TW201315687A - 海水淡化裝置 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種直立式海水淡化裝置，其包含了複數個呈層疊設置之熱交換腔體及一個餘熱排放器，可進行複數級閃化反應以淡化海水。每一級的熱交換腔體中有一高導熱率之熱交換器，將熱交換腔體區隔成不同飽和蒸發壓力(溫度)的工作級；熱交換器之下側面為凝結單元、上側面為蒸發單元，而前者的工作(飽和)壓力略高於後者；其中凝結單元係用來凝結海水所蒸發的水蒸汽，同時將凝結熱傳給上側面之蒸發單元；而蒸發單元則利用此凝結熱加熱海水使蒸發汽化。運作時，高溫級(第一級)的熱交換腔體所凝結出之淡水盛裝於腔體內之匯集單元，然後抽送至腔外之淡水櫃；剩餘未蒸發之海水則被抽送至相鄰的次低溫級(第二級)之熱交換腔體中的蒸發單元進行次低溫的閃化反應。複數級之閃化反應依此類推；即，閃化反應係依設計複數級數，從高溫級朝低溫級依序進行閃化反應，工作壓力則依序遞減；其結構則從最底部的高溫級依序朝上逐級疊裝，與最頂層的餘熱排放器組合成完整的直立式裝置。複數級閃化反應能重複利用第一級之蒸發潛熱，達成節能的目的；直立式層疊結構，機組設置所需之廠房面積可大幅減少。

Description

海水淡化裝置

本發明大體上屬於一種海水淡化裝置，特別是關於一種利用多級閃化法(multi-stage flashing,MSF)之直立式海水淡化裝置，其具有重複利用蒸發潛熱之熱交換循環機制，結構採層疊設計、體積精簡，特別適用於局部缺水地區或漁村養殖用純水與純鹽水之用的直立式海水淡化裝置。

海水或鹽水之淡化(desalination)係為一種水處理技術，其原理乃是利用能源將鹽水(saline water)分離成兩部分，一部分為含鹽量極低之淡水(fresh water)，另一部分則為含鹽量高之鹵水(brine)，以達成淡化之目的。所產製之淡化水不僅可用來供應一般民生用水、公共給水及灌溉用水等，同時，由於淡化水的水質較好，也可供作精密工業之用水。因此，淡化水的應用可說是非常廣泛。從來，水資源之供應一直為世界各國所關注之問題，特別是對於海島型國家而言，其淡水佔國家全體水資源之比例極低，故如何獲取來源穩定之淡水資源為基本穩定民生之需求。世界上許多臨海的民主先進國家或地區，海水淡化已經成為與傳統水源同樣重要的新興水源，將海水淡化用來做為有效緩和或解決水資源供需失衡的方案。

目前業界已開發出多種達商業化規模之海水及鹹水淡化方法，依其作法而言大致可區分為蒸餾原理與薄膜透析原理兩大類，包含：多級閃化法(multi-stage flashing,MSF)、蒸汽壓縮法(steam compression)、多效蒸餾法(multi-effect distillation,MED)、逆滲透法(reverse osmosis,RO)、電透析法(electro-dialysis,ED)，此外，尚有未達商業化規模之冷凍法與太陽能蒸發法(solar still)仍處於示範及實驗階段。就薄膜透析原理之淡化方法而言，由於其電能消耗與薄膜更換佔生產成本頗高，故適用於處理含鹽量較低之鹹水，並不適合用來淡化大量含鹽量高之海水(約佔重量比35‰)。而就另一方面而言，蒸餾法為傳統分離易揮發性物質與不易揮發性物質常用的方法之一，其原理為使易揮發性之液體蒸發而留下不易揮發性物質，並進一步使該蒸發之蒸汽凝結來取得該易揮發性之液體。在海水淡化的應用中，其係運用蒸餾之原理，將液體(海水)加熱至沸點產生蒸汽，使與溶解於海水中的鹽份分離。

