專利名稱：一種膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于水處理及海水淡化領域，特別涉及一種膜殼式多效降膜蒸餾 海水淡化裝置。具體說是利用多效蒸餾裝置效間壓差小的特點，用塑料薄膜替代 傳統(tǒng)的金屬換熱材料，設計成膜殼式結構，制成多效降膜蒸餾海水淡化及高純水 制備。
背景技術：
我國年人均淡水資源約2400立方米，是世界人均淡水資源的1/4。全國660 多個城市中，有400多個城市缺水，其中108個城市嚴重缺水。淡水資源短缺是 我國經濟可持續(xù)發(fā)展的最大制約因素之一，尤其是沿海地區(qū)。因此發(fā)展海水淡化， 解決我國沿海淡水資源短缺問題具有極其重要的現實意義。截止到2001年12月31日，全世界100m7d及以上海水淡化裝置總計15， 223 臺，總產水能力32，400，000mVd。目前新增裝置容量的年均增長率約8%，而低 溫多效蒸餾海水淡化裝置的比造價約1000美元/(噸/日)，因此海水淡化是一個 巨大的、具有發(fā)展前景的市場。河北滄東發(fā)電有限公司引進的2X10，000m7d低 溫多效蒸餾海水淡化裝置已投入運行，天津北疆電廠擬引進4X25， 000m7d低溫 多效蒸餾海水淡化裝置。海水淡化方法有很多，但目前國際海水淡化技術市場的發(fā)展現狀已凸顯出反 滲透技術RO和低溫多效水平管噴淋降膜蒸餾技術MED的優(yōu)勢。由于目前國際海 水淡化技術正朝著大型化方向發(fā)展，根據招投標規(guī)則，沒有業(yè)績無法進入市場參 與競爭，即海水淡化技術市場門檻越來越高。而研發(fā)大型裝置的投資、選址、產 品水輸配等都面臨很大困難，研發(fā)風險是顯而易見的。然而事實上，目前國際市 場上占主要優(yōu)勢的這兩種技術也都有自己的局限性。反滲透技術主要取決于膜技 術，而反滲透技術在我國沿海尤其是北方沿海應用可能面臨諸如海水污染、冬季 氣溫偏低等一些難以克服的困難；反滲透膜使用壽命一般為3 — 5年，廢棄的反 滲透膜很難降解，對生態(tài)環(huán)境及保護極為不利。而列管式低溫多效蒸餾海水淡化
技術一般采用耐海水腐蝕性能優(yōu)良的金屬作為換熱材料，因此裝置投資大，淡水 成本高，這是其廣泛應用的巨大障礙。另外，在海水淡化技術大型化發(fā)展的同時，小型裝置也會有不少的市場需求， 這是因為大型裝置不可能覆蓋所有的淡水需求，如同電力工業(yè)發(fā)展一樣， 一方面大型火電機組單機容量大型化趨勢十分明顯，已由30萬kW為主過度到60—100 萬kW為主，但并不妨礙小型高效分布式電源的發(fā)展與應用，高效節(jié)能的小型海水淡化及高純水制備必然有它的市場需求。首先燃煤電廠鍋爐補給水就是一個很 好的市場需求，其次海島、遠洋艦船、沿海旅游景點以及其它對淡水品質要求高 的廠礦企業(yè)等，關鍵是海水淡化裝置高效節(jié)能、技術可靠、成本可接受。因此， 從小型裝置起步，開發(fā)新型熱電聯(lián)產多效蒸餾海水淡化裝置解決火電廠自身用水 問題以及滿足海島、艦船等需求是一項非常有實現意義和市場前景的技術。對于小型海水淡化裝置，采用基于金屬材料的管殼式結構在制造成本及裝置 效率上都大打折扣，因此小型海水淡化裝置研發(fā)需突破這種傳統(tǒng)的設計理念。國 內一些小型蒸餾海水淡化裝置的研發(fā)主要沿用了列管式換熱器的傳統(tǒng)模式，所采 用的裝置制造工藝和標準相對比較落后，使這些裝置的熱力學性能難以得到有效 的提高，造水成本更是難以與大型裝置競爭。實際上由于思維定式和習慣， 一提到高效蒸餾海水淡化，人們自然而然想到 利用耐海水腐蝕性能優(yōu)越的金屬作為換熱材料，但是這些耐海水腐蝕的金屬材料 一般比較昂貴，致使海水淡化裝置的造價偏高，而另一方面，由于裝置只是為了 生產人們日常所需的淡水，造價太高使其推廣應用必將遇到困難。不但如此，簡 單模仿外國公司的海水淡化技術，在技術及工藝水平上很難超越他們，因此為開發(fā)擁有獨立自主知識產權的海水淡化技術，本發(fā)明提出用塑料薄膜替代傳統(tǒng)的金 屬換熱材料，薄膜之間采用焊接、等距絲帶張拉或龍骨支撐，制成膜束換熱組件， 采用海水降膜蒸餾工藝，這使得依據本發(fā)明生產的多效蒸餾海水淡化及高純水制 備裝置具有板式換熱器傳熱效率高、結構緊湊的優(yōu)勢，由于采用非金屬的塑料薄 膜材料，材料價格及使用量都明顯低于金屬材料，因此裝置造價可以大幅度降低， 將極大提升產品的市場競爭力。利用本發(fā)明提出的技術方案，可以從具有一定市
