CN102491439B - 采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统 - Google Patents

Abstract

一种采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，有：冷凝器，用于将分别流入的原海水和二次蒸汽进行热交换后，分别排出热交换后的预热海水和凝结水，以及排放海水；蒸发器有依次串联设置的首效蒸发器、多个中间效蒸发器和末效蒸发器，其中末效蒸发器与冷凝器相连，首效蒸发器设置有混合蒸汽的流入口；膨胀机，与蒸发器的首效蒸发器相连；压缩机，分别与蒸发器的中间效蒸发器或末效蒸发器以及膨胀机相连。本发明可提高蒸汽利用效率，即可以将海水淡化系统的能量利用效率从目前的约25％提高到50％以上，获得更高的造水比，实现能源的高效利用，达到节能环保的目的。本发明不仅可用于海水淡化，还可用于化工、食品、制药等行业中进行料液的浓缩。

Description

采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统

技术领域

本发明涉及一种蒸馏海水淡化系统。特别是涉及一种以蒸汽作为能量输入的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统。

背景技术

低温多效蒸馏海水淡化是目前主流的商业化海水淡化技术之一，其工艺系统主要由蒸发器、冷凝器和蒸汽喷射泵(TVC)组成，如图1所示，其是将工作蒸汽输入蒸发器传热管内，蒸汽冷凝获得淡水的同时放出潜热加热管外海水蒸发，得到二次蒸汽，二次蒸汽逐效冷凝得到多倍于输入蒸汽的淡水。为了提高蒸汽的利用率，传统低温多效蒸馏海水淡化系统中通常会配有蒸汽喷射泵，其作用是利用高压高温工作蒸汽引射压缩蒸发器中间效或末效的低温蒸汽，提高蒸汽温度和压力后重新输入首效蒸发器，用做管内加热蒸汽。

采用蒸汽喷射泵的低温多效海水淡化系统，通过蒸汽的循环利用，实现了在等量工作蒸汽输入条件下，提高系统造水比的目的，因此成为目前低温多效海水淡化系统的主流技术方向。

如图2所示，在传统低温多效蒸馏海水淡化系统采用的蒸汽喷射泵中，高压工作蒸汽通过拉瓦尔喷嘴节流，得到马赫数高于1的超音速流体，抽吸引射低压蒸汽进入吸入室，高压和低压两股蒸汽在混合室中碰撞混合，后经扩压室排出，得到混合蒸汽。在整个过程中，蒸汽喷射泵内蒸汽的节流、混合、碰撞会造成大量的能量损失。因此，蒸汽喷射泵的能量利用效率较低，仅为25％左右。

此外，蒸汽喷射泵结构固定，可调节性差，只能在设计工作点附近很窄的范围内工作，如果工作蒸汽的压力偏离设计点，就会使系统处于不稳定运行状态，甚至导致系统不产水。因此，在传统的低温多效蒸馏海水淡化系统中，为了适应不同温度压力的输入工作蒸汽，通常要配置不同规格的蒸汽喷射泵，增加了设备投资。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可提高蒸汽利用效率，获得更高的造水比，实现能源的高效利用，达到节能环保目的的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统。

本发明所采用的技术方案是：一种采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，包括：

冷凝器，用于将分别流入的原海水和二次蒸汽进行热交换后，分别排出热交换后的预热海水和凝结水，以及排放海水；

蒸发器，包括有依次串联设置的首效蒸发器、多个中间效蒸发器和末效蒸发器，其中末效蒸发器与冷凝器相连，首效蒸发器设置有混合蒸汽的流入口，该蒸发器用于将从首效蒸发器流入的混合蒸汽与冷凝器排出的预热海水进行逐效热交换，将热交换后末效蒸发器产生的二次蒸汽输入冷凝器冷凝，将热交换后产生的淡水、浓海水和引射低压蒸汽分别排出；其特征在于，还设置有：

膨胀机，通过管路与蒸发器的首效蒸发器相连，用于将高压工作蒸汽进行降压后排出给蒸发器；

压缩机，分别与蒸发器的中间效蒸发器或末效蒸发器以及膨胀机相连，该压缩机在膨胀机的驱动下，将中间效蒸发器或末效蒸发器排出的引射低压蒸汽进行压缩后排出压缩蒸汽，该压缩蒸汽与膨胀机排出的低压工作蒸汽相混合后的混合蒸汽通过管路送入蒸发器的首效蒸发器。

