CN100548424C - 受多级闪蒸馏出物驱动的脱盐方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种生产饮用水的脱盐工艺方法包括以下步骤：从MSF分离工艺(100)的至少一个更高温度的梯级(109)中提取出至少一个馏出物流(150)；将所述至少一个馏出物流供应至在比所述更高温度低的更低温度下运行的分离工艺(200)的至少一个梯级，以便通过在所述至少一个梯级中进行热传递从而最大限度地利用所述馏出物流中的显热，并且降低了所述至少一个梯级的外部热输入或者整个工艺的外部热输入。

Description

受多级闪蒸馏出物驱动的脱盐方法和装置
技术领域
本发明主要涉及多级闪蒸法(MSF)的改进方法，特别是涉及对海水的多级闪蒸蒸馏法(MSF distillation)，即对海水进行脱盐从而生产饮用水，本发明还有利地涉及包括能够达到较高的顶端盐水温度(可达到120℃或120℃以上)的MSF蒸馏法的一些方法。
背景技术
已公知的对海水进行脱盐从而生产饮用水的传统方法例如包括多级闪蒸法(MSF)，多效蒸馏法(MED)，反渗透法(RO)和蒸汽压缩(VC)蒸馏法。上述每一种方法都是非常成熟的技术，各自具有其独特的特点和限制。然而，上述每一种技术都需要独立的能量输入流。到目前为止，还没有进行与MSF和MED之间，或MSF和RO之间的能量工艺流的相互作用相关的研究，也没有提出或研究相关工艺配置，以便利用不同的操作温度制度从而使得在给定的能量输入条件下总产量达到最大化。
当海水馏出物流在低压下运行的蒸发器中被传输到后面一个梯级时，在MSF管束中浓缩的海水馏出物流部分受压从而进行二次闪蒸。通过馏出物闪蒸产生的蒸汽与通过盐水闪蒸产生的蒸汽相混合，因此可以利用部分已装设的热传递表面，所述部分表面不能用于闪蒸盐水进行浓缩。
随着梯级数的增加，收集在蒸馏水槽中的馏出物的流速增加，由此二次闪蒸的馏出物量也随之增加。通过减少由盐水闪蒸得到的馏出物的有效量，即二次闪蒸馏出物相对于闪蒸盐水的比率增加，这种现象降低了梯级热传递机制的效率。
另外应注意的是：已公知的用于收集和传递从MSF高温梯级到低温梯级的馏出物的蒸馏水槽的布置变得越来越复杂，而且越来越远离除雾器和闪蒸盐水释放区域。
典型MSF设备中的“散热”段利用外部海水进行冷却从而保持底部温度梯级处于低温。
在该散热段中，已装设的热传递表面既被用于通过浓缩闪蒸盐水以产生新的馏出物，又被用于浓缩经过闪蒸的馏出物。因此，设备中该散热段的效率低于热回收率，典型地，超过18％的热传递区域被用于浓缩经过二次闪蒸的馏出物。
多级闪蒸蒸馏器被广泛用于大型脱盐项目。它们的性能取决于在工艺过程中可使用的最大盐水温度(顶端盐水温度或者TBT)和最小盐水温度(底端盐水温度或者BBT)。TBT与BBT的差值(闪蒸区域)越大，设备的产率越高。现代常规的MSF设备在105℃至112℃之间的顶端盐水温度下运行，在热回收段的底端梯级中的盐水和馏出物的温度在65℃至50℃之间变化，并且取决于冷却海水的流速和温度。一种先进的MSF设备将MSF与纳滤技术相结合使得TBT可以超过120℃(参见Awerbuch的EP 1206414(WO 0114256))，这将会提供更大的闪蒸范围。上述提出的发明涉及对MSF设备设计的改进，所述改进允许来自MSF设备的更多的盐水在蒸发器的散热段中被闪蒸，并且被浓缩在更大的用于浓缩盐水的热传递表面上。
