本发明的实施涉及一种多效膜蒸馏装置，具体涉及一种包含新型气隙多效膜蒸馏组件的装置，可以有效降低膜蒸馏过程的能耗，提高该过程的热能利用效率。
背景技术：
随着国家及地方环保法规标准的逐年提高，石油化工企业生产过程中产生的大量含盐污水已不能通过简单的稀释混合后直接排放至河流及海洋。如何将这股污水进行高效处理后，使其绝大部分能够进行回用，并且将处理后得到的浓缩液进行固液分离已经成为学术和工业界的一个研究热点。现有的对含盐污水进行深度处理的技术有蒸发、反渗透、正渗透、电渗析、膜蒸馏等。相较蒸发、正/反渗透和电渗析等技术，膜蒸馏具有脱盐率及水回收率更高、产水水质更好等特点。该技术利用微孔疏水膜将温度不同的两种液体分开(膜两侧分别为原水侧和产水侧)，仅有水蒸气分子(易挥发组分)能在膜两侧温度不同溶液所产生的蒸汽分压差作用下，从高温原水侧穿过疏水膜，在产水侧被收集。然而，目前限制膜蒸馏技术工业化的主要问题在于该过程的能耗及成本过高，且热能利用效率较低。
在膜蒸馏过程中，如果能将水蒸气冷凝释放的相变热及水蒸气变为液态水后包含的显热进行充分利用，可以减少因加热原水消耗的能量，从而达到节能，提高热能利用效率及降低产水成本的多重目的。研发多效膜蒸馏组件可以有效实现上述构想。多效膜蒸馏组件，即在膜组件内部加入热量回收系统，利用水蒸气对冷原料液进行加热，冷原料液温度提升的同时又能够将水蒸气冷凝为液态水而被收集。多效膜蒸馏的实质是对气隙膜蒸馏的创新，利用冷原料液替代气隙膜蒸馏中使用的冷却水，并在此基础上提高膜蒸馏系统的集成度。常规气隙膜蒸馏由于气隙层的存在，导致其过程传质阻力较大，因而产水量较其他三种形式膜蒸馏的产水量低。同样，多效膜蒸馏也存在相似的问题。该问题可通过使用真空泵和吹扫气强化多效膜蒸馏的传质过程，从而增大其产水量来有效解决。
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。该装置能够对水蒸气的相变热进行有效利用，但系统集成度不高。
中国专利cn104261608a公布了一种新型的多效膜蒸馏组件，该组件形似两个下端组合在一起的y型树杈，由互不接触的中空纤维膜和中空纤维冷凝管交错编制而成，其设计显著提高了膜蒸馏过程的热能利用率及造水比。但是该组件的制备工艺较为复杂；且当膜组件表面被污染导致分离性能下降后，交错式的中空纤维膜和中空纤维冷凝管难以清洗与更换。
与上述专利相比，本申请涉及一种新型的多效膜蒸馏装置，通过多效膜蒸馏过程实现对水蒸气相变热的回收利用，减少因为使用外部换热器消耗的能量，提高该过程的热效率。同时提高了系统的集成度，能够对膜组件进行在线清洗及干燥，可以降低操作难度，简化装置，减少维护费用。膜组件的设计也方便对组件内的中空纤维膜进行及时更换，便于组装。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有多效膜蒸馏技术存在的问题，优化多效膜蒸馏系统，提高该过程的热能利用效率，降低多效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多效膜蒸馏技术存在的问题，设计了一种新型的多效膜蒸馏组件，方便对组件内的中空纤维膜进行及时更换，便于膜蒸馏组件的组装。
本发明的第三个目的是克服现有多效膜蒸馏技术存在的问题，提高多效膜蒸馏系统的集成度，实现对膜蒸馏组件的在线清洗及干燥，可以简化装置及降低操作难度。
