RU2499769C2

RU2499769C2 - Apparatus for thermal distillation purification of water

Info

Publication number: RU2499769C2
Application number: RU2011142960/02A
Authority: RU
Inventors: Лик Анварович Зайнуллин; Валерий Григорьевич Грезнев; Дмитрий Владимирович Мехряков
Original assignee: Лик Анварович Зайнуллин
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2013-11-27
Also published as: RU2011142960A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: apparatus for thermal distillation purification of water can be used to desalinate sea water, treat industrial wastes with high content of hardness salts and evaporate solutions to obtain a dry residue. The apparatus has a heat exchanger housing, heated elements in form of a nozzle and water inlet and steam outlet pipes. The apparatus is equipped with a mechanism for removing and cleaning the nozzle from scales and a mixer-type heater for heating the water to be desalinated or purified. The mechanism for removing and cleaning the nozzle from scales has a revolving drum.

EFFECT: high repairability of the apparatus and recycling secondary heat.

2 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к термодистилляционной очистке воды и может быть использовано для опреснения морской воды, очистки промышленных стоков с высоким содержанием солей жесткости, выпарки растворов до получения сухого остатка.The present invention relates to thermal distillation water treatment and can be used for desalination of sea water, purification of industrial effluents with a high content of hardness salts, evaporation of solutions to obtain a dry residue.

Пресная вода является ценным сырьевым продуктом, недостаток которого все больше и больше ощущается не только в зонах с сухим климатом, но и во всем земном шаре, включая индустриально развитые страны. Имеется большая потребность в использовании морской воды для получения воды, пригодной для полива растений в регионах с сухим климатом. Имеется также потребность в очистке промышленных стоков в индустриально развитых странах для создания оборотной системы водоснабжения технологических процессов с большими расходами воды. Имеются большие проблемы при необходимости выпарки различных растворов до сухого остатка.Fresh water is a valuable raw material, the lack of which is more and more felt not only in areas with a dry climate, but also throughout the globe, including industrialized countries. There is a great need to use sea water to produce water suitable for watering plants in regions with a dry climate. There is also a need for the treatment of industrial effluents in industrialized countries to create a circulating water supply system for technological processes with high water consumption. There are big problems when it is necessary to evaporate various solutions to a dry residue.

Известна установка для термического дистилляционного опреснения минерализованной воды (Подберезный В.Л., Никулин В.А., Гринев Д.И. «Термодистилляционное оборудование получения особо чистой воды для промышленных и хозяйственно-бытовых целей», http://www.mahp.ustu.rn). Установка содержит двухступенчатый горизонтальнотрубный пленочный аппарат, состоящий из двух ступеней испарения и двух подогревателей, парокомпрессора, конденсатора, заключенных в общий корпус с плоскими стенками, с верхней плоской крышкой и днищем, паровыми камерами. Каждая ступень испарения состоит из горизонтально расположенного трубного пучка, заключенного между двумя трубными решетками, общими для обеих ступеней испарения.A known installation for thermal distillation desalination of mineralized water (Podberezny V.L., Nikulin V.A., Grinev D.I. "Thermal distillation equipment for producing highly pure water for industrial and domestic purposes", http: //www.mahp. ustu.rn). The installation contains a two-stage horizontal tube film apparatus, consisting of two stages of evaporation and two heaters, a vapor compressor, a condenser enclosed in a common housing with flat walls, with an upper flat lid and a bottom, steam chambers. Each stage of evaporation consists of a horizontally located tube bundle enclosed between two tube sheets that are common to both stages of evaporation.