结果是，底端盐水温度更低。
所述的发明改进依靠上述两种效果使得工艺产率得到提高。
MED技术的应用范围相对较窄，并且在相对较低的温度下运行。适用于MED工艺的顶端设计温度在60℃至70℃之间变化。
在海水反渗透(SWRO)再生工艺中，反渗透率和能量消耗量取决于给水温度。最佳的温度在30℃至35℃的范围内，对于标准膜来讲，40℃为技术上的极限值。
在中东，冬季海水的温度在18℃至28℃的范围内。在北非地区，冬天海水的温度更低，达到14℃到12℃，且从不超过28℃。膜再生率被定义为膜渗透量与给水流量的比率。再生率越高，膜的成本和运行成本就越低。现今，存在于标准海水膜技术中的限制因素防碍了反渗透设备在超过39℃的温度下运行。
然而，最佳的膜给水温度范围在28℃至32℃之间。在低温下，膜的再生率低，因此，低渗透量可以由具有高能量消耗量的膜获得。
迫切需要一种将MSF的优点与其它两种技术MED和SWRO的优点结合在一起的工艺，以便利用各种类型的脱盐系统的操作温度曲线的差异来改善运行条件，提高效率和产量。本发明利用在足够高温度下从提取MSF馏出物的流中可获得的显热预热海水RO供给和/或MED给水。
发明内容
本发明涉及一种经过改进的对海水进行脱盐的工艺方法，所述工艺方法通过将MED、RO或者其它工艺方法与MSF相匹配在最优的工艺条件下运行。
本发明提供了一种用于生产饮用水的脱盐方法，所述方法包括以下步骤：
a)提取来自MSF分离工艺的至少一个更高温度级中的至少一个馏出物流，并且
b)将所述至少一个馏出物流供应至分离工艺中的至少一个在比所述更高温度低的更低温度下运行的梯级，从而通过在所述至少一个梯级中进行热交换，得以最大程度地利用所述馏出物流的显热，并且减少所述至少一个梯级的以及总工艺过程的外部热量输入。
根据本发明，与从MSF热回收段的最后一个梯级提取出的馏出物相关联的能量可在另外一种在更低温度下运行的动力循环或者脱盐循环(例如MED或者RO)中进行回收。
特别地，由于散热段热传递表面的馏出物负荷较小从而可以处理大体积的闪蒸盐水，因此，从位于MSF热回收段的最后梯级的馏出物槽中提取馏出物致使MSF的整体性能得到改善。
优选地，在所述至少一个梯级中，MSF分离工艺的供给水受到所述至少一个流的预热。
所希望的是，所述至少一个梯级为第二分离工艺的梯级。
有利地，第二分离工艺为在更低温度下运行的MED，所述MED，至少部分地，受到所述从MSF至少一个馏出物流中提取出的热量的热驱动。所述至少一个馏出物流可在一系列的闪蒸工艺过程中被闪蒸，从而通过将盐水直接转移到MED工艺过程而提供热量。
当所述第二离工艺为MED时，所述至少一个馏出物流可被闪蒸以冷却馏出物，并且流体蒸气被喷射器热压缩达到高温，然后输入到MED工艺过程的更高的效组。
另外，当所述第二分离工艺为MED时，所述至少一个馏出物流可以进行一系列的热交换步骤，在上述步骤中，热量从馏出物流传递至MED的馏出物。
另一种可选方式是，第二分离工艺可以是反渗透(RO)过程，在该过程中，来自MSF的馏出物流被用于预热RO过程的供给海水。
同时，从MSF中提取出的以馏出物的形式存在的热量可被用作低温工艺过程例如MED工艺的能量源。
特别是，馏出物或者以液体的形式注入MED，或者被闪蒸并且被重新压缩输入MED的第一梯级。
本发明在MSF/RO混合工艺中的应用预见到：例如在冬天将提取出的馏出物用于加热注入RO设备中的海水，能够获得更高的RO膜再生率。
