一种新型太阳能减压多效膜蒸馏装置的制作方法

本发明涉及一种多效膜蒸馏装置，具体涉及一种新型太阳能减压多效膜蒸馏装置。

背景技术：

膜蒸馏技术是一种将传统蒸馏法和膜技术相结合的新型分离技术，可被应用于海水/苦咸水/工业废水的淡化、脱盐及浓缩等过程。膜蒸馏以微孔疏水膜将温度不同的两种溶液分隔开来，利用疏水膜两侧可透过组分的蒸汽分压差作为驱动力，使得温度较高侧的原料液中的可透过组分以气体分子形式穿过分离膜，从而实现传质；与此同时液体、不溶物及离子等则不能透过疏水膜。膜蒸馏技术具有脱盐率高、产水水质好、水回收率高等优势，但目前该技术总体处于中试研究阶段，尚未有工业应用。制约膜蒸馏工业应用的一个主要问题在于：使用传统方式(电加热)加热原料液导致其能耗和运行成本较高。

太阳能是一种取之不尽且获取方便的可再生绿色能源。随着太阳能技术的发展，科研人员已经成功将太阳能利用与膜蒸馏过程相结合，使用低温太阳能集热装置(即太阳能集热管)将膜蒸馏过程的原料液加热至所需温度。与单一膜蒸馏相比，耦合太阳能的膜蒸馏过程能耗较低，不产生二次污染且运行费用大大减少，可以实现降耗、环保和节约成本三重效益。然而，现有的太阳能膜蒸馏技术在存在管路损失及不进行系统热量回用的情况下，整个系统的热量流失会达到50％以上。

多效膜蒸馏可有效回收气/液体的相变热，改善热能利用效率，提高造水比。该过程利用膜蒸馏组件中由于可透过组分汽化，产生的 蒸汽作为次级热源，加热原料液，使得其温度逐渐升高；而蒸汽因为放热降温，冷凝成液态被收集。由此，膜蒸馏过程能耗可有效降低。根据具体膜蒸馏过程的不同，多效膜蒸馏也发展出减压/真空多效膜蒸馏、气隙多效膜蒸馏、气扫多效膜蒸馏、卷式多效膜蒸馏等。

减压膜蒸馏过程中需要使用真空泵，利用真空泵在膜组件壳程形成的低压/负压，使产出的蒸汽以较其他膜蒸馏方式更快的速度穿过分离膜，提高膜通量；蒸汽放热后生成的冷凝水在真空泵的抽吸作用下也更容易被收集。但是真空泵的使用会使得膜蒸馏过程的能耗提高；另一方面，部分未被冷凝的水蒸气会借真空泵的抽吸作用进入真空泵泵体，在长期运行过程中对真空泵造成损坏，从而增加该过程的运行成本。此外，在减压/真空多效膜蒸馏过程中，仅依靠膜组件内自身的冷凝作用不足以回收全部水蒸气。因此还需要提供额外的换热器，而换热器的使用会使膜蒸馏过程整体能耗上升。

中国专利cn203155103u涉及一种结合太阳能的膜组件和膜蒸馏系统。膜组件包括了设有冷壁的冷工质容腔和设有膜的热工质容腔，膜的渗透侧与冷壁之间有间隙，相当于一种气隙膜蒸馏组件。这套膜蒸馏装置需使用太阳能发电系统，利用热电制冷技术让冷工质容腔保持低温状态，设备复杂且投入较高，也没有实现对产生蒸汽相变热的回用，热能利用效率较低。

中国专利cn104261608a公布了一种太阳能膜蒸馏海水淡化方法，包括一种中空纤维膜和中空纤维冷凝管呈交错编制填充的膜蒸馏组件，以及相应的配套单元。该专利中膜组件的设计实现了冷凝潜热的回收，提高了热能利用率。但是膜组件的制备过程较为复杂；且在膜组件被污染导致性能下降后，交错式的中空纤维膜和中空纤维冷凝管不易清洗与更换。

