专利名称：机械压缩蒸馏法海水淡化装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种海水淡化装置及其方法，尤其是涉及一种通过海水汽化和冷凝的淡水制取装置及方法。
背景技术：
蒸馏法海水淡化技术是一个蒸馏的过程，即通过蒸馏将海水加热蒸发出来的蒸汽冷凝，制造淡水，并同时将海水浓缩的过程。
海水淡化蒸馏方法主要有多级闪蒸和多效蒸馏两种工艺方法。其中，多级闪蒸是先利用蒸汽将海水预热，然后逐级降压，使海水快速蒸发而获取淡水的海水淡化工艺。多效蒸馏是利用蒸汽在冷凝管内冷凝使海水在冷凝管外逐级多效蒸发而获取淡水的海水淡化工艺。
目前，利用多级闪蒸方法和多效蒸馏方法的海水淡化装置，均不能充分利用加热蒸汽的热能，从而限制了降低海水淡化的成本；另外，在一些没有蒸汽热源的地区根本无法采用上述的两种海水淡化蒸馏工艺方法。
发明内容
本发明提供了一种高效、节能的机械压缩蒸馏法使海水淡化的装置及其海水淡化方法，本发明是通过有机地结合多效蒸馏和利用机械压缩机的蒸汽压缩两种技术，进而充分地利用蒸汽的热能，提高海水淡化装置的热效率，降低海水淡化的成本。利用本发明海水淡化装置进行海水淡化，可用于只提供电能的场合，并且避免了过滤、腐蚀、化学处理和结垢所产生的问题。
为了解决上述技术问题，本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置的技术方案是包括蒸汽机械压缩机、多个蒸发器和置于所述蒸发器内的冷凝管、喷淋系统、淡水箱和捕沫网，所述蒸汽机械压缩机的出口与所述多个蒸发器中的第一效蒸发器内的冷凝管连接，所述第一效蒸发器中的冷凝管与淡水箱连接，所述第一效蒸发器的蒸汽出口与下一效蒸发器内的冷凝管连接，以此类推，至最末一效蒸发器，上述多个蒸发器实现多效逐级蒸发，所述最末一效蒸发器的蒸汽出口与所述机械压缩机吸入口连接，最末一效蒸发器产生的二次蒸汽经所述机械压缩机压缩提高温度和压力后，输送到第一效蒸发器内冷凝管中。
本发明海水淡化装置中还包括分别与各效蒸发器内的淡水箱和冷凝管束连接的冷凝混合器、及与淡水出口连接的电锅炉，及板式换热器。所述淡水箱通过接管与真空抽汽接口相连，所述真空抽汽接口与真空泵连接。所述各蒸发器的封板与管板形成一个整体，保证蒸发器内管程与壳程形成互不相连的独立空间。所述冷凝管呈正三角形排列，其两端分别连接有管板，中间设置有支撑板，所述管板与支撑板对冷凝管起支撑作用。所述机械蒸汽压缩机的叶轮为高比功系数的径向三元叶轮，其转速及叶片扩压器的安装角度是可调的，所述机械蒸汽压缩机采用双端面机械密封。所述各效蒸发器的淡水箱分别与真空泵连接，以抽取不凝性气体，同时保证所述蒸发器内的负压状态。每效蒸发器安装有捕沫网，捕沫网与蒸发器外壳的内侧相连，所述捕沫网为双层V形板结构，V形结构的捕沫网可以在较大程度上去除蒸汽中的液滴，保证冷凝水的水质，同时蒸汽的阻力损失比常规捕沫装置小，从而提高淡化设备的效率。
利用本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置进行海水淡化的方法包括以下步骤步骤一、首先，连接好上述机械压缩蒸馏发海水淡化装置，即，在常规的多效蒸馏装置串联一机械蒸汽压缩机，所述机械蒸汽压缩机设置在所述多效蒸发器的第一效和最末效之间，所述机械蒸汽压缩机的排出口与所述第一效蒸发器内的冷凝管束连接，所述最末效蒸发器的蒸汽出口与所述机械蒸汽压缩机的吸入口连接；所述多效蒸馏装置中的淡水箱通过接管与真空泵连接；步骤二、连接好上述海水淡化装置后，启动所述海水淡化装置，在真空泵的作用下，各效蒸发器内部保持负压状态，而且相邻两效蒸发器之间的温差控制在1.5℃~6℃，每效蒸发器内的压力为各自温度对应的水蒸汽饱和压力；步