直接的结果是，可以实现很多的优点，所述优点包括：利用由MSF级联产生的能量流既可以实现更具成本效率的MSF脱盐操作工艺，又可以降低MED或者RO设备的能量消耗量。
应该注意到：本发明使得从MSF设备得到能量成为可能，并且同时提高了MSF设备的性能。
所述的来自MSF的馏出物提取系统尤其在装置/设备上还具有其他一些优点，实际上是由于散热段中的蒸馏水槽可以相当的小和/或可以给除雾器留出更大的空间。所述空间对于在高真空下运行的散热段而言十分宝贵，处理大体积蒸气，并且这将导致除雾器中产生高的蒸气流速。
当发生溢流时，上述特征将会导致效率的损失和高的传导率。在这一方面，如果考虑通过减小蒸馏水槽从而增大可获得的除雾器空间的话，MSF的性能还可以得到进一步提高。从多级闪蒸(MSF)梯级中除去馏出物提供了增加脱盐设备产量的手段。包含在馏出物中的能量取决于除去馏出物时所在的梯级，并且所述能量可以通过闪蒸到一个或者多个合适的多效蒸馏过程(MED)循环效组中或者预热另一脱盐过程例如RO的供给物而得到回收。
在从散热段前面的热回收段的最后一个梯级中除去馏出物的情况下，在最后一个梯级中闪蒸的热量对于MSF蒸馏过程来说并不是都有益、必要或需要，但是可以被用于预热所提出的膜工艺过程供给物。
一般来说，二次闪蒸的馏出物的热量被浓缩在热传递表面(HTS)，并且需要用来进行浓缩的管状区域，所述区域可被用于浓缩由闪蒸盐水产生的额外的新蒸气。未被馏出物收集通道所占据的额外的区域可以用于增加喷雾器的面积，特别是在MSF的更低的梯级中。
通过从MSF提取出馏出物而从MSF梯级中除去的热量可以被二次闪蒸达到MED效组的更低的温度，既可以提供显热从而通过直接接触的方式预热供给物，也可以通过MED的给水加热器预热供给物。
从MSF设备中的所有或者一些设置在关键部位处的梯级上除去馏出物将会增加现有的和将来的MSF设备的蒸馏水的输出量。包含在馏出物中的热量以及馏出物的热势通过与MED，VC或RO工艺的结合而得到回收。这样将使得产量最大化，不仅在MSF中，同时也提高了其他脱盐工艺的效率。优选的工艺方法是在每隔几个梯级去除馏出物，并且将可利用的热量通过在MED闪蒸罐中进行闪蒸的方式转移，这将产生蒸气以直接接触喷射过冷的供给物的方式预热供给物，或者向给水加热器提供蒸汽-蒸气。
附图说明
图1是集成的混合式MSF-MED脱盐工艺过程的流程示意图，在所述工艺过程中使用了来自MSF蒸馏高温梯级的馏出物流作为MED工艺过程的直接注入物。
图2是第二种混合式MSF-MED脱盐工艺过程的流程示意图，在所述工艺过程中，馏出物被闪蒸，蒸气被注入到MED工艺过程中。
图3是第三种完全集成的MSF-MED脱盐工艺过程的流程示意图，在所述工艺过程中利用了来自MSF工艺过程中的馏出物、再循环盐水和不可冷凝的气体以提高MED的性能。
图4是第四种混合式MSF-RO脱盐工艺过程的流程示意图，在所述工艺过程中利用来自MSF设备的馏出物预热RO工艺过程的给水。
图5是馏出物产量相对于馏出物提取量的增长百分比的曲线图。
具体实施方式
本发明显著地改进了现有技术中的MSF脱盐工艺过程。通过阅读和理解前面所述以及在附图中示出的本发明的特征和原理，设计、生产和操作本发明所预期的水脱盐系统的有经验的技师可以实践本发明并认识到它的好处。
