热泵膜蒸馏系统结构及其优化分析

赵欣慰 陈 东 谢继红 郝维维 刘荣辉

（1.天津科技大学机械工程学院 2.内蒙古京泰发电有限责任公司)

0 引言

膜蒸馏通常是料液中的水分在微孔膜表面以蒸汽形式进入膜孔通道，依靠蒸汽压力差推动到达膜的另一面，并冷凝得到纯净水，如图1所示。膜蒸馏具有料液不需加热到沸腾、过程可在常压下进行、易于处理高浓度料液等突出优势[1-2]。

膜蒸馏过程中，料液侧为热侧，需热源设备不断提供热能；水蒸气侧为冷侧，需冷源设备不断提供冷能。膜蒸馏过程不但系统较复杂，对能量的需求也较大[3]。

图1 膜蒸馏过程

热泵是一种高效能量供应装置，一方面可供应热能，另一方面也同时供应冷能，且消耗一份能量可获得2～10份热能和冷能，如图2所示。

图2 热泵

热泵与膜蒸馏技术耦合构成热泵膜蒸馏系统，可很好地解决普通膜蒸馏装置的不足。热泵可根据料液温度、水蒸气冷凝温度和驱动能源等不同而采用灵活的结构型式。

1 热泵膜蒸馏系统的典型结构

（1）电驱动型低温热泵膜蒸馏系统

当水蒸气凝结温度低于环境温度，料液温度与水蒸气凝结温度之差在10～40℃之间时，可考虑该型结构，其示意如图3所示。

图3 电驱动型低温热泵膜蒸馏系统

系统由热泵和膜组件构成，不再需要其他人工热源和冷源。其中压缩机、加热器、节流阀、冷却器构成热泵，内中充注热泵工质。系统中仅压缩机消耗能量，驱动热泵工质在加热器中放热，加热料液；出加热器的热泵工质经节流阀后，变为低温液体，进入冷却器使水蒸气冷却凝结；出冷却器的热泵工质再回到压缩机，开始下一个循环。

该结构较适于处理热敏性料液。

（2）电驱动型中高温热泵膜蒸馏系统

当水蒸气凝结温度高于环境温度，料液温度与水蒸气凝结温度之差在10～40℃之间时，可考虑该型结构，其示意如图4所示。

图4 电驱动中高温热泵膜蒸馏系统

与图3系统相比，该系统在冷却水蒸气的热泵冷却器后补充一个环境辅助冷却器，利用环境冷源对水蒸气进行补充冷却。在料液温度和水蒸气凝结温度之差相同时，其从料液中分离出单位质量分离液的能耗低于图3所示系统。

（3）电驱动型双级热泵膜蒸馏系统

当料液温度与水蒸气凝结温度之差大于40℃时，可考虑该型结构，其示意如图5所示。

图5 电驱动型双级热泵膜蒸馏系统

该系统中热泵为二级压缩热泵。与图3所示系统相比，增加了一个压缩机2、一个节流阀2和一个分离器。来自加热器的热泵工质液体经节流阀1后形成的低温热泵工质，在分离器中气液分离，工质气体回到压缩机1，工质液体再经节流阀2进一步降温后进入冷却器，放出冷量后变为工质气体由压缩机2送入压缩机1；压缩机1排出的高温热泵工质进入加热器加热料液，之后又回到节流阀1，开始下一个循环。

该结构适于水蒸气透过膜需要较大推动力的场合，或膜较贵重，需控制膜配置面积的场合。

实际应用时，如冷却器中水蒸气凝结温度高于环境温度，也可在冷却器后增加环境辅助冷却器，以降低系统能耗。

（4）电驱动型热泵多效膜蒸馏系统

当料液温度与水蒸气凝结温度之差低于10℃时，可考虑该型结构，以双效为例，其示意如图6所示。系统中膜组件一中料液的加热所需的热能由热泵提供，膜组件一产生的水蒸气进入加热器，加热膜组件二中的料液，水蒸气则变为凝结水进入分离液容器。膜组件二冷却器的冷却所需的冷能由热泵提供，水蒸气凝结后也进入分离液容器。

图6 电驱动型热泵双效膜蒸馏系统

该结构的膜组件通常可为2～4效，以保证首效膜组件料液加热温度与末效膜组件水蒸气冷却温度之差不大于40℃为宜。

实际应用时，如冷却器中水蒸气凝结温度高于环境温度，也可在冷却器后增加环境辅助冷却器，以降低系统能耗。

（5）热驱动型热泵膜蒸馏系统

当用户电能紧张时，可考虑热能驱动型热泵膜蒸馏系统 （热能可来自燃料、太阳能、工业废热等），其示意如图7所示。

图7 热驱动型热泵膜蒸馏系统

图7中发生器、吸收器、溶液阀、溶液泵、加热器、冷却器构成吸收式热驱动热泵，热泵内充注工质溶液。发生器中输入驱动热能，驱动热泵工作，为冷却器提供冷能，同时为加热器提供热能（热管用于将热泵吸收器中产生的热能输送到料液加热器）。