中国专利cn102107119a提出一种真空多效膜蒸馏装置与方法。该装置由升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区构成，有较高的热量回收率，且不需要昂贵的热泵系统。但是由于该装置使用了真空泵，会 产生上述真空膜蒸馏过程所面临的问题，削弱多效膜蒸馏的能量优化效应。

美国专利us9023211b2涉及在真空膜蒸馏过程中采用抽吸器代替真空泵，产生真空压力。在该专利中，利用液体流经抽吸器所产生的吸力作用，收集产水和水蒸气，可以使得膜蒸馏产出的水蒸气全部被收集。另外，相比真空泵，该过程的能耗较低，实现了节能降耗的目的。但该技术目前尚未应用于太阳能减压多效膜蒸馏过程中。

和上述专利相比，本申请涉及一种在太阳能减压多效膜蒸馏过程中利用文丘里效应的方法，有机结合了各自技术的优势。本申请设计了文丘里-太阳能减压多效膜蒸馏系统，可以实现利用太阳能集热管代替传统的电加热，将膜蒸馏中的原料液提升至所需温度，减少了对电能的消耗，是一种绿色环保的新型技术；该系统使用减压多效膜蒸馏组件，实现了对水蒸气相变热的回收利用，提高了过程的热能利用效率；基于文丘里效应产生的抽吸作用，真空泵可以被代替，进一步降低膜蒸馏过程的能耗和操作难度，减少设备支出/维护费用，实现对产水的完全回收。

技术实现要素：

本发明的目的是结合太阳能与膜蒸馏过程，利用太阳能集热管代替传统膜蒸馏过程中的电加热方式对原料液进行加热，有效降低了膜蒸馏的能耗和运行费用。

本发明的另一个目的是基于多效膜蒸馏过程，回收利用水蒸气的冷凝潜热，提高该过程的热能利用效率。

本发明的第三个目的是克服现有减压膜蒸馏技术的缺陷，提出将文丘里效应应用于减压多效膜蒸馏的方法。利用文丘里管系统代替传统的真空泵，实现对产水的完全回收，提高产水量；杜绝膜蒸馏长期运行过程中水蒸气对真空泵的损耗；并降低减压多效膜蒸馏过程的能耗和运行费用。

为达到以上目的，本发明采用以下的技术方案：

一种新型太阳能减压多效膜蒸馏装置，包括：h式多效膜蒸馏组件7、文丘里管系统、换热系统、太阳能集热系统和原水槽1；

所述h式多效膜蒸馏组件7包括冷水进口47、冷水出口45、热水进口44、热水出口46、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ48和h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ49；

所述文丘里管系统包括：阀门ⅲ18、文丘里管21、产水槽25、隔膜泵ⅲ24、转子流量计ⅱ23和换热器ⅲ22；

所述h式多效膜蒸馏组件的冷水进口47与原水槽1的出水口连接，所述冷水出口45与换热系统的进水口连接，所述热水进口44与换热系统的出水口连接，所述热水出口46与换热器ⅲ22的进水口连接；换热器ⅲ22的出水口与原水槽1的进水口连接；

所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ48和h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ49均与文丘里管系统的阀门ⅲ18连接；

所述太阳能集热系统的中部与换热系统的上部通过阀门ⅵ(29)连接，所述太阳能集热系统的底部与换热系统的底部连接。

在上述方案的基础上，所述太阳能集热系统包括：太阳能集热器和储水系统；

所述太阳能集热器包括：集热管41和换热器ⅱ38；

所述储水系统包括：储水罐35、转子流量计ⅲ34、隔膜泵ⅴ33、三通阀32和隔膜泵ⅵ31。

所述储水罐35下端出水口处设有三通阀32，三通阀32左侧与换热系统的底部连接，中间设有隔膜泵ⅵ31；三通阀32右侧与换热器ⅱ38的进水口连接，中间设有转子流量计ⅲ34和隔膜泵ⅴ33，储水罐35的上端进水口与换热器ⅱ38的出水口连接，中间设有温度表ⅵ36。

