CN113651384A - 一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，它包括：换热系统、一级闪蒸系统、二级闪蒸系统、末级闪蒸系统、真空泵，预热后的海水和冷却水分别经喷嘴喷射到闪蒸室和冷凝室内发生闪蒸，流体经喷嘴喷出破碎成为液滴，液滴尺寸为微米尺度，有效增大比表面积，使得换热明显增强，同时利用吸附床的吸附解吸作用，降低最低海水出口温度至环境温度以下，有助于插入更多的级，从而提高生产率，显著提高系统性能；采取直接接触换热的方式，很大程度降低结垢腐蚀的几率，节约了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及海水淡化技术领域，具体涉及一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统。
背景技术
随着人为碳排放和全球变暖的情况日益加剧，利用低品位热能进行海水淡化的传统热力工艺成为当下所重视的课题。喷射闪蒸技术因其能耗低、分离效果好、冷却能力高的特点引起国内专家学者的广泛关注。目前，对单级喷雾闪蒸的研究较多，但直接采用单级喷雾闪蒸存在效率低、能耗浪费、单级成本高等问题；同时，由于顶值盐水温度不能超过90℃，以及最低海水温度的限制，喷射闪蒸海水淡化系统的效率和性能受到一定影响。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，创造性地提出了一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，利用吸附床的吸附解吸作用，降低最低海水出口温度至环境温度以下，有助于插入更多的级，从而提高生产率，显著提高系统性能，同时降低了结垢腐蚀几率。
实现本发明采用的技术方案是：一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，它包括：一级闪蒸系统、二级闪蒸系统，其特征是，它还包括：换热系统、末级闪蒸系统、真空泵14，所述的末级闪蒸系统包括：末级闪蒸室4、热水箱5、第一吸附床8、第二吸附床9、末级冷凝室12、第四给水泵13、冷却水箱15、第一给水泵16、第五给水泵19，所述的第一吸附床8与第二吸附床9并列设置，所述的末级闪蒸室4、第一吸附床8与第二吸附床9、末级冷凝室12、第四给水泵13依次连接构成回路；所述的热水箱5、第一给水泵16、第一吸附床8与第二吸附床9依次连接构成回路；所述的冷却水箱15、第五给水泵19、第一吸附床8与第二吸附床9依次连接构成回路；所述的换热系统、一级闪蒸系统、二级闪蒸系统、末级闪蒸系统、真空泵14依次连接构成回路。
进一步，所述的换热系统包括：换热器1、热水箱5、第一给水泵16，在所述的换热器1内设有热水管道，所述的换热器1内的热水管道与热水箱5连通构成回路，在所述的换热器1与热水箱5间管路上设置第一给水泵16。
进一步，所述的一级闪蒸系统包括：一级闪蒸室2、一级除雾器6、一级冷凝室10、第二给水泵17，所述的一级闪蒸室2与一级冷凝室10通过管路连接构成回路，在所述的一级闪蒸室2与一级冷凝室10间管路内设有一级除雾器6，在所述的一级冷凝室10底部设置管路，与一级冷凝室10内部相通，在所述的一级冷凝室10下部的管路上设置第二给水泵17。
进一步，所述的二级闪蒸系统包括：二级闪蒸室3、二级除雾器7、二级冷凝室11、第三给水泵18，所述的二级闪蒸室3与二级冷凝室11通过管路连接构成回路，在所述的二级闪蒸室3与二级冷凝室11间管路内设有二级除雾器7，在所述的二级冷凝室11底部设置管路，与二级冷凝室11内部相通，在所述的二级冷凝室11下部的管路上设置第三给水泵18。
进一步，所述的第一吸附床8包括：第一吸附床壳体、第一阀门8.1、第二阀门8.2、第三阀门8.3、第四阀门8.4、第五阀门8.5、第六阀门8.6、吸附剂8.7，在所述的第一吸附床壳体内设置密闭第一吸附床室，在所述的第一吸附床室内设置管路，并贯穿第一吸附床室，在所述贯穿于第一吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第一吸附床8左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第三阀门8.3和第五阀门8.5，在所述第一吸附床8右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第四阀门8.4和第六阀门8.6，在所述的第一吸附床壳体两侧分别设置管路，同第一吸附床室相通，在所述的第一吸附床壳体左侧管路上设置第一阀门8.