趙欣慰 陳 東 謝繼紅 郝維維 劉榮輝

（1.天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 2.內(nèi)蒙古京泰發(fā)電有限責(zé)任公司)

0 引言

膜蒸餾通常是料液中的水分在微孔膜表面以蒸汽形式進(jìn)入膜孔通道，依靠蒸汽壓力差推動到達(dá)膜的另一面，并冷凝得到純凈水，如圖1所示。膜蒸餾具有料液不需加熱到沸騰、過程可在常壓下進(jìn)行、易于處理高濃度料液等突出優(yōu)勢[1-2]。

膜蒸餾過程中，料液側(cè)為熱側(cè)，需熱源設(shè)備不斷提供熱能；水蒸氣側(cè)為冷側(cè)，需冷源設(shè)備不斷提供冷能。膜蒸餾過程不但系統(tǒng)較復(fù)雜，對能量的需求也較大[3]。

圖1 膜蒸餾過程

熱泵是一種高效能量供應(yīng)裝置，一方面可供應(yīng)熱能，另一方面也同時供應(yīng)冷能，且消耗一份能量可獲得2～10份熱能和冷能，如圖2所示。

圖2 熱泵

熱泵與膜蒸餾技術(shù)耦合構(gòu)成熱泵膜蒸餾系統(tǒng)，可很好地解決普通膜蒸餾裝置的不足。熱泵可根據(jù)料液溫度、水蒸氣冷凝溫度和驅(qū)動能源等不同而采用靈活的結(jié)構(gòu)型式。

1 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

（1）電驅(qū)動型低溫?zé)岜媚ふ麴s系統(tǒng)

當(dāng)水蒸氣凝結(jié)溫度低于環(huán)境溫度，料液溫度與水蒸氣凝結(jié)溫度之差在10～40℃之間時，可考慮該型結(jié)構(gòu)，其示意如圖3所示。

圖3 電驅(qū)動型低溫?zé)岜媚ふ麴s系統(tǒng)

系統(tǒng)由熱泵和膜組件構(gòu)成，不再需要其他人工熱源和冷源。其中壓縮機(jī)、加熱器、節(jié)流閥、冷卻器構(gòu)成熱泵，內(nèi)中充注熱泵工質(zhì)。系統(tǒng)中僅壓縮機(jī)消耗能量，驅(qū)動熱泵工質(zhì)在加熱器中放熱，加熱料液；出加熱器的熱泵工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥后，變?yōu)榈蜏匾后w，進(jìn)入冷卻器使水蒸氣冷卻凝結(jié)；出冷卻器的熱泵工質(zhì)再回到壓縮機(jī)，開始下一個循環(huán)。

該結(jié)構(gòu)較適于處理熱敏性料液。

（2）電驅(qū)動型中高溫?zé)岜媚ふ麴s系統(tǒng)

當(dāng)水蒸氣凝結(jié)溫度高于環(huán)境溫度，料液溫度與水蒸氣凝結(jié)溫度之差在10～40℃之間時，可考慮該型結(jié)構(gòu)，其示意如圖4所示。

圖4 電驅(qū)動中高溫?zé)岜媚ふ麴s系統(tǒng)

與圖3系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在冷卻水蒸氣的熱泵冷卻器后補(bǔ)充一個環(huán)境輔助冷卻器，利用環(huán)境冷源對水蒸氣進(jìn)行補(bǔ)充冷卻。在料液溫度和水蒸氣凝結(jié)溫度之差相同時，其從料液中分離出單位質(zhì)量分離液的能耗低于圖3所示系統(tǒng)。

（3）電驅(qū)動型雙級熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當(dāng)料液溫度與水蒸氣凝結(jié)溫度之差大于40℃時，可考慮該型結(jié)構(gòu)，其示意如圖5所示。

圖5 電驅(qū)動型雙級熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

該系統(tǒng)中熱泵為二級壓縮熱泵。與圖3所示系統(tǒng)相比，增加了一個壓縮機(jī)2、一個節(jié)流閥2和一個分離器。來自加熱器的熱泵工質(zhì)液體經(jīng)節(jié)流閥1后形成的低溫?zé)岜霉べ|(zhì)，在分離器中氣液分離，工質(zhì)氣體回到壓縮機(jī)1，工質(zhì)液體再經(jīng)節(jié)流閥2進(jìn)一步降溫后進(jìn)入冷卻器，放出冷量后變?yōu)楣べ|(zhì)氣體由壓縮機(jī)2送入壓縮機(jī)1；壓縮機(jī)1排出的高溫?zé)岜霉べ|(zhì)進(jìn)入加熱器加熱料液，之后又回到節(jié)流閥1，開始下一個循環(huán)。

