一种热泵-两效膜蒸馏装置及蒸馏方法

摘要

一种热泵-两效膜蒸馏装置及蒸馏方法，属于膜蒸馏技术领域。该装置包括：膜蒸馏专用疏水膜组件；设置在膜组件外部的保温棉；水泵，用于给膜蒸馏系统循环提供动力；换热器，用于第一效膜组件冷侧与第二效膜组件热侧液体的换热；蒸发器，用于吸收第二效膜组件冷侧液体的余热；冷凝器，用于加热第一效膜组件的热侧液体；压缩机，将吸收的低位热能转化为高位热能；节流阀，对循环工质起到节流降压作用，调节进入蒸发器循环工质的流量。整个多效热泵膜蒸馏系统，具有热回收效率高、设备简单、集成度高、节能、操作便捷等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及热泵热能回收领域，特别涉及膜蒸馏系统的热能回收利用，属于膜蒸馏技术领域。

背景技术

热泵是一种以消耗部分部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装置。热泵能够把气体、液体所含的不能直接利用的热能、工业废能转换为可以利用的热能，常见的热泵有压缩式热泵和吸收式热泵。

压缩式热泵一般由压缩机、冷凝器、节流阀(膨胀阀)和蒸发器组成，热泵工质作为传热介质在系统内不断的循环流动，其中压缩机起到压缩和传输工质的作用，冷凝器提供热能，节流阀起到工质降压并调节工质流量，蒸发器从低温热源中吸收热量。

膜蒸馏，一种新型的分离技术，它将传统的蒸馏操作和现代的膜技术结合起来，具有操作条件温和、分离效率高、设备简单等优点。膜蒸馏过程使用的膜为疏水微孔膜，传质的推动力为膜两侧的蒸汽压差，现主要应用于海水淡化领域和料液提纯浓缩领域。但目前膜蒸馏由于能耗大，冷侧冷凝量较大等问题限制了膜蒸馏技术的进一步发展，通过热泵技术不仅能将膜蒸馏冷侧余热进行回收，而且有效的解决了膜蒸馏系统冷侧冷凝量大的问题。

目前膜蒸馏热量回收系统正逐渐被人们所重视，多效膜蒸馏热量回收系统具有多效蒸发、多级闪蒸相同甚至更高的造水比外，还具有膜蒸馏设备紧凑、分离效率高等优点。普通膜蒸馏热效率一般都很低，造水比在0.1～1.0之间，而多效膜蒸馏其造水比一般能达到2～10。Gore等采用平板膜组件将膜蒸馏过程中的蒸汽冷凝热所释放的潜热在同一膜组件内部加热原料液，使热量得到了有效回收，其过程造水比可达5～6。【GoreWL，GoreRW，GoreDW，Deslinationdeviceandprocess，USPatent，4545862,1985-10-08】张猛，吕晓龙针对膜蒸馏过程耗能高、蒸汽冷凝耗水量大的问题，设计了减压多效膜蒸馏过程【张猛，高启军等.减压多效膜蒸馏过程试验研究[J].水处理技术，2012，38(6)：57-62】韩怀远，高启军，吕晓龙.针对减压膜蒸馏能耗高等问题，采用压缩式热泵回收减压膜蒸馏过程的相变热并用于加热膜蒸馏系统的原料液，实验结果表明，热泵较好回收减压膜蒸馏的相变热，最佳耦合条件为热泵COP为3.08，膜通量17.8kg/(m²h)，产水电导小于10μS/cm。【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[J].天津工业大学学报，2011，30(1)：1-4】新加坡Memsys公司已把太阳能驱动的真空多效膜蒸馏组件商业化，其4组串联的平板多效真空膜蒸馏系统用于海水淡化，造水比可达2.79。【ZhaoK，HeinzlW，Experimentalstudyofthememsysvacuum-multi-effect-membrane-distillation(V-MEMD)module,Desalination323(2013)，150-160】秦英杰等利用自制的具有高效内部热量回收功能的多效膜蒸馏组件对不同浓度的氯化钠水溶液进行浓缩研究,实验结果表明其造水比为最大可达12.5。【KunY，YingjieQ，YingjinY，Acontinuous-effectmembranedistillationprocessbasedonhollowfiberAGMDmodulewithinternallatent-heatrecovery，AICHEJournal59(2012)，1278-1297】但上述膜蒸馏过程中，多效膜蒸馏系统造水比低，或是膜蒸馏通量小，不适合工业应用，本发明实例采用两效膜蒸馏热泵回收技术，具有通量大、装置简洁、热效率高的优点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种热量回用、且能显著提高膜蒸馏系统热效率的热泵-两效膜蒸馏装置及蒸馏方法。