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第二阀门8.2，在所述的第一吸附床室内部管路上设置吸附剂8.7；所述的第二吸附床9包括：第七阀门9.1、第八阀门9.2、第九阀门9.3、第十阀门9.4、第十一阀门9.5、第十二阀门9.6、吸附剂9.7，在所述的第二吸附床壳体内设置密闭第二吸附床室，在所述的第二吸附床室内设置管路，并贯穿第二吸附床室，在所述贯穿于第二吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第二吸附床9左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第九阀门9.3和第十一阀门9.5，在所述第二吸附床9右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第十阀门9.4和第十二阀门9.6，在所述的第二吸附床壳体两侧分别设置管路，同第二吸附床室相通，在所述的第二吸附床壳体左侧管路上设置第七阀门9.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第八阀门9.2，在所述的第二吸附床室内部管路上设置吸附剂9.7。
进一步，所述的吸附剂8.7和吸附剂9.7为硅胶。
本发明一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统的有益效果体现在：
1、一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统采用换热系统，预热后的海水和冷却水分别经喷嘴喷射到闪蒸室和冷凝室内发生闪蒸，流体经喷嘴喷出破碎成为液滴，液滴尺寸为微米尺度，有效增大比表面积，使得换热明显增强；
2、一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统闪蒸室和冷凝室，没有使用传统的金属表面传热，而是采取直接接触换热的方式，很大程度降低腐蚀结垢；同时无需设置多个换热器，减少了设备需求，降低生产成本；
3、一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统的末级蒸汽直接被吸附剂吸附，在吸附剂的吸附作用下，改变了盐水最低出口温度，使末级蒸汽温度降到环境温度以下，增大多级喷射闪蒸温度范围，有助于在闪蒸室与吸附床之间插入更多级数，从而提高系统整体的生产、性能效率。
附图说明
图1是一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统结构示意图；
图2是图1中件8及件9结构示意图；
图中：1.换热器，2.一级闪蒸室，3.二级闪蒸室，4.末级闪蒸室，5.热水箱，6.一级除雾器，7.二级除雾器，8.第一吸附床，8.1.第一阀门，8.2.第二阀门，8.3.第三阀门，8.4.第四阀门，8.5.第五阀门，8.6.第六阀门，8.7.吸附剂，9.第二吸附床，9.1.第七阀门，9.2.第八阀门，9.3.第九阀门，9.4.第十阀门，9.5.第十一阀门，9.6.第十二阀门，9.7.吸附剂，10.一级冷凝室，11.二级冷凝室，12.末级冷凝室，13.第四给水泵，14.真空泵，15.冷却水箱，16.第一给水泵，17.第二给水泵，18.第三给水泵，19.第五给水泵。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图2所示，所述的第一吸附床8包括：第一吸附床壳体、第一阀门8.1、第二阀门8.2、第三阀门8.3、第四阀门8.4、第五阀门8.5、第六阀门8.6、吸附剂8.7，在所述的第一吸附床壳体内设置密闭第一吸附床室，在所述的第一吸附床室内设置管路，并贯穿第一吸附床室，在所述贯穿于第一吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第一吸附床8左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第三阀门8.3和第五阀门8.5，在所述第一吸附床8右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第四阀门8.4和第六阀门8.6，在所述的第一吸附床壳体两侧分别设置管路，同第一吸附床室相通，在所述的第一吸附床壳体左侧管路上设置第一阀门8.