所述的压缩机通过传动装置与膨胀机相连。

所述的压缩机、膨胀机采用离心式结构或采用螺杆式结构。

所述的压缩机、传动装置和膨胀机为各自独立设置，或共同设置在一壳体内。

所述的传动装置采用齿轮或皮带或链条实现膨胀机和压缩机之间的动力传递。

本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，采用能源利用效率更高的膨胀机和压缩机取代传统低温多效蒸馏海水淡化装置中的蒸汽喷射泵(TVC)，可提高蒸汽利用效率，即可以将海水淡化系统的能量利用效率从目前的约25％提高到50％以上，获得更高的造水比，实现能源的高效利用，达到节能环保的目的。本发明不仅可用于海水淡化，还可用于化工、食品、制药等行业中进行料液的浓缩。

附图说明

图1是采用蒸汽喷射泵的传统低温多效海水淡化系构成示意图；

图2是蒸汽喷射泵结构示意图；

图3是采用膨胀机和压缩机的海水淡化系统构成示意图。

图中：

1：二次蒸汽             2：冷凝器

3：原海水               4：排放海水

5：凝结水               6：预热海水

7：末效蒸发器           8：淡水

9：首效蒸发器           10：浓海水

11：混合蒸汽            12：蒸汽喷射泵

13：引射低压蒸汽        14：高压工作蒸汽

15：喷嘴                16：吸入室

17：混合室              18：扩压室

19：膨胀机              20：传动装置

21：压缩机              22：压缩蒸汽

23：低压工作蒸汽        24：蒸发器

25：中间效蒸发器

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统做出详细说明。

本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，与目前广泛应用的多效蒸馏海水淡化系统的主要区别在于：采用能效更高的膨胀机与压缩机的组合替代了传统多效蒸馏系统中的蒸汽喷射泵。其中，

所述膨胀机可将输入的高压工作蒸汽膨胀，降低压力后输入首效蒸发器中；同时，膨胀机中蒸汽膨胀做功驱动压缩机压缩中间效或末效蒸发器的低压蒸汽，提高蒸汽压力和温度后重新输入第一效蒸发器循环利用。

膨胀机输出的低压蒸汽可直接或经进一步减温后输入海水淡化首效蒸发器中用做加热蒸汽。

压缩机和膨胀机之间有传动装置连接，其作用是将膨胀机中蒸汽膨胀释放的动力传递给压缩机，实现膨胀机和压缩机的联动。同时传动装置还可以根据产水量要求进行调节，实现膨胀机和压缩机之间的最佳匹配。

压缩机可将系统某一效(可以是中间效，也可以是末效)的低温低压蒸汽压缩提高其温度和压力后，直接或经减温后输入首效蒸发器传热管内用做加热蒸汽。

蒸发器中传热管内蒸汽冷凝获得淡水的同时，释放出的潜热用于加热管外海水，使其蒸发，蒸发得到二次蒸汽进入下一效蒸发器，完成同样的冷凝蒸发过程，各效依次，从而获得多倍于输入工作蒸汽的淡水。

如图3所示，本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，包括：

冷凝器2，用于将分别流入的原海水3和末效蒸发器产生的二次蒸汽1进行热交换后，分别排出热交换后的预热海水6和凝结水5，以及排放海水4；

蒸发器24，包括有依次串联设置的首效蒸发器9、多个中间效蒸发器25和末效蒸发器7，其中末效蒸发器7与冷凝器2相连，首效蒸发器9设置有混合蒸汽11的流入口，在该蒸发器24中：流入首效蒸发器9的混合蒸汽11与冷凝器2排出的预热海水6进行热交换，并在末效蒸发器7产生二次蒸汽1，该二次蒸汽1进入冷凝器2，热交换后产生的淡水8、浓海水10和引射低压蒸汽13分别排出；

膨胀机19，通过管路与蒸发器24的首效蒸发器9相连，用于将高压工作蒸汽14进行降压后排出给蒸发器24；

压缩机21，通过传动装置20与膨胀机19相连。所述的传动装置20采用齿轮或皮带或链条连接。所述的压缩机21分别与蒸发器24的中间效蒸发器25或末效蒸发器7以及膨胀机19相连，该压缩机21在膨胀机19的驱动下，将中间效蒸发器25或末效蒸发器7排出的引射低压蒸汽13进行压缩，提高蒸汽的温度和压力后排出压缩蒸汽22，该压缩蒸汽22与膨胀机19排出的低压工作蒸汽23相混合后的混合蒸汽11通过管路送入蒸发器24的首效蒸发器9。

