專利名稱：一種多效膜蒸餾組件單元、船用海水淡化裝置及淡化方法
技術領域：
本發明屬于海水淡化技術領域，涉及一種多效膜蒸餾組件單元、船用海水淡化裝置及淡化方法，尤其涉及海上作業的船只和潛艇內解決飲用水問題的方法。
背景技術：
如今淡水資源越來越受 到各國的重視，淡水是人類社會生存和發展的基本物質之一，但是由于工業化進程的加快，人口的增長和水污染問題越來越嚴重，各國都面臨淡水資源的危機。我國也是淡水資源嚴重匱乏國之一。近幾年，海水淡化技術的發展是解決淡水資源問題的有效途徑。但是海水淡化成本一直制約著海水淡化的發展。目前海水淡化的主要方法反滲透，由于其所需的操作壓力高，對機械設備要求高，設備費用也高。而相對于反滲透的另外一種海水淡化方式，膜蒸餾(Membrane Distillation,以下簡稱MD)是一種新型的膜分離技術,它是一種熱驅動過程，是將蒸餾法和膜法相結合的技術。MD裝置可以在常壓、較低溫度的蒸發過程中高效的運行，且膜蒸餾操作壓力低，脫鹽率高，膜污染少，在良好的條件下比反滲透水通量大。MD是一種采用疏水微孔膜以膜兩側蒸汽壓差為傳質驅動力的膜分離過程。當疏水微孔膜兩側存在蒸汽壓差時，水蒸氣從熱側原水一側穿過疏水微孔膜然后再被冷凝成液態水的分離過程。MD由于其可以在常壓低溫操作，可以利用太陽能、地熱、工廠廢熱、余熱等低品位熱源、設備簡單易操作等優點，在海水淡化工程中具有一定的競爭力。由于MD過程中存在相變，原水需進行加熱，所以存在能耗較高，效率低的問題，如果能夠利用廢熱、預熱對原水進行加熱，可以研究出新的膜蒸餾技術，降低投資和運行成本，就可以取得顯著的經濟效益和社會效益。通過檢索發現如下公開專利文獻，重點列舉如下中國專利(CN102085454A、CN102371120A、CN102107119A和 CN101632901A)都介紹了一種相似的熱回收式的減壓膜蒸餾裝置或者是多級式串聯的多效膜蒸餾裝置和方法。這些裝置有一組或者多組間隔排列的框式和框式換熱組件組成的或由多級膜組件相互串聯，兩者都是每一級膜組件蒸發產生的水蒸氣在真空泵的抽吸和吹掃氣引導作用下，順次通過疏水膜組件，與換熱管內的冷料液進行熱交換，料液溫度升高，水蒸氣被冷凝降溫，作為產水排出，通過該方法熱量的回收利用率大于70%，但是其組件形式比較復雜，結構較為繁瑣。美國專利(US6716355B1)介紹了一種方框式組件，在該組件中，其使用的是一層微孔疏水膜和一層冷凝中空管相互垂直間隔排列，熱料液和冷料液分別通過微孔膜和中空管，熱料液在微孔膜中通過微孔滲透出來的蒸氣通過接觸冷凝中空管管壁，蒸氣的冷凝潛熱被管內的冷料液吸收，從而提高熱量回收。但是在該專利的實例中，尚未給出明確的實驗數據。

發明內容
本發明的目的在于克服現有MD技術的不足之處，利用廢熱、余熱等低品位熱源，提供一種能耗低、產水成本低、設備簡單、操作便捷的具有內部高效率回收熱能的船用多效膜蒸餾海水淡化裝置。為解決上述技術問題，本發明首先提供了一種多效膜蒸餾組件單元，其特征在于:包括內部制成腔體的膜殼，腔體內設有并排間隔放置的PTFE中空纖維膜組件和PTFE中空管組件；將多排間隔的PTFE中空纖維膜組件相互串聯，用于輸送第一進料溶液，允許蒸汽傳輸過該中空纖維膜；將多排間隔的PTFE中空管組件也進行串聯，用于輸送第二進料溶液，允許熱能傳輸過該中空管，同時阻止蒸汽傳輸過該PTFE中空管，膜殼上設有與PTFE中空纖維膜對應的熱海水進口及濃海水出口、與PTFE中空管對應的冷海水進口和冷海水出Π ；膜殼為蒸汽冷凝餾出物收集室，膜殼底部設有排水口用于連接用水點，傳輸通過 PTFE中空纖維膜的蒸汽在餾出物收集室中冷凝為餾出物，并與PTFE中空管中的第二進料溶液進行熱交換。