EA011349B1 - Многоступенчатый испаритель - Google Patents

Abstract

Изобретение предлагает многоступенчатый испаритель для дистилляции воды, имеющий верхний по потоку конец и нижний по потоку конец. Испаритель содержит множество ступеней, соединенных последовательно и подразделенных на группы. Каждая группа имеет общий впуск для параллельной подачи воды, выполненный с возможностью снабжения питательной водой всех ступеней указанной группы. Испаритель включает в себя главный трубопровод для питательной воды, сообщающийся по текучей среде с верхней группой. Ряд нагревателей расположен вдоль главного трубопровода, и нагреватели выполнены с возможностью нагрева питательной воды до ее поступления в ступени указанной верхней группы. Каждая ступень снабжена средствами теплообмена, выполненными с возможностью приема входящего пара. Эти средства предназначены для получения из питательной воды первичного выходящего пара с выпуском остатка питательной воды в виде концентрата, а также для конденсации части входящего пара с целью получения дистиллированной воды с выпуском остатка входящего пара в виде вторичного выходящего пара. Каждая ступень снабжена средствами для направления первичного выходящего пара в смежную ступень, расположенную ниже по потоку, для которой он является входящим паром, и средствами для направления вторичного выходящего пара в один из нагревателей для нагрева питательной воды. Каждая группа содержит насос для извлечения концентрата из ступеней указанной группы и его перекачивания в общий впуск для параллельной подачи воды смежной группы, расположенной ниже по потоку. Испаритель также содержит средства для сбора дистиллированной воды.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к дистилляционным установкам и способам дистилляции, в особенности к способу с использованием многоступенчатых испарителей.

Предшествующий уровень техники

Дистилляция воды - это процесс удаления из воды содержащихся в ней различных растворимых материалов, таких как соль, загрязняющие вещества и т.д., в результате которого остается чистая, обычно питьевая вода. Один из известных способов такой дистилляции основан на испарении воды и очень похож на оседание соли и накипи на дне электрического чайника после испарения воды. При этом способе в процессе испарения воды нелетучие растворимые материалы остаются в твердом остатке, обычно в виде соли и накипи, и удаляются. Пар может затем опять конденсироваться в жидкое состояние, образуя не содержащую загрязнений воду.

В патенте США 3868308, известном заявителю, раскрывается многоступенчатая испарительная установка, имеющая корпус и несколько ступеней, последовательно соединенных друг с другом, причем каждая ступень имеет несколько трубных пучков. Высокотемпературный пар подается в трубы первой ступени, и по наружной стороне труб распыляется недистиллированная вода, в результате чего пар в трубе конденсируется, а часть недистиллированной воды испаряется. Остаток пара из труб первой ступени вместе с испарившейся водой с наружной стороны труб входит в трубы следующей соседней ступени, а неиспарившийся остаток недистиллированной воды собирается внизу ступени корпуса в виде концентрата и подается для распыления по наружной стороне труб предыдущей соседней ступени, и так далее.

После прохождения воды через все ступени испарительной установки на нижнем по потоку конце установки образуется дистиллированная вода, а на верхнем по потоку конце образуется подогретый концентрат в виде высококонцентрированного водного раствора растворимых веществ.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению предлагается многоступенчатый испаритель для дистилляции воды, содержащий множество ступеней, соединенных последовательно и подразделенных на группы, включающие верхнюю по потоку группу и последующие по потоку группы, причем каждая группа имеет верхнюю по потоку ступень и нижнюю по потоку ступень, а также общий впуск для параллельной подачи воды, выполненный с возможностью снабжения питательной водой всех ступеней указанной группы, при этом испаритель включает в себя главный трубопровод для питательной воды, сообщающийся по текучей среде с верхней группой; ряд нагревателей, расположенных вдоль главного трубопровода и выполненных с возможностью нагрева питательной воды до ее поступления в ступени указанной верхней группы, причем каждая ступень снабжена средствами теплообмена, выполненными с возможностью приема входящего пара и получения из питательной воды первичного выходящего пара с выпуском остатка питательной воды в виде концентрата и с возможностью конденсации части входящего пара для получения дистиллированной воды с выпуском остатка входящего пара в виде вторичного выходящего пара, а также снабжена средствами для направления первичного выходящего пара в смежную ступень, расположенную ниже по потоку, для которой он является входящим паром, и средствами для направления вторичного выходящего пара в один из указанных нагревателей для нагрева питательной воды, причем каждая группа содержит насос для извлечения концентрата из ступеней указанной группы и его перекачивания в общий впуск для параллельной подачи воды смежной группы, расположенной ниже по потоку; и средства для сбора дистиллированной воды.

Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения средства теплообмена каждой группы содержат множество труб с межтрубными пространствами, причем трубы выполнены с возможностью приема входящего пара и контакта с питательной водой для обеспечения теплообмена между ними, в результате которого происходит испарение части питательной воды в межтрубных пространствах с образованием первичного выходящего пара и выпуском остатка питательной воды в виде концентрата и конденсация части входящего пара в трубах с образованием дистиллированной воды и выпуском остатка входящего пара в виде вторичного выходящего пара. Трубы предпочтительно выполнены с возможностью направления конденсированной воды и вторичного выходящего пара от одной стороны ступени к другой.

Общий впуск для параллельной подачи воды в каждой группе ступеней предпочтительно снабжен распылительными средствами, выполненными с возможностью подачи питательной воды в каждую ступень для обеспечения ее контакта с трубами. Питательная вода может подаваться распылительными средствами в различных видах, например в виде тонкой пленки, и при разных температурах, позволяющих оптимизировать теплообмен и весь процесс опреснения.

Количество ступеней в одной группе может варьироваться в зависимости от скорости подачи воды, температуры воды и дополнительных факторов. Группа может поддерживать до 30 ступеней, сохраняя высокий коэффициент эффективности.

Пучок труб может быть изготовлен из любого материала, обеспечивающего достаточный теплообмен между паром внутри трубы и водой на ее наружной стороне, такого как алюминий или другие металлы или металлические сплавы. При эксплуатации трубы могут быть расположены горизонтально или

- 1 011349 наклонно, чтобы облегчить стекание конденсированного пара в трубах к противоположной стороне ступени под действием силы тяжести. Форма трубы не ограничивается круглым поперечным сечением и может быть другой, например овальной.

Кроме того, в испарителе могут быть произведены другие усовершенствования, как, например, гальванизация конденсаторных труб, добавление ионных ловушек, использование различных сплавов для конденсаторных труб и т. д.

Перечень фигур, чертежей

Чтобы лучше понять изобретение и увидеть, как оно может осуществляться на практике, ниже, в виде не ограничивающего примера, с помощью прилагаемых чертежей описан один из вариантов реализации настоящего изобретения.

На фиг. 1 представлен схематический чертеж многоступенчатого испарителя согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения, показывающий только первую и последнюю ступени каждой группы.

На фиг. 2 представлена в увеличенном масштабе группа 20с с верхней и нижней по ходу потока ступенями соседних групп 20Ь, 206 испарителя по фиг. 1.

На фиг. 3 схематично представлен нагреватель питательной воды, используемый в многоступенчатом испарителе по фиг. 1 и 2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 и 2 представлен многоступенчатый испаритель 10 с главным трубопроводом 11 для подачи воды, проходящим над испарителем 10 и вдоль него от нижнего по потоку конца 10Ь к верхнему по потоку концу 10а, и с главным трубопроводом 12 для подачи пара, связанным с верхним по потоку концом 10а испарителя. Испаритель 10 предназначен для дистилляции воды, поступающей из главного трубопровода 11 с использованием пара, поступающего из главного трубопровода 12.

Испаритель 10 имеет корпус 8 и четыре расположенных в нем группы ступеней, обозначенных позициями 20а-206, причем группа 20а является первой по потоку группой, а группа 206 - последней по потоку группой. Испаритель 10 содержит конденсатор 13 для конденсации пара, остающегося после дистилляции, главный трубопровод 16 для сбора дистиллированной воды, произведенной установкой, насос для готового продукта, предназначенный для откачки дистиллированной воды из испарителя, и насос для соляного раствора, предназначенный для откачки соляного раствора, остающегося после дистилляции. Конденсатор и оба насоса расположены на нижнем по потоку конце испарителя.

Главный трубопровод 11 для подачи воды содержит несколько нагревателей 24, причем каждый из нагревателей имеет впуск 41 для пара от каждой группы 20, нагревающего воду в трубопроводе 11. Каждый из нагревателей 24 имеет первый выпуск 27 (показаны на фиг. 3 и фиг. 1 только для самого первого и самого последнего нагревателей групп 20а и 206, соответственно) для удаления неконденсируемых газов и оставшегося пара, связанный с отводящим трубопроводом 17 для неконденсируемых газов и пара, и второй выпуск 44 для отвода воды.

