本实用新型涉及膜蒸馏领域，特别涉及一种并联式多效真空膜蒸馏装置及方法。
背景技术：
真空膜蒸馏技术是一种新型膜分离技术，其基于将待分离物质的热料液通过分离膜的一侧(即热侧)，而在分离膜的另一侧抽真空(即真空侧)，从而在分离膜两侧形成传递蒸气压差，热料液中的水在分离膜的一侧汽化后形成蒸气，蒸气在该传递蒸气压差的驱动下将通过分离膜的膜孔传递到分离膜的真空侧，并在真空侧被冷凝成纯净的水，进而实现料液中水和其他物质的分离。其中，上述的分离膜多以板式、卷式、管式、或者中空纤维式膜组件的形式存在。由于真空膜蒸馏以真空系统作为增强驱动力，其不仅具有其他膜蒸馏技术的优点，而且具有分离效率高，膜通量大等优点，在海水淡化、水处理、溶液浓缩、超纯水制备等方面具有极大的应用前景。基于上述可知，针对真空膜蒸馏技术提供一种真空膜蒸馏装置是十分必要的。
现有技术提供了这样一种真空膜蒸馏装置，其包括料液罐、增压泵、加热器、计量泵、温度计、中空纤维膜组件、冷凝管、真空泵、淡水收集瓶、低温恒温水槽。其中，料液罐、增压泵、加热器、计量泵、温度计、中空纤维膜组件的管程顺次连通，中空纤维膜组件的壳程、冷凝管的壳程、淡水收集瓶顺次连通，同时，真空泵与冷凝器的壳程和淡水收集瓶之间的连接管线相连通，同时，冷凝管的管程与低温恒温水槽连通。其中，中空纤维膜组件包括管式外壳、沿轴向设置在管式外壳内部的多条疏水性中空纤维膜丝，并且中空纤维膜丝通过树脂固定在所述管式外壳的两端，同时，管式外壳的两端分别设置有端盖。其中，端盖上设置有与中空纤维膜丝的中心孔相连通的盖孔，以配合形成中空纤维膜组件的管程，管式外壳靠近两端的外壁上设置有与其内腔相连通的管孔，以配合形成中空纤维膜组件的壳程。
设计人发现现有技术至少存在以下问题：
由于真空膜蒸馏过程中所需能耗主要是补充水分蒸发所消耗的料液显热，而水的蒸发潜热较大，现有技术采用冷凝水来冷凝水分蒸发后得到的蒸气，需要大量的冷凝水，造成其能耗过大。
技术实现要素：
本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够回收利用水的蒸发潜热，有效降低其能耗的并联式多效真空膜蒸馏装置。具体技术方案如下：
本实用新型实施例提供了一种并联式多效真空膜蒸馏装置，包括料液罐、增压泵、真空泵、中空纤维膜组件、成品收集罐和温度计，进一步地，所述装置还包括管壳式换热器和冷却器，并且所述料液罐中设置有加热棒；
一个所述中空纤维膜组件、一个所述管壳式换热器、一个所述料液罐、一个所述增压泵、一个所述成品收集罐配合构成一级膜蒸馏单元，并且所述膜蒸馏单元并联设置有n级，其中n大于或者等于2；
第一级所述膜蒸馏单元中，所述料液罐、所述增压泵、所述中空纤维膜组件的管程顺次连通，构成第一闭合循环回路；第二级直至第n级膜蒸馏单元中的所述中空纤维膜组件的管程与前级膜蒸馏单元中的所述管壳式换热器的壳程、本级膜蒸馏单元中的所述料液罐和所述增压泵顺次连通，构成第二至第n闭合循环回路；并且第n级所述膜蒸馏单元中的所述管壳式换热器的壳程进口和壳程出口分别与所述冷却器的出水口和进水口连通，以构成冷却循环回路；
每一级所述膜蒸馏单元中的所述中空纤维膜组件的壳程出口与所述管壳式换热器的管程进口相连通；第一级至第n-1级膜蒸馏单元中，所述管壳式换热器的管程出口与下一级所述膜蒸馏单元中的所述中空纤维膜组件的壳程出口相连通后再与下一级所述膜蒸馏单元中的所述管壳式换热器的管程进口相连通，并且，第n级所述膜蒸馏单元中的所述管壳式换热器的管程出口与所述真空泵连接；
每一级所述膜蒸馏单元中，所述管壳式换热器的管程进口还与所述成品收集罐连通，同时，所述增压泵与所述中空纤维膜组件的连接管线上设置有所述温度计。
具体地，作为优选，所述装置还包括过滤器，所述过滤器设置在所述料液罐的进料管线上。
具体地，作为优选，所述装置还包括不凝气换热器，所述不凝气换热器设置在第n级所述膜蒸馏单元中的所述管壳式换热器的管程出口与所述真空泵之间的连接管线上。
具体地，作为优选，所述装置还包括真空压力表，所述真空压力表设置在所述不凝气换热器与所述真空泵之间的连接管线上。
