CN1255325C - 海水或苦咸水的增湿－去湿淡化装置与过程 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增湿-去湿淡化装置与过程，属于海水或苦咸水淡化技术。该装置的主体为一个由换热管和壳体构成的立式换热器，其上封头设有辅助加热连通管，封头内的换热管端开设小孔或管端开设缺口，在换热管与壳体之间间隙设置折流档板，壳体的下封头上设有载气进口和浓盐水出口。换热管采用高分子材料或金属材料。实现海水或苦咸水的增湿-去湿淡化过程：海水或苦咸水沿换热管内壁自上而下流动，载气由换热管下端引入，自下而上流动并不断被增湿，之后进入壳程经冷却去湿得到淡水。与现有技术相比，本发明提供的增湿-去湿淡化工艺与装置具有热效率高、设备简单、规模灵活、投资小、操作简单、利用太阳能等低位热能方便等优点。

Description

海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置与过程
                          技术领域
本发明涉及一种增湿-去湿淡化装置与过程，属于海水或苦咸水淡化技术。
                          背景技术
普通的增湿-去湿淡化工艺是在太阳能蒸馏器的基础上发展而来的，它将蒸发设备与冷凝设备分离，分别控制各自的温度，在蒸发设备中用盐水增湿空气，在冷凝设备中使湿空气冷凝去湿得到淡水。该过程可以通过各种不同型式的蒸发设备和冷凝设备来实施。如ZL98232617.3采用一种纸张交叉式纸蜂窝结构或多孔陶瓷结构的蒸发设备为核心部件，与另外一个冷凝设备和其它辅助设备组成了一套增湿-去湿淡化系统。
然而，在这些普通的增湿-去湿淡化系统中，蒸发增湿过程和冷凝去湿过程分别在两个分离的设备中完成，这使得整个淡化系统比较复杂，投资也相应比较大。而且，由于蒸发增湿过程需要消耗大量的汽化潜热，在一个分离的蒸发设备中，这些汽化潜热只能由进料海水或苦咸水的显热提供，这就从能量供给上限制了盐水的汽化量，进而制约了淡水产量；与此同时，在冷凝设备中，大量冷凝潜热则被浪费，或仅仅用低效率的大温差传热方式预热进料补充水，这也制约了过程热效率的提高。
增湿-去湿淡化过程是在沸点以下操作的过程，因此选用一些廉价易得的高分子材料作为换热元件是降低装置造价的有效途径之一。有人用多层平板聚酯高分子薄膜组成压紧板框式换热结构，但出于换热效率考虑，高分子膜只能采用很薄的厚度，为避免其在受热操作时松弛变形导致相邻层的薄膜粘贴在一起，相邻层之间必须保持足够的距离，这使得整个设备在单位体积内的有效传热面积大大减小。平板薄膜结构型式的另一个缺点是整个设备的密封困难，且很难进行有效的传热强化。
                          发明内容
本发明的目的在于提供一种海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置。该装置设备简单、结构紧凑，过程操作简便、投资少。
本发明是通过下述的技术方案加以实现的。用于海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置，该装置包括换热器和气水分离器，其特征在于：换热器由换热管1和壳体2构成立式管壳式结构；壳体的上端设有封头4，它的顶端与壳体上部设有连通管7，该管上开设辅助加热口6，该封头内的换热管端伸出高于管板，且在其管壁上开设小孔或管端开设缺口；在换热管与壳体之间间隙设置折流档板9；壳体的下端设置下封头11，其上设有载气进口14和浓盐水出口13。
上述壳体内的换热管至少2根，换热管的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或聚酰胺；或是金属的钛、铜、铝、钛合金、铜合金或铝合金；换热管内径为1～15mm，壁厚为0.05～0.5mm，长度为1～5m。
采用上述的装置，实现海水或苦咸水的增湿-去湿淡化过程：海水或苦咸水沿换热管内壁自上而下流动，空气，氮气或二氧化碳载气体由换热管下端引入，自下而上流动，气夜两相不断接触，载气不断被增湿，然后进入壳程，经冷却去湿，气液混合物流至壳体外部经气液分离后得到淡水，其特征在于：进料海水或苦咸水的温度为50～95℃，换热管内盐水的降膜负荷(单位长度润湿周边上单位时间内流过的进料盐水的质量)为0.0001～0.01kg m-2s-1，操作气液比(载气中的干空气与进料水的质量流量之比)为0.1～2，外加热量折合的纯蒸汽质量流量与干空气的质量流量之比为0～0.2，单位传热面积上的冷凝淡水的产量为0.05～3.0kg m-2h-1。
本发明所提供的载气脱盐工艺，与现有技术相比，其主要优点在于装置热效率高，单位传热面积的产量大，常压操作，装置规模灵活，投资小，操作简单，利用太阳能等低位热能方便等。
                          附图说明
图1是本发明装置结构的示意图。
图中：
1-换热管；2-壳体；3-热盐水进口；4-上封头；5-湿气体出口；6-辅助加热口；7-连通管；8-冷凝气体进口；9-折流档板；10-冷凝气体和淡水出口；11-气水分离器；12-下封头；13-浓盐水出口；14-载气进口。
                          具体实施方式
采用如图1所示的管壳式结构的淡化装置，操作时该装置竖直放置。其中蒸发增湿过程在换热器的管程完成，冷凝去湿过程在换热器的壳程完成。经过预热的进料海水或苦咸水从热盐水进口3引入上封头4内，通过溢流，或者通过特殊设计的液体分布装置，使海水或苦咸水均匀分布进入管内，并靠重力作用沿管内壁降膜流动。进料水的温度一般在50～95℃之间，流量则视设备换热管数目和直径的不同而不同，通常降膜负荷在0.0001～0.01kg m-2s-1之间，以0.0008～0.008kg m-2s-1为佳。载气由风机自下封头12上的载气进口14引入管程，其适宜流量随进料水流量变化，通常操作气液比在0.1～2之间。载气在管内自下而上流动，与覆盖在管子内壁的盐水逆流接触，使得盐水表面附近的水蒸汽被不断带走，一部分盐水也在汽液界面不断汽化以补充带走的水蒸汽。而自壳程传递过来的热量也不断被盐水吸收，以补充蒸发消耗的潜热。这里盐水不断汽化的过程，也是载气不断被增湿的过程。部分蒸发后的浓盐水从管子下端流出，在下封头汇集后由浓盐水出口13直接排放或循环利用。载气在管内被增湿后，得到的混合气体从管子上端离开，在上封头汇集后由湿气体出口5通过连通管7引入壳程。进入壳程的混合气体自上而下不断冷却，其中携带的大部分水蒸气则冷凝成淡水，而冷凝潜热则通过管壁传递到管内被蒸发过程再利用。最后，载气和冷凝淡水从出口10离开，经由气水分离器11后收集冷凝淡水，载气则被直接排放或循环利用。
为了建立壳程与管程之间的传热温差，可以在管程增湿得到的混合气体进入壳程冷凝之前，将其温度稍加提高。这可以通过由辅助加热口6引入一定量的外加纯蒸汽来实现，也可以在连通管7上设置一中间容器，通过热交换的形式来实现。这一温度的提高幅度一般在5℃以下，操作汽气比为0～0.2。
本发明所提供的这种增湿-去湿淡化装置与气液操作模式，通过热传递将冷凝过程与蒸发过程耦合起来，有效地将壳程冷凝潜热传递到管程，为蒸发盐水提供汽化潜热，既强化了增湿过程，提高了淡水产量，也使得过程的热利用效率较普通的增湿-去湿工艺大大提高。
以下是本发明的一个实施例。换热器的换热管束由73根紫铜管组成，管子规格为：外径6mm，壁厚0.25mm，长2400mm。紫铜管按正三角形方式排列，有效换热面积为2.75m2。壳体内径78mm，外径90mm，材质为聚丙烯。壳程均匀设置有40个折流挡板。不同操作条件下的淡水产量数据如下表所示：
表一、不同操作条件下载气脱盐过程的冷凝水产量
  载气流量(kg/h)   盐水流量(kg/h)   盐水进口温度(℃)   外加蒸汽流量(kg/h)   冷凝水产量(kg/h)
  3.567.129.49   7.8211.7311.73   87.080.781.5   0.100.150.15   1.1881.3581.789
可见，使用较小的传热面积和很少量的外加蒸汽，小型脱盐装置的产量能达到0.6kg/m2h以上，而现有技术的这一指标多数在0.2kg/m2h以下。

