一种高效连续的管式膜渗透汽化分离系统及方法与流程

1.本发明涉及渗透汽化分离技术领域，特别涉及一种高效连续的管式膜渗透汽化分离系统及方法。


背景技术：

2.温室气体的大量排放加剧温室效应，伴随而生的气候变暖现象造成频繁的自然灾害，给人类的生存带来了越来越大的威胁。为了解决此问题，联合国制定了气候变化框架公约，控制温室气体的排放量，防止地球的温度上升，影响生态和环境。我国也作为公约的主要参与者，承诺了在2035年达到碳排放顶峰和2060年实现碳中和的目标，并且制定严格的排放标准和计划，来规范各行各业的能耗和碳排放，因此节能减排就成为各行业的重要考虑因素和追求的目标。
3.迄今为止，包括石化在内的化工工业是最大的能耗工业类别，能耗超过所有工业能耗的30%以上，因此化工工业中的分离过程例如蒸馏等高能耗分离过程面临着严峻的挑战，需要进行技术升级，以达到节能减排的目的。相较于传统的蒸馏过程，膜渗透汽化过程具有能耗低等优势，已广泛地应用于有机溶剂的分离与脱水过程。
4.在膜渗透汽化过程中，原料液中的一些组分渗透通过膜而汽化，这个汽化过程需要大量热量，从而导致膜管中料液温度随著渗透汽化的进程而逐渐下降，因此料液需要补热以维持料液的温度，这种渗透汽化
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补热的重复过程可以保证渗透汽化过程在适当的温度范围内进行，使得膜渗透分离速率不会由于温度的降低而减少。对于上述的膜渗透汽化分离体系，需要经过几十甚至上百次渗透汽化
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补热的循坏重复才能达到设定的分离要求，因此显著增加渗透汽化系统的复杂性。
5.为了解决料液的补热问题，业界设计和尝试了多种膜组件构成模式和过程操作方式，例如公开号为cn109999669a和cn110759844a的中国发明专利申请公开了一种间歇式渗透汽化操作方式及其应用方法，其中原料液罐可以通过外加热的方式使其温度维持在设置的范围内，循环泵使原料液快速通过膜组件。一方面可以使料液在膜组件中处于高度湍流状态，基本消除膜原料侧的浓差极化现象，使膜渗透汽化过程始终处于高效状态。另一方面，高流速也减少了料液在膜组件中停留时间，从而相应地减少了料液因其中的部分组分渗透汽化分离而引起的膜组件内料液温度降低的幅度，因此，料液在膜组件中的温度被控制在一定范围内，膜的渗透速率不会由于温度的降低而显著降低。料液流经膜组件后又循环回到原料液罐中被加热，保持循环过程直到原料液罐中的液体达到要求的纯度，就完成了渗透汽化分离过程。这种操作模式下料液补热操作简单易行，特别适用于原料液是分批间歇性的供应方式。然而，当原料液是连续供应的模式时，由于单次流过膜组件的料液经一次渗透汽化后并不能达到分离要求，因此这种间歇操作模式并不能很好满足连续供料的操作模式。
6.公开号为cn100408531a的中国发明专利公开了一种膜渗透汽化的连续工艺，公告号为cn103551036b的另外一件中国发明专利也公开了相似的连续工艺，其中的膜渗透汽化
系统由多个膜组件和补热器串联构成，原料液通过一个膜组件进行渗透汽化后，经后面相连的补热器补热，如此重复，直至达到分离要求。这些工艺解决了渗透汽化对连续操作的要求，也兼顾了料液的补热需求，把渗透汽化操作温度控制在一定的范围内。但是渗透汽化过程需要很多膜组件和补热器串联在一起时，使得整套系统会变得复杂、占地空间大、成本高。而且这两个专利技术方案都没有考虑到料液的流动状态对膜渗透性能的影响。对于高渗透性能的膜，料液必须高于一定的流速，使料液处于高度湍流状态，这有利于消除膜组件内浓差极化，确保膜组件始终处于高效运行状态，然而提高料液的流速意味着料液在膜组件内停留时间缩短，相应地需要增加串联的膜组件和补热器数量来满足分离要求，这会使系统变得更复杂并增加额外成本。
7.综上所述，目前膜渗透汽化分离应用的常见流程包括间歇工艺和连续工艺。间歇工艺一般不需要补热器，结构简单紧凑且操作简便灵活，可适应各种原料组成和分离要求，但间歇工艺不能满足连续供料需要，并且当间歇过程需要两阶段真空时，控制难度大。而对于渗透汽化的连续工艺，特别是脱水应用，汽化需要大量热量，因此需要不断补热来维持渗透汽化过程的温度。目前普遍使用的串行膜组件和补热组件构造渗透汽化的连续工艺流程，料液从进口进入，经膜渗透汽化分离，补热器补热，然后经下一阶段渗透汽化