如图1所示，此热泵-两效膜蒸馏装置主要由两部分组成，即两效膜蒸馏单元和热泵热能回收单元；两效膜蒸馏单元包括：第一效疏水膜组件(15)、第二效疏水膜组件(16)、第一效疏水膜组件热侧补给水槽(1)、第二效疏水膜组件热侧补给水槽(2)、冷侧产水收集装置(3)、第一液体输送泵(8)、第二液体输送泵(9)、第三液体输送泵(10)、第四液体输送泵(11)、第五液体输送泵(12)、第六液体输送泵(13)和换热器(14)，各膜组件冷热侧呈逆流；热泵热能回收单元包括热泵蒸发器(4)、热泵冷凝器(6)、节流阀(7)和压缩机(5)。

此装置包括5个循环管路，分别两效膜蒸馏单元的四个循环管路和一个热泵工质循环管路，每个循环管路对应各自物料的循环。

热泵冷凝器(6)的一端与第一效疏水膜组件(15)蒸馏的热侧的一端连接，第一效疏水膜组件(15)蒸馏的热侧的另一端经由第三液体输送泵(10)与热泵冷凝器(6)的另一端连接，上述形成第一效疏水膜组件(15)蒸馏的热侧循环管路，同时第一效疏水膜组件热侧补给水槽(1)经由第一液体输送泵(8)与第三液体输送泵(10)出水管路合并在一起共同与热泵冷凝器(6)连接。

第一效疏水膜组件(15)蒸馏的冷侧的一端经由第五液体输送泵(12)与换热器(14)连接，换热器(14)再与第一效疏水膜组件(15)蒸馏的冷侧的另一端连接，此形成第一效疏水膜组件(15)蒸馏的冷侧循环管路。

第二效疏水膜组件(16)蒸馏的热侧的一端经由第四液体输送泵(11)与换热器(14)连接，换热器(14)再与第二效疏水膜组件(16)蒸馏的热侧的另一端连接，此形成第二效疏水膜组件(16)蒸馏的热侧循环管路，其中第二效疏水膜组件热侧补给水槽(2)经由第二液体输送泵(9)与第四液体输送泵(11)出水管路合并在一起共同与换热器(14)连接。

第二效疏水膜组件(16)蒸馏的冷侧的一端经由第六液体输送泵(13)与热泵蒸发器(4)的一端连接，热泵蒸发器(4)的另一端与第二效疏水膜组件(16)蒸馏的冷侧的另一端连接，此形成第二效疏水膜组件(16)蒸馏的冷侧循环管路。

同时第二效疏水膜组件(16)蒸馏的冷侧循环管路中热泵蒸发器(4)的出水管路和第一效疏水膜组件(15)蒸馏的冷侧循环管路中换热器(14)的出水管路还与冷侧产水收集装置(3)连接。

同时，热泵蒸发器(4)的一端依次与压缩机(5)、热泵冷凝器(6)、节流阀(7)连接，节流阀(7)与热泵蒸发器(4)的另一端连接，此形成热泵工质循环管路，热泵工质在此循环管路中循环。

本发明热泵蒸发器(4)吸收第二效疏水膜组件(16)蒸馏冷侧液体的余热并将其转化为高位热能来加热第一效疏水膜组件(15)蒸馏热侧液体，中间换热器(14)回收第一效膜蒸馏冷侧液体的热量来加热第二效膜蒸馏的热侧液体。

