一种耦合文丘里效应的真空多效膜蒸馏装置的制作方法

本发明涉及一种真空多效膜蒸馏装置，具体涉及一种耦合文丘里效应的真空多效膜蒸馏装置。

背景技术：

膜蒸馏技术是一种使用微孔疏水膜阻隔液体/不溶固体，以膜两侧温度不同的溶液所产生的蒸汽压差作为驱动力，仅允许水蒸汽分子透过疏水膜的新型膜分离技术。该技术由于具有脱盐率高、产水水质好、水回收率高、能够处理高盐废水等优势，近年来引起学术界和工业界的广泛关注。然而，目前限制该技术工业化的主要问题在于其产水过程的能耗及运行成本过高；另外，由于蒸汽冷凝过程中的潜热没有得到充分利用，致使膜蒸馏过程的热能利用效率较低。因此，亟需设计新型的膜组件及系统解决该过程中现存的问题。

多效膜蒸馏系统通过在膜组件的设计中考虑对潜热的回收，有效利用蒸汽冷凝过程释放的潜热，提高了膜蒸馏的热能利用效率和造水比。在多效膜蒸馏过程中，原料液(冷)首先被输送至膜组件升温区内的实壁管(不透气/不透水)，在由下至上的流动过程中吸收水蒸气在实壁管外壁冷凝所释放的热量而被逐渐加热。经过外部换热器进一步提升温度后，原料液(热)返回膜组件的蒸发区，以与原料液(冷)逆流的方式进入中空纤维微孔疏水膜。蒸发的水蒸气穿过分离膜，扩散到组件壳程的间隙，随后来到实壁管的外表面放热冷凝。冷凝液在实壁管外壁聚集，最终从壳程的出口流出膜组件被收集为产水。与普通膜蒸馏相似，多效膜蒸馏也有不同的形式，包括真空多效膜蒸馏、 气隙多效膜蒸馏、气扫式多效膜蒸馏等。

真空多效膜蒸馏系统利用真空泵在膜组件壳程形成的负压，可使产出的蒸汽快速透过分离膜，与实壁管接触，冷凝放热；另外，生成的冷凝水在泵的抽吸作用下也容易被收集。然而，由于使用真空泵，会导致该膜蒸馏过程能耗较高；其次，仅依靠组件内实壁管管壁的冷凝作用不足以回收全部水蒸气，而驱动换热器对水蒸气进行冷凝则会产生额外的能耗。再者，由上一点提到的，水蒸气的不完全冷凝回收，一方面会造成部分水蒸气流失，使得膜产水量降低；另一方面，未经冷凝的水蒸气会借由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。

中国专利cn102107119a涉及一种多效膜蒸馏装置与方法，该方法提出的多效膜蒸馏装置由升温蒸发区、主蒸发区和降温蒸发区三个部分构成。每一级膜组件蒸发产生的水蒸气在真空泵的抽吸作用下，顺次通过膜组件被冷凝降温，最后作为产水被排出。但由于该装置使用真空泵，会产生前述的真空多效膜蒸馏过程所面临的问题，削弱该过程的能量优化效应。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。抽吸器的工作原理即：当气体或液体在管道中流动时，气体(液体)的流速因为涌流横截面积变小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小，进而产生压力差，该压力差可以产生吸力作用。在该专利中，利用液体流经抽吸器所产生的吸力，可完全收集膜蒸馏的产水和水蒸气。相比真空泵，抽吸器能耗较低，实现了节能降耗的目的。目前该项技术尚未应用于真空多效膜蒸馏过程中。

