双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置的制作方法

本实用新型涉及一种双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置，其属于海水淡化、热敏性料液浓缩以及污水处理技术领域。

背景技术：

船舶远海航行，海上平台海上作业，人员、设备需要消耗大量淡水，因此，大中型船舶/海上平台都装备有海水淡化装置。蒸馏法制取淡水仍是目前一般海上平台/船舶用海水淡化装置普遍采用的技术。在多效蒸发器三种常用形式（竖管升膜蒸发、竖管降膜蒸发、横管降膜蒸发）中，竖管升膜蒸发器具有显著的特点：最适用于中小规模情况下对低品质余热能源的利用；船舶摇摆、晃动对竖管升膜蒸发器内液膜的形成及换热特性影响不大，具有海上船台海水淡化装置所必需的抗摇摆性能；进料方式简单，易于控制；结构简单，制造安装要求较低，操作及运行方便等；蒸发时间短，传热效率高，在低蒸发温度条件下，进料海水与换热表面的局部换热系数可达到6000w/（㎡·k）以上；由于其较低的运行温度，结垢现象也得到了有效控制；是目前为止单位体积费用最低的蒸发器。综合考虑竖管升膜蒸发器的上述特点，在海上平台、船舶拥有大量可利用的烟气余热和发动机冷却水余热的情况下，它是解决海上平台/船舶海水淡化需求的合适选择。

法国常规蒸汽动力直升飞机航空母舰“贞德”号，就曾配备了三台立管双效升膜蒸发海水淡化装置来满足全舰用水,该装置首效加热蒸汽来自废汽总管或者高压蒸汽经过减压使用，一般将表压0.1mpa、280℃的乏汽减压至0.045mpa、78℃低压饱和蒸汽来使用，以降低蒸发器的结垢风险，然而减压过程能量损失比较大，因此提出本专利——双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置。

本专利申请中的竖管升膜蒸发器结构基于前期已授权实用新型专利，一种竖管喷涌沸腾海水蒸发器（专利号：zl201110162485.0）,其具体设备单元由下管箱、上管箱、蒸发管束、下降管（置于竖管升膜蒸发器中心位置）、丝网除沫器、蒸汽进口管、淡水引出管、海水进口管、浓缩海水引出管等组成。

技术实现要素：

本专利旨在提供一种双级预热的蒸汽热力压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置。针对竖管升膜蒸发海水淡化装置中高压工作蒸汽减压损失比较大且装置造水比有进一步提升空间的问题，提出在竖管升膜蒸发装置中增加热力蒸汽压缩器（即蒸汽喷射器），以降低直接将工作蒸汽减温减压造成的能量损失，采用蒸汽喷射器的热压缩原理，用高压蒸汽吸入末效蒸发器产生的部分低压二次蒸汽，将其提升压力和温度后作为首效蒸发器的加热蒸汽，实现低压蒸汽的反复利用，降低冷凝器排放热损失，提高系统热效率和装置造水比。除蒸汽动力船舶外，在配备了烟气余热锅炉的以柴油机、燃气轮机为动力的大、中型船舶和有蒸汽热源的海上平台上亦有广泛应用前景。

本专利采用的技术方案是：一种双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置，淡化装置包括竖管升膜蒸发器、冷凝器、进料海水泵、淡水泵和浓盐水泵，各装置之间采用管道连接；竖管升膜蒸发器为圆筒形管壳式换热器，内设蒸发管束、下降管、浓缩海水引出管和除沫器；所述淡化装置还包括热力蒸汽压缩器、喷水减温器、一级预热器、二级预热器和淡水闪蒸罐，多效竖管升膜蒸发器采用顺流进料方式连接，首效竖管升膜蒸发器前端设置两级预热器，分别用首效竖管升膜蒸发器蒸汽冷凝水和部分二次蒸汽为进料海水预热，利用热力蒸汽压缩器抽吸末效竖管升膜蒸发器部分二次蒸汽为首效竖管升膜蒸发器加热；每效竖管升膜蒸发器下管箱的浓缩海水引出管与下一效竖管升膜蒸发器下管箱的海水入口管相连，依次顺流进料连接，直至末效竖管升膜蒸发器浓缩海水由浓缩海水引出管引至浓盐水泵排出装置；首效竖管升膜蒸发器上管箱设两个蒸汽出口，一个蒸汽出口与二级预热器相连，另外一个蒸汽出口与下一效竖管升膜蒸发器壳程的加热蒸汽入口相连。