所述换热器ⅱ38与集热管41的底部出口之间设有隔膜泵ⅳ40和温度表ⅷ39，换热器ⅱ38与集热管41顶部进口之间设有温度表ⅶ37。

在上述方案的基础上，集热管41呈45度角摆放，并与换热器ⅱ38连接。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件的冷水进口47与冷水出口45之间为冷凝/增温区9，所述热水进口44与热水出口46之间为蒸发区8。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ48位于蒸发区8的下部，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ49位于冷凝/增温区9的下部。

在上述方案的基础上，所述文丘里管21包括文丘里管进水口50、水蒸气/产水入口51和文丘里管出水口52。

在上述方案的基础上，所述文丘里管系统中，水蒸气/产水入口51与阀门ⅲ18连接，文丘里管进水口50与换热器ⅲ22连接，文丘里管出水口52与产水槽25的进水口连接；转子流量计ⅱ23和隔膜泵ⅲ24位于换热器ⅲ22与产水槽25的出水口之间。

在上述方案的基础上，所述文丘里管出水口52与产水槽25的进水口之间设有压力表ⅲ20，所述文丘里管进水口50与换热器ⅲ22之间设有压力表ⅱ19。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件的冷水进口47与原水槽1的出水口之间设有隔膜泵ⅰ2、转子流量计ⅰ3、压力表ⅰ4、温度表ⅰ5和阀门ⅰ6。

在上述方案的基础上，所述换热系统包括换热器ⅰ11、隔膜泵ⅱ12和热水槽13。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件的冷水出口45与换热器i11的进水口连接，二者之间设有温度表ⅱ10。

在上述方案的基础上，所述热水进口44与换热器i11的出水口连接，二者之间设有温度表ⅲ15和阀门ⅱ14。

在上述方案的基础上，所述热水出口46与换热器ⅲ22的进水口之间设有温度表ⅳ17。

在上述方案的基础上，所述换热器ⅲ22的出水口与原水槽1的 进水口之间设有温度表ⅴ26、过滤装置27和阀门ⅴ28。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ48与阀门ⅲ18之间设有阀门ⅳ16。