В известном термодистилляционном аппарате используется пленочная конденсация или испарение с горизонтальными трубными пучками, которые, как правило, работают совместно с каким-либо источником пара (котел, ТЭЦ, АЭС). Эти установки требуют предварительной подготовки опресняемой воды, собственно опреснения и кондиционирования, если эта вода предназначена для питья. Предварительная подготовка воды является обязательной, т.к. без подготовки воды оборудование быстро выходит из строя из-за образования накипи на поверхностях горизонтальных трубных пучков. При подогреве загрязненной или соленой (морской) воды через поверхности нагрева, устройство необходимо защищать от накипеобразования, - основного недостатка всех аналогичных установок. Кроме того, разность (перепад) температур для таких установок ограничена температурой первоначального пара (100-130°C) и температурой воды (20-100°C), что является существенным ограничением интенсивности процесса парообразования или нагрева воды для дальнейшего ее испарения.The known thermo-distillation apparatus uses film condensation or evaporation with horizontal tube bundles, which, as a rule, work in conjunction with some kind of steam source (boiler, thermal power plant, nuclear power plant). These plants require preliminary preparation of desalinated water, desalination and conditioning, if this water is intended for drinking. Preliminary preparation of water is mandatory, as without water treatment, the equipment quickly fails due to the formation of scale on the surfaces of horizontal tube bundles. When heating contaminated or salty (sea) water through heating surfaces, the device must be protected from scale formation, which is the main disadvantage of all similar installations. In addition, the temperature difference (difference) for such plants is limited by the initial steam temperature (100-130 ° C) and water temperature (20-100 ° C), which is a significant limitation of the intensity of the process of vaporization or heating of water for its further evaporation.

Задачей данного изобретения является создание термодистилляционного устройства для очистки воды, пригодного как для опреснения морской воды с целью получения стерильного дистиллята высокого качества с минимальным содержанием остаточных солей и экономным потреблением тепловой энергии, так и для очистки промышленных стоков за счет тепла отходящих газов промышленных агрегатов, а также для выпарки растворов до получения сухого остатка в одном цикле с упрощением технологии и конструкции теплообменников.The objective of this invention is to provide a thermal distillation device for water purification, suitable for desalination of sea water in order to obtain high-quality sterile distillate with a minimum content of residual salts and economical consumption of thermal energy, and for the treatment of industrial effluents due to the heat of the exhaust gases of industrial units, and also for evaporating solutions to obtain a dry residue in one cycle with a simplification of the technology and design of heat exchangers.

Для решения поставленной задачи устройство для термодистилляционной очистки воды содержит корпус теплообменника, нагреваемые элементы в виде насадки, патрубки подвода воды и отвода пара, при этом устройство снабжено механизмом для выгрузки и очистки насадки от накипи, выполненном с вращающимся барабаном, а также подогревателем опресняемой или очищаемой воды смесительного типа.To solve the problem, a device for thermodistillating water treatment comprises a heat exchanger body, heated elements in the form of a nozzle, water supply and steam nozzles, and the device is equipped with a mechanism for unloading and descaling the nozzle made with a rotating drum, as well as a desalinated or cleaned heater mixing water.

Кроме того, устройство снабжено объемным испарителем перегретой жидкости, выпускаемой из корпуса теплообменника. Например, в случае получения перегретого пара высокого давления, когда не вся нагретая вода испаряется в теплообменнике.In addition, the device is equipped with a volumetric evaporator of superheated liquid discharged from the heat exchanger body. For example, in the case of obtaining superheated high-pressure steam, when not all heated water evaporates in the heat exchanger.

Заявляемое устройство представляет собой регенеративный теплообменник, который в качестве насадки может содержать шары, предпочтительно металлические, которые легко загружаются в корпус устройства и выгружаются, если потребуется их очистка от солей жесткости (накипи).The inventive device is a regenerative heat exchanger, which as a nozzle may contain balls, preferably metal, which are easily loaded into the device and unloaded if they need to be cleaned from hardness salts (scale).

В предлагаемом изобретении нагреваемые элементы (шары) нагреваются высокотемпературным газовым теплоносителем до максимально возможных температур, а затем, после отключения теплоносителя, на них подается опресняемая или очищаемая вода, которая интенсивно испаряется благодаря большому перепаду температур между температурой насадки регенеративного теплообменника и температурой воды. Благодаря высокой температуре насадки, получается значительный перегрев пара, что исключает каплеунос с паром, а следовательно, и солесодержание в дистилляте. Предлагаемое изобретение позволяет использовать морскую воду без предварительной подготовки и испарять до сухого остатка с получением морской соли, являющейся потребительским товаром.In the present invention, the heated elements (balls) are heated by a high-temperature gas coolant to the maximum possible temperatures, and then, after the coolant is turned off, desalinated or purified water is supplied to them, which intensively evaporates due to the large temperature difference between the temperature of the regenerative heat exchanger nozzle and the water temperature. Due to the high temperature of the nozzle, a significant overheating of the steam is obtained, which eliminates droplets with steam, and hence the salt content in the distillate. The present invention allows the use of sea water without preliminary preparation and evaporate to a dry residue to obtain sea salt, which is a consumer product.

