膜蒸發濃縮液體處理系統及處理方法
2023-06-08 20:59:21 1
專利名稱：膜蒸發濃縮液體處理系統及處理方法
技術領域：
本發明涉及一種水處理系統及處理方法，尤其涉及一種化工分離領域的一 種液體分離處理方法。
背景技術：
循環冷卻水是工業用水中的用水大項，在石油化工、電力、鋼鐵、冶金等
行業，循環冷卻水的用量佔企業用水總量的50-90%，某些電廠、化工企業的 冷卻水佔總用水量的90-95%。循環冷卻水在系統不斷地循環使用中，由於水 溫、流速的變化，水分不斷蒸發，無機離子和有機物逐漸濃縮，水中的C^+、 Mg2+、 C1-等離子、溶解固體和懸浮物相應增加，加之空氣中汙染物如灰塵、 雜物、可溶性氣體以及換熱器物料洩露等，引起循環冷卻水水質變壞，致使 水冷換熱等設備產生水垢沉積和腐蝕，造成使用效率和壽命降低，甚至妨礙 系統的正常運行。
為了防止l 、鎂離子水垢的析出，減少泥團雜質等汙垢對傳熱的影響，控 制循環冷卻水系統金屬腐蝕和控制循環冷卻水系統微生物的孳生，目前最有 效和最常用的方法則是向循環水中加入大量的緩蝕劑、阻垢劑、分散劑、殺 生劑等化學藥劑，但這些傳統處理方法，不能從根本上解決鹽與有機物濃縮 引起的各種問題，並且投加各種水處理劑的作業系統複雜、藥劑費用高，使 循環水的總體濃縮倍數不高、運行管理成本很高。
常規冷卻水循環過程中，循環冷卻水濃縮到一定倍數必須排出一定的濃 水，並補充新水，使冷卻水中的含鹽量、PH值、有機物濃度、懸浮物含量控 制在一個合理的允許範圍。所以節約循環冷卻水的新鮮水用量，減少汙水排 放，可減輕周邊環境的水體汙染狀況，這對保證環境經濟的可持續發展，促 進生態環境的良性循環，改善少數地區的人居環境狀況有著重要的意義。
反滲透法是近20年來發展起來的膜技術，在循環水處理系統中， 一方面 可用於排放汙水的淨化，處理後的水直接重複利用，減少排放量，另一方面 可用於補充水的脫鹽處理，提高循環水系統的濃縮倍數。在一定的循環冷卻 水系統中，只要改變補充水的含鹽量，就可以改變循環水系統的濃縮倍數， 而提高濃縮倍數是保證整個循環冷卻水系統經濟運行的關鍵。但是，採用反 滲透技術，仍存在兩個問題 一是反滲透技術對被處理水質預處理要求高， .通常要求採用超、微濾技術作為前級處理，而且，原水溫度通常不得高於40 °C，導致設備投資高和運行費用高，二是水回收利用率低， 一般只能達到70% 左右，仍有30%左右濃水排放，排放量大。
因此，研究新的水處理技術，降低投資和運行費用，提高水的利用率，減 少汙水排放，可以取得顯著的經濟效益和社會效益。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術中的缺陷，提供一種液體分離的膜濃縮蒸發 濃縮(Membrane Evaporated Concentration,簡稱MEC)系統和方法。
本發明設計了新的膜蒸發濃縮過程，其將具有一定溫度的原液與疏水性多 孔膜接觸，水蒸汽以氣態方式穿過多孔膜，在膜的另一側被脫除和冷凝收集。 通過該工藝過程的循環，在膜一側可以得到原液濃縮物，富集了汙水中的無 機離子和有機汙垢等溶解態汙染物質，在膜的另一側可以得到純水。這樣， 純水可以直接回用，高度濃縮的汙水則可採用其他物化方法進行處理，大大 減少汙水排放量。
本發明提供一種膜蒸發濃縮液體處理系統，其特徵在於採用中空纖維膜
組件作為處理設備，上述膜組件的熱循環側設置循環水槽和換熱器，在上述
換熱器中，濃水循環加熱；在熱循環側膜的出水端設置濃水排放口，用於排 出濃水；在膜組件的冷循環側設置冷凝器，上述冷凝器後接負壓泵，負壓泵
後設置純水出口，用以排出所產純水。
上述中空纖維膜組件為聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜組件。 根據處理量的不同，可以將多個膜組件並聯或同時串聯使用。
另外，換熱器可以採用具有較高的傳熱面積的中空纖維膜換熱器。同時， 也可以引入熱泵，提高循環水的溫度。
並且，膜組件的熱循環側依次連接設置有汙水排放口、膜換熱器、循環 水槽、循環泵。
在本發明的系統中，待處理的液體可以是自來水、海水或冷卻系統排出 的熱水。將該待處理的液體進入循環槽，經過換熱器而被加熱後，進入膜裝 置進行蒸發，蒸發後的液體回到循環槽，再經過換熱器而被加熱後，再次進 入膜裝置進行蒸發，由此循環。將熱水或循環冷卻水引入換熱器或熱泵，對 被處理的濃縮循環水進行加熱。對於循環冷卻水系統，大量多餘的循環冷卻 熱水仍舊按原工藝進入冷卻塔進行常規冷卻，循環使用。
反覆循環處理後的汙水或濃縮海水通過濃水排放口排出系統外部，蒸發.