在上述方案的基础上，所述太阳能集热系统的储水罐35的储水罐中部进口53通过阀门ⅵ29与换热系统的热水槽13中的漂浮球阀30连接。

在上述方案的基础上，所述太阳能集热系统的隔膜泵ⅵ31与换热系统的热水槽13的热水槽底部进口54连接。

有益效果：

本发明对比现有的太阳能膜蒸馏系统，具有以下优点：

(1)可实现对水蒸气冷凝潜热的有效利用，提高热能利用效率；

(2)利用文丘里管替代传统的真空泵，减少抽真空过程中产生的能耗；

(3)可实现对产水的完全收集，提高产水量；

(4)由于系统中过滤模块的存在，可使得多效膜蒸馏过程的膜污染程度较轻，延长了该系统的连续稳定运行时间；

(5)优化和简化了现有的太阳能膜蒸馏系统，降低装置建设费用、过程整体能耗和运行费用。

附图说明

附图1是文丘里-太阳能减压多效膜蒸馏装置示意图；

附图2是h式减压多效膜蒸馏组件示意图；

附图3是文丘里管示意图。

各图中粗实线箭头代表液体的流动方向，虚线箭头代表蒸汽和产水的流动方向。

图中，1、原水槽，2、隔膜泵ⅰ，3、转子流量计ⅰ，4、压力表ⅰ，5、温度表ⅰ，6、阀门ⅰ，7、h式多效膜蒸馏组件，8、蒸发区，9、冷凝/增温区，10、温度表ⅱ，11、换热器ⅰ，12、隔膜泵ⅱ，13、 热水槽，14、阀门ⅱ，15、温度表ⅲ，16、阀门ⅳ，17、温度表ⅳ，18、阀门ⅲ，19、压力表ⅱ，20、压力表ⅲ，21、文丘里管，22、换热器ⅲ，23、转子流量计ⅱ，24、隔膜泵ⅲ，25、产水槽，26、温度表ⅴ，27、过滤装置，28、阀门ⅴ，29、阀门ⅵ，30、漂浮球阀，31、隔膜泵ⅵ，32、三通阀，33、隔膜泵ⅴ，34、转子流量计ⅲ，35、储水罐，36、温度表ⅵ，37、温度表ⅶ，38、换热器ⅱ，39、温度表ⅷ，40、隔膜泵ⅳ，41、集热管，42、阳光，43、水蒸气，44、热水进口，45、冷水出口，46、热水出口，47、冷水进口，48、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ，49、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ，50、文丘里管进水口，51、水蒸气/产水入口，52、文丘里管出水口。53、储水罐中部进口，54、热水槽底部进口

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施案例，对发明作进一步的说明。

附图1呈现的是文丘里-太阳能减压多效膜蒸馏装置示意图。图中，原料液在原水槽1中通过隔膜泵ⅰ2和转子流量计ⅰ3控制流速，进入h式多效膜蒸馏组件的冷凝区9。原液自下而上通过冷凝区9中的致密高分子中空细管。原液在中空细管中被高温蒸汽在细管表面冷凝所释放的潜热逐步加热。被加热到一定温度的原液流出h式多效膜蒸馏组件的冷凝区9，在进入h式多效膜蒸馏组件蒸发区8前，通过换热器ⅰ11中的热水被进一步加热到所需温度。

换热器ⅰ11中的热水来自太阳能集热系统。利用太阳能集热管41将阳光42转换为热量。集热管41中的水被该热量加热后，与储水罐35中的水通过换热器ⅱ38进行换热。从储水罐35出来的水通过一个三通阀32可分别与集热管41中的热水换热和进入热水槽13。热水槽13中的水位通过一个液位控制器和阀门ⅵ29控制，当液位过高时，阀门ⅵ29会自动打开让多余的水从热水槽13流回储水罐35。

被加热到预定温度的原料液自上而下通过蒸发区8中的微孔中空纤维膜。水蒸气43透过膜表面的微孔，在文丘里管系统产生的抽 吸作用下，进入h式多效膜蒸馏组件7的壳程，并接着进入h式多效膜蒸馏组件的冷凝区9。水蒸气43在温度较低的高分子中空细管表面冷凝，顺着细管流下在h式多效膜蒸馏组件7的底部流出。产水槽25中事先存放一定量的净水，净水通过隔膜泵ⅲ24、转子流量计ⅱ23控制其流速，流经换热器ⅲ22，并在此之后在流经文丘里管21时形成压力差，从而产生抽吸力。h式多效膜蒸馏组件7中的产水和未经充分冷凝形成液态水的水蒸气43被文丘里管21中的水流完全带走并在产水槽25中被收集。原液在蒸发区8流动的过程中，温度逐渐降低。在流出h式多效膜蒸馏组件7后通过换热器ⅲ22中的产水被继续冷却至室温，之后通过过滤装置27除掉原水在不断蒸发和改变温度过程中可能析出的不溶物，最后流回原水槽1。

附图2呈现的是h式多效膜蒸馏组件示意图。图中h式多效膜蒸馏组件7包括冷凝/增温区9和蒸发区8。在冷凝/增温区9中，使用的高分子中空细管被平行排列，互不接触。在蒸发区8中，由高分子材料制成的微孔中空纤维膜同样平行排列，互不接触。蒸发区8和冷凝区9通过中部贯通的“h”型玻璃外壳连接。在蒸发区8外包有保温材料。h式多效膜蒸馏组件的产水出口设在组件下端。产水出口ⅰ48用于排出蒸发区8可能积聚的产水；产水出口ⅱ49用于排出冷凝区9经水蒸气43冷凝放热后形成的产水。

附图3呈现的是文丘里管示意图。图中包括文丘里管进水口50、水蒸气/产水入口51和文丘里管出水口52。产水槽25中的净水从文丘里管进水口50进入，随着管内截面逐渐变小，流速随之变大。此时会在水蒸气/产水入口51处产生一个真空度，使得h式多效膜蒸馏组件7中的产水和水蒸气43被吸入文丘里管21内，随着水流一起流回产水槽25内。