優選的，所述的PTFE中空纖維膜組件和PTFE中空管組件是片狀簾式組件，每片PTFE中空纖維膜組件長度在O. 8米-I. 6米，每片根數在50根-500根，每片PTFE中空管組件長度大于或等于PTFE中空纖維膜組件長度。優選的，所述的PTFE中空纖維膜組件所用的中空纖維膜是以聚四氟乙烯制得的中空纖維膜，該中空纖維膜內徑O. 6毫米-I. 2毫米，外徑I. 8毫米-2. 4毫米，壁厚為O. 3毫米-O. 9毫米，平均孔徑O. 05微米-O. 5微米，孔隙率為40%-85%。優選的，所述的PTFE中空管組件所用的中空管是以聚四氟乙烯制得的毛細無孔中空管，該中空管內徑O. 02毫米-I毫米，外徑O. 05毫米-2. O毫米。優選的，所述的膜殼內部片狀簾式PTFE中空纖維膜和PTFE中空管相互交錯平行排列，中空纖維膜和中空管的間距為O. I毫米-10毫米。優選的，所述膜殼頂部設有排氣口。在上述提供多效膜蒸餾組件單元的基礎上，本發明提供的一種船用多效膜蒸餾海水淡化裝置，包括原水泵、過濾器、熱交換器、儲液罐及各部件相連通的管路，還包括一個或多個前述的多效膜蒸餾組件單元，所述原水泵出口與過濾器相連接，過濾器出口分兩路，一路與多效膜蒸餾組件單元的冷海水進口相連接，另一路與換熱器的進水口相連接，換熱器的出水口與多效膜蒸餾組件單元熱海水進口相連接，多效膜蒸餾組件單元底部的排水口與儲液罐相連接，儲液罐直接連至用水點。優選的，所述效膜蒸餾組件單元的冷海水出口與換熱器的進水口相連接。從而更加高效的利用船用發動機余熱。熱交換器利用船用發動機冷卻水所含的熱能，與海水進行熱交換，使海水達到400C _80°C，將進行熱交換后的海水送入多效膜蒸餾組件單元的熱海水進口 ；過濾裝置可以是多種形式的過濾器以移除海水中的懸浮物、凝膠、固體顆粒等；儲液裝置主要用于收集冷凝液，與用水管路相連。上述船用多效膜蒸餾海水淡化裝置的淡化方法，其特征在于包括一下過程①海水料液預處理。與船只等發動機冷卻水進行熱交換的海水需要經過一定的預處理，出去其中的固體顆粒，懸浮物，垃圾等可能對中空纖維膜造成堵塞或污染的成份。②海水料液利用廢熱的多效膜蒸餾及熱量的回收利用。利用耐腐蝕泵將海水送入到過濾器中，經過簡單的預處理后，一部分經過熱交換裝置，將海水加熱至40°C -80°C后送入多效膜蒸餾組件單元，通過相關管路將海水均勻地流過PTFE中空纖維膜，另一部分則直接通過管路均勻地進入PTFE中空管，經過與蒸發出來的水蒸氣換熱后回流至換熱器前再次進行熱交換后進入PTFE中空纖維膜組件；海水料液中的易揮發組分在第一級(組)PTFE中空纖維膜外表面蒸發，蒸氣在PTFE中空管外表面冷凝，中空管內的海水吸收蒸氣的冷凝潛熱回流至熱交換器；然后通過第一級(組)PTFE中空纖維膜的熱海水進入第二級(組)PTFE中空纖維膜，蒸氣在第二級(組)中空纖維膜表面蒸發，蒸氣在PTFE中空管外表面冷凝，然后通過第二級(組)PTFE中空纖維膜的熱海水再進入第三級(組)PTFE中空纖維膜，以此類推，最后熱海水料液經過多級，蒸發后溫度降低，濃度升高，直至海水溫度降至30°C左右時將此濃海水直接排回大海；在多效膜蒸餾系統內，通過在PTFE中空管外表面冷凝后的冷凝液順著中空管流入膜殼下端的儲液罐，儲液罐直接連接用水點。 為進一步提高熱利用率，在多效膜蒸餾組件單元內，中空管內的原海水料液被蒸氣冷凝換熱加溫后流出多效膜蒸餾組件單元，然后再次進入熱交換器被加熱至預定溫度，重新進入膜組件單元的中空纖維膜進行蒸發。此裝置的膜蒸餾過程可連續運行也可間歇性運行。可見，本發明的利用船只、潛艇等廢熱進行多效膜蒸餾組件及其膜蒸餾裝置和方法具有較高的熱利用率，節能，環保，設備簡單，操作方便等優點。