При этом устройство по изобретению не боится накипеобразования, позволяет использовать в процессе испарения воды большой температурный перепад, легко поддается очистке от накипи, позволяет испарять воду до сухого остатка. Для обеспечения непрерывности процесса способ реализуется при наличии как минимум двух устройств - теплообменников, а лучше всего трех. Большее количество теплообменников позволит полнее использовать тепло газового теплоносителя.Moreover, the device according to the invention is not afraid of scale formation, allows using a large temperature difference in the process of water evaporation, is easily amenable to descaling, and allows water to evaporate to a dry residue. To ensure the continuity of the process, the method is implemented in the presence of at least two devices - heat exchangers, and best of all three. A larger number of heat exchangers will make better use of the heat of the gas coolant.

Изобретение позволяет нагреть испарительные поверхности до максимально возможных температур, вплоть до температуры газового теплоносителя, за счет чего резко увеличивается удельная производительность устройства и снижается его металлоемкость. Поверхности нагрева и испарения воды не боятся солевых отложений. При повторном нагреве за счет значительной разности коэффициентов линейных расширений материала насадки и солевых отложений, последние автоматически будут отслаиваться от поверхностей нагрева за счет эффекта термоудара, притом, что шаровые элементы нагрева легко очищаются во вращающемся барабане после выгрузки их из теплообменника самотеком. Передача тепла морской воде от предварительно нагретого тела исключает все ограничения по температуре нагрева, присущие традиционным теплообменникам, чем интенсифицируется и упрощается процесс испарения опресняемой или очищаемой воды.EFFECT: invention allows heating evaporation surfaces to the maximum possible temperatures, up to the temperature of the gas coolant, due to which the specific productivity of the device sharply increases and its metal consumption decreases. Surfaces of heating and evaporation of water are not afraid of salt deposits. When re-heating due to the significant difference in the coefficients of linear expansion of the material of the nozzle and salt deposits, the latter will automatically peel off the heating surfaces due to the effect of thermal shock, despite the fact that the ball heating elements are easily cleaned in a rotating drum after unloading them from the heat exchanger by gravity. The transfer of heat to sea water from a pre-heated body eliminates all the restrictions on the heating temperature inherent in traditional heat exchangers, which intensifies and simplifies the process of evaporation of desalinated or purified water.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить выпарку различных растворов до сухого остатка или до достижения максимальной концентрации компонента. При этом соли жесткости, отбитые с поверхности шаров, могут быть использованы, как сопутствующий продукт. Например, в случае опреснения морской воды - это морская соль, которая может продаваться, а в случае очистки промышленных стоков - соли тех или иных металлов, которые могут быть возвращены в производство.The present invention allows the evaporation of various solutions to a dry residue or to achieve a maximum concentration of the component. In this case, hardness salts, beaten off the surface of the balls, can be used as an accompanying product. For example, in the case of desalination of sea water, it is sea salt that can be sold, and in the case of industrial wastewater treatment, salts of various metals that can be returned to production.

Предлагаемое устройство может быть использовано взамен трубчатых котлов-утилизаторов, применяемых в настоящее время в хвосте промышленных тепловых агрегатов. Благодаря простоте и двухцелевому назначению, а именно, периодически нагреваемый регенеративный теплообменник, установленный, например, за периодически работающим конвертером, будет служить накопителем тепла до следующего цикла работы конвертера, и тепло для получения пара энергетических параметров из очищаемой воды будет выдавать постепенно, перекрывая время простоя агрегата. Таким образом, пар, полученный из загрязненной воды, позволит вырабатывать электроэнергию при прохождении через конденсационную турбину и дистиллят после конденсатора турбины. Технический эффект от использования предлагаемого устройства вместо трубчатого котла-утилизатора удваивается. Высокая ремонтопригодность котла-утилизатора, созданного на основе изобретения, позволит исключить сброс тепла газами в атмосферу.The proposed device can be used instead of tubular waste heat boilers, currently used in the tail of industrial thermal units. Due to its simplicity and dual-purpose designation, namely, a periodically heated regenerative heat exchanger installed, for example, behind a periodically working converter, will serve as a heat storage until the next cycle of the converter, and heat will be gradually generated to produce steam of energy parameters from the treated water, blocking the downtime unit. Thus, steam obtained from contaminated water will allow electricity to be generated when passing through a condensing turbine and distillate after the turbine condenser. The technical effect of using the proposed device instead of a tubular waste heat boiler doubles. The high maintainability of the waste heat boiler, created on the basis of the invention, will eliminate the heat emission by gases into the atmosphere.

