CN102424436B

CN102424436B - 高温海水淡化蒸馏的装置和方法

Info

Publication number: CN102424436B
Application number: CN2011102535619A
Authority: CN
Inventors: 马敬环; 赵祈涵
Original assignee: BIN HAN ECO-TECHNOLOGIES Co Ltd
Current assignee: Tianjin Hui Hui Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102424436A

Abstract

本发明涉及一种高温海水淡化蒸馏的装置和方法。它是包括预热器、多效蒸发器、各效气液分离器、循环泵。采用立式蒸发器，设备初始运行阶段加热蒸汽对除钙后海水进行逐级预热，利用蒸发过程中产生的二次蒸汽对海水进行预热，各效蒸汽气液分离器产生的冷凝水为初始海水预热，二次蒸汽预热海水后的冷凝水用于分离器产生的冷凝水换热后海水的预热，提高了热效率、减少加热蒸汽热损失、充分利用系统自身余热，提高淡水回收率。本发明适用于除钙或除钙镁后海水，加热温度可为40～170℃，加热温度范围宽，不受结垢限制，淡化后浓盐水TDS可为50000～250000mg/L，淡水回收率为40～75％。为工厂化制盐提供了高浓度、高温、优质原料，为海水淡化零排放奠定了坚实的基础。

Description

高温海水淡化蒸馏的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种高温海水淡化蒸馏的装置和方法。它是由一级预热器、二级预热器、各效预热器、多效蒸发器、各效气液分离器、循环泵组成。目的在于提高热效率、减少加热蒸汽热损失、充分利用系统自身余热，达到提高淡水回收率的目的。本发明适用于除钙或除钙镁后海水，加热温度可为40～170℃，加热温度范围宽，不受结垢限制，淡化后浓盐水TDS可为50000～250000mg/L，淡水回收率为40～75％。

背景技术

海水淡化已被列入国家水资源的统一规划，将成为水资源的重要补充。因而，海水淡化的未来发展前景极其广阔。目前蒸馏法海水淡化主要采用低温多效、多级闪蒸技术。已建成海水淡化项目绝大多数都采用低温多效海水淡化技术。由于海水中的钙、镁离子含量较高，蒸发过程中设备的结垢问题促使海水淡化只能采用低于72℃以下的低温多效蒸发技术，多级闪蒸技术由于能耗较高，目前采用的较少。

中国专利CN87214093U提出的多级闪蒸塔式多效蒸发器并非针对海水淡化设计，只是可以用于海水淡化。该专利采用塔顶冷凝器首先预热原料水，预热后海水再经各效预热器由下向上预热，过热原料水进料，蒸发器产生的二次蒸汽作为下一效的加热蒸汽，预热器的热源为各效的凝结水，该工艺也是低温多效海水淡化常采用的工艺，该工艺的缺点是凝结水与原料水换热，只能利用凝结水的显热进行换热，效率低，如用于海水未经脱硬处理，易于结垢，传热效率低。

中国专利CN200910246225.4、CN200920270558.6涉及一种采用降膜式冷凝器的低温多效蒸馏海水淡化系统，系统包括多效蒸发器、降膜式冷凝器、抽真空装置、通水管道、通气管道及进料海水管，蒸发器效与效间连有通水管道和通气管道，降膜式冷凝器分别与末效蒸发器、抽真空装置和进料海水管连接。其中，防止海水结垢，低温多效蒸馏海水淡化系统的运行温度不高于70OC。中国专利CN87214093涉及的多效蒸发器，采用多级闪蒸与多效蒸发相结合的方法，采用蛇管降膜式多效结构，各效预热器组成一体与多效蒸发器并列放置。

中国专利CN200910067793.8涉及一种低温多效蒸馏海水淡化系统，包括多组多效蒸发器，每组蒸发器中至少设置有一为进料海水进行预热的加热器，相邻的两组多效蒸发器之间设置有效间泵；冷凝器一端与原料水泵连接，另一端与多组多效蒸发器中最后一组的蒸发器连接。还涉及利用低温多效蒸馏海水淡化系统进行海水淡化的工艺流程：将低温多效蒸馏海水淡化系统的蒸发器分为若干组，每组平行进料，同时在每组的最高温效蒸发器的进料海水前设加热器；前组蒸发器剩余的浓盐水汇总，经效间泵打入下一个蒸发组，依此类推；产品水和浓盐水在一系列闪蒸罐中呈阶梯状流动并逐级闪蒸冷却，闪蒸出的蒸汽进入蒸发器，被冷却的产品水和浓盐水最后分别用相应的水泵抽出。