所述的压缩机21、膨胀机19可采用离心式结构或采用螺杆式结构。

所述的压缩机21、传动装置20和膨胀机19为各自独立设置，或共同设置在一壳体内。

本发明采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统的工作过程是：原海水3首先进入冷凝器2中，与末效蒸发器7出来的二次蒸汽1换热，将二次蒸汽1冷凝为凝结水5的同时，使原海水3预热温度升高。在冷凝器2中被加热升温的海水分成两股，一股为预热海水6，另一股为排放海水4，预热海水6进入蒸发器24中，依次在每一效蒸发器中发生蒸发、冷凝，得到淡水8和浓海水10，分别排出蒸发器。

首效蒸发器9中加热蒸汽是来自膨胀机19和压缩机21，以后各效蒸汽均来自前一效蒸发器中海水蒸发得到的二次蒸汽。

高压工作蒸汽14首先进入膨胀机19，膨胀做功后，转变为低压工作蒸汽23，经减温处理或直接输入首效蒸发器9中；

膨胀机19与压缩机21连接，利用蒸汽膨胀做功驱动压缩机工作，压缩机压缩蒸发器中间效或末效的引射低压蒸汽13，提高其压力和温度后排出，压缩机蒸汽22与低压工作蒸汽23混合，一起输入首效蒸发器9中循环利用。

膨胀机19和压缩机21之间有传动装置20，用于将膨胀机19输出的功传给压缩机21工作，同时还可以通过调节传动装置20，实现不同品质和数量工作蒸汽14输入情况下，膨胀机19和压缩机21的稳定工作，实现产水量的大范围调节。

相比传统采用蒸汽喷射泵的低温多效蒸馏海水淡化装置，采用本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，可以将海水淡化系统的能量利用效率从目前的约25％提高到60％，获得更高的造水比，实现能源的高效利用，达到节能环保的目的。

本发明的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统与现有低温多效蒸馏海水淡化系统在如下的工作条件下进行对比，

高压工作蒸汽14的参数为：0.33MPa，260℃

引射低压蒸汽13的参数为：0.0146MPa，53℃

混合蒸汽11的参数为：0.03MPa，69℃

可以看到：

(1)传统低温多效海水淡化工艺

在传统低温多效海水淡化工艺中利用蒸汽喷射泵TVC提高蒸汽利用率，高压工作蒸汽14进入蒸汽喷射泵12，抽吸一定量得引射低压蒸汽13，两者混合得到混合蒸汽11，进入首效蒸发器9中。

TVC泵的引射系数依据《石油化工蒸汽喷射式抽真空设计规范》(SH/T3118-2000)计算：

$\mathrm{\μ}=0.834\frac{W_{\mathrm{pk}}}{W_{\mathrm{ck}}}\sqrt{\frac{[1-{\left(\frac{p_H}{p_p}\right)}^{\frac{K_p-1}{K_p}}]\frac{K_p+1}{K_p-1}}{[1-{\left(\frac{p_H}{p_p}\right)}^{\frac{K_c-1}{K_c}}]\frac{K_c+1}{K_c-1}}}-1---\left(1\right)$

式中μ——喷射系数；

W_pk——高压工作蒸汽通过喷嘴喉管的临界速度(m/s)；

W_ck——混合蒸汽通过扩压室喉管的临界速度(m/s)；

K_p——高压工作蒸汽绝热指数，饱和蒸汽取1.135，过热蒸汽取1.30；

K_c——混合蒸汽绝热指数；

P_H——吸入气体压力(绝)(MPa)；

P_ρ——工作蒸汽压力(绝)(MPa)；

P_c——排出气体压力(绝)(MPa)。

$W_{\mathrm{pk}}=\sqrt{2\frac{K_p}{K_p+1}{P}_p{V}_p\×{10}^6}---\left(2\right)$

$W_{\mathrm{ck}}=\sqrt{2\frac{K_c}{K_c+1}{T}_c{R}_c}---\left(3\right)$

$K_c=\frac{1+\mathrm{\μ}\frac{M_p}{M_H}\·\frac{K_p-1}{K_H-1}\·\frac{K_H}{K_p}}{1+\mathrm{\μ}\frac{M_p}{M_H}\·\frac{M_p-1}{K_H-1}}\·K_p---\left(4\right)$