中间效竖管升膜蒸发器上管箱设一个蒸汽出口，与下一效竖管升膜蒸发器壳程的加热蒸汽入口相连；末效竖管升膜蒸发器上管箱设2个蒸汽出口，一个蒸汽出口与热力蒸汽压缩器吸入室入口相连，另一个蒸汽出口与冷凝器相连。

所述一级预热器通过海水输运管道与冷凝器的海水出口相连，连接一级预热器与冷凝器的海水输运管道采用三通管，只有部分进料海水进入一级预热器，其余作为冷却海水排放，一级预热器热流体入口与首效竖管升膜蒸发器壳程的冷凝水出口相连；所述二级预热器的进料海水入口与一级预热器的海水出口相连，其热流体入口与首效竖管升膜蒸发器上管箱的预热蒸汽出口相连，二级预热器的海水出口与首效竖管升膜蒸发器下管箱的进料海水入口相连。

所述热力蒸汽压缩器的工作喷嘴采用拉法尔喷嘴，其吸入室入口与末效竖管升膜蒸发器的二次蒸汽出口相连，热力蒸汽压缩器混合蒸汽出口设置喷水减温器，喷水减温器的减温水入口与首效竖管升膜蒸发器的冷凝水引出管相连，喷水减温器出口与首效竖管升膜蒸发器壳程的加热蒸汽入口相连。

所述二级预热器冷凝水出口、第二效竖管升膜蒸发器冷凝水出口分别与二效淡水闪蒸罐的2个淡水入口连接，二效淡水闪蒸罐闪蒸汽出口与下一效竖管升膜蒸发器壳程汽侧空间连接，二效淡水闪蒸罐淡水出口与下一效淡水闪蒸罐淡水入口用淡水输运管道连接；下一效淡水闪蒸罐按相同连接方式逐效递进连接，直至末效淡水闪蒸罐；末效淡水闪蒸罐闪蒸汽出口与末端冷凝器汽侧空间连接，末效淡水闪蒸罐淡水出口与冷凝器凝结水出口采用三通管道与淡水泵连接。

在实现各效竖管升膜蒸发器顺流进料时，在每效竖管升膜蒸发器下降管出口处设置结构为直角弯管的浓缩海水引出管，弯头部分垂直向上伸入下降管下端一段距离，接收经下降管汇流的浓缩海水。

所述竖管升膜蒸发器基本配置为三效，根据造水负荷需求调整为二效或四效。

本实用新型的有益效果是：采用热力蒸汽压缩器抽取了末效竖管升膜蒸发器部分二次蒸汽，因此减小了冷凝器的热负荷，从而使冷凝器排热损失以及冷凝器换热面积减小；同时热力蒸汽压缩器抽取的二次蒸汽升温升压后作为首效加热蒸汽，降低了直接减温减压的能量损失，同时减小了工作蒸汽流量，增大了造水比；利用首效竖管升膜蒸发器的冷凝水和部分二次蒸汽对海水两级预热，提升海水温度，减小了首效蒸发器的预热量，因此减小了加热蒸汽耗量，也增大了造水比。

附图说明

图1是双级预热的热力蒸汽压缩式三效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。

图2是双级预热的热力蒸汽压缩式二效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。

图3是双级预热的热力蒸汽压缩式四效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。

图中：1、第一效竖管升膜蒸发器，2、第二效竖管升膜蒸发器，3、第三效竖管升膜蒸发器，4、喷水减温器，5、热力蒸汽压缩器，6、进料海水泵，7、冷凝器，8、一级预热器，9、二级预热器，10、二效淡水闪蒸罐，11、三效淡水闪蒸罐，12、淡水泵，13、浓盐水泵，14、蒸发管束，15、下降管，16、浓缩海水引出管，17、除沫器，18、四效淡水闪蒸罐，19、第四效竖管升膜蒸发器。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地、完整地描述。