与上述专利相比，本申请涉及一种在真空多效膜蒸馏过程中利用文丘里效应的方法，充分结合了各自技术的优势。本申请设计了一种耦合文丘里效应的真空多效膜蒸馏装置，一方面通过真空多效膜蒸馏过程实现对水蒸气冷凝潜热的回收利用，减少因为使用外部换热器消耗的能量，提高过程的热效率；另一方面，利用文丘里系统产生的抽 吸作用，代替真空泵，可进一步降低膜蒸馏过程的能耗，实现对产水的100％回收。同时也能降低操作难度，简化装置，减少设备支出和维护费用。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有真空膜蒸馏技术的缺陷，将文丘里效应应用于真空多效膜蒸馏，利用文丘里管取代真空多效膜蒸馏过程中使用的真空泵，使膜蒸馏过程的能耗进一步降低。将多效膜蒸馏过程与文丘里效应相结合，优化真空多效膜蒸馏系统，提高该过程的热能利用效率，降低真空膜蒸馏过程的能耗以及减少运行费用。

本发明的另一目的是克服现有真空膜蒸馏技术的缺陷，将多效真空膜蒸馏过程与文丘里效应相结合，利用文丘里系统替代传统真空泵，杜绝膜蒸馏长期运行过程中水蒸气对真空泵的损坏，并实现对产水的完全回收，提高膜蒸馏的产水量。

本发明的目的及解决的技术问题是采用以下技术方案来实现的。

一种耦合文丘里效应的真空多效膜蒸馏装置，包括h式多效膜蒸馏组件7、文丘里管系统、原水槽1和换热系统；

所述h式多效膜蒸馏组件7包括冷水进口30、冷水出口28、热水进口27、热水出口29、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ34和h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35；

所述文丘里管系统包括：阀门ⅲ18、文丘里管19、转子流量计ⅱ21、隔膜泵ⅳ22、换热器ⅱ20以及产水/冷水槽25；

所述h式多效膜蒸馏组件的冷水进口30与原水槽1的出水口连接，所述冷水出口28与换热系统的进水口连接，所述热水进口27与换热系统的出水口连接，所述热水出口29与换热器ⅱ20的进水口连接；换热器ⅱ20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ⅰ34和h式多效膜蒸馏组件 产水出口ⅱ35均与文丘里管系统的阀门ⅲ18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30与冷水出口28之间为冷凝/升温区9，所述热水进口27与热水出口29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ⅰ34位于蒸发区8的下部，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35位于冷凝/升温区9的下部。

在上述方案的基础上，所述文丘里管包括文丘里管进水口31、水蒸气/产水入口32和文丘里管出水口33。

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32与阀门ⅲ18连接，文丘里管进水口31与换热器ⅱ20连接，文丘里管出水口33与产水/冷水槽25的进水口连接；转子流量计ⅱ21和隔膜泵ⅳ22位于换热器ⅱ20与产水/冷水槽25的出水口之间。

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30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ⅰ13、隔膜泵ⅱ14和热水槽15。

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28与换热器i13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27与换热器i13的出水口连接，二者之间设有温度表ⅲ11和阀门ⅱ12。

在上述方案的基础上，所述热水出口29与换热器ⅱ20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ⅱ20的出水口与原水槽1的进水口之间设有过滤装置23和阀门ⅴ24。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ34和阀门ⅲ18之间设有阀门ⅳ16。

本发明的有益效果：

本发明对比现有的真空多效膜蒸馏系统，具有以下优点：

(1)利用文丘里系统替代传统真空泵，减少抽真空过程产生的能耗；

(2)可实现对产水的完全收集，提高产水量；

(3)本发明中的多效膜蒸馏过程的膜污染较轻，延长了该系统的连续稳定运行时间；

(4)实现热量的充分利用，提高膜蒸馏过程的热效率；

(5)优化和简化了现有真空多效膜蒸馏系统，降低膜蒸馏过程的整体能耗和运行费用。

附图说明

本发明有如下附图：

附图1是文丘里-真空多效膜蒸馏装置示意图。

附图2是“h”式真空多效膜蒸馏组件示意图；

附图3是文丘里管示意图；

各图中的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/升温区，10、温度表ⅱ，11、温度表ⅲ，12、阀门ⅱ，13、换热器ⅰ，14、隔膜泵ⅱ，15、热水槽，16、阀门ⅳ，17、温度表ⅳ,18、阀门ⅲ，19、文丘里管，20、换热器ⅱ，21、转子流量计ⅱ，22、隔膜泵ⅳ，23、过滤装置，24、阀门ⅴ，25、产水/冷水槽，26、水蒸气，27、热水进口，28、冷水出口，29、热水出口，30、冷水进口，31、文丘里管进水口，32、水蒸气/产水入口，33、文丘里管出水口，34、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ，35、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1-3所示，一种耦合文丘里效应的真空多效膜蒸馏装置，包括h式多效膜蒸馏组件7、文丘里管系统、原水槽1和换热系统；

