專利名稱：一種液體蒸發(fā)濃縮設(shè)備與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種膜法液體濃縮處理設(shè)備及處理方法。
技術(shù)背景膜蒸餾(Membrane Distillation, MD)在近年來吸引了世界范圍內(nèi)的關(guān)注和研究。與常規(guī)的蒸餾(Distillation)過程相比，MD的操作溫度低，無需將溶液加熱至沸騰，而且蒸發(fā)面積大、蒸汽空間??；與其它壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過程相比，MD的搡作壓力低，脫鹽率高，膜污染少。膜蒸餾過程是在微孔疏水膜兩側(cè)的蒸汽壓差的驅(qū)動(dòng)下，水蒸汽從被加熱的原水一側(cè)穿過疏水膜后再被冷凝為液態(tài)的分離過程。由于膜的疏水性，原水以及溶解在其中的非揮發(fā)性溶質(zhì)無法穿過膜孔，因此在膜的孔口處形成汽/液兩相界面。微孔疏水膜在膜蒸餾過程中起兩相的支撐屏蔽作用。在膜蒸餾的過程中，同時(shí)發(fā)生傳 熱與傳質(zhì)兩種過程，溫差極化現(xiàn)象也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，從而對膜蒸餾的過程產(chǎn)生不利的影響。 目前已經(jīng)發(fā)展出四種不同的膜蒸餾操作方式，包括直接接觸式膜蒸餾 (direct contact membrane distillation, DCMD)， 氣隙式膜蒸餾(air gap membrane distillation ， AGMD)， 氣流吹掃式膜蒸餾 (sweeping gas membrane distillation, SGMD) 和真空式膜蒸餾 (vacuum membrane distillation, VMD)。其中DCMD法是將透過多孔膜的水蒸氣在冷側(cè)直接進(jìn)入 純水進(jìn)行冷凝，因此冷凝過程集成于膜組件以內(nèi)，操作相對簡單，被廣泛的 研究和采納。然而與其它操作方式相比，由于直接接觸而導(dǎo)致的更多的熱量 損失和較為嚴(yán)重的溫差極化是該方法不容忽視的影響因素。VMD法則是在透過 側(cè)施加一個(gè)負(fù)壓，將透過多孔膜的水蒸汽抽出到膜組件以外的冷凝器內(nèi)進(jìn)行 冷凝液化。此過程的優(yōu)點(diǎn)是熱量損失比其它三種膜蒸餾才喿作方法都小，蒸餾 通量較高，值得進(jìn)一步研究以充分利用該方法的優(yōu)勢。同時(shí)，保證施加的負(fù) 壓低于液體進(jìn)入膜孔的壓力(liquid entry pressure, LEP)以防止膜孔濕 化是VMD運(yùn)行中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前為止，將VMD方法應(yīng)用于從水體 中去除揮發(fā)性溶質(zhì)，從含鹽水脫鹽制備超純水，以及溶液的濃縮等的研究工 作已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開。在這些研究中，各種操作條件和工藝參數(shù)如進(jìn)水溫度與濃度、熱側(cè)水體循環(huán)流速、和蒸汽壓差等對VMD蒸汽通量的影響已經(jīng) 被一定程度的討論。此外，VMD過程的傳熱與傳質(zhì)機(jī)理也被進(jìn)一步的探討。MD技術(shù)具有操作壓力低，接近100 %的非揮發(fā)性物質(zhì)脫除率和在良好操 作條件下與高的產(chǎn)水通量，顯示了它作為RO技術(shù)的替代(大規(guī)模純水制備)或 補(bǔ)充技術(shù)(如用于船舶飲用水等)的應(yīng)用潛力，可以用于海水淡化與濃縮制鹽、 工業(yè)循環(huán)水凈化于減少污水排放、發(fā)酵液中氨基酸等產(chǎn)物濃縮結(jié)晶以及藥物 純化分離等方面。