反渗透深度浓缩装置及方法与流程

本发明涉及膜分离技术的领域，具体是一种反渗透深度浓缩装置及方法。

背景技术：

反渗透是一种高效的溶液浓缩技术，其主要原理是在半透膜两侧分别设置浓溶液和稀溶液(一般为水)，对浓溶液侧加压并使得该压力高于半透膜两侧的溶液渗透压差，从而驱使浓溶液中的水分透过半透膜进入稀溶液侧，实现浓溶液脱水和浓缩。

在实际使用中由于半透膜存在耐压极限(通常在10mpa以下)，采用反渗透技术难以将溶液从低浓度一次性浓缩到超过耐压极限的渗透压所对应的浓度之上，比如将溶液从5mpa渗透压浓缩到40mpa渗透压，因此当前的防渗透技术只适合于将溶液一次性浓缩到10mpa以下的渗透压。如果要利用反渗透技术对溶液进行10mpa以上渗透压的深度浓缩，目前已知的技术方案只有采用多级反渗透，即将溶液进行接力式的浓缩，比如先用一个单级反渗透装置将溶液从5mpa浓缩到10mpa，然后将10mpa溶液引入一个两级反渗透装置，将溶液从10mpa浓缩到20mpa，再将20mpa溶液引入一个三级反渗透装置，将溶液从20mpa浓缩到30mpa，以此类推，随着溶液浓度增加，需要引入的反渗透装置数量越多，且装置级数也越大，造成系统庞杂，操作环节多，效率低下，因此目前对于超过耐压极限的深度浓缩一般都不采用反渗透分离，而代之以采用传统的热浓缩法，比如通过真空蒸馏或直接接触蒸发等方式来完成，前者在真空状态下完成浓缩，后者在常压状态下完成浓缩。热浓缩法虽然可以一次性地对溶液进行深度浓缩，但其浓缩过程要消耗大量热能，而且在缺乏低品位热源的场合并不适用，反之，反渗透分离技术只需要消耗电能，适用场合广泛，但是却不能一次性地进行超过半透膜耐压极限的深度浓缩。

因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的反渗透深度浓缩装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种反渗透深度浓缩装置：包括反渗透器和纯水反渗透器；

稀溶液进口与反渗透器中的浓侧溶液通道的反渗透器浓溶液进口连接；浓侧溶液通道的反渗透器浓溶液出口分为两路，一路连接浓溶液出口，另外一路连接淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液进口；

所述淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液出口连接纯水反渗透器的纯水反渗透器溶液进口，纯水反渗透器的纯水反渗透器溶液出口与反渗透器浓溶液进口连接。

作为对本发明反渗透深度浓缩装置的改进：还包括反渗透器液体涡轮、纯水反渗透器液体涡轮、稀溶液高压泵、纯水反渗透器高压泵和回液泵；

稀溶液进口连接稀溶液高压泵后与反渗透器中的浓侧溶液通道的反渗透器浓溶液进口连接，然后通过反渗透器浓溶液进口连接反渗透器的浓侧溶液通道；

所述浓侧溶液通道的反渗透器浓溶液出口连接反渗透器液体涡轮后分为两路，一路连接浓溶液出口，另外一路连接回液泵后连接淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液进口；

所述淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液出口连接纯水反渗透器高压泵后连接纯水反渗透器的纯水反渗透器溶液进口，纯水反渗透器的纯水反渗透器溶液出口连接纯水反渗透器液体涡轮后与反渗透器浓溶液进口连接，纯水反渗透器的纯水反渗透器纯水出口与外部连接。

作为对本发明反渗透深度浓缩装置的进一步改进：还包括回液泵、反渗透器增压泵、反渗透器液体能量回收器、纯水反渗透器液体能量回收器、纯水反渗透器增压泵、纯水反渗透器旁通高压泵和反渗透器高压泵；

