一种多效膜蒸馏装置和系统的制作方法

本实用新型涉及膜蒸馏分离技术领域，尤其是涉及一种多效膜蒸馏装置和系统。

背景技术：

膜蒸馏(MD)是膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，该技术以疏水膜孔膜作为汽-液分离介质，在膜两侧蒸汽压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸汽形式透过疏水微孔膜，从而实现分离的目的。与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作条件温和、对膜与原料液间相互作用及膜的机械性能要求不高等优点。

传统的膜蒸馏技术需要使用大量的低品质热源对待处理原液进行加热，因而所需热能耗较大。膜蒸馏过程中，水蒸汽的相变热约为2600kJ/kg，远大于水的比热4kJ/kg，因此在常规膜蒸馏过程中，需要使用大量的冷却水来冷凝膜蒸馏的蒸汽，而水蒸汽冷凝的相变热则被冷却水直接带走，造成了热量的损失。鉴于上述原因，膜蒸馏通常被认为是一种热耗较高的技术，因而在一定程度上限制了该技术的推广应用。

目前工程上大多通过寻找价格低廉的低品质热源来进行膜蒸馏过程，但是这种方式不适合于热源紧缺地区；也有通过增加换热器的方式回收膜蒸馏过程中的余热的，这种方法虽然在一定程度上能够减少热损失，但是系统安装复杂，设备投资费用高。

基于以上原因，寻找到合适的方式回收膜蒸馏过程中的热损失，提高热利用率，将对膜蒸馏的推广应用有着非常大的实际价值。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种多效膜蒸馏装置和系统，以解决现有技术中存在的膜蒸馏热源利用效率低，热量损失大以及膜蒸馏设备运行成本高的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果(设备结构简单，体积小，成本低等)详见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：一种多效膜蒸馏装置，包括至少一个多效膜蒸馏单元，所述多效膜蒸馏单元包括若干个串联的膜蒸馏组件；所述膜蒸馏组件设置有蒸汽换热装置，前一个所述膜蒸馏组件产生的蒸汽在后一个所述膜蒸馏组件的蒸汽换热装置处发生冷凝相变，相变产生的热量至少一部分作为后一个所述膜蒸馏组件的热源；蒸汽压缩机，与所述多效膜蒸馏单元的最后一个所述膜蒸馏组件连接，用于压缩最后一个所述膜蒸馏组件产生的蒸汽；所述蒸汽压缩机输出端连接所述多效膜蒸馏单元的第一个所述膜蒸馏组件，被压缩的蒸汽在第一个所述膜蒸馏组件的蒸汽换热装置处发生冷凝相变，作为第一个所述膜蒸馏组件的热源。

优选地，所述蒸汽换热装置设置为冷凝箔。

本实用新型还提供一种膜蒸馏系统，包括料液罐、加热装置、输料泵、膜蒸馏装置，所述加热装置用于对料液进行加热，所述料液罐与所述输料泵通过管道连接；所述膜蒸馏装置设置为上述的多效膜蒸馏装置，所述输料泵与所述多效膜蒸馏装置进料口通过管道连接。

优选地，所述多效膜蒸馏装置上还设置有产水口，用于收集膜蒸馏过程中的产水；所述料液罐与所述进料口之间的管路上设置换热器，所述产水口与换热器连接，使所述产水与所述料液进行热交换。

优选地，还设置有除气罐，设置于所述料液罐与所述进料口之间，用于除去加热后的料液中的不凝气体。

优选地，还设置有真空泵，连接于所述加热装置，用于使系统工作气压低于外界大气压。

本实用新型提供的的多效膜蒸馏装置、系统和方法进行的膜蒸馏过程，前一效膜蒸馏产生的蒸汽经相变产生的热量可以作为后一效膜蒸馏的热源，同时使用蒸汽压缩机对末效膜蒸馏产生的二次蒸汽进行增温增压后再利用，使热量充分利用，能够大大减少热损失，提高了膜蒸馏过程中的热利用率，减少外界热源的输入。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型涉及的多效膜蒸馏装置结构示意图；

图2是本实用新型的膜蒸馏设备结构示意图。

图中1、多效膜蒸馏单元；2、蒸汽压缩机；3、除气罐；4、真空泵；5、料液泵；6、加热装置；7、产水泵；8、产水罐；9、换热器；10、浓水泵；11、膜组件清洗罐；12、膜蒸馏组件；13、冷凝腔；14、冷凝箔；16、料液罐。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

附图1是一种多效膜蒸馏装置1的结构示意图。附图1只是本实用新型的多效膜蒸馏装置结构的示意性图示，并不代表本装置的真实结构。

本实用新型的多效膜蒸馏装置包含至少一个多效膜蒸馏单元1，单个多效膜蒸馏单元1包括多个串联的膜蒸馏组件12，各个膜蒸馏组件12之间串联连接，料液通过管道以串联的方式依次进入第一个膜蒸馏组件、第二个膜蒸馏组件……至最后一个膜蒸馏组件，相应地，料液在膜蒸馏组件中依次进行第一效膜蒸馏、第二效膜蒸馏……至末效膜蒸馏。