透過膜的水蒸氣在膜組件的冷側被負壓收集，通過冷凝器液化，經過輸水泵 輸送到系統外部供使用。
通常，膜蒸餾過程獲取蒸餾水的方法有直接接觸、空氣吹掃、負壓等幾種 方式，如果在膜的蒸汽透過側直接水冷，導致能量損失大，本發明釆用負壓 方式，但不同於一般的真空泵抽吸方式，是利用淡水輸送泵自然產生的負壓， 作為產水側蒸汽輸送動力，將蒸氣導入冷凝器中進行冷凝收集，從而可以大 大降低能耗。
在本發明的系統中，冷凝器也可以採用具有較高的傳熱面積的中空纖維膜
換熱器。
在循環冷卻水系統中，當原水溫度高於8(TC時，採用MEC技術，汙水排 放量低於反滲透方法的十分之一，設備投資不超過反滲透法，運行費用低於 反滲透方法，可以替代反滲透技術。
圖1是本發明膜蒸發濃縮(MEC)液體處理系統示意圖； 圖2是本發明中膜組件豎立放置方式與排水機構示意圖； 圖3是本發明中膜組件橫向放置方式與排水機構示意圖； 圖4為本發明膜蒸發濃縮(MEC)用於循環冷卻水處理系統示例圖。
具體實施例方式
本發明的系統如圖l所示。系統中採用聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏 水性中空纖維膜組件l。在熱循環側設置循環水槽2和換熱器6，在上述換熱 器6中，濃水循環加熱。上述換熱器6可以是常規換熱器，但最好是膜換熱
器o
在系統的冷循環側設置冷水池和冷卻器(例如冷凝器3)，在熱循環側膜的 出水端設置濃水排放口，用於排出濃水；在冷循環側，循環系統設置負壓泵5， 並在冷水池設置純水出口用以排出所產純水。
在處理系統中，待處理的部分熱水直接進入常規冷卻塔，部分熱水經過 換熱器6後直接進入冷卻塔，部分熱水或海水或自來水進入循環水槽。
在冷凝過程中，如果在膜的蒸汽透過側直接水冷，導致冷能損失大，因此 本發明中設置了負壓泵5，採用負壓抽吸，將水蒸氣導入冷凝器3中進行冷凝
收集。也可以採用吹掃的方式，將水蒸氣導入冷凝器3中進行冷凝收集。冷 凝器的冷凝方式可以採用風冷或水冷的方式。
關於換熱過程。由於換熱器循環水溫度過高，在換熱器內結垢情況嚴重，
常規循環水系統運行的中、後期，往往由於嚴重結垢而影響換熱效果，造成 部分產品溫度降不下來，影響正常生產。在電力生產中，循環水突出的問題 是在部分換熱器中結垢嚴重，另外也存在運行中含鹽量增高，細菌滋生及藻
類等問題。在MEC過程中，採用中空纖維膜換熱器，具有較高的傳熱面積， 而且，中空纖維膜壁厚較薄，可以抵消高分子材料導熱率低於金屬的缺點， 同時，高分子材料的耐鹽類腐蝕性遠高於金屬材料，因此，中空纖維換熱器 的預期使用壽命比較長。
圖2、 3顯示了圖1中膜組件的排水機構。如圖2、 3所示，中空纖維膜組 件1純水側的低位，連接有雙閥排水機構8。上述雙閥排水機構8包括上部閥 門10和下部閥門11。設備工作時，閥門10常開，閥門11常閉，這樣，由於 疏水膜的滲漏產生的直接透過水由於重力的作用自動進入容器12中，當容器 12中存有一定量的滲漏液時，關閉閥門10，打開閥門11,將容器12中的滲 漏液排出系統，然後，再次關閉閥門11，打開閥門10，收集疏水膜的滲漏液。
圖4為本發明膜蒸發濃縮(MEC)用於循環冷卻水處理系統示例圖，也是圖 l顯示的處理系統的一個實施例。如圖4所示，低品位熱水通過熱泵(圖中為 單冷型熱泵)，將熱量輸送至熱水循環系統。將要被冷卻的水作為冷源進入冷 凝器(圖中為纖維冷凝器，也可以是常規換熱器)。熱水循環系統作為熱源， 通過換熱器(圖中為中空纖維冷凝器，也可以是常規換熱器)對被處理的水 進行加熱。被加熱的被處理水進入膜蒸發器(圖中的膜組件)，部分濃水被排 放，蒸汽被純水泵產生的負壓抽出到冷凝器被冷凝，進入蒸餾水儲槽。
