专利名称：一种膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水处理及海水淡化领域，特别涉及一种膜壳式多效降膜蒸馏 海水淡化装置。具体说是利用多效蒸馏装置效间压差小的特点，用塑料薄膜替代 传统的金属换热材料，设计成膜壳式结构，制成多效降膜蒸馏海水淡化及高纯水 制备。
背景技术：
我国年人均淡水资源约2400立方米，是世界人均淡水资源的1/4。全国660 多个城市中，有400多个城市缺水，其中108个城市严重缺水。淡水资源短缺是 我国经济可持续发展的最大制约因素之一，尤其是沿海地区。因此发展海水淡化， 解决我国沿海淡水资源短缺问题具有极其重要的现实意义。截止到2001年12月31日，全世界100m7d及以上海水淡化装置总计15， 223 台，总产水能力32，400，000mVd。目前新增装置容量的年均增长率约8%，而低 温多效蒸馏海水淡化装置的比造价约1000美元/(吨/日)，因此海水淡化是一个 巨大的、具有发展前景的市场。河北沧东发电有限公司引进的2X10，000m7d低 温多效蒸馏海水淡化装置已投入运行，天津北疆电厂拟引进4X25， 000m7d低温 多效蒸馏海水淡化装置。海水淡化方法有很多，但目前国际海水淡化技术市场的发展现状已凸显出反 渗透技术RO和低温多效水平管喷淋降膜蒸馏技术MED的优势。由于目前国际海 水淡化技术正朝着大型化方向发展，根据招投标规则，没有业绩无法进入市场参 与竞争，即海水淡化技术市场门槛越来越高。而研发大型装置的投资、选址、产 品水输配等都面临很大困难，研发风险是显而易见的。然而事实上，目前国际市 场上占主要优势的这两种技术也都有自己的局限性。反渗透技术主要取决于膜技 术，而反渗透技术在我国沿海尤其是北方沿海应用可能面临诸如海水污染、冬季 气温偏低等一些难以克服的困难；反渗透膜使用寿命一般为3 — 5年，废弃的反 渗透膜很难降解，对生态环境及保护极为不利。而列管式低温多效蒸馏海水淡化
技术一般采用耐海水腐蚀性能优良的金属作为换热材料，因此装置投资大，淡水 成本高，这是其广泛应用的巨大障碍。另外，在海水淡化技术大型化发展的同时，小型装置也会有不少的市场需求， 这是因为大型装置不可能覆盖所有的淡水需求，如同电力工业发展一样， 一方面大型火电机组单机容量大型化趋势十分明显，已由30万kW为主过度到60—100 万kW为主，但并不妨碍小型高效分布式电源的发展与应用，高效节能的小型海水淡化及高纯水制备必然有它的市场需求。首先燃煤电厂锅炉补给水就是一个很 好的市场需求，其次海岛、远洋舰船、沿海旅游景点以及其它对淡水品质要求高 的厂矿企业等，关键是海水淡化装置高效节能、技术可靠、成本可接受。因此， 从小型装置起步，开发新型热电联产多效蒸馏海水淡化装置解决火电厂自身用水 问题以及满足海岛、舰船等需求是一项非常有实现意义和市场前景的技术。对于小型海水淡化装置，采用基于金属材料的管壳式结构在制造成本及装置 效率上都大打折扣，因此小型海水淡化装置研发需突破这种传统的设计理念。国 内一些小型蒸馏海水淡化装置的研发主要沿用了列管式换热器的传统模式，所采 用的装置制造工艺和标准相对比较落后，使这些装置的热力学性能难以得到有效 的提高，造水成本更是难以与大型装置竞争。实际上由于思维定式和习惯， 一提到高效蒸馏海水淡化，人们自然而然想到 利用耐海水腐蚀性能优越的金属作为换热材料，但是这些耐海水腐蚀的金属材料 一般比较昂贵，致使海水淡化装置的造价偏高，而另一方面，由于装置只是为了 生产人们日常所需的淡水，造价太高使其推广应用必将遇到困难。不但如此，简 单模仿外国公司的海水淡化技术，在技术及工艺水平上很难超越他们，因此为开发拥有独立自主知识产权的海水淡化技术，本发明提出用塑料薄膜替代传统的金 属换热材料，薄膜之间采用焊接、等距丝带张拉或龙骨支撑，制成膜束换热组件， 采用海水降膜蒸馏工艺，这使得依据本发明生产的多效蒸馏海水淡化及高纯水制 备装置具有板式换热器传热效率高、结构紧凑的优势，由于采用非金属的塑料薄 膜材料，材料价格及使用量都明显低于金属材料，因此装置造价可以大幅度降低， 将极大提升产品的市场竞争力。利用本发明提出的技术方案，可以从具有一定市