骤三、经机械蒸汽压缩机压缩的蒸汽进入第一效蒸发器的冷凝管束内，海水通过喷淋系统喷洒到冷凝管束的表面，蒸汽在冷凝管内冷凝为淡水并流入淡水箱内，然后可收集得到淡水；第一效蒸发器产生的二次蒸汽通过捕沫网去除夹带的海水液滴后进入第二效蒸发器内，最终，被浓缩的海水通过浓海水出口排到蒸发器外；依此类推，至最末一效蒸发器；步骤四、最末一效蒸发器所产生的二次蒸汽通过机械蒸汽压缩机的吸入口进入机械蒸汽压缩机内加温、加压，循环步骤三；即，通过机械能进一步把低品位蒸汽变为高品位蒸汽用于维持海水的不断蒸发。
在本发明的海水淡化方法中，进入所述多效蒸发器中各效蒸发器的浓海水被蒸发后的多余部分，依靠相邻两效的压力差，通过循环海水接口由前一效流入后一效中，流入到后一效的浓海水发生闪蒸并与后一效的浓海水混合，混合后的浓海水与进料海水经循环泵混合后被循环泵抽出，并分配给所述两效蒸发器的喷淋系统以提供进一步的蒸发。
与现有技术相比，本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置具有以下有益效果1.在本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置中，由于机械压缩机是维持该装置运转的主要热源，其作用是将电能转换为机械能，通过机械能把低品位蒸汽变为高品位蒸汽用于维持海水的不断蒸发，具有显著的节能效果；2.由于在本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置中，采用了在循环泵之前安装了冷凝混合器，延长了装置内冷凝管的寿命，从而提高了整体装置的使用寿命；3.本发明机械压缩蒸馏法海水淡化方法采用了浓盐水部分循环喷淋，提高了设备效率。
4.本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置及其方法，适合于在没有蒸汽热源的地区对海水或苦咸水进行淡化。
图1是本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置的工作流程图；图2是发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置以二效蒸馏为例进行海水淡化的流程3为本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置二效蒸馏时第一效蒸发器结构示意图；图4为本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置二效蒸馏时第二效蒸发器结构示意图。
下面是本发明说明书附图中主要附图标记的说明。
1——海水进口管 2——封板3、6——管板 4、5——支撑板7——外壳 8——循环海水接口9——循环海水出口 10——真空抽汽接口11——浓海水换热器12——产品(淡水)换热器100——机械蒸汽压缩机 200——第一效蒸发器201——冷凝管束 202——喷淋系统203——淡水箱 204——捕沫网300——冷凝混合器 400——真空泵410——产品(淡水)水泵 420——循环泵430——浓海水泵 440——海水泵500——第二效蒸发器 600——末效蒸发器901——海水进水口 902——淡水出口903——浓海水出口 904——电锅炉905——系统浓海水排放口 906——系统产品(淡水)水排放口具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细地描述。
