一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的方法及装置

摘要

本发明公开了一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的方法及装置。通过采用一个蒸汽压缩机直接对膜组件透过侧的蒸汽进行压缩，将压缩后的高温高压蒸汽依次通过一个加热器和一个预热器，同时将原料也通过加热器和预热器。在这个过程中，利用该蒸汽的温度与原料进行热交换，即实现蒸汽的冷凝、降温释放热量，从而不需要额外的制冷工质及其蒸发器和冷凝器，并且利用蒸汽压缩机在吸入蒸汽时形成的负压作为真空源，从而省去真空泵；同时，将从膜组件出来的浓缩物通过一个预热器与原料进行热交换。本发明节约了能源，简化了热泵系统，降低了设备成本。可应用于废水的净化回收，海水、苦、咸水淡化，果汁、中药提取液的浓缩等。

说明书

技术领域

本发明属于膜蒸馏技术领域，涉及一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的方法及装置。

背景技术

膜蒸馏是一种廉价、高效的新型膜分离技术，可利用太阳能、地热、工厂余热等廉价能源，在常压或负压下进行，设备简单、操作方便。在海水、苦咸水除盐制取饮用水及饮用水净化、高纯水制备、废水处理以及果汁、中药浓缩等方面具有广泛的应用。

膜蒸馏是膜技术与蒸发过程相结合的膜分离过程，其所用的膜为不被待处理的溶液润湿的疏水性微孔膜。膜的一侧与热的待处理溶液直接接触(称为热侧)，另一侧直接或间接的与冷的水溶液接触(称为冷侧)。热侧溶液中易挥发的组分在膜面处汽化通过膜并进入冷侧，被冷凝成液相，其他组分则被疏水膜阻挡在热侧，从而实现混合物分离或提纯的目的。传质的推动力为膜两侧透过组分的蒸汽压差，因而无需将溶液加热到沸点，只要膜两侧维持适当温差或蒸汽压差即可进行。

根据扩散到膜冷凝侧蒸汽冷凝方式的不同，膜蒸馏可分为直接接触膜蒸馏、气隙膜蒸馏、气扫式膜蒸馏、渗透膜蒸馏和真空膜蒸馏。真空膜蒸馏即膜的一侧与料液直接接触，在膜的另一侧抽真空，但真空侧的压力要小于料液侧膜孔汽液界面水的饱和蒸汽压，在压差作用下透过膜的水蒸汽被抽出组件冷凝。由于膜的另一侧存在负压，增大了驱动力，所以渗透通量较大，不但可处理水溶液，还易于分离挥发性有机物质。

热泵技术是一种利用高位能使热量从低品位热源流向高品位热源的技术，这一新型的制冷供热技术具有明显的社会效益和远期的经济效益，在能源和环境问题日益突出的今天，开展热泵技术研究与应用具有显著的意义。按热泵的工作原理，可分为蒸汽压缩式热泵、吸收式热泵、化学热泵、蒸汽喷射热泵、热电热泵等。蒸汽压缩式热泵是热泵中最为普遍而广为应用的一种形式，在这类热泵中，热泵工质通常是在由压缩机、冷凝器、节流装置及蒸发器等部件组成的系统中进行循环，并通过工质的状态变化及相变来实现将低品位热能泵送到高品位温度区的目的。

目前热泵技术主要应用于空调行业，在其它领域应用很少。由于膜蒸馏技术的一大特点就是可以利用低品位能源，而缺点是蒸汽在冷凝过程中释放出的大量潜热白白浪费了，在能耗上与其它无相变的膜分离过程相比没有优势，如果利用热泵回收蒸汽冷凝潜热并用来加热料液，正好可以弥补膜蒸馏技术的不足，节约能源，大大拓宽了该技术的应用范围。但目前国内外有关将热泵用于膜蒸馏的这方面的研究很少，且大多没有说明热泵的具体类型。

中国专利200810059179.2公开了一种利用经济能源的膜蒸馏海水淡化系统，包括膜组件、海水储罐和淡水储罐，膜组件的浓海水出口和蒸汽出口连接于同一热泵，实现对蒸汽热量的回收，但通过热泵加热浓缩后海水，然后流回海水储罐这种间接对海水加热的方式尚存在一定问题，并且没有说明是采用何种类型的热泵。由于膜组件内设置了多孔分布器，只适合直接接触式膜蒸馏的使用，对于真空式膜蒸馏反而增加了膜组件的复杂程度和制造成本。当采用真空式膜蒸馏时，其使用的是真空泵。

中国专利00267615.X公开了一种减压膜蒸馏的水处理装置，包括驱液泵、潜热回收单元、膜组件、真空泵和后处理过滤器以及输液管路和真空管路所组成。其中，潜热回收单元由连成一体的换热器、热泵和冷凝器组成。在冷凝器的下游，仍然使用真空泵来维持减压膜蒸馏所需的真空度。