目前国内外低温多效海水淡化装置大多都是卧式蒸发器，蒸发温度不高于72℃，海水高于100℃蒸发的多效蒸发器的相关报道很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温海水淡化蒸馏的装置和方法。主要是海水通过脱除钙离子、或脱除钙镁离子后，采用立式水平加热管蒸发器进行蒸发，设备初始运行阶段，采用加热蒸汽对除钙后海水进行逐级预热，设备正常运行后利用蒸发过程中产生的二次蒸汽对海水进行预热，二次蒸汽预热海水后产生的冷凝水用于对海水进行二级预热，一效蒸发器采用外加蒸汽，二效以后蒸汽来源于上效蒸汽气液分离器，各效蒸汽气液分离器产生的冷凝水用来为海水的一级预热。如此，不但充分利用了海水的蒸发潜热，而且，海水可以预热至近沸点，实现沸点进料，极大地提高了蒸发效率；蒸发器底部产生的浓盐水用泵打回塔顶，进行循环浓缩，海水浓缩倍率可实现2～7倍，极大地提高了淡水回收率，同时为工厂化制盐提供了高浓度、高温、优质原料，为海水淡化零排放奠定了坚实的基础。本发明采用脱硬预处理技术去除海水中的钙、镁离子，再采用高温多效蒸发器进行淡化，淡水回收率可达70～75％，远高于低温多效35～45％的回收率，极大地降低了淡化的投资和运行成本。

本发明提供的高温多效海水淡化蒸馏装置主要包括蒸发器主体设备、预热器和气液分离器。蒸发器主体设备由雾化器和多效蒸发器组成。其中，多效蒸发器至少为三个，可以是多个，一效蒸发器在最顶层，二效蒸发器在一效下面，三效蒸发器在二效下面……，依次排列，直至末效。末效蒸发器由蒸发室和加热管组成，其余各效蒸发器由蒸发室、加热管、捕沫器、分布器组成。蒸发器的辅助设备包括：海水一级预热器、二级预热器、各效预热器、各效气液分离器、一次蒸汽冷凝水罐、二次蒸汽冷凝水罐组成，预热器和气液分离器分别放置在蒸发器主体设备的两侧。本发明中还包括与上述设备匹配的通用淡水箱，盐水循环箱，循环泵，浓盐水箱和连接管道以及二通、三通阀门开关。

蒸发器筒体可以是长方体、正方体或圆柱体，蒸发器效数根据需要设置；加热管长度可以根据换热面积的要求加长；蒸发器进水口安装雾化器，使海水以小液滴的形式与加热管接触，蒸发阻力小，气液接触面积大，蒸发效率高；在一效和末效蒸发器间设置捕沫器，减少雾沫夹带；除末效蒸发器外，其余各效蒸发器均设置水分布器，以便于均匀加热；蒸发器底部浓盐水经循环泵打回蒸发器顶部循环浓缩，提高淡水回收率。多效蒸发器效数为3～10；各效蒸发管换热面积可以相同或不同，也可以根据热量平衡、物料平衡换算。

蒸发器筒体是多个蒸发器模块的堆积，每个蒸发器模块由加热管、捕沫器、分布器组成，末效只有加热管。所述的雾化器需要耐170℃以下高温，耐海水及高盐度浓盐水腐蚀。

本发明提供的高温多效海水淡化的装置的生产方法包括下述步骤：

海水通过脱除钙离子、或脱除钙镁离子后，采用立式水平加热管矩形外壳蒸发器进行蒸发，设备初始运行阶段，采用加热蒸汽对除钙后海水进行逐级预热，设备正常运行后利用蒸发过程中产生的二次蒸汽对海水进行预热，一效蒸发器采用外加蒸汽，二效以后蒸汽来源于上效蒸汽气液分离器，各效二次蒸汽对应的预热器与海水换热后产生的冷凝水用于对海水进行二级预热，各效蒸汽气液分离器产生的冷凝水用来对海水进行一级预热。

1)采用除钙或脱硬预处理后海水为原料，采用海水进水泵将原料海水打入一级预热器、二级预热器，经多效蒸发器的各级预热器预热至近沸点，再经雾化器进入蒸发器.

