[發明專利]一種提高熱泵-膜蒸餾熱效率的方法

有效

• 申請號: 201611148471.2
• 申請日: 2016-12-13
• 公開（公告）號: CN106582292B
• 公開（公告）日: 2019-10-29
• 發明（設計）人: 彭躍蓮;晉彩蘭
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B01D61/36
• 分類號: B01D61/36;C02F1/44
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種提高熱泵?膜蒸餾熱效率的方法，屬于膜分離裝置領域。一種提高熱泵?膜蒸餾熱效率的方法，將內徑為1.1mm?5.0mm聚偏氟乙烯中空纖維膜，并制備成膜組件，將膜組件用于熱泵?單效或多效膜蒸餾集成系統，通過改變膜絲尺寸和膜的裝填密度、讓膜兩側的流體流速盡量接近。在熱泵和膜的冷、熱側熱負荷均接近的條件下，讓膜兩側的流體流速盡量接近，減小傳熱熱阻。本方法簡單，成本低廉，環境污染小。

技術領域

本發明涉及一種提高熱泵-膜蒸餾熱效率的方法，屬于膜分離裝置領域。制備的中空纖維膜組件適用于膜蒸餾工藝，處理自來水、鹽水等料液。

背景技術

膜蒸餾是以疏水微孔膜為介質，以膜兩側蒸汽壓差為傳質推動力的新型脫鹽技術。由于其操作條件溫和、截留率高、用于脫鹽處理的膜蒸餾工藝填充密度大，工藝設備簡單以及可利用太陽能和工業廢熱等優勢，應用范圍也由最初的海水淡化擴展到了廢水處理、超純水制備、重金屬離子回收、易揮發有機組分回收、熱敏物質的濃縮回收、膜結晶等諸多方面，并發揮越來越重要的作用。膜蒸餾過程受溶液濃度的影響小，操作不受滲透壓限制，可以處理高濃度溶液甚至是過飽和溶液，是目前唯一能從溶液中直接分離出結晶產物的膜過程，可以用來深度處理反滲透的濃鹽水，提高海水淡化的水回收率。

膜蒸餾在運行的過程中，高溫料液中的易揮發組分在膜的一側汽化，然后穿過疏水多孔膜進入到膜的另一側，發生了質量傳遞；同時，熱量以汽化熱和熱傳導的形式從高溫側穿過膜進入低溫側，發生了熱量傳遞。跨膜導熱沒有產生蒸汽，是一種熱量損失，是降低膜蒸餾熱效率低的重要原因。跨膜汽化熱的傳遞是伴隨跨膜傳質過程而發生的，水的汽化潛熱約為2500kJ/kg，遠高于顯熱，所以在收集透過膜的蒸汽時，需要大量的冷卻水，從而產生大量的低溫水，違背了節能減排的初衷。高能耗一直是限制膜蒸餾技術工業化應用的關鍵問題之一。

為了提高膜蒸餾過程的熱效率，可以采用外部換熱器、內部增加換熱器、多效膜蒸餾以及熱泵能量回收的方式。熱泵是一種以消耗部分能量作為補償條件使熱量從低溫物體轉移到高溫物體的能量利用裝置。理論上向高溫物體輸送的能量為從低溫物體吸收能量與熱泵自身做功之和，因此通過熱泵獲得的熱能永遠大于熱泵消耗的能量，故熱泵是一種節能裝置。韓懷遠等人將減壓膜蒸餾與熱泵耦合，將減壓膜蒸餾產生的蒸汽與中空纖維冷凝器換熱并采用熱泵蒸發器吸收中空纖維冷凝換熱器的低位熱能，通過熱泵將熱能傳遞給膜蒸餾的原料液，從而實現了能量的回收[韓懷遠，高啟軍，呂曉龍.減壓膜蒸餾過程與熱泵耦合技術研究[N].天津工業大學學報，2011，30(1)：1-4]。文中提到所用膜絲內徑為1.0mm，改變了組件中膜絲的數量，但并未提到如何提高熱效率。

陳東等將壓縮式熱泵和單效真空膜蒸餾耦合，對系統進行了數學模擬，分析了料液溫度對膜通量以及膜面積等參數的影響[于福榮，陳東，彭長章等.熱泵膜蒸餾系統及其特性分析[J]，化工裝備技術，2013，34(6)：1-12]。他們只是對料液溫度等操作參數對熱泵-膜蒸餾過程性能的影響進行了分析，由于其所使用的膜絲內徑僅為0.8mm，不能充分滿足熱泵-膜蒸餾最佳工作狀態的需要。

本課題組的于超將熱泵與兩效膜蒸餾結合提出了一種熱泵-兩效膜蒸餾裝置，提高了過程的熱效率[申請號201410722684.6]。但由于其所使用的膜絲內徑僅為0.8mm，冷熱側流速偏差較大，膜蒸餾與熱泵不能處于最佳的工作狀態。

在熱泵-膜蒸餾耦合過程中，要達到能量的高效回收，要求熱泵和膜蒸餾分別處于最優工作狀態。其中，熱泵要高效工作則要求冷熱側的熱負荷盡可能接近，才能提高熱泵制熱系數(COP)。而現在用于熱泵-膜蒸餾過程的中空纖維膜組件，即使在冷、熱側的熱負荷接近時，由于所用膜絲內徑在0.5～1.0mm之間，因而使得兩側膜面流速相差很大，有時在10倍以上，通常是殼程流速極低。殼程流速低極大地影響了該側流體的對流傳熱系數，增大了直接接觸式膜蒸餾中傳熱的熱阻。因此需要優化膜組件的設計讓在冷、熱側熱負荷接近的前提下膜兩側流體的流速盡量接近，降低傳熱熱阻，提高熱泵-膜蒸餾耦合過程的熱效率。