在眾多蒸餾法中，多級閃化法(multi-stage flashing,MSF)係最為廣泛運用之方法。閃化(flashing)一詞係指透過減壓之方式降低含鹽水之沸點以產生蒸汽，其作法並沒有真正使含鹽水產生整體沸騰(僅於其液表沸騰)，故鹽水與熱傳表面接觸之處不會有鹽晶析出，可大幅改善傳統上多效蒸餾法易產生之積垢(Scale)問題。傳統的蒸餾法須將大量溶液利用加熱法分離，會消耗相當多的能量，故不合經濟效益。多級(多次重複)閃化原理的優點在於能有效地將製程中所施加之熱能直接回收重複利用，成為下一級次蒸發所需之能量，其閃化過程中不須外加其他熱量，且淡化之級數可隨著不同的設計要求而定。故其單位能量下能淡化的水量較其他海水淡化方法為多。多級閃化法最突出之優點在於可利用較低溫度之廢熱或低位熱能作為能源來進行淡化，不若多效蒸餾法須提供高溫蒸汽進行熱交換或是蒸汽壓縮法須對蒸汽進行壓縮，加之閃化法機具構造簡單、防垢性好，易於大型化且成本低，故適合用於大量高鹽度之海水淡化應用中。

雖然大型(單機產水率＞100 ton/h)多效閃化系統之能源消耗已有顯著的改善，因其設置屬多組獨立橫臥式腔體或閃化單位串聯來實行多重複數級次的閃化反應，故其機組硬體設置會佔去較多的廠房建地與機組成本。又於海水淡化中，多級閃化法應用之重點在於機體內的熱傳效率及熱能循環利用，如何將所提供之海水淡化能量在各級閃化裝置間作最有效的運用實為改善淡化效率之關鍵。發明人有鑑於此，遂特以研創本案，期藉本案之提出，俾提出一種創新且可付諸實現與應用之直立式海水淡化處理設備，以解決上述習知技術中之缺點。

鑑於上述先前技術中之缺失，本發明揭露了一種海水淡化裝置，其設計能有效加強閃化反應中之熱傳效率及熱能之循環再利用，且整體機件不須龐大的設置面積。

本發明之海水淡化裝置包含了複數個呈層疊設置之熱交換腔體及頂部之熱排放器，可進行複數級閃化反應以淡化海水。每一級的熱交換腔體中有一熱交換器，將熱交換腔體區隔成不同蒸發壓力(溫度)的工作級；熱交換器之下側面為凝結單元、上側面則為蒸發單元，而前者的工作(飽和)壓力略高於後者；其中凝結單元係用來凝結海水所蒸發的水蒸汽，同時將凝結熱傳給上側面之蒸發單元；而蒸發單元則利用此凝結熱加熱海水使蒸發汽化。運作時，高溫級(第一級)的熱交換腔體所凝結出之淡水匯集於腔體內之承接盤、並抽出腔外之淡水櫃；剩餘未蒸發之海水則被抽送至相鄰的次低溫級(第二級)之熱交換腔體中的蒸發單元進行次低溫的閃化反應。複數級閃化反應能重複利用第一級之蒸發潛熱，達成節能的目的；其結構則從最底部的高溫級依序朝上逐級疊裝，最後與最頂層的餘熱排放器組合成直立式層疊結構，故機組設置所需之廠房面積可大幅減少。為提高閃化反應進行時海水/水蒸汽與元件間之熱交換效率，腔體中之熱交換器係採用高熱傳導係數之耐蝕材料，以快速將水汽凝結或使冷凝單元或蒸發單元維持在其預設溫度、且無腐蝕，導致效能驟降之虞。

於本發明中，每一腔體都有預設之閃化壓力(溫度)。預熱之海水會自最底層之腔體(第一級)通入進行第一次閃化反應，閃化後剩餘的海水會依序流至上方次一級(第二級)之腔體中進行下一次閃化反應。隨著反應腔體的轉換上移，每一次閃化反應之飽和壓力(溫度)會越來越低，所剩餘未蒸發之海水含鹽濃度亦會越來越高。換言之，腔體各層之飽和壓力(溫度)隨級數增加而遞減。海水經過多次淡化處理後剩餘的高濃度海水(俗稱滷水)，可輸至外部額外設置之精鹽系統來作進一步的處理及利用或直接排放入海。