在降低投資和運(yùn)行費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面，可望取得 顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)循環(huán)水處理的一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢在于它不僅可以在 膜的透過側(cè)產(chǎn)生純水，而且在濃水側(cè)可以產(chǎn)生含鹽量很高甚至接近飽和的高 度濃縮水，高度濃縮的污水則可進(jìn)一步采用化學(xué)絮凝等其他物化方法進(jìn)行處 理，從而大大減少污水的排放量。通過從大量的循環(huán)水系統(tǒng)中濃縮提取小體 積的污染物，實(shí)現(xiàn)對循環(huán)水整體水質(zhì)的潔凈程度控制，不同于常規(guī)處理方法 是從水中獲取凈化水作循環(huán)水補(bǔ)水，因此可以大量減少殺菌劑和阻垢劑的投 加，同時(shí)減少污水的排;改，減少補(bǔ)給水量。用于海水淡化時(shí)，在得到99. 99%脫鹽率的淡水同時(shí)，還可望直接利用濃 海水制鹽。另外，膜蒸餾過程在實(shí)際運(yùn)行中可以利用其它熱源如地?zé)?、溫泉?太陽能等和低品廢熱如工廠余熱等，進(jìn)一步顯示了其更加廣泛的應(yīng)用前景。目前的VMD過程在實(shí)際應(yīng)用中存在幾個(gè)問題其一，大多數(shù)VMD過程采 用熱水從柱式膜組件的中空纖維內(nèi)側(cè)流動(dòng)的方法，當(dāng)中空纖維膜內(nèi)徑較小時(shí)， 濃水中的懸浮雜質(zhì)和無機(jī)垢容易堵塞中空纖維膜流道，當(dāng)中空纖維膜內(nèi)徑較 大時(shí)，單位體積膜組件內(nèi)裝填的膜面積減小，中空纖維膜強(qiáng)度減弱。其二， VMD過程采用熱水/人柱式膜組件的中空纖維外側(cè)流動(dòng)的方法時(shí)，熱側(cè)流體流動(dòng) 分布不均導(dǎo)致熱側(cè)流體溫度不均，影響液體蒸發(fā)效率。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種液體分離的膜蒸發(fā)濃 縮(Membrane Evaporated Concentration, MEC)系統(tǒng)和方法。通過本發(fā)明取得如下效果本發(fā)明設(shè)計(jì)了新的膜蒸發(fā)濃縮過程，其將具有一定溫度的原液與疏水性 多孔膜接觸，水蒸汽以氣態(tài)方式穿過多孔膜，在膜的另一側(cè)被脫除和冷凝收 集。通過該工藝過程的循環(huán)，在膜一側(cè)可以得到原液濃縮物，富集了被處理水中的無機(jī)離子和有機(jī)物等物質(zhì)，在膜的另一側(cè)可以得到純水。這樣，純水 可以直接回用，在熱池底部得到濃縮結(jié)晶鹽等固形物。氣提上浮液體則通過 投加絮凝劑、酸、堿等化學(xué)藥劑或其它公知的方法進(jìn)行沉淀固化處理，經(jīng)過 親水膜固液分離后，膜過濾清液返回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮。這樣對于污水處理而言，可以大大減少污水排放量；對于海水、發(fā)酵液分離而言，可以直 接得到結(jié)晶鹽。


圖l是本發(fā)明膜蒸發(fā)濃縮裝置示意圖；圖2是本發(fā)明膜蒸發(fā)濃縮(MEC)液體處理系統(tǒng)示意圖；圖3a是本發(fā)明膜組件膜絲倒U型洗鑄結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b是本發(fā)明膜組件膜絲U型澆鑄結(jié)構(gòu)示意圖；圖3c是本發(fā)明膜組件膜絲直型兩端澆鑄結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖l所示，本發(fā)明的膜蒸發(fā)部分包括熱池2;設(shè)置在熱池2上的料 液進(jìn)口 1;設(shè)置在熱池2中的浸沒式疏水中空纖維膜蒸發(fā)器3;控制膜污染的 穿孔曝氣管4，設(shè)置在蒸發(fā)器3的下部；設(shè)置在熱池2外部的中空纖維冷凝器 5;在冷凝器5的純水出水口后面設(shè)置負(fù)壓泵6，采用負(fù)壓抽吸，將水蒸氣導(dǎo) 入冷凝器5中進(jìn)行冷凝收集。濃縮結(jié)晶鹽等固形物則從設(shè)置在熱池2底部的4氐位排出口 7排出蒸發(fā)器。