下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明圖I是本發明多效膜蒸餾組件單元結構示意圖其中4、PTFE中空纖維膜組件，5、PTFE中空管組件，31、膜殼。圖2是本發明多效膜蒸餾組件的原理示意圖其中41、PTFE中空纖維膜，51、PTFE
中空管。圖3是多效膜蒸餾海水淡化器裝置示意圖其中I、原水泵，2、熱交換器，3、多效膜蒸餾組件，4、PTFE中空纖維膜組件，5、PTFE中空管組件，6、儲液罐，7、過濾器。
具體實施例方式如圖I、圖2和圖3所示，本發明裝置由原水泵I、過濾器7、熱交換器2、多效膜蒸餾組件單元3、儲液罐6及各部件相連通的管路組成。其中多效膜蒸餾組件單元3的膜殼上設有冷海水進口、冷海水出口、熱海水進口、濃海水出口及產水口，膜殼3頂部設有排氣口。原水泵I的出口與過濾器7相連接，過濾器7的出口分兩路(可利于現有的各種電磁閥、分水閥及其它各種用于液體分流的裝置)，一路與多效膜蒸餾組件單元3的冷海水進口相連接，另一路與換熱器2的進水口相連接，換熱器7與多效膜蒸餾組件單元熱海水進口相連接。多效膜蒸餾組件單元3的冷海水出口與換熱器2的進水口相連接。多效膜蒸餾組件單元3底部的產水口與儲液罐6相連接，儲液罐直接連至用水點。
如圖1，其中所述多效膜蒸餾組件單元包括內部制成腔體的膜殼31，腔體內設有并排間隔放置的多排PTFE中空纖維膜組件4和PTFE中空管組件5，這里的并排間隔設置是指層疊狀間隔的結構，即一層PTFE中空纖維膜組件，然后一層PTFE中空管組件，再一層PTFE中空纖維膜組件，再一層PTFE中空管組件，以此類推的形式(為清楚示意原理，圖I中僅以一層PTFE中空管組件配合一層PTFE中空纖維膜組件的形式體現)；所述多排間隔的PTFE中空纖維膜組件相互串聯，用于輸送第一進料溶液，允許蒸汽傳輸過該中空纖維膜；所述多排間隔的PTFE中空管組件也 進行串聯，用于輸送第二進料溶液，允許熱能傳輸過該中空管，同時阻止蒸汽傳輸過該PTFE中空管，所述膜殼上設有與PTFE中空纖維膜組件對應的熱海水進口及濃海水出口、與PTFE中空管組件對應的冷海水進口和冷海水出口 ；所述膜殼31為蒸汽冷凝餾出物收集室，膜殼底部設有排水口用于連接用水點，傳輸通過PTFE中空纖維膜的蒸汽在餾出物收集室中冷凝為餾出物，并與PTFE中空管中的第二進料溶液進行熱交換。本發明裝置的方法裝置工作時，海水通過原水泵I提升，經過過濾器7將海水中的雜質、膠體等污染物除去后，一部分海水直接通過多效膜蒸餾組件單元3的冷海水進口進入多效膜蒸餾組件單元3內的PTFE中空管組件5，一部分經換熱器2，利用發動機冷卻水升溫后，通過多效膜蒸餾組件單元3的熱海水進口進入多效膜蒸餾組件單元3內的PTFE中空纖維膜組件4。多效膜蒸餾組件單元3內的PTFE中空纖維膜組以片狀簾式結構分冷熱水流道間隔3毫米堆疊而成，熱海水與冷海水通過各自流道逆流經過多效膜蒸餾組件單元3，由于溫度差導致的蒸汽壓差作用，熱海水中的一部分水分子會以蒸汽狀態穿過膜的微孔，在冷海水膜組表面凝結成冷凝水，冷凝水從多效膜蒸餾組件單元3的產水口流至淡儲液罐6。在該裝置運行中，如圖2所示，在多效膜蒸餾組件單元內部，熱海水側PTFE中空纖維膜41表面形成的水蒸氣在冷海水側PTFE中空管51表面凝結的同時，起到了加熱冷海水的作用，使多效膜蒸餾組件單元3的冷海水出口處的海水溫度升至40-50°C左右，將該水回流至換熱器7的進口處，經過換熱器二次加熱后作為熱海水進入多效膜蒸餾組件單元3，通過此回路回收了大量的冷凝潛熱，使進入多效膜蒸餾組件單元的熱海水溫度明顯升高，在提高裝置產水通量的同時減小了換熱器2的規格，降低了投資成本及占地面積。