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补热过程，直至料液达到所要求的纯度，这时渗余液成为产品。这种连续分离操作模式一般存在如下问题：料液流速偏低，浓差极化现象严重，膜渗透汽化在低效运行；沿流动方向上的料液温降大，降低了渗透汽化的平均温度，从而降低渗透汽化过程的效率；当分离要求高时，常常需要多级膜组件和补热器串联，系统复杂，设备成本升高，占地面积与空间增加，能耗也相应增加。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的膜渗透汽化分离间歇工艺不能连续供料以及膜渗透汽化分离连续工艺系统设备复杂、占地空间大、低效运行的问题，本发明的目的在于提供一种高效连续的管式膜渗透汽化分离系统及方法。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案为：一方面，本发明提供一种高效连续的管式膜渗透汽化分离系统，包括加热器、一个或者多个并联设置的膜分离器以及冷凝器和真空泵；其中，所述膜分离器包括真空容器、补热容器以及一个或者多个并联设置的渗透汽化线路；所述渗透汽化线路包括以串联或者串并混联形式连接的多个膜管束组件和补热组件，且在所述渗透汽化线路中，相邻的两个所述补热组件之间设置有一个或者多个所述膜管束组件；所述真空容器与所述冷凝器的进口端通过管路连接，所述冷凝器的出口端通过管路与所述真空泵连接；所述补热容器与所述真空容器固定连接，且所述补热容器上设置有加热介质进口和加热介质出口；所述渗透汽化线路的一端通过进料管连接所述加热器、另一端通过出料管出料；其中，所述膜管束组件位于所述真空容器内，所述膜管束组件包括一个或多个并联设置的膜管；所述补热组件位于所述补热容器内，所述补热组件包括一个或者多个并联设置的补热管；且所述膜管束组件中膜管的数量与所述补热组件中补热管的数量相同以使所述膜管束组件与所述补热组件连接。
10.进一步的，还包括热交换器，所述热交换器包括冷介质管和热介质管，所述热介质管的进口端与所述出料管连接，所述冷介质管的出口端通过管路与所述加热器连接；进一步的，还包括计量泵和冷却器，所述计量泵的出口端通过管路与所述热交换器中冷介质管的进口端连接；所述冷却器的进口端与所述热交换器中热介质管的出口端通过管路连接。
11.优选的，当相邻两个所述补热组件之间的所述膜管束组件设置有两个及以上时，通过连接组件串联两个及以上的所述膜管组件；所述连接组件位于所述真空容器内，所述连接组件包括一个或者多个并联设置的连接管，且所述连接组件中连接管的数量与所述膜管束组件中膜管的数量相同以使所述连接组件与所述膜管束组件连接。
12.优选的，所述真空容器的底面、所述补热容器的顶面均敞开，且所述真空容器的底面与所述补热容器的顶面通过隔板密封并连接固定。
13.进一步的，所述膜管束组件还包括管束板，所述管束板上设置有膜管安装孔以安装所述膜管，所述管束板通过法兰与所述真空容器固定连接。
14.优选的，在所述渗透汽化线路中，从上游到下游的方向，所述膜管束组件中并联的膜管的数量保持不变或者依次降低。
15.另一方面，本发明还提供一种高效连续的管式膜渗透汽化分离方法，所述方法应用于如上所述的系统，所述方法包括以下步骤：根据原料液处理速度的要求以及膜分离器的处理能力确定并联设置的膜分离器的数量以及膜管束组件中膜管的并联数量，根据原料液在膜管中的温降要求确定膜管长度或相邻补热管间串联膜管的数目，根据最终产品液的纯度要求确定膜分离器中膜管的总串联长度；将原料液输入加热器，使原料液被加热到预设的温度；将被加热到预设温度的原料液通入并联设置的膜分离器中进行渗透汽化分离，从而使原料液经过渗透汽化分离作用后获得符合要求的产品液，并且在进行渗透汽化分离的同时，向膜分离器通入加热介质以使原料液流经补热组件时获得热量补充，从而维持温度；在进行原料液通入膜分离器中进行渗透汽化分离的同时，启动真空泵，膜分离器中因渗透汽化分离作用而产生的蒸汽被冷凝器冷凝后排出，真空泵抽出真空器中不凝气并维持膜分离器内的真空度。
16.优选的，所述膜管的长度处于使原料液的温降控制在20℃的范围内。
17.进一步的，所述方法还包括，将被加热器加热之前的原料液以及从膜分离器流出的产品液分别通入热交换器的冷介质管和热介质管中进行热交换，以便于利用产品液的余热对原料液进行预热。