如圖2為MEC系統(tǒng)主體工藝示意圖。如圖2所示，通過上浮污染物溢流 管10,連接熱池2與反應(yīng)過濾池11。反應(yīng)過濾池(11 )設(shè)置有親水膜化學(xué)反 應(yīng)器。利用穿孔曝氣管4的氣浮提升作用，將蒸發(fā)熱池2中的懸浮雜質(zhì)和濃 水溢流至浸沒式膜反應(yīng)過濾池11。反應(yīng)過濾池11上設(shè)置有加藥口 17,通過 加藥口 17攪拌投加絮凝劑、酸、堿等化學(xué)藥劑，使有機(jī)物、沉淀鹽類等從設(shè) 置在反應(yīng)過濾池ll底部的排放口 14排出。膜過濾水則通過自吸泵16抽吸， 通過清水回流管15輸送返回至膜蒸發(fā)池2，繼續(xù)濃縮蒸發(fā)。熱反應(yīng)池2中的膜為聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜，內(nèi)徑0.2-3. 0躍， 壁厚0.05 — 1. (km,膜蒸發(fā)器多支并列組成一級(jí)，多極串聯(lián)構(gòu)成一組。熱反應(yīng)池2中設(shè)有空氣曝氣管4，其有三個(gè)作用 一是通過鼓氣攪動(dòng)，使熱池2中被處理液體與疏水膜絲均勻接觸，減小濃差極化與溫差極化作用； 二是利用氣泡摩擦擺動(dòng)效果，控制膜污染；三是利用氣浮提升作用，使懸浮 物上浮，從出口 8溢流出蒸發(fā)器。當(dāng)濃縮結(jié)晶鹽等固形物在熱池2中含量較多時(shí)，停止曝氣，使?jié)饪s結(jié)晶 鹽等固形物在重力作用下，自然下沉，從低位出口7排出。冷凝器5為中空纖維冷凝器,其中的高分子材料為聚偏氟乙烯中空纖維, 內(nèi)徑0.2 —3. Omm，壁厚0. 05 —1. Omm，冷凝器多支并列組成一級(jí)，多極串 聯(lián)構(gòu)成一組。膜化學(xué)反應(yīng)器12采用親水性簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜，其中設(shè)有空 氣曝氣管，利用氣泡摩擦擺動(dòng)效果，控制膜污染。通常膜蒸餾是采用內(nèi)壓式中空纖維膜，熱水流經(jīng)中空纖維膜內(nèi)側(cè)，由于 中纖維膜內(nèi)徑不大，使得中空纖維膜管內(nèi)流道容易堵塞，因此對原水預(yù)處理 要求高，同時(shí)，為了防止在膜組件內(nèi)部冷凝，需要對中空纖維膜組件進(jìn)行保 溫處理。本發(fā)明采用浸沒式外壓中空纖維疏水膜作為蒸發(fā)器，將外壓中空纖 維疏水膜直接浸沒于加熱原水池中，優(yōu)點(diǎn)是無需對膜組件進(jìn)行復(fù)雜的保溫處 理、膜蒸發(fā)面積大。通常膜蒸發(fā)是采用柱式膜組件，本發(fā)明采用浸沒一體式， 一方面，設(shè)備 緊湊、結(jié)構(gòu)簡單，另一方面，可以有效控制膜污染與直接進(jìn)行結(jié)晶分離。易 清洗(可以采用容易控制且清洗效果好的空氣清洗)、不易在膜表面結(jié)垢與結(jié) 晶、結(jié)晶物容易利用重力自然下沉收集、懸浮雜質(zhì)容易利用氣浮提升作用上 浮排出。膜組件結(jié)構(gòu)形式可以為U型、倒U型、直型，如圖3所示。圖3a顯示了 本發(fā)明膜組件膜絲倒U型澆鑄結(jié)構(gòu)示意圖；圖3b顯示了本發(fā)明膜組件膜絲U 型澆鑄結(jié)構(gòu)示意圖；圖3c顯示了本發(fā)明膜組件膜絲直型兩端澆鑄結(jié)構(gòu)示意圖。 本發(fā)明還提供一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于 將海水、工業(yè)循環(huán)水、發(fā)酵液、反滲透濃水等需要處理的原水，從料液 進(jìn)口1進(jìn)入熱池2，通過浸沒式疏水中空纖維膜蒸發(fā)器3，采用負(fù)壓泵6，將 水蒸氣導(dǎo)入冷凝器5中進(jìn)行冷凝收集。濃縮結(jié)晶鹽等固形物則從低位排出口 7 排出蒸發(fā)器。通過穿孔曝氣管4在線清洗，控制膜污染。利用穿孔曝氣管4 的氣浮提升作用，將蒸發(fā)熱池2中的懸浮雜質(zhì)和濃水溢流至浸沒式膜反應(yīng)過 濾池ll。