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第二阀门8.2，在所述的第一吸附床室内部管路上设置吸附剂8.7；所述的第二吸附床9包括：第七阀门9.1、第八阀门9.2、第九阀门9.3、第十阀门9.4、第十一阀门9.5、第十二阀门9.6、吸附剂9.7，在所述的第二吸附床壳体内设置密闭第二吸附床室，在所述的第二吸附床室内设置管路，并贯穿第二吸附床室，在所述贯穿于第二吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第二吸附床9左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第九阀门9.3和第十一阀门9.5，在所述第二吸附床9右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第十阀门9.4和第十二阀门9.6，在所述的第二吸附床壳体两侧分别设置管路，同第二吸附床室相通，在所述的第二吸附床壳体左侧管路上设置第七阀门9.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第八阀门9.2，在所述的第二吸附床室内部管路上设置吸附剂9.7。
第一吸附床8与第二吸附床9工作过程：
当末级闪蒸室4内蒸汽压力大于第一吸附床8的蒸汽压力时，第一阀门8.1开启，第七阀门9.1关闭，蒸汽进入第一吸附床被吸附剂8.7吸附，第三阀门8.3、第四阀门8.4开启，第五阀门8.5、第六阀门8.6关闭，冷却水箱15中的冷却水流过第一吸附床8，带走吸附剂8.7吸附蒸汽所产生吸附热，当吸附饱和后，第一阀门8.1、第三阀门8.3、第四阀门8.4关闭，第七阀门9.1、第五阀门8.5、第六阀门8.6开启，热水箱5中的热水经管道流过第一吸附床8进行加热，解吸吸附剂中的蒸汽，第二阀门8.2开启，第八阀门9.2关闭，在真空泵14的作用下，蒸汽流出，当第一吸附床8冷却后，第一阀门8.1开启，蒸汽再次进入第一吸附床8，重复上述吸附/解吸过程。分别对两床交替进行冷却和加热，使得第二吸附床9进行的过程与第一吸附床8相反，同时通过控制第一阀门8.1、第二阀门8.2、第七阀门9.1、第八阀门9.2，使得整个系统的吸附和解吸过程连续进行。
如附图1所示，一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，它包括：一级闪蒸系统、二级闪蒸系统、换热系统、末级闪蒸系统、真空泵14，所述的换热系统包括：换热器1、热水箱5、第一给水泵16，在所述的换热器1内设有热水管道，所述的换热器1内的热水管道与热水箱5连通构成回路，在所述的换热器1与热水箱5间管路上设置第一给水泵16。所述的一级闪蒸系统包括：一级闪蒸室2、一级除雾器6、一级冷凝室10、第二给水泵17，所述的一级闪蒸室2与一级冷凝室10通过管路连接构成回路，在所述的一级闪蒸室2与一级冷凝室10间管路内设有一级除雾器6，在所述的一级冷凝室10底部设置管路，与一级冷凝室10内部相通，在所述的一级冷凝室10下部的管路上设置第二给水泵17。所述的二级闪蒸系统包括：二级闪蒸室3、二级除雾器7、二级冷凝室11、第三给水泵18，所述的二级闪蒸室3与二级冷凝室11通过管路连接构成回路，在所述的二级闪蒸室3与二级冷凝室11间管路内设有二级除雾器7，在所述的二级冷凝室11底部设置管路，与二级冷凝室11内部相通，在所述的二级冷凝室11下部的管路上设置第三给水泵18。所述的末级闪蒸系统包括：末级闪蒸室4、热水箱5、第一吸附床8、第二吸附床9、末级冷凝室12、第四给水泵13、冷却水箱15、第一给水泵16、第五给水泵19，所述的第一吸附床8包括：第一吸附床壳体、第一阀门8.1、第二阀门8.2、第三阀门8.3、第四阀门8.4、第五阀门8.5、第六阀门8.6、吸附剂8.7，在所述的第一吸附床壳体内设置密闭第一吸附床室，在所述的第一吸附床室内设置管路，并贯穿第一吸附床室，在所述贯穿于第一吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第一吸附床8左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第三阀门8.3和第五阀门8.5，在所述第一吸附床8右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第四阀门8.4和第六阀门8.6，在所述的第一吸附床壳体两侧分别设置管路，同第一吸附床室相通，在所述的第一吸附床壳体左侧管路上设置第一阀门8.