18.采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：1、本发明提供的系统，由于将膜管束组件和补热组件集中在膜分离器中，使得料液在膜分离器中的流动不受阻碍，从而维持料液流速，能够降低并消除浓差极化现象，使渗透汽化分离过程始终处于高效运行状态，从而降低串联的膜管束组件的总的膜面积；2、本发明提供的系统，由于将膜管束组件和补热组件集中整合在膜分离器中，使得系统设备的占地面积降低，也减少了设备投入，降低成本；3、本发明提供的系统，使得原料液经一次流通就能够完成分离目标，在确定了渗
透汽化过程的温度与真空度后，可通过调节膜管束组件的总串联长度来实现产品纯度要求，通过并联更多膜分离器来提高膜渗透汽化的处理能力，从而易于模块化设计、操作方便，且降低了设计、安装与运行成本，便于商业应用；4、本发明提供的系统，通过在膜管束组件后接补热组件从而实现对料液的及时补热，并且能够通过控制膜管束组件的长度以此将膜管束组件中料液的温降控制在适当的范围内，从而减少料液在膜管束组件原料侧的温降，相应地提高了膜渗透汽化过程的平均温度，从而进一步提高膜渗透效率。
附图说明
19.图1为本发明高效连续管式膜渗透汽化分离系统的结构示意图。
20.图中:1
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加热器、2
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膜分离器、20
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连接组件、21
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真空容器、22
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补热容器、23
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膜管束组件、24
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补热组件、25
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隔板、26
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加热介质进管、27
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加热介质出管、28
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进料管、29
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出料管、3
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冷凝器、4
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真空泵、5
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计量泵、6
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热交换器、7
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冷却器。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
22.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
23.对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。
24.另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.实施例一一种高效连续的管式膜渗透汽化分离系统，如图1所示，包括加热器1、一个或者多个并联设置的膜分离器2以及冷凝器3和真空泵4。