該結(jié)構(gòu)適于水蒸氣透過膜需要較大推動力的場合，或膜較貴重，需控制膜配置面積的場合。

實(shí)際應(yīng)用時，如冷卻器中水蒸氣凝結(jié)溫度高于環(huán)境溫度，也可在冷卻器后增加環(huán)境輔助冷卻器，以降低系統(tǒng)能耗。

（4）電驅(qū)動型熱泵多效膜蒸餾系統(tǒng)

當(dāng)料液溫度與水蒸氣凝結(jié)溫度之差低于10℃時，可考慮該型結(jié)構(gòu)，以雙效為例，其示意如圖6所示。系統(tǒng)中膜組件一中料液的加熱所需的熱能由熱泵提供，膜組件一產(chǎn)生的水蒸氣進(jìn)入加熱器，加熱膜組件二中的料液，水蒸氣則變?yōu)槟Y(jié)水進(jìn)入分離液容器。膜組件二冷卻器的冷卻所需的冷能由熱泵提供，水蒸氣凝結(jié)后也進(jìn)入分離液容器。

圖6 電驅(qū)動型熱泵雙效膜蒸餾系統(tǒng)

該結(jié)構(gòu)的膜組件通?？蔀?～4效，以保證首效膜組件料液加熱溫度與末效膜組件水蒸氣冷卻溫度之差不大于40℃為宜。

實(shí)際應(yīng)用時，如冷卻器中水蒸氣凝結(jié)溫度高于環(huán)境溫度，也可在冷卻器后增加環(huán)境輔助冷卻器，以降低系統(tǒng)能耗。

（5）熱驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

當(dāng)用戶電能緊張時，可考慮熱能驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng) （熱能可來自燃料、太陽能、工業(yè)廢熱等），其示意如圖7所示。

圖7 熱驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)

圖7中發(fā)生器、吸收器、溶液閥、溶液泵、加熱器、冷卻器構(gòu)成吸收式熱驅(qū)動熱泵，熱泵內(nèi)充注工質(zhì)溶液。發(fā)生器中輸入驅(qū)動熱能，驅(qū)動熱泵工作，為冷卻器提供冷能，同時為加熱器提供熱能（熱管用于將熱泵吸收器中產(chǎn)生的熱能輸送到料液加熱器）。

與電驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)相比，熱驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的熱能消耗量遠(yuǎn)大于電能消耗量，但當(dāng)熱能為工業(yè)廢熱或熱能價格低廉時，實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性可能優(yōu)于電驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)。

與直接利用熱能為熱源加熱料液的普通膜蒸餾裝置相比，熱驅(qū)動型熱泵膜蒸餾系統(tǒng)通常可節(jié)省熱能消耗30%～70%。

2 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的優(yōu)化模型

以一定工作年限內(nèi)的噸水總費(fèi)用 （從料液中分離出1 t純水的總費(fèi)用）為目標(biāo)函數(shù)。其中總費(fèi)用包括膜成本、熱泵成本、系統(tǒng)運(yùn)行的能源消耗費(fèi)用。以圖3所示的系統(tǒng)為例，其噸水總費(fèi)用表達(dá)式為：

式中，AHPVMD為噸水總費(fèi)用，元/噸；CM為膜組件的面積成本系數(shù)，元/平方米；COPC為熱泵的制冷系數(shù) （提供給水蒸氣凝結(jié)所需的冷量與壓縮機(jī)耗能量之比），無因次；LM為膜的工作壽命，年；F為膜通量，kg/(m2·h)；CHP為熱泵的壓縮機(jī)功率成本系數(shù)，元/千瓦；LHP為熱泵壽命，年；CE為電價，元/度；xW為膜的有效工作時間系數(shù) （工作時間與工作、沖洗、再生、維護(hù)時間的和之比），無因次。

