使用機械蒸汽壓縮蒸餾的水脫鹽方法和設施的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及通過機械蒸汽壓縮(MVC)根據(jù)熱蒸餾原理工作的蒸餾方法和設施，特別用于為生產(chǎn)飲用水或生產(chǎn)去礦物質水的目的而對水的脫鹽和去礦物質。
現(xiàn)有技術
[0002]本發(fā)明涉及對與通過MVC來蒸餾水的方法和設施有關的若干創(chuàng)新的使用，其目的是基于此方法來減少電能消耗和制造和操作水去礦物質或脫鹽單元或工廠(DWP，“脫鹽水工廠”)的成本。所使用的所有創(chuàng)新最佳地使得減少設施的CAPEX(資本支出)成為可能，且尤其是將其特定的電能消耗減少到剛剛達到所產(chǎn)生的每立方米蒸餾水約2到4千瓦時的值。
[0003]關于使用MVC的DWP的現(xiàn)有技術限制了此方法的部署，這是因為與其它脫鹽或去礦物質方法(諸如提供根據(jù)MSF(多階段閃)或MED(多效蒸餾)方法(其輔助電能消耗位于每立方米蒸餾水2和8千瓦時之間)主要使用的蒸汽的熱蒸餾或反滲透方法(在具有等于或大于30g/l的鹽分的海水的情況下其總消耗(包括預處理和輔助消耗者)為所生產(chǎn)的每立方米滲透水3到7千瓦時)相比其極高的電能消耗(生產(chǎn)的每立方米蒸餾水8到18千瓦時)。
[0004]盡管如此，MVC方法非常穩(wěn)定且非常容易使用，籠統(tǒng)說來，類似于所有熱脫鹽或去礦物質方法。本發(fā)明所涉及的各種方法使得使其在市場上具有競爭力成為可能，特別是相對于反滲透方法，反滲透方法與其類似，不需要蒸汽形式的能量貢獻，且其另一方面使用更復雜、更不穩(wěn)定且通常難以操作的技術。
[0005]現(xiàn)有技術的概述
[0006]對于多效單元(MED-MVC)和對于單效單元兩者，使用根據(jù)現(xiàn)有技術的MVC的DWP的描述可被概括如下。如圖1中所指示的，該單元裝備有總外殼(01)，其通常部分真空以減少水蒸發(fā)或冷凝的沸點。使用MVC的最簡單的DWP使用水浴，該水浴的表面提供了蒸發(fā)，且浸入在水浴中的交換機提供冷凝;現(xiàn)代單元包括管型或板型的蒸發(fā)器/冷凝器(EC) (11)，其通常應用了利用噴淋噴嘴(12)維持的供給水的薄降膜(TFF，“薄降膜”)，該噴淋噴嘴將待蒸發(fā)的水分發(fā)到EC的整個表面上。EC是用導熱傳導材料制造的，其一個面/區(qū)域提供蒸發(fā)(02)而另一個面/區(qū)域提供冷凝(05)。在具有多個效應(effects)的單元的情況下，在一個效應的EC的蒸發(fā)面上產(chǎn)生的蒸汽被引導到下一效應的EC的冷凝面，直到最后的效應為止，在該最后的效應處，蒸汽隨后被傳遞并在被再循環(huán)回第一效應的頭部之前重新壓縮。該單元裝備有用于傳遞(03)和壓縮(04)蒸汽的系統(tǒng)，以及包括供給水供應系統(tǒng)、用于產(chǎn)生部分真空并用于消除不可冷凝氣體(NCG)的系統(tǒng)[NGC_VAC]、用于提取蒸餾水的系統(tǒng)[Distillate(蒸餾水)]以及用于提取濃縮物的系統(tǒng)[Brine(鹵水)]的輔助裝備。新近的研發(fā)使用從傳出水流[蒸餾]+ [濃縮]還原熱以利于傳入水流[供給水]以便改善整體熱性能并提供實現(xiàn)每立方米蒸餾水8到12千瓦時的電能消耗。
[0007]當前實施例