具体地，作为优选，所述中空纤维膜组件的管程进口管线上均设置有流量计。
具体地，作为优选，所述冷却器为水冷器或者空冷器。
具体地，作为优选，所述管壳式换热器为聚合物换热器，所述聚合物换热器包括管式外壳、多条聚合物换热管、端盖；
所述聚合物换热管呈中空纤维结构，同时管壁致密无孔，多条所述聚合物换热管沿轴向间隔设置在所述管式外壳内部，并通过固化树脂固定在所述管式外壳的两端；
所述端盖可拆卸地固定在所述管式外壳的两端，并且所述端盖上设置有与所述聚合物换热管的中心通孔相连通的盖孔，从而配合形成所述聚合物换热器的管程；
所述管式外壳靠近两端的外壁上分别设置有与所述管式外壳的内腔相连通的进液管和出液管，从而配合形成所述聚合物换热器的壳程。
作为优选，所述聚合物换热管为聚四氟乙烯管，外径为0.5-0.9mm，内径为0.3-0.5mm。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本实用新型实施例提供的膜蒸馏装置，通过使料液在各级管壳式换热器中与蒸气进行换热冷凝，不仅实现了对蒸气潜热的回收，同时减少了对料液的热能供给以及对蒸气冷凝的能量供给，如此将有效降低膜蒸馏过程的能耗，进而提高膜蒸馏过程的热效率。此外，将料液分离后得到浓液分别在本级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件中进行再循环，不仅利于上述换热冷凝过程的进行，还能够提高料液的分离效果，进而提高膜蒸馏过程的造水比。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例提供的并联式多效真空膜蒸馏装置的结构示意图。
附图标记分别表示：
1 料液罐，
2 增压泵，
3 真空泵，
4 中空纤维膜组件，
5 成品收集罐，
6 温度计，
7 管壳式换热器，
8 冷却器，
9 加热棒，
10 不凝气换热器，
11 真空压力表。
需要说明的是，图1中所示的MD表示中空纤维膜组件，HE表示管壳式换热器，相应地，MD1、MD2、以及MDn分别表示第一级膜蒸馏单元、第二级膜蒸馏单元以及第n级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件；HE1、HE2、以及HEn分别表示第一级膜蒸馏单元、第二级膜蒸馏单元以及第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器。第二级膜蒸馏单元与第n级膜蒸馏单元之间的虚线表示省略的第3级直至第n-1级膜蒸馏单元，它们的排布结构以此类推。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
第一方面，本实用新型实施例提供了一种并联式多效真空膜蒸馏装置，如附图1所示，该装置包括料液罐1、增压泵2、真空泵3、中空纤维膜组件4、成品收集罐5和温度计6，进一步地，该装置还包括管壳式换热器7和冷却器8， 并且料液罐1中设置有加热棒9。
其中，一个中空纤维膜组件4、一个管壳式换热器7、一个料液罐1、一个增压泵2、一个成品收集罐5配合构成一级膜蒸馏单元，并且膜蒸馏单元并联设置有n级，其中n大于或者等于2。
第一级膜蒸馏单元中，料液罐1、增压泵2、中空纤维膜组件4的管程顺次连通，构成第一闭合循环回路；第二级直至第n级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的管程与前级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的壳程、本级膜蒸馏单元中的料液罐1和增压泵2顺次连通，构成第二至第n闭合循环回路；并且第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的壳程进口和壳程出口分别与冷却器8的出水口和进水口连通，以构成冷却循环回路。
