專利名稱：膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)及處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種水處理系統(tǒng)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(huán)冷卻水是工業(yè)用水中的用水大項，在石油化工、電力、鋼鐵、冶金等
行業(yè)，循環(huán)冷卻水的用量占企業(yè)用水總量的50-90%，某些電廠、化工企業(yè)的 冷卻水占總用水量的90-95%。循環(huán)冷卻水在系統(tǒng)不斷地循環(huán)使用中，由于水 溫、流速的變化，水分不斷蒸發(fā)，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，加之空氣中污染物如灰塵、 雜物、可溶性氣體以及換熱器物料泄露等，引起循環(huán)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(tǒng)的正常運行。
為了防止l 、鎂離子水垢的析出，減少泥團雜質等污垢對傳熱的影響，控 制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)金屬腐蝕和控制循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物的孳生，目前最有 效和最常用的方法則是向循環(huán)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(tǒng)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，并且投加各種水處理劑的操作系統(tǒng)復雜、藥劑費用高，使 循環(huán)水的總體濃縮倍數不高、運行管理成本很高。
常規(guī)冷卻水循環(huán)過程中，循環(huán)冷卻水濃縮到一定倍數必須排出一定的濃 水，并補充新水，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范圍。所以節(jié)約循環(huán)冷卻水的新鮮水用量，減少污水排 放，可減輕周邊環(huán)境的水體污染狀況，這對保證環(huán)境經濟的可持續(xù)發(fā)展，促 進生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，改善少數地區(qū)的人居環(huán)境狀況有著重要的意義。
反滲透法是近20年來發(fā)展起來的膜技術，在循環(huán)水處理系統(tǒng)中， 一方面 可用于排放污水的凈化，處理后的水直接重復利用，減少排放量，另一方面 可用于補充水的脫鹽處理，提高循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數。在一定的循環(huán)冷卻 水系統(tǒng)中，只要改變補充水的含鹽量，就可以改變循環(huán)水系統(tǒng)的濃縮倍數， 而提高濃縮倍數是保證整個循環(huán)冷卻水系統(tǒng)經濟運行的關鍵。但是，采用反 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， .通常要求采用超、微濾技術作為前級處理，而且，原水溫度通常不得高于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 少污水排放，可以取得顯著的經濟效益和社會效益。

發(fā)明內容
本發(fā)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(fā) 濃縮(Membrane Evaporated Concentration,簡稱MEC)系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明設計了新的膜蒸發(fā)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(tài)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(huán)，在膜一側可以得到原液濃縮物，富集了污水中的無 機離子和有機污垢等溶解態(tài)污染物質，在膜的另一側可以得到純水。這樣， 純水可以直接回用，高度濃縮的污水則可采用其他物化方法進行處理，大大 減少污水排放量。
本發(fā)明提供一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，其特征在于采用中空纖維膜
組件作為處理設備，上述膜組件的熱循環(huán)側設置循環(huán)水槽和換熱器，在上述
換熱器中，濃水循環(huán)加熱；在熱循環(huán)側膜的出水端設置濃水排放口，用于排 出濃水；在膜組件的冷循環(huán)側設置冷凝器，上述冷凝器后接負壓泵，負壓泵
后設置純水出口，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，可以將多個膜組件并聯或同時串聯使用。
另外，換熱器可以采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(huán)水的溫度。
并且，膜組件的熱循環(huán)側依次連接設置有污水排放口、膜換熱器、循環(huán) 水槽、循環(huán)泵。
在本發(fā)明的系統(tǒng)中，待處理的液體可以是自來水、海水或冷卻系統(tǒng)排出 的熱水。將該待處理的液體進入循環(huán)槽，經過換熱器而被加熱后，進入膜裝 置進行蒸發(fā)，蒸發(fā)后的液體回到循環(huán)槽，再經過換熱器而被加熱后，再次進 入膜裝置進行蒸發(fā)，由此循環(huán)。將熱水或循環(huán)冷卻水引入換熱器或熱泵，對 被處理的濃縮循環(huán)水進行加熱。對于循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，大量多余的循環(huán)冷卻 熱水仍舊按原工藝進入冷卻塔進行常規(guī)冷卻，循環(huán)使用。
反復循環(huán)處理后的污水或濃縮海水通過濃水排放口排出系統(tǒng)外部，蒸發(fā).
