直接接觸式膜蒸餾的技術(shù)方案分析

郝維維 陳 東 謝繼紅 賈曉敏

（天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院)

1 背景

膜蒸餾是指料液中水分在疏水膜表面汽化并穿過(guò)膜而實(shí)現(xiàn)料液中溶質(zhì)與水分分離的過(guò)程，具有常壓低溫下操作、對(duì)料液濃度不敏感等特性，可用于熱敏料液濃縮、中高濃度廢水處理或含鹽水淡化、純凈水制備、濃縮結(jié)晶過(guò)程集成等領(lǐng)域[1-2]。

根據(jù)穿膜蒸汽的處理方式不同，膜蒸餾可分為直接接觸式膜蒸餾、減壓膜蒸餾、氣隙式膜蒸餾和氣掃式膜蒸餾等形式。其中，直接接觸式膜蒸餾具有常壓低溫下操作、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，易于工程應(yīng)用推廣，可應(yīng)用于廢水處理、鹽水淡化、純凈水制取、生化料液濃縮等場(chǎng)合。直接接觸式膜蒸餾的膜組件如圖1所示。

直接接觸式膜蒸餾組件工作時(shí)在熱側(cè)需要輸入熱能以推動(dòng)膜蒸餾過(guò)程的運(yùn)行。為降低熱能消耗，工程應(yīng)用時(shí)可采用多效膜蒸餾、太陽(yáng)能膜蒸餾、熱泵膜蒸餾等技術(shù)方案[3-5]，本文對(duì)上述技術(shù)方案進(jìn)行較系統(tǒng)的對(duì)比分析。

圖1 直接接觸式膜蒸餾膜組件

2 多效膜蒸餾

直接接觸式多效膜蒸餾系統(tǒng)如圖2所示 （以兩效為例）。

圖2 多效膜蒸餾系統(tǒng)

圖2中，熱源將一效膜組件的料液加熱，產(chǎn)生的蒸汽被循環(huán)凝水吸收并進(jìn)入二效加熱器，加熱二效膜組件中的料液；二效膜組件產(chǎn)生的蒸汽再被循環(huán)凝水吸收，然后一同進(jìn)入冷卻器。循環(huán)凝水被冷源冷卻至一定溫度后，再經(jīng)凝水泵送入二效膜組件冷側(cè)循環(huán)。一效和二效膜組件冷側(cè)產(chǎn)生的凝水和熱側(cè)產(chǎn)生的濃縮液不斷被引出，原料液則在換熱器中被凝水和濃縮液預(yù)熱后不斷補(bǔ)充入一效和二效膜組件的料液側(cè)。

當(dāng)多效膜蒸餾系統(tǒng)的冷源為自然冷源時(shí) （河水、海水、環(huán)境空氣等），多效膜蒸餾系統(tǒng)的造水比為：

式中REM——多效膜蒸餾系統(tǒng)的造水比 （能量消耗相同時(shí)，多效膜蒸餾系統(tǒng)的凝水產(chǎn)量與熱效率為100%的單效膜組件的產(chǎn)水量之比），無(wú)因次；

N——多效膜蒸餾系統(tǒng)的效數(shù)，無(wú)因次；

REXi——第i效膜組件的熱效率 （凝水產(chǎn)量與水汽化潛熱之乘積與料液側(cè)加熱量之比），無(wú)因次。

多效膜蒸餾系統(tǒng)由于前一效膜組件產(chǎn)生的蒸汽可用于加熱下一效膜組件的料液，從而可大幅度減少運(yùn)行能耗，且效數(shù)越多，能耗越低。但由于多效膜蒸餾系統(tǒng)工作時(shí)，膜組件的料液側(cè)與凝水側(cè)以及二效加熱器和冷卻器中均需維持一定的溫差，故較適于非熱敏性料液，以便一效膜組件的料液與冷源之間有較大的總溫差，因而系統(tǒng)可取較多的效數(shù)。

3 太陽(yáng)能膜蒸餾

太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)