本發明海水淡化器之一優點在於良好的熱循環利用設計，裝置中之冷凝單元與蒸發單元皆不須額外的冷卻或加熱即可維持閃化步驟之進行，能源消耗可大幅改善。

本發明海水淡化器之另一優點在於直立式層疊腔體結構，可大幅減少機組設置所需之廠房面積。

關於本發明之優點於精神，可以藉由以下的發明實施例詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

下列描述係提供本發明特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，本發明特定實施例細節描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋。

請參照圖一，其為本發明一實施例中海水淡化裝置之截面示意圖。如圖所示，本發明之海水淡化裝置100係由複數個腔體(包含腔體101a,101b,101c)所構成，該複數個腔體100以直立層疊方式設置以減少整體海水淡化裝置100所需之平面設置空間。於本發明中，每一腔體101a,101b,101c內部皆定義出一空間來進行閃化處理，其腔體內部具有相同的元件與構造，複數個腔體即可進行多級(multi-stage)的海水淡化步驟。該腔體側壁上更具有窗格部位供以觀察該腔體內部。如本實施例圖中的海水淡化裝置100共具有三個腔體101a,101b,101c,即可運行三次連續的閃化步驟，其詳細步驟將於下述實施例中說明。製作者可依淡化製程之需求來設置不同數目之淡化腔體以達成不同級次之海水淡化效果。於本實施例中，欲進行淡化處理之冷海水C會先於腔體外被泵浦103抽入進水管線105中，如管中箭頭方向所示。該冷海水C可先經過一前置過濾裝置濾除其中大顆的雜質後，經餘熱排放器將最終級的蒸汽以予冷凝液化後，一部分直接排海W、另一部分已初步預熱的冷海水C會被抽送經過一加熱器107與加壓器109進行加壓加熱至額定的過熱溫度後，才會抽送入腔體101a中進行淡化處理。最下層腔體101a的側壁上設置有一進水口111a，可讓加壓加熱後之過熱海水通入，進水口111a上最好設置有噴嘴使海水以霧化形態噴入腔體101a中，以增加海水之有效反應面積。因過熱海水持續流入於閃化反應時能維持在一第一溫度T₁，該第一溫度T₁略高於該腔體101a內部預設之飽和蒸發溫度，使得過熱海水會持續受熱而蒸發汽化。腔體101a中有一冷凝單元115a於閃化反應時能維持在一第二溫度T₂，該第二溫度T₂略低於腔體101a內部預設之飽和蒸發溫度，使得與冷凝單元115a接觸之水蒸汽能凝結液化，降落在一懸置於冷凝單元115a下方之匯集單元117a。本實施例中之匯集單元117a為一具有大底部面積之盤形結構，可盛接從冷凝單元115a凝結滴下之水液。一出水管119a與匯集單元117a相通並穿設通過腔體101a之側壁，可將匯集單元117a所盛裝之淡水輸出，如圖中箭頭方向所示。一抽氣管線125與腔體101a內部相通，其上之真空抽射器120可將腔體101a內未冷凝之氣體(包含蒸汽與海水中的微量空氣)E抽出，以維持腔體101a的內部壓力。被抽出之氣體E可再經由抽氣管線125送至腔外另外設置之熱循環系統，以將氣體E之蒸發熱用於加熱冷海水C，以達成熱能循環再利用之效果。在圖一中，從腔體101a出水口111a噴出之過熱海水部分會於進入腔體101a即蒸發成水蒸汽，部分則會受重力而灑落在腔體101a內底部形成液面水位。腔體101a側壁上另有通入一海水輸送管線127，該輸送管線127與上一層腔體101b之出水口111b連通讓腔體101a中未蒸發之海水可輸入腔體101b中，以繼續下一級之閃化反應。由於腔體101a之飽和蒸發壓力略大於腔體101b之壓力，進入腔體101b之海水呈過熱態，可以進行閃化反應產生蒸氣。實務上，輸送管線127上最好設置一加壓器128使未蒸發海水能呈霧化型態噴入腔體101b中，以增加海水之有效閃化反應面積。