Каждая из групп 20а-206 ступеней содержит ряд ступеней 30 и впускных камер 40, соединенных последовательно со ступенями, таким образом, что каждая ступень 30 имеет на верхней по потоку стороне впускную камеру 40. Ступени обозначены как Е1-Е20, причем первая и последняя ступени каждой группы 20 обозначены как 3011 и 301, соответственно. Группы 20а, 20Ь, 20с и 206 включают в себя ступени Е1-Е6, Е7-Е11, Е12-Е16 и Е17-Е20, соответственно.

Каждая из групп 20 содержит общий впуск 25 для параллельной подачи воды, разделенный на распыляющие устройства 26, каждое из которых предназначено для введения питательной воды в виде тонкой пленки в одну из ступеней 30. Каждая из групп 20 содержит дренажный трубопровод 23 для концентрата и соединенный с ним насос 21 для отвода концентрата из группы 20, причем насос 21 предназначен для подачи концентрата на общий впуск 25 следующей группы.

Каждая ступень 30 имеет в верхней части главный впуск 31 для приема воды для дистилляции из распылительного устройства 26; впуск 32 для пара, расположенный на верхней по потоку стороне ступени; и коллектор 33 для концентрата, расположенный снизу ступени, сообщающийся по текучей среде с дренажным трубопроводом 23 для концентрата группы ступеней. Впуск 32 для пара первой по потоку ступени 301 первой группы 20а сообщается по потоку с главным трубопроводом 12 для пара, а впуск 32 для пара каждой из остальных ступеней каждой группы предназначен для приема пара, поступающего через предшествующую впускную камеру 40 из предшествующей смежной ступени 30.

В ступени 30 расположен пучок труб 35, состоящий из горизонтально проходящих труб 35а овального или круглого сечения, с пространствами 35Ь между ними. Верхние по потоку концы труб 35а образуют впуск 32 для пара, а нижние по потоку концы труб 35а образуют первый выпуск 34 для пара и дистиллированной воды, выходящих из труб, тогда как пространства 35Ь между трубами образуют второй выпуск 36 для пара, образованного из питательной воды в пространствах 35Ь между трубами 35а. Трубы слегка наклонены вниз от стороны впуска к стороне выпуска ступени, позволяя воде стекать под действием силы тяжести. Трубы расположены под главным впуском 31 с возможностью распыления по ним питательной воды из распылительного устройства 26, в результате чего происходит теплообмен между паром, проходящим по трубам, и распыляемой водой. Концы труб 35а установлены в вертикальных

- 2 011349 трубных решетках 39 и поддерживаются ими.

Каждая ступень содержит также отводящий трубопровод 37 для концентрата, соединяющий коллектор 33 для концентрата каждой ступени 30 с дренажным трубопроводом 23 для концентрата. Насос 21 для концентрата каждой из групп 20 соединен с нижним по потоку концом дренажного трубопровода 23.

Как указано выше, впускная камера 40 расположена между каждой парой смежных ступеней 30, причем одна ступень находится на верхней по потоку стороне камеры, а другая - на нижней по потоку стороне. Впускная камера 40 предназначена для приема воды и пара из первого и второго выпусков 34 и 36 ступени, расположенной на верхней по потоку стороне камеры. Конструкция камеры позволяет пару из выпуска 34 поступать на вход 32 ступени 30, расположенной на нижней по потоку стороне впускной камеры. Камера имеет в верхней части выпуск 43 для пара, через который пар, поступающий из выпуска 36, отводится к впуску 41 для пара соответствующего нагревателя 24. Впускная камера 40 содержит каплеотделитель 38, расположенный на выпусках 34, 36 для пара каждой ступени, и коллектор 42 для дистиллированной воды, расположенный на дне впускной камеры, для приема дистиллированной воды из первого выпуска 34 ступени, расположенной на верхней по потоку стороне камеры. С каждым из коллекторов 42 для дистиллированной воды соединен отводящий трубопровод 47, ведущий к главному трубопроводу 16 для дистиллированной воды.

Следует заметить, что хотя здесь описаны общие параллельные дренажи для концентрата и дистиллированной воды, коллекторы 33 для концентрата и коллекторы 42 для дистиллированной воды могут соединяться друг с другом последовательно.

Каждый из нагревателей 24 может быть связан с одной из групп 20 или с одной впускной камерой 40 каждой из групп 20, как показано на чертежах.

Главный трубопровод 11 для питательной воды и главный трубопровод 12 для пара соединены с первой ступенью 3011 первой группы 20а. Конденсатор 13 сообщается по потоку с выпуском 34 для воды и пара последней ступени 301 последней группы 206 через трубопровод 13 а, а насос 15 для соляного раствора сообщается по потоку с отводящим трубопроводом 23 для концентрата последней группы 206 через трубопровод 15а.