圖3中，有陽(yáng)光照射時(shí)，太陽(yáng)能集熱器工作，把循環(huán)料液加熱。當(dāng)陽(yáng)光較充足，可把料液加熱到設(shè)定溫度時(shí)，輔助熱源不工作；當(dāng)陽(yáng)光不足時(shí)，輔助熱源給料液補(bǔ)充熱量使其溫度達(dá)到設(shè)定值。熱料液進(jìn)入膜組件后，其中的部分水分在膜表面汽化并通過(guò)膜進(jìn)入凝水側(cè)被循環(huán)凝水吸收，凝水在膜組件中吸收蒸汽潛熱而升溫，循環(huán)進(jìn)入冷卻器被冷源冷卻至設(shè)定溫度后再進(jìn)入膜組件。

在太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)的冷源采用自然冷源時(shí)，其造水比約為：

式中RES——太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)的造水比，無(wú)因次；

REX——膜組件的熱效率，無(wú)因次；

RS——太陽(yáng)能保證率 （料液加熱所需熱能中太陽(yáng)能所占的百分比），無(wú)因次。

當(dāng)料液處理集中在白天且當(dāng)?shù)毓庹蛰^好時(shí)，太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)可有較好的太陽(yáng)能保證率，系統(tǒng)的造水比較高。

4 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)如圖4所示 （以壓縮式熱泵為例）。

圖4 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

圖4中，壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成熱泵系統(tǒng)。冷凝器加熱料液并進(jìn)入膜組件產(chǎn)生蒸汽被凝水吸收，凝水在膜組件中吸收蒸汽升溫后進(jìn)入蒸發(fā)器，等到再被冷卻至規(guī)定溫度時(shí)繼續(xù)循環(huán)。熱泵工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)為低溫低壓狀態(tài)吸收凝水熱量，然后進(jìn)入壓縮機(jī)并被壓縮為高溫高壓狀態(tài)進(jìn)入冷凝器加熱料液，再被節(jié)流閥變?yōu)榈蜏氐蛪籂顟B(tài)進(jìn)入蒸發(fā)器繼續(xù)循環(huán)。

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的造水比約為：

式中REH——熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的造水比，無(wú)因次；

REX——膜組件熱效率，無(wú)因次；

COPHP——熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù) （冷凝器制熱量與壓縮機(jī)耗電量之比），無(wú)因次；

TC——熱泵工質(zhì)的冷凝溫度，K；

TE——熱泵工質(zhì)的蒸發(fā)溫度，K。

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)基本不需外加冷源或熱源；熱泵系統(tǒng)的制熱系數(shù)通常在3～15之間，且與料液溫度的高低關(guān)系不大，應(yīng)用于操作溫度較低的熱敏性料液時(shí)有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 技術(shù)方案對(duì)比分析

膜通量計(jì)算式為[6]：

式中m——膜通量，kg/（m2·h）；

K——與膜結(jié)構(gòu)和膜材料有關(guān)的系數(shù)，取為0.5 kg/（kPa·m2·h）；

PH——膜熱側(cè)表面溫度下水的飽和蒸汽壓，kPa；

PL——膜冷側(cè)表面溫度下水的飽和蒸汽壓，kPa。

取膜蒸餾系統(tǒng)的產(chǎn)水量為1000 kg/h，每天工作12 h，每年工作300天；三種方案中的加熱器、冷卻器、兩效間換熱器、熱泵蒸發(fā)器、熱泵冷凝器等換熱器價(jià)格為300元/千瓦，壓縮機(jī)價(jià)格為500元/千瓦，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)價(jià)格為800元/千瓦；膜組件價(jià)格為300元/平方米，膜組件壽命為1年；其他附件成本不計(jì)。

假設(shè)多效膜蒸餾系統(tǒng)的熱源和太陽(yáng)能膜蒸餾系統(tǒng)的輔助熱源均采用燃?xì)?，燃?xì)鉄嶂禐?6 MJ/m3，價(jià)格為2.6元/立方米，燃?xì)馊紵蕿?0%；設(shè)膜蒸餾系統(tǒng)的冷源溫度均為0℃；熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的熱泵用電能驅(qū)動(dòng)，電價(jià)為0.5元/千瓦小時(shí)。