Кроме того, по конструктивной простоте регенеративного теплообменника, по безопасности от абразивного и химического износа, предлагаемое изобретение не имеет аналогов по утилизации высокопотенциального тепла металлургических агрегатов, особенно работающих с регулярным перерывом процесса.In addition, the structural simplicity of the regenerative heat exchanger, the safety from abrasive and chemical wear, the present invention has no analogues in the utilization of high potential heat of metallurgical units, especially those working with a regular interruption of the process.

Таким образом, снабжение устройства механизмом для выгрузки и очистки насадки от накипи, выполненным с вращающимся барабаном, позволяет повысить ремонтоспособность устройства, наличие в нем подогревателя опресняемой или очищаемой воды смесительного типа обеспечивает утилизацию вторичного тепла за счет конструкции теплообменника.Thus, providing the device with a mechanism for unloading and descaling the nozzle, made with a rotating drum, improves the maintainability of the device, the presence in it of a desalinated or purified water heater of a mixing type ensures the recovery of secondary heat due to the design of the heat exchanger.

Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении ремонтоспособности устройства и утилизации вторичного тепла.A new technical result achieved by the claimed invention is to increase the maintainability of the device and the recovery of secondary heat.

Схема реализации предлагаемого изобретения представлена на рисунке 1 и включает устройство, представляющее собой регенеративный теплообменник 1, предпочтительно с шаровой насадкой из чугуна или стали, дымосос 2 для подачи газового теплоносителя (топочные или отходящие дымовые газы), паросборник 3 перегретого или насыщенного пара, турбогенератор 4 для использования потенциальной энергии перегретого пара высокого давления для выработки электроэнергии, конденсатор 5 отработанного пара, конденсатный насос 6, обеспечивающий пониженное давление (вакуум), сборник конденсата 7, дымовую трубу 8, барабанный мельничный регенератор шаров 9, корзину регенерированных шаров 10, смесительный подогреватель 11 опресняемой или очищаемой воды, шламовый насос 12, насос 13 подачи подогретой опресняемой воды, насос 14 подачи морской или очищаемой воды.The implementation scheme of the invention is shown in Figure 1 and includes a device that is a regenerative heat exchanger 1, preferably with a ball nozzle made of cast iron or steel, a smoke exhauster 2 for supplying a gas coolant (flue or exhaust flue gases), a steam collector 3 of superheated or saturated steam, a turbogenerator 4 to use the potential energy of superheated high-pressure steam to generate electricity, an exhaust steam condenser 5, a condensate pump 6 providing a low pressure (vacuum), condensate collector 7, chimney 8, drum mill ball regenerator 9, basket of regenerated balls 10, mixing heater 11 of desalinated or purified water, slurry pump 12, pump 13 for supplying heated desalinated water, pump 14 for supplying sea or purified water .