試驗證明，隨著熱循環側濃縮倍數逐步升高，冷循環側出水的電導率雖有 微小增加，但變化很小， 一般都小於2liS/cm,說明本工藝中所用膜對非揮發 性固體的截留率接近100%。膜的通量基本上維持在50L/m2 h，這一通量已 經高於常規的反滲透通量的一倍左右。
通常循環冷卻水的溫度為40—5(TC，屬於低品位熱能，為了提高膜蒸發濃 縮系統功效，在換熱器(6)部分，還可以採用熱泵技術。將低品位熱能的循 環水進入熱泵，從中提取能量，將膜蒸發濃縮系統循環濃水加熱到60—9(TC。 利用熱泵技術回收循環冷卻水餘熱的工作原理是熱泵利用該餘熱源作為低 溫熱源，以熱泵系統中的工質作為熱的載體，在熱泵系統內以相變熱(汽化潛 熱或凝結熱)形式自低溫熱源帶走熱量並輸送至高溫熱源。
熱泵是一種把熱量從低溫端送向高溫端的專用設備，是節能的新裝置。它 由蒸發器、空氣壓縮機、冷凝器等部分組成，利用少量的工作能源，以吸收和壓縮的方式，把一特定環境中低溫而分散的熱聚集起來，使之成為有用的 熱能。具體工作過程如下①過熱液體媒體在蒸發器內吸收低溫物體的熱量， 蒸發成氣體媒體。②蒸發器出來的氣體媒體液壓縮機的壓縮，變為高溫高壓 的氣體媒體。③高溫高壓的氣體媒體在冷凝器中將熱能釋放給給高溫物體、 同時自身變為高壓液體媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變為過熱 液體媒體，進入蒸發器，由此循環進行，完成能量回收過程。
熱泵的性能一般用成績係數(COP)來評價。成績係數的定義為由低溫物體 傳到高溫牧體的熱量與所需的動力之比。通常熱泵的成績係數為3-4左右，也
就是說，熱泵能夠將自身所需能量的3到4倍的熱能從低溫物體傳送到高溫 物體，新型的熱泵的成績係數可以達到6到8，這樣，低品位能源將得到更有 效的利用。目前熱泵的最高出力溫度為110度左右。超過這個溫度將有可能 出現使媒體分解的危險。
當今，已有了多種類型的熱泵如壓縮式熱泵、吸收式熱泵、蒸汽噴射式
熱泵。熱泵的設計中，要依據餘熱資源的實際溫度高低選擇工質對，並根據 實際的要求選擇合適的製冷循環方式。
由於氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護地球的生態環境，除了 提高熱泵的成績係數，有效利用能源以外，各國還致力於新型冷凍媒體的開 發。目前已有數種替代氟利昂的媒體得到應用。
由於該系統主要能耗是利用循環冷卻水的廢熱，無須另外補充蒸發熱耗， 因此運行費用可以大大降低。從循環水的濃水中濃縮提取無機鹽類和有機汙 染物，使整個循環水系統濃縮倍數可以大為提高，並且可大大降低換熱器的 結垢速率，基本解決了結垢以及提高循環水濃縮倍數這個大問題，保證生產 的正常性和長周期運行。
在循環冷卻水系統中，當原水溫度高於8(TC時，採用MEC技術，汙水排 放量低於反滲透方法的十分之一，設備投資不超過反滲透法，運行費用低於 反滲透方法，實現替代反滲透技術。產水電導率小於10uS/cm。
本發明的特色與創新之處在於
從水系統中濃縮提取汙染物，不同於常規處理方法是從水中獲取淨化水。 採用熱泵技術，利用循環水系統廢熱，能耗低。
將汙水高度濃縮，可以配合採用物化手段，將汙水固形化，實現系統無廢
水排放。
採用新型疏水性聚偏氟乙烯中空纖維膜，與以往膜蒸餾用膜相比，材料化
學穩定性高、耐溫性好、孔隙率高、通過通量大。