26.本实施例中，配置膜分离器2只有一个，以适用于对原料液处理速度要求不高的使用场合。使用时，原料液从上游通入加热器1，被加热器1加热到预设的温度，再通过管路通入膜分离器2中进行渗透汽化分离，达到需要的分离要求后从膜分离器2中流出渗余液（即产品液），而膜分离器2中被分离汽化的组分则被冷凝器3冷凝后排出，同时真空泵4抽出不凝气并还能够维持膜分离器2内的真空度。
27.具体而言，膜分离器2包括真空容器21、补热容器22以及一个或者多个并联设置的
渗透汽化线路。同样的，本实施例中配置渗透汽化线路只有一个，以适用于对原料液处理速度要求不高的使用场合。
28.其中，渗透汽化线路包括以串联或者串并混联形式连接的多个膜管束组件23和补热组件24。且在渗透汽化线路中，相邻的两个补热组件24之间设置有一个或者多个膜管束组件23，例如本实施例中，配置相邻的两个补热组件24之间设置有两个膜管束组件23，可以理解的是，具体在相邻的两个补热组件24之间设置的膜管束组件23的数量，根据料液在膜管束组件23中的温降来确定，譬如，温降小的可以设置更多数量的膜管束组件23，反之设置更少数量的膜管束组件23。并且，渗透汽化线路的一端通过进料管28连接上述的加热器1、另一端则通过出料管29出料。例如图1所示，配置膜管束组件23有6个，补热组件24有4个，其中两个补热组件24（第一补热组件）的两端分别用于连接一个膜管束组件23，另外两个补热组件24（第二补热组件）的其中一端分别用于连接上述的进料管28和出料管29。可以理解的是，渗透汽化线路的总长度，即串联连接的膜管束组件23的总数量，是根据对渗余液的纯度要求来确定的，即，要求渗余液的纯度越高，则渗透汽化线路的总长度越长（串联连接的膜管束组件23的总数量越多），反之越短（越少）。
29.再其中，膜管束组件23设置在真空容器21内，补热组件24设置于补热容器22内；并且，设置膜管束组件23包括一个或多个并联设置的膜管，而补热组件24则包括一个或者多个并联设置的补热管，同时，配置相邻连接的膜管束组件23中膜管的数量与补热组件24中补热管的数量相同以使相邻的膜管束组件23与补热组件24连接。可以理解的是，在膜管以及补热管尺寸不变的情况下，并联设置的膜管的数量以及并联设置的补热管的数量也是根据对原料液处理速度要求来确定的，例如在对原料液处理速度要求高的使用场合，膜管束组件23中需并联更多数量的膜管，而膜管最少为一个。
30.再其中，真空容器21的侧壁与冷凝器3的进口端通过管路连接，以便于渗透汽化分离过程中产生的蒸汽进入冷凝器3中冷凝液化，而冷凝器3的出口端则通过管路与真空泵4连接，如此设置，不但借助真空泵4的负压吸附作用将膜分离器2中产生的蒸汽吸入冷凝器3中，还能够维持膜分离器2中的真空度。
31.本实施例中，真空容器21和补热容器22均为壳状容器，且补热容器22与真空容器21固定连接，例如，真空容器21为底面敞开的容器、而补热容器22为顶面敞开的容器，且真空容器21的底面与补热容器22的顶面通过隔板25密封并通过螺栓或者焊接的方式连接固定；或者在另一个实施例中，设置真空容器21在下方，而补热容器22位于上方。其中，补热容器22上设置有用于连接加热介质进管26的加热介质进口以及用于连接加热介质出管27的加热介质出口。可以理解的是，如图1所示，位于中间位置的补热组件24（第一补热组件）中补热管的两端均穿设在隔板25上，其整体呈u型，以便于连接位于真空容器21内的膜管束组件23,；而位于两侧的补热组件24（第二补热组件）中的补热管其中的另一端则穿过补热容器22的侧壁，以便于分别连接上述的进料管28和出料管29。
32.本实施例中，膜管束组件23还包括管束板，管束板上设置有膜管安装孔以安装膜管，并且管束板上固定有法兰，使得膜管在被管束板固定后，再通过法兰与真空容器21（具体是隔板25的一侧表面）固定连接。同理，补热组件24也采用相同的结构，区别在于其法兰固定连接在隔板25的另一侧表面，并且隔板25上开设通孔以便于补热管的端部通过后与配合使用的膜管对接连通，或者，使配合使用的补热管以及膜管在隔板25上的通孔内实现对
接连通。