如图1至图4所示，本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置包括蒸汽机械压缩机100、多个蒸发器200、500和600，及置于所述各蒸发器内的冷凝管束201、喷淋系统202、淡水箱203和捕沫网204，位于冷凝管束201上方的喷淋系统202通过接管与海水进口901相连，所述蒸汽机械压缩机100的出口与所述多个蒸发器中的第一效蒸发器200内的冷凝管束201连接，所述第一效蒸发器200中的冷凝管束201与淡水箱203连接，所述第一效蒸发器200的蒸汽出口与下一效蒸发器，例如在二效蒸馏中的第二效蒸发器500的冷凝管束连接，以此类推，至最末一效蒸发器600，上述多个蒸发器实现多效逐级蒸发，所述最末一效蒸发器600的蒸汽出口与所述机械压缩机100的吸入口连接，最末一效蒸发器600产生的二次蒸汽经所述机械压缩机100压缩提高温度和压力后，输送到第一效蒸发器200内冷凝管束201中。
如图2所示，本发明海水淡化装置中还包括分别与各效蒸发器内的淡水箱203和冷凝管束201连接的冷凝混合器300、及与淡水出口902连接的电锅炉904，及板式结构的浓海水换热器11和产品水(淡水)换热器12。所述淡水箱203通过接管与真空抽汽接口相连，所述真空抽汽接口与真空泵400连接，以抽取不凝性气体，同时保证所述蒸发器内的负压状态。如图3和图4所述各蒸发器的封板2与两端管板3和6形成一个整体，以此保证蒸发器内管程与壳程形成互不相连的独立空间。所述冷凝管201呈正三角形排列，其两端分别连接有管板3和6，中间设置有支撑板4和5，所述管板3和6与支撑板4和5对冷凝管201起支撑作用。所述机械蒸汽压缩机100的叶轮为高比功系数的径向三元叶轮，其转速及叶片扩压器的安装角度是可调的，所述机械蒸汽压缩机100采用双端面机械密封。每效蒸发器的侧面安装有捕沫网204，捕沫网204与蒸发器外壳7的内侧相连，所述捕沫网204为双层V形板结构，V形结构的捕沫网204可以在较大程度上去除蒸汽中的液滴，保证冷凝水的水质，同时蒸汽的阻力损失比常规捕沫装置小，从而提高淡化设备的效率。
如图1和图2所示，本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置中第一效蒸发器200内，经机械压缩的蒸汽从左侧进入第一效蒸发器200的冷凝管束201内，海水通过喷淋系统202喷洒到冷凝管束201的表面，由于进入冷凝管201内蒸汽的温度比喷淋的海水温度高，蒸汽将在冷凝管201内冷凝为淡水，并自流到淡水箱203中，然后通过淡水出口902输送到蒸发器外。另外，喷淋到冷凝管201外表面的海水在管内蒸汽冷凝放热的作用下蒸发产生饱和二次蒸汽，二次蒸汽通过捕沫网204去除夹带的海水液滴后进入下一效蒸发器，即第二效蒸发器内。最终，被浓缩的海水通过浓海水出口903排出蒸发器外。第二效蒸发器500的工作原理与第一效蒸发器200基本相同，区别仅在于第二效蒸发器500的加热蒸汽来源于第一效蒸发器200所产生的二次蒸汽，第二效蒸发器500产生的二次蒸汽输送到第三效蒸发器，以此类推，后面各效蒸发器的工作原理与第二效蒸发器500基本相同。最末一效蒸发器600产生的二次蒸汽进入机械蒸汽压缩机100的吸入口，机械蒸汽压缩机的排气口与第一效蒸发器201内冷凝管束201相连。
为了便于说明，下面以一个二效的装置为例描述本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置的工作流程及实施方法，但本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置不局限于二效。