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第二阀门8.2，在所述的第一吸附床室内部管路上设置吸附剂8.7；所述的第二吸附床9包括：第七阀门9.1、第八阀门9.2、第九阀门9.3、第十阀门9.4、第十一阀门9.5、第十二阀门9.6、吸附剂9.7，在所述的第二吸附床壳体内设置密闭第二吸附床室，在所述的第二吸附床室内设置管路，并贯穿第二吸附床室，在所述贯穿于第二吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第二吸附床9左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第九阀门9.3和第十一阀门9.5，在所述第二吸附床9右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第十阀门9.4和第十二阀门9.6，在所述的第二吸附床壳体两侧分别设置管路，同第二吸附床室相通，在所述的第二吸附床壳体左侧管路上设置第七阀门9.1，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第八阀门9.2，在所述的第二吸附床室内部管路上设置吸附剂9.7。所述的第一吸附床8与第二吸附床9并列设置，所述的末级闪蒸室4、第一吸附床8与第二吸附床9、末级冷凝室12、第四给水泵13依次连接构成回路；所述的热水箱5、第一给水泵16、第一吸附床8与第二吸附床9依次连接构成回路；所述的冷却水箱15、第五给水泵19、第一吸附床8与第二吸附床9依次连接构成回路；所述的换热系统、一级闪蒸系统、二级闪蒸系统、末级闪蒸系统依次连接构成回路，所述真空泵14与一级冷凝室10、二级冷凝室11、末级冷凝室12连通构成回路，
一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统工作过程：
流入换热器1的海水经加热温度值接近顶值盐水温度，换热器1与一级闪蒸室2经管道连接，预热后的海水溶液经一级闪蒸室2内的喷嘴喷射进入一级闪蒸室2发生闪蒸，产生的蒸汽在真空泵14的作用下经一级除雾器6流入一级冷凝室10，未汽化的海水顺着一级闪蒸室2与二级闪蒸室3连接的管道流入二级闪蒸室3，在不同压力梯度下发生闪蒸，以此重复进行直至到达末级闪蒸室4，控制末级闪蒸室4的真空度，使闪蒸汽化在低于环境温度下进行，剩余的浓海水则排出末级闪蒸室4，末级闪蒸室4与第一吸附床8、第二吸附床9经管道连接，产生的蒸汽在第一阀门8.1、第二阀门8.2、第七阀门9.1、第八阀门9.2的控制下进入交替第一吸附床8、第二吸附床9，在床内发生吸附解吸过程，吸附解吸所需要的冷源由冷却水箱15提供，热源由热水箱5提供，解吸后的蒸汽经第一吸附床8、第二吸附床9与末级冷凝室12相连的管道进入末级冷凝室12，冷却水箱15中的冷却水由末级冷凝室12内的喷嘴注入，冷却液化从第一吸附床8、第二吸附床9交替流入的蒸汽，混合着蒸馏水的冷却水到达末级冷凝室12底部，在给水泵的作用下注入前一级冷凝室，重复直接接触的冷凝过程，最后混合着蒸馏水的冷却水从第一级冷凝室10流出。
实施例1：
在温度为20℃的环境下选取初始温度为30℃、浓度为0.035kg/kg的海水流入换热器进行预热，温度经加热升至70℃并以10kg/s的流量进入第一级闪蒸室，选用温度为30℃的冷却水以9.5kg/s的流量流入末级冷凝室。在吸附床中，选取硅胶作为吸附剂，其中最大吸附量为0.45kg/kg，流过吸附床的冷热源流体流量为1.52kg/s，每张吸附床中吸附剂的质量为100kg，该专利采用编程计算求解，主要计算公式如下：
从能量守恒的角度，闪蒸室、冷凝室内液滴达到热平衡状态后的温度变化：
第一级闪蒸室入口处的流体温度为顶值盐水温度，末级冷凝室入口处的流体温度为输入的冷却水温度。忽略蒸发引起的热损失和进料流量的变化，由闪蒸室和冷凝室能量平衡得到瞬时生产率：
吸附床中硅胶在特定温度和压力下对水蒸气的瞬态吸收由动力学方程给出：
通过冷热源的入口和出口温度计算出水蒸气在硅胶中吸附解吸所需的能量为：
吸附/解吸床能量平衡方程为：
由系统运行计算结果得末级闪蒸室出口蒸汽温度为10℃，末级冷凝室入口蒸汽温度为26℃，表1为系统在有无吸附床设置下系统性能指标总生产率、性能比、造水比的对比值，其中总生产率为每级闪蒸室生产效率总和；性能比(PR)定义为生产率与加热蒸汽流量的比值；造水比(GOR)定义为蒸发蒸馏物所需的能量与系统实际输入热量的比值。由表可知，设置吸附床后系统总生产率提高了50％，性能比提高了50％，造水比提高了33.5％，系统性能效率整体提高，由此得出该发明效果是有益的。
表1