在腔體101b中，裝置會重複上述海水淡化步驟，通入之過熱海水(因腔體101a之飽和蒸發壓力略大於腔體101b之壓力)從出水口111b噴入腔體101b即蒸發成水蒸汽，該水蒸汽會在冷凝單元115b上凝結滴下而盛裝在一匯集單元117b中。匯集單元117b所收集之淡水，會經由出水管119b與腔體101b外的抽水管線123相通而受泵浦121抽出。腔體101b閃化反應後剩餘的海水會經由輸送管線130輸入下一級的腔體101c中、並繼續重複海水淡化之步驟。類似輸送管線127，輸送管線130上最好設置一加壓器132使未蒸發海水能呈霧化型態噴入腔體101c中，以增加海水之有效閃化反應面積。

在腔體101c中，裝置會重複上述海水淡化步驟，通入之過熱海水(因腔體101b之飽和蒸發壓力略大於腔體101c之壓力)從出水口111c噴入腔體101c即蒸發成水蒸汽，該水蒸汽會在餘熱排放器115c上凝結滴下而盛裝在一匯集單元117c中。匯集單元117c所收集之淡水會經由出水管119c與腔體101c外的抽水管線123相通而受泵浦121抽出。於最上層(最終級)的腔體101c中，經淡化處理後剩餘的海水(濃滷水)會經由一排水管線129排出腔體外。由於經過多次淡化處理，該排出之剩餘海水為含鹽量極高之濃滷水，該濃滷水可經由排水管線129輸至外部另外設置之精鹽系統131，對淡化後之滷水作進一步的處理及利用或直接排放入海。

在圖一中，由泵浦103所引入未處理過之冷海水C會經由進水管線105流過腔體101c頂部之餘熱排放器115c吸收冷凝餘熱後，一部分直接排海W、另一部分已初步預熱的冷海水C會被抽送經過一加熱器107與加壓器109進行加壓加熱至額定的過熱溫度後，再通入最下層腔體101a中。各腔體之冷凝單元115a,115b及餘熱排放器115c須能快速地與蒸汽進行熱交換，以維持預設之飽和溫度、達到良好的冷凝效果，故熱交換器(即冷凝單元與蒸發單元)最好以具高熱傳導係數之材質製造，且其熱交換面積越大越好。在本發明實施例中，其熱交換器係以高熱傳係數之無氧銅(oxygen free copper)或鈦材製造，其上有多條流道或凸形曲面，以增加熱交換器之熱傳面積。

若以腔體101b為例，腔體內的蒸發單元113b於閃化反應中須維持在一預設的第二溫度T₂下，其熱能係由自進水口111b噴入過熱海水所提供。同時，蒸發單元113b能快速地吸收來自冷凝單元115a之熱能，並與未蒸發之海水進行熱交換、蒸發汽化；而汽化之蒸汽接觸腔體101b之冷凝單元115b而快速地凝結成水滴。因此，腔體101b之熱交換器最好以具高熱傳導係數之材質製造，且其熱交換面積越大越好。

本發明之海水淡化裝置係具備共有的管線配置。例如，各腔體處理後之淡化水D係經由同一抽水管線123、泵浦121抽出匯集於腔外之淡水櫃。欲進行淡化處理之冷海水C經由泵浦103抽入經過一餘熱排放器115c完成熱交換，再匯流至加熱器107與加壓器109進行加壓預熱。各腔體中未蒸發之氣體E則經由真空抽射器120抽送經過抽氣管線125而排出。各管線上可裝設置適當的閥門來控制液體或水汽之輸送以穩定腔體的反應環境，如真空度、溫度、壓力、進水量及出水量等。