膜蒸馏组件12设置有蒸汽换热装置，用于对前一个膜蒸馏组件产生的蒸汽进行冷凝，产生纯水，同时冷凝相变产生相变热，用于给后一个的膜蒸馏组件12中料液加热，作为后一效膜蒸馏过程的热源，以回收前一效膜蒸馏中的热损失。上述结构能够对前一效膜蒸馏产生的蒸汽热量进行回收，对后一级膜蒸馏组件加热，热量在装置内部被回收利用，极大减少外部热源输入，节省能量消耗；同时，在多效膜蒸馏单元1末端设置连接一蒸汽压缩机2，所述蒸汽压缩机2输出端连接多效膜蒸馏单元1进料液端，使经所述蒸汽压缩机输出的蒸汽与进料液进行热交换。利用蒸汽压缩机2将多效膜蒸馏单元1中末效膜蒸馏产生的蒸汽压缩，提高其热焓值，再返回多效膜蒸馏单元1前端作为第一效膜蒸馏的热源，用于加热进入多效膜蒸馏单元1的料液，使膜蒸馏过程持续进行。

本实用新型采用在多效膜蒸馏装置中回收相变热以及利用蒸汽压缩机将多效膜蒸馏单元1产生的水蒸汽进行压缩，进而使蒸汽温度、压力升高，热焓增大，再将其返回多效膜蒸馏单元1前端，作为进料液的热源，使热量极大回收，在蒸馏过程中可以逐渐减少乃至停止新的热源输入，能够大大减少对外界热源的依赖，减少外来低品质热源的使用，克服某些地区热源紧缺的问题。

本实用新型的蒸汽换热装置可以设置为冷凝箔14，冷凝箔14换热效率高，体积小，占用空间极少，可以使膜蒸馏装置的体积大大减小，节约了系统的投资和运行费用。

具体到结构，多效膜蒸馏单元1可以设置有进料口、出料口，所述进料口与第一个膜蒸馏组件相连，所述出料口与最后一个膜蒸馏组件相连；上述膜蒸馏组件结构相同，都包括料液通道、膜片以及冷凝箔14，冷凝箔14设置于每一个膜蒸馏组件的前端，与前一效膜蒸馏的蒸汽直接接触；冷凝箔14贴近所在膜蒸馏组件的料液通道，以便对后一个膜蒸馏组件中料液有效加热；相邻的两个膜蒸馏组件之间设置密封的冷凝腔13。多效膜蒸馏单元1中所有的膜蒸馏组件12沿蒸汽流动方向平行设置，并且最好使蒸汽流动方向与冷凝箔14表面垂直；应用该装置，料液从第一个膜蒸馏组件进入后，依次经过平行串连设置的多个膜蒸馏组件，至最后一个膜蒸馏组件流出，经过多级膜蒸馏；并且从前一个膜蒸馏组件产生的蒸汽，在冷凝箔14表面发生冷凝相变，产生的相变热被后一个膜蒸馏组件回收，并且该热量回收过程依次进行，后一效膜蒸馏回收利用前一效膜蒸馏的热量损失，热量反复回收利用，节省外界热量输入，并且冷凝过程无需冷凝水，节省了冷凝水资源。

多效膜蒸馏单元1的设置二次蒸汽出口，与压缩机2通过管道连接，压缩机2用于压缩二次蒸汽。设置于多效膜蒸馏单元1最末端的膜蒸馏组件产生的二次蒸汽，利用压缩机将二次蒸汽压缩，使其升温升压，输出至多效膜蒸馏单元1的最前端的膜蒸馏组件，作为第一效膜蒸馏的热源。在压缩机的作用下，多效膜蒸馏单元1中的相变热回收过程能够循环并且持续进行，在此过程中可以减少外部热源的输入。

作为一种可选的实施方式，可以在多效膜蒸馏单元1外部接真空泵4，利用真空泵4将多效膜蒸馏单元1内部空间气压降低，例如降低至0.05MPa，能够使多效膜蒸馏单元1中的料液沸点降低，在较低的温度下就可以产生较高的膜蒸馏效率，进一步减少热量输入。

本实用新型还提供一种膜蒸馏系统，如图2所示，整个系统包括：料液罐16，用于存储待蒸馏原料；与料液罐16连接的料液泵5，用于将料液罐16中的料液泵出至下一处理装置；加热装置6，与料液泵5连接，从料液泵5泵出的原料进入加热装置6进行加热，以达到膜蒸馏的温度需要；除气罐3，与加热装置6连接，用以除去加热后原料中的不凝气体；多效膜蒸馏装置，其中多效膜蒸馏单元1的进料口与除气罐3相连，经过除气后的原料经过多效膜蒸馏单元1的多效蒸馏，由出料口排出，同时蒸汽在冷凝箔14表面发生相变产生的液态纯水，经出水口排出。浓水泵10，与出料口连接，用于将蒸馏后的料液排出。