所述h式多效膜蒸馏组件7包括冷水进口30、冷水出口28、热水进口27、热水出口29、h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ34和h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35；

所述文丘里管系统包括：阀门ⅲ18、文丘里管19、转子流量计ⅱ21、隔膜泵ⅳ22、换热器ⅱ20以及产水/冷水槽25；

所述h式多效膜蒸馏组件的冷水进口30与原水槽1的出水口连接，所述冷水出口28与换热系统的进水口连接，所述热水进口27与换热系统的出水口连接，所述热水出口29与换热器ⅱ20的进水口连接；换热器ⅱ20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ⅰ34和h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35均与文丘里管系统的阀门ⅲ18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30与冷水出口28之间为冷凝/升温区9，所述热水进口27与热水出口29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ⅰ34位于蒸发区8的下部，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35位于冷凝/升温区9的下部。

在上述方案的基础上，所述文丘里管包括文丘里管进水口31、水蒸气/产水入口32和文丘里管出水口33。

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32与阀门ⅲ18连接，文丘里管进水口31与换热器ⅱ20连接，文丘里管出水口33与产水/冷水槽25的进水口连接；转子流量计ⅱ21和 隔膜泵ⅳ22位于换热器ⅱ20与产水/冷水槽25的出水口之间。

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30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ⅰ13、隔膜泵ⅱ14和热水槽15。

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28与换热器i13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27与换热器i13的出水口连接，二者之间设有温度表ⅲ11和阀门ⅱ12。

在上述方案的基础上，所述热水出口29与换热器ⅱ20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ⅱ20的出水口与原水槽1的进水口之间设有过滤装置23和阀门ⅴ24。

在上述方案的基础上，所述h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ34和阀门ⅲ18之间设有阀门ⅳ16。

附图1呈现的是文丘里-真空多效膜蒸馏装置示意图，图中，原水在原水槽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/升温区9。原液自下而上通过冷凝/升温区9中的致密高分子材料中空细管。原液在中空细管中被高温蒸汽在中空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多效膜蒸馏组件的冷凝/升温区9，在进入h式多效膜蒸馏组件蒸发区8前，通过换热器ⅰ13被进一步加热到所需温度。加热后的原液自上而下通过蒸发区8中的微孔中空纤维膜。水蒸气26透过微孔中空纤维膜表面的微孔，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/升温区9。水蒸气在温度较低的高分子中空细管表面冷凝。冷凝水顺着高分子中空细管流下，从h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35流 出。

产水/冷水槽25中事先存放一定量的净水(室温)，通过隔膜泵ⅳ22、转子流量计ⅱ21控制净水的流速，流经换热器ⅱ20，并在此之后进入文丘里管19产生压力差，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的水蒸气被文丘里管19中的水流完全带走并在产水/冷水槽25中被收集。

原水在蒸发区流动的过程中，温度逐渐降低。在流出h式多效膜蒸馏组件7后通过与换热器ⅱ20中的产水进行换热被继续冷却至室温，之后通过过滤装置23除掉原水在不断蒸发和改变温度过程中析出的不溶物，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/升温区9和蒸发区8。在冷凝/升温区9中，使用的致密高分子材料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被平行排列，互不接触。蒸发区8和冷凝/升温区9通过中部贯通的h型玻璃外壳相连。在h式多效膜蒸馏组件7外包有保温材料。h式多效膜蒸馏组件7的产水出口设在组件壳程下端。h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅰ34用于排出蒸发区8可能积聚的产水；h式多效膜蒸馏组件产水出口ⅱ35用于排出冷凝区9经水蒸气冷凝放热后形成的产水。

