[发明专利]多效膜蒸馏装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜蒸馏装置与蒸馏方法，尤其涉及水净化处理和化工分离的膜分离蒸馏装置与蒸馏方法。

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化工分离技术，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，如果溶质是容易结晶的物质，可以把溶液浓缩到过饱和状态而实现膜蒸馏结晶，是可以从溶液中直接分离出结晶产物的膜过程，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。

目前已经发展出四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、气扫式膜蒸馏和减压膜蒸馏。但是，至今为止，以上四种膜蒸馏方式都存在能耗高、效率低、可靠性低等一些问题。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，并且容易产生疏水膜亲水化渗漏问题；减压膜蒸馏虽然膜通量较大，但对系统要求较高。气隙式膜蒸馏和气流吹扫式膜蒸馏则通量较低。因此，研究新的膜蒸馏技术，降低投资和运行费用，可以取得显著的经济效益和社会效益。

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，按常规减压膜蒸馏方式，需要大量的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与原水直接交换，则原水不能完全吸收蒸汽潜热，只能部分冷凝水蒸汽。若采用冷媒作为中介，使用机械式压缩机来吸收蒸汽潜热，按热泵的能效比为4∶1，系统能耗也很高，而且目前热泵系统价格昂贵。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

本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提出一种多效膜蒸馏装置与蒸馏方法，将膜蒸馏过程中的水蒸汽冷凝与原水加热过程耦合，回收膜蒸馏过程中水蒸气的相变热。

本发明提供一种多效膜蒸馏装置，其特征在于，包括主蒸发区、多效蒸发区；其中：主蒸发区设置循环槽以及主蒸发区膜蒸馏组件，循环槽出口连接主蒸发区膜蒸馏组件管程入口，主蒸区发膜蒸馏组件的管程出口连接循环槽入口；多效蒸发区中设置至少一级换热蒸馏装置，每一级换热蒸馏装置包括膜蒸馏组件和换热器，上述每一级膜蒸馏组件与换热器顺次管程串联，各级膜蒸馏组件之间壳程并联，多效蒸发区最后一级膜蒸馏组件管程出口连接主蒸发区设置的循环槽。

此外，原水入口与第一级膜蒸馏组件之间设置有多效蒸发区换热器，多效蒸发区换热器的管程与多效蒸发区的换热蒸馏装置管程相连。

另外，还设置了补充冷却区，补充冷却区设置补充换热器，补充换热器的管程入口与多效蒸发区换热器的壳程出口相连；壳程入口与冷却水口相连。

多效蒸发区换热器的壳程出口连接有真空泵，或者补充换热器的管程出口连接有真空泵。

上述每级换热蒸馏装置至少包括一支膜蒸馏组件和一支换热器。

所述换热器为聚偏氟乙烯塑料换热器。

此外，可在原水管路中设置空气流量计，可通入压缩空气；

在多效蒸发区内原水管路上可以增加设置增压泵；

在主蒸发区内的原水管路上，可以增加设置过滤器。