Установка для опреснения морской воды
Изобретение относится к области опреснения соленых вод и может быть использовано для получения пресной воды из морской воды. Установка для опреснения морской воды включает массообменный колонный аппарат с противоточным движением горячей морской воды и воздуха, нагреватель для повышения температуры морской воды до температуры ввода в массообменный колонный аппарат, конденсатор и побудитель расхода воздуха. Установка снабжена дополнительным нагревателем для повышения температуры конденсата до температуры, превышающей температуру ввода морской воды в массообменный колонный аппарат, конденсатор выполнен в виде второго колонного массообменного аппарата с противоточным движением охлажденного конденсата и парогазовой смеси из первого колонного массообменного аппарата, линия вывода горячего конденсата из конденсатора соединена с дополнительным нагревателем и снабжена штуцером для отвода части продукционного конденсата. Нагреватель выполнен в виде поверхностного теплообменника с противоточным движением исходной морской воды и конденсата из дополнительного нагревателя, причем вывод охлажденного конденсата из нагревателя соединен с баком-сборником охлажденного конденсата, который в свою очередь связан с конденсатором. Установка содержит нагреватель дополнительного потока исходной морской воды, связанный с баком-сборником охлажденного конденсата и со сборником нагретой морской воды, снабженным устройством для создания вакуума. Установка содержит дополнительный нагреватель для повышения температуры конденсата, который выполнен в виде контактного водонагревателя с водоохлаждаемой топкой. Достигаемый технический результат состоит в повышении использования подводимой теплоты, а следовательно, в увеличении коэффициента полезного действия установки, в снижении металлоемкости установки и ее габаритов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к области опреснения соленых вод и может быть использовано для получения пресной воды из морской воды.
Известны многочисленные способы и реализующие эти способы установки для получения пресной воды из морской воды (см., например, 1) Ю.В.Павлов «Опреснение воды». Издательство «Просвещение», Москва, 1972; 2) А.Ю.Дыхно «Использование морской воды на тепловых электростанциях». Издательство «Энергия», Москва, 1974; 3) Л.А.Кульский и др. «Новые методы опреснения воды». Издательство «Наукова думка», Киев, 1974 и др.).
Известна установка для опреснения морской воды, представляющая собой, так называемый, гигроскопический испаритель (см., например, Ю.В.Павлов «Опреснение воды». Издательство «Просвещение», Москва, 1972, стр.47-48, рис.15). Основной принцип работы данной установки основан на испарении нагреваемой воды в циркулирующий поток воздуха с последующей конденсацией паров воды из парогазовой смеси. Простоте установок подобного типа сопутствует малая экономическая эффективность и высокая металлоемкость из-за наличия теплообменных поверхностей.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является установка для опреснения воды, также основанная на гигроскопическом принципе и включающая испаритель непосредственного контакта горячей соленой воды и циркулирующего воздуха (см. патент США 3345272, 1967 "Multiple effect purification of contaminated fluids by direct gaseous flow contact"). Недостатки данной установки состоят в потребности значительных по величине поверхностей теплообмена при конденсации паров воды из парогазовой смеси. При использовании основного варианта установки (см. вышеуказанный патент, фиг.1) в недостаточной степени используется подводимая теплота, а при использовании многоступенчатого процесса (см. фиг.2 и 4 вышеуказанного патента) при достаточно хорошем использовании подводимой теплоты установка становится громоздкой и плохо управляемой.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в создании высокоэффективной простой по конструкции установки для опреснения морской воды.