操作流程：

(1)检查，确保各部件连接正确及紧密。

(2)所使用的太阳能集热装置为玻璃金属结构的u型管式真空 管型太阳能加热器，采光面积为4m²，南北方向安装，集热管41倾斜角度为45度。开启太阳能集热系统中的隔膜泵ⅳ40，待集热系统中的热水温度达到70℃以上时，将储水罐35下端出水口处的三通阀32右侧部分打开，开启隔膜泵ⅴ33，通过转子流量计ⅲ34控制水的流速。储水罐35中的水在换热器ⅱ38处与太阳能集热系统中的水进行换热。换热器ⅱ38为平板式换热器，换热面积为1.6m²。储水罐35为封闭耐压式水箱，容量为150l。待储水罐35中的水温达到60℃以上时，三通阀32左侧部分打开，水通过隔膜泵ⅵ31进入膜蒸馏系统中的热水槽13。热水槽13内的水量为70l左右，其水位通过液位控制器进行控制。当液位到达预定高度时，与漂浮球阀30联动的阀门ⅵ29会自动打开，多余的水将流回储水罐35中。

(3)开启隔膜泵ⅰ2和ⅱ12，打开阀门ⅰ6，阀门ⅱ14和阀门ⅴ28，原水槽1的原料液通过转子流量计ⅰ3控制流速。压力表ⅰ4和温度表ⅰ5用于监测原料液进入h式多效膜蒸馏组件增温区9前的温度和压力。温度表ⅱ10和温度表ⅲ15分别用以监测原料液通过增温区9后的温度和原料液通过换热器ⅰ11进行换热后，进入h式多效膜蒸馏组件蒸发区8前的温度。换热器ⅰ11为盘管式换热器。温度表ⅳ17用以监测原料液流出h式多效膜蒸馏组件蒸发区8后的温度。

h式多效膜蒸馏组件增温区9使用聚丙烯(pp)换热细管，内径为0.4mm,外径为0.7mm；h式多效膜蒸馏组件蒸发区8使用聚丙烯(pp)中空纤维疏水膜，内径为1.8mm，外径为2.7mm，孔隙率为73.9％，平均孔径为0.238μm，膜表面接触角为148°；h式多效膜蒸馏组件7外壳材料为玻璃，长度为400mm，h式多效膜蒸馏组件7内膜的总面积为0.16m²。h式多效膜蒸馏组件7外使用保温海绵包裹。原料液流出h式多效膜蒸馏膜组件7后接着进入换热器ⅲ22。换热器ⅲ22为盘管式换热器。

最后，原料液经过过滤装置27后流回原水槽1。过滤装置27孔径为0.5μm。系统稳定运行一段时间后，开启隔膜泵ⅲ24，通过转子流量计ⅱ23控制流速，将产水槽25中的冷水输送至换热器ⅲ22。产 水槽25为封闭耐压式水箱，内部盛有70l洁净冷水。冷水通过换热器ⅲ22与原料液进行换热后进入文丘里管21。文丘里管21材料为铝合金，长度为150mm，文丘里管进水口50处直径为15mm,水蒸气/产水入口51直径为10mm，文丘里管出水口52直径为25mm。冷水流经文丘里管21时会在水蒸气/产水入口51处产生低压，由此形成一个抽吸力，让来自h式多效膜蒸馏组件7的水蒸气43和产水被吸入文丘里管21，并被冷水带回产水槽25收集。文丘里系统开始运行后，随即将阀门ⅲ18打开。如若运行一段时间后，蒸发区8内有液态水聚集，可打开阀门ⅳ16收集该区域内的产水。