欧洲专利2009073921-A1公开了一种浓缩流体的装置，包括一个膜蒸馏单元，一个热泵用于从制冷剂中吸取冷量来冷凝蒸汽。但是该发明需要使用专门的制冷剂，并且采取的是直接接触式膜蒸馏，而非真空膜蒸馏。

国内任建勋等在用减压膜蒸馏技术制取纯净水的过程中，采用压缩式热泵回收水蒸汽冷凝潜热，但采用的是间接式蒸汽压缩，即利用制冷工质而非水蒸汽的相变化来实现加热和冷却，工艺相对复杂。并且使用了真空泵来维持减压膜蒸馏所需的真空度。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的方法及装置。

本方法所采用的技术方案为：通过采用一个蒸汽压缩机直接对膜组件透过侧的蒸汽进行压缩，将压缩后的高温高压蒸汽依次通过一个加热器和一个预热器，同时将原料也通过加热器和预热器。在这个过程中，利用该蒸汽的温度与原料进行热交换，即实现蒸汽的冷凝、降温释放热量，从而不需要额外的制冷工质及其蒸发器和冷凝器，并且利用蒸汽压缩机在吸入蒸汽时形成的负压作为真空源，从而省去了真空泵。同时，将从膜组件出来的浓缩物通过一个预热器与原料进行热交换，无需专门的加温、降温设备。

为实现上述方法，本发明提出一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的装置，包括料液储罐、料液泵、电加热器、第一流量调节阀门、第二流量调节阀门、第三流量调节阀门、第四流量调节阀门、膜组件、蒸汽压缩机、加热器、第一预热器、第二预热器、冷凝水储罐和浓缩液储罐。

其中，所述膜组件中使用的膜为疏水性多孔膜，可以是中空纤维膜，也可以是平板膜或管式膜。

上述组成部分的连接关系如下：

所述膜组件的入口与加热器的冷侧出口之间通过第四流量调节阀门相连，膜组件的料液侧出口与第一预热器的热侧入口相连。

所述蒸汽压缩机的入口与膜组件的透过侧出口相连，蒸汽压缩机的出口与加热器的热侧入口相连。加热器的热侧出口与第二预热器的热侧进口相连。加热器的冷侧入口与第二预热器的冷侧出口相连。

所述第二预热器的热侧出口与冷凝水储罐的入口相连。

所述第一预热器的冷侧入口通过第一流量调节阀门和料液泵的出口相连，料液泵的入口与料液储罐的出口相连。第一预热器的冷侧出口与第二预热器的冷侧入口相连。

所述第一预热器的热侧入口与膜组件的料液侧出口相连，第一预热器的热侧出口与浓缩液储罐的入口相连。

所述电加热器的入口通过料液泵与料液储罐的出口相连，电加热器的出口通过第二流量调节阀门，分别与第三流量调节阀门、第四流量调节阀门相连。第三流量调节阀门的另一端与料液储罐相连。

本装置的工作过程如下：

在本装置工作之前，所有的流量调节阀门均处于关闭状态。工作时，首先启动料液泵，然后打开第一和第三流量调节阀门，使料液储罐中的原料经过加热器、第一预热器、第二预热器后循环回到料液储罐中。

然后，关闭第一流量调节阀门，打开第二流量调节阀门，使原料经过电加热器循环回料液储罐中。

此时，启动电加热器。当流经电加热器的原料被加热至所需温度后，启动蒸汽压缩机，同时打开第四流量调节阀门，关闭第三流量调节阀门，开始进行膜蒸馏。

在膜组件内，由于膜组件使用的膜为疏水性多孔膜，膜两侧存在蒸汽压差，从而使得易挥发组分的蒸汽透过膜孔，在蒸汽压缩机工作所产生的负压作用下，将其抽入蒸汽压缩机中。蒸汽经压缩后，温度和压力升高，此高温高压的蒸汽进入加热器。

同时，原料经第一预热器、第二预热器流入加热器，与上述高温高压的蒸汽进行热交换，使得流入的原料被加热，而蒸汽被冷凝。冷凝后生成的高温液体进入第二预热器，与从第一预热器流入第二预热器中的原料继续进行热交换。高温液体进一步被冷凝后，得到的液体被收集至冷凝水储罐中。

在上述过程中，从膜组件中出来的浓缩液具有较高的温度，将其送入第一预热器与流入第一预热器中的原料进行热交换，使得可在降低浓缩液温度的同时也对原料进行预热。经降温后的浓缩液收集至浓缩液储罐中。