Заявленное изобретение работает следующим образом. Устройство - периодически нагреваемый регенеративный теплообменник 1 с шаровой насадкой нагревается высокотемпературным газовым теплоносителем, подаваемым дымососом 2 от специальной топки или промышленного агрегата, например нагревательной или металлургической печи. В случае отсутствия такого источника вторичного тепла, оно может вырабатываться за счет сжигания топлива в специальной топке, в особенности для опреснения морской воды с получением высококачественного дистиллята. Для более полного использования тепла газов и непрерывного получения пара с попутной выработкой электроэнергии устанавливают три или четыре устройства - теплообменника 1. После нагрева первого теплообменника газовый теплоноситель переключается на второй теплообменник, а в первый начинают подавать воду и так далее. Для получения просто насыщенного пара вода подается сверху на орошение насадки. В этом случае вся подаваемая вода постепенно испаряется и в виде насыщенного пара отводится либо для конденсации, либо для использования в многоступенчатых вакуумных дистилляционных установках известных конструкций (на схеме не показаны).The claimed invention works as follows. Device - a periodically heated regenerative heat exchanger 1 with a ball nozzle is heated by a high-temperature gas coolant supplied by a smoke exhauster 2 from a special furnace or industrial unit, for example, a heating or metallurgical furnace. In the absence of such a source of secondary heat, it can be generated by burning fuel in a special furnace, in particular for desalination of sea water to produce high-quality distillate. To make fuller use of the heat of gases and to continuously produce steam with the associated generation of electricity, three or four devices are installed - heat exchanger 1. After heating the first heat exchanger, the gas heat carrier switches to the second heat exchanger, and the first starts to supply water and so on. To get just saturated steam, water is supplied from above for irrigation of the nozzle. In this case, all the supplied water gradually evaporates and is discharged in the form of saturated steam either for condensation or for use in multi-stage vacuum distillation plants of known designs (not shown in the diagram).

Однако более интересным является вариант получения перегретого пара высокого давления для выработки электроэнергии. Для этого в данной схеме предусмотрена подача воды снизу вверх под определенным давлением. В этом случае способ позволяет получать перегретый пар с заданными давлением и температурой. Полученный при контакте воды с шаровой насадкой насыщенный пар, поднимаясь вверх, будет перегреваться. Одновременно будет подниматься давление пара и, достигнув значения, установленного регулирующим клапаном, начнет выдаваться в паросборник 3, а оттуда в турбогенератор 4, предназначенный для выработки электроэнергии по известным схемам.However, more interesting is the option of producing superheated high-pressure steam to generate electricity. To do this, this scheme provides for the supply of water from the bottom up under a certain pressure. In this case, the method allows to obtain superheated steam with a given pressure and temperature. The saturated steam obtained by contacting water with a ball nozzle will rise to overheat when it rises. At the same time, the steam pressure will rise and, having reached the value set by the control valve, it will start to be discharged into the steam collector 3, and from there to the turbogenerator 4, designed to generate electricity according to known schemes.

Отработанный пар поступает в конденсатор 5, где поддерживается соответствующий вакуум за счет откачки воздуха (на схеме не показано) и конденсата насосом 6 в конденсатосборник 7 для отправки потребителю. При необходимости часть пара после турбины может быть отобрана для использования в качестве первичного пара в многоступенчатом вакуумном аппарате дистилляции воды. Это позволит увеличить удельное количество получаемого конденсата на тонну пара (или топлива) в 3-4 раза.The spent steam enters the condenser 5, where the corresponding vacuum is maintained by pumping air (not shown in the diagram) and condensate by the pump 6 to the condensate collector 7 to be sent to the consumer. If necessary, a portion of the steam after the turbine can be selected for use as primary steam in a multi-stage vacuum water distillation apparatus. This will increase the specific amount of condensate produced per tonne of steam (or fuel) by 3-4 times.

Дымовые газы после отработки в первом теплообменнике 1 в первое время до достижения температуры 150-200°C сбрасываются в дымовую трубу 8. При достижении температуры газов на выходе из первого теплообменника уровня 150-200°C газ переключается на второй теплообменник, после которого идет на сброс. Такая схема работы повторяется и с третьим теплообменником, и так, по кругу. После охлаждения водой первого теплообменника 1 вода, оставшаяся в теплообменнике, будет иметь температуру выше 100°C, т.е. соответствующую температуру насыщения рабочего давления, например 150°C. Эта вода сбрасывается в смесительный подогреватель 11 и, смешиваясь с новой порцией морской или очищаемой воды, подаваемой в подогреватель 11 насосом 14, подогревает ее. После чего эта подогретая вода из смесителя 11 насосом 13 подается в один из теплообменников 1 для получения пара. Она может быть направлена в объемный испаритель низкого давления для получения дополнительного свежего пара.Flue gases after exhaustion in the first heat exchanger 1 for the first time before reaching a temperature of 150-200 ° C are discharged into the chimney 8. When the gas temperature at the outlet of the first heat exchanger reaches a level of 150-200 ° C, the gas switches to the second heat exchanger, after which it goes to dumping. This work pattern is repeated with the third heat exchanger, and so on, in a circle. After water cooling of the first heat exchanger 1, the water remaining in the heat exchanger will have a temperature above 100 ° C, i.e. corresponding saturation temperature of the working pressure, e.g. 150 ° C. This water is discharged into the mixing heater 11 and, mixing with a new portion of sea or purified water supplied to the heater 11 by the pump 14, heats it. After that, this heated water from the mixer 11 is pumped by pump 13 into one of the heat exchangers 1 to produce steam. It can be sent to a low-pressure volumetric evaporator to obtain additional fresh steam.