(4)关闭膜蒸馏装置。关闭隔膜泵ⅰ2，接着关闭三通阀32及隔膜泵ⅴ33和隔膜泵ⅵ31。待膜蒸馏系统运行至温度低于45℃时，关闭隔膜泵ⅰ2以及阀门ⅰ6，阀门ⅱ14和阀门ⅴ28。之后当h式多效膜蒸馏组件7不再有水产出时，关闭隔膜泵ⅲ24以及阀门ⅱ14和阀门ⅲ18。

实施案例一：

我国大部分地区属于3类及3类以上日照区(太阳能可利用地区)，每年的日照时间在2000小时以上。因此，该文丘里-太阳能减压多效膜蒸馏系统应用前景较为广阔，尤其在淡水资源缺乏但苦咸水丰富的地区，可以采用该系统来制备饮用水及生活用水。

在我国3类日照区某城市，典型的夏季晴朗天气情况下。太阳辐射强度从上午8时起逐渐变大，到午间12点至14点间达到最强，之后逐渐变弱，平均总辐照度超过900w·m²，日太阳辐射总量可达到20mj·m²·d^-1。此时，真空管集热器的日平均效率和瞬时效率大致分别为45％和70％。室外环境温度在29-35℃之间，在午间达到最高。

储水罐35和热水槽13中的水温随太阳辐射强度变化而变化，午间可以达到80℃以上。使用浓度为35g·l^-1的nacl盐溶液作为原料液，通过转子流量计控制流量为120l·h^-1，热水槽13中的热水流量为600l·h^-1，进入蒸发区8前原料液温度控制在70℃左右，文 丘里管系统(冷侧)中冷水流量控制为360l·h^-1，在水蒸气入口51产生的压力为10kpa，连续运行5小时，得到的最大膜通量为11lm^-2·h^-1，产水的电导率为10μs·cm^-1左右，脱盐率大于99.5％。

注意事项：

(1)在膜蒸馏装置运行一段时间后，当产水电导率高于100μs·cm^-1时，需要对h式多效膜蒸馏组件7进行清洗。配制ph为2.5的盐酸溶液和ph为11.5的naoh溶液，分别清洗h式多效膜蒸馏组件730分钟。开启阀门ⅰ6，阀门ⅱ14和阀门ⅴ28，保持其他所有阀门关闭。开启隔膜泵ⅰ2后，通过转子流量计控制流速，使得h式多效膜蒸馏组件7处于流速不断变化的动态清洗过程。之后，使用清水进行清洗，直至清洗液的ph值回复到7左右。

(2)在膜蒸馏装置运行一段时间后，原水槽1中的水量减少，盐浓度上升，温度升高，需通过人工方式对原水槽1进行补水。

(3)在膜蒸馏装置运行一段时间后，产水槽25中的水量逐渐变多，温度升高，需通过人工方式移走部分产水，并使用自来水对产水槽25进行补水。

(4)太阳能集热系统中的水温变化与太阳辐射强度的变化并不同步，而是有一段迟滞时间。

(5)注意对h式多效膜蒸馏组件7、太阳能集热装置、管道、水槽等进行保温，减少热量流失。

(6)当发现压降变大，原料液流量持续下降时，说明过滤装置27中积聚的不溶物增多，需要对过滤装置27进行清洗和更换。

实施案例二：

在我国3类日照区某城市，典型的夏季阴天情况下。太阳辐射强度很低，日太阳辐射总量小于8mj·m²·d^-1。室外环境温度在30-34℃之间。

储水罐35和热水槽13中的温度随太阳辐射强度变化而变化，温度范围在50-60℃之间。使用浓度为35g·l^-1的nacl盐溶液作为原 料液，通过转子流量计控制流量为120l·h^-1，热水槽13中的热水流量为600l·h^-1，进入蒸发区8前原料液温度为54℃，文丘里管系统(冷侧)中冷水流量控制为360l·h^-1，在水蒸气入口51产生的压力为10kpa,连续运行6小时，得到的最大膜通量仅为4l·m^-2·h^-1，产水的电导率为6μs·cm^-1左右，脱盐率大于99.9％。因此，阴天不适于太阳能膜蒸馏系统的运行。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。