场前景的小型装置研发起步，逐步形成一个以本发明为特征的新型海水淡化技术 的产业链，有助于我们打破国际海水淡化技术为国外公司垄断的格局。值得一提的是，国家游泳中心气枕结构(水立方)就是采用50 — 200um的 ETFE(聚四氟乙烯)塑料薄膜制造。据国外资料，塑料薄膜制造的膜结构产品的使 用寿命可达25年以上。发明内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足而提供一种膜壳式多效降膜蒸馏 海水淡化装置。其特征在于采用塑料薄膜作为换热材料，制成膜束换热组件，所 述膜束的两张薄膜采用焊接、等距丝带张拉或龙骨支撑，膜束顶部和底部可用塑 料管支撑而成；多个膜束等间距放置，通过端部薄膜连接制成膜束换热组件；膜 束换热组件放置在壳体的一个容器单元内构成一效蒸发器，由多个蒸发器串联构 成膜壳式结构的多效蒸馏海水淡化装置。所述多效蒸馏海水淡化装置是在壳体1内安装由N个膜柬换热组件2串联构 成的N效蒸发器3，并和冷凝器5串联，在每个膜束换热组件2上面设置淋水盘 4，在冷凝器5端的壳体1上部连接真空系统6，并在下部连接循环盐水泵7;在 壳体1下部设置浓盐水排放泵9，该泵的出水管连接到热交换器10，海水泵11 的出水管连接到热交换器10，再通过出水管连接到冷凝器5内淋水盘4的上面； 在作为冷凝器5的膜束换热组件2下端连接产品水泵8，该泵的出水管连接到热 交换器IO，并分别和储水箱或市政供水系统连接；在第一效膜束换热组件2的下 端连接凝结水泵12。所述膜束换热组件2侧面固定端部薄膜]5，端部薄膜15固定于壳体1的支 撑板16上。所述N个膜束换热组件2分别放置在壳体1内的第1效至第N效容器单元内。 所述壳体1为长方体、圆柱体或六方体形式。作为冷凝器5的膜束换热组件2与第N效的膜束换热组件2同在壳体1的最 末一效容器单元内。所述作为换热材料的塑料薄膜的厚度为50至250 !i m，或小于0. 5mm的板材。
本实用新型的有益效果是采用薄膜作为换热材料之后，由于蒸汽凝结及海水 蒸发过程中不免存在扰动，薄膜会随之波动，因此本发明的多效蒸馏海水淡化及 高纯水制备装置不易出现列管式换热器常常出现的结垢现象，这一定有利于简化 海水预处理工艺，进一步降低淡水成本。同时本实用新型可用于高纯水制备。
另外，以塑料薄膜作为换热材料，使装置的制造工艺要比用金属换热材料的 海水淡化装置简单得多，这也有利于降低设备造价。由于采用塑料薄膜作为换热 材料，其老化或损坏后可回收及再生，相比其它海水淡化技术，其造成的环境影 响最小。
图1为膜壳式多效蒸馏海水淡化装置结构图。
图2为膜壳式多效蒸馏装置结构示意图。
图3为膜束组件结构示意图。
图4为薄膜丝带张拉或龙骨支撑结构示意图。
具体实施方式
本实用新型提供市场迫切需要的节能环保、成本低廉、安全可靠的一种膜壳 式多效降膜蒸馏海水淡化装置。在图1所示膜壳式多效蒸馏海水淡化装置结构图 中，该装置是利用塑料薄膜作为换热材料，替代传统的金属换热材料，塑料薄膜 如ETFE (乙烯聚四氟乙烯)的厚度为50至250 u m，或小于0. 5mm的板材。