采用上述装置进行蒸馏的方法，具体操作如下：

热泵能量回收单元的热泵蒸发器(4)吸收第二效疏水膜组件(16)蒸馏冷侧液体的低位热能并在热泵蒸发器中汽化产生低压低温的热泵工质蒸汽，低压低温的热泵工质蒸汽通过压缩机(5)压缩将其压力和温度升高后排入热泵冷凝器(6)；在热泵冷凝器(6)内热泵工质蒸汽在压力不变的条件下与第一效疏水膜组件(15)蒸馏热侧循环管路的液体进行换热，热泵工质蒸汽放出热量从而冷凝成温度和压力较高的热泵工质液体；温度和压力较高的热泵工质液体经过节流阀(7)节流后压力和温度同时降低，并进入蒸发器吸收第二效疏水膜组件(16)蒸馏冷侧的低位热能汽化为热泵工质蒸汽，热泵工质蒸汽再次被压缩机吸入，重复循环热泵工质在系统中经过压缩、冷凝、节流、汽化四个过程实现热泵循环。

所述的两效膜蒸馏单元中，包含四个物料的循环。第一效疏水膜组件(15)蒸馏的热侧循环：待处理料液从第一效疏水膜组件热侧补给水槽(1)经第一液体输送泵(8)与经第三液体输送泵(10)流出的第一效疏水膜组件(15)中的热侧料液混合，混合后的液体进入热泵冷凝器(6)，然后与热泵工质换热后再流入第一效疏水膜组件(15)蒸馏热侧；第一效疏水膜组件(15)蒸馏冷侧循环：第一效疏水膜组件(15)冷侧流出的料液经第五液体输送泵(12)进入换热器(14)，与第二效膜组件(16)热侧循环管路料液换热后一部分进入第一效疏水膜组件(15)冷侧，另一部分进入膜蒸馏冷侧产水收集水槽(3)；第二效膜蒸馏热侧循环：待处理料液从第二效疏水膜组件热侧补给水槽(2)经第二液体输送泵(9)与第二效膜组件(16)热侧经第四液体输送泵(11)流出的料液混合，混合后进入换热器(14)，在换热器(14)中与第一效疏水膜组件(15)冷侧循环管路料液换热后进入第二效膜组件(16)热侧；第二效膜组件(16)蒸馏冷侧循环：第二效膜组件(16)冷侧处理料液经第六液体输送泵(13)流出进入热泵蒸发器(4)，在热泵蒸发器(4)中与热泵工质换热后一部分料液进入第二效膜组件(16)冷侧，另一部分进入冷侧产水收集装置(3)。

两效膜组件冷热料液侧均呈逆流，换热器(14)中第一效疏水膜组件(15)冷侧循环管路料液和第二效膜组件(16)蒸馏热侧循环管路料液呈逆流，热泵蒸发器(4)中热泵工质与第二效膜组件(16)蒸馏冷侧循环管路料液呈逆流。

所述两效膜蒸馏组件为中空纤维膜、平板膜或卷式膜；采用的膜材料有聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)或聚丙烯(PP)材料。

所述热泵采用的压缩机为螺杆式、活塞式、漩涡式、离心式以适合不同热量回收量的热泵使用，并根据不同的冷凝温度可选择不同的工质。

同时为减少系统热量损失，连接管路采取保温措施。第二效膜组件蒸馏热侧比第一效膜组件蒸馏热侧进料液的温度一般低5-10℃左右，由于膜蒸馏进料液温度不宜太低，故第一效膜组件蒸馏热侧进料温度(T_h1)应为70℃～80℃为宜。为保证第一效膜蒸馏和第二效膜蒸馏的换热效率，第一效膜蒸馏冷侧的出口温度(T_c2)与第二效膜蒸馏热侧出口(T_h3)温差应高5-10℃左右。

