CN105731569A - 一种用于低温海水净化的塔内式真空精馏系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于低温海水净化的塔内式真空精馏系统。包括预处理段及净化段。预处理段包含过滤室、初次预热器及二次预热器。净化段包含精馏段，提馏段，绝热减压泵，分配器，填料，集液器，刮板式薄膜蒸发器，残液采出泵，净水采出泵，冷凝器，回流比控制器，真空泵；绝热减压泵分别设置在刮板式薄膜蒸发器蒸汽出口处及精馏塔进料位置上端；绝热减压泵置于精馏塔内，将泵的机械能用于降低塔底压力，并抵消各个塔节产生的压降，使各个塔节内的局部压降不会被整体累加，并能保持局部塔节的汽液平衡条件不影响精馏效果，大幅降低海水沸点，真正实现低压低温海水净化与淡化。适用于受高沸点有机物污染的海水，减小净化系统对水源水质的需求。

Description

一种用于低温海水净化的塔内式真空精馏系统

技术领域

本发明属于海水净化领域，更具体的说，涉及一种用于低温海水净化的塔内式真空精馏系统。

背景技术

淡水短缺和水污染已经成为一项全球范围的严峻挑战，并危及现代工业社会和人类生存。世界上目前有超过三分之一的人口生活在及其缺水的环境中，而这一比例预计会在十年内达到近三分之二。随着人口的急剧增长、工业化的推进、水污染的加剧、气候改变等等因素，能否提供充足且安全的饮用水越来越被人们所关心。海水淡化作为一种解决缺水问题的有力途径，在近几十年得到了迅速发展。

海水淡化指的是将海水中的盐分脱出而得到淡水的一种处理方法。目前的海水淡化方法多种多样，但最为重要的大致分为多级闪蒸法、多效蒸馏法、反渗透法三种。多级闪蒸法是将加热过的海水依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行闪蒸，再将蒸汽进行冷凝得到淡水。因其传热面上结垢较少且使用方便技术成熟，目前得到广泛使用。多效蒸发由多个单效蒸发组成的一种淡化方法。具体原理为前一效的蒸汽被引入下一效蒸发器作为加热蒸汽使用，并在下一效蒸发器中冷凝为淡水。多效蒸发由于结垢的问题限制了其使用，不过其能耗较低，仍有较大前景。反渗透法目前在海水淡化市场具有主导地位，其以压力作为驱动力，无需进行相变，所以能够以较低的能耗完成分离。但反渗透法对水质的要求较高，需要进行较深层次的预处理才能够实现淡化过程。

而近些年来，随着城市化的快速发展和人口的增长，海洋污染日益严重，入海流域周边的生活污水、工业废水、石油产品泄漏、海上石油开采、海水养殖的添加剂对我国近海造成了严重污染。这些受污染的海水经通常的海水淡化装置及工艺处理只能够脱出大部分盐类，而一些有机污染物无法被净化去除，若需净化受污染的海水，则需要繁琐的预处理和后处理过程，因此一种不仅能淡化还能够净化海水的系统是目前所迫切需要的。

能够以简便的预处理过程净化受污染海水的装置或工艺并不多见，海水净化的中国专利文献公开号为CN103041644A的专利公开了一种可移动污染水、海水净化装置，可以在受灾害时利用周边水域、污染水作为水源并对其进行净化，不仅可以提供饮用水还可以提供灭火压水。但该装置仅使用活性炭过滤器进行净化，毫无疑问净化能力有限，水源水质较好时只能作为应急使用，水质较差时甚至会导致无法使用。用于海水淡化的蒸发法多在真空条件下操作，目前此类装置或工艺众多，但存在预处理过程的高要求以及高能耗的缺点，并且多数装置只能进行淡化去盐分而对污染物束手无策。中国专利文献公开号为CN103739027A的专利公开了一种快速形成真空系统的低温多效海水淡化装置，可以在一定程度上缩短多效蒸发设备开启设备时的抽真空时间，因而节约了生产成本，避免了不必要的经济损失。但是该发明所带来的益处有限，将真空泵设于蒸发器中使得多效蒸发过程对水质的预处理要求进一步增加，并且蒸发后的水质在有机污染物去除方面并没有得到加强。本发明基于上述淡化、净化方法的基础上，设计了一种将绝热减压泵置于精馏塔中的、可用于低温海水净化的塔内式高真空精馏系统。