Claims (3)

1.一种海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置，该装置包括换热器和气水分离器，其特征在于：换热器由换热管(1)和壳体(2)构成立式管壳式结构；壳体的上端设有封头(4)，它的顶端与壳体上部设有连通管(7)，该管开设辅助加热口(6)，该封头内的换热管端伸出高于管板，且在其管壁上开设小孔或管端开设缺口；在换热管与壳体之间间隙设置折流档板(9)；壳体的下端设置下封头(12)，其上设有载气进口(14)和浓盐水出口(13)。
2.根据权利要求1所述的海水或苦咸水的增湿-去湿淡化装置，其特征在于：壳体内的换热管至少2根，换热管的材质为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚四氟乙烯或聚酰胺；或是金属的钛、铜、铝、钛合金、铜合金或铝合金；换热管内径为1～15mm，壁厚为0.05～0.5mm，长度为1～5m。
3.一种采用权利要求1所述的装置，实现海水或苦咸水的增湿-去湿淡化过程：海水或苦咸水沿换热管内壁自上而下流动，载气由换热管下端引入，自下而上流动并不断被增湿，之后进入壳程经冷却去湿得到淡水，特征在于：进料海水或苦咸水的温度为50～95℃，换热管内盐水的降膜负荷为0.0001～0.01kg m-2s-1，操作气液比为0.1～2，外加热量折合的纯蒸汽质量流量与干空气的质量流量之比为0～0.2，单位传热面积上的冷凝淡水产量为0.05～3.0kg m-2h-1。
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