本实用新型提出的双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置的蒸发器基本配置为三效，可根据造水负荷需求调整为二效或四效。因竖管升膜蒸发器在5-15℃的传热温差下具有较好的传热稳定性，因此在多效竖管升膜蒸发海水淡化系统中，效间温差不宜低于5℃，同时由于首效竖管升膜蒸发器存在预热段，首效温差占比较大，为预防结垢，在盐水顶温的限制下，双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置竖管升膜蒸发器效数不宜高于四效；由于双级预热的流程设计，竖管升膜蒸发器最低效数为二效。

图1示出了一种双级预热的热力蒸汽压缩式三效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。

该三效竖管升膜蒸发海水淡化装置包括第一效竖管升膜蒸发器1、第二效竖管升膜蒸发器2、第三效竖管升膜蒸发器3、喷水减温器4、热力蒸汽压缩器5、冷凝器7、一级预热器8、二级预热器9、二效淡水闪蒸罐10、三效淡水闪蒸罐11，辅以进料海水泵6、淡水泵12和浓缩海水泵13，各装置之间采用管道连接。各竖管升膜蒸发器为圆筒形管壳式换热器，内部主要设蒸发管束14、下降管15、浓缩海水引出管16和除沫器17。按照基本配置，第一效竖管升膜蒸发器1、第二效竖管升膜蒸发器2、第三效竖管升膜蒸发器3采用顺流进料方式连接，为避免进出口海水在竖管升膜蒸发器下管箱中发生流动短路，特此在竖管升膜蒸发器下降管15出口处设置浓缩海水引出管16，其结构为直角弯管，弯头部分垂直向上伸入下降管15下端一段距离，接收经下降管15汇流的浓缩海水。依此设计，第一效竖管升膜蒸发器1中置于下管箱中下降管15出口的浓缩海水引出管16与第二效竖管升膜蒸发器2下管箱的海水入口管相连，第二效竖管升膜蒸发器2下管箱的浓缩海水引出管与第三效竖管升膜蒸发器3下管箱的海水入口管相连，实现进料海水在各效压差的作用下逐级自流，浓缩海水在末效竖管升膜蒸发器即基本配置的第三效竖管升膜蒸发器3由浓缩海水引出管引至浓盐水泵13排出装置。第一效竖管升膜蒸发器1上管箱设两个蒸汽出口，一个蒸汽出口与二级预热器9相连，以第一效竖管升膜蒸发器1的部分二次蒸汽作为二级预热器9的加热热源，另外一个蒸汽出口与第二效竖管升膜蒸发器2壳程的加热蒸汽入口相连，作为第二效竖管升膜蒸发器2的加热热源，竖管升膜蒸发器蒸发管束14上部，设置除沫器17，以祛除二次蒸汽中携带的海水液滴；中间效竖管升膜蒸发器，即基本配置的第二效竖管蒸发器2上管箱设一个蒸汽出口，与下一效即第三效竖管升膜蒸发器3壳程的加热蒸汽入口相连，作为第三效竖管升膜蒸发器3的加热热源；末效竖管升膜蒸发器，即基本配置的第三效竖管升膜蒸发器3上管箱设2个蒸汽出口，一个蒸汽出口与热力蒸汽压缩器5吸入室入口相连，一部分二次蒸汽作为引射蒸汽被热力蒸汽压缩器5的工作蒸汽抽吸，升压、升温后作为第一效竖管升膜蒸发器1的热源，另一个蒸汽出口与冷凝器7相连，剩余二次蒸汽汇入冷凝器7被进料海水冷凝，将凝结潜热释放，为进料海水升温。

双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置设两级预热器，一级预热器8通过海水输运管道与冷凝器7的海水出口相连，连接一级预热器8与冷凝器7的海水输运管道采用三通管，只有部分进料海水进入一级预热器8，其余作为冷却海水排放掉，一级预热器8热流体入口与第一效竖管升膜蒸发器1壳程的冷凝水出口相连，以第一效竖管升膜蒸发器1的蒸汽冷凝水作为加热热源，进行一级预热；二级预热器9的进料海水入口与一级预热器8的海水出口相连，其热流体入口与第一效竖管升膜蒸发器1上管箱的预热蒸汽出口相连，以第一效竖管升膜蒸发器1的部分二次蒸汽作为二级预热器9的加热热源，进行二次预热；二级预热器9的海水出口与第一效竖管升膜蒸发器1下管箱的进料海水入口相连，经两级预热的进料海水进入第一效竖管升膜蒸发器1进行喷涌沸腾蒸发。