[0008]通過MVC脫鹽的世界領導者是SIDEM，D00SAN和IDE-Technologies。它們都根據(jù)同一方法操作。所遇到的使用MVC的DWP在顯著的真空中操作，約0.10到0.20bar(a)(貫穿本文，參考絕對壓強)，以便將蒸發(fā)溫度降低到約40°C到50°C的值。降低蒸發(fā)溫度提供了兩個優(yōu)點:第一，整個裝置的熱損耗的減少，以及第二，從在60°C到65°C的閾值溫度以下基本上完全不存在碳酸鈣沉淀的形成中受益。蒸汽傳輸系統(tǒng)(03)在總外殼內(nèi)部或外部且其大小適于約100米/秒的蒸汽速度。壓縮機通常是每單元一個，通常是離心型的，且在中型到大型單元(通常多達5000立方米/天)的情況下按照對工業(yè)電機常見的速度操作，S卩1500/1800轉/分鐘或3000/3600轉/分鐘(在50/60HZ的分別具有4極或2極的標準化電機的標稱速度)。
[0009]根據(jù)如直到目前的工業(yè)和公共項目中實現(xiàn)的MVC方法的當前脫鹽設施的典型圖示在圖1中陳述，且包括:
[0010]-提供有供給水入口裝置[FEEDWATER(供給水)]、蒸餾水排出裝置[DISTILLATE(蒸餾水)]、濃縮水排出裝置[BRINE(鹵水)]以及用于將其置于負壓之下并提取不可冷凝的氣體的裝置[NCG_VAC ]的密封腔(OI)和部分真空。
[0011]-在密封腔中，提供蒸發(fā)區(qū)域/表面(02)和冷凝區(qū)域/表面(05)的蒸發(fā)器/冷凝器(11)，
[0012]-用于傳送(03)和壓縮(04)蒸汽的系統(tǒng)，其提供蒸發(fā)器/冷凝器中的蒸發(fā)能量傳輸循環(huán)和冷凝。
[0013]這些當前設施的特征在于以下事實:各個供給水入口和蒸餾水和濃縮物排出裝置，以及用于將其置于負壓下和提取不可冷凝氣體的裝置在密封腔外部，即其栗體的外部部分和其馬達經(jīng)受大氣壓。同樣的情況適用于壓縮機，其馬達[Μ0Τ]位于密封腔外。
[0014]與當前實現(xiàn)有關的問題
[0015]與使用MVC的當前DWP有關的主要問題是其高電能消耗。長久以來，高電能消耗歸因于蒸汽壓縮機的低效。
[0016]對當前裝備的全面分析還揭示了水蒸汽傳輸管中的壓降的重要性。該壓降實際上增加了蒸汽的溫度而不增加壓強，并且因此形成了蒸汽過熱現(xiàn)象，這與下游冷凝過程背道而馳。壓降因此帶來了壓縮能量方面的雙重損害:一個是關于必須在壓強方面對其進行補償?shù)膲航?，另一個是關于過熱現(xiàn)象，過熱現(xiàn)象使得增加的壓強是必要的以便允許冷凝。
[0017]最終，安裝在必須在部分真空下操作且必須裝備有有效熱隔離的主腔(01)外的所有輔助裝備的實現(xiàn)的復雜性通常使得執(zhí)行不完美且經(jīng)受各種真空泄漏和熱損耗。
[0018]新近的研發(fā)
[0019]盡管當前實現(xiàn)尚未在工業(yè)或公共市場中改變，某些實驗室研發(fā)正在沿以下線路改變:
[0020]-觀察到減少水蒸汽傳輸電路的趨勢，
[0021]-—些人正在使得壓縮機的輪廓更復雜以便增加其效率。
[0022]-其他人脫離了已知情境并且建議在比大氣壓更高的壓強(且因此在高于100°C的溫度)下執(zhí)行蒸餾以便使得蒸汽更一致且由此增加壓縮的功效。即使增加了壓縮效率，該最后一種方式看上去不適于海水的脫鹽，因為首先其提升了使用復雜預處理以便管理大規(guī)模沉淀和沉積現(xiàn)象的必要性，且其次其與在該過程和其環(huán)境之間的差異溫度有關的熱損耗的減少背道而馳。
[0023]發(fā)明概述
[0024]本發(fā)明的目標尤其是彌補現(xiàn)有技術的這些缺陷。更準確地說，本發(fā)明主要涉及壓縮機的效率的顯著改善以及蒸汽傳送系統(tǒng)中的壓降的幾乎完全消除。在此上下文中，本發(fā)明所設想的設施經(jīng)受小于500Pa且優(yōu)選地小于10Pa的壓降。
[0025]為此目的，本發(fā)明的第一主題提供了使用機械蒸汽壓縮的熱蒸餾設施，包括:
[0026]-密封腔(01)，其包括用于接收供給水的入口、用于排出蒸餾水的出口、用于排出濃縮物的出口和用于排出不可冷凝氣體的出口；