根据本发明的一方面，其改进在于发现了MSF馏出物的提取物可以用于给其他在更低温度下运行的工艺循环提供能量。另外也已经发现，所述提取物带来了MSF脱盐设备中性能的显著提高，馏出物从所述MSF脱盐设备中被提取出来。这些改进提高没有被现有技术所公开。
在图1-4所示的每一个实施例中，MSF一般被表示为100，其包括散热梯级110和热回收梯级120。
MSF蒸馏的原理比较简单。海水注入(SW)被加压并且被加热达到最大设备温度。当被加热的液体被排放到室123中时，其中所述室123的压力保持处于稍稍低于液体的饱和蒸气压，水含量的一部分闪蒸形成蒸汽。然后，在闪蒸蒸汽通过除雾器时除去了悬浮的盐水液滴，并浓缩在热传递管的外表面上。浓缩的液滴作为热产物水进入槽(105)。
未进行闪蒸的盐水进入第二室或者梯级，在更低温度下在其中闪蒸形成蒸汽，由此产生了额外数量的产物水。同时，来自第一梯级(101)的馏出物流至第二梯级中的馏出物槽，并且释放了一部分热量。所述闪蒸——冷却工艺过程一个梯级一个梯级重复进行，直到冷却的盐水和冷却的馏出物最终分别以排出盐水和产物水的形式被排放出设备。
流经浓缩每一梯级中的蒸气的管子内部的再循环盐水流(121)用于去除浓缩的潜热。这样，再循环盐水得到预热，同时回收了冷凝蒸气的能量。多级闪蒸设备中的这部分被称为“热回收”段。经过预热的盐水最终在盐水加热器(122)中升高到最大工作温度，该盐水加热器(122)由外部源(S)提供蒸汽。被称为“散热”段的设备的冷却端，既承担着通过外部冷却海水除去废热的任务，又承担着通过浓缩部分来自热回收段的剩余部分的闪蒸盐水来生产馏出物的任务。从散热段下游分支出的冷却流的一部分(111)受到预热成为补给水。
具体而言，本发明通过提取MSF蒸发器的最后一个热回收梯级109(可选择的是以虚线表示的108)的馏出物流150，MSF产量得到提高，而性能比没有出现显著的降低，因此也无需增加任何外部流。
另外，在新建立工艺的装置中，给除雾器留出了更大的空间，从而允许设备性能得到进一步提高。
馏出物流的能量被用作独立MED分离器的能量源，所述MED分离器用附图标记200表示，其包括一系列的效组201，202，203。
使用馏出物作为MED工艺过程的热源使得MED可以在非常低的供给(外部)热消耗量条件下运行，并且提高了系统的能量效率。
值得注意的是：除了性能的提高以外，本发明还提供了一些环境效益。如下面的表1中所示，以相同的海水流速通过散热段，最低盐水温度(BBT)和散热出口温度都降低了。另一种可选方式是，可以降低流经散热段的冷却水的流速，或者可以实现上述两种方式。上述两个方面都可以改善环境影响。
表1总结了本发明可实现的优点，本发明既可以改装现有部位的原理也可以将其作为设计数据引入新的设备。
表1：发明优点总结列表
  现有设备(改型)   新设备
  在不降低性能比的条件下增加了MSF馏出物的输出量   增加了MSF馏出物的输出量并且增加了设备性能比
  提取可用于另一工艺过程的热流   提取可用于另一工艺过程的热流
  修改内部蒸馏器的设计布置，有可能增加除雾器/散热面积并减少馏出物槽   优化内部蒸馏器的设计布置，有可能增加除雾器/散热面积并减少馏出物槽
  降低除雾器的速率并增加馏出物纯度。通过在散热段之前进行去除处理从而保持主馏出物流的纯度。减少附加损失。   降低除雾器的速率并增加馏出物纯度。通过在散热段之前进行去除处理从而保持主馏出物流的纯度。
  降低盐水最低温度   降低盐水最低温度