双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置设置热力蒸汽压缩器5，其工作喷嘴采用拉法尔喷嘴，使得高压工作蒸汽在吸入室内形成超音速流动，并产生低压真空区，以抽吸末效即基本配置第三效竖管升膜蒸发器3的二次蒸汽，其吸入室入口与第三效竖管升膜蒸发器3的二次蒸汽出口相连；热力蒸汽压缩器5混合蒸汽出口设置喷水减温器4，喷水减温器4的减温水入口与第一效竖管升膜蒸发器1的冷凝水引出管相连，将热力蒸汽压缩器5出口的过热蒸汽减温至饱和蒸汽，同时提升第一效竖管升膜蒸发器1的加热蒸汽流量；喷水减温器4出口与第一效竖管升膜蒸发器1壳程的加热蒸汽入口相连，为第一效竖管升膜蒸发器1提供加热热源。首效加热蒸汽温度应控制在80℃以下，以避免蒸发器海水侧的结垢问题。为使得本海水淡化装置能高效运行，一般采用０.3mpa以上饱和或过热蒸汽作为工作蒸汽，蒸汽压力低于0.3mpa时，热力蒸汽压缩器5的引射性能较低，对整个海水淡化装置的造水比的提升效果并不显著。

按照基本配置，双级预热的热力蒸汽压缩式竖管升膜蒸发海水淡化装置设置二效淡水闪蒸罐10、三效淡水闪蒸罐11，二级预热器9冷凝水出口、第二效竖管升膜蒸发器2冷凝水出口分别与二效淡水闪蒸罐10的2个淡水入口连接，二效淡水闪蒸罐10闪蒸汽出口与下一效即第三效竖管升膜蒸发器3壳程汽侧空间连接，由于效间压差的存在，淡水进入闪蒸罐后会发生部分闪蒸，闪蒸汽进入下一效竖管升膜蒸发器壳程作为加热蒸汽，二效淡水闪蒸罐10淡水出口与下一效淡水闪蒸罐即三效淡水闪蒸罐11淡水入口用淡水输运管道连接；因三效淡水闪蒸罐11为末效淡水闪蒸罐，后面没有下一效竖管升膜蒸发器，因此三效淡水闪蒸罐11闪蒸汽出口与末端冷凝器7汽侧空间连接，被进入冷凝器7的海水冷凝为淡水，三效淡水闪蒸罐11淡水出口与冷凝器7凝结水出口采用三通管道与淡水泵12连接，为装置输出产品水。一级预热器8的冷凝水引出管单独设置，以将淡水单独送回蒸汽发生装置，多余部分作为产品水。

图2示出了一种双级预热的热力蒸汽压缩式二效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。二效实施时，第二效竖管升膜蒸发器为末效蒸发器，只需采用一个二效淡水闪蒸罐，其余配置与三效系统相同。热力蒸汽压缩器5引射的二次蒸汽来自末效即第二效竖管升膜蒸发器，则第二效竖管升膜蒸发器上管箱需开设2个二次蒸汽出口。由于二效淡水闪蒸罐后面没有下一效竖管升膜蒸发器，因此该淡水闪蒸罐闪蒸汽出口与末端冷凝器汽侧空间直接相连。

图3示出了一种双级预热的热力蒸汽压缩式四效竖管升膜蒸发海水淡化装置图。

四效实施时，在基本配置三效系统上增加第四效竖管升膜蒸发器19和一个四效淡水闪蒸罐18，第四效竖管升膜蒸发器19为末效蒸发器，其余配置与三效系统相同。热力蒸汽压缩器5引射的二次蒸汽来自末效即第四效竖管升膜蒸发器19，则第四效竖管升膜蒸发器19上管箱需开设2个二次蒸汽出口。由于四效淡水闪蒸罐18为末效淡水闪蒸罐，因此该淡水闪蒸罐闪蒸汽出口与末端冷凝器汽侧空间直接相连。