2)蒸发器内蒸发管采用水平管式，海水直接喷淋至蒸发管外壁，被迅速气化，产生的二次蒸汽作为各效蒸发器预热器的热源，浓盐水经捕沫器、分布器后喷淋至下一效蒸发管表面，最后塔底浓盐水经浓盐水循环泵打回蒸发器塔顶循环浓缩.

3)加热蒸汽通过一效蒸发器加热管后，经一级气液分离器分离后蒸汽作为下一效加热蒸汽，冷凝水与其他各效冷凝水混合作为原料海水一级预热器的热源；

4)各效二次蒸汽与各效蒸发器预热器换热后产生的冷凝水混合作为原料海水二级预热器的热源；

5)海水循环浓缩至一定浓度后排至浓盐水箱。

所述的脱除钙离子、或脱除钙镁离子后海水为：Ca²⁺≤50mg/L或Ca²⁺≤50mg/L、Mg²⁺≤50mg/L。

步骤1)中原料海水的进料量为200L～1000m3/h，温度为0-40℃，海水中钙离子浓度为15-40mg/L。

步骤2)所述的蒸发器顶部进料温度为95～100℃。

步骤3)所述的加热蒸汽为0.10-0.9MPa，105～300℃。

末效蒸发器预热器产生冷凝水量为进料海水量的0.1～2％，末效气液分离器冷凝水量为加热蒸汽蒸汽总量的5～15％。

本发明具有以下优越性：

(1)海水为去除钙离子或脱出硬度后海水，各效蒸发器的加热温度可以提高至100℃以上，由于无结垢，传热系数高、极大地提高了造水比，降低了设备投资和运行成本。

(2)蒸发器采用立式蒸发器，海水靠重力逐步进入下一效蒸发器，能耗低，蒸发器外壳采用矩形，海水喷淋均匀、无死角、换热面积可以很大，蒸发器效数相对低温多效较少。

(3)采用二次蒸汽作为预热器热源，可以保证将海水预热至沸点进料，提高蒸发效率。

(4)外加蒸汽与海水换热后，经气液分离器分离，蒸汽作为下一效加热蒸汽，可以使蒸汽得到充分利用，冷凝水用于海水的二级预热，将热能充分利用，冷凝水得到充分降温。

(5)由于淡化后浓盐水浓度很高，可综合利用和工厂化制盐，为海水零排放提供可靠的技术支撑。

附图说明

图1高温多效蒸发器流程示意图。

图2分布器结构示意图。

具体实施方式

本发明结合附图详细描述如下：

如图1所示，1-海水进水箱，2-海水进水泵，3-一级预热器，4-二级预热器，5-预热器，6-蒸发器，7-雾化器，8-加热管，9-捕沫器，10-分布器，11-气液分离器，12-一次蒸汽冷凝水罐，13-二次蒸汽冷凝水罐，14-总淡水箱，15-浓盐水循环水箱，16-循环泵，17-浓盐水箱，18-外加蒸汽。19-分布器气孔，20-分布器水孔。

本发明提供的高温多效海水淡化蒸馏装置主要包括蒸发器6主体、预热器和气液分离器。蒸发器主体由雾化器7和多效蒸发器组成。其中，多效蒸发器至少为三个(如图1所示)，可以是多个，一效蒸发器在最顶层，二效蒸发器在一效下面，三效蒸发器在二效下面，……，依次排列，直至末效。末效蒸发器由蒸发室和加热管8组成，其余各效蒸发器由蒸发室、加热管、捕沫器9、分布器10组成。蒸发器6的辅助设备包括：海水一级预热器3、二级预热器4、各效预热器、各效气液分离器、一次蒸汽冷凝水罐12、二次蒸汽冷凝水罐13组成，预热器5和气液分离器11分别放置在蒸发器6主体设备的两侧。本发明中还包括与上述设备匹配的通用淡水箱14，盐水循环箱15，循环泵16，浓盐水箱17和连接管道以及二通、三通阀门开关。本发明所用器件雾化器、捕沫器等等均可采用市售产品。