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：
一种新型的气隙多效膜蒸馏装置，包括：原水箱8、膜蒸馏组件18、产水收集装置、清洗箱1和热风机4；
所述膜蒸馏组件18包括：中空金属盘管38、中空纤维膜丝束39和膜壳40；所述中空纤维膜丝束39位于中空金属盘管38的内部，所述中空金属盘管38位于膜壳40的内部；
所述中空金属盘管38的下端为冷原料液进口22，中空金属盘管38的上端为冷原料液出口21，所述中空纤维膜丝束39的顶端为热原料液进口19，中空纤维膜丝束39的底端为热原料液出口20，膜壳40的侧部下端为产水/水蒸气出口23；
原水箱8的左侧部出水口依次通过隔膜泵ⅰ7、液体流量计15和保安过滤器16与冷原料液进口22相连，冷原料液进口22还分别与清洗箱1的出口和热风机4相连；冷原料液出口21分别与热原料液进口19和清洗箱1的进口相连，热原料液出口20通过三向阀29分别与清洗箱1的进口、热空气出口30和原水箱8的左进水口相连，产水/水蒸气出口23与产水收集装置的进口相连；
所述产水收集装置包括：循环水真空泵36、气水分离器35和产水收集罐10；所述气水分离器35的进口与产水/水蒸气出口23相连，气水分离器35的上端出口与循环水真空泵36相连，气水分离器35的下端出口与产水收集罐10的进口相连。
在上述方案的基础上，所述原水箱8的右进水口处设有阀门ⅰ12，原水箱8的右侧部上出水口与大气连通，原水箱8的右侧部下出水口通过阀门ⅱ9与大气连通。
在上述方案的基础上，所述热原料液出口20与原水箱8的左进水口之间还设有温度表ⅰ33、换热器ⅱ32和温度表ⅱ31。
在上述方案的基础上，所述清洗箱1的出口依次通过隔膜泵ⅱ2、阀门ⅳ3、阀门ⅵ14、液体流量计15、保安过滤器16和温度表ⅲ17与冷原料液进口22相连，热风机4依次通过阀门ⅴ5、阀门ⅶ13、保安过滤器16和温度表ⅲ17与冷原料液进口22相连，原水箱8的左侧部出水口与冷原料液进口22之间还设有阀门ⅲ6、阀门ⅵ14和温度表ⅲ17。
在上述方案的基础上，所述冷原料液出口21依次通过阀门ⅷ24、温度表ⅳ26、换热器ⅰ27和温度表ⅴ28与热原料液进口19相连，冷原料液出口21与清洗箱1的进口之间依次设有阀门ⅷ24和阀门ⅸ25。
在上述方案的基础上，所述产水/水蒸气出口23与气水分离器35的进口之间设有温度表ⅵ34，气水分离器35的下端出口与产水收集罐10的进口之间设有阀门ⅹ37。
在上述方案的基础上，所述保安过滤器16用于过滤原水中的悬浮物。
在上述方案的基础上，所述换热器ⅰ27和换热器ⅱ32均为盘管式换热器。
在上述方案的基础上，所述中空金属盘管38由钛材料中空细管卷制而成，所述中空纤维膜丝束39为聚丙烯中空纤维疏水膜，中空纤维膜丝束39的两端用环氧树脂密封，所述膜壳40的材料为有机玻璃。
有益效果：
本发明对比现有的多效膜蒸馏系统，具有以下优点：
(1)方便对膜蒸馏组件中的中空纤维膜进行更换及重新组装；
(2)可实现对水蒸气相变热的充分利用，提高膜蒸馏过程的热效率，从而降低该过程的整体能耗和运行费用；
(3)可实现对膜蒸馏组件的在线清洗和干燥；
(4)系统集成度较高，可节省装置的占地面积，操作简便。
附图说明
本发明有如下附图：
图1是减压-气隙多效膜蒸馏装置示意图。
图2是新型气隙多效膜蒸馏组件示意图。
图3是经过组装后的多效膜蒸馏组件的立体图。
