管、外层管式疏水膜，多个平行排列的组合单元构成一个膜蒸馏组合，34为三通阀门。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种减压多效膜蒸馏装置，如图1所示，包括多个膜蒸馏组合元件、循环水泵2、真空泵18、热料液循环加热装置1、换热器17、原水离心泵22、气液分离器19、阀门以及相互之间的连接管。

多个膜蒸馏组合单元33并列安装在壳体9内，构成一个膜蒸馏组合元件，如图3，每一根膜蒸馏组合单元33的最中心部是自上而下垂直流路的内层疏水膜10，其外面是管式换热壁11，换热壁外面是自下而上流路的外层疏水膜12，如图2和3(圆柱形)和图4(板框式)。

壳体9上部设置有热料液入口6、外层回流液出口8，下部设置有内层冷料液出口31，内层膜蒸馏产水出口15，外层冷料液入口32，外层蒸馏产水出口13。

热料液入口6在壳体9外通过连接管5与热料液循环水加热槽1连接，在连接管5上安装有循环水泵2、循环流量控制阀3、循环流量计4，内层冷料液出口31与连接管30连接，连接管30分成两路支管，一路支管安装浓水排放阀27，另一路支管连接三通阀门34的其中一个进口，三通阀门34的另一进口与连接管28连接，三通阀门34的出口通过连接管29与外层冷料液入口32连接，外层冷料液入口32为外层疏水膜12与换热壁11所构成的流道进口，外层回流液出口8通过连接管7与热料液循环水加热槽1连接。

内层膜蒸馏产水出口15通过连接管16与连接管14相接。外层蒸馏产水出口13与连接管14连接。连接管14与换热器17的热流体入口连接，换热器17的冷流体出口连接气液分离器19，气液分离器19的排水口连接接水容器20，气液分离器19的排气口连接真空泵18。换热器17的冷流体入口21通过离心泵22连接原水，换热器17的热流体出口26与连接管23连接，连接管23分成两条支路，一路支管28与三通阀34连接，另一路支管25上安装排水阀24。

本装置的工艺流程为：

热料液循环水加热槽1中的热料液，依次经过循环水泵2提升压力、阀门3控制热料液流量、流量计4，通过连接管5从壳体9的热料液入口6，自上而下流过壳体9内膜蒸馏组合元件中的内层疏水膜10，在内层疏水膜10与换热壁11间的真空层的负压作用下，发生膜蒸馏并被换热壁11降温，形成膜蒸馏产水。内层中疏水膜10内被蒸发降温后的料液，从壳体9的内层冷料液出口31流出，通过浓水排放阀27排出部分浓缩液后，大部分的浓缩液经由连接管30和29，通过壳体9下端的外层冷料液入口32，自下而上进入膜蒸馏组合元件外层疏水膜12与换热壁11所构成的流道，在外层疏水膜12与外壳间的真空层的负压作用下发生膜蒸馏，并同时在换热壁11的加热作用下被加热，即料液同步发生膜蒸馏并被换热壁11加热升温，未蒸发的被浓缩料液，从壳体9的外层回流液出口8，经连接管7返回热料液循环水加热槽1。

内层疏水膜10发生膜蒸馏产生的水蒸气被换热壁11冷凝，成为膜蒸馏产水，从壳体9下端的内层膜蒸馏产水出口15，流经连接管16和连接管14，自上而下进入换热器17降温，再经过气液分离器19，由接水容器20收集。外层疏水膜12发生膜蒸馏产生的水蒸气从壳体9下侧的外层蒸馏产水出口13，流经连接管14，自上而下进入换热器17降温冷凝，再经过气液分离器19，由接水容器20收集。

室温下的原水经原水离心泵22提升压力后，从换热器17的下端冷流体入口21进入，被加热后，从换热器17的热流体出口26流入连接管23，部分料液作为冷却水由排水阀24控制排放量，由冷却水排放管25排出，其余料液则由连接管28，与内层疏水膜10膜蒸馏后的浓缩料液在三通阀处合并进入连接管29。同样，通过壳体9下端的外层冷料液入口32，自下而上进入外层疏水膜12与换热壁11的所构成的流道，在外层疏水膜12与外壳之间的真空层的负压作用下发生膜蒸馏，并同时被换热壁11所加热，即料液同步发生膜蒸馏并被升温，未蒸发的被浓缩料液，从壳体9的外层蒸馏液出口8，经连接管7返回热料液循环水加热槽1。

内层疏水膜10与换热壁11之间的真空层、外层疏水膜12与外壳之间的真空层，二者的负压均由真空泵18提供，膜蒸馏装置中的未凝气体由真空泵18排出膜蒸馏***。

控制壳体9的热料液入口6处的热料液温度为70至95℃，具体温度依据热源和料液性质而定，壳体9的下端内层冷料液出口31温度控制为30至50℃，壳体9的外层回流液出口8的温度控制在比热料液入口6的温度低2至20℃。