根据上述公式计算，在给定的高压工作蒸汽和引射低压蒸汽参数下，引射系数为0.7，即1吨工作蒸汽可以引射0.7吨引射低压蒸汽。

(2)采用膨胀机压缩机的淡化工艺

本发明中高压工作蒸汽14进入膨胀机19，进行膨胀的同时对外做功，膨胀后的低压工作蒸汽23被输入蒸发器；膨胀机做功推动压缩机21工作，将引射低压蒸汽13压缩，提高其温度压力后输入蒸发器中。

膨胀机中蒸汽膨胀做功，其对外输出功受膨胀机喷嘴性能、转子结构等因素的影响，目前膨胀机的效率在70％以上。

假设膨胀机效率为70％，出口压力为0.03MPa，则高压工作蒸汽14膨胀后，出口低压工作蒸汽23为93℃，焓值为2671.7kJ/kg

膨胀对外做功为进出口蒸汽焓差，

W＝ΔH＝H14-H23＝2987.30-2671.70＝315.6kJ/kg

假设膨胀机的能量利用效率为70％，压缩机的能量利用效率也为70％，则单位质量工作蒸汽膨胀输出的功传递给压缩机进行压缩的有用功为：

W_net＝315.6×70％×70％＝154.6kJ/kg

压缩机出口的压缩蒸汽22会有一定的过热度，假设压缩机出口的压缩蒸汽压力为0.03MPa，温度为74℃，过热度为5℃，则其焓值为2636.24kJ/kg。

压缩单位质量引射低压蒸汽13到压缩蒸汽22所需能量为

ΔH`＝H₂₂-H₁₃＝2636.24-2597.49＝38.75kJ/kg

因此，单位质量高压工作蒸汽14膨胀做功可压缩引射低压蒸汽量13为：

n＝W_net/ΔH＝154.6/38.75＝3.99

即1吨高压工作蒸汽膨胀可引射压缩约4吨引射低压蒸汽。

综上，膨胀机和压缩机的效率仅为70％的情况下，采用膨胀机压缩机海水淡化工艺比传统低温多效蒸馏海水淡化工艺的能量利用效率要高，前者单位质量工作蒸汽可引射的低压蒸汽是后者的5.7倍，可提高造水比，大大降低淡化产品水成本。

Claims (5)

1.一种采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，包括：

冷凝器(2)，用于将分别流入的原海水(3)和二次蒸汽(1)进行热交换后，分别排出热交换后的预热海水(6)和凝结水(5)，以及排放海水(4)；

蒸发器(24)，包括有依次串联设置的首效蒸发器(9)、多个中间效蒸发器(25)和末效蒸发器(7)，其中末效蒸发器(7)与冷凝器(2)相连，首效蒸发器(9)设置有混合蒸汽(11)的流入口，该蒸发器(24)用于将从首效蒸发器(9)流入的混合蒸汽(11)与冷凝器(2)排出的预热海水(6)进行逐效热交换，将热交换后末效蒸发器(7)产生的二次蒸汽(1)输入冷凝器(2)冷凝，将热交换后产生的淡水(8)、浓海水(10)和引射低压蒸汽(13)分别排出；其特征在于，还设置有：

膨胀机(19)，通过管路与蒸发器(24)的首效蒸发器(9)相连，用于将高压工作蒸汽(14)进行降压后排出给蒸发器(24)；

压缩机(21)，分别与蒸发器(24)的中间效蒸发器(25)或末效蒸发器(7)以及膨胀机(19)相连，该压缩机(21)在膨胀机(19)的驱动下，将中间效蒸发器(25)或末效蒸发器(7)排出的引射低压蒸汽(13)进行压缩后排出压缩蒸汽(22)，该压缩蒸汽(22)与膨胀机(19)排出的低压工作蒸汽(23)相混合后的混合蒸汽(11)通过管路送入蒸发器(24)的首效蒸发器(9)。

2.根据权利要求1所述的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，其特征在于，所述的压缩机(21)通过传动装置(20)与膨胀机(19)相连。

3.根据权利要求1所述的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，其特征在于，所述的压缩机(21)、膨胀机(19)采用离心式结构或采用螺杆式结构。

4.根据权利要求2所述的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，其特征在于，所述的压缩机(21)、传动装置(20)和膨胀机(19)为各自独立设置，或共同设置在一壳体内。

5.根据权利要求2所述的采用膨胀机和压缩机的蒸馏海水淡化系统，其特征在于，所述的传动装置(20)采用齿轮或皮带或链条实现膨胀机和压缩机之间的动力传递。

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