При эксплуатации питательная вода подается из внешнего источника в главный трубопровод 11 на нижний по потоку конец системы приблизительно при температуре 25°С и проходит по трубопроводу 11 через нагреватели 24. Нагреватели 24 постепенно нагревают питательную воду до ее поступления в общий впуск 25 для параллельной подачи воды и распыляющее устройство 26 первой группы 20а. Вода нагревается таким образом, что она попадает в первую ступень 301 первой группы 20а при самой высокой температуре, которая может достигать 82-85°С. В то же время пар при температуре немногим выше 85°С поступает на впуск 32 для пара первой ступени, т.е. в верхние по потоку концы труб 35а первой группы 20а.

Вода из трубопровода для питательной воды распыляется из общего впуска 25 при помощи распыляющих устройств 26, которые распыляют ее в виде тонкой пленки, т.е. приблизительно 0,2-0,3 мм, на трубы 35а каждой ступени 30 первой группы 20а. При контакте водяной пленки с трубами 35а осуществляется теплообмен между этой пленкой и паром, проходящим по трубам 35а, в результате чего происходит частичная конденсация пара в трубах 35а и частичное испарение питательной воды в межтрубных пространствах 35Ь.

Пар, сконденсированный в трубах 35а, образует дистиллированную воду, которая под действием силы тяжести стекает по наклонным трубам к впускной камере 40, расположенной на нижнем по потоку конце труб, откуда капает в коллектор 42 для дистиллированной воды. Дистиллированная вода стекает из коллектора 42 каждой впускной камеры 40 в главный трубопровод 16 для дистиллированной воды через отводящий трубопровод 47. Остаток пара, не сконденсированный в трубах 35а, поступает во впускную камеру 40 и всасывается через выпуск 43 для пара во впуск 41 для пара соответствующего нагревателя 24, в котором горячий пар используется для нагрева питательной воды в главном трубопроводе

11.

Питательная вода, превращенная в пар в пространствах 35Ь между трубами 35а, направляется через впускную камеру 40 на впуск 32 для пара и в верхние по потоку концы труб 35а следующей ступени. Неиспарившаяся питательная вода, а именно концентрат, капает в коллектор 33 для концентрата, расположенный на дне ступени 30, из которого концентрат стекает в отводящий трубопровод 23 для концентрата первой группы 20а.

Затем концентрат откачивается из отводящего трубопровода 23 при помощи насоса 21 через трубопровод 22 в общий впуск 25 для параллельной подачи воды второй группы 20Ь, и процесс повторяется в этой и последующих группах, причем единственная разница между первой группой 20а и всеми последующими группами 20Ь-206 состоит в том, что первая группа 20а получает питательную воду из главного трубопровода 11, тогда как другие группы получают питательную воду от насосов 21 для концентрата. Таким образом, питательная вода и пар в процессе дистилляции поступают по ходу потока, и, таким образом, испарительная система является прямоточным многоступенчатым испарителем.

Нагреватель 24 питательной воды, представленный на фиг. 3, предназначен для приема питательной воды через впуск 11а и горячего пара с неконденсируемыми газами через впуск 41 и обеспечения

- 3 011349 теплообмена между ними. Нагретая питательная вода выходит из нагревателя 24 через выпуск 11Ь, а конденсированный пар, образующий дистиллированную воду, выходит из нагревателя 24 через выпуск 44. Несконденсированный пар удаляется через выпуск 27 и трубопровод 17 для неконденсируемых газов и пара. Выпуск 44 может сообщаться по текучей среде с коллектором 42 для дистиллированной воды впускной камеры 40 или с главным трубопроводом 16 для дистиллированной воды.

В указанном процессе образуется дистиллированная вода, и, благодаря прямоточному питанию, наиболее концентрированный соляной раствор образуется при самой низкой температуре, в противоположность тому, как при противоточном питании соляной раствор образуется при самой высокой температуре. Низкая температура соляного раствора позволяет предотвратить образование минеральных отложений и коррозию установки. Соляной раствор удаляется из системы при помощи насоса 15 для соляного раствора через трубопровод 15а, соединенный с последним дренажным трубопроводом 236 для концентрата. На нижнем по потоку конце системы дистиллированная вода из главного трубопровода 16 для дистиллированной воды поступает в конденсатор 13, где она используется для конденсации пара, выходящего из последней ступени 301 последней группы 206 через трубопровод 13 а. Из конденсатора 13 насос 14 для готового продукта откачивает дистиллированную воду через трубопровод 14а.