蒸发器为立式水平加热管矩形外壳蒸发器。雾化器是通用的化工中常见设备，将海水分散为雾状小液滴的设备，在本发明中主要采用耐高温、耐腐蚀材质如钛材、钛合金、双相钢等材质。加热管采用耐高温、耐腐蚀材质的金属管。捕沫器一般采用耐高温、耐腐蚀材质的金属丝网捕沫器。

分布器，主要用来重新分布上一效蒸发器未被蒸发的浓盐水，使其均匀地喷淋至下一效蒸发器加热管的表面。要求水汽分别有独立通道，分布器与蒸发器器壁密封好，分布器材质可以为聚四氟乙烯或耐高温、耐腐蚀的金属材料，见图2。

本发明提供的高温多效海水淡化装置的生产方法具体包括下述步骤

1)采用除钙或脱硬预处理后海水为原料，采用海水进水泵1将原料海水打入一级预热器3，二级预热器4，经多效蒸发器的各级预热器预热至沸点，再经雾化器7进入蒸发器；

2)蒸发器内蒸发管采用水平加热管，海水直接喷淋至加热管外壁，被迅速气化，产生的二次蒸汽作为各效蒸发器预热器的热源，浓盐水经捕沫器、分布器后喷淋至下一效加热管表面，最后塔底浓盐水经浓盐水循环泵16打回蒸发器塔顶循环浓缩；

3)加热蒸汽18通过一效蒸发器加热管后，经一级气液分离器11分离后蒸汽作为下一效加热蒸汽，冷凝水与其他各效冷凝水混合作为原料海水一级预热器3的热源；

4)各效二次蒸汽与各效蒸发器预热器换热后产生的冷凝水混合作为原料海水二级预热器4的热源；

5)海水循环浓缩至一定浓度后排至浓盐水箱17。

本发明不但充分利用了海水的蒸发潜热，而且，海水可以预热至沸点，实现沸点进料，极大地提高了蒸发效率；蒸发器底部产生的浓盐水用泵打回塔顶，进行循环浓缩，海水浓缩倍率可实现2～7倍，极大地提高了淡水回收率，同时为工厂化制盐提供了高浓度、高温、优质原料，为海水淡化零排放奠定了坚实的基础。

所述捕沫器可以是不锈钢316L、双相不锈钢、钛材，也可以为陶瓷等非金属防腐、耐高温材质。所述的水分布器，既要保证水的重新均匀分布，又要保证气体有独立、均匀的通道，有利于气液传质。所述的浓盐水循环增发，溶液的TDS≤250000mg/L，防止晶体产生在加热管管壁形成微小晶体，影响传热效率。

应用实施例1

如图1所示，海水进水箱1内是除钙后海水，经海水进水泵2以200L/h流量打入一级预热器3、二级预热器4、流经各效预热器5后，进入蒸发器6，经雾化器7将海水雾化后喷淋至加热管8上，在一效蒸发器加热管上，部分海水被迅速气化，产生二次蒸汽进入一效蒸发器蒸发室，由二次蒸汽出口管进入一效预热器与海水换热；没被气化的海水经捕沫器9、分布器10(蒸汽经分布器气孔19向上进入蒸发室，由二次蒸汽出口管进入各效预热器；上一效蒸发器未被蒸发料液经分布器水孔20流入下一效蒸发器)重新布水后进入下一效蒸发器，喷淋至加热管上进一步气化，本试验装置共有4效蒸发器，经最后一效蒸发器加热管后，没被气化的浓盐水由塔底直接流入浓盐水循环水箱15，循环泵16打回蒸发器塔顶，循环蒸发，各效蒸发器产生的二次蒸汽，分别进入各效预热器对海水进行预热，外加蒸汽18是一效蒸发器的加热源，与海水换热后，经气液分离器分离后，蒸汽进入下一效蒸发器，如此，各气液分离器产生的淡水流入一次蒸汽冷凝水箱12，再进入一级预热器3与原料海水进行换热，各效蒸发器产生的二次蒸汽经各效预热器换热后成为冷凝水流入二次蒸汽冷凝水箱13，与经一级预热器3换热后的海水进一步换热。一效蒸发器的预热器设备运行初期采用外加蒸汽对海水进行预热，经一效预热器换热后蒸汽及冷凝水作为下一效预热器的热源，至有二次蒸汽产生后，下一效预热器的热源切换为二次蒸汽。