稀溶液进口的管路与纯水反渗透器液体能量回收器的浓溶液出口的管路连接后分为两路，一路通过反渗透器高压泵后连接反渗透器浓溶液进口，另外一路连接反渗透器液体能量回收器及反渗透器增压泵后与反渗透器中的浓侧溶液通道的反渗透器浓溶液进口连接；

所述反渗透器的反渗透器浓溶液出口连接反渗透器液体能量回收器后分为两路，一路连接浓溶液出口，另外一路连接回液泵后连接反渗透器中的淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液进口；

所述淡侧溶液通道的反渗透器稀溶液出口分为两路，一路连接纯水反渗透器液体能量回收器及纯水反渗透器增压泵后再连接纯水反渗透器溶液进口；另外一路连接纯水反渗透器旁通高压泵后再连接纯水反渗透器溶液进口，纯水反渗透器溶液出口连接纯水反渗透器液体能量回收器后与反渗透器高压泵连接。

本发明还提供一种反渗透深度浓缩方法：包括以下步骤：

1.1)、稀溶液从稀溶液进口流入，通过稀溶液高压泵加到高压，然后高压稀溶液与纯水反渗透器液体涡轮出口流出的高压溶液混合，成为混合后的高压溶液；

1.2)、混合后的高压溶液通过反渗透器浓溶液进口进入反渗透器的浓侧溶液通道，在高压的作用下，溶液中的一部分水分通过半透膜向淡侧溶液通道中的溶液渗透，浓侧溶液通道中的混合后的高压溶液的流量变小，浓度增加，成为高压浓溶液，然后高压浓溶液通过反渗透器浓溶液出口流出；

1.3)、从反渗透器浓溶液出口流出的高压浓溶液通过反渗透器液体涡轮释放压力能后，压力降低，成为常压浓溶液，同时对外输出功；

1.4)、从反渗透器液体涡轮流出的常压浓溶液分为两路，一路流向浓溶液出口，另外一路通过回液泵后通过反渗透器稀溶液进口进入反渗透器的淡侧溶液通道；

1.5)、常压浓溶液在淡侧溶液通道中，吸收从半透膜透过来的水分后，流量增加，浓度变小，成为常压稀溶液，然后通过反渗透器稀溶液出口流出；

1.6)、从稀溶液出口流出的常压稀溶液通过纯水反渗透器高压泵后，压力达到高压，成为加压后高压稀溶液，然后进入纯水反渗透器；

1.7)、流入纯水反渗透器的加压后高压稀溶液在高压作用下，其中一部分水通过半透膜从纯水出口流出并排至外界，同时溶液流量变小，浓度增加，成为加压后高压浓溶液，然后从纯水反渗透器溶液出口流出；

1.8)、从纯水反渗透器溶液出口流出的加压后高压浓溶液通过纯水反渗透器液体涡轮，降压到与稀溶液高压泵相同的出口压力后，成为高压溶液，同时释放压力能向外输出出功，并与稀溶液高压泵流出的稀溶液混合。

本发明还提供一种反渗透深度浓缩方法，包括以下步骤：

2.1)、稀溶液从稀溶液进口流入，然后与纯水反渗透器液体能量回收器高压通道出口的常压溶液混合，得到混合后的常压溶液；

2.2)、混合后的常压溶液分为两路，一路通过反渗透器液体能量回收器的低压通道得到高压通道流体释放的压力能后，压力增加，然后通过反渗透器增压泵增压到与反渗透器高压泵相同的出口压力，成为高压溶液；另外一路通过反渗透器高压泵，被加压到高压后成为高压溶液后与反渗透器增压泵出口的溶液混合，得到混合后的高压溶液；

2.3)、混合后的高压溶液通过反渗透器浓溶液进口进入反渗透器的浓侧溶液通道，在高压的作用下，溶液中的一部分水分通过半透膜向淡侧溶液通道中的溶液渗透，浓侧溶液通道中的混合后的高压溶液的流量变小，浓度增加，成为高压浓溶液，然后高压浓溶液通过反渗透器浓溶液出口流出；