如图2所示，本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置主要由第一效蒸发器200、第二效蒸发器500、海水泵440、浓海水换热器11、产品水(淡水)换热器12、冷凝混合器300、循环泵420、产品水(淡水)泵410，浓海水泵430，电锅炉904，真空泵400和机械蒸汽压缩机100等组成。如图3和图4所示，各效蒸发器的主要组成构件有淡水出口902、海水进水管1、循环海水接口8、真空抽汽接口10、封板2、管板3和6、支撑板4和5、淡水箱203，冷凝管201、外壳7、捕沫网204和喷淋系统202。此外，除第一效蒸发器外的其他各效蒸发器还有浓海水出口903和循环海水出口9。
下面结合图1和图2对本发明机械压缩蒸馏法海水淡化装置的工作原理作进一步描述在真空泵400的作用下，各效蒸发器内部保持负压状态。在蒸发器内部，第一效蒸发器200的温度高，为65～75℃，第二效蒸发器500的温度低，为63.5～73.5℃。两效之间保持1.5℃～6℃的温差。两效的压力为各自温度对应的水蒸汽饱和压力。
在第一效蒸发器200内，机械蒸汽压缩机100排出口的蒸汽从左侧进入蒸发器的冷凝管201的管内。冷凝管201的一端与管板3相连，另一端与管板6相连。海水通过喷淋系统202喷洒到冷凝管201的表面。由于进入冷凝管201内的蒸汽的温度比喷淋的海水的温度高，蒸汽将在冷凝管201内冷凝为淡水，并自流到淡水箱203中，然后通过淡水出口902输送到第一效蒸发器200外。喷淋到冷凝管201外表面的海水在管内蒸汽冷凝放热的作用下蒸发产生饱和二次蒸汽，二次蒸汽通过捕沫网204去除夹带的海水液滴后进入第二效蒸发器500。被浓缩的海水通过循环海水接口8靠压力差流入第二效蒸发器500。第二效蒸发器500的加热蒸汽来源于第一效蒸发器200所产生的二次蒸汽，第二效蒸发器500产生的二次蒸汽经机械蒸汽压缩机100压缩提高温度和压力后，输送到第一效蒸发器200。系统中的真空泵400与各效蒸发器的淡水箱201相连，以抽取不凝性气体，同时保证蒸发器内的负压状态。
原料海水通过海水泵440输送到产品水(淡水)换热器12和浓海水换热器11。原料海水被排放的产品水和浓海水加热以回收带出的热量。在通向蒸发器的过程中，进料水在冷凝混合器300中被进一步加热和脱气，同时被脱除重金属离子，被加热和脱气的进料水在循环泵420的吸入口处与来自第二效蒸发器500的浓海水混合，并通过喷淋系统202排放到二效蒸发器500中，在蒸发器的传热管上形成连续的薄水膜，薄水膜被加热蒸发产生二次蒸汽和浓海水。第二效蒸发器500中蒸发所产生的二次蒸汽通过捕沫网去除夹带的液滴后，进入机械蒸汽压缩机100。经机械蒸汽压缩机100压缩其压力并提高温度后被排入到第一效蒸发器200的冷凝管201内。此时冷凝管201内蒸汽的压力略高于第一效蒸发器200冷凝管201外浓海水的汽液平衡压力，蒸汽被冷凝，放出冷凝潜热并通过管壁传递给在管外流动的浓海水，从而为第一效蒸发器200中浓海水的蒸发提供潜热。
由于第一效蒸发器200中的压力大于第二效蒸发器500中的压力，温度和压力的差别使第一效中蒸发的蒸汽通过捕沫网进入到第二效的冷凝管中，冷凝潜热通过管壁传递给在管外流动的浓盐水，使第二效的浓海水被蒸发而产生二次蒸汽。
进入第一效蒸发器200的浓海水被蒸发后的多余部分，靠两效的压力差，通过循环海水接口9由第一效流到第二效中，由于两效之间的压力差别，流入到第二效的浓海水发生闪蒸并与第二效的浓海水混合，混合浓海水与进料海水在循环泵420吸入口混合之后被循环泵20抽出并分配给蒸发器两效的喷淋系统202以提供进一步的蒸发。另外，第二效中的多余浓海水通过浓海水出口903，被浓海水泵430抽出，并通过浓海水换热器11把热量传递给进料海水。第一效中产生的产品水(淡水)被引入到电锅炉904的电加热侧，多余部分溢流到储液侧，第二效的产品水(淡水)被引入到电锅炉904的储液侧。产品水(淡水)泵410从电锅炉904的储液侧把水抽出，再通过产品水(淡水)换热器12把热量传递给进料海水。