При работе устройства в насадке теплообменника 1 может осесть пыль, несущаяся с печными газами и частицы накипи, отслаивающиеся с поверхности шаров при термоударе, которая вместе со спускаемой водой будет попадать в смеситель 11 и отстаиваться. Для откачки отстоя предназначен шламовый насос 12. При длительной работе может наблюдаться нарастание накипи на поверхностях шаровой насадки. Для регенерации шаров, устройство снабжено в нижней части коническим дном с патрубком и шлюзом для периодической выгрузки шаров и регенерации их поверхностей в барабанной мельнице 9 с решетками для разделения порошка накипи и шаров. Регенерированные шары выгружаются в корзину 10 для передачи в накопитель запасных шаров. Установка может содержать как минимум два или три устройства, соединенные между собой трубами и газоходами с арматурой переключения потоков газа, пара и воды. Устройство может быть также снабжено объемным испарителем перегретой жидкости из корпуса теплообменника (на схеме не показано), если не будет необходимости в подогреве исходной воды.When the device is operating in the nozzle of the heat exchanger 1, dust can be deposited, carried with the furnace gases and scale particles, peeling off the surface of the balls during thermal shock, which together with the drained water will fall into the mixer 11 and settle. A slurry pump 12 is intended for sludge pumping. During prolonged operation, an increase in scale may be observed on the surfaces of the ball nozzle. For the regeneration of balls, the device is equipped in the lower part with a conical bottom with a pipe and a lock for periodic unloading of balls and the regeneration of their surfaces in a drum mill 9 with gratings for separating scale powder and balls. The regenerated balls are unloaded into the basket 10 for transfer to the drive spare balls. The installation may contain at least two or three devices interconnected by pipes and flues with valves for switching gas, steam and water flows. The device can also be equipped with a volumetric evaporator of superheated liquid from the heat exchanger body (not shown in the diagram), if there is no need to heat the source water.

Таким образом, предлагаемая установка позволяет получать при опреснении морской воды: высококачественный дистиллят, порошок морской соли и электроэнергию. При очистке промышленных стоков: высококачественный конденсат для оборотного водоснабжения производства; соли металлов, которые могут быть возвращены в производство; электроэнергию; глубокую утилизацию вторичного тепла газов и частичную очистку газов от пыли. При использовании изобретения в качестве выпарного аппарата: одноступенчатое высокопроизводительное и высокоремонтоспособное оборудование и тот же дистиллят и порошок сухого остатка.Thus, the proposed installation allows to obtain during desalination of sea water: high-quality distillate, sea salt powder and electricity. When cleaning industrial wastewater: high-quality condensate for recycled water supply of production; metal salts that can be returned to production; electric power; deep utilization of secondary heat of gases and partial cleaning of gases from dust. When using the invention as an evaporator: a single-stage high-performance and highly repaired equipment and the same distillate and dry powder.

Claims

1. Device for thermal distillation of water treatment, containing at least two heat exchangers filled with a nozzle in the form of ball heated elements, the heat exchangers equipped with nozzles for supplying water and steam, characterized in that it is equipped with a mechanism for unloading the nozzle containing a rotating drum mill regenerator for purification of ball heated elements from scale, as well as a heater of the mixing type of desalinated or purified water.

2. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a volumetric evaporator of superheated liquid discharged from the heat exchanger body.