CN1837075A - 一种低温多效海水淡化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温多效海水淡化方法，特别是一种将热泵节能技术高效应用于海水淡化的新方法。应用该方法的海水淡化系统共有n效蒸发器(n＝2～50)和一个冷凝器，另外还包括进料海水、循环盐水、产品水、真空及不凝气去除、热泵循环和启动加热六个子系统。该发明根据不可逆过程热力学原理，通过将封闭式循环热泵系统的蒸发器、冷凝器与低温多效海水淡化系统的有机结合，以及对低温多效海水淡化系统中能量回收环节的特殊设计，最大限度地减少海水淡化所涉及的各种热传递过程的不可逆损失，从而使整个海水淡化过程的熵增最小，实现高效节能的海水淡化过程。

Description

一种低温多效海水淡化方法

技术领域：

本发明专利涉及一种高效节能的海水淡化方法，尤其是涉及一种将封闭式热泵循环的节能技术高效应用于低温多效海水淡化系统的新方法，即低温多效海水淡化方法。

技术背景：

目前，国际上海水淡化应用的技术主要是热法和膜法，又分别称为蒸馏法和反渗透法。蒸馏法就是将海水变成蒸汽，蒸汽冷却而得到高纯度淡水。根据蒸发冷却的方式不同，蒸馏法通常分成多级闪蒸、多效蒸馏及蒸汽压缩蒸馏(也称压气蒸溜)三种。其中，多级闪蒸是将热海水突然减压，产生蒸汽而得到淡水。多效蒸馏是在蒸汽冷却的同时，持续蒸发进而得到淡水。蒸汽压缩蒸馏法工作原理是：蒸汽被压缩后，压力增高，温度也随之上升。根据这个原理，可将压缩机的机械功转化为海水蒸发所需要的热能。对于二效蒸汽压缩蒸馏装置而言，可用第一效的二次蒸汽加热第二效的海水；但是第二效的二次蒸汽的压力和温度都比较低，必须用压缩机提高其压力和温度之后，才能用来加热第一效的海水。蒸汽压缩蒸馏海水淡化法的热功效率比其他两种蒸馏法高得多，而且能直接用柴油机驱动，单位体积产量高，很适用于舰艇、岛屿和野战的条件。但由于受压缩机容量的限制，目前压汽蒸溜装置的产量受到限制，一般以日产几千吨淡水以下的规模较适宜。反渗透法就是在一定压力下(60公斤/平方厘米)，将海水压入反渗透膜，这种膜只允许海水中的水分子透过，而将绝大部分盐分子截住，从而得到淡水。

就目前的技术而言，对于反渗透海水淡化，影响成本最大的因素是电力费用，其次是药剂费和膜更换费用。对于低温多效蒸馏和多级闪蒸海水淡化，影响成本最大的因素是蒸汽费用，其次是电力费用。降低能耗是海水淡化无法回避的问题，也是降低海水淡化成本的关键因素之一。寻找一种低能耗生产高质量淡水的方法，一直是人们在海水淡化领域努力探索的方向。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，力图寻求从不可逆过程热力学的角度对海水淡化过程进行较全面的优化，提出一种能使各种不可逆损失达到最小，即高效节能的海水淡化的系统方法。

为了实现上述目的，本发明提出一种将热泵节能技术高效应用于海水淡化的新方法，该方法将封闭式循环热泵系统的蒸发器、冷凝器与低温多效海水淡化系统有机结合起来；还根据不可逆过程热力学原理，对低温多效海水淡化系统中几个重要的热交换环节进行了特殊设计。这一方案最大限度地减少海水淡化所涉及的各种不可逆损失，从而使整个海水淡化过程的熵增最小，实现高效节能的海水淡化过程。