图4是经过组装后的多效膜蒸馏组件的俯视图。
图5是中空金属盘管结构图。
图6是中空纤维膜丝束示意图。
图7是膜壳示意图。
各图中的粗实线箭头代表液体及蒸汽的流动方向。
图中，1、清洗箱2、隔膜泵ⅱ3、阀门ⅳ4、热风机5、阀门ⅴ6、阀门ⅲ7、隔膜泵ⅰ8、原水箱9、阀门ⅱ10、产水收集罐11、原水12、阀门ⅰ13、阀门ⅶ14、阀门ⅵ15、液体流量计16、保安过滤器17、温度表ⅲ18、膜蒸馏组件19、热原料液进口20、热原料液出口21、冷原料液出口22、冷原料液进口23、产水/水蒸气出口24、阀门ⅷ25、阀门ⅸ26、温度表ⅳ27、换热器ⅰ28、温度表ⅴ29、三向阀30、热空气出口31、温度表ⅱ32、换热器ⅱ33、温度表ⅰ34、温度表ⅵ35、气水分离器36、循环水真空泵37、阀门ⅹ38、中空金属盘管39、中空纤维膜丝束40、膜壳。
具体实施方式
以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。
图1呈现的是减压-气隙多效膜蒸馏装置示意图。图1中，原水11在原水箱8中通过隔膜泵ⅰ7和液体流量计15控制流速，在经过保安过滤器16除去悬浮物后，自下而上通过多效膜蒸馏组件18的中空金属盘管38。原水在中空金属盘管38中被高温蒸汽在盘管表面冷凝所释放的相变热逐步加热。被加热到一定温度的原水流出多效膜蒸馏组件18的中空金属盘管38，在进入微孔中空纤维膜前，通过换热器ⅰ27被进一步加热到所需温度。加热后的原水自上而下通过中空纤维膜。水蒸气透过膜表面的微孔，进入多效膜蒸馏组件的壳程(气隙层)，在温度较低的中空金属盘管38表面冷凝液化。冷凝水和未被充分冷凝的水蒸气在多效膜蒸馏组件18的壳程的底部出口流出，在进入气水分离器35后，经循环水真空泵36的抽吸作用，最终在产水收集罐10内被收集。原水在中空纤维膜内部流动的过程中，温度逐渐降低，并在流出膜蒸馏组件18后通过与换热器ⅱ32进行换热被继续冷却至室温，最后流回原水箱8。原水箱8中的原水水位通过适当补水和排水进行控制。当装置运行一段时间，膜蒸馏组件18需要清洗时，打开相应阀门，将与清洗箱1连接的隔膜泵ⅱ2打开，使得清洗液流经液体流量计15和保安过滤器16后进入膜蒸馏组件18。在对中空金属盘管38和中空纤维膜进行清洗后，清洗液流回清洗箱1。膜蒸馏组件18经过清洗后，需要干燥以恢复中空纤维膜的疏水性能。系统中的热风机4提供的热风可对系统管道及膜蒸馏组件18内的中空金属盘管38和中空纤维膜进行在线干燥，热风从位于膜蒸馏组件18下方的热空气出口30排出。
图2呈现的是本发明的多效膜蒸馏组件示意图。图2中，该膜蒸馏组件18共有5个开口，即冷原料液进口22、冷原料液出口21、热原料液进口19、热原料液出口20和产水/水蒸气出口23。
图3呈现的是本发明的经过组装后的多效膜蒸馏组件的立体图；图4为经过组装后的多效膜蒸馏组件的俯视图；图5为中空金属盘管结构图；图6为中空纤维膜丝束示意图；图7为膜壳示意图。
下面，结合附图1-7和具体实施例，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，无渗漏；将清洗及干燥管路的阀门ⅳ3、阀门ⅴ5、阀门ⅶ13、阀门ⅸ25关闭。
(2)打开原水进口处的阀门ⅰ12，关闭阀门ⅱ9，将原水箱8内的原水量添加至70l后，关闭阀门ⅰ12。
