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膜而實現(xiàn)料液中溶質(zhì)與水分分離的過程，具有常壓低溫下操作、對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)簡單等特點，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在熱側(cè)需要輸入熱能以推動膜蒸餾過程的運行。為降低熱能消耗，工程應(yīng)用時可采用多效膜蒸餾、太陽能膜蒸餾、熱泵膜蒸餾等技術(shù)方案[3-5]，本文對上述技術(shù)方案進行較系統(tǒng)的對比分析。

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 （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，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），無因次；

N——多效膜蒸餾系統(tǒng)的效數(shù)，無因次；

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，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 太陽能膜蒸餾

太陽能膜蒸餾系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 太陽能膜蒸餾系統(tǒng)

圖3中，有陽光照射時，太陽能集熱器工作，把循環(huán)料液加熱。當(dāng)陽光較充足，可把料液加熱到設(shè)定溫度時，輔助熱源不工作；當(dāng)陽光不足時，輔助熱源給料液補充熱量使其溫度達到設(shè)定值。熱料液進入膜組件后，其中的部分水分在膜表面汽化并通過膜進入凝水側(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)進入冷卻器被冷源冷卻至設(shè)定溫度后再進入膜組件。

在太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的冷源采用自然冷源時，其造水比約為：

式中RES——太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的造水比，無因次；

REX——膜組件的熱效率，無因次；

RS——太陽能保證率 （料液加熱所需熱能中太陽能所占的百分比），無因次。

當(dāng)料液處理集中在白天且當(dāng)?shù)毓庹蛰^好時，太陽能膜蒸餾系統(tǒng)可有較好的太陽能保證率，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、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入蒸發(fā)器，等到再被冷卻至規(guī)定溫度時繼續(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，然后進入壓縮機并被壓縮為高溫高壓狀態(tài)進入冷凝器加熱料液，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，無因次；

REX——膜組件熱效率，無因次；

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

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有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

5 技術(shù)方案對比分析

膜通量計算式為[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格為300元/千瓦，壓縮機價格為500元/千瓦，太陽能集熱系統(tǒng)價格為800元/千瓦；膜組件價格為300元/平方米，膜組件壽命為1年；其他附件成本不計。

假設(shè)多效膜蒸餾系統(tǒng)的熱源和太陽能膜蒸餾系統(tǒng)的輔助熱源均采用燃氣，燃氣熱值為36 MJ/m3，價格為2.6元/立方米，燃氣燃燒效率為90%；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，電價為0.5元/千瓦小時。

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℃，各個換熱器的傳熱溫差為5℃時，三個技術(shù)方案的綜合對比如表1所示 （此時多效膜蒸餾系統(tǒng)為三效，太陽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℃，各個換熱器的傳熱溫差為3℃時，三個技術(shù)方案的綜合對比如表2所示 （此時多效膜蒸餾系統(tǒng)為六效，太陽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℃時三個技術(shù)方案的綜合比較

表2 料液溫度80℃時三個技術(shù)方案的綜合比較

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

6 結(jié)論與建議

多效膜蒸餾、太陽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，尤其對操作溫度低的熱敏料液有突出的優(yōu)勢。實際應(yīng)用時可根據(jù)料液特性和當(dāng)?shù)貤l件選擇適宜的技術(shù)方案，也可對上述三個技術(shù)方案進行合理組合，以獲得更好的綜合優(yōu)勢。

[1] 環(huán)國蘭，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，2009，28（4）：12-18.

[2] 呂建國.國內(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.多效膜蒸餾過程用于海水和濃海水的深度濃縮[J].化工進展，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[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.