海水初始进料量为200L/h，海水中钙离子浓度为18mg/L，温度为20℃。加热蒸汽为0.12MPa118℃，蒸发器顶部进料温度为99℃，蒸发器效数为4，各效蒸发管换热面积为0.16m2：各效预热器和气液分离器产生的蒸馏水量随着料液浓度的增加而逐渐减少，调整各效蒸发器二次蒸汽出气阀门，控制末效蒸发器预热器产生冷凝水量1～2L/h，末效气液分离器冷凝水量5～10L/h。当浓盐水循环水箱液位达到高液位时，启动循环泵，调整阀门保证循环水量与进水总量保持200L/h。

运行5h后，取样分析，淡水电导率2.1μs/cm，浓盐水循环水箱进水TDS108200mg/L，海水浓缩倍率为3.38倍，淡水回收率为70.4％。

应用实施例2

海水进料量为1000L/h，海水中钙离子浓度为35mg/L，温度为15℃。加热蒸汽为0.16MPa123℃，蒸发器顶部进料温度为100℃，蒸发器效数为6，各效蒸发管换热面积为1.23m2：各效预热器和气液分离器产生的蒸馏水量随着料液浓度的增加而逐渐减少，调整各效蒸发器二次蒸汽出气阀门，控制末效蒸发器预热器产生冷凝水量2～3L/h，末效气液分离器冷凝水量5～10L/h。当浓盐水循环水箱液位达到高液位时，启动循环泵，调整阀门保证循环水量与进水总量保持1000L/h。

运行5h后，取样分析，淡水电导率3.3μs/cm，浓盐水循环水箱进水TDS125600mg/L，海水浓缩倍率为3.92倍，淡水回收率为74.5％。

本发明公开和提出的脱硬预处理海水淡化技术，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变工艺路线等环节实现，尽管本发明的方法已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法进行改动或重新组合，来实现最终结果。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims

1.一种高温多效海水淡化的生产方法，该方法采用高温多效海水淡化蒸馏装置，所述蒸馏装置主要包括蒸发器主体、预热器和气液分离器，蒸发器主体由雾化器和多效蒸发器组成；其中，多效蒸发器至少为三个，其安装方法是一效蒸发器在最顶层，二效蒸发器在一效蒸发器下面，三效蒸发器在二效蒸发器下面，依次排列，直至末效蒸发器；末效蒸发器由蒸发室和加热管组成，其余各效蒸发器由蒸发室、加热管、捕沫器、分布器组成；蒸发器的辅助设备包括：海水一级预热器、二级预热器、各效预热器、各效气液分离器、一次蒸汽冷凝水罐、二次蒸汽冷凝水罐，预热器和气液分离器分别放置在蒸发器主体设备的两侧；所述的蒸发器为立式水平加热管矩形外壳蒸发器，各效蒸发器换热面积相同或不相同，其特征在于该方法包括下述步骤：

1)采用脱硬预处理后海水为原料，采用海水进水泵将原料海水打入一级预热器、二级预热器，经多效蒸发器的各效预热器预热至近沸点，再经雾化器进入蒸发器；

2)蒸发器内加热管采用水平管式，海水直接喷淋至加热管外壁，被迅速气化，产生的二次蒸汽作为各效蒸发器预热器的热源，浓盐水经捕沫器、分布器后喷淋至下一效加热管表面，最后蒸发器主体底部浓盐水经浓盐水循环泵打回蒸发器主体顶部循环浓缩；

3)加热蒸汽通过一效蒸发器加热管后，经一效气液分离器分离后蒸汽作为下一效加热蒸汽，冷凝水与其他各效冷凝水混合作为原料海水一级预热器的热源；

5)海水循环浓缩至一定浓度后排至浓盐水箱；

末效蒸发器预热器产生冷凝水量为进料海水量的0.1～2％，末效气液分离器冷凝水量为加热蒸汽的蒸汽总量的5～15％。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于脱硬预处理后海水为Ca²⁺≤50mg/L、Mg²⁺≤50mg/L。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1)中原料海水的进料量为200L/h～1000m³/h，温度为0-40℃，原料海水中钙离子浓度为15-40mg/L。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)所述的蒸发器主体顶部进料温度为95～100℃。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤3)所述的加热蒸汽为0.10-0.9MPa，105～300℃。