本发明的海水淡化系统方法共有n效蒸发器(n＝2～50)和一个冷凝器，另外还包括进料海水、循环盐水、浓盐水、产品水、真空及不凝气去除、热泵循环和启动加热七个子系统。其总体技术方案是：将封闭式热泵循环系统的蒸发器放置在低温多效海水淡化系统的冷凝器中，吸收从第n效蒸发器来的低压水蒸汽的热量，将其冷凝为淡水，同时回收其热能；热泵系统的工质获得能量汽化后，被吸入热泵系统的压缩机，实现升压增能后，又被送入到热泵系统的冷凝器，该冷凝器放置在低温多效海水淡化系统的第1效蒸发器中，在这里，热泵系统的工质将较高温度的高品位热能提供给循环海水，使第1效蒸发器的循环海水汽化，产生了较高压力的水蒸汽；该水蒸汽被输送到第2效，作为第2效蒸发器的加热蒸汽源，在第2效蒸发器中冷凝为淡水，同时使第2效的循环海水汽化，产生了新的水蒸汽，被输送到第3效，作为第3效蒸发器的加热蒸汽源；依次将各效蒸发器串接相连，直到低温多效海水淡化系统的冷凝器，将热量再次传递给热泵系统的蒸发器，形成循环，使海水淡化过程一直进行下去。

本发明采用独特的浓盐水、淡水排放能量回收系统，通过将各效蒸发器排出的浓盐水、淡水与各效蒸发器所需补充海水的有机组合换热，使换热过程的减少熵增，实现最高效的能量回收，同时也保证了供给补充水的温度升高，最大限度地提高每一效的水蒸气产量。

本发明有机地将蒸馏和闪蒸过程结合起来，各效的循环盐水和淡化水都拥有独立的储水罐，在储水罐中的部分过热水发生闪蒸，闪蒸气体被回收到同一效蒸发器壳体中，与该效蒸发器产生的蒸汽同作为加热蒸汽源送到下一效。该设计既有效回收了能量，增加了淡水产量，还有效避免了循环水泵与浓盐水排水泵的汽蚀现象。

本发明从第1效到第n效蒸发器，每一效都设有其独立的海水循环水泵，该方案避免了不同温度的海水混合过程产生的不可逆损失，进一步达到了节能的功效。本发明在热泵系统中，装有专门为系统启动而设计的从海水中吸热的蒸发器，通过热泵系统可为启动过程提供更多的能量，以降低启动过程的能耗。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是与蒸汽压缩蒸馏法相比，由于采用的压缩机体积大幅度缩小(缩小近百倍)，可实现大容量高效率的海水淡化；二是与蒸汽压缩蒸馏法相比，通过对热泵系统的优化设计和科学控制，能够提高或调节第1效蒸发器与第n效蒸发器之间的水蒸气蒸发压力差(或蒸发温度差)，有效增加蒸发器效数，使海水淡化装置的产汽量增大；三是与蒸汽压缩蒸馏法相比，热泵压缩机比水蒸汽压缩机更容易实现优化设计，使压缩过程的不可逆损失会更低，达到更好的节能效果；四是实现了对补充海水的高效加热，使换热过程的熵增最小，提高了每一效水蒸气的产量；五是将海水的蒸馏和闪蒸有机结合起来，有效回收了能量，增加了淡水产量，避免了循环水泵与浓盐水排水泵的汽蚀现象；六是每一效蒸发器都有其独立的循环水泵，避免了不同温度的盐水混合过程产生的不可逆损失，达到了节能的效果；七是特殊设计的系统启动，充分利用了热泵系统有效放大能量的优势，减少了启动过程的能耗；八是所产生的淡水质量高，无需任何处理便可直接作为类似锅炉用水之类的高端工业用水，还可作为供人直接饮用的纯净水。