場前景的小型裝置研發(fā)起步，逐步形成一個以本發(fā)明為特征的新型海水淡化技術 的產業(yè)鏈，有助于我們打破國際海水淡化技術為國外公司壟斷的格局。值得一提的是，國家游泳中心氣枕結構(水立方)就是采用50 — 200um的 ETFE(聚四氟乙烯)塑料薄膜制造。據國外資料，塑料薄膜制造的膜結構產品的使 用壽命可達25年以上。發(fā)明內容本實用新型的目的是針對現有技術的不足而提供一種膜殼式多效降膜蒸餾 海水淡化裝置。其特征在于采用塑料薄膜作為換熱材料，制成膜束換熱組件，所 述膜束的兩張薄膜采用焊接、等距絲帶張拉或龍骨支撐，膜束頂部和底部可用塑 料管支撐而成；多個膜束等間距放置，通過端部薄膜連接制成膜束換熱組件；膜 束換熱組件放置在殼體的一個容器單元內構成一效蒸發(fā)器，由多個蒸發(fā)器串聯(lián)構 成膜殼式結構的多效蒸餾海水淡化裝置。所述多效蒸餾海水淡化裝置是在殼體1內安裝由N個膜柬換熱組件2串聯(lián)構 成的N效蒸發(fā)器3，并和冷凝器5串聯(lián)，在每個膜束換熱組件2上面設置淋水盤 4，在冷凝器5端的殼體1上部連接真空系統(tǒng)6，并在下部連接循環(huán)鹽水泵7;在 殼體1下部設置濃鹽水排放泵9，該泵的出水管連接到熱交換器10，海水泵11 的出水管連接到熱交換器10，再通過出水管連接到冷凝器5內淋水盤4的上面； 在作為冷凝器5的膜束換熱組件2下端連接產品水泵8，該泵的出水管連接到熱 交換器IO，并分別和儲水箱或市政供水系統(tǒng)連接；在第一效膜束換熱組件2的下 端連接凝結水泵12。所述膜束換熱組件2側面固定端部薄膜]5，端部薄膜15固定于殼體1的支 撐板16上。所述N個膜束換熱組件2分別放置在殼體1內的第1效至第N效容器單元內。 所述殼體1為長方體、圓柱體或六方體形式。作為冷凝器5的膜束換熱組件2與第N效的膜束換熱組件2同在殼體1的最 末一效容器單元內。所述作為換熱材料的塑料薄膜的厚度為50至250 !i m，或小于0. 5mm的板材。
本實用新型的有益效果是采用薄膜作為換熱材料之后，由于蒸汽凝結及海水 蒸發(fā)過程中不免存在擾動，薄膜會隨之波動，因此本發(fā)明的多效蒸餾海水淡化及 高純水制備裝置不易出現列管式換熱器常常出現的結垢現象，這一定有利于簡化 海水預處理工藝，進一步降低淡水成本。同時本實用新型可用于高純水制備。
另外，以塑料薄膜作為換熱材料，使裝置的制造工藝要比用金屬換熱材料的 海水淡化裝置簡單得多，這也有利于降低設備造價。由于采用塑料薄膜作為換熱 材料，其老化或損壞后可回收及再生，相比其它海水淡化技術，其造成的環(huán)境影 響最小。


圖1為膜殼式多效蒸餾海水淡化裝置結構圖。
圖2為膜殼式多效蒸餾裝置結構示意圖。
圖3為膜束組件結構示意圖。
圖4為薄膜絲帶張拉或龍骨支撐結構示意圖。
具體實施方式
本實用新型提供市場迫切需要的節(jié)能環(huán)保、成本低廉、安全可靠的一種膜殼 式多效降膜蒸餾海水淡化裝置。在圖1所示膜殼式多效蒸餾海水淡化裝置結構圖 中，該裝置是利用塑料薄膜作為換熱材料，替代傳統(tǒng)的金屬換熱材料，塑料薄膜 如ETFE (乙烯聚四氟乙烯)的厚度為50至250 u m，或小于0. 5mm的板材。
