[发明专利]减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及膜蒸馏工艺及其装置，尤其涉及应用于水净化处理、化工分离浓缩液体与水淡化的减压组合气隙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，水蒸汽从被加热的原水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，原水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，且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，若以原水作为冷却水，将膜蒸馏过程中产生的水蒸气通过换热器与原水直接交换，如气隙式膜蒸馏，则原水不能完全吸收蒸汽潜热，为了提高造水比，必须降低膜丝与换热管间的温度差，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，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气隙式膜蒸馏技术中存在的上述缺点，而提供一种减压组合气隙膜蒸馏方法及其装置，其可利用减压膜蒸馏的降温作用，降低气隙膜蒸馏料液出口温度，利用热泵进行冷热流体间热量转移，从而实现高通量的气隙膜蒸馏过程。

本发明的目的是由以下技术方案实现的。

本发明减压组合气隙膜蒸馏装置，其特征在于，包括气隙膜蒸馏组件、减压膜蒸馏组件、第一换热器、第二换热器、第一膜蒸馏产水收集罐、第二膜蒸馏产水收集罐、循环泵、热泵、真空泵、原水罐以及连接管路；该气隙膜蒸馏组件的蒸发段出口串接减压膜蒸馏组件；热泵的热端分别串接气隙膜蒸馏组件的蒸发段入口和换热管的出口；热泵的冷端串接与气隙膜蒸馏组件连接的第一换热器和与减压膜蒸馏组件的第二换热器；该气隙膜蒸馏组件的产水出口与第一换热器管接，且第一换热器与第一膜蒸馏产水收集罐管接；该减压膜蒸馏组件的产水出口与第二换热器管接，且第二换热器与第二膜蒸馏产水收集罐管接；该减压膜蒸馏组件的未蒸发料液出口与原水罐管接，该原水罐与气隙膜蒸馏组件之间的连接管路上设置循环泵；该真空泵与第二膜蒸馏产水收集罐管接。

本发明减压组合气隙膜蒸馏方法，其特征在于：包括，利用热泵对进入气隙膜蒸馏组件的料液进行补充加热；热泵产生的冷水用于气隙膜蒸馏组件和减压膜蒸馏组件两个膜蒸馏单元产水的冷却；进入减压膜蒸馏组件的未蒸发料液降温后流入原水罐，与新补充原水汇合后，由循环泵送入气隙膜蒸馏组件吸热升温，进入热泵继续补热，进行下一个循环。

前述的减压组合气隙膜蒸馏方法，其中：所述气隙膜蒸馏组件的料液出口温度为50至80℃；所述减压膜蒸馏组件的料液出口温度为40至60℃。