(3)打开阀门ⅲ6、阀门ⅵ14、阀门ⅷ24、阀门ⅹ37，使三向阀29与原水箱8连通。开启隔膜泵ⅰ7，原水箱8的原水通过液体流量计15控制流速。原水在进入膜蒸馏组件18前先经过保安过滤器16过滤掉水中的悬浮物，保安过滤器16的滤芯孔径为0.5μm。温度表ⅲ17用于监测原水进入膜蒸馏组件18的中空金属盘管38前的温度。温度表ⅳ26和温度表ⅴ28分别用以监测原水通过中空金属盘管38后的温度和原水通过换热器ⅰ27进行换热后，进入膜蒸馏组件18微孔中空纤维膜前的温度。换热器ⅰ27为盘管式换热器。温度表ⅱ31用以监测原水流出膜蒸馏组件18后的温度。温度表ⅰ33用以测量经换热器ⅱ32降温后流回原水箱8的原水温度。多效膜蒸馏组件18的中空金属盘管38由内径为2mm，外径为4mm的钛材料中空细管卷制而成。中空金属盘管38的横截面外径为54mm，匝数为95。该蒸馏膜组件18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°。中空纤维膜两端使用环氧树脂密封，并将固化后的膜两端的多余部分切掉，制成中空纤维膜丝束39备用。多效膜蒸馏组件18的膜壳40的材料为有机玻璃，长度为400mm，内径为60mm，厚4mm。中空纤维膜丝束39、中空金属盘管38和膜壳40经组装后得到膜蒸馏组件18，膜蒸馏组件18的内膜总面积为0.2m2。为避免热量散失，膜蒸馏组件18及管路外均使用保温材料包裹。原水流出膜蒸馏组件18后，进入换热器ⅱ32换热降温。换热器ⅱ32为盘管式换热器。最终原水流回原水箱8。待系统稳定运行一段时间后，开启循环水真空泵36。产水及少部分尚未冷凝的水蒸气在泵的抽吸作用下首先进入气水分离器35，后通过产水收集罐10被收集。温度表ⅵ34用于监测膜蒸馏产水的温度。系统产水一段时间后，发现原水箱8内液位下降时，开启阀门ⅰ12对原水箱8进行补水。
(4)关闭膜蒸馏装置。停止通过换热器ⅰ27对原水进行加热。关闭隔膜泵ⅰ7以及阀门ⅲ6，阀门ⅵ14和阀门ⅷ24。当膜蒸馏组件18不再产水时，关闭循环水真空泵36以及阀门ⅹ37。
(5)膜蒸馏装置的清洗。首先在清洗箱1中配制ph为2左右的盐酸洗液。打开阀门ⅸ25、阀门ⅵ14和阀门ⅷ24，其他阀门保持关闭。三向阀29旋开至与清洗箱1连通一侧。打开隔膜泵ⅱ2，使用酸液对系统清洗30分钟后，将清洗箱1内的酸液排尽。配制ph为11.5左右的氢氧化钠碱液同样对系统清洗30分钟，将清洗箱1内的碱液排尽。之后使用清水对系统进行冲洗，直至清洗液的ph恢复到7左右。
(6)膜蒸馏装置的干燥。打开阀门ⅴ5、阀门ⅶ13和阀门ⅷ24，其他阀门保持关闭。三向阀29旋开至热空气出口30一侧。打开热风机4，鼓入热风对系统进行干燥，干燥时间为15分钟左右。
实施例一：
多效膜蒸馏系统应用前景较为广阔，可以在传统膜蒸馏过程的基础上大幅降低产水成本和简化操作流程。在淡水资源匮乏但苦咸水丰富的地区，该技术可以用于制备饮用水及生活、生产用水。另外，多效膜蒸馏系统还能够用于处理石油及化工行业产生的高盐废水，在能够提供废热的化工厂中，可显著改善该过程的经济性。