与电驱动型热泵膜蒸馏系统相比，热驱动型热泵膜蒸馏系统的热能消耗量远大于电能消耗量，但当热能为工业废热或热能价格低廉时，实际运行的经济性可能优于电驱动型热泵膜蒸馏系统。

与直接利用热能为热源加热料液的普通膜蒸馏装置相比，热驱动型热泵膜蒸馏系统通常可节省热能消耗30%～70%。

2 热泵膜蒸馏系统的优化模型

以一定工作年限内的吨水总费用 （从料液中分离出1 t纯水的总费用）为目标函数。其中总费用包括膜成本、热泵成本、系统运行的能源消耗费用。以图3所示的系统为例，其吨水总费用表达式为：

式中，AHPVMD为吨水总费用，元/吨；CM为膜组件的面积成本系数，元/平方米；COPC为热泵的制冷系数 （提供给水蒸气凝结所需的冷量与压缩机耗能量之比），无因次；LM为膜的工作寿命，年；F为膜通量，kg/(m2·h)；CHP为热泵的压缩机功率成本系数，元/千瓦；LHP为热泵寿命，年；CE为电价，元/度；xW为膜的有效工作时间系数 （工作时间与工作、冲洗、再生、维护时间的和之比），无因次。

对特定膜组件和工作条件，有[4]：

热泵制冷系数COPC的计算式为[5]：

式中，tH为料液温度，℃；tC为水蒸气冷凝温度，℃。

3 热泵膜蒸馏系统的优化分析

（1）料液温度对吨水总费用的影响分析

取冷侧水蒸气凝结温度为tC=20℃ （真空度0.09 MPa），膜组件面积成本系数为 CM=1000元/平方米，膜的工作寿命为LM=1年，热泵的压缩机功率成本系数CHP=3000元/千瓦，热泵寿命LHP=15年，电价CE=0.5元/度，膜的有效工作时间系数xW=0.8，不同料液温度时的吨水总费用见图8。

图8 吨水总费用与料液温度的关系

由图8可见，料液温度由较高温度降低时，热泵效率提高，吨水总费用迅速下降，但当料液温度降至较低时，膜热侧与冷侧温差变小，膜的需要量增加，膜成本上升，导致吨水总费用变化趋缓。

（2）膜组件费用对吨水总费用的影响分析

取料液温度tH=40℃，膜组件费用变化时的吨水总费用如图9所示 （其他参数同上）。

图9 吨水总费用与膜组件费用的关系

由图9可见，吨水总费用与膜组件费用基本呈线性关系，降低膜成本是提高热泵膜蒸馏经济性的基本措施之一。

（3）膜组件寿命对吨水总费用的影响分析

取料液温度tH=40℃，膜组件寿命变化时的吨水总费用如图10所示 （其他参数同上）。

图10 吨水总费用与膜组件寿命的关系

由图10可见，膜组件寿命提高对降低吨水总费用效果明显，但趋势随膜寿命增加逐渐变缓。

（4）热泵费用对吨水总费用的影响分析

取料液温度tH=40℃，热泵费用变化时的吨水总费用如图11所示 （其他参数同上）。

图11 吨水总费用与热泵费用的关系

由图11可见，热泵费用与吨水总费用之间也近似呈线性关系，但因热泵寿命较长，其在吨水总费用中占的比例不大，对吨水总费用的影响范围不大。

（5）电价对吨水总费用的影响分析

取料液温度tH=40℃，电价变化时的吨水总费用如图12所示 （其他参数同上）。由图12可见，吨水总费用与电价基本呈线性关系，选择适宜的热泵驱动能源对热泵膜蒸馏的经济性有重要影响。

图12 吨水总费用与电价的关系

4 结论与建议

热泵膜蒸馏系统具有结构紧凑、能耗低等特点。实际应用中应根据料液温度、水蒸气凝结温度、热侧与冷侧温差、用户的能源供应条件等因素，合理选择适宜的结构类型。通过各主要因素对吨水能耗指标影响的计算分析表明，能源费用是主要因素，膜费用其次。可通过合理选择适宜的热泵驱动能源、进一步提高热泵效率、降低膜成本、提高膜寿命等措施，大幅度提高热泵膜蒸馏系统的竞争优势。

[1] 吕建国.国内膜蒸馏技术应用现状 [J].甘肃科技，2012，28 （19）： 71-75.

[2] 游文婷，徐振良，徐文婷，等.真空膜蒸馏法处理高浓度Na2SO4和CaCl2废水 [J].膜科学与技术，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，吕晓龙.PVDF复合膜在循环冷却排污水回用处理中的应用[J].能源环境保护，2012，26（6）：32-35.

[5] 陈东.热泵技术手册 [M].北京：化学工业出版社，2012.