33.再其中，可以理解的是，当相邻两个补热组件24之间的膜管束组件23设置有两个及以上时，两个及以上数量的膜管束组件23之间也需要进行连接，因此本实施例中，通过连接组件20串联两个及以上的膜管组件23。即，连接组件20位于真空容器21内，并且，连接组件20也包括一个或者多个并联设置的连接管，具体而言，连接组件20中连接管的数量与其所连接的膜管束组件23中膜管的数量相同以使连接组件20与膜管束组件23连接。同理，连接组件20的结构也与膜管束组件23的结构相同，其连接管呈u型,两端均有法兰以便于与膜管组件23另一端（上端）的法兰连接固定。
34.本实施例中，在加热器1的上游还配置有计量泵5，计量泵5用于向加热器1提供连续的且体积精确的原料液，可以理解的是，也可以通过管道重力直流的方式向加热器1提供原料液，并在管道上增加控制阀以调控原料液的供应速度。
35.使用时，计量泵5将原料液泵入加热器1进行加热，原料液被加热器1加热到预设的温度，再通过进料管28通入到膜分离器2中最上游的补热组件24中补热以维持温度，再先后流经真空容器21内的两个膜管束组件23中，此时由于渗透汽化分离作用，原料液的温度出现一定的降低，之后原料液再流入到补热容器22中的补热组件24中进行补热，再继续流向真空容器21内的两个膜管束组件23中，以此循环，直至料液达到预定的纯度要求后，从膜分离器2流出，并经由出料管29出料。而在膜分离器2工作的同时，真空泵4工作，在将被分离汽化的组分从膜分离器2中被吸入到冷凝器3中冷凝并排出的同时，真空泵4也用于维持膜分离器2内的真空度。
36.可以理解的是，在对原料液处理速度要求高的使用场合中，在膜管尺寸（单个膜管的膜面积）不改变的情况下，可以采用多个膜分离器2并联布置，使多个膜分离器2同时参与渗透分离工作，从而提高处理速度；另一方面，可以在膜分离器2中配置多个并联布置的渗透汽化线路，使同时参与进行渗透汽化作用的膜管束组件23更多，从而提高处理速度。
37.另外，可以理解的是，为了确保雷诺数在合理的范围内（例如大于13000），当料液量降低后需对应地减少膜管束组件23中并联的膜管的数量，即，在渗透汽化线路中，从上游到下游，膜管束组件23中并联的膜管的数量依次减少。
38.实施例二其与实施例一的区别在于：本实施例中，还包括热交换器6，热交换器6布置在计量泵5和加热器1之间的位置。热交换器6包括冷介质管和热介质管，热介质管的进口端与出料管29连接，而冷介质管的出口端则通过管路与加热器1连接，而计量泵5的出口端则通过管路与热交换器6中冷介质管的进口端连接。
39.如此设置，使得冷的原料液在被加热器1加热之间，能够充分的借助出料管29排出的渗余液（产品液）的余热进行预热，实现热量回收。
40.实施例三在上述实施例的基础上，还包括冷却器7，冷却器7安装在系统的最末端，冷却器7用于对实施例一中出料管29排出的渗余液、或者是实施例二中从热交换器6中的热介质管排出的渗余液进行最终的冷却。
41.实施例四一种高效连续的管式膜渗透汽化分离方法，该方法应用于上述实施例公开的系
统，方法包括以下步骤：首先，根据原料液处理速度的要求以及膜分离器的处理能力确定并联设置的膜分离器的数量以及膜管束组件中膜管的并联数量，根据原料液在膜管中的温降要求确定膜管的长度，根据最终产品液的纯度要求确定膜分离器中膜管的总串联长度，并按照上述实施例二公开的技术方案确定管式膜渗透汽化分离系统的结构组成；其中，膜分离器的处理能力为膜管束组件中全部膜管的总有效膜面积，而单根膜管的长度适于使原料液的温降控制在20℃的范围内为宜；之后，启动真空泵将膜分离器抽真空，再将原料液通过计量泵或者重力自流的方式将原料液输入到加热器，使原料液被加热到预设的温度；将被加热到预设温度的原料液通入并联设置的膜分离器中进行渗透汽化分离，从而使原料液经过渗透汽化分离作用后获得符合要求的产品液，并且在进行渗透汽化分离的同时，向膜分离器通入加热介质以使原料液流经补热组件时获得热量补充，从而维持温度；在进行原料液通入膜分离器中进行渗透汽化分离的同时，通过真空泵产生的负压将膜分离器中因渗透汽化分离作用而产生的蒸汽吸入到冷凝器中冷凝后排出，同时维持膜分离器内的真空度。
42.在另一个实施例中，上述方法方法还包括：将被加热器加热之前的原料液以及从膜分离器流出的渗余液（产品液）分别通入热交换器的冷介质管和热介质管中进行热交换，以便于利用产品液的余热对原料液进行预热。
43.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。