對特定膜組件和工作條件，有[4]：

熱泵制冷系數(shù)COPC的計算式為[5]：

式中，tH為料液溫度，℃；tC為水蒸氣冷凝溫度，℃。

3 熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的優(yōu)化分析

（1）料液溫度對噸水總費(fèi)用的影響分析

取冷側(cè)水蒸氣凝結(jié)溫度為tC=20℃ （真空度0.09 MPa），膜組件面積成本系數(shù)為 CM=1000元/平方米，膜的工作壽命為LM=1年，熱泵的壓縮機(jī)功率成本系數(shù)CHP=3000元/千瓦，熱泵壽命LHP=15年，電價CE=0.5元/度，膜的有效工作時間系數(shù)xW=0.8，不同料液溫度時的噸水總費(fèi)用見圖8。

圖8 噸水總費(fèi)用與料液溫度的關(guān)系

由圖8可見，料液溫度由較高溫度降低時，熱泵效率提高，噸水總費(fèi)用迅速下降，但當(dāng)料液溫度降至較低時，膜熱側(cè)與冷側(cè)溫差變小，膜的需要量增加，膜成本上升，導(dǎo)致噸水總費(fèi)用變化趨緩。

（2）膜組件費(fèi)用對噸水總費(fèi)用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，膜組件費(fèi)用變化時的噸水總費(fèi)用如圖9所示 （其他參數(shù)同上）。

圖9 噸水總費(fèi)用與膜組件費(fèi)用的關(guān)系

由圖9可見，噸水總費(fèi)用與膜組件費(fèi)用基本呈線性關(guān)系，降低膜成本是提高熱泵膜蒸餾經(jīng)濟(jì)性的基本措施之一。

（3）膜組件壽命對噸水總費(fèi)用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，膜組件壽命變化時的噸水總費(fèi)用如圖10所示 （其他參數(shù)同上）。

圖10 噸水總費(fèi)用與膜組件壽命的關(guān)系

由圖10可見，膜組件壽命提高對降低噸水總費(fèi)用效果明顯，但趨勢隨膜壽命增加逐漸變緩。

（4）熱泵費(fèi)用對噸水總費(fèi)用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，熱泵費(fèi)用變化時的噸水總費(fèi)用如圖11所示 （其他參數(shù)同上）。

圖11 噸水總費(fèi)用與熱泵費(fèi)用的關(guān)系

由圖11可見，熱泵費(fèi)用與噸水總費(fèi)用之間也近似呈線性關(guān)系，但因熱泵壽命較長，其在噸水總費(fèi)用中占的比例不大，對噸水總費(fèi)用的影響范圍不大。

（5）電價對噸水總費(fèi)用的影響分析

取料液溫度tH=40℃，電價變化時的噸水總費(fèi)用如圖12所示 （其他參數(shù)同上）。由圖12可見，噸水總費(fèi)用與電價基本呈線性關(guān)系，選擇適宜的熱泵驅(qū)動能源對熱泵膜蒸餾的經(jīng)濟(jì)性有重要影響。

圖12 噸水總費(fèi)用與電價的關(guān)系

4 結(jié)論與建議

熱泵膜蒸餾系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、能耗低等特點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)料液溫度、水蒸氣凝結(jié)溫度、熱側(cè)與冷側(cè)溫差、用戶的能源供應(yīng)條件等因素，合理選擇適宜的結(jié)構(gòu)類型。通過各主要因素對噸水能耗指標(biāo)影響的計算分析表明，能源費(fèi)用是主要因素，膜費(fèi)用其次?？赏ㄟ^合理選擇適宜的熱泵驅(qū)動能源、進(jìn)一步提高熱泵效率、降低膜成本、提高膜壽命等措施，大幅度提高熱泵膜蒸餾系統(tǒng)的競爭優(yōu)勢。

[1] 呂建國.國內(nèi)膜蒸餾技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 [J].甘肅科技，2012，28 （19）： 71-75.

[2] 游文婷，徐振良，徐文婷，等.真空膜蒸餾法處理高濃度Na2SO4和CaCl2廢水 [J].膜科學(xué)與技術(shù)，2013，33 （1）： 92-96.

[3] El-Bourawi M S,Ding Z,Ma R,et al.A framework for betterunderstanding membrane distillation separation process[J].J Membr Sci,2006,285：4-29.

[4] 李福勤，呂曉龍.PVDF復(fù)合膜在循環(huán)冷卻排污水回用處理中的應(yīng)用[J].能源環(huán)境保護(hù)，2012，26（6）：32-35.

[5] 陳東.熱泵技術(shù)手冊 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.