附图说明：

图1为应用本发明实现海水淡化过程的工作原理流程图。

图2为第1效蒸发器的结构原理示意图。

图3为第2效到第n效蒸发器的结构原理示意图。

图4为本发明实现海水淡化作用系统的冷凝器结构原理示意图。

具体实施方式：

本发明实施所用系统中涉及的封闭式热泵循环系统、低温多效海水淡化系统的蒸发器和冷凝器为实现海水淡化的必备装置。整个系统的主要部件包括：海水供给泵1，化学电位除去器2，热泵系统压缩机3，真空泵4，真空排气-海水热交换器5，冷凝器真空调节阀6，第n效蒸发器真空调节阀7，第3效蒸发器真空调节阀8，第2效蒸发器真空调节阀9，第1效蒸发器真空调节阀10，第n效蒸发器循环海水泵11，第3效蒸发器循环海水泵12，第2效蒸发器循环海水泵13，第1效蒸发器循环盐水泵14，冷凝器15，第n效蒸发器16，第3效蒸发器17，第2效蒸发器18，第1效蒸发器19，第n效蒸发器盐水罐20，第3效蒸发器盐水罐21，第2效蒸发器盐水罐22，第1效蒸发器盐水罐23，淡水水泵24，淡水、海水换热器25，冷凝器但水罐26，第n效蒸发器淡水罐27，第3效蒸发器淡水罐28，第2效蒸发器淡水罐29，浓盐水排出泵30，第n效蒸发器淡水、浓盐水、补充海水换热器31，第3效蒸发器淡水、浓盐水、补充海水换热器32，第2效蒸发器淡水、浓海水、补充海水换热器33，第1效蒸发器浓盐水、补充海水换热器34，海水排出管35，系统启动过程热泵蒸发器36，制冷工质管37，系统启动海水泵38，化学电位除去器39，系统启动阀(系统启动过程中打开)40，正常工作阀(正常工作时打开)41，热泵系统节流膨胀阀42，热泵系统干燥过滤器43，热泵系统储液罐44，真空抽气管45，布水器46，循环盐水进口管47，挡水板48，制冷剂冷凝管束49，制冷剂进口管50，支撑板51，热泵系统冷凝器52，支撑板53，制冷剂出口管54，海水闪蒸蒸汽接入管55，隔板56，浓盐水排出管57，端部连接法兰58，真空抽气管59，循环盐水进口管60，密封板61，挡水板62，布水器63，挡水板64，淡水箱65，密封板66，水蒸气冷凝管束67，支撑板68、69，管端固定板70，端部法兰71，淡水、盐水闪蒸蒸汽接入口72，淡水排出管73，浓盐水排出管74，冷凝器制冷剂出口管75，冷凝器制冷剂进口管76，端部法兰77，蒸汽导流板78、79、80、81、82，挡水板83，蒸汽导流板84，管端固定板85，淡水排出管86，正常工作时热泵系统的蒸发器87，并按设计规则要求连通组合成能实现海水淡化的系统。

本发明方法的海水淡化系统包括进料海水子系统、循环盐水子系统、产品水子系统、浓盐水子系统、真空及不凝气去除子系统、热泵循环子系统和启动加热子系统七个部分，各子系统的工作原理及功效为：

进料海水子系统：经过初步处理的海水由海水供给泵1送入系统，首先经过化学电位除去器2去除重金属离子，然后依次进入真空排气、海水热交换器5、淡水、海水换热器25，吸收排气及淡水的热量，再进入第n效蒸发器淡水、浓盐水、补充海水换热器31，吸收该效换热器中淡水与浓盐水的热量，随后，一部分作为补充海水被送到第n效蒸发器海水罐，另一部分被送至第上一效蒸发器淡水、浓盐水、补充海水换热器；……；如此逐效向前直到第1效。该子系统逐效回收热量，降低了换热过程的不可逆损失，为各效蒸发器提供了较高能量品味的补充海水。

循环盐水子系统：每效蒸发器都有其独立的循环盐水子系统。以第n效为例，从第n效蒸发器16排出的循环盐水进入第n效蒸发器盐水罐20，在此盐水罐中，部分盐水作为浓盐水排出到第n效蒸发器淡水、浓盐水、补充海水换热器31，其部分与来自换热器31的补充海水混合，再由循环盐水泵11送回第n效蒸发器16中，实现了盐水循环。

产品水子系统：第2效到第n效蒸发器及冷凝器都有淡水排出。在第2效蒸发器18中冷凝下来的淡水首先进入第2效蒸发器淡水罐29，部分淡水进一步蒸发，产生的蒸汽送回该效蒸发器中作为下一效的加热蒸汽；未蒸发的淡水排入到换热器33，将热量传递给补充海水后进入下一效的蒸发器淡水罐28，与在第3效蒸发器17中冷凝下来的淡水混合；如此，逐效向后直到进入冷凝器淡水罐26，最后经淡水、海水换热器25进一步回收热量后由淡水水泵24送出。该子系统将淡水热量逐级回收，降低了换热过程的不可逆损失，并最终将淡水经淡水泵送出。