在圖1中，在殼體1設置N個相對獨立的容器單元，分別安裝N個膜束換熱 組件2，然后串聯(lián)構成蒸發(fā)器3;第N效的膜束換熱組件2與作為冷凝器5的膜 束換熱組件2同在殼體1的一個容器單元內；殼體1的從第一效至第N效的容器 單元的壓力逐步降低，其間蒸汽、鹽水及產品淡水在此壓差作用下逐效自流。在 每個膜束組件2上面設置淋水盤4，在冷凝器5端的殼體1上部連接真空系統(tǒng)6， 并在下部連接循環(huán)鹽水泵7，該泵的出水接至蒸發(fā)器3內各效蒸發(fā)器3的淋水盤 4;在殼體1的末效蒸發(fā)器底部還連接濃鹽水排放泵9，其出水管連接至熱交換器 10，并排出系統(tǒng)；海水泵11的出水管也連接至熱交換器10，并接至冷凝器5上 面的淋水盤4，在作為冷凝器5的膜束換熱組件2下端連接產品水泵8，該泵的
出水管連接熱交換器10，出水送至儲水箱或市政供水系統(tǒng)；在第一級膜束換熱組
件2的下端連接凝結水泵12。
該裝置工作原理簡介如下本發(fā)明海水淡化裝置的工作流程在圖1中標示。
圖3所示的膜束組件2布置在各效蒸發(fā)器3和冷凝器5組成的殼體1內。蒸發(fā)器 各效的橫截面結構可參考圖2設計。
在圖1中，低壓加熱蒸汽(ll(TC溫度以下)進入蒸發(fā)器3第一效凝結放熱， 加熱薄膜另一側降膜流動的鹽水，并使之產生二次蒸汽。凝結水由凝結水泵12 送回至熱源吸熱。
膜束換熱組件結構示意圖如圖3所示，薄膜支撐與張拉方式和材料有許多， 這里不一一列舉，圖4所示為一典型的預制結構的張拉與支撐部件。
所述膜束換熱組件2中膜束的薄膜由等距絲帶14張拉(可參考如圖4所示制 作)，膜束頂部和底部可用塑料管13支撐，可根據其長度及膜束內側壓力，在塑 料管外側適當部位張拉，以確保膜束外形結構。絲帶張拉設置在薄膜的高壓側， 因此由于壓力差的作用，可形成圖3所示的膜束結構。龍骨支撐則應設置在薄膜 的低壓側。
膜束換熱組件側面可使用較厚的端部薄膜15隔絕膜束兩側氣流，端部薄膜 15可采用焊接方式等連接固定于殼體1的支撐板16上。
海水首先由海水泵11送至熱交換器10,熱交換器10在(環(huán)境溫度與末效蒸 發(fā)溫度范圍)預熱，然后進入冷凝器5中頂部的淋水盤4均勻地分布在豎直布置 的膜束換熱組件2上，靠重力降膜流動(如圖3所示)，冷凝蒸發(fā)器3的第N效 膜束換熱組件2產生的二次蒸汽，自身得到進一步預熱。由于海水中溶有一定的 氧氣，為減小腐蝕，應盡可能將海水預熱達到飽和溫度，以便氧氣(不凝氣體)析 出并被真空系統(tǒng)6抽出。海水在冷凝器5底部，與末級的循環(huán)濃鹽水混合后，由 循環(huán)鹽水泵7送至蒸發(fā)器3的各級頂部的淋水盤4，鹽水在膜束表面降膜流動(如 圖3所示)。薄膜另一側的蒸汽凝結加熱鹽水，產生二次蒸汽。二次蒸汽進入下 一級作為加熱蒸汽，因此多效蒸餾可以有效減小蒸汽消耗，提高裝置的造水比。
每效的濃鹽水在各級之間的溫差決定的壓力差作用下逐效自流，并擴容閃蒸
一定的二次蒸汽，二次蒸汽可以與上述各效鹽水蒸發(fā)產生的二次蒸汽一樣得到有 效利用，上述過程依次進行，濃鹽水到末效蒸發(fā)器由濃鹽水排放泵9排出系統(tǒng)。
與濃鹽水類似，各效的凝結水也是逐效自流及擴容閃蒸，—次蒸汽也可以得 到有效利用，而每一效的凝結水逐效匯集直到末效蒸發(fā)器，并在冷凝器5中被產 品淡水泵8送至儲水罐。
熱根據傳學，薄的換熱材料的傳熱性能要高于一般工程換熱材料傳熱系數數 倍，尤其是改性塑料，這一點對于本發(fā)明具有非常重要的意義。綜上所述，完全 可以找到傳熱性能比較優(yōu)越的改性薄膜塑料及合適的厚度。
需要額外說明的是，由于采用薄膜作為換熱材料，由于蒸汽凝結及海水蒸發(fā) 過程中不免存在擾動，薄膜會隨之波動，因此本發(fā)明的多效蒸餾海水淡化及高純 水制備裝置不易出現列管式換熱器常常出現的結垢現象，即便出現結垢也不易繼 續(xù)增厚以阻礙傳熱，這在一定程度上可以簡化海水預處理工藝，進一步降低淡水 成本。
另外，以塑料薄膜作為換熱材料，使裝置的制造工藝要比用金屬換熱材料的 海水淡化裝置簡單得多，這也有利于降低設備造價。由于采用塑料薄膜作為換熱 材料，因此可回收海水淡化裝置老化及損壞的換熱材料，相比其它海水淡化技術， 其造成的環(huán)境影響最小。
