一种太阳能耦合MVR真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统及方法

一种太阳能耦合mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统及方法
技术领域
1.本发明涉及mvr技术领域，特别涉及一种太阳能耦合mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统及方法。


背景技术：

2.硫酸作为一种基本工业原料，广泛应用于钢铁、石化、氯碱以及钛白等行业。然而，由于生产设备简陋、技术条件落后以及环境保护意识淡薄，在生产利用过程中将会产生大量的硫酸废液，其直接排放不仅浪费资源，还污染环境。目前，硫酸废液的处理主要以中和、高温裂解、化学氧化、萃取、单效蒸发和多效蒸发等为主，普遍存在分离效率低、能耗高、运行稳定性差等问题。因此，合理、高效的处理硫酸废液成为众多行业的迫切需求。
3.膜蒸馏（md）是一种新兴的热驱动分离过程，旨在以疏水微孔膜为屏障，在膜两侧蒸汽压差的驱动下，热侧溶液中的水分子在膜表面蒸发并透过膜孔到达冷侧，而溶质分子无法通过膜孔，整个过程实现了溶液的高纯分离。根据冷侧水蒸汽的冷凝方式不同，膜蒸馏可分为直接接触式、气隙式、气扫式和真空式。因具有操作温度低、分离效率高、耐腐蚀性强以及工艺流程简单等优势，膜蒸馏技术已广泛应用于海水淡化、废水处理、中药浓缩以及食品加工等领域。然而，现有的膜蒸馏技术普遍以锅炉新鲜蒸汽或电能作为加热热源，并无蒸汽潜热回收装置，整个过程膜通量小、能耗高。机械蒸汽再压缩（mvr）是将蒸发器产生的二次蒸汽经过蒸汽压缩机压缩之后，提高其温度和压力，再将其作为热源加热料液，从而充分回收利用了二次蒸汽潜热，是一种高效节能技术。该技术已得到广泛应用。部分研究者尝试将其用于浓缩硫酸溶液，然而，采用常规的丝网和旋风分离器的分离效率为90%，二次蒸汽中含有一定的硫酸成分，会严重腐蚀压缩机，从而限制了mvr的进一步应用。
4.发明专利cn201610983912.4公开了一种mvr膜蒸馏装置及方法，该装置包括支撑体、中空纤维微孔疏水膜组件、中空纤维实壁导热管、隔板、蒸汽通道、压缩机等设备，通过利用蒸汽压缩机将膜蒸馏所产二次蒸汽进行压缩增温，再将其作为热源加热料液，从而回收了二次蒸汽潜热，降低了蒸发能耗，减小了运行成本。事实上，在实际的蒸发浓缩过程中随着硫酸溶液的浓度不断升高，蒸汽压缩机的电功耗也迅速增加，当硫酸溶液浓度增加至一定程度时，mvr将不再节能。显然，上述的mvr膜蒸馏装置并不适应处理高浓度硫酸溶液。
5.太阳能是一种丰富、可广泛获取的可再生能源，将其作为热源高效低成本地满足硫酸溶液膜蒸馏用能需求，具有重要价值和意义。若能将太阳能结合mvr膜蒸馏技术应用于高浓度硫酸溶液的浓缩回收，不仅可以通过真空膜蒸馏技术保证硫酸溶液的高纯分离，同时利用太阳能和mvr保证蒸发过程的高效节能特性。因此，如何耦合太阳能与mvr膜蒸馏技术浓缩回收高浓度硫酸溶液将是研究的难点 。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种太阳能mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统及方法。
7.本发明所采取的技术方案如下：一种太阳能耦合mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统，包括原料罐、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第五控制阀、第六控制阀、第一循环泵、第二循环泵、第一换热器、第二换热器、太阳能、太阳能集热器、真空泵、蒸汽蓄热器、排管、喷嘴、凝水罐、真空膜组件、蒸汽压缩机；所述原料罐的溶液出口依次通过第二控制阀与第一循环泵连通到真空膜组件的硫酸溶液进口，所述真空膜组件的蒸汽出口通过蒸汽压缩机连通到第二换热器的热侧进口，所述第二换热器的热侧出口与蒸汽蓄热器的蒸汽进口连通，所述蒸汽蓄热器的蒸汽出口依次连通第三控制阀与真空泵，所述蒸汽蓄热器的溶液出口依次通过第四控制阀与第二循环泵连通到太阳能集热器的溶液进口，所述太阳能集热器的溶液出口与第一换热器的热侧进口连通，所述第一换热器的热侧出口与凝水罐连通；所述真空膜组件的硫酸溶液出口与第二换热器的冷侧进口连通，所述第二换热器的冷侧出口与第一换热器的冷侧进口连通，所述第一换热器的冷侧出口与原料罐的溶液进口连通；所述蒸汽蓄热器的排污口与第五控制阀连通；所述原料罐的排液口与第一控制阀连通；所述凝水罐的排液口与第六控制阀连通。
8.所述蒸汽蓄热器内部设有多根分布排管，每根排管出口均设有一个喷嘴。
9.所述蒸汽蓄热器外部表面设有一定厚度的保温材料。
10.所述真空膜组件内部设有数根中空纤维膜管，膜管由膜孔径为0.2
‑
0.4 μm的聚四氟乙烯疏水微孔膜制备。
11.所述太阳能的辐射强度分为三个区间，当太阳辐射强度为第一区间时，采用太阳能为系统提供热源并进行第一种运行模式，当太阳辐射强度为第二区间时，采用太阳能耦合mvr为系统提供热源并进行第二种运行模式，当太阳辐射强度为第三区间时，采用mvr为系统提供热源并进行第三种运行模式。
12.所述第一种运行模式：首先开启第一循环泵和第二控制阀，原料罐中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵的驱动下充满真空膜组件，然后开启真空泵和第三控制阀对系统抽真空，使得真空膜组件管程保持要求的负压环境，而真空膜组件中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，然后依次经过蒸汽压缩机和第二换热器进入蒸汽蓄热器的分布排管，然后再经喷嘴与蒸汽蓄热器中的液态水混合冷凝；开启第二循环泵和第四控制阀，蒸汽蓄热器中受热的液态水进入太阳能集热器再次吸收热量，然后进入第一换热器加热来自真空膜组件的浓缩液，最后收集至凝水罐中回收再利用，而被加热的浓缩液返回至原料罐中继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