浓盐水子系统：从第1效盐水罐23排出的浓盐水，进入浓盐水、补充海水换热器34，将热量传递给补充海水后进入第2效淡水、浓盐水、补充海水换热器33，与从第2效盐水罐22排出的浓盐水混合，共同将热量传递给补充海水后，排入下一效淡水、浓盐水、补充海水换热器中，如此逐效排出，直到进入浓盐水派出泵30。该子系统将浓盐水热量逐级回收，降低了换热过程的不可逆损失，并将浓盐水排出。

真空及不凝气子系统：各效蒸发器及冷凝器，与真空抽气系统通过调节阀门相连。系统启动时，真空泵4将系统中空气抽出，形成初始真空环境，各效蒸发器的真空度由各效的真空调节阀控制；系统正常运行后，真空泵仍然工作，抽除海水淡化过程产生的不凝性气体，维持各效蒸发器及冷凝器的正常工作真空度。

热泵循环子系统：从压缩机3排出的高温热泵工质气体进入第1效蒸发器19，将热量传递给循环盐水，冷凝的热泵工质，流经储液罐44、干燥过滤器43，再由节流膨胀阀42节流降压，进入冷凝器15吸收来自第n效蒸发器16的低温低压水蒸汽热量，蒸发气化，重新被压缩机3吸入压缩，开始下一循环。该子系统有效吸收了末效低压水蒸气的汽化潜热，并通过热泵循环提高其能量品味，将高品味热能传递给第1效蒸发器。

启动加热子系统：系统启动时，启动阀40开，正常工作阀41关闭，节流后的热泵工质进入启动过程热泵蒸发器36，吸收由启动海水泵送入的海水的热量。该子系统充分利用了热泵系统有效放大能量的优势，从海水中获取热量，减少了启动过程的能耗。

下面结合实例对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：一种实现本发明方法的设备装置，其主要部件包括由冷凝器52、压缩机3、正常工作蒸发器87、启动过程蒸发器36、节流膨胀阀42、热泵系统储液罐44、干燥过滤器43等构成的封闭式热泵循环系统，由第1效蒸发器19、第2效蒸发器18、第2效蒸发器17、……、第n效蒸发器16、冷凝器15等构成的低温多效海水淡化主体部分，由蒸发器海水罐20、21、22、23和蒸发器淡水罐26、27、28、29等构成的闪蒸能量回收部分，由海水供给泵1，浓盐水排出泵30，海水循环泵11、12、13、14，启动海水泵38等构成的水循环动力部分，以及由启动阀门40、工作阀门41、调节阀6、7、8、9、10，海水排出管35、制冷工质管37等构成的系统辅助部分。

由第1效蒸发器19产生的水蒸汽经挡水板48去除携带的盐水水滴后，进入第2效蒸发器18，作为第2效蒸发器18的加热蒸汽源，为第2效的海水蒸发提供能量，而第2效蒸发器18产生的水蒸汽经挡水板62去除携带的海水水滴后，进入第3效蒸发器17，作为第3效蒸发器17的蒸汽源，为第3效的海水淡化提供能量；以此类推直到第n效。第n效蒸发器16产生的水蒸汽经挡水板62去除携带的盐水水滴后，进入冷凝器15，在这里，低压水蒸气将潜热热能全部传递给热泵系统的正常工作蒸发器87内的热泵工质，吸热后的热泵工质由液体转化为气体后进入热泵压缩机3，被升压增能后，传送到第1效蒸发器19的热泵系统冷凝器52中，为第1效蒸发器19的海水淡化提供能量，产生较高压力的水蒸汽，作为后面各效蒸发器实现海水淡化的原始气源。