以上為本發明直立式海水淡化裝置之實施例描述，下面將針對上述實施例中之多級閃化運作步驟細節進行說明，請參照圖一之結構圖與圖二之流程圖。於本發明中，直立式海水淡化裝置100的每一腔體101都有其預設之飽和蒸發壓力和溫度，就本實施例而言，腔體101a內部預設之穩定飽和蒸發壓力為P₁，其值低於常壓(P₁>1 atm)。在此穩定壓力環境下，海水會具有一低於常壓下沸騰點之飽和蒸發溫度T₁(例如T₁~60℃)。在閃化反應初期，每一腔體都會先被真空泵抽至一定的真空度。欲進行淡化之冷海水其溫度相對腔內溫度而言較低，不利閃化反應之進行，故其於進入腔體前會先加熱至適當的過熱溫度。此外海水亦會進行加壓使其能呈霧化型態噴入腔體之中，獲得最大的液汽轉換面積(210)。海水噴入後，一部分的海水會直接蒸發變成水蒸汽，其他的海水則灑落在腔體底部。蒸發後的水蒸汽上升後會接觸溫度較低之冷凝單元115a而凝結成淡水(220)。凝結後之淡水會被匯集單元117a收集並輸出腔外(230)。於閃化反應進行中，無法凝結的氣體會被抽出腔外以將腔體維持在預設之壓力(240)。腔底未蒸發之海水經過一次閃化步驟後含鹽量會提升，該海水於反應後會經由輸送管線127輸往下一級腔體101b。

復參照圖一與圖二，同樣地，一次閃化後之海水會以霧狀型態噴入腔體101b中，腔體101b內部預設之穩定飽和蒸發壓力為P₂，其值低於上一級腔體之壓力(P₂<P₁)。在較低之真空度下，海水在腔體101b中所需之飽和蒸發溫度T₂會低於上一級腔體101a中所需之蒸發溫度(例如T₂~55℃)。故此，來自腔體101a之海水(溫度約60℃)於噴灑進入腔體101b時，部分海水會立即蒸發完成二次閃化反應，剩餘的海水則灑落在腔底，對冷凝單元115a進行冷凝作用、同時持續吸熱(210)使海水蒸發。上述之閃化反應步驟會隨著腔體變換而重複進行，其間腔底海水之含鹽量會越來越高。行至最上層之腔體，最終剩餘的海水是為含鹽類礦物質極高之滷水，該滷水產物可輸至腔外另外設置之精鹽系統131來進一步的處理及利用(250)或直接排放入海。

須注意本發明於閃化反應步驟中其冷凝單元係透過次一級所輸入、欲進行淡化之過熱海水來將其維持在第二溫度T₂(即本實施例的55℃)。蒸發單元則透過加預熱後噴灑在其上的過熱海水來將其維持在第一溫度T₁(即本實施例的60℃)。故無須透過額外的加熱或冷卻元件即可維持腔內冷凝單元與蒸發單元預設之飽和蒸發溫度。對於本發明之海水淡化裝置而言，其僅需於冷海水進入腔體前施予加壓預熱之能量，並維持各腔體內所預設之工作(飽和)壓力，便可對通入之海水進行多次的閃化反應步驟，無須提供額外的能量。再者，直立式多腔體配置之設計可增加蒸發與凝結所需之反應面、並減少熱損失，使得單次加熱之海水可進行多次的淡化，意即單位耗能下可淡化相對多量之海水。故本發明之海水淡化裝置具有良好之熱循環及回收利用之功能，可節省海水淡化所耗費之能量；直立式疊層之腔體設置方式亦可在單位設置面積下設置更多層的腔體來進行閃化反應。最後一級之滷水從冷凝單元所傳導出之熱能可於海水加熱處回收利用；最後之濃滷水可被加工精製再利用(如海鹽或養殖用無菌海水)，提高海水淡化之附加價值。

本發明並未侷限於此處所描述之特定細節特徵。在本發明之精神與範疇下，其與先前描述與圖式相關之許多不同的發明變更是可被允許的。因此，本發明將由下述之專利申請範圍來定義涵括其所可能之修改與變更，而非由上方之描述來界定本發明之範疇。