Достигаемый технический результат состоит в повышении использования подводимой теплоты, а следовательно, в увеличении коэффициента полезного действия установки, в снижении металлоемкости установки и ее габаритов.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата установка для опреснения морской воды, включающая массообменный колонный аппарат с противоточным движением горячей морской воды и воздуха, нагреватель для повышения температуры морской воды до температуры ввода в массообменный колонный аппарат, конденсатор и побудитель расхода воздуха, снабжена дополнительным нагревателем для повышения температуры конденсата до температуры, превышающей температуру ввода морской воды в массообменный колонный аппарат, конденсатор выполнен в виде второго колонного массообменного аппарата с противоточным движением охлажденного конденсата и парогазовой смеси из первого колонного массообменного аппарата, линия вывода горячего конденсата из конденсатора соединена с дополнительным нагревателем и снабжена штуцером для отвода части продукционного конденсата, нагреватель выполнен в виде поверхностного теплообменника с противоточным движением исходной морской воды и конденсата из дополнительного нагревателя, причем вывод охлажденного конденсата из нагревателя соединен с баком-сборником охлажденного конденсата, который в свою очередь связан с конденсатором. В установке для опреснения морской воды штуцер для отвода части продукционного конденсата соединен с нагревателем дополнительного потока исходной морской воды, связанным в свою очередь с баком-сборником охлажденного конденсата, нагреватель дополнительного потока морской воды соединен со сборником нагретой морской воды, снабженным устройством для создания вакуума, а между устройством для создания вакуума и сборником нагретой морской воды установлен поверхностный конденсатор, соединенный с баком-сборником охлажденного конденсата. В установке для опреснения морской воды дополнительный нагреватель для повышения температуры конденсата выполнен в виде контактного водонагревателя с водоохлаждаемой топкой, снабженной горелкой для сжигания жидкого или газообразного топлива, водоохлаждаемая топка соединена с линией вывода горячего конденсата из конденсатора и нагревателем для повышения температуры морской воды, а собственно контактная камера контактного водонагревателя связана с источником морской воды и сборником нагретой морской воды.
Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.
При непосредственном контакте горячей морской воды и воздуха в противоточном массообменном колонном аппарате (насадочном, распылительном или барботажном) происходит активный массообмен между водой и воздухом. В прототипе предусмотрен вариант с насадочной башней. Однако имеющееся решение, касающееся конденсатора, в котором проходит конденсация паров воды из парогазовой смеси, оптимальным считать нельзя. В известных решениях используют теплообменные аппараты с разделяющей потоки теплообменной поверхностью. Данное решение было бы рациональным, если бы дело касалось конденсации чистого пара - процесса с весьма высокими коэффициентами теплоотдачи. В случае, рассматриваемом в настоящем техническом решении, конденсация проходит при наличии парогазовой смеси. В этом случае наличие инертной составляющей, в частности воздуха, приводит к резкому снижению коэффициентов теплоотдачи (см., например, С.С.Кутателадзе и В.М.Боришанский «Справочник по теплопередаче». Государственное энергетическое издательство, М.-Л., 1959, стр.169-171). Снижение коэффициента теплоотдачи, в свою очередь, имеет следствием значительное увеличение поверхности теплопередачи, металлоемкости и габаритов поверхностных конденсаторов.
В настоящем изобретении предусмотрен процесс конденсации при непосредственном контакте охлажденного конденсата и парогазовой смеси. Для этого конденсатор выполнен в виде второго колонного массообменного аппарата с противоточным движением охлажденного конденсата и парогазовой смеси из колонного массообменного аппарата, в котором проходит испарение воды в воздух (первый колонный массообменный аппарат). Применение процесса конденсации при непосредственном контакте охлажденного конденсата и парогазовой смеси приводит и к ряду других полезных технических решений.
Если нагреть в дополнительном нагревателе горячий конденсат, выводимый из конденсатора, до температуры, превышающей температуру ввода морской воды в первый массообменный колонный аппарат, то нагреватель для повышения температуры морской воды до температуры ввода в первый массообменный колонный аппарат может быть выполнен в виде обычного поверхностного теплообменника (кожухотрубного или, преимущественно, пластинчатого). Высокие коэффициенты теплоотдачи в теплообменниках типа «вода-вода» обеспечивают снижение габаритов нагревателя.