通過加藥口 17攪拌投加絮凝劑、酸、堿等化學(xué)藥劑，使高濃度的鹽、 有機(jī)物沉淀，成為污泥，通過排放口 14排出。膜過濾水則通過自吸泵16抽吸，輸送返回至膜蒸發(fā)池2，繼續(xù)濃縮蒸發(fā)。由于疏水膜的空氣透過性好，為了控制膜污染，可以從空氣口 9通入低 壓壓縮空氣，對膜進(jìn)行空氣內(nèi)壓反沖沖擊清洗。熱池2中的^皮處理水，可以在熱池中被直^妄力口熱，也可以通過熱交換， 在熱池外部^皮加熱至-見定溫度后，再引入熱池。當(dāng)濃縮結(jié)晶鹽等固形物在熱池2中含量較多時(shí)，停止曝氣，使?jié)饪s結(jié)晶 鹽等固形物在重力作用下，自然下沉，AM氐位出口7排出。由于疏水膜的空氣透過性好，為了控制膜污染，可以從空氣口9通入低 壓壓縮空氣，對膜進(jìn)行空氣內(nèi)壓反沖沖擊清洗。作為蒸發(fā)器可以采用聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜材料，膜 結(jié)構(gòu)形式可以采用中空纖維膜、平板膜、管式膜組件，本發(fā)明優(yōu)選聚偏氟乙 烯中空纖維膜組件作為蒸發(fā)器。根據(jù)處理量的不同，可以將多個(gè)膜組件并聯(lián) 或同時(shí)串聯(lián)使用。冷凝器可以采用通用的金屬材料冷凝器，本發(fā)明優(yōu)選耐腐蝕、難結(jié)垢的 聚偏氟乙烯中空纖維換熱器。浸沒式膜化學(xué)反應(yīng)裝置中的親水性膜，可以是聚石風(fēng)、聚醚砜、聚偏氟乙 烯、聚丙烯腈、聚丙烯、聚乙烯等膜過濾材料，膜結(jié)構(gòu)形式可以采用中空纖 維膜、平板膜、管式膜組件，本發(fā)明優(yōu)選親水性聚偏氟乙烯中空纖維膜組件 作為固液分離器。根據(jù)處理量的不同，可以將多個(gè)膜組件并聯(lián)使用。本發(fā)明的系統(tǒng)適用的待處理的液體可以是自來水、海水、發(fā)酵液、冷卻 循環(huán)水，也可以用于化工揮發(fā)性物料分離或其它可以蒸發(fā)濃縮的液體體系。本發(fā)明特點(diǎn)如下1、 如圖2，膜蒸發(fā)器3優(yōu)選聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜，內(nèi)徑0.2— 3. Omm，壁厚0. 05 —1. Omm。采用外壓浸沒式膜組件結(jié)構(gòu)，膜蒸發(fā)器3由多 個(gè)膜組件并列組成一級(jí)，多極串聯(lián)構(gòu)成一組。2、 換熱器5優(yōu)選采用聚偏氟乙烯中空纖維，內(nèi)徑0.2 — 3. Omm，壁厚 0.05 — 1.0mm。換熱器3由多支并列組成一級(jí)，多極串聯(lián)構(gòu)成一組。3、 在曝氣控制膜污染的同時(shí)，利用氣浮提升作用，部分濃縮水進(jìn)入浸 沒式膜反應(yīng)過濾池ll，通過投加絮凝劑、酸堿等化學(xué)藥劑，使高濃度的鹽、 有機(jī)物沉淀，成為污泥，排放。透過膜的清水被負(fù)壓抽吸出來，輸送至膜蒸 發(fā)池2繼續(xù)濃縮。8
權(quán)利要求
1、一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其特征在于，包括熱池(2)，其中設(shè)置有疏水膜蒸發(fā)器(3)，對原液進(jìn)行分離，水蒸氣被冷凝后收集；與熱池(2)連接的反應(yīng)過濾池(11)，其上設(shè)置有化學(xué)藥劑投加口(17)，反應(yīng)過濾池(11)設(shè)置有親水膜化學(xué)反應(yīng)器(12)，對從熱池(2)中溢出的上浮污染物進(jìn)行分離。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其膜蒸發(fā)器特征在于被處理料液從^沒置在熱池(2 )上的料液進(jìn)口 ( 1)進(jìn)入熱池(2 )，從浸 沒式疏水膜蒸發(fā)器(3)排出的蒸汽被負(fù)壓泵(6)抽吸，進(jìn)入到冷凝器(5) 中被冷凝，獲得純水；在熱池(2)底部獲得濃縮結(jié)晶沉淀物，通過排出口 (7)排出；在熱池(2 )底部裝有曝氣管(4 )。