100．．．直立式海水淡化裝置

101a．．．腔體

101b．．．腔體

101c．．．腔體

103．．．泵浦

105．．．進水管線

107．．．加熱器

109．．．加壓器

111a．．．進水口

113b．．．蒸發單元

113c．．．蒸發單元

115a．．．冷凝單元

115b．．．冷凝單元

115c．．．餘熱排放器

117a．．．匯集單元

117b．．．匯集單元

117c．．．匯集單元

119a．．．出水管

120．．．真空抽射器

121．．．泵浦

123．．．抽水管線

125．．．抽氣管線

127．．．輸送管線

128．．．加壓器

129．．．排水管線

130．．．輸送管線

131．．．精鹽系統

210,220,230,240,250．．．步驟

圖一為根據本發明實施例一直立式海水淡化裝置之截面示意圖；及

圖二為根據本發明實施例直立式海水淡化之步驟圖。

100．．．直立式海水淡化裝置

101a．．．腔體

101b．．．腔體

101c．．．腔體

103．．．泵浦

105．．．進水管線

107．．．加熱器

109．．．加壓器

111a．．．進水口

113b．．．蒸發單元

113c．．．蒸發單元

115a．．．冷凝單元

115b．．．冷凝單元

115c．．．餘熱排放器

117a．．．匯集單元

117b．．．匯集單元

117c．．．匯集單元

119a．．．出水管

120．．．真空抽射器

121．．．泵浦

123．．．抽水管線

125．．．抽氣管線

127．．．輸送管線

128．．．加壓器

129．．．排水管線

130．．．輸送管線

131．．．精鹽系統

Claims (9)

1. 一種直立式海水淡化裝置，具有複數個熱交換腔體相互分隔並呈層疊設置之複數閃化級，每一級的熱交換腔體中有一熱交換器區隔成不同飽和蒸發壓力的工作級；熱交換器之下側面為凝結單元、上側面則為蒸發單元，前者的工作壓力略高於後者；其結構則從最底部的高溫級依序朝上逐級疊裝，與最頂層的餘熱排放器組合成完整的直立式結構裝置，其裝置包含：複數個進水口，可通入欲淡化之預熱海水；複數個蒸發單元位於每一工作級冷凝單元的上側面，可將冷凝單元釋放的凝結熱使海水蒸發汽化；複數個冷凝單元位於每一工作級蒸發單元的下側面，用來凝結水蒸汽並將凝結熱傳給上側面之蒸發單元；複數個設置於腔體內部的匯集單元，可盛裝冷凝單元凝結之淡水；複數個第一出水口，可將匯集單元所盛裝之淡水排出；複數個第二出水口，其係藉由管線與上一層腔體之該進水口相通以將該未蒸發之海水輸往該上一層腔體；複數個排氣口，可將未凝結之氣體排出；其中，該設置具有一預設之飽和蒸發壓力，其中該設置之各層級之預設飽和蒸發壓力隨級數遞減；一餘熱排放器位於該裝置之頂部，可預熱冷海水回收系統餘熱，冷卻最終級之水蒸汽使凝結成淡水。
2. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，其中部分通入之過熱海水於進入腔體中時蒸發，部分與蒸發單元接觸後受到該第一溫度之加熱而蒸發。
3. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，更包含一加熱裝置用以將海水加熱至一預設過熱溫度後再通入該海水淡化裝置中。
4. 如請求項2所述之直立式海水淡化裝置，其中該加熱裝置之熱能可來自瓦斯、汽油、電熱、太陽能、風力或是從該多效蒸餾海水淡化裝置該回收之蒸汽，以加強熱循環利用效果。
5. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，其中該餘熱排放器可藉由與外部通入溫度較低之冷海水進行熱交換而達到水冷效果以維持在該第三溫度，該冷海水受熱後部份繼續通入該海水淡化裝置中進行淡化流程。
6. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，其中自最上層之該腔體內排出之海水(滷水)可通往一精鹽系統進行再處理利用。
7. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，更包含一真空泵來將該匯集單元所盛裝之水以及該腔體中未凝結之水汽抽出。
8. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，其中該未蒸發之海水係透過該腔體間之壓差輸往上一層之該腔體。
9. 如請求項1所述之直立式海水淡化裝置，其中該蒸發單元與冷凝單元之材質為無氧銅(oxygen free copper)或鈦板。