Задача нагревания конденсата может быть решена при высоких значениях температуры разделяющей теплообменной поверхности, ибо это не связано с угрозой образования накипи, как это имело бы место при контакте стенки с высокой температурой и морской воды. Для нагревания конденсата целесообразно использовать контактный водонагреватель с водоохлаждаемой топкой. В рубашку водоохлаждаемой топки при этом должен быть подан конденсат, а в контактную камеру - морская вода. При этом практически полностью используется подводимая с жидким или газообразным топливом, сжигаемым в контактном аппарате, теплота. В результате проходящих в контактном водонагревателе процессов получают горячий конденсат, температура которого превышает температуру подаваемой в первый массообменный колонный аппарат исходной морской воды, и стекающую с насадки контактного водонагревателя горячую морскую воду в небольшом количестве.
Материальный и тепловой балансы установки для опреснения морской воды определяют необходимость вывода части продукционного конденсата в охлажденном виде и части продукционного конденсата непосредственно из конденсатора в горячем виде. При этом особо следует отметить следующее. Возникает кажущееся противоречие, заключающееся в том, что установка для опреснения морской воды по настоящему изобретению потребляет теплоту и одновременно с этим сбрасывает теплоту. Проблема, однако, состоит в том, что сбрасываемая теплота является низкопотенциальной и, если сбрасываемой теплоты в количественном отношении достаточно для замены подводимой теплоты, то температура сбрасываемых потоков недостаточна для проведения нагревания морской воды до необходимой температуры. Естественно, что современный уровень техники позволяет разрешить данное противоречие с помощью, например, теплового насоса. Но при использовании теплового насоса потребна затрата механической работы. В современных условиях необходимую механическую работу совершают обычно за счет подведения электрической энергии. Если сравнить экономически тепловую энергию, которая должна быть введена в процесс за счет сжигания в оптимальном варианте газообразного топлива, и потребную для работы теплового насоса электрическую энергию, то, к сожалению, на сегодняшний день сравнение оказывается не в пользу теплового насоса. Поэтому в настоящем изобретении потребную для работы установки для опреснения морской воды по настоящему изобретению теплоту подводят, используя жидкое или, преимущественно, газообразное топливо.
При этом в настоящем изобретении предусмотрено полезное использование как теплоты морской воды после контактного водонагревателя, так и теплоты части продукционного конденсата, непосредственно выводимого из конденсатора. За счет теплоты конденсата можно нагреть дополнительную порцию морской воды. А далее использовать испарение совмещенного потока нагретой морской воды при наложении вакуума и конденсацию паров воды с получением опять-таки пресной воды. Соответствующие материальные данные будут приведены ниже.
Контактные водонагреватели с водоохлаждаемой топкой достаточно широко распространены в современной технике, и их использование не представляет ни малейшей сложности (см., например, патент РФ №2236650 «Контактный водонагреватель», который конкретно применим в установке для опреснения воды по настоящему изобретению, или в общем случае: Ю.П.Соснин. «Контактные водонагреватели». М., «Стройиздат», 1974).
Принципиальная схема установки для опреснения морской воды по настоящему изобретению приведена на фиг.1.