該技術在石油、化工、電力和冶金等循環水用量較大的行業有著廣泛的應 用前景。對某些石化企業、發電廠、熱電廠被冷卻介質的溫度較高，換熱設
備結垢現象嚴重，是束縛和困擾企業生產正常發展的一大障礙，釆用MEC技
術可以利用循環水的廢熱，將循環水部分高度濃縮後排放， 一方面可以提高 循環比，減少汙水排放，同時還可以減少化學藥劑的投加。與採用反滲透技 術相比，可以顯著降低運行成本、節約投資，並可將濃汙水排放量降低至十 分之一左右，實現減排目標。應用此項技術的優勢十分明顯。
另外，該技術還可以用在
1、 大型建築物空調冷卻水處理，節水減排，減少化學藥劑使用量。
2、 採用太陽能熱水器製備生活用純水，供一般家庭使用和海島、船舶、 野外工作等使用。
3、 船舶鍋爐餘熱利用製備生活用純水，適用於艦艇、遠洋船舶等，與反
滲透技術相比，佔地小、投資低、無震動，運行費用低。
4、 海水淡化與製鹽、提溴、提鉀等海水資源的綜合利用。
權利要求
1. 一種膜蒸發濃縮液體處理設備，其特徵在於採用中空纖維膜組件(1)作為處理設備，上述膜組件的熱循環側設置循環水槽(2)和換熱器(6)，在上述換熱器(6)中，濃水循環加熱；在熱循環側膜的出水端設置濃水排放口，用於排出濃水；在膜組件(1)的冷循環側設置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)後接負壓泵(5)，負壓泵(5)後設置純水出口，用以排出所產純水。
2、 根據權利要求1所述的膜蒸發濃縮液體處理設備，其特徵在於 中空纖維膜組件(1)為聚偏氟乙烯或聚丙烯、聚乙烯等疏水性膜組件。
3、 根據權利要求1所述的膜蒸發濃縮液體處理設備，其特徵在於 冷凝器(3)、換熱器(6)為具有較高的傳熱面積的中空纖維膜換熱器。
4、 根據權利要求1所述的膜蒸發濃縮液體處理設備，其特徵在於-換熱器(6)可以是熱泵及換熱系統。'
5、 根據權利要求1所述的膜蒸發濃縮液體處理設備，其特徵在於-中空纖維膜組件(1)純水側的低位，接有雙閥排水機構(8)，上述雙閥排水機構(8)包括設置在容器(12)上部的上部閥門(10)和設置在容器(12) 下部的下部閥門(11)。
6、 一種膜蒸發濃縮液體處理方法，其特徵在於待處理的液體可以是自來水、海水或冷卻系統排出的熱水，將該待處理 的液體進入循環槽，經過換熱器或熱泵而被加熱後，進入膜裝置進行蒸發， 蒸發後的液體回到循環槽，再經過換熱器而被加熱後，再次進入膜裝置進行 蒸發，由此循環，熱水或部分冷卻系統排出的熱水進入換熱器，對被處理的 循環水進行加熱。
7、 根據權利要求6所述的膜蒸發濃縮液體處理方法，其特徵在於 利用純水產水泵的負壓將蒸氣導入冷凝器中進行冷凝收集。
全文摘要
本發明提供一種膜蒸發濃縮液體處理設備及處理方法。根據本發明的膜蒸發濃縮液體處理系統，採用中空纖維膜組件(1)作為處理設備，上述膜組件的熱循環側設置循環水槽(2)和換熱器(6)，在上述換熱器(6)中，濃水循環加熱；在熱循環側膜的出水端設置濃水排放口，用於排出濃水；在膜組件(1)的冷循環側設置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)後接負壓泵(5)，負壓泵(5)後設置純水出口，用以排出所產純水。通過本發明系統的循環，純水可以直接回用，高度濃縮的汙水則可採用其他物化方法進行處理，大大減少汙水排放量。
文檔編號B01D61/36GK101204641SQ20061016768
公開日2008年6月25日 申請日期2006年12月22日 優先權日2006年12月22日
發明者呂曉龍 申請人:天津工業大學