本实用新型的膜蒸馏系统通过料液泵5将料液输送至加热装置6中加热至产生初始蒸汽，经由除气罐3除气后被输送至多效膜蒸馏单元1中发生膜蒸馏过程；在多效膜蒸馏装置1中，料液在第一个膜蒸馏组件中发生膜蒸馏过程，产生的蒸汽在第二个膜蒸馏组件前的冷凝箔14上冷凝，相变热经由冷凝箔14与第二个膜蒸馏组件中的料液进行热交换，提高料液的温度，回收第一效膜蒸馏中的热损失。第二个膜蒸馏组件中的膜蒸馏过程与第一个膜单元相同，并由此逐级进行。

并且，最后一个膜蒸馏组件产生的蒸汽经由蒸汽压缩机2的增温增压后重新被输送到多效膜蒸馏单元1的第一个膜蒸馏组件，作为第一效膜蒸馏过程料液的热源。

并且，在膜蒸馏过程中，可逐步减少加热装置6的使用，同时利用蒸汽压缩机2中被增温增压的二次蒸汽作为多效膜蒸馏装置1进料液的加热源。

料液被最终浓缩后产生的浓水经由浓水泵10后进行排放。

为进一步提高系统的热使用效率，所述多效膜蒸馏单元1上还设置有产水口，用于收集冷凝形成的液态纯水，并且设置产水泵7，连接于产水罐8用于将纯水泵至热交换器。其中热交换器设置于加热装置6和除气罐3之间的管路上，膜蒸馏过程产生的产水被收集到产水罐8中，经由除气罐3除气后，带有余温的产水通过产水泵7被输送到换热器9中，与料液进行热交换，热量被二次利用，可以减少加热装置6的热量输入，进一步节省了能源。

所述料液罐16与所述进料口之间的管路上设置换热器9，所述产水口与换热器9连接，使所述产水与所述料液进行热交换。

本系统还可以还设置有真空泵4，通过真空泵4将整个系统的真空抽至0.05MPa，降低料液沸点，减少料液膜蒸馏所需热量。

还设置有膜组件清洗罐11，多效膜蒸馏单元1设备设置清洗接口，膜组件清洗罐11连接清洗接口，将清洗液注入膜组件，进行膜组件清洗。

本实用新型还提供一种多效膜蒸馏方法，通过多个膜蒸馏组件串联形成多效膜蒸馏装置完成，包括以下步骤：料液流经前一效膜蒸馏组件时，在体系负压和膜两侧温度差作用下发生膜蒸馏；利用冷凝箔14使前一效膜蒸馏产生的蒸汽发生相变，产生液态水；利用上述相变产生的热量作为后一效膜蒸馏过程的热源；以及使末效膜蒸馏产生的蒸汽经由管路被输送到蒸汽压缩机中，通过蒸汽压缩机增温增压后被重新输送回多效膜蒸馏装置的进料液侧，作为进料液热量的来源。以上过程循环进行每一效膜蒸馏过程的相变热都能够高效率的传递，用于下一效膜蒸馏过程热量供给；通过以上方法，整个膜蒸馏过程对外界热源输入减少，提高了膜蒸馏过程中的热利用率，减少了热损失，同时免除了冷凝水的使用，节约了系统的投资和运行费用，带来巨大的经济价值。

如此循环，可大幅度减少外部热源的使用。

本方法还可以包括利用所述产水与进入第一个膜蒸馏组件的料液进行热交换。膜蒸馏过程得到的带有余温产水，则经由产水/进料液热交换器与进料液进行热交换，提高进料液温度。

本实用新型上述方法可以通过图2的膜蒸馏系统实现，料液泵5将料液输送至加热装置6中加热至产生初始蒸汽，经由除气罐3除气后被输送至多效膜蒸馏装置1中发生膜蒸馏过程；膜蒸馏过程产生的产水被收集到产水罐8中，经由除气罐3除气后，带有余温的产水通过产水泵7被输送到换热器9中，与料液进行热交换，被完全冷却后的产水回收使用；多效膜蒸馏装置中末效膜蒸馏产生的蒸汽被输送至蒸汽压缩机2，经由蒸汽压缩机2的增温增压后重新被输送到多效膜蒸馏装置1进料液侧，作为料液的热源之一。第一效膜蒸馏过程发生后，可逐步减少加热装置6的使用，利用蒸汽压缩机2中被增温增压的二次蒸汽作为料液的加热源。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。