[发明专利]一种液体蒸发浓缩设备与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜法液体浓缩处理设备及处理方法。

背景技术

膜蒸馏(Membrane Distillation，MD)在近年来吸引了世界范围内的关 注和研究。与常规的蒸馏(Distillation)过程相比，MD的操作温度低，无 需将溶液加热至沸腾，而且蒸发面积大、蒸汽空间小；与其它压力驱动的膜 分离过程相比，MD的操作压力低，脱盐率高，膜污染少。膜蒸馏过程是在微 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，原水以及溶解在其中的非 挥发性溶质无法穿过膜孔，因此在膜的孔口处形成汽/液两相界面。微孔疏水 膜在膜蒸馏过程中起两相的支撑屏蔽作用。在膜蒸馏的过程中，同时发生传 热与传质两种过程，

温差极化现象也会同时产生，从而对膜蒸馏的过程产生不利的影响。

目前已经发展出四种不同的膜蒸馏操作方式，包括直接接触式膜蒸馏 (direct contact membrane distillation，DCMD)，气隙式膜蒸馏(air gap membrane distillation，AGMD)，气流吹扫式膜蒸馏(sweeping gas membrane distillation，SGMD)和真空式膜蒸馏(vacuum membrane distillation，VMD)。其中DCMD法是将透过多孔膜的水蒸气在冷侧直接进入 纯水进行冷凝，因此冷凝过程集成于膜组件以内，操作相对简单，被广泛的 研究和采纳。然而与其它操作方式相比，由于直接接触而导致的更多的热量 损失和较为严重的温差极化是该方法不容忽视的影响因素。VMD法则是在透过 侧施加一个负压，将透过多孔膜的水蒸汽抽出到膜组件以外的冷凝器内进行 冷凝液化。此过程的优点是热量损失比其它三种膜蒸馏操作方法都小，蒸馏 通量较高，值得进一步研究以充分利用该方法的优势。同时，保证施加的负 压低于液体进入膜孔的压力(liquid entry pressure，LEP)以防止膜孔湿 化是VMD运行中十分重要的一个环节。目前为止，将VMD方法应用于从水体 中去除挥发性溶质，从含盐水脱盐制备超纯水，以及溶液的浓缩等的研究工 作已经在世界范围内展开。在这些研究中，各种操作条件和工艺参数如进水 温度与浓度、热侧水体循环流速、和蒸汽压差等对VMD蒸汽通量的影响已经 被一定程度的讨论。此外，VMD过程的传热与传质机理也被进一步的探讨。

MD技术具有操作压力低，接近100％的非挥发性物质脱除率和在良好操 作条件下与高的产水通量，显示了它作为RO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，可以用于海水淡化与浓缩制盐、 工业循环水净化于减少污水排放、发酵液中氨基酸等产物浓缩结晶以及药物 纯化分离等方面。在降低投资和运行费用，提高产品质量等方面，可望取得 显著的经济效益和社会效益。

膜蒸馏技术应用于工业循环水处理的一个独特的优势在于它不仅可以在 膜的透过侧产生纯水，而且在浓水侧可以产生含盐量很高甚至接近饱和的高 度浓缩水，高度浓缩的污水则可进一步采用化学絮凝等其他物化方法进行处 理，从而大大减少污水的排放量。通过从大量的循环水系统中浓缩提取小体 积的污染物，实现对循环水整体水质的洁净程度控制，不同于常规处理方法 是从水中获取净化水作循环水补水，因此可以大量减少杀菌剂和阻垢剂的投 加，同时减少污水的排放，减少补给水量。

用于海水淡化时，在得到99.99％脱盐率的淡水同时，还可望直接利用浓 海水制盐。另外，膜蒸馏过程在实际运行中可以利用其它热源如地热、温泉、 太阳能等和低品废热如工厂余热等，进一步显示了其更加广泛的应用前景。

目前的VMD过程在实际应用中存在几个问题：其一，大多数VMD过程采 用热水从柱式膜组件的中空纤维内侧流动的方法，当中空纤维膜内径较小时， 浓水中的悬浮杂质和无机垢容易堵塞中空纤维膜流道，当中空纤维膜内径较 大时，单位体积膜组件内装填的膜面积减小，中空纤维膜强度减弱。其二， VMD过程采用热水从柱式膜组件的中空纤维外侧流动的方法时，热侧流体流动 分布不均导致热侧流体温度不均，影响液体蒸发效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种液体分离的膜蒸发浓 缩(Membrane Evaporated Concentration，MEC)系统和方法。