中英文名詞對照
多效蒸餾——Multi-Effect Distillation (MED) 多級閃蒸——Multi-Stage Flash (MSF)
權利要求1.一種膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于，采用塑料薄膜作為換熱材料，制成膜束換熱組件，所述膜束為二層薄膜采用焊接、絲帶張拉或龍骨支撐制成；多個膜束等間距放置，通過端部薄膜連接制成膜束換熱組件；膜束換熱組件放置在殼體的一個容器單元內構成一效蒸發(fā)器，由多個蒸發(fā)器串聯(lián)構成膜殼式結構的多效蒸餾海水淡化裝置。
2. 根據權利要求1所述膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于，所 述作為換熱材料的塑料薄膜的厚度50至250 u m;或小于0. 5mm的板材。
3. 根據權利要求1所述膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于，所 述海水淡化裝置的具體結構是在殼體(1)內安裝由N個膜束換熱組件(2)串聯(lián) 構成的N效蒸發(fā)器(3)，并和冷凝器(5)串聯(lián)，在每個膜束換熱組件(2)上面 設置淋水盤(4)，在冷凝器(5)端的殼體(1)上部連接真空系統(tǒng)(6)，并在下 部連接循環(huán)鹽水泵(7)，循環(huán)鹽水泵(7)通過出水管連接到蒸發(fā)器(3)上部的 淋水盤(4);在殼體(1)下部設置濃鹽水排放泵(9)，該泵的出水管連接到熱 交換器(10)，海水泵(11)的出水管連接到熱交換器(10)，再通過出水管連接 到冷凝器(5)內的淋水盤(4)的上面，在作為冷凝器(5)的膜束換熱組件(2) 下端連接產品水泵(8)，該泵的出水管連接到熱交換器(10)，并連接至儲水箱 或市政供水系統(tǒng)；在第一效膜束換熱組件(2)的下端連接凝結水泵'(12)。
4. 根據權利要求3所述膜殼式多效降膜蒸熘海水淡化裝置，其特征在于，所 述膜束換熱組件(2)側面固定較厚的端部薄膜(15)，端部薄膜(15)固定于殼 體(1)的支撐板(16)上。
5. 根據權利要求1或3所述膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于， 所述N個膜束換熱組件(2)分別放置在殼體(1)內的第1效至第N效容器內， 其殼體(1)為長方體、圓柱體或六方體形式。
6. 根據權利要求3所述膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置，其特征在于，所 述作為冷凝器(5)的冷凝膜束換熱組件(2)與第N效的膜束換熱組件(2)同 在殼體(1)的最末一效容器單元內。
專利摘要本實用新型公開了屬于水處理及海水淡化領域的一種膜殼式多效降膜蒸餾海水淡化裝置。采用塑料薄膜替代傳統(tǒng)的金屬換熱材料，制成膜束換熱組件，在殼體設置的N個相對獨立的容器單元，膜束換熱組件單獨放在殼體內的從第一效至第N-1效的容器單元內，再串聯(lián)構成N-1效蒸發(fā)器，并和冷凝器串聯(lián)，第N效的膜束換熱組件與作為冷凝器的膜束換熱組件同在殼體的最末一個容器單元內。從而構成膜殼式結構的多效蒸餾海水淡化裝置，還可以制成高純水制備設備。利用多效蒸餾裝置效間壓差小的特點和塑料薄膜有良好的耐蝕、阻透、強度特性，水處理設備容量大小不受限制，材料用量少，造價低。小型裝置可與太陽能及分布式電源結合，有推廣使用價值。
文檔編號C02F1/04GK201033743SQ20072010358
公開日2008年3月12日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權日2007年2月13日
發(fā)明者周少祥 申請人:華北電力大學