发明内容

本发明的目的为在蒸发法基础上克服现有技术能耗大、预处理过程复杂、对水源要求高、真空系统能量损失大等不足，以精馏塔内设置绝热减压泵来最大程度地抵消精馏塔内压降，建立塔内高真空精馏成套系统，提出一种能够有效降低能耗、降低水源水质需求的高真空精馏海水净化淡化理念。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种用于低温海水净化的塔内式高真空精馏系统，包括预处理段及净化段。海水因系统的高真空被输送到预处理段过滤除去其中的不溶性杂质，并进行两次预热。预热后的海水进入净化段进行精馏，在精馏塔底被刮板式薄膜蒸发器加热蒸发成蒸汽，经绝热减压泵进入精馏塔提馏段及精馏段进行净化。刮板式薄膜蒸发器中未被蒸发的海水被输送到预处理段，经预热器放热后排回取水处。蒸汽经传热传质被净化后进入塔顶冷凝器向循环冷却水放热冷凝，部分回到塔内进行传质传热，部分作为净水被输送到预处理段，经预热器换热冷却后送往净水储罐。

所述绝热减压泵置于精馏塔内，采用两叶或三叶罗茨转子，将泵的机械能用于降低塔底压力，并抵消各个塔节产生的压降，使各个塔节内的局部压降不会被整体累加，并能保持局部塔节的汽液平衡条件不影响精馏效果，大幅降低海水沸点，真正实现低压低温海水净化与淡化。

所述预处理段包含过滤室、初次预热器及二次预热器。所述过滤室一端直接与进海水管及水源相连，另一端通过冷海水管连接初次预热器；所述二次预热器一端连接初次预热器，一端连接精馏塔。所述净化段包含精馏段，提馏段，绝热减压泵，分配器，填料，集液器，刮板式薄膜蒸发器，残液采出泵，净水采出泵，冷凝器，回流比控制器，真空泵。所述绝热减压泵在塔内两处设置，分别为刮板式薄膜蒸发器蒸汽出口处及精馏塔进料位置上端；所述填料在塔内两处设置，分别位于精馏段及提馏段的分配器与集液器之间；所述刮板式薄膜蒸发器与精馏塔底相连；所述残液采出泵一端与刮板式薄膜蒸发器底部相连，一端与预处理段二次预热器相连；所述冷凝器蒸汽进口与精馏段相连，冷凝器上端与真空泵相连，冷凝器液体出口与回流比控制器相连；所述回流比控制器上端与冷凝器相连，下端与精馏段、净水采出泵相连；所述净水采出泵通过净水管与预处理段初次预热器相连。

所述初次预热器接受冷海水管的冷海水，并对其进行预热；所述二次预热器接受流经初次预热器的初次预热海水，并将二次预热海水送往精馏塔中，其中初次预热热源为精馏塔顶采出的净水，二次预热热源为精馏塔底的浓海水。

所述净化段在低压低温下对海水进行净化，除去受污染海水中的有机物并得到净水；所述刮板式薄膜蒸发器内含换热夹套，夹套外的热物流进口与热物流出口与供热物流相连，为海水的蒸发提供能量；所述残液采出泵将浓海水送往浓海水管，并与预处理段二次预热器相连，为二次预热提供热源；所述冷凝器与精馏段、真空泵、回流比控制器直接相连，以循环冷水作为冷源，冷凝蒸汽；所述回流比控制器接受冷凝下来的净水，并将部分净水回流至精馏段，部分净水进入净水采出泵；所述净水采出泵与回流比控制器相连，将净水输送至净水管，并与预处理段初次预热器相连，为初次预热提供热源。

所述热物流进口处设有温度检测器。

所述刮板式薄膜蒸发器设有压力检测器。

所述真空泵设置有精密泄压阀。

所述进海水管设置有节流阀及流量计。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、所述绝热减压泵置于塔内，克服了塔内压力降，使得刮板式薄膜蒸发器在高真空度下运行，极大减小了海水沸点，使得低品位热源的使用成为了可能，降低了净化成本；所述绝热减压泵所消耗的能量部分用来降低塔内压力并克服塔内压降，并小幅提升气相温度，部分被回流液相所吸收，整个过程极为节能。在气温稍高时，甚至可以利用环境给热对海水进行淡化。

2、所述填料及回流比控制器的存在，使得传统的蒸发制淡水过程变为精馏制净水的过程，使得该系统十分适用于受高沸点有机物污染的海水，减小了净化系统对水源水质的需求。

3、所述预处理段无输送泵存在，海水完全依靠系统真空输送，使过程得到简化；过滤室后的真空系统使得过滤过程被加速，缩短了预处理所需时间。

4、所述刮板式薄膜蒸发器的蒸发面设有刮板，有效减少蒸发面的结垢现象；所述刮板式薄膜蒸发器下端设有过滤板，能够一定程度上减轻残液采出泵的损耗，同时减少预热器的结垢现象。