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(tǒng)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(fā)明釆用負壓 方式，但不同于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(fā)明的系統(tǒng)中，冷凝器也可以采用具有較高的傳熱面積的中空纖維膜
換熱器。
在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，當原水溫度高于8(TC時，采用MEC技術，污水排 放量低于反滲透方法的十分之一，設備投資不超過反滲透法，運行費用低于 反滲透方法，可以替代反滲透技術。


圖1是本發(fā)明膜蒸發(fā)濃縮(MEC)液體處理系統(tǒng)示意圖； 圖2是本發(fā)明中膜組件豎立放置方式與排水機構示意圖； 圖3是本發(fā)明中膜組件橫向放置方式與排水機構示意圖； 圖4為本發(fā)明膜蒸發(fā)濃縮(MEC)用于循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)示例圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的系統(tǒng)如圖l所示。系統(tǒng)中采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(huán)側設置循環(huán)水槽2和換熱器6，在上述換熱 器6中，濃水循環(huán)加熱。上述換熱器6可以是常規(guī)換熱器，但最好是膜換熱
器o
在系統(tǒng)的冷循環(huán)側設置冷水池和冷卻器(例如冷凝器3)，在熱循環(huán)側膜的 出水端設置濃水排放口，用于排出濃水；在冷循環(huán)側，循環(huán)系統(tǒng)設置負壓泵5， 并在冷水池設置純水出口用以排出所產純水。
在處理系統(tǒng)中，待處理的部分熱水直接進入常規(guī)冷卻塔，部分熱水經過 換熱器6后直接進入冷卻塔，部分熱水或海水或自來水進入循環(huán)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(fā)明中設置了負壓泵5，采用負壓抽吸，將水蒸氣導入冷凝器3中進行冷凝
收集。也可以采用吹掃的方式，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采用風冷或水冷的方式。
關于換熱過程。由于換熱器循環(huán)水溫度過高，在換熱器內結垢情況嚴重，
常規(guī)循環(huán)水系統(tǒng)運行的中、后期，往往由于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(huán)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，采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于金屬的缺點， 同時，高分子材料的耐鹽類腐蝕性遠高于金屬材料，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，由于 疏水膜的滲漏產生的直接透過水由于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(tǒng)，然后，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(fā)明膜蒸發(fā)濃縮(MEC)用于循環(huán)冷卻水處理系統(tǒng)示例圖，也是圖 l顯示的處理系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)。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(guī)換熱器)。熱水循環(huán)系統(tǒng)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(guī)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(fā)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(huán)側濃縮倍數逐步升高，冷循環(huán)側出水的電導率雖有 微小增加，但變化很小， 一般都小于2liS/cm,說明本工藝中所用膜對非揮發(fā) 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 經高于常規(guī)的反滲透通量的一倍左右。
通常循環(huán)冷卻水的溫度為40—5(TC，屬于低品位熱能，為了提高膜蒸發(fā)濃 縮系統(tǒng)功效，在換熱器(6)部分，還可以采用熱泵技術。將低品位熱能的循 環(huán)水進入熱泵，從中提取能量，將膜蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)循環(huán)濃水加熱到60—9(TC。 利用熱泵技術回收循環(huán)冷卻水余熱的工作原理是熱泵利用該余熱源作為低 溫熱源，以熱泵系統(tǒng)中的工質作為熱的載體，在熱泵系統(tǒng)內以相變熱(汽化潛 熱或凝結熱)形式自低溫熱源帶走熱量并輸送至高溫熱源。
熱泵是一種把熱量從低溫端送向高溫端的專用設備，是節(jié)能的新裝置。它 由蒸發(fā)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(huán)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(fā)器內吸收低溫物體的熱量， 蒸發(fā)成氣體媒體。②蒸發(fā)器出來的氣體媒體液壓縮機的壓縮，變?yōu)楦邷馗邏?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?yōu)楦邏阂后w媒體。④高壓液體媒體在膨脹閥中減壓，再變?yōu)檫^熱 液體媒體，進入蒸發(fā)器，由此循環(huán)進行，完成能量回收過程。