空气和其它不凝性气体以空气和蒸汽混合物的形式从蒸发器的淡水箱204中被抽出，该混合物首先在冷凝混合器300中通过冷凝部分蒸汽使不凝气浓缩，然后，真空泵400将此不凝气抽出。除在操作过程中抽出不凝气之外，该真空泵400还在本发明装置启动过程中产生初始真空。
如图2所示，本发明中，安装有循环泵420，其目的是增加喷淋量，防止由于喷淋不均而造成传热管的干壁从而导致传热管结垢，同时，加大喷淋量有利于传热效率的提高，提高了设备效率。
另外，在海水泵410与循环泵420之间，安装一个混合冷凝器300。其作用是冷凝抽出空气和其它不凝性气体时所夹带的蒸汽，同时脱去进料海水中的溶解性气体以及去除海水中的重金属离子，减缓海水对装置中冷凝管的腐蚀。冷凝混合器300由外壳和其内部的填料组成。填料可选用纯铝或铝合金等的拉西环填料，其材质应比冷凝管201的金属活泼。对混合冷凝器300的出水进行监测，当重金属离子的去除率小于80％时，更换填料。由此可见，在循环泵420之前安装冷凝混合器300，延长了装置内冷凝管的寿命。
在本发明海水淡化装置中，安装有电锅炉904，其作用是产生蒸汽作为装置启动时的初始加热汽源，并在运行时补充装置因散热而引起的热损失，同时，在其内部设置有隔板，一侧为加热侧，另一侧作为产品水的储液侧。
本发明中的机械蒸汽压缩机100是维持装置运转的主要热源，其作用是将电能转换为机械能，通过机械能把低品位蒸汽变为高品位蒸汽用于维持海水的不断蒸发，具有显著的节能效果。
本发明中设置有两台换热器，即浓海水换热器11和产品水(淡水)换热器12，其作用是回收排放的浓盐水和产品水的热量，减少装置的热量损失。
如图3与图4所示，本发明中各效蒸发器的内部结构基本相同。蒸发器的外壳7为碳钢制作的圆筒，各效蒸发器之间使用法兰连接。封板2与管板3和6形成一个整体，保证蒸发器内管程与壳程形成互不相连的独立空间。
机械蒸汽压缩机100的叶轮为高比功系数的径向三元叶轮，转速及叶片扩压器安装角度可调，采用双端面机械密封。
综上所述，本发明结合了多效蒸馏海水淡化工艺与多级闪蒸海水淡化工艺的优点，使用了机械蒸汽压缩机和用于热量回收的换热器，提高了产水量，从而降低了装置的能耗。
本发明适合于没有蒸汽热源的地区对海水或苦咸水进行淡化。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.一种机械压缩蒸馏法海水淡化装置，包括多个蒸发器和置于所述蒸发器内的冷凝管、喷淋系统、淡水箱和捕沫网，其特征在于还包括蒸汽机械压缩机，所述蒸汽机械压缩机的出口与所述多个蒸发器中的第一效蒸发器内的冷凝管连接，所述第一效蒸发器中的冷凝管与淡水箱连接，所述第一效蒸发器的蒸汽出口与下一效蒸发器内的冷凝管连接，以此类推，至最末一效蒸发器，上述多个蒸发器实现多效逐级蒸发，所述最末一效蒸发器的蒸汽出口与所述机械压缩机吸入口连接，最末一效蒸发器产生的二次蒸汽经所述机械压缩机压缩提高温度和压力后，输送到第一效蒸发器内冷凝管中。
2.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于还包括分别与各效蒸发器内的淡水箱和冷凝管束连接的冷凝混合器、及与淡水出口连接的电锅炉，及板式换热器。
3.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述淡水箱通过接管与真空抽汽接口相连，所述真空抽汽接口与真空泵连接。
4.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述各蒸发器的封板与管板形成一个整体，保证蒸发器内管程与壳程形成互不相连的独立空间。