附图3呈现的是文丘里管示意图，产水槽25中的净水从文丘里管进水口31进入，随着管内截面面积逐渐减小，水的流速逐渐变大。此时会在水蒸气/产水入口32处产生一个真空度，使得h式多效膜蒸馏组件7中的产水和水蒸气被吸入文丘里管19内，随着水流一起流回产水槽25。

下面，结合图1和具体实施案例，对发明作进一步的说明。操作流程：

(1)检查，确保各部件连接正确及紧密。

(2)热水槽15中的水通过电加热升温至70℃以上。热水槽15内的 水量为70l。

(3)开启隔膜泵ⅰ2和隔膜泵ⅱ14，打开阀门ⅰ6，阀门ⅱ12和阀门ⅴ24，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式多效膜蒸馏膜组件升温区9前的温度和压力。温度表ⅱ10和温度表ⅲ11分别用以监测原料液通过升温区9后的温度和原料液通过换热器ⅰ13进行换热后，进入h式多效膜蒸馏膜组件蒸发区8前的温度。换热器ⅰ13为盘管式换热器。温度表ⅳ17用以监测原料液流出h式多效膜蒸馏膜组件蒸发区8后的温度。h式多效膜蒸馏组件升温区9使用聚丙烯(pp)换热细管，内径为0.4mm,外径为0.7mm；h式多效膜蒸馏膜组件蒸发区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外使用保温材料包裹。原料液流出h式多效膜蒸馏组件7后，接着进入换热器ⅱ20。换热器ⅱ20为盘管式换热器。随后，原料液通过过滤装置23后流回原水槽1。过滤孔径为0.5μm。系统稳定运行一段时间后，开启隔膜泵ⅳ22，通过转子流量计ⅱ21控制流速，将产水槽25中的冷水输送至换热器ⅱ20。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ⅱ20与原料液进行换热后进入文丘里管19。文丘里管19材料为铝合金，长度为150mm，文丘里管进水口31处直径为15mm,水蒸气/产水入口32直径为10mm，文丘里管出水口33直径为25mm。冷水流经文丘里管19时会在水蒸气/产水入口32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的水蒸气和产水被吸入文丘里管19，并被冷水带回产水槽25收集。文丘里管系统开始运行后，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。停止对热水槽15进行加热，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ⅱ12和阀门ⅴ24。最后当h式多效膜蒸馏组件7不再有水产出时，关闭隔膜泵ⅳ22以及阀门ⅱ12和阀门ⅲ18。

实施案例一：

在我国，文丘里-真空多效膜蒸馏系统应用前景较为广阔，在淡水资源匮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、生产用水。另外，该装置还能够用于处理化工行业产生的高盐废水。

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15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80℃，文丘里系统(冷侧)中冷水流量控制为360l·h^-1，在水蒸气入口32产生的压力为10kpa,连续运行72小时，得到的最大膜通量为32l·m^-2·h^-1，产水的电导率为8μs·cm^-1左右，脱盐率大于99.9％，水蒸气相变热回收率为61.4％。

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，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ⅱ12和阀门ⅴ24，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)注意对h式多效膜蒸馏组件7、管道、水槽等进行保温，减少热量流失。

(5)当发现压降变大，原料液流量持续下降时，说明过滤装置23中积聚的不溶物增多，需要对过滤装置23进行清洗。

实施案例二：

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15中的热水流量为600l·h^-1，进入蒸发区8前原料液温度为65℃，文丘里系统(冷侧)中冷水流量控制为360l·h^-1，在水蒸气入口32产生的压力为10kpa,连续运行104小时，得到的最大膜通量为12l·m^-2·h^-1，产水的电导率为6μs·cm^-1左右，脱盐率大于99.9％，水蒸气相变热回收率为52.3％。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的保护范围。

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。