熱泵的性能一般用成績系數(COP)來評價。成績系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。通常熱泵的成績系數為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，新型的熱泵的成績系數可以達到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，要依據余熱資源的實際溫度高低選擇工質對，并根據 實際的要求選擇合適的制冷循環(huán)方式。
由于氟利昂對地球大氣臭氧有破壞作用，為了保護地球的生態(tài)環(huán)境，除了 提高熱泵的成績系數，有效利用能源以外，各國還致力于新型冷凍媒體的開 發(fā)。目前已有數種替代氟利昂的媒體得到應用。
由于該系統(tǒng)主要能耗是利用循環(huán)冷卻水的廢熱，無須另外補充蒸發(fā)熱耗， 因此運行費用可以大大降低。從循環(huán)水的濃水中濃縮提取無機鹽類和有機污 染物，使整個循環(huán)水系統(tǒng)濃縮倍數可以大為提高，并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(huán)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(huán)冷卻水系統(tǒng)中，當原水溫度高于8(TC時，采用MEC技術，污水排 放量低于反滲透方法的十分之一，設備投資不超過反滲透法，運行費用低于 反滲透方法，實現替代反滲透技術。產水電導率小于10uS/cm。
本發(fā)明的特色與創(chuàng)新之處在于
從水系統(tǒng)中濃縮提取污染物，不同于常規(guī)處理方法是從水中獲取凈化水。 采用熱泵技術，利用循環(huán)水系統(tǒng)廢熱，能耗低。
將污水高度濃縮，可以配合采用物化手段，將污水固形化，實現系統(tǒng)無廢
水排放。
采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(wěn)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(huán)水用量較大的行業(yè)有著廣泛的應 用前景。對某些石化企業(yè)、發(fā)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(yè)生產正常發(fā)展的一大障礙，釆用MEC技
術可以利用循環(huán)水的廢熱，將循環(huán)水部分高度濃縮后排放， 一方面可以提高 循環(huán)比，減少污水排放，同時還可以減少化學藥劑的投加。與采用反滲透技 術相比，可以顯著降低運行成本、節(jié)約投資，并可將濃污水排放量降低至十 分之一左右，實現減排目標。應用此項技術的優(yōu)勢十分明顯。
另外，該技術還可以用在
1、 大型建筑物空調冷卻水處理，節(jié)水減排，減少化學藥劑使用量。
2、 采用太陽能熱水器制備生活用純水，供一般家庭使用和海島、船舶、 野外工作等使用。
3、 船舶鍋爐余熱利用制備生活用純水，適用于艦艇、遠洋船舶等，與反
滲透技術相比，占地小、投資低、無震動，運行費用低。
4、 海水淡化與制鹽、提溴、提鉀等海水資源的綜合利用。
權利要求
1. 一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理設備，其特征在于采用中空纖維膜組件(1)作為處理設備，上述膜組件的熱循環(huán)側設置循環(huán)水槽(2)和換熱器(6)，在上述換熱器(6)中，濃水循環(huán)加熱；在熱循環(huán)側膜的出水端設置濃水排放口，用于排出濃水；在膜組件(1)的冷循環(huán)側設置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)后接負壓泵(5)，負壓泵(5)后設置純水出口，用以排出所產純水。
2、 根據權利要求1所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理設備，其特征在于 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(fā)濃縮液體處理設備，其特征在于 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(fā)濃縮液體處理設備，其特征在于-換熱器(6)可以是熱泵及換熱系統(tǒng)。'
5、 根據權利要求1所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理設備，其特征在于-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(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于待處理的液體可以是自來水、海水或冷卻系統(tǒng)排出的熱水，將該待處理 的液體進入循環(huán)槽，經過換熱器或熱泵而被加熱后，進入膜裝置進行蒸發(fā)， 蒸發(fā)后的液體回到循環(huán)槽，再經過換熱器而被加熱后，再次進入膜裝置進行 蒸發(fā)，由此循環(huán)，熱水或部分冷卻系統(tǒng)排出的熱水進入換熱器，對被處理的 循環(huán)水進行加熱。
7、 根據權利要求6所述的膜蒸發(fā)濃縮液體處理方法，其特征在于 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(fā)明提供一種膜蒸發(fā)濃縮液體處理設備及處理方法。根據本發(fā)明的膜蒸發(fā)濃縮液體處理系統(tǒng)，采用中空纖維膜組件(1)作為處理設備，上述膜組件的熱循環(huán)側設置循環(huán)水槽(2)和換熱器(6)，在上述換熱器(6)中，濃水循環(huán)加熱；在熱循環(huán)側膜的出水端設置濃水排放口，用于排出濃水；在膜組件(1)的冷循環(huán)側設置冷凝器(3)，上述冷凝器(3)后接負壓泵(5)，負壓泵(5)后設置純水出口，用以排出所產純水。通過本發(fā)明系統(tǒng)的循環(huán)，純水可以直接回用，高度濃縮的污水則可采用其他物化方法進行處理，大大減少污水排放量。
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(yōu)先權日2006年12月22日
發(fā)明者呂曉龍 申請人:天津工業(yè)大學