2.4)、从反渗透器浓溶液出口流出的高压浓溶液通过反渗透器液体能量回收器的高压通道向低压通道流体释放压力能后，压力降低为常压，成为常压浓溶液；

2.5)、从反渗透器液体涡轮流出的常压浓溶液分为两路，一路流向浓溶液出口，另外一路通过回液泵后通过反渗透器稀溶液进口进入反渗透器的淡侧溶液通道；

2.6)、常压浓溶液在淡侧溶液通道中，吸收从半透膜透过来的水分后，流量增加，浓度变小，成为常压稀溶液，然后通过反渗透器稀溶液出口流出；

2.7)、从稀溶液出口流出的常压稀溶液分为两路，一路通过纯水反渗透器液体能量回收器的低压通道后，得到高压通道流体释放的压力能后，压力增高到高压，成为高压稀溶液，然后通过纯水反渗透器增压泵继续加压到与纯水反渗透器旁通高压泵相同的出口压力；另外一路通过纯水反渗透器旁通高压泵加压到高压，与纯水反渗透器增压泵出口溶液混合，成为加压后高压稀溶液，然后通过纯水反渗透器溶液进口进入纯水反渗透器；

2.8)、流入纯水反渗透器的加压后高压稀溶液在高压作用下，其中一部分水通过半透膜从纯水出口流出并排至外界，同时溶液流量变小，浓度增加，成为加压后高压浓溶液，然后从纯水反渗透器溶液出口流出；

2.9)、从纯水反渗透器溶液出口流出的加压后高压浓溶液通过纯水反渗透器液体能量回收器高压通道后，向低压通道流体释放的压力能后，压力降低到常压，成为常压溶液，然后与稀溶液进口流入的稀溶液相混合。

本发明反渗透深度浓缩装置及方法的技术优势为：

1、相比热浓缩法，不需要消耗热能，用电能即可实现浓缩，适用场合广；

2、相比一般的反渗透浓缩装置，可以一次性地将低浓度溶液浓缩位半透膜极限渗透压之上的高浓度溶液。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为本发明实施例1中反渗透深度浓缩装置型式一的结构示意图；

图2为本发明实施例2中反渗透深度浓缩装置型式二的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、反渗透深度浓缩装置型式一，如图1所示，包括反渗透器液体涡轮1，反渗透器2，纯水反渗透器液体涡轮3，稀溶液高压泵4，纯水反渗透器5，纯水反渗透器高压泵6和回液泵7。

稀溶液进口a连接稀溶液高压泵4后与反渗透器2中的浓侧溶液通道205的反渗透器浓溶液进口201连接，然后通过反渗透器浓溶液进口201连接反渗透器2的浓侧溶液通道205，之后通过反渗透器浓溶液出口202连接反渗透器液体涡轮1后分为两路，一路连接浓溶液出口b，另外一路连接回液泵7后连接反渗透器稀溶液进口204后连接反渗透器2的淡侧溶液通道206，之后通过反渗透器稀溶液出口203后连接纯水反渗透器高压泵6后连接纯水反渗透器溶液进口501，纯水反渗透器溶液出口502连接纯水反渗透器液体涡轮3后与反渗透器浓溶液进口201连接，纯水反渗透器纯水出口503排至外界。

实施例1反渗透深度浓缩装置型式一的工作过程为：

1.1)、稀溶液从稀溶液进口a流入，通过稀溶液高压泵加到高压，然后高压稀溶液与纯水反渗透器液体涡轮3出口流出的高压溶液混合，成为混合后的高压溶液。

1.2)、混合后的高压溶液通过反渗透器浓溶液进口201进入反渗透器2的浓侧溶液通道205，在高压的作用下，溶液中的一部分水分通过半透膜向淡侧溶液通道206中的溶液渗透，浓侧溶液通道205中的混合后的高压溶液的流量变小，浓度增加，成为高压浓溶液，然后高压浓溶液通过反渗透器浓溶液出口202流出。

1.3)、从反渗透器浓溶液出口202流出的高压浓溶液通过反渗透器液体涡轮1释放压力能后，压力降低，成为常压浓溶液，同时对外输出功。

1.4)、从反渗透器液体涡轮1流出的常压浓溶液分为两路，一路流向浓溶液出口b，另外一路通过回液泵7后通过反渗透器稀溶液进口204进入反渗透器的淡侧溶液通道206.