Установка для опреснения морской воды включает в себя массообменный колонный аппарат 1 с противоточным движением горячей морской воды и воздуха (первый массообменный колонный аппарат), нагреватель 2 для повышения температуры морской воды до температуры ввода в массообменный колонный аппарат 1, конденсатор 3 и побудитель расхода воздуха 4. Конденсатор 3 выполнен в виде второго массообменного колонного аппарата с противоточным движением охлажденного конденсата и парогазовой смеси из первого массообменного колонного аппарата 1. Нагреватель 2 выполнен в виде поверхностного теплообменника с противоточным движением исходной морской воды и конденсата, например, в виде кожухотрубного или, преимущественно, в виде пластинчатого теплообменника. Для нагревания исходной морской воды до температуры ввода в первый массообменный колонный аппарат, как указано выше, служит конденсат. Для нагревания конденсата до температуры, превышающей температуру ввода морской воды в первый массообменный колонный аппарат, установка снабжена дополнительным нагревателем 5. Дополнительный нагреватель 5 выполнен в виде контактного водонагревателя с водоохлаждаемой топкой 6. Водоохлаждаемая топка 6 дополнительного нагревателя 5 снабжена горелкой для сжигания жидкого или газообразного топлива (на фиг.1 не показана). Линией 7 вывода горячего конденсата из конденсатора 3 последний соединен с водоохлаждаемой топкой 6 дополнительного нагревателя 5. Водоохлаждаемая топка 6 также соединена линией 8 с нагревателем 2. Выполненный в виде контактного водонагревателя дополнительный нагреватель 5 включает в себя также контактную камеру 9. Контактная камера 9 связана с источником морской воды и сборником нагретой морской воды 10 линией 11. На линии 7 установлен штуцер 12 для отвода части продукционного конденсата. Установка для опреснения морской воды включает в себя также бак-сборник 13 охлажденного конденсата. Вывод охлажденного конденсата из нагревателя 2 соединен с баком-сборником 13 посредством линии 14. Бак-сборник 13 также соединен с конденсатором 3 линией 15. Штуцер 12 для отвода части продукционного конденсата соединен с нагревателем 16 дополнительного потока морской воды. Нагреватель 16 дополнительного потока морской воды соединен с баком-сборником 13 линией 17. Одновременно нагреватель 16 дополнительного потока морской воды связан со сборником 10 нагретой морской воды линией 18. Сборник 10 нагретой морской воды снабжен устройством 19 для создания вакуума. Устройство 19 для создания вакуума может быть выполнено в виде вакуум-насоса или газового эжектора. Между устройством 19 для создания вакуума и сборником 10 нагретой морской воды установлен поверхностный конденсатор 20. Поверхностный конденсатор 20 связан с баком-сборником 13 линией 21.
Установка для опреснения морской воды по настоящему изобретению работает следующим образом.
Исходная морская вода поступает в нагреватель 2, служащий для повышения температуры исходной морской воды (источником исходной морской воды является море) до температуры ввода в массообменный колонный аппарат 1. Далее горячая исходная морская вода поступает в массообменный колонный аппарат 1. При выполнении массообменного колонного аппарата в виде башни с насадкой горячая исходная морская вода поступает на насадку и, распределяясь по ней, стекает в нижнюю часть аппарата и выводится в море. Выводимая в море вода имеет, естественно, бóльшую концентрацию солей, нежели вводимая в массообменный колонный аппарат 1. В массообменный колонный аппарат 1 одновременно подают атмосферный воздух с помощью побудителя расхода воздуха 4. В аппарате 1 одновременно проходят процессы нагревания воздуха, охлаждения морской воды и испарения воды в воздух. Морская вода в аппарате 1 может быть охлаждена вплоть до температуры мокрого термометра, присущей атмосферному воздуху. При этом в аппарате 1 несколько увеличивается теплота, используемая для испарения и нагревания воздуха. Воздух в аппарате 1 нагревается до температуры несколько меньшей той, с которой поступает в аппарат 1 исходная вода из нагревателя 2. Насыщенный парами воды атмосферный воздух с высокой температурой поступает в конденсатор 3, представляющий собой второй массообменный колонный аппарат. В наиболее целесообразном варианте конденсатор 3 (второй массообменный колонный аппарат) выполняют также в виде башни с насадкой. В конденсатор 3 по линии 15 одновременно подают охлажденный конденсат из бака-сборника 13 охлажденного конденсата. В конденсаторе 3 при