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其膜化學(xué)反應(yīng)器 特征在于連接熱池(2 )與反應(yīng)過濾池(11)之間設(shè)置有上浮污染物溢流管(10 )，蒸發(fā)器中的液體在氣浮提升作用下進(jìn)入反應(yīng)池(11),在反應(yīng)池上設(shè)置 有加藥口 (17)，投加絮凝劑、酸、堿等化學(xué)藥劑；親水膜化學(xué)反應(yīng)器(12)進(jìn)行過濾后，膜過濾水通過吸泵(16)送回?zé)?池(2)中；膜化學(xué)反應(yīng)池(11)底部設(shè)置低位排放口 (14),污泥通過上述排放口 (14)排出；膜化學(xué)反應(yīng)池(11)中還設(shè)置有曝氣管(13)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其特征在于 膜蒸發(fā)器(3)中的膜為聚偏氟乙烯中空纖維疏水膜，內(nèi)徑0.2 — 3. Omm，壁厚0. 05 — 1. Omm，浸沒式疏水膜組件(3 )多支并列組成一級(jí)，多極串聯(lián) 構(gòu)成一組。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其特征在于 化學(xué)反應(yīng)器(12)中的膜為親水性簾式聚偏氟乙烯中空纖維膜，其中設(shè)有空氣曝氣管，利用氣泡摩擦擺動(dòng)效果，控制膜污染。
6、 一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于首先，需要處理的原水，從料液進(jìn)口 (1)進(jìn)入熱池(2); 原水通過浸沒式疏水中空纖維膜蒸發(fā)器(3)進(jìn)行過濾； 設(shè)置在熱池(2 )上的負(fù)壓泵(6 )，將水蒸氣導(dǎo)入冷凝器(5 )中進(jìn)行冷 凝收集；濃縮結(jié)晶鹽等固形物則從低位排出口 (7)排出蒸發(fā)器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于 通過設(shè)置在膜蒸發(fā)器(3)下部的穿孔曝氣管(4)進(jìn)行在線清洗，控制膜污染。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于 利用穿孔曝氣管(4)的氣浮提升作用，將蒸發(fā)熱池(2)中的懸浮雜質(zhì)和濃水溢流至浸沒式膜反應(yīng)過濾池(11);通過設(shè)置在膜反應(yīng)過濾池(11)上的加藥口 ( 17 )攪拌投加絮凝劑、酸、 堿等化學(xué)藥劑，使高濃度的鹽、有機(jī)物沉淀，成為污泥，通過排放口 (14) 排出；膜過濾水則通過自吸泵(16)抽吸，輸送返回至膜蒸發(fā)池(2 )，繼續(xù)濃 縮蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種液體分離的膜濃縮蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)和方法。將具有一定溫度的原液與疏水性多孔膜接觸，水蒸汽以氣態(tài)方式穿過多孔膜，在膜的另一側(cè)被脫除和冷凝收集。通過該工藝過程的循環(huán)，在膜一側(cè)可以得到原液濃縮物，富集了被處理水中的無機(jī)離子和有機(jī)物等物質(zhì)，在膜的另一側(cè)可以得到純水。這樣，純水可以直接回用，在熱池底部得到濃縮結(jié)晶鹽等固形物。氣提上浮液體則通過投加絮凝劑、酸、堿等化學(xué)藥劑或其它公知的方法進(jìn)行沉淀固化處理，經(jīng)過親水膜固液分離后，膜過濾清液返回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)濃縮。這樣對于污水處理而言，可以大大減少污水排放量；對于海水、發(fā)酵液分離而言，可以直接得到結(jié)晶鹽。
文檔編號(hào)B01D61/36GK101327407SQ20071005769
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月20日
發(fā)明者呂曉龍 申請人:天津工業(yè)大學(xué)