1.5)、常压浓溶液在淡侧通道中，吸收从半透膜透过来的水分后，流量增加，浓度变小，成为常压稀溶液，然后通过反渗透器稀溶液出口203流出。

1.6)、从稀溶液出口203流出的常压稀溶液通过纯水反渗透器高压泵6后，压力达到高压，成为加压后高压稀溶液，然后进入纯水反渗透器5。

1.7)、流入纯水反渗透器5的加压后高压稀溶液在高压作用下，其中一部分水通过半透膜从纯水出口503流出并排至外界，同时溶液流量变小，浓度增加，成为加压后高压浓溶液，然后从纯水反渗透器溶液出口502流出。

1.8)、从纯水反渗透器溶液出口502流出的加压后高压浓溶液通过纯水反渗透器液体涡轮3，降压到与稀溶液高压泵4相同的出口压力后，成为高压溶液，同时释放压力能向外输出出功，并与稀溶液高压泵4流出的稀溶液混合。如此循环，实现了将稀溶液进口a流入的稀溶液浓缩为浓溶液出口b流出的浓溶液。

实施例2、反渗透深度浓缩装置型式二，如图2所示，实施例2与实施例1的区别为：将实施例1中的液体涡轮代替成液体能量回收器；即为取消实施例1中的反渗透器液体涡轮1和纯水反渗透器液体涡轮3，实施例2增加反渗透器液体能量回收器9和纯水反渗透器液体能量回收器10。

反渗透深度浓缩装置型式二包括反渗透器2，纯水反渗透器5，回液泵7，反渗透器增压泵8，反渗透器液体能量回收器9，纯水反渗透器液体能量回收器10，纯水反渗透器增压泵11，纯水反渗透器旁通高压泵12和反渗透器高压泵13.

稀溶液进口a的管路与纯水反渗透器液体能量回收器10的浓溶液出口的管路连接后分为两路，一路通过反渗透器高压泵13后连接反渗透器浓溶液进口201，另外一路连接反渗透器液体能量回收器9及反渗透器增压泵8，然后通过反渗透器浓溶液进口201连接反渗透器2的浓侧溶液通道205。反渗透器浓溶液出口202连接反渗透器液体能量回收器9后分为两路，一路连接浓溶液出口b，另外一路连接回液泵7后连接反渗透器稀溶液进口204，然后连接反渗透器2淡侧溶液通道206，之后通过反渗透器稀溶液出口203后分为两路，一路连接纯水反渗透器液体能量回收器10及纯水反渗透器增压泵11后再连接纯水反渗透器溶液进口501，另外一路连接纯水反渗透器旁通高压泵12后再连接纯水反渗透器溶液进口501，纯水反渗透器溶液出口502连接纯水反渗透器液体能量回收器10后与反渗透器高压泵13连接，纯水反渗透器纯水出口503排至外界。

实施例2反渗透深度浓缩装置型式二的工作过程为：

2.1)、稀溶液从稀溶液进口a流入，然后与纯水反渗透器液体能量回收器10高压通道出口的常压溶液混合，得到混合后的常压溶液。

2.2)、混合后的常压溶液分为两路，一路通过反渗透器液体能量回收器9的低压通道得到高压通道流体释放的压力能后，压力增加，然后通过反渗透器增压泵8增压到与反渗透器高压泵13相同的出口压力，成为高压溶液；另外一路通过反渗透器高压泵13，被加压到高压后成为高压溶液后与反渗透器增压泵8出口的溶液混合，得到混合后的高压溶液。

2.3)、同1.2。

混合后的高压溶液通过反渗透器浓溶液进口201进入反渗透器2的浓侧溶液通道205，在高压的作用下，溶液中的一部分水分通过半透膜向淡侧溶液通道206中的溶液渗透，浓侧溶液通道205中的混合后的高压溶液的流量变小，浓度增加，成为高压浓溶液，然后高压浓溶液通过反渗透器浓溶液出口202流出。

2.4)、从反渗透器浓溶液出口202流出的高压浓溶液通过反渗透器液体能量回收器9的高压通道向低压通道流体释放压力能后，压力降低为常压，成为常压浓溶液。

2.5)、同1.4.

