申请日2017.10.19
公开(公告)日2018.02.02
IPC分类号C02F1/44; C02F1/04
摘要
一种双效热泵膜蒸馏污水处理系统及方法，属于节能领域。该系统包括热泵子系统和双效膜蒸馏子系统，其中热泵子系统包括冷凝器(1)、节流阀(2)、蒸发器(3)和压缩机(4);双效膜蒸馏子系统包括第一膜组件(6)、第二膜组件(7)和淡水储箱(10);其中第一膜组件(6)和第二膜组件(7)结构相同，其内部均包括导热隔板和汽通膜。该系统利用了两组串联连接的膜组件，通过梯级回收热泵子系统冷凝器的热量和上一效膜组件出口污水废热，实现了对污水的净化处理。该系统可用于污水净化制取淡水，且双效膜组件的耦合可以制取更多的淡水，较常规热泵单级膜蒸馏系统更节能高效。
权利要求书
1.一种双效热泵膜蒸馏污水处理系统，其特征在于：
该系统包括：冷凝器(1)、节流阀(2)、蒸发器(3)、压缩机(4)、第一膜组件(6)、第二膜组件(7)和淡水储箱(10);
其中第一膜组件(6)包括第一导热隔板(6-1)和第一汽通膜(6-2);
第二膜组件(7)包括第二导热隔板(7-1)和第二汽通膜(7-2);
冷凝器(1)包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口;蒸发器(3)包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口和热侧出口;
第一膜组件(6)的第一导热隔板(6-1)将冷侧和淡水侧分开;第一膜组件(6)的第一汽通膜(6-2)将热侧和淡水侧分开，且第一汽通膜(6-2)仅允许蒸汽在分压力的驱动下通过;第一膜组件(6)包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口和淡水出口;
第二膜组件(7)的第二导热隔板(7-1)将冷侧和淡水侧分开;第二膜组件(7)的第二汽通膜(7-2)将热侧和淡水侧分开，且第二汽通膜(7-2)仅允许蒸汽在分压力的驱动下通过;第一膜组件(7)包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口和淡水出口;
冷凝器(1)的热侧出口通过节流阀(2)后与蒸发器(3)的冷侧入口相连，蒸发器(3)的冷侧出口通过压缩机(4)后与冷凝器(1)的热侧入口相连;
第一膜组件(6)的冷侧出口与冷凝器(1)的冷侧入口相连，冷凝器(1)的冷侧出口与第一膜组件(6)的热侧入口相连，第一膜组件(6)的热侧出口与第二膜组件(7)的热侧入口相连，第二膜组件(7)的热侧出口与蒸发器(3)的热侧入口相连，蒸发器(3)的热侧出口与第二膜组件(7)的冷侧入口相连，第二膜组件(7)的冷侧出口与第一膜组件(6)的冷侧入口相连;
第一膜组件(6)的淡水出口与淡水储箱(10)相连;第二膜组件(7)的淡水出口与淡水储箱(10)相连;
初始污水(11)入口与第一膜组件(6)的冷侧进口相连。
2.根据权利要求1所述的膜蒸馏污水处理系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
制冷介质(5)通过冷凝器(1)热侧入口进入冷凝器(1)，放出热量后从其热侧出口流出，然后通过节流阀(2)降温降压，随后该制冷介质(5)通过蒸发器(3)的冷侧入口进入蒸发器(3)吸收热量，温度升高，然后从其冷侧出口流出，进入压缩机(4)进行加压，最后经过冷凝器(1)热侧入口流入冷凝器(1);
初始污水(11)与浓污水(9)混合后，通过冷凝器(1)冷侧入口进入冷凝器(1)吸收热量，温度升高，然后通过冷凝器(1)冷侧出口流出，然后进入第一膜组件(6)的热侧，放出热量，温度降低，同时里面的水蒸气会在分压力的作用下通过第一气通膜(6-2)进入淡水侧，在第一导热隔板(6-1)处和冷侧污水进行热交换，被冷凝为淡水(8)，然后送入淡水储箱(10);
在热侧处放出热量的污水经过第一膜组件(6)热侧出口流入第二膜组件(7)热侧，继续放热，同时水蒸气在分压力的作用下通过第二气通膜(7-2)进入其淡水侧，在第二导热隔板(7-1)处和其冷侧污水进行热交换，被冷凝为淡水(8)，然后送入淡水储箱(10);
另外，在第二膜组件(7)热侧放热后的污水通过其热侧出口流出，通过蒸发器(3)热侧进口进入蒸发器(3)，放热，温度降低;
放热后的污水通过其热侧出口流出，然后进入第二膜组件(7)冷侧，通过第二导热隔板(7-1)与水蒸气热交换，吸收热量，温度升高，然后从其冷侧出口流出，进入第一膜组件(6)冷侧，在冷侧通过其中的第一导热隔板(6-1)与第一膜组件(6)中淡水侧的水蒸气进行热交换，吸收热量，最后污水从其冷侧出口流出，进入冷凝器(1)。
说明书