每一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的壳程出口与本级管壳式换热器7的管程进口相连通；第一级至第n-1级膜蒸馏单元中，管壳式换热器7的管程出口与下一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的壳程出口相连通后再与下一级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的管程进口相连通，并且，第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的管程出口与真空泵3连接。
每一级膜蒸馏单元中，管壳式换热器7的管程进口还与成品收集罐5连通，同时，增压泵2与中空纤维膜组件4的连接管线上设置有温度计6。
以下将结合附图1以及上述装置中的各部件对本实用新型实施例提供的并联式多效真空膜蒸馏装置的工作原理给予说明：
在每一级膜蒸馏单元中，由于料液罐1中设置有加热棒9，该加热棒9将对该料液罐1中的料液进行加热，使其到达预定的温度。当料液由本级料液罐1中加热至预定温度后，将通过本级增压泵2进入本级中空纤维膜蒸馏组件中的管程中通过疏水性中空纤维膜丝进行分离，得到残留在中空纤维膜组件4管程中的浓液以及透过中空纤维膜丝的膜面被蒸发到中空纤维膜组件4壳程中的蒸气。
对于浓液来说，由于第一级膜蒸馏单元中的料液罐1、增压泵2、中空纤维膜组件4的管程顺次连通并构成第一闭合循环回路，即第一级膜蒸馏单元中的浓液将由本级中空纤维膜组件4的管程出口依次进入本级料液罐1、本级增压泵2和本级中空纤维膜组件4的管程进口，在第一闭合循环回路中循环。而第二级直至第n级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的管程与前级膜蒸馏单元中的管 壳式换热器7的壳程、本级膜蒸馏单元中的料液罐1和增压泵2顺次连通，构成第二闭合循环回路、……至第n闭合循环回路，在这些循环回路中，浓液将由本级中空纤维膜组件4的管程出口进入前级管壳式换热器7的壳程与前级管壳式换热器7管程中的蒸气进行换热冷凝，随后依次进入本级料液罐1、本级增压泵2以及本级中空纤维膜组件4的管程进口，即浓液分别在第二闭合循环回路至第n闭合循环回路中循环，并与前级管壳式换热器7中的蒸气进行换热冷凝。
而对于蒸气来说，每一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4所产生的蒸气将通过真空泵3的真空抽吸作用经本级中空纤维膜组件4的壳程进入本级管壳式换热器7的管程，并在该本级管壳式换热器7的管程中与其壳程中的来自前级中空纤维膜蒸馏组件管程的浓液进行换热冷凝，随后在该管壳式换热器7的管程中形成冷凝纯水即纯水，冷凝纯水将通过自重力作用流入本级成品收集罐5中。由于第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的壳程进口和壳程出口分别与冷却器8的出水口和进水口连通，以构成冷却循环回路，所以进入第n级膜蒸馏单元中管壳式换热器7管程中的水蒸汽与其壳程中的来自冷却器8的冷却水进行换热冷凝，从而得到冷凝纯水并通过自重力作用流入本级成品收集罐5中。
此外，需要进一步说明的是，第一，本实用新型实施例提供的装置包括n各并联设置的膜蒸馏单元，例如其可以包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个等并联设置的膜蒸馏单元，根据实际造水需求来确定n的数值。
第二，在本实用新型实施例提供的装置中，利用真空泵3对各级膜蒸馏单元进行真空抽吸，进而实现对每一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的壳程抽真空，进而为中空纤维膜组件4提供传递蒸气压差，以将蒸气从中空纤维膜组中抽吸到同级的管壳式换热器7中。其中，对于各级膜蒸馏单元来说，真空泵3与各级管壳式换热器7的管程出口相连通，具体地，可以采用如下的方式来实现它们之间的连接：作为一种实施方式，该n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的管程出口串联连通后与一个真空泵3连通，可参见附图1，即该实施方式下仅仅使用一个真空泵3即可。作为另一种实施方式，每一级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的管程出口通过真空管线与一个真空泵3直接连通，以上各种连接方式均可实现本实用新型。