  有可能减少海水的消耗量   有可能减少海水的消耗量
如果本发明在现有的MSF设备上进行改造，由于现有设计可能妨碍了增加除雾器的区域，将会带来不可避免的限制因素。在这种情况下，如表1中所示，设备的输出量将会增加。设备增长的百分比如图5和表2所示。如果本发明应用于新的MSF设备，那么同样意味着重新设计位于散热段最后一个梯级内的蒸发器内部布置，以尽可能给除雾器提供更多的空间，并且从而允许提高性能比。
表2示出了对5MIGD(百万英制加仑/天)17梯级的MSF设备进行的比较分析结果，所述设备在与第14梯级提取馏出物流的MSF(根据本发明)具有同样的最高盐水温度、同样的海水温度、同样的盐水再循环流速的条件下运行。
表2：在提取馏出物和不提取馏出物的情况下的MSF性能
  参数   提取馏出物   不提取馏出物
  最高盐水温度   110℃   110℃
  最低盐水温度   41.3℃   42.4℃
  馏出物流速   1157.95吨/小时   1174.7吨/小时
  性能比   7.46(t/t)   7.45(t/t)
  蒸汽需要量   155.27(吨/小时)   157.74(吨/小时)
  下游循环可获得的能量   61384kJ/s   0
设想的脱盐装置包括从MSF中排出要闪蒸的馏出物到罐中，以冷却馏出物，并且闪蒸蒸气被喷射器热压缩达到更高温度进入到MSF中更高的梯级。
本发明装置的一个优点在于包括从MSF中排出要闪蒸的馏出物到罐中，以冷却馏出物，并且馏出物和闪蒸蒸气在更低温度下运行的工艺中被浓缩以获得双倍的蒸馏产量，其最高纯度小于.01ppm TDS。
图1示出了MSF-MED集成系统的基本流程图，其中MED第一效组是由从MSF中提取出的馏出物而不是由浓缩蒸汽进行加热的。
所述MED设备在各个方面都与常规MED设备相类似，其区别仅在于：MED第一效组是由从MSF中提取出的馏出物不是由蒸汽供给的。通过将热量传递给MED效组中的新鲜海水，所述馏出物在第一效组得到冷却。
一个可替代的方式如图2所示，其中MSF馏出物被传送至闪蒸罐，通过馏出物闪蒸产生的蒸气被热压缩到蒸发器的第一梯级。
设想的脱盐装置包括：在一系列产生闪蒸蒸气的闪蒸罐中通过使馏出物与MED直接接触从而进行热传递。根据本发明的脱盐装置将从MSF中提取出的馏出物转移到闪蒸罐中以便冷却所述馏出物，同时闪蒸蒸气在进入MED中的更高效组之前被喷射器热压缩达到更高的温度。
根据本发明的一个可替代的脱盐装置提供在MSF馏出物与MED馏出物之间的一系列热交换器中进行的热传递：
(a)完全集成的MED-MSF可选方案如图3所示。根据本发明的一个实施例，从MSF中提取出的三条流传输到MED：馏出物，来自第一效组的不可冷凝的排气口和盐水排出口。盐水被用作MED的给水，并且热的馏出物被用于代替蒸汽。发明步骤包括提取MSF盐水流到MED工艺，该步骤通过传送盐水提取物到在更低温度下运行的第二工艺以便利用盐水流的显热，在这种情况下，本发明的脱盐装置包括用于进行热传递的装置，该用于进行热传递的装置为通过盐水与MED直接接触以产生闪蒸蒸气的一系列闪蒸罐。根据本发明的另外一个可替换的装置包括从MSF提取盐水，并在闪蒸槽中闪蒸以冷却馏出物，闪蒸蒸气被喷射器热压缩达到更高的温度以进入MED中的更高效组。本发明装置的另外一个替换的方式是，该装置提供在MSF盐水和MED供给物之间的一系列热交换器中进行的热传递。