双效热泵膜蒸汽污水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种双效热泵膜蒸汽污水处理系统及方法，属于节能领域。
技术背景
我国是一个水资源分布极不平衡的国家，各个地方拥有的水资源也很不平衡，总体上我国是一个缺水的国家，全国有70%的城市处于缺水状态，同时我国还是一个水资源污染严重的国家，每年因为水资源造成的损失约占GDP的2%，使得水污染处理受到了空前的关注。
膜蒸馏是近年发展起来的一种污水净化处理方法，该方法是一种膜技术与蒸馏过程相结合的膜分离过程，它以疏水微孔汽通膜为介质，在汽通膜两侧蒸气压差的作用下，料液中挥发性组分以蒸气形式透过膜孔，从而实现分离的目的。与其他常用分离过程相比，膜蒸馏具有分离效率高、操作压力低、对膜与原料液间相互作用及膜的机械性能要求不高等优点。
然而为了提供汽通膜两侧的蒸汽压差，一方面需要对污水进行加热，增加其蒸汽分压力，另一方面需要消耗大量的冷却水对透过汽通膜的蒸汽进行冷凝。此外，由于汽通膜的传热传质作用，冷却水吸收了大量的污水热量。因此，该方法整体能耗高，而且冷却水消耗量大。
热泵膜蒸馏方法是近年发展起来的一种较为节能的污水净化处理方法。通过对热泵系统冷凝器废热和蒸发器制冷量的回收，可为膜蒸馏系统提供蒸汽分压的驱动力。由于热泵系统COP较高，因此可较常规膜蒸馏方法更为节能。
然而，由于膜组件内汽通膜的通过能力有限，而且经过膜组件出口的污水废热较难回收，使得现有常规单效热泵膜蒸馏系统的单位产水能耗仍较高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双效热泵膜蒸馏污水处理系统及方法，其特征在于该系统包括：冷凝器、节流阀、蒸发器、压缩机、第一膜组件、第二膜组件和淡水储箱;其中第一膜组件包括第一导热隔板和第一汽通膜;第二膜组件包括第二导热隔板和第二汽通膜;
冷凝器(1)包括热侧进口、热侧出口、冷侧进口和冷侧出口;蒸发器包括冷侧进口、冷侧出口、热侧进口和热侧出口;
第一膜组件的第一导热隔板将冷侧和淡水侧分开;第一膜组件的第一汽通膜将热侧和淡水侧分开，且第一汽通膜仅允许蒸汽在分压力的驱动下通过;第一膜组件包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口和淡水出口;
第二膜组件的第二导热隔板将冷侧和淡水侧分开;第二膜组件的第二汽通膜将热侧和淡水侧分开，且第二汽通膜仅允许蒸汽在分压力的驱动下通过;第一膜组件包括冷侧入口、冷侧出口、热侧入口、热侧出口和淡水出口;
冷凝器的热侧出口通过节流阀后与蒸发器的冷侧入口相连，蒸发器的冷侧出口通过压缩机后与冷凝器的热侧入口相连;
第一膜组件的冷侧出口与冷凝器的冷侧入口相连，冷凝器的冷侧出口与第一膜组件的热侧入口相连，第一膜组件的热侧出口与第二膜组件的热侧入口相连，第二膜组件的热侧出口与蒸发器的热侧入口相连，蒸发器的热侧出口与第二膜组件的冷侧入口相连，第二膜组件的冷侧出口与第一膜组件的冷侧入口相连;
第一膜组件的淡水出口与淡水储箱相连;第二膜组件的淡水出口与淡水储箱相连;初始污水入口与第一膜组件的冷侧进口相连;
根据本发明所述的双效热泵膜蒸馏污水处理系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
制冷介质通过冷凝器热侧入口进入冷凝器，放出热量后从其热侧出口流出，然后通过节流阀降温降压，随后该制冷介质通过蒸发器的冷侧入口进入蒸发器吸收热量，温度升高，然后从其冷侧出口流出，进入压缩机进行加压，最后经过冷凝器热侧入口流入冷凝器;
初始污水与浓污水混合后，通过冷凝器冷侧入口进入冷凝器吸收热量，温度升高，然后通过冷凝器冷侧出口流出，然后进入第一膜组件的热侧，放出热量，温度降低，同时里面的水蒸气会在分压力的作用下通过第一气通膜进入淡水侧，在第一导热隔板处和冷侧污水进行热交换，被冷凝为淡水，然后送入淡水储箱;
在热侧处放出热量的污水经过第一膜组件热侧出口流入第二膜组件热侧，继续放热，同时水蒸气在分压力的作用下通过第二气通膜进入其淡水侧，在第二导热隔板处和其冷侧污水进行热交换，被冷凝为淡水，然后送入淡水储箱。另外，在第二膜组件热侧放热后的污水通过其热侧出口流出，通过蒸发器热侧进口进入蒸发器，放热，温度降低。放热后的污水通过其热侧出口流出，然后进入第二膜组件冷侧，通过第二导热隔板与水蒸气热交换，吸收热量，温度升高，然后从其冷侧出口流出，进入第一膜组件冷侧，在冷侧通过其中的第一导热隔板与第一膜组件中淡水侧的水蒸气进行热交换，吸收热量，最后该污水从其冷侧出口流出，进入冷凝器;
由于该系统利用了两组串联连接的膜组件，通过梯级回收热泵子系统冷凝器的热量和上游膜组件出口热污水的废热，因此可较常规单效热泵膜蒸馏系统在相同能耗的情况下，产水率提高近一倍。