第三，第一级膜蒸馏单元中循环的料液将依靠本级料液罐1上设置的加热 棒9来供给热量，所以对于第一级膜蒸馏单元来说，其料液罐1上设置的加热棒9用于对本级循环料液进行初始加热以及后续的热量补充。而第二级直至第n级膜蒸馏单元中循环的料液由于能够与前级管壳式换热器7管程中的蒸气进行换热冷凝，其将大量吸收蒸气的蒸汽潜热，使其温度升高，所以，对于第二级至第n级膜蒸馏单元来说，其料液罐1上设置的加热棒9仅仅用于对其料液罐1中的料液给予初始加热即可，而无须进行后续热量补充，有效降低了膜蒸馏过程的能耗。加热棒9以及在料液罐1上设置加热棒9为本领域所常见的，本实用新型实施例在此并不对其具体结构作更具体的限定。
第四，由于仅仅靠蒸气潜热来对料液进行加热无法使其达到理想的进料温度，所以，当料液在进入第一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4之前，利用料液罐1上的加热棒9对其进行加热直至其达到理想的进料温度，并使用温度计6进行监测。由于后续各级膜蒸馏单元中的加热棒9优选为料液提供初始加热，所以可优选仅仅在第一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4与增压泵2之间的连接管线上设置温度计6，而无须在后续各级进行设置。
由上述可知，本实用新型实施例提供的膜蒸馏装置，通过使料液在各级管壳式换热器7中与蒸气进行换热冷凝，不仅实现了对蒸气潜热的回收，同时减少了对料液的热能供给以及对蒸气冷凝的能量供给，如此将有效降低膜蒸馏过程的能耗，进而提高膜蒸馏过程的热效率。此外，将料液分离后得到浓液分别在本级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4中进行再循环，不仅利于上述换热冷凝过程的进行，还能够提高料液的分离效果，进而提高膜蒸馏过程的造水比。利用本实用新型实施例提供的装置进行水处理，能够获得良好的处理效果，对于自来水来说，能使其冷凝纯水的电导率达到2μs/cm，使其造水比达到至少1.7；对于海水来说，能使其冷凝纯水的电导率达到12μs/cm，使其造水比达到至少1.6。
本领域技术人员可以理解的是，上述的热效率指的是水蒸发所需的热量与其和膜的热传导所需的热量之和的比值，上述的造水比指的是该膜蒸馏装置纯水总产量与料液加热器所消耗的蒸汽量之比。
在本实用新型实施例提供的装置中，中空纤维膜组件4和管壳式换热器7均竖直排列，并且其管程进口位于下端，管程出口位于上端。该中空纤维膜组件4为本领域所常见的，本领域技术人员可以通过市购得到。举例来说，其包 括管式外壳、沿轴向间隔设置在管式外壳内部的多条疏水性中空纤维膜丝，该多条中空纤维膜丝通过树脂固定在所述管式外壳的两端，同时，管式外壳的两端分别设置有端盖。其中，端盖上设置有与中空纤维膜丝的中心通孔相连通的盖孔，以配合形成中空纤维膜组件4的管程，管式外壳靠近端部的外壁上设置有与其内腔相连通的管孔，以配合形成该中空纤维膜组件4的壳程。该中心纤维膜丝为疏水膜，其膜面为疏水多孔结构，其仅仅能使蒸气通过，而无法使料液通过，如此即可保证其具有较高的分离效果，得到纯度较高的冷凝纯水。
作为优选，本实用新型实施例提供的装置还包括过滤器，该过滤器设置在料液罐1的进料管线上。通过设置上述过滤器可对进入料液罐1的料液进行粗滤预处理，以除去其中的泥砂、铁锈、悬浮物等大颗粒组分，以防止它们对中空纤维膜的膜丝造成污染。举例来说，该过滤器可以选用本领域常见的石英砂过滤器、盘式过滤器或者袋式过滤器。