13.所述第二种运行模式：首先开启第一循环泵和第二控制阀，原料罐中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵的驱动下充满真空膜组件，然后开启真空泵和第三控制阀对系统抽真空，使得真空膜组件管程保持要求的负压环境，开启蒸汽压缩机，真空膜组件中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，再经过蒸汽压缩机压缩后进入第二换热器，与来自真空膜组件的浓缩液进行换热，所产冷凝水进入蒸汽蓄热器的分布排管，然后再经喷嘴与蒸汽蓄热器中的液态水混合蓄热，开启第二循环泵和第四控制阀，蒸汽蓄热器中受热的液态水进入太阳能集热器再次吸收热量，然后进
入第一换热器继续加热来自真空膜组件的浓缩液，最后收集至凝水罐中回收再利用，而被加热的浓缩液返回至原料罐中继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
14.所述第三种运行模式：首先开启第一循环泵和第二控制阀，原料罐中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵的驱动下充满真空膜组件，然后开启真空泵和第三控制阀对系统抽真空，使得真空膜组件管程保持要求的负压环境，开启蒸汽压缩机，真空膜组件中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，再经过蒸汽压缩机压缩后进入第二换热器，与来自真空膜组件的浓缩液进行换热，所产冷凝水进入蒸汽蓄热器的分布排管，然后再经喷嘴与蒸汽蓄热器中的液态水混合蓄热，而第二换热器中的浓缩液受热后经第一换热器返回原料罐继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
15.本发明的有益效果如下：本发明将太阳能、mvr技术和真空膜蒸馏技术结合起来，充分利用了太阳能和二次蒸汽冷凝潜热作为热源加热原料液，采用真空膜蒸馏技术保证硫酸溶液高纯分离的同时，采用太阳能和mvr保证了其蒸发过程的高效节能特性，并节省了冷却水装置，有效减少了运行费用，适用于石油化工、钢铁、氯碱、有色金属等行业硫酸废液的高效回收利用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
17.图1为本发明提出的一种太阳能耦合mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统图；图中，1原料罐，2
‑
1第一控制阀，2
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2第二控制阀，2
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3第三控制阀，2
‑
4第四控制阀，2
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5第五控制阀，2
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6第六控制阀，3
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1第一循环泵，3
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2第二循环泵，4
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1第一换热器，4
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2第二换热器，5太阳能，6太阳能集热器，7真空泵，8蒸汽蓄热器，9排管，10喷嘴，11凝水罐，12真空膜组件，13蒸汽压缩机。
具体实施方式
18.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
19.需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是 为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二
”ꢀ
仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再 一一说明。
20.本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
21.如图1所示，为本发明实施例中，一种太阳能耦合mvr真空膜蒸馏浓缩硫酸溶液系统及方法，包括原料罐1、第一控制阀2
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1、第二控制阀2
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2、第三控制阀2
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3、第四控制阀2
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4、第五控制阀2
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5、第六控制阀2
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6、第一循环泵3
‑
1、第二循环泵3
‑
2、第一换热器4
‑
1、第二换热器4
‑
2、太阳能5、太阳能集热器6、真空泵7、蒸汽蓄热器8、排管9、喷嘴10、凝水罐11、真空
膜组件12、蒸汽压缩机13；所述原料罐1的溶液出口依次通过第二控制阀2
‑
2与第一循环泵3
‑
1连通到真空膜组件12的硫酸溶液进口，所述真空膜组件12的蒸汽出口通过蒸汽压缩机13连通到第二换热器4
‑
2的热侧进口，所述第二换热器4
‑
2的热侧出口与蒸汽蓄热器8的蒸汽进口连通，所述蒸汽蓄热器8的蒸汽出口依次连通第三控制阀2