противоточном движении охлажденного конденсата и парогазовой смеси одновременно проходят процессы охлаждения парогазовой смеси, конденсации из нее паров воды и нагревания охлажденного конденсата до температуры, несколько меньшей, нежели температура поступающей в конденсатор 3 парогазовой смеси из массообменного колонного аппарата 1. Парогазовая смесь, прошедшая конденсацию, далее выбрасывается в атмосферу. По линии 7 нагретый конденсат из конденсатора 3 поступает в водоохлаждаемую топку 6 дополнительного нагревателя 5. Дополнительный нагреватель 5 представляет собой, как указывалось выше, контактный водонагреватель с водоохлаждаемой топкой. В описываемом варианте дополнительный нагреватель 5 снабжен вертикально размещенной водоохлаждаемой топкой 6, в которой дымовые газы от сжигания жидкого или, преимущественно, газообразного топлива движутся по центральному каналу, а конденсат - по кольцевому каналу, расположенному по периферии центрального канала. Из водоохлаждаемой топки 6 конденсат с температурой, превышающей температуру ввода исходной морской воды в массообменный колонный аппарат 1, подают по линии 8 в нагреватель 2. В нагревателе 2, выполненном в виде поверхностного теплообменника с противоточным движением исходной морской воды и конденсата из дополнительного нагревателя 5, конденсат отдает теплоту нагреваемой морской воде. Из нагревателя 2 по линии 14 конденсат в охлажденном виде направляют в бак-сборник 13 охлажденного конденсата. Из бака-сборника 13 одновременно выводят продукционный конденсат, т.е. пресную воду. Согласно принятой конструкции, дополнительный нагреватель 5 снабжен контактной камерой 9. Контактная камера 9 в преимущественном варианте имеет насадку, на которую подают исходную морскую воду. Одновременно на насадку контактной камеры 9 поступает дымовой газ из центрального канала водоохлаждаемой топки 6. Дымовые газы в этом случае могут быть охлаждены вплоть до температуры поступающей морской воды, что соответствует коэффициенту полезного действия дополнительного нагревателя 5, превышающему 100% (необходимо отметить, что по общепринятому методу коэффициент полезного действия аппаратов, использующих теплоту от сжигания жидкого или газообразного топлива, рассчитывают на основании низшей, а не высшей теплоты сжигания топлива, поэтому в случае понижения температуры отходящих газов до температуры, меньшей точки росы дымового газа, величина коэффициента полезного действия начинает превышать 100%). В насадочной контактной камере 9 исходная вода может быть нагрета вплоть до температуры мокрого термометра охлажденного в центральном канале водоохлаждаемой топки 6 дымового газа. По линии 11 нагретая морская вода поступает в сборник нагретой морской воды 10. В соответствии с материальным балансом часть продукционного конденсата после конденсатора 3 отводят через штуцер 12 в нагреватель 16 дополнительного потока морской воды. Охлажденный конденсат из нагревателя 16 дополнительного потока морской воды по линии 17 направляют в бак-сборник 13 охлажденного конденсата. Нагретая морская вода по линии 18 поступает в сборник 10 нагретой морской воды. Сборник 10 нагретой морской воды находится под вакуумом, создаваемым устройством 19 для создания вакуума. При этом проходит снижение температуры морской воды и ее частичное испарение. Пары поступают в поверхностный конденсатор 20, охлаждаемый потоком морской воды, далее сбрасываемой обратно в море. Из поверхностного конденсатора 20 конденсат по линии 21 направляют в бак-сборник 13 охлажденного конденсата.
Следует сделать несколько существенных замечаний. В описанном варианте в установку вводят атмосферный воздух. Безусловно допустимо воздушный поток из конденсатора 3 вернуть на вход побудителя расхода 4, т.е. организовать циркуляционный воздушный поток, что, тем не менее, является определенным усложнением схемы. Для территорий с жарким климатом описанная выше установка оптимальна.
При внедрении изобретения в простейшем варианте возможно не устанавливать аппараты 10, 16, 19 и 20, но это приведет к существенному снижению коэффициента полезного действия установки, снизит количество получаемой пресной воды, хотя и сохранит за установкой конкурентоспособность.
При наличии источника горячих газов, например выхлопа двигателей внутреннего сгорания, установка для опреснения морской воды может работать без затрат жидкого или газообразного топлива.
Целесообразно привести некоторые технические данные работы установки для опреснения морской воды.