5、所述初次预热及二次预热过程所用热源均为系统内部提供，减少了外部冷源和热源的使用，减少了能耗。

6、所述真空泵可通过精密泄压阀控制塔内真空度，从而控制海水沸点，使得系统能够适用于不同气候环境。

附图说明

图1是本发明的各工段连接示意图。

图2是本发明中精馏塔结构示意图。

图中，1、过滤室；2、初次预热器；3、二次预热器；4、提馏段；5、精馏段；6、冷凝器；7、回流比控制器；8、刮板式薄膜蒸发器；9、残液采出泵；10、净水采出泵；11、真空泵；12、进海水管；13、净水管；14、出净水管；15、节流阀；16、浓海水管；17、出海水管；18、热物流进口；19、热物流出口；20、冷海水管；21、提馏段绝热减压泵；22、精馏段绝热减压泵；23、提馏段集液器；24、精馏段集液器；25、提馏段填料；26、精馏段填料；27、提馏段分配器；28、精馏段分配器。

具体实施方式

一种可用于低温海水净化的塔内式高真空精馏系统，其中包括预处理段以及净化段。

参照附图1、2，所述预处理段包含过滤室1、初次预热器2及二次预热器3。所述过滤室1一端直接与进海水管12及水源相连，另一端通过冷海水管20连接初次预热器2；所述二次预热器3一端连接初次预热器2，一端连接精馏塔。

参照附图1、2，所述净化段包含提馏段4，精馏段5，冷凝器6，回流比控制器7，刮板式薄膜蒸发器8，残液采出泵9，净水采出泵10，真空泵11，提馏段绝热减压泵21，精馏段绝热减压泵22，提馏段集液器23，精馏段集液器24，提馏段填料25，精馏段填料26，提馏段分配器27，精馏段分配器28。所述提馏段绝热减压泵21置于刮板式薄膜蒸发器8蒸汽出口处；所述精馏段绝热减压泵置22于精馏塔进料位置上方；所述提馏段填料25位于提馏段分配器27与提馏段集液器23之间，精馏段填料26位于精馏段分配器28与精馏段集液器24之间；所述刮板式薄膜蒸发器8上端与精馏塔底相连；所述残液采出泵9一端与刮板式薄膜蒸发器8底部相连，一端与预处理段二次预热器3相连；所述冷凝器6蒸汽进口与精馏段5相连，冷凝器6上端与真空泵11相连，冷凝器6液体出口与回流比控制器7相连；所述回流比控制器7上端与冷凝器6相连，下端与精馏段5、净水采出泵10相连；所述净水采出泵10通过净水管与预处理段初次预热器2相连。

所述初次预热器2接受冷海水管20的冷海水，并对其进行预热；所述二次预热器3接受流经初次预热器2的初次预热海水，并将二次预热海水送往精馏塔中，其中初次预热热源为精馏塔顶采出的净水，二次预热热源为精馏塔底的浓海水。进海水管12的流量由节流阀15控制。

所述刮板式薄膜蒸发器8内含换热夹套，夹套外的热物流进口18与热物流出口19与供热物流相连，为海水的蒸发提供能量；所述残液采出泵9将浓海水送往浓海水管16，并与预处理段二次预热器3相连，为二次预热提供热源；所述冷凝器6与精馏段5、真空泵11、回流比控制器7直接相连，以循环冷水作为冷源，冷凝蒸汽；所述回流比控制器7接受冷凝下来的净水，将部分净水回流至精馏段5，部分净水进入净水采出泵10；所述净水采出泵10与回流比控制器7相连，将净水输送至净水管13，并与预处理段初次预热器2相连，为初次预热提供热源。

所述提馏段绝热减压泵21、精馏段绝热减压泵22采用两叶或三叶罗茨转子；所述提馏段绝热减压泵21、精馏段绝热减压泵22采用罗茨齿形。

所述热物流进口处18设有温度检测器。

所述刮板式薄膜蒸发器8设有压力检测器。

所述真空泵11设置有精密泄压阀。

所述进海水管12设置有节流阀15及流量计。

由于塔内的极高真空度，所述供热物流可以使用低品位热源，例如蒸汽余热、太阳能加热等。本实施例以太阳能集热器为例，以一个具体的实施例对本发明做出详细的说明。

本实施例中，所述太阳能集热器与刮板式薄膜蒸发器8相连，通过水泵将太阳能集热器中的热水打入热物流进口18，热水与海水进行换热后从热气流出口19离开并回到太阳能集热器中进入下个换热循环。给热工质为水，能量来源为太阳能，净水产量虽不如蒸汽余热加热，但极大节约了海水淡化成本。