膜蒸馏组合元件下端内层膜蒸馏产水出口15和下侧的外层蒸馏产水出口13处，应尽量提供高的真空度，以提高膜蒸馏产水量。

控制换热器17的热流体出口26处的温度为30至50℃，维持热料液循环水加热槽1中液位恒定，多余的原水，通过排水阀24的控制，由排水管25返回原水的来源处。

热料液循环水加热槽中，料液的加热方式，可以是电加热、蒸汽加热、热水加热等。

通过以上控制，膜蒸馏装置的造水比最高可达20以上。按照常规的减压膜蒸馏工艺，获得一份膜蒸馏产水，大约需要30份的冷却水，按照本发明的工艺，甚至可以不需要冷却水，即经由阀门24从管路25中排出的水量甚至为零。

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，仅是本发明的较佳方式而已，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实施方式所作的任何简单修改、变化，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种减压多效膜蒸馏装置，其特征在于：包括膜蒸馏组合元件，所述膜蒸馏组合元件为内层疏水膜、换热壁、外层疏水膜依次排列组成，所述内层疏水膜的热料液流道下部出口通过管路与换热器的热流体出水管路连通，然后连接至外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部的进口；内层疏水膜与换热壁所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，外层疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，换热器的冷流体入口通过离心泵连接原水，换热器的热流体出口一路连接排水管路，另一路与外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部进口连接；

所述的膜蒸馏组合元件为圆柱形，中心是自上而下垂直流路的内层疏水膜，所述的内层疏水膜为中空纤维疏水膜或管式疏水膜，内层疏水膜外面是换热管，换热管外面是自下而上流路的外层疏水膜，所述的外层疏水膜为管式疏水膜，三者由内而外依次排列，构成一个组合，一个或多个组合平行排列构成一个管式膜蒸馏组合元件；

或所述的膜蒸馏组合元件为板框式，由外层平板式疏水膜、换热板、内层平板式疏水膜、内层平板式疏水膜、换热板、外层平板式疏水膜依次平行排列构成一个组合，一个或多个组合平行排列构成一个平板式膜蒸馏组合元件。

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：由一个或多个膜蒸馏组合元件串联形成连续的长流道。

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：所述的膜蒸馏组合元件的内层疏水膜的热料液流道上部入口与热料液循环加热装置通过管路连接，内层疏水膜的热料液流道下部出口通过管路与换热器的热流体出水管路连通，然后连接至外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部的进口，外层疏水膜与换热壁所构成的流道的上部出口通过连接管与热料液循环加热装置连接，内层疏水膜与换热壁所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，外层疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，换热器的冷流体出口连接气液分离器，气液分离器的下部排水口连接接水容器，气液分离器的排气口连接真空泵，换热器的冷流体入口通过离心泵连接原水，换热器的热流体出口一路连接排水管路，另一路与外层疏水膜与换热壁所构成的流道下部进口连接。

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：所述的膜蒸馏组合元件的两内层平板式疏水膜所夹合构成的热料液流道上部入口与热料液循环加热装置通过管路连接，该热料液流道下部出口通过管路与换热器的热流体出水管路连通，然后连接至外层平板式疏水膜与换热板所夹合构成的流道下部的进口，该流道的上部出口通过连接管与热料液循环加热装置连接，内层平板式疏水膜与换热板所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，外层平板式疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间所构成的真空层的下部出水口通过连接管与换热器热流体入口连接，换热器的冷流体出口连接气液分离器，气液分离器的下部排水口连接接水容器，气液分离器的排气口连接真空泵，换热器的冷流体入口通过离心泵连接原水，换热器的热流体出口一路连接排水管路，另一路与外层平板式疏水膜与换热板所构成的流道下部进口连接。

5.根据权利要求3或4所述的减压多效膜蒸馏装置的蒸馏方法，其特征在于：热料液自上而下流过内层疏水膜/内层平板式疏水膜的热料液流道，在内层疏水膜/内层平板式疏水膜与换热壁之间的真空层的负压作用下，发生膜蒸馏并被降温；被蒸发降温后的料液通过浓水排放阀排出部分浓缩液后，大部分的浓缩液自下而上进入外层疏水膜/外层平板式疏水膜与换热壁之间的冷料液流道，在外层疏水膜/外层平板式疏水膜与膜蒸馏组合元件外壳之间的真空层的负压作用下发生膜蒸馏，并同时在换热壁的加热作用下被加热，料液同步发生膜蒸馏并被升温，未蒸发的被浓缩料液返回热料液循环加热装置。

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