2.6)、同1.5。

2.7)、从稀溶液出口203流出的常压稀溶液分为两路，一路通过纯水反渗透器液体能量回收器10的低压通道后，得到高压通道流体释放的压力能后，压力增高到高压，成为高压稀溶液，然后通过纯水反渗透器增压泵11继续加压到与纯水反渗透器旁通高压泵12相同的出口压力；另外一路通过纯水反渗透器旁通高压泵12加压到高压，与纯水反渗透器增压泵11出口溶液混合，成为加压后高压稀溶液，然后通过纯水反渗透器溶液进口501进入纯水反渗透器5.

2.8)、同1.7。

2.9)、从纯水反渗透器溶液出口502流出的加压后高压浓溶液通过纯水反渗透器液体能量回收器10高压通道后，向低压通道流体释放的压力能后，压力降低到常压，成为常压溶液，然后与稀溶液进口a流入的稀溶液相混合(纯水反渗透器液体能量回收器10处理后的溶液与稀溶液进口a流入的溶液，两者的压力一致)。如此循环，实现了将稀溶液进口a流入的稀溶液浓缩为浓溶液出口b流出的浓溶液。

实施例1的计算参数见表1。设计条件为：环境温度25℃，采用氯化钙溶液，稀溶液进口浓度为7.81％(7mpa渗透压)，浓溶液出口浓度为24.5％(40mpa渗透压)，纯水反渗透器入口浓度为6％(5mpa渗透压)，纯水反渗透器出口浓度为7.81％(7mpa渗透压)，最小跨膜净压差为2mpa，纯水反渗透器阻力损失为0.5mpa，反渗透器阻力损失为1mpa，泵及液体涡轮效率为85％。以分离单位质量水为基准进行计算，结果表明，系统净输入功为42.7kj/kg，分离所需最小理论功为14.7kj/kg，热力学第二效率为34.5％。系统最大操作压力为9mpa，小于10mpa极限耐压。相比较而言，如果采用单级反渗透进行一次性深度浓缩，由于浓溶液出口渗透压达到40mpa，远远超过渗透膜的耐压极限，因此单级反渗透技术没有现实可能性。如果采用多级反渗透装置进行接力浓缩，则需要用至少4个反渗透装置进行串联工作，且这四个反渗透装置的级数分别为1级，2级，3级和4级，共需要至少10个液体能量回收器，系统复杂，技术经济性低，虽有现实可能性，但没有现实可行性。而采用传统的热浓缩方式，虽然可以进行深度浓缩，但是分离单位质量水分需要消耗约2500kj/kg的热量，同时对热源温度也有一定要求，另外在现实条件中往往难以找到合适的再生热源，此外，这种方式的热力学第二效率也只有18.3％，几乎只有本发明的一半。可见，本发明所提出的反渗透深度浓缩装置及方法在低于渗透膜耐压极限的操作压力下实现了对低浓度溶液的一次性深度浓缩，相对于目前的溶液深度浓缩方案具有明显优势，有效实现了本发明的初衷。

实施例2的计算参数见表1。设计条件同实施例1：以分离单位质量水为基准进行计算，结果表明，系统净输入功为39.6kj/kg，热力学第二效率为37.3％，相比实施例1的这两个指标都有所改善。其主要原因在于实施例2采用了液体能量回收器代替液体涡轮，而液体能量回收器一般能达到95％的能量回收效率，因此节省了能量输入，从而使得热力学第二效率有所提高，有效实现了本发明的初衷。

表1、实施例1及实施例2与热浓缩比较(基于分离单位质量水分)

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。