[发明专利]一种提高热泵-膜蒸馏热效率的方法

说明书

一种提高热泵‑膜蒸馏热效率的方法，属于膜分离装置领域。一种提高热泵‑膜蒸馏热效率的方法，将内径为1.1mm‑5.0mm聚偏氟乙烯中空纤维膜，并制备成膜组件，将膜组件用于热泵‑单效或多效膜蒸馏集成系统，通过改变膜丝尺寸和膜的装填密度、让膜两侧的流体流速尽量接近。在热泵和膜的冷、热侧热负荷均接近的条件下，让膜两侧的流体流速尽量接近，减小传热热阻。本方法简单，成本低廉，环境污染小。

技术领域

本发明涉及一种提高热泵-膜蒸馏热效率的方法，属于膜分离装置领域。制备的中空纤维膜组件适用于膜蒸馏工艺，处理自来水、盐水等料液。

背景技术

膜蒸馏是以疏水微孔膜为介质，以膜两侧蒸汽压差为传质推动力的新型脱盐技术。由于其操作条件温和、截留率高、用于脱盐处理的膜蒸馏工艺填充密度大，工艺设备简单以及可利用太阳能和工业废热等优势，应用范围也由最初的海水淡化扩展到了废水处理、超纯水制备、重金属离子回收、易挥发有机组分回收、热敏物质的浓缩回收、膜结晶等诸多方面，并发挥越来越重要的作用。膜蒸馏过程受溶液浓度的影响小，操作不受渗透压限制，可以处理高浓度溶液甚至是过饱和溶液，是目前唯一能从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，可以用来深度处理反渗透的浓盐水，提高海水淡化的水回收率。

膜蒸馏在运行的过程中，高温料液中的易挥发组分在膜的一侧汽化，然后穿过疏水多孔膜进入到膜的另一侧，发生了质量传递；同时，热量以汽化热和热传导的形式从高温侧穿过膜进入低温侧，发生了热量传递。跨膜导热没有产生蒸汽，是一种热量损失，是降低膜蒸馏热效率低的重要原因。跨膜汽化热的传递是伴随跨膜传质过程而发生的，水的汽化潜热约为2500kJ/kg，远高于显热，所以在收集透过膜的蒸汽时，需要大量的冷却水，从而产生大量的低温水，违背了节能减排的初衷。高能耗一直是限制膜蒸馏技术工业化应用的关键问题之一。

为了提高膜蒸馏过程的热效率，可以采用外部换热器、内部增加换热器、多效膜蒸馏以及热泵能量回收的方式。热泵是一种以消耗部分能量作为补偿条件使热量从低温物体转移到高温物体的能量利用装置。理论上向高温物体输送的能量为从低温物体吸收能量与热泵自身做功之和，因此通过热泵获得的热能永远大于热泵消耗的能量，故热泵是一种节能装置。韩怀远等人将减压膜蒸馏与热泵耦合，将减压膜蒸馏产生的蒸汽与中空纤维冷凝器换热并采用热泵蒸发器吸收中空纤维冷凝换热器的低位热能，通过热泵将热能传递给膜蒸馏的原料液，从而实现了能量的回收[韩怀远，高启军，吕晓龙.减压膜蒸馏过程与热泵耦合技术研究[N].天津工业大学学报，2011，30(1)：1-4]。文中提到所用膜丝内径为1.0mm，改变了组件中膜丝的数量，但并未提到如何提高热效率。

陈东等将压缩式热泵和单效真空膜蒸馏耦合，对系统进行了数学模拟，分析了料液温度对膜通量以及膜面积等参数的影响[于福荣，陈东，彭长章等.热泵膜蒸馏系统及其特性分析[J]，化工装备技术，2013，34(6)：1-12]。他们只是对料液温度等操作参数对热泵-膜蒸馏过程性能的影响进行了分析，由于其所使用的膜丝内径仅为0.8mm，不能充分满足热泵-膜蒸馏最佳工作状态的需要。

本课题组的于超将热泵与两效膜蒸馏结合提出了一种热泵-两效膜蒸馏装置，提高了过程的热效率[申请号201410722684.6]。但由于其所使用的膜丝内径仅为0.8mm，冷热侧流速偏差较大，膜蒸馏与热泵不能处于最佳的工作状态。

在热泵-膜蒸馏耦合过程中，要达到能量的高效回收，要求热泵和膜蒸馏分别处于最优工作状态。其中，热泵要高效工作则要求冷热侧的热负荷尽可能接近，才能提高热泵制热系数(COP)。而现在用于热泵-膜蒸馏过程的中空纤维膜组件，即使在冷、热侧的热负荷接近时，由于所用膜丝内径在0.5～1.0mm之间，因而使得两侧膜面流速相差很大，有时在10倍以上，通常是壳程流速极低。壳程流速低极大地影响了该侧流体的对流传热系数，增大了直接接触式膜蒸馏中传热的热阻。因此需要优化膜组件的设计让在冷、热侧热负荷接近的前提下膜两侧流体的流速尽量接近，降低传热热阻，提高热泵-膜蒸馏耦合过程的热效率。