封闭式热泵循环系统的工作过程如下：热泵系统压缩机3从正常工作蒸发器87(或启动蒸发器36)中吸入低压工质，进行加压增能后，将高压气体送入第1效蒸发器19中的冷凝器52，热量传递给循环流动的海水而产生高温高压水蒸汽，热泵工质冷凝为液体，进入储液罐44，高压液体在压力作用下经干燥过滤器43处理后，再经节流膨胀阀42减压后，进入冷凝器15中的蒸发器87，在这里，吸收低温低压水蒸汽的热量，蒸发为低压气体，被吸入热泵压缩机3；如此循环往复，使第n效蒸发器中的低温低压水蒸汽，连续不断地转换为高温高压水蒸汽。

该系统装置的启动与运行过程如下：先将高效节能的低温多效海水淡化装置安装完毕；通过海水供给泵1，将海水加入系统中；启动真空泵4，使各效蒸发器保持负压状态，通过真空调节阀使第1效蒸发器19的温度和压力最高，后面各效的温度逐次降低。各效之间的温差越小，不可逆损失越小，建议各效间的温差不大于3℃。打开启动阀40，关闭工作阀41，同时打开启动海水泵38，再启动热泵系统后，封闭式热泵系统将从海水及系统中排出的空气和启动过程中蒸发的水蒸汽中获得热能，并传递给热泵系统的冷凝器52，该冷凝器为第1效蒸发器19提供热能，使该效蒸发器中循环盐水汽化而产生较高温高压的水蒸汽，作为后面各效的蒸汽源，启动各效的海水淡化过程；一定时间后，第1效蒸发器中的水蒸气温度和压力将达到设定数值，此时启动过程结束，可打开启动阀41，关闭工作阀40，同时关闭启动海水泵38；系统就进入到正常运行状态。

Claims (5)

1、一种低温多效海水淡化方法，将封闭式循环热泵的节能技术用于低温多效海水淡化系统，其特征在于利用封闭式热泵循环系统的蒸发器放置在低温多效海水淡化系统的冷凝器中，吸收从第n效蒸发器来的低压水蒸汽的热量，将其冷凝为淡水，同时回收其热能；热泵系统的工质在获得能量汽化后，被吸入热泵系统的压缩机，实现升压增能，又被送入热泵系统的冷凝器，该冷凝器放置在低温多效海水淡化系统的第1效蒸发器中，热泵系统的工质将高温热能提供给低压海水，使第1效蒸发器的循环海水汽化，产生了较高压力的水蒸汽，该水蒸汽被输送到第2效，作为第2效蒸发器的热源，在该效蒸发器中冷凝为淡水，同时使该效的循环海水汽化，产生了新的水蒸汽输送到第3效，作为第3效蒸发器的热源，依次将n效蒸发器串接相连，直到低温多效海水淡化系统的冷凝器，将热量再次传递给热泵系统的蒸发器，形成循环，使海水淡化过程一直进行下去。

2、根据权利要求1所述的一种低温多效海水淡化方法，其特征在于采用浓盐水、淡水排放能量回收系统，通过将各效蒸发器排出的浓盐水、淡水与各效蒸发器补充海水的有机组合换热，使换热过程的减少熵增，实现能量回收的同时也保证供给补充水的温度升高，提高每一效蒸发器的水蒸气产量。

3、根据权利要求1所述的低温多效海水淡化方法，其特征在于有机地将蒸馏和闪蒸过程结合起来，各效的循环盐水和淡化水都设有独立的储水罐，在储水罐中过热水发生闪蒸，闪蒸气体被回收到同一效蒸发器壳体中，与该效蒸发器产生的蒸汽一同作为气源送到下一效；该设计既回收了能量，增加了淡水产量，还避免了循环水泵与浓盐水排水泵的汽蚀现象。

4、根据权利要求1所述的一种低温多效海水淡化方法，其特征在于从第1效到第n效蒸发器，每一个都有其独立的海水循环水泵，避免了不同温度的海水混合过程产生的不可逆损失，进一步达到了节能的功效。

5、根据权利要求1所述的低温多效海水淡化方法，其特征在于在热泵系统中，装有专门为系统启动而设立的从海水中吸热的蒸发器。

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