配制电导率为5000μs·cm-1的nacl盐溶液作为原水，通过液体流量计15控制原水流量为100l·h-1，循环水真空泵36提供的真空度为-0.09mpa。待装置稳定运行后，通过温度表ⅲ17读得进入膜蒸馏组件18前的原水温度为30℃。通过温度表ⅳ26读得流出膜蒸馏组件18的中空金属盘管38后的原水温度为60℃左右。经过换热器ⅰ27对原水加热后，其温度控制在80℃。原水通过中空纤维膜流出膜蒸馏组件18后，温度下降至45℃。经过换热器ⅱ32进一步降温后，原水温度变为31℃左右，流回原水箱8。实验得到的稳定膜通量为32l·m-2·h-1，产水的电导率保持在20μs·cm-1以下，脱盐率大于99.6％，造水比约为3.1。该装置稳定运行一周后，膜通量降至28l·m-2·h-1，产水电导率仍能保持在20μs·cm-1以下，脱盐率始终高于99％。
注意事项：
(1)在多效膜蒸馏装置长时间运行后，当发现产水电导率高于100μs·cm-1或者膜通量大幅衰减至稳定值的50％以上时，需要对该装置进行清洗，清洗流程参照实施方式中操作流程第(5)步。清洗后对装置进行及时干燥，使中空纤维膜的疏水性得以恢复，干燥流程参照实施方式中操作流程第(6)步。
(2)在膜蒸馏装置运行一段时间后，发现原水箱8内液位下降时，开启阀门ⅰ12对原水箱8进行补水。
(3)注意对膜蒸馏组件18和管道进行保温，减少热量流失。
(4)每隔一段时间需要更换保安过滤器16的滤芯。
实施例二：
使用电导率为26000μs·cm-1的天然气采气废水作为原水，通过液体流量计15控制原水流量为100l·h-1，循环水真空泵36提供的真空度为-0.09mpa。待装置稳定运行后，通过温度表ⅲ17读得进入膜蒸馏组件18前的原水温度为30℃。通过温度表ⅳ26读得流出膜蒸馏组件18的中空金属盘管38后的原水温度为62℃左右。经过换热器ⅰ27对原水加热后，其温度控制在80℃。原水通过中空纤维膜流出膜蒸馏组件18后，温度下降至50℃。经过换热器ⅱ32进一步降温后，原水温度变为30℃左右，流回原水箱8。实验得到的稳定膜通量为27l·m-2·h-1，产水的电导率维持在100～200μs·cm-1之间，脱盐率为99.5％左右，造水比约为2.5。
实施例三：
使用电导率为110ms·cm-1的碱渣废水作为原水，通过液体流量计15控制原水流量为100l·h-1，循环水真空泵36提供的真空度为-0.09mpa。待装置稳定运行后，通过温度表ⅲ17读得进入膜蒸馏组件18前的原水温度为30℃。通过温度表ⅳ26读得流出膜蒸馏组件18的中空金属盘管38后的原水温度为61℃左右。经过换热器ⅰ27对原水加热后，其温度控制在80℃。原水通过中空纤维膜流出膜蒸馏组件18后，温度下降至52℃。经过换热器ⅱ32进一步降温后，原水温度变为30℃左右，流回原水箱8。实验得到的稳定膜通量为22l·m-2·h-1，产水的电导率维持在100μs·cm-1左右，脱盐率为99.9％，造水比约为2.1。
实施例四：
使用电导率为59000μs·cm-1，经过预处理的脱硫废水作为原水，通过液体流量计15控制原水流量为100l·h-1，循环水真空泵36提供的真空度为-0.09mpa。待装置稳定运行后，通过温度表ⅲ17读得进入膜蒸馏组件18前的原水温度为30℃。通过温度表ⅳ26读得流出膜蒸馏组件18的中空金属盘管38后的原水温度为59℃左右。经过换热器ⅰ27对原水加热后，其温度控制在80℃。原水通过中空纤维膜流出膜组蒸馏件18后，温度下降至50℃。经过换热器ⅱ32进一步降温后，原水温度变为30℃左右，流回原水箱8。实验得到的稳定膜通量为25l·m-2·h-1，产水的电导率保持在120μs·cm-1左右，脱盐率在99.5％以上，造水比约为2.3。
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。