进一步地，作为优选，如附图1所示，本实用新型实施例提供的装置还包括不凝气换热器10，该不凝气换热器10设置在第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7的管程出口与真空泵3之间的连接管线上。由于蒸气在管壳式换热器7中进行换热冷凝后有可能残留一部分不凝气，为了防止其流失，本实用新型实施例在第n级膜蒸馏单元中管壳式换热器7的管程出口与真空泵3之间的连接管线上设置不凝气换热器10，以对不凝气进行再换热，从而使其完全冷凝成纯水，提高纯水的造水比。其中，不凝气换热器10的结构可以与上述的管壳式换热器7的结构相同，实现换热冷凝效果即可。
进一步地，如附图1所示，本实用新型实施例提供的装置还包括真空压力表11，真空压力表11设置在不凝气换热器10与真空泵3之间的连接管线上。本领域技术人员可以理解的是，在不设置不凝气换热器10时，也可以在真空泵3的上游的连接管线上设置真空压力表11，通过设置真空压力表11可对中空纤维膜组件4的真空抽吸压力进行实时监测，进而根据实际需求对真空泵3进行控制，以在低能耗地状态下使膜蒸馏过程顺利进行。
进一步地，在本实用新型实施例提供的装置中，各级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的管程进口管线上均设置有流量计。通过在上述连接管线上设置流量计，以对进入每一级膜蒸馏单元中的中空纤维膜组件4的料液流量进行实时测量，以检测该装置的膜分离效率。进一步地，还可以在每一个成品收集罐5 下方设置一个电子天平，通过测量单位时间内纯水的重量来检测该膜蒸馏装置的分离效率。并且，需要说明的是，根据膜蒸馏过程的进行，可以对料液罐1补充料液。
进一步地，在本实用新型实施例中，通过使用冷却器8来对第n级膜蒸馏单元中的管壳式换热器7中的蒸汽进行冷凝，其中，该冷却器8可以选自本领域常用的水冷器或者空冷器，来自外界的冷却水在其和第n级管壳式换热器7中以恒定的温度循环，进而保证来自各个前级的所有管壳式换热器7中的不凝气均被冷凝成冷凝纯水，提高造水比。
在本实用新型实施例中使用管壳式换热器7进行上述换热冷凝过程，作为优选，为了该管壳式换热器7优选为聚合物换热器，聚合物换热器包括管式外壳、多条聚合物换热管、端盖。聚合物换热管呈中空纤维结构，同时管壁致密无孔，多条聚合物换热管沿轴向间隔设置在管式外壳内部，并通过固化树脂固定在管式外壳的两端；端盖可拆卸地固定在管式外壳的两端，并且端盖上设置有与聚合物换热管的中心通孔相连通的盖孔，从而配合形成聚合物换热器的管程；管式外壳靠近两端的外壁上分别设置有与管式外壳的内腔相连通的进液管和出液管，从而配合形成聚合物换热器的壳程。由上述可知，上述聚合物换热器与的结构类似于中空纤维膜组件4的结构，所不同的是，该聚合物换热管的管壁是致密无孔的，从而使蒸气与管外的料液进行充分换热处理。由于该聚合物换热器使用了聚合物换热管，其具有良好的化学稳定性和优异的耐腐蚀性，并且该聚合物换热器体积小，结构紧凑，具有较大的有效换热面积，如此均可提高该装置的经济适用性。
具体地，该聚合物换热管为聚四氟乙烯管，其外径为0.5-0.9mm，例如0.55mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm等，内径为0.3-0.5mm，例如0.35mm、0.4mm、0.45mm等。上述结构的聚四氟乙烯管能承受正压1.6Mpa，负压：77Kpa，可在－60℃～+260℃内正常使用，具有可靠优良的耐腐蚀性。输送高温下的强腐蚀性气、液体等，具有极高的适应性。
此外，对于中空纤维膜组件4和管壳式换热器7(即聚合物换热器)来说，其管式外壳均优选使用透明的硬质高强塑料制备得到，并且所使用的固化树脂优选使用本领域常见的环氧树脂，通过使用环氧树脂封堵管式外壳的两端，同时保证其与中空纤维膜丝和聚合物换热管的连通性。此外，端盖与管式外壳之 间的连接方式优选为螺纹连接，即在端盖的内壁上设置内螺纹，在管式外壳的两端外壁上设置与之相适配的外螺纹来实现。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。