5.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述冷凝管呈正三角形排列，其两端分别连接有管板，中间设置有支撑板，所述管板与支撑板对冷凝管起支撑作用。
6.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述机械蒸汽压缩机的叶轮为高比功系数的径向三元叶轮，其转速及叶片扩压器的安装角度是可调的，所述机械蒸汽压缩机采用双端面机械密封。
7.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述各效蒸发器的淡水箱分别与真空泵连接，以抽取不凝性气体，同时保证所述蒸发器内的负压状态。
8.根据权利要求1所述的机械压缩蒸馏法海水淡化装置，其特征在于所述捕沫网为双层V形板结构。
9.一种利用如权利要求1所述机械压缩蒸馏法海水淡化装置进行海水淡化的方法，其特征在于所述海水淡化方法包括以下步骤步骤一、首先，连接好上述机械压缩蒸馏发海水淡化装置，即，在常规的多效蒸馏装置串联一机械蒸汽压缩机，所述机械蒸汽压缩机设置在所述多效蒸发器的第一效和最末效之间，所述机械蒸汽压缩机的排出口与所述第一效蒸发器内的冷凝管束连接，所述最末效蒸发器的蒸汽出口与所述机械蒸汽压缩机的吸入口连接；所述多效蒸馏装置中的淡水箱通过接管与真空泵连接；步骤二、连接好上述海水淡化装置后，启动所述海水淡化装置，在真空泵的作用下，各效蒸发器内部保持负压状态，而且相邻两效蒸发器之间的温差控制在1.5℃～6℃，每效蒸发器内的压力为各自温度对应的水蒸汽饱和压力；步骤三、经机械蒸汽压缩机压缩的蒸汽进入第一效蒸发器的冷凝管束内，海水通过喷淋系统喷洒到冷凝管束的表面，蒸汽在冷凝管内冷凝为淡水并流入淡水箱内，然后可收集得到淡水；第一效蒸发器产生的二次蒸汽通过捕沫网去除夹带的海水液滴后进入第二效蒸发器内，最终，被浓缩的海水通过浓海水出口排到蒸发器外；依此类推，至最末一效蒸发器；步骤四、最末一效蒸发器所产生的二次蒸汽通过机械蒸汽压缩机的吸入口进入机械蒸汽压缩机内加温、加压，循环步骤三；即，通过机械能进一步把低品位蒸汽变为高品位蒸汽用于维持海水的不断蒸发。
10.根据权利要求9所述一种海水淡化方法，其特征在于进入所述多效蒸发器中各效蒸发器的浓海水被蒸发后的多余部分，依靠相邻两效的压力差，通过循环海水接口由前一效流入后一效中，流入到后一效的浓海水发生闪蒸并与后一效的浓海水混合，混合后的浓海水与进料海水经循环泵混合后年、被循环泵抽出，并分配给所述两效蒸发器的喷淋系统以提供进一步的蒸发。
全文摘要
本发明公开了一种机械压缩蒸馏法海水淡化装置，包括蒸汽机械压缩机、多个蒸发器和置于所述蒸发器内的冷凝管、喷淋系统、淡水箱和捕沫网，所述蒸汽机械压缩机的出口与所述多个蒸发器中的第一效蒸发器内的冷凝管连接，所述第一效蒸发器中的冷凝管与淡水箱连接，所述第一效蒸发器的蒸汽出口与下一效蒸发器内的冷凝管连接，以此类推，至最末一效蒸发器，上述多个蒸发器实现多效逐级蒸发，所述最末一效蒸发器的蒸汽出口与所述机械压缩机吸入口连接，最末一效蒸发器产生的二次蒸汽经所述机械压缩机压缩提高温度和压力后，输送到第一效蒸发器内冷凝管中。本发明中同时还公开利用上述机械压缩蒸馏法海水淡化装置进行海水淡化的方法。
文档编号B01D1/26GK1546386SQ20031010755
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月16日 优先权日2003年12月16日
发明者阮国岭, 吕庆春, 尹建华, 赵河立, 初喜章 申请人:国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所, 国家海洋局天津海水淡化与综合利用研