在图1中，在壳体1设置N个相对独立的容器单元，分别安装N个膜束换热 组件2，然后串联构成蒸发器3;第N效的膜束换热组件2与作为冷凝器5的膜 束换热组件2同在壳体1的一个容器单元内；壳体1的从第一效至第N效的容器 单元的压力逐步降低，其间蒸汽、盐水及产品淡水在此压差作用下逐效自流。在 每个膜束组件2上面设置淋水盘4，在冷凝器5端的壳体1上部连接真空系统6， 并在下部连接循环盐水泵7，该泵的出水接至蒸发器3内各效蒸发器3的淋水盘 4;在壳体1的末效蒸发器底部还连接浓盐水排放泵9，其出水管连接至热交换器 10，并排出系统；海水泵11的出水管也连接至热交换器10，并接至冷凝器5上 面的淋水盘4，在作为冷凝器5的膜束换热组件2下端连接产品水泵8，该泵的
出水管连接热交换器10，出水送至储水箱或市政供水系统；在第一级膜束换热组
件2的下端连接凝结水泵12。
该装置工作原理简介如下本发明海水淡化装置的工作流程在图1中标示。
图3所示的膜束组件2布置在各效蒸发器3和冷凝器5组成的壳体1内。蒸发器 各效的横截面结构可参考图2设计。
在图1中，低压加热蒸汽(ll(TC温度以下)进入蒸发器3第一效凝结放热， 加热薄膜另一侧降膜流动的盐水，并使之产生二次蒸汽。凝结水由凝结水泵12 送回至热源吸热。
膜束换热组件结构示意图如图3所示，薄膜支撑与张拉方式和材料有许多， 这里不一一列举，图4所示为一典型的预制结构的张拉与支撑部件。
所述膜束换热组件2中膜束的薄膜由等距丝带14张拉(可参考如图4所示制 作)，膜束顶部和底部可用塑料管13支撑，可根据其长度及膜束内侧压力，在塑 料管外侧适当部位张拉，以确保膜束外形结构。丝带张拉设置在薄膜的高压侧， 因此由于压力差的作用，可形成图3所示的膜束结构。龙骨支撑则应设置在薄膜 的低压侧。
膜束换热组件侧面可使用较厚的端部薄膜15隔绝膜束两侧气流，端部薄膜 15可采用焊接方式等连接固定于壳体1的支撑板16上。
海水首先由海水泵11送至热交换器10,热交换器10在(环境温度与末效蒸 发温度范围)预热，然后进入冷凝器5中顶部的淋水盘4均匀地分布在竖直布置 的膜束换热组件2上，靠重力降膜流动(如图3所示)，冷凝蒸发器3的第N效 膜束换热组件2产生的二次蒸汽，自身得到进一步预热。由于海水中溶有一定的 氧气，为减小腐蚀，应尽可能将海水预热达到饱和温度，以便氧气(不凝气体)析 出并被真空系统6抽出。海水在冷凝器5底部，与末级的循环浓盐水混合后，由 循环盐水泵7送至蒸发器3的各级顶部的淋水盘4，盐水在膜束表面降膜流动(如 图3所示)。薄膜另一侧的蒸汽凝结加热盐水，产生二次蒸汽。二次蒸汽进入下 一级作为加热蒸汽，因此多效蒸馏可以有效减小蒸汽消耗，提高装置的造水比。
每效的浓盐水在各级之间的温差决定的压力差作用下逐效自流，并扩容闪蒸
一定的二次蒸汽，二次蒸汽可以与上述各效盐水蒸发产生的二次蒸汽一样得到有 效利用，上述过程依次进行，浓盐水到末效蒸发器由浓盐水排放泵9排出系统。
与浓盐水类似，各效的凝结水也是逐效自流及扩容闪蒸，—次蒸汽也可以得 到有效利用，而每一效的凝结水逐效汇集直到末效蒸发器，并在冷凝器5中被产 品淡水泵8送至储水罐。
热根据传学，薄的换热材料的传热性能要高于一般工程换热材料传热系数数 倍，尤其是改性塑料，这一点对于本发明具有非常重要的意义。综上所述，完全 可以找到传热性能比较优越的改性薄膜塑料及合适的厚度。
需要额外说明的是，由于采用薄膜作为换热材料，由于蒸汽凝结及海水蒸发 过程中不免存在扰动，薄膜会随之波动，因此本发明的多效蒸馏海水淡化及高纯 水制备装置不易出现列管式换热器常常出现的结垢现象，即便出现结垢也不易继 续增厚以阻碍传热，这在一定程度上可以简化海水预处理工艺，进一步降低淡水 成本。
另外，以塑料薄膜作为换热材料，使装置的制造工艺要比用金属换热材料的 海水淡化装置简单得多，这也有利于降低设备造价。由于采用塑料薄膜作为换热 材料，因此可回收海水淡化装置老化及损坏的换热材料，相比其它海水淡化技术， 其造成的环境影响最小。