本实施例中，所述海水含有的污染物包括马拉硫磷以及少量丙烯酸、戊二醛、石油类污染物。

净化工作过程分为如下步骤：

1、提前打开太阳能集热器及其水泵为刮板式薄膜蒸发器8预热3h。系统开始运行时，打开真空泵11、塔内提馏段绝热减压泵21及精馏段绝热增压泵22，进海水管12开始吸入海水。

2、系统稳定运行时，通过节流阀15控制海水流量为500kg/h。进海水管12中的海水在预处理段进行预处理。首先经过过滤室1进行过滤，除去海水中的不溶性物质以保障后续设备的正常运行；接着经冷海水管20到初次预热器2中进行换热，通过与采出的净水进行热交换而得到初次预热；最后在二次预热器3中，进料海水与来自精馏塔底的浓海水进行热交换得到二次预热。

3、进入精馏塔中的海水部分汽化上升，与塔内蒸汽一起经过精馏段绝热减压泵22，以保证塔中的较高真空度，上升蒸汽在精馏段填料26中与回流净水进行传质，除去高沸点有机物；另一部分则通过提馏段填料25下降并到达提馏段4的提馏段绝热减压泵21内，再继续通过提馏段绝热减压泵21内一对齿轮的间隙向下流动，并吸收提馏段绝热减压泵21所释放的热量，最终通过精馏塔提馏段4进入刮板式薄膜蒸发器8，刮板式薄膜蒸发器8的压力为3KPa，转速为60r/min；太阳能集热器中所产生的热水进入刮板式薄膜蒸发器8的夹套中为海水的蒸发提供能量，热物流进口处18的温度为60℃左右，随时间变动；在刮板式薄膜蒸发器8中海水被加热汽化后上升，并通过提馏段绝热减压泵21提供的高真空依次进入精馏塔提馏段4、精馏段5，与上方流下来的液体实现气液传质从而起到净化作用，精馏段填料26及提馏段填料25的高度均为1m，填料类型均为θ环散堆填料；精馏塔中的气相最终经精馏塔顶进入到冷凝器6中，并在冷水冷却作用下液化；在回流比控制器7的控制下，净水部分回流进入塔中进行传质传热并吸收提馏段绝热减压泵21及精馏段绝热减压泵22释放出的热量，部分由净水采出泵10经净水管13被输送至初次预热器2放热，此过程回流比为0.5；放热后的净水经出净水管14流入净水储罐；刮板式薄膜蒸发器8中未蒸发的海水经过过滤板，过滤掉由刮板刮下的固体残渣，而后浓海水经残液采出泵9输送到二次预热器3中，为冷海水提供热量。

4、检测净水储罐中所收集净水的污染物含量，如下表所示。表面所采出的净水符合GB5749-2006饮用水标准。进料海水中所含污染物绝大部分随浓海水排往取水处。进料海水中所含盐分部分被刮板式薄膜蒸发器8种的过滤板所截留，部分随浓海水排往取水处。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种用于低温海水净化的塔内式真空精馏系统；其特征是预处理段及净化段；预处理段包含过滤室、初次预热器及二次预热器；过滤室一端直接与进海水管及水源相连，另一端通过冷海水管连接初次预热器；二次预热器一端连接初次预热器，一端连接精馏塔；所述净化段包含精馏段，提馏段，绝热减压泵，分配器，填料，集液器，刮板式薄膜蒸发器，残液采出泵，净水采出泵，冷凝器，回流比控制器，真空泵；绝热减压泵在塔内两处设置，分别为刮板式薄膜蒸发器蒸汽出口处及精馏塔进料位置上端；填料在塔内两处设置，分别位于精馏段及提馏段的分配器与集液器之间；刮板式薄膜蒸发器与精馏塔底相连；残液采出泵一端与刮板式薄膜蒸发器底部相连，一端与预处理段二次预热器相连；冷凝器蒸汽进口与精馏段相连，冷凝器上端与真空泵相连，冷凝器液体出口与回流比控制器相连；回流比控制器上端与冷凝器相连，下端与精馏段、净水采出泵相连；净水采出泵通过净水管与预处理段初次预热器相连。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是所述绝热减压泵采用两叶或三叶罗茨转子。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是所述热物流进口处设有温度检测器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征是所述刮板式薄膜蒸发器设有压力检测器。

5.如权利要求1所述的系统，其特征是所述真空泵设置有精密泄压阀。

6.如权利要求1所述的系统，其特征是所述进海水管设置有节流阀及流量计。