[0027]-蒸發(fā)器/冷凝器(11)，包括在所述密封腔(01)內(nèi)部的蒸發(fā)區(qū)域(02)和冷凝區(qū)域
(05);
[0028]-連接到馬達的壓縮機(04)，所述壓縮機能夠增加蒸發(fā)區(qū)域(02)中產(chǎn)生的蒸汽的壓強并將其傳遞至冷凝區(qū)域(05);
[0029]-處于部分真空下的密封腔(01)，所述腔內(nèi)部的壓強小于大氣壓強；
[0030]所述安裝使得該壓縮機(04)及其馬達[Μ0Τ]位于所述密封腔(01)內(nèi)部，所述馬達包括定子和轉子，所述定子和所述轉子完全位于密封腔(OI)內(nèi)部。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的有利實施例，壓縮機(04)是能夠實現(xiàn)大于7500轉/分鐘或15000轉/分鐘的轉速，優(yōu)選地能夠實現(xiàn)高于25000轉/分鐘的轉速，的壓縮機。
[0032]根據(jù)另一有利實施例，壓縮機(04)是軸流型的且該壓縮機的馬達位于蒸汽流中，該蒸汽流從蒸發(fā)區(qū)域(02)流動到冷凝區(qū)域(05)。
[0033]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，壓縮機(04)包括能夠達到高于100米/秒，更優(yōu)選地高于150米/秒，甚至更優(yōu)選地高于200米/秒，的外圍速度的葉片。
[0034]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，密封腔(01)內(nèi)部的壓強小于0.75bar(a)，且優(yōu)選地小于
0.25bar(a)。
[0035]根據(jù)另一有利實施例，本發(fā)明的所述設施包括軸流式壓縮機和管筒(13)(優(yōu)選地為Venturi型管筒)，所述管筒(13)包括第一部分和第二部分，第二部分的橫截面的面積大于第一部分的橫截面的面積，該壓縮機(04)被置于所述第一部分內(nèi)部且所述第二部分連接至該蒸發(fā)器/冷凝器(11)的冷凝區(qū)域(05)或所述第二部分包括頭部(29)或被連接于該蒸發(fā)器/冷凝器(11)的頭部(29)以使蒸汽進入該冷凝區(qū)域。優(yōu)選地，所述管筒(13)包括導熱材料。更優(yōu)選地，所述管筒(13)的導熱材料是與用于制造蒸發(fā)器/冷凝器的材料相同的材料。
[0036]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，本發(fā)明的所述設施包括至少一個集成蒸餾模塊(14)，所述集成蒸餾模塊(14)包括蒸發(fā)器/冷凝器、壓縮機(04)和管筒(優(yōu)選為Venturi型的管筒(13))，所述管筒(13)包括第一部分和第二部分，所述第二部分的橫截面的面積大于所述第一部分的橫截面的面積，所述壓縮機(04)被置于所述第一部分內(nèi)部且所述第二部分連接至所述蒸發(fā)器/冷凝器(11)的冷凝區(qū)域(05)或所述第二部分包括頭部(29)或被連接至所述蒸發(fā)器/冷凝器(11)的頭部(29)以允許蒸汽進入所述冷凝區(qū)域。
[0037]根據(jù)另一優(yōu)選實施例，本發(fā)明的所述設施包括供給水供應栗(15)、蒸餾水提取栗
(16)、濃縮物提取栗(17)、以及用于提取不可冷凝氣體的真空栗(19)，其中所述栗中的至少一個及其馬達完全位于密封腔內(nèi)部。
[0038]優(yōu)選地，本發(fā)明的所述設施包括用于將濃縮物傳遞到蒸發(fā)器/冷凝器的蒸發(fā)區(qū)域的濃縮物再循環(huán)栗(18)。有利地，