在MED设备的运行温度下，从MSF梯级中注入CO2将避免了产生氢氧化镁沉淀的风险，从而有利的是MED设备将总能保持处于清洁的状况下。
如图4所示的操作流程图示出了混合型MSF/RO设备，所述设备的RO给水被前述所提取的MSF馏出物加热。
根据本发明的一个实施例，膜注入水被馏出物的显热加热到28-30℃，优点在于保持了较高的膜渗透再生率，更低的比功率消耗量以及保持了膜入口端更加恒定的工作温度，从而提高了膜的寿命。
根据本发明的脱盐装置提供了用于进行热传递的装置，该用于进行热传递的装置为一系列通过馏出物与RO供给物之间的直接接触产生闪蒸蒸气的闪蒸罐。根据本发明的另外一个可替换的实施例包括从MSF中提取出要在闪蒸罐中闪蒸的馏出物，并冷却所述馏出物，闪蒸蒸气被喷射器热压缩达到更高的温度温以加热RO供给物。另外一个替换的脱盐装置用于传导位于MSF馏出物和RO供给物间的热交换器之间的热交换。
图5所示的曲线图是建立在名义日产量为5百万英制加仑(MIGD)上面的。当目前的产量超过了15MIGD时，因此输出量将按比例增长。

Claims (12)

1、一种生产饮用水的脱盐工艺方法，所述工艺方法包括以下步骤：
a)从MSF分离工艺(100)的至少一个更高温度的梯级(109)中提取出至少一个馏出物流(150)；以及
b)将所述至少一个馏出物流供应至在比所述更高温度低的更低温度下运行的分离工艺(200)的至少一个梯级(201)，以便通过在所述至少一个梯级中进行热传递从而最大限度地利用所述馏出物流中的显热，并且降低了所述至少一个梯级的外部热输入或者整个工艺的外部热输入。
2、如权利要求1所述的脱盐工艺方法，其中所述至少一个梯级是这样一个梯级，在该梯级中，MSF分离工艺的给水受到所述至少一个流的预热。
3、如权利要求1所述的脱盐工艺方法，其中所述至少一个梯级(201)是指第二分离工艺(200)中的一个梯级。
4、如权利要求3所述的脱盐工艺方法，其中所述第二分离工艺为在更低温度下运行的多效蒸馏工艺(200)，所述多效蒸馏工艺至少部分地受到从来自MSF的至少一个馏出物流中提取出的热量的热驱动。
5、如权利要求4所述的脱盐工艺方法，其中所述至少一个馏出物流在一系列的闪蒸工艺过程中被闪蒸，以便由盐水通过直接热传递的方式为多效蒸馏工艺提供热量。
6、如权利要求4或5所述的脱盐工艺方法，其中所述至少一个馏出物流被闪蒸以冷却馏出物，且流体蒸气被喷射器热压缩达到高温，然后输入到多效蒸馏工艺中的更高效组中。
7、如权利要求4或5所述的脱盐工艺方法，其中所述至少一个馏出物流进行一系列的热交换步骤，在所述热交换步骤中，热量从馏出物流转移到了多效蒸馏工艺馏出物中。
8、如权利要求3所述的脱盐工艺方法，其中所述第二分离工艺为反渗透工艺，在所述反渗透工艺中，来自MSF的馏出物流被用于对供给给反渗透工艺的海水进行预热。
9、如权利要求1所述的脱盐工艺方法，其中以馏出物的形式存在的从MSF中提取出的热量被用作更低温度工艺的能量源。
10、如权利要求9所述的脱盐工艺方法，其中所述更低温度工艺是多效蒸馏工艺。
11、如权利要求10所述的脱盐工艺方法，其中所述馏出物以液体的形式被用于供给多效蒸馏工艺。
12、如权利要求10所述的脱盐工艺方法，其中所述馏出物被闪蒸，并且被重新压缩并被输入到多效蒸馏工艺的第一梯级。
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