以上所述仅是本发明的优选方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，它包括：一级闪蒸系统、二级闪蒸系统，其特征是，它还包括：换热系统、末级闪蒸系统、真空泵(14)，所述的末级闪蒸系统包括：末级闪蒸室(4)、热水箱(5)、第一吸附床(8)、第二吸附床(9)、末级冷凝室(12)、第四给水泵(13)、冷却水箱(15)、第一给水泵(16)、第五给水泵(19)，所述的第一吸附床(8)与第二吸附床(9)并列设置，所述的末级闪蒸室(4)、第一吸附床(8)与第二吸附床(9)、末级冷凝室(12)、第四给水泵(13)依次连接构成回路；所述的热水箱(5)、第一给水泵(16)、第一吸附床(8)与第二吸附床(9)依次连接构成回路；所述的冷却水箱(15)、第五给水泵(19)、第一吸附床(8)与第二吸附床(9)依次连接构成回路；所述的换热系统、一级闪蒸系统、二级闪蒸系统、末级闪蒸系统、真空泵(14)依次连接构成回路。
2.根据权利要求1所述的一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，其特征是，所述的换热系统包括：换热器(1)、热水箱(5)、第一给水泵(16)，在所述的换热器(1)内设有热水管道，所述的换热器(1)内的热水管道与热水箱(5)连通构成回路，在所述的换热器(1)与热水箱(5)间管路上设置第一给水泵(16)。
3.根据权利要求1所述的一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，其特征是，所述的一级闪蒸系统包括：一级闪蒸室(2)、一级除雾器(6)、一级冷凝室(10)、第二给水泵(17)，所述的一级闪蒸室(2)与一级冷凝室(10)通过管路连接构成回路，在所述的一级闪蒸室(2)与一级冷凝室(10)间管路内设有一级除雾器(6)，在所述的一级冷凝室(10)底部设置管路，与一级冷凝室(10)内部相通，在所述的一级冷凝室(10)下部的管路上设置第二给水泵(17)。
4.根据权利要求1所述的一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，其特征是，所述的二级闪蒸系统包括：二级闪蒸室(3)、二级除雾器(7)、二级冷凝室(11)、第三给水泵(18)，所述的二级闪蒸室(3)与二级冷凝室(11)通过管路连接构成回路，在所述的二级闪蒸室(3)与二级冷凝室(11)间管路内设有二级除雾器(7)，在所述的二级冷凝室(11)底部设置管路，与二级冷凝室(11)内部相通，在所述的二级冷凝室(11)下部的管路上设置第三给水泵(18)。
5.根据权利要求1、权利要求2、权利要求3或权利要求4所述的一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，其特征是，所述的第一吸附床(8)包括：第一吸附床壳体、第一阀门(8.1)、第二阀门(8.2)、第三阀门(8.3)、第四阀门(8.4)、第五阀门(8.5)、第六阀门(8.6)、吸附剂(8.7)，在所述的第一吸附床壳体内设置密闭第一吸附床室，在所述的第一吸附床室内设置管路，并贯穿第一吸附床室，在所述贯穿于第一吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第一吸附床(8)左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第三阀门(8.3)和第五阀门(8.5)，在所述第一吸附床(8)右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第四阀门(8.4)和第六阀门(8.6)，在所述的第一吸附床壳体两侧分别设置管路，同第一吸附床室相通，在所述的第一吸附床壳体左侧管路上设置第一阀门(8.1)，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第二阀门(8.2)，在所述的第一吸附床室内部管路上设置吸附剂(8.7)；所述的第二吸附床(9)包括：第七阀门(9.1)、第八阀门(9.2)、第九阀门(9.3)、第十阀门(9.4)、第十一阀门(9.5)、第十二阀门(9.6)、吸附剂(9.7)，在所述的第二吸附床壳体内设置密闭第二吸附床室，在所述的第二吸附床室内设置管路，并贯穿第二吸附床室，在所述贯穿于第二吸附床室两外侧管路上分别连接三通管路，在所述第二吸附床(9)左侧三通管路的两个入口管路上分别设置第九阀门(9.3)和第十一阀门(9.5)，在所述第二吸附床(9)右侧三通管路的两个出口管路上分别设置第十阀门(9.4)和第十二阀门(9.6)，在所述的第二吸附床壳体两侧分别设置管路，同第二吸附床室相通，在所述的第二吸附床壳体左侧管路上设置第七阀门(9.1)，在所述的第一吸附床壳体右侧管路上设置第八阀门(9.2)，在所述的第二吸附床室内部管路上设置吸附剂(9.7)。
6.根据权利要求5所述的一种耦合吸附装置的多级喷射闪蒸海水淡化系统，其特征是，所述的吸附剂(8.7)和吸附剂(9.7)为硅胶。
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