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3与真空泵7，所述蒸汽蓄热器8的溶液出口依次通过第四控制阀2
‑
4与第二循环泵3
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2连通到太阳能集热器6的溶液进口，所述太阳能集热器6的溶液出口与第一换热器4
‑
1的热侧进口连通，所述第一换热器4
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1的热侧出口与凝水罐11 连通；所述真空膜组件12的硫酸溶液出口与第二换热器4
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2的冷侧进口连通，所述第二换热器4
‑
2的冷侧出口与第一换热器4
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1的冷侧进口连通，所述第一换热器4
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1的冷侧出口与原料罐1的溶液进口连通；所述蒸汽蓄热器8的排污口与第五控制阀2
‑
5连通；所述原料罐1的排液口与第一控制阀2
‑
1连通；所述凝水罐11的排液口与第六控制阀2
‑
6连通。
22.所述蒸汽蓄热器8内部设有多根分布排管9，每根排管9出口均设有一个喷嘴10。
23.所述蒸汽蓄热器8外部表面设有一定厚度的保温材料，减少蒸汽冷凝水的热量损失。
24.所述真空膜组件12 内部设有数根中空纤维膜管，膜管由膜孔径为0.2
‑
0.4 μm的聚四氟乙烯疏水微孔膜制备，这种材料具有抗酸、抗碱、耐热、耐寒的优良特性。
25.所述太阳能5的辐射强度分为三个区间，当太阳辐射强度为第一区间时，即太阳辐射强度可提供满足系统需求的能量，则采用太阳能为系统提供热源并进行第一种运行模式，当太阳辐射强度为第二区间时，即太阳辐射强度可提供部分系统需求的能量，则采用太阳能耦合mvr为系统提供热源并进行第二种运行模式，当太阳辐射强度为第三区间时，即太阳辐射强度仅提供少许系统需求的能量，则采用mvr为系统提供热源并进行第三种运行模式，根据系统实际运行情况，以节能与高效为目标来设置三个区间的实际数值。
26.所述第一种运行模式：首先开启第一循环泵3
‑
1和第二控制阀2
‑
2，原料罐1中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵3
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1的驱动下充满真空膜组件12，然后开启真空泵7和第三控制阀2
‑
3对系统抽真空，使得真空膜组件12管程保持要求的负压环境，而真空膜组件12中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，然后依次经过蒸汽压缩机13和第二换热器4
‑
2进入蒸汽蓄热器8的分布排管9，然后再经喷嘴10与蒸汽蓄热器8中的液态水混合冷凝；开启第二循环泵3
‑
2和第四控制阀2
‑
4，蒸汽蓄热器8中受热的液态水进入太阳能集热器6再次吸收热量，然后进入第一换热器4
‑
1加热来自真空膜组件12的浓缩液，最后收集至凝水罐11中回收再利用，而被加热的浓缩液返回至原料罐1中继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
27.所述第二种运行模式：首先开启第一循环泵3
‑
1和第二控制阀2
‑
2，原料罐1中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵3
‑
1的驱动下充满真空膜组件12，然后开启真空泵7和第三控制阀2
‑
3对系统抽真空，使得真空膜组件12管程保持要求的负压环境，开启蒸汽压缩机13，真空膜组件12中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，再经过蒸汽压缩机13压缩后进入第二换热器4
‑
2，与来自真空膜组件12的
浓缩液进行换热，所产冷凝水进入蒸汽蓄热器8的分布排管9，然后再经喷嘴10与蒸汽蓄热器8中的液态水混合蓄热，开启第二循环泵3
‑
2和第四控制阀2
‑
4，蒸汽蓄热器8中受热的液态水进入太阳能集热器6再次吸收热量，然后进入第一换热器4
‑
1继续加热来自真空膜组件12的浓缩液，最后收集至凝水罐11中回收再利用，而被加热的浓缩液返回至原料罐1中继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
28.所述第三种运行模式：首先开启第一循环泵3
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1和第二控制阀2
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2，原料罐1中预热至要求温度的硫酸溶液在第一循环泵3
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1的驱动下充满真空膜组件12，然后开启真空泵7和第三控制阀2
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3对系统抽真空，使得真空膜组件12管程保持要求的负压环境，开启蒸汽压缩机13，真空膜组件12中硫酸溶液的水分子在壳程膜表面蒸发，在跨膜蒸汽压差的驱动下穿过膜孔到达管程，再经过蒸汽压缩机13压缩后进入第二换热器4
‑
2，与来自真空膜组件12的浓缩液进行换热，所产冷凝水进入蒸汽蓄热器8的分布排管9，然后再经喷嘴10与蒸汽蓄热器8中的液态水混合蓄热，而第二换热器4
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2中的浓缩液受热后经第一换热器4
‑
1返回原料罐1继续循环浓缩，达到要求浓度后回收利用。
29.以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。