所述第一效疏水膜组件热侧补给水槽(1)、第二效疏水膜组件热侧补给水槽(2)均具有加热功能，能保持膜蒸馏系统进料液温度恒定，并有搅拌装置，保持槽内液体温度均匀。

所述膜蒸馏装置处理的料液与常规的膜蒸馏处理的料液一样，如含盐水溶液，如海水、反渗透的浓缩液等。

本发明的优点：整个多效热泵膜蒸馏系统，具有热回收效率高、设备简单、集成度高、节能、操作便捷等优点，造水比高。

附图说明

图1是本发明一种热泵-两效膜蒸馏装置示意图；

1第一效疏水膜组件热侧补给水槽、2第二效疏水膜组件热侧补给水槽、3冷侧产水收集装置、4热泵蒸发器、5压缩机、6热泵冷凝器、7节流阀、8第一液体输送泵、9第二液体输送泵、10第三液体输送泵、11第四液体输送泵、12第五液体输送泵、13第六液体输送泵、14换热器、15第一效疏水膜组件、16第二效疏水膜组件；A点-第一效膜组件热侧进口温度T_h1；B点-第一效膜组件热侧出口温度T_h2；C点-第一效膜组件冷侧出口温度T_c2；D点-第一效膜组件冷侧入口温度T_c1；E点-第二效膜组件热侧出口温度T_h3；F点-第二效膜组件热侧入口温度T_h4；G点-第二效膜组件冷侧出口温度T_c4；H点-第二效膜组件冷侧入口温度T_c3。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

所采用的装置见附图1。

实施例1

物料液：海水(指标)(主要成分：Ca²⁺410mg/L；Mg²⁺1310mg/L；Na⁺10900mg/L；K⁺390mg/L；Ba²⁺0.05mg/L；Cl^-19700mg/L；SO₄^2-2740mg/L；HCO₃^-152mg/L)

预处理：5微米和1微米的pp棉去除料液固体杂质

第一效膜蒸馏膜组件是聚丙烯平板膜组件，热侧进口温度：75℃

第二效膜蒸馏膜组件是聚偏氟乙烯卷式膜组件，热侧进口温度：65℃

换热器平均温度差：5.3℃

压缩机：往复活塞压缩机

结果：产品为蒸馏水，热量回收利用率90％以上，造水比8.6。

实施例2

物料液：钢厂反渗透的浓缩水(主要成分：Ca²⁺320mg/L；Mg²⁺310mg/L；Na⁺46900mg/L；K⁺39mg/L；Cl^-59800mg/L；NO₃^2-2740mg/L；HCO₃^-552mg/L)

预处理：5微米和1微米的pp棉去除料液固体杂质

第一效膜蒸馏膜组件是聚四氟乙烯平板膜组件，热侧进口温度：80℃

第二效膜蒸馏膜组件是聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，热侧进口温度：70℃

换热器平均温度差：6.1℃

压缩机：螺杆压缩机

结果：产品为蒸馏水，热量回收利用率90％以上，造水比6.3。

实施例3

物料液：模拟海水(主要成分：Ca²⁺410mg/L；Mg²⁺1310mg/L；Na⁺10900mg/L；K⁺390mg/L；Cl^-19700mg/L；SO₄^2-2740mg/L)

预处理：5微米和1微米的pp棉去除料液固体杂质

第一效膜蒸馏膜组件是聚丙烯中空纤维膜组件，热侧进口温度：80℃

第二效膜蒸馏膜组件是聚四氟乙烯中空纤维膜组件，热侧进口温度：70℃

换热器平均温度差：8.7℃

压缩机：滚动活塞压缩机

结果：产品为蒸馏水，热量回收利用率90％以上，造水比6.5。

实施例4

物料液：1％氯化钠水溶液

预处理：5微米和1微米的pp棉去除料液固体杂质

第一效膜蒸馏膜组件是聚偏氟乙烯卷式膜组件，热侧进口温度：70℃

第二效膜蒸馏膜组件是聚丙烯卷式膜组件，热侧进口温度：60℃

换热器平均温度差：5.0℃

压缩机：涡旋压缩机

结果：产品为蒸馏水，热量回收利用率90％以上，造水比10.1。

实施例5

物料液：海水反渗透浓水(主要成分：Ca²⁺615mg/L；Mg²⁺1703mg/L；Na⁺16400mg/L；K⁺587mg/L；Ba²⁺0.07mg/L；Cl^-29600mg/L；SO₄^2-4100mg/L；HCO₃^-228mg/L)

预处理：5微米和1微米的pp棉去除料液固体杂质

第一效膜蒸馏膜组件是聚四氟乙烯卷式膜组件，热侧进口温度：85℃

第二效膜蒸馏膜组件是聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，热侧进口温度：75℃

换热器平均温度差：10℃

压缩机：离心压缩机

结果：产品为蒸馏水，热量回收利用率90％以上，造水比7.5。