在多效膜蒸餾組件單元3內，PTFE中空纖維膜組件4和PTFE中空管組件5可以形成多級串聯，即將中空纖維膜組件單元之間進行串聯，中空管組件單元也相互串聯，中空纖維膜和中空管組件單元之間相互間隔排列。實施例I原水海水；過濾器PP棉濾芯多效膜蒸餾組件單元材料PTFE中空纖維膜內徑O. 6毫米，外徑I. 8毫米，膜孔徑O. I微米；PTFE中空管內徑O. 6毫米，外徑I毫米。組件單元數量1個；單位組件單元內PTFE中空纖維膜組件數量2個,每個60根；PTFE中空管組件數量3個，每個180根；熱交換器數量1個。海水的中空纖維膜組件進口溫度70-80 V ；中空管組件進口溫度25-40 V結果產品為蒸餾水，水通量為3. 32L/(m2*h)，蒸餾出水的電導率I. 2μ S/cm，熱回收利用率70%以上
實施例2原水海水；過濾器PP棉濾芯。多效膜蒸餾組件單元材料PTFE中空纖維膜內徑I. 2毫米，外徑2. 4毫米，膜孔徑O. 5微米；PTFE中空管內徑O. 8毫米，外徑I毫米。組件單元數量'2個；單位組件單元內PTFE中空纖維膜組件數量5個,每個60根；PTFE中空管組件數量6個，每個180根；熱交換器數量2個。海水的中空纖維膜組件進口溫度70-80 V ；中空管組件進口溫度25-40 V結果產品為蒸餾水，水通量為12. 48L/(m2*h)，蒸餾出水的電導率43. 7yS/cm，熱回收利用率70%以上實施例3 原水海水；過濾器PP棉濾芯多效膜蒸餾組件單元材料PTFE中空纖維膜內徑O. 8毫米，外徑2. 3毫米，膜孔徑O. 22微米；PTFE中空管內徑O. 6毫米，外徑I毫米。組件單元數量1個；單位組件單元內PTFE中空纖維膜組件數量6個,每個60根；PTFE中空管組件數量7個，每個180根；熱交換器數量2個。海水的中空纖維膜組件進口溫度70-80 V ；中空管組件進口溫度25-40 V結果產品為蒸餾水，水通量為6. 55L/(m2*h)，蒸餾出水的電導率5. 8 μ S/cm，熱回收利用率70%以上實施例4原水海水；過濾器PP棉濾芯。膜組件材料PTFE中空纖維膜內徑I. 2mm,外徑2. 3mm,膜孔徑O. 3 μ m ；PTFE中空管內徑O. 8mm,外徑1mm。組件單元數量'2個；單位組件單元內PTFE中空纖維膜組件數量6個,每個60根；PTFE中空管組件數量7個，每個180根；熱交換器數量2個。海水的中空纖維膜組件進口溫度70-80 V ；中空管組件進口溫度25-40 V結果產品為蒸餾水，水通量為9. 86L/(m2*h)，蒸餾出水的電導率10. 3μ S/cm，熱回收利用率70%以上。本發明船用多效膜蒸餾海水淡化裝置也可以利于海邊或海中的其它動力設備的余熱，不局限于船體上的發動機。除上述優選實施例外，本發明還有其他的實施方式，本領域技術人員可以根據本發明作出各種改變和變形，只要不脫離本發明的精神，均應屬于本發明所附權利要求所定義的范圍。
權利要求
1.一種多效膜蒸餾組件單元，其特征在于 包括內部制成腔體的膜殼，腔體內設有并排間隔放置的多排PTFE中空纖維膜組件和PTFE中空管組件； 所述多排間隔的PTFE中空纖維膜組件相互串聯，用于輸送第一進料溶液，允許蒸汽傳輸過該中空纖維膜；所述多排間隔的PTFE中空管組件也進行串聯，用于輸送第二進料溶液，允許熱能傳輸過該中空管，同時阻止蒸汽傳輸過該PTFE中空管，所述膜殼上設有與PTFE中空纖維膜組件對應的熱海水進口及濃海水出口、與PTFE中空管組件對應的冷海水進口和冷海水出口； 所述膜殼為蒸汽冷凝餾出物收集室，膜殼底部設有排水口用于連接用水點，傳輸通過PTFE中空纖維膜的蒸汽在餾出物收集室中冷凝為餾出物，并與PTFE中空管中的第二進料溶液進行熱交換。