當(dāng)料液的操作溫度為60℃，膜熱側(cè)表面與料液的換熱溫差為3℃，膜熱側(cè)表面與膜冷側(cè)表面溫差為7℃，膜冷側(cè)表面與凝水的傳熱溫差為5℃，各個(gè)換熱器的傳熱溫差為5℃時(shí)，三個(gè)技術(shù)方案的綜合對(duì)比如表1所示 （此時(shí)多效膜蒸餾系統(tǒng)為三效，太陽(yáng)能膜蒸餾和熱泵膜蒸餾系統(tǒng)中膜組件的工況與多效膜蒸餾系統(tǒng)中的第一效相同）。

當(dāng)料液的操作溫度為80℃，膜熱側(cè)表面與料液的換熱溫差為2℃，膜熱側(cè)表面與膜冷側(cè)表面溫差為5℃，膜冷側(cè)表面與凝水的傳熱溫差為3℃，各個(gè)換熱器的傳熱溫差為3℃時(shí)，三個(gè)技術(shù)方案的綜合對(duì)比如表2所示 （此時(shí)多效膜蒸餾系統(tǒng)為六效，太陽(yáng)能膜蒸餾和熱泵膜蒸餾系統(tǒng)中膜組件的工況與多效膜蒸餾系統(tǒng)中的第一效相同）。

表1 料液溫度60℃時(shí)三個(gè)技術(shù)方案的綜合比較

表2 料液溫度80℃時(shí)三個(gè)技術(shù)方案的綜合比較

由表1和表2可見(jiàn)，多效膜蒸餾初投資最低，但膜費(fèi)用較高，較適于料液操作溫度較高的場(chǎng)合，且隨著膜成本的降低、膜壽命的延長(zhǎng)，其競(jìng)爭(zhēng)力會(huì)得到提高；太陽(yáng)能膜蒸餾初投資偏大，且在料液連續(xù)操作、太陽(yáng)能保證率不太高時(shí)，運(yùn)行費(fèi)用也不低，因此該方案較適于太陽(yáng)能資源豐富且料液處理不要求連續(xù)操作的場(chǎng)合；熱泵膜蒸餾初投資和運(yùn)行費(fèi)用均較低，且料液在不同的操作溫度下均有較好的綜合性能，尤其對(duì)操作溫度較低的熱敏料液具有突出的優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論與建議

多效膜蒸餾、太陽(yáng)能膜蒸餾和熱泵膜蒸餾均可有效降低直接接觸式膜蒸餾過(guò)程的能源消耗，其中多效膜蒸餾較適于操作溫度較高的料液，太陽(yáng)能膜蒸餾較適于不要求連續(xù)操作的料液，熱泵膜蒸餾可用于各類料液，尤其對(duì)操作溫度低的熱敏料液有突出的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)料液特性和當(dāng)?shù)貤l件選擇適宜的技術(shù)方案，也可對(duì)上述三個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行合理組合，以獲得更好的綜合優(yōu)勢(shì)。

[1] 環(huán)國(guó)蘭，杜啟云，王薇.膜蒸餾技術(shù)研究現(xiàn)狀 [J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（4）：12-18.

[2] 呂建國(guó).國(guó)內(nèi)膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 [J].甘肅科技，2012 （19）： 71-75.

[3] 王奔，秦英杰，王彬，等.多效膜蒸餾過(guò)程用于海水和濃海水的深度濃縮[J].化工進(jìn)展，2013，32（9）：2233-2241.

[4] Mohammed Rasool， Qtaishat， Fawzi Banat.Desalination by solar powered membrane distillation systems[J].Desalination， 2013， 308： 186-197.

[5] 陳東.熱泵技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[6] 王學(xué)松.膜分離技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994.