Работа вышеописанного многоступенчатого испарителя 10 может быть модифицирована и улучшена различными средствами, такими как ионная ловушка для тяжелых металлов, предварительная деаэрация воды в титановой трубе, гальваническая изоляция труб от трубных решеток эластомерными прокладками и включение протекторных алюминиймагниевых анодов в погруженную часть каждой ступени. Кроме того, в процессе может использоваться вода различных типов, обычно морская вода. Кроме того, для получения разных результатов может использоваться разное количество ступеней в каждой группе и разное общее количество ступеней.

Специалистам, которым адресовано настоящее изобретение, понятно, что в рамках настоящего изобретения возможны различные изменения и модификации без выхода за пределы его сущности.

Claims (16)

1. Многоступенчатый испаритель для дистилляции воды, содержащий множество ступеней, соединенных последовательно и подразделенных на группы, включающие верхнюю по потоку группу и последующие по потоку группы, причем каждая группа имеет верхнюю по потоку ступень и нижнюю по потоку ступень, а также общий впуск для параллельной подачи воды, выполненный с возможностью снабжения питательной водой всех ступеней указанной группы, при этом испаритель включает в себя главный трубопровод для питательной воды, сообщающийся по текучей среде с верхней группой; ряд нагревателей, расположенных вдоль главного трубопровода и выполненных с возможностью нагрева питательной воды до ее поступления в ступени указанной верхней группы, причем каждая ступень снабжена средствами теплообмена, выполненными с возможностью приема входящего пара и получения из питательной воды первичного выходящего пара с выпуском остатка питательной воды в виде концентрата и с возможностью конденсации части входящего пара для получения дистиллированной воды с выпуском остатка входящего пара в виде вторичного выходящего пара, а также снабжена средствами для направления первичного выходящего пара в смежную ступень, расположенную ниже по потоку, для которой он является входящим паром, и средствами для направления вторичного выходящего пара в один из указанных нагревателей для нагрева питательной воды, причем каждая группа содержит насос для извлечения концентрата из ступеней указанной группы и его перекачивания в общий впуск для параллельной подачи воды смежной группы, расположенной ниже по потоку; и средства для сбора дистиллированной воды.

2. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что средства теплообмена каждой группы содержат множество труб с межтрубными пространствами, причем трубы выполнены с возможностью приема входящего пара и контакта с питательной водой для обеспечения теплообмена между ними, в результате которого происходит испарение части питательной воды в межтрубных пространствах с образованием первичного выходящего пара и выпуском остатка питательной воды в виде концентрата, и конденсация части входящего пара в трубах с образованием дистиллированной воды и выпуском остатка входящего пара в виде вторичного выходящего пара.

3. Испаритель по п.2, отличающийся тем, что указанные трубы выполнены с возможностью направления конденсированной воды и вторичного выходящего пара от одной стороны ступени к другой.

4. Испаритель по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что общий впуск для параллельной подачи воды в каждой группе ступеней снабжен распылительными средствами, выполненными с возможностью подачи питательной воды в каждую ступень для обеспечения ее контакта с трубами.

5. Испаритель по п.4, отличающийся тем, что распылительные средства выполнены с возможностью подачи питательной воды в виде тонкой пленки.

6. Испаритель по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что количество ступеней в одной группе варьируется.

7. Испаритель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что общее количество ступеней превышает

- 4 011349

20, предпочтительно превышает 25, в особенности 30.

8. Испаритель по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что содержит трубопровод для удаления неконденсируемых газов.

9. Испаритель по п.2 или любому из пп.3-8 в случае их подчиненности п.2, отличающийся тем, что трубы изготовлены из металлов или металлических сплавов.

10. Испаритель по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что каждая группа содержит отводящий трубопровод для концентрата, сообщающийся по текучей среде с насосом.

11. Испаритель по п.2 или любому из пп.3-10 в случае их подчиненности п.2, отличающийся тем, что каждая ступень имеет верхний по потоку конец и нижний по потоку конец, причем трубы наклонены с обеспечением стекания дистиллированной воды в трубах к нижнему по потоку концу ступени под действием силы тяжести.

12. Испаритель по п.2 или любому из пп.3-11 в случае их подчиненности п.2, отличающийся тем, что трубы гальванически изолированы при помощи эластомерных прокладок.

13. Испаритель по п.2 или любому из пп.3-12 в случае их подчиненности п.2, отличающийся тем, что трубы имеют овальную форму.

14. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что содержит ионные ловушки для удаления из воды тяжелых металлов.

15. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что содержит титановую трубку для предварительной деаэрации питательной воды.

16. Испаритель по п.1, отличающийся тем, что каждая ступень имеет коллектор, образующий погруженную часть ступени, и встроенный в него алюминиймагниевый протекторный анод.