2.根據權利要求I中所述的多效膜蒸餾組件單元，其特征在于所述的PTFE中空纖維膜組件和PTFE中空管組件是片狀簾式組件，每片PTFE中空纖維膜組件長度在O. 8米-I. 6米，每片根數在50根-500根，每片PTFE中空管組件長度大于或等于PTFE中空纖維膜組件長度。
3.根據權利要求2中所述的多效膜蒸餾組件單元，其特征在于所述的PTFE中空纖維膜組件所用的中空纖維膜是以聚四氟乙烯制得的中空纖維膜，該中空纖維膜內徑O. 6毫米-I. 2毫米，外徑I. 8毫米-2. 4毫米，壁厚為O. 3毫米-O. 9毫米，平均孔徑O. 05微米-O. 5微米，孔隙率為40%-85%。
4.根據權利要求2中所述的多效膜蒸餾組件單元，其特征在于所述的PTFE中空管組件所用的中空管是以聚四氟乙烯制得的毛細無孔中空管，該中空管內徑O. 02毫米-I毫米，外徑O. 05暈米-2. O暈米。
5.根據權利要求2中所述的多效膜蒸餾組件單元，其特征在于所述的膜殼內部片狀簾式PTFE中空纖維膜和PTFE中空管相互交錯平行排列，中空纖維膜和中空管的間距為O. I毫米-10毫米。
6.根據權利要求I中所述的多效膜蒸餾組件單元，其特征在于所述膜殼頂部設有排氣口。
7.一種船用多效膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于包括原水泵(I)、過濾器(7)、熱交換器(2)、儲液罐(6)及各部件相連通的管路，還包括一個或多個權利要求I至6中任意一項所述的多效膜蒸餾組件單元(3)，所述原水泵(I)出口與過濾器(7)相連接，過濾器(7)出口分兩路，一路與多效膜蒸餾組件單元(3)的冷海水進口相連接，另一路與換熱器(2)的進水口相連接，換熱器(2)的出水口與多效膜蒸餾組件單元(3)熱海水進口相連接，多效膜蒸餾組件單元(3)底部的排水口與儲液罐(6)相連接，儲液罐直接連至用水點。
8.根據權利要求7所述的船用多效膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于所述效膜蒸餾組件單元(3)的冷海水出口與換熱器(2)的進水口相連接。
9.一種權利要求7或8所述船用多效膜蒸餾海水淡化裝置的淡化方法，其特征在于通過熱交換裝置利用發動機冷卻水所含有的熱能與海水熱交換后，被加熱的海水進入膜組件腔體內的PTFE中空纖維膜，高溫海水不斷蒸發，蒸汽通過PTFE中空纖維膜膜壁上的孔隙進入膜殼腔內，并在溫度較低的PTFE中空管外壁上冷凝，蒸汽在PTFE中空管外壁上冷凝過程中釋放的冷凝潛熱被PTFE中空管內的海水吸收，使PTFE中空管內的海水溫度不斷升高，同時PTFE中空纖 維膜內的海水由于水分不斷蒸發，溫度逐漸降低，海水濃度也增加，最后從膜組件下端的排水口排入海中。
全文摘要
本發明公開了一種船用多效膜蒸餾海水淡化裝置，包括原水泵、過濾器、熱交換器、儲液罐及各部件相連通的管路，還包括一個或多個多效膜蒸餾組件單元，所述原水泵出口與過濾器相連接，過濾器出口分兩路，一路與多效膜蒸餾組件單元的冷海水進口相連接，另一路與換熱器的進水口相連接，換熱器的出水口與多效膜蒸餾組件單元熱海水進口相連接，多效膜蒸餾組件單元底部的排水口與儲液罐相連接，儲液罐直接連至用水點。本發明利于船上的發動機余熱，能耗低、產水成本低、設備簡單、操作便捷。本發明還公開了該裝置的海水淡化方法及應用在該淡化裝置中的多效膜蒸餾組件。
文檔編號B01D69/04GK102872721SQ20121028840
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月14日 優先權日2012年8月14日
發明者傅葉明, 吳益爾, 馮濤, 金王勇, 朱春軍 申請人:浙江東大環境工程有限公司