Для получения 1000 л/ч пресной воды достаточно затратить лишь 6,8 нм3/ч природного газа (расчет проведен для газа, содержащего 98,5% метана). При этом поток исходной морской воды на нагреватель 2 составляет 10,35 м3/ч. Расход воздуха на массообменный колонный аппарат 1 равен 307 м3/ч. Полный поток конденсата из конденсатора 3 - 10,8 м3/ч. Через штуцер 12 выводят 0,4 м3/ч. В дополнительный нагреватель 5 подают 10,4 м3/ч. Конденсат из конденсатора 3 выводят при температуре 92°С. Нагрев конденсата в водоохлаждаемой топке 6 проводят до температуры 95,5°С. На насадку контактной камеры 9 направляют 0,62 м3/ч морской воды. При работе аппаратов 10, 16, 19 и 20 получают дополнительно 90 л/ч пресной воды (т.е. около 10% от общего количества получаемой пресной воды). На насадку массообменного колонного аппарата 1 морскую воду подают с температурой ˜93°С.
Диаметр аппаратов 1 и 3 составляет 0,5 м. При малой скорости газовой фазы, соответствующей данному диаметру, брызгоунос практически исключен. Разность температур на концах нагревателя 2 принята на уровне 2,5°С, но теплообменная поверхность нагревателя 2 даже при столь малой разности температур составляет не более 200 м2 при передаче ориентировочно 700000 ккал/ч. В прототипе при передаче теплоты от парогазовой смеси в этом же случае потребовалась бы десятикратно большая величина теплообменной поверхности. Внутренний диаметр водоохлаждаемой топки 6 равен 0,25 м при длине топки 1,2-1,4 м.
Таким образом, для получения одной тонны пресной воды в час необходимы весьма малогабаритные аппараты, что определяет низкую металлоемкость установки для опреснения воды по настоящему изобретению.
Согласно приведенным данным столь малый расход природного газа для получения 1 м3/ч пресной воды характеризует высокие экономическими показателями работы установки для опреснения морской воды.
Настоящим изобретением создана высокоэффективная и простая по конструкции установки с эффективным использованием подводимой теплоты, а следовательно, с высоким коэффициентом полезного действия.
1. Установка для опреснения морской воды, включающая массообменный колонный аппарат с противоточным движением горячей морской воды и воздуха, нагреватель для повышения температуры морской воды до температуры ввода в массообменный колонный аппарат, конденсатор и побудитель расхода воздуха, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным нагревателем для повышения температуры конденсата до температуры, превышающей температуру ввода морской воды в массообменный колонный аппарат, конденсатор выполнен в виде второго колонного массообменного аппарата с противоточным движением охлажденного конденсата и парогазовой смеси из первого колонного массообменного аппарата, линия вывода горячего конденсата из конденсатора соединена с дополнительным нагревателем и снабжена штуцером для отвода части продукционного конденсата, нагреватель выполнен в виде поверхностного теплообменника с противоточным движением исходной морской воды и конденсата из дополнительного нагревателя, причем вывод охлажденного конденсата из нагревателя соединен с баком-сборником охлажденного конденсата, который, в свою очередь, связан с конденсатором.
2. Установка для опреснения морской воды по п.1, отличающаяся тем, что штуцер для отвода части продукционного конденсата соединен с нагревателемдополнительного потока исходной морской воды, связанным, в свою очередь, с баком-сборником охлажденного конденсата, нагреватель дополнительного потока морской воды соединен со сборником нагретой морской воды, снабженным устройством для создания вакуума, а между устройством для создания вакуума и сборником нагретой морской воды установлен поверхностный конденсатор, соединенный с баком-сборником охлажденного конденсата.
3. Установка для опреснения морской воды по п.1 и 2, отличающаяся тем, что дополнительный нагреватель для повышения температуры конденсата выполнен в виде контактного водонагревателя с водоохлаждаемой топкой, снабженной горелкой для сжигания жидкого или газообразного топлива, водоохлаждаемая топка соединена с линией вывода горячего конденсата из конденсатора и нагревателем для повышения температуры морской воды, а собственно контактная камера контактного водонагревателя связана с источником морской воды и сборником нагретой морской воды.