当冷凝水储罐中出现液体后，逐渐减小第二流量调节阀门的开度，同时逐渐增大第一流量调节阀门的开度，当蒸汽压缩机工作稳定以后，关闭电加热器和第二流量调节阀门，从而进行稳态下的膜蒸馏循环处理。

有益效果

本发明对比现有技术，具有以下优点：

(1)利用膜蒸馏蒸汽作为热泵的工质，不需要专门的制冷工质；

(2)省去了实现工质相变的蒸发器和冷凝器；

(3)压缩机的吸入口直接与膜组件的蒸汽出口相连，可为膜组件内提供负压，省去了真空膜蒸馏所需的真空泵；

(4)通过工艺设计，使得膜蒸馏过程中产生的各种废热(包括高温蒸汽，高温冷凝液体，一定温度的浓缩物)得到充分合理应用。

通过上述技术手段，本发明节约了能源，简化了热泵系统，降低了设备成本。可应用于废水的净化回收，海水、苦、咸水淡化，果汁、中药提取液的浓缩等。

附图说明

图1为本发明装置的结构组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，一种利用直接蒸汽压缩热泵进行真空膜蒸馏的装置，包括料液储罐1、料液泵2、电加热器6、第一流量调节阀门a、第二流量调节阀门b、第三流量调节阀门c、第四流量调节阀门d、膜组件7、蒸汽压缩机8、加热器5、第一预热器3、第二预热器4、冷凝水储罐9和浓缩液储罐10。

其中，所述膜组件7中使用的膜为疏水性多孔膜，可以是中空纤维膜，也可以是平板膜或管式膜。

上述组成部分的连接关系如下：

所述膜组件7的入口与加热器5的冷侧出口之间通过第四流量调节阀门d相连，膜组件7的料液侧出口与第一预热器3的热侧入口相连。

所述蒸汽压缩机8的入口与膜组件7的透过侧出口相连，蒸汽压缩机8的出口与加热器5的热侧入口相连。加热器5的热侧出口与第二预热器4的热侧进口相连。加热器5的冷侧入口与第二预热器4的冷侧出口相连。

所述第二预热器4的热侧出口与冷凝水储罐9的入口相连。

所述第一预热器3的冷侧入口通过第一流量调节阀门a和料液泵2的出口相连，料液泵2的入口与料液储罐1的出口相连。第一预热器3的冷侧出口与第二预热器4的冷侧入口相连。

所述第一预热器3的热侧入口与膜组件7的料液侧出口相连，第一预热器3的热侧出口与浓缩液储罐10的入口相连。

所述电加热器6的入口通过料液泵2与料液储罐1的出口相连，电加热器6的出口通过第二流量调节阀门b，分别与第三流量调节阀门c、第四流量调节阀门d相连。第三流量调节阀门c的另一端与料液储罐1相连。

本装置的工作过程如下：

在本装置工作之前，所有的流量调节阀门均处于关闭状态。工作时，首先启动料液泵2，然后打开第一流量调节阀门a和第三流量调节阀门c，使料液储罐1中的原料经过加热器5、第一预热器3、第二预热器4后循环回到料液储罐1中。

然后，关闭第一流量调节阀门a，打开第二流量调节阀门b，使原料经过电加热器6循环回料液储罐1中。

此时，启动电加热器6。当流经电加热器6的原料被加热至所需温度后，启动蒸汽压缩机8，同时打开第四流量调节阀门d，关闭第三流量调节阀门c，开始进行膜蒸馏。

在膜组件7内，由于膜组件7使用的膜为疏水性多孔膜，膜两侧存在蒸汽压差，从而使得易挥发组分的蒸汽透过膜孔，在蒸汽压缩机8工作所产生的负压作用下，将其抽入蒸汽压缩机8中。蒸汽经压缩后，温度和压力升高，此高温高压的蒸汽进入加热器5。

同时，原料经第一预热器3、第二预热器4流入加热器5，与上述高温高压的蒸汽进行热交换，使得流入的原料被加热，而蒸汽被冷凝。冷凝后生成的高温液体进入第二预热器4，与从第一预热器3流入第二预热器4中的原料继续进行热交换。高温液体进一步被冷凝后，得到的液体被收集至冷凝水储罐9中。

在上述过程中，从膜组件7中出来的浓缩液具有较高的温度，将其送入第一预热器3与流入第一预热器3中的原料进行热交换，使得可在降低浓缩液温度的同时也对原料进行预热。经降温后的浓缩液收集至浓缩液储罐10中。

当冷凝水储罐9中出现液体后，逐渐减小第二流量调节阀门b的开度，同时逐渐增大第一流量调节阀门a的开度，当蒸汽压缩机工作稳定以后，关闭电加热器6和第二流量调节阀门b，进行稳态下的膜蒸馏循环处理。