中英文名词对照
多效蒸馏——Multi-Effect Distillation (MED) 多级闪蒸——Multi-Stage Flash (MSF)
权利要求1.一种膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，采用塑料薄膜作为换热材料，制成膜束换热组件，所述膜束为二层薄膜采用焊接、丝带张拉或龙骨支撑制成；多个膜束等间距放置，通过端部薄膜连接制成膜束换热组件；膜束换热组件放置在壳体的一个容器单元内构成一效蒸发器，由多个蒸发器串联构成膜壳式结构的多效蒸馏海水淡化装置。
2. 根据权利要求1所述膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所 述作为换热材料的塑料薄膜的厚度50至250 u m;或小于0. 5mm的板材。
3. 根据权利要求1所述膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所 述海水淡化装置的具体结构是在壳体(1)内安装由N个膜束换热组件(2)串联 构成的N效蒸发器(3)，并和冷凝器(5)串联，在每个膜束换热组件(2)上面 设置淋水盘(4)，在冷凝器(5)端的壳体(1)上部连接真空系统(6)，并在下 部连接循环盐水泵(7)，循环盐水泵(7)通过出水管连接到蒸发器(3)上部的 淋水盘(4);在壳体(1)下部设置浓盐水排放泵(9)，该泵的出水管连接到热 交换器(10)，海水泵(11)的出水管连接到热交换器(10)，再通过出水管连接 到冷凝器(5)内的淋水盘(4)的上面，在作为冷凝器(5)的膜束换热组件(2) 下端连接产品水泵(8)，该泵的出水管连接到热交换器(10)，并连接至储水箱 或市政供水系统；在第一效膜束换热组件(2)的下端连接凝结水泵'(12)。
4. 根据权利要求3所述膜壳式多效降膜蒸熘海水淡化装置，其特征在于，所 述膜束换热组件(2)侧面固定较厚的端部薄膜(15)，端部薄膜(15)固定于壳 体(1)的支撑板(16)上。
5. 根据权利要求1或3所述膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于， 所述N个膜束换热组件(2)分别放置在壳体(1)内的第1效至第N效容器内， 其壳体(1)为长方体、圆柱体或六方体形式。
6. 根据权利要求3所述膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置，其特征在于，所 述作为冷凝器(5)的冷凝膜束换热组件(2)与第N效的膜束换热组件(2)同 在壳体(1)的最末一效容器单元内。
专利摘要本实用新型公开了属于水处理及海水淡化领域的一种膜壳式多效降膜蒸馏海水淡化装置。采用塑料薄膜替代传统的金属换热材料，制成膜束换热组件，在壳体设置的N个相对独立的容器单元，膜束换热组件单独放在壳体内的从第一效至第N-1效的容器单元内，再串联构成N-1效蒸发器，并和冷凝器串联，第N效的膜束换热组件与作为冷凝器的膜束换热组件同在壳体的最末一个容器单元内。从而构成膜壳式结构的多效蒸馏海水淡化装置，还可以制成高纯水制备设备。利用多效蒸馏装置效间压差小的特点和塑料薄膜有良好的耐蚀、阻透、强度特性，水处理设备容量大小不受限制，材料用量少，造价低。小型装置可与太阳能及分布式电源结合，有推广使用价值。
文档编号C02F1/04GK201033743SQ20072010358
公开日2008年3月12日 申请日期2007年2月13日 优先权日2007年2月13日
发明者周少祥 申请人:华北电力大学