Введение

Процесс опреснения воды

Многоступенчатая мгновенная дистилляция (MSF) — это процесс опреснения воды, при котором морская вода дистиллируется путем быстрого испарения части воды в пар на нескольких ступенях, представляющих собой, по сути, противоточные теплообменники. Современные установки MSF могут включать до 30 ступеней. Установки многоступенчатой мгновенной дистилляции производят около 26% всей опресненной воды в мире, однако почти все новые опреснительные установки в настоящее время используют обратный осмос из-за значительно более низкого энергопотребления.

Принцип

В установке имеется ряд секций, называемых ступенями, каждая из которых содержит теплообменник и конденсатосборник. Последовательность имеет холодный и горячий концы, а промежуточные ступени – промежуточные температуры. Давление на каждой ступени соответствует температуре кипения воды при данной температуре ступени. За горячим концом расположен резервуар, называемый нагревателем рассола. При работе установки в стационарном режиме, подпиточная вода с температурой холодного входа протекает или перекачивается через теплообменники на ступенях и нагревается. Достигнув нагревателя рассола, она почти достигает максимальной температуры. В нагревателе добавляется дополнительное количество тепла. После нагревателя вода через клапаны возвращается в ступени с последовательно снижающимся давлением и температурой. По мере возврата через ступени вода называется рассолом, чтобы отличать ее от подпиточной воды. На каждой ступени, при поступлении рассола, его температура превышает температуру кипения при давлении ступени, и небольшая часть рассола испаряется ("вспыхивает"), образуя пар, что снижает температуру до достижения равновесия. Образующийся пар немного горячее, чем подпиточная вода в теплообменнике. Пар охлаждается и конденсируется на трубах теплообменника, тем самым нагревая подпиточную воду, как описано выше. Общее испарение на всех ступенях составляет до 85% воды, протекающей через систему, в зависимости от диапазона используемых температур. С повышением температуры возрастают трудности образования накипи и коррозии. 110–120 °C представляется максимальной температурой, хотя для предотвращения образования накипи могут потребоваться температуры ниже 70 °C. Подпиточная вода уносит скрытую теплоту конденсации пара, поддерживая низкую температуру ступени. Давление в камере остается постоянным, поскольку при поступлении нового нагретого рассола образуется такое же количество пара, как и конденсируется на трубах теплообменника. Равновесие стабильно, поскольку при образовании большего количества пара давление возрастает, что снижает испарение и увеличивает конденсацию. На последней ступени температура рассола и конденсата приближается к температуре входа. Затем рассол и конденсат перекачиваются из низкого давления ступени до атмосферного давления. Рассол и конденсат все еще содержат некоторое количество тепла, которое теряется из системы при их сбросе. Тепло, добавленное в нагреватель, компенсирует эту потерю. Тепло, поступающее в нагреватель рассола, обычно представляет собой горячий пар от промышленного процесса, расположенного совместно с опреснительной установкой. Пар конденсируется на трубах, по которым движется рассол (аналогично ступеням). Вся энергия, необходимая для испарения, содержится в рассоле при его выходе из нагревателя. Причина использования многоступенчатого испарения, а не одноступенчатого при самом низком давлении и температуре, заключается в том, что в одноступенчатом процессе подпиточная вода нагреется лишь до промежуточной температуры между температурой входа и температурой нагревателя, в то время как большая часть пара не будет конденсироваться, и ступень не сможет поддерживать самое низкое давление и температуру. Такие установки могут работать при 23–27 кВтч/м3 (приблизительно 90 МДж/м3) дистиллированной воды. Поскольку более холодная соленая вода, поступающая в процесс, течет навстречу отработанному рассолу/дистиллированной воде, в оттоке теряется относительно мало тепловой энергии – большая часть тепла поглощается более холодной соленой водой, направляющейся к нагревателю, и энергия рециркулируется. Кроме того, установки MSF, особенно крупные, часто объединяются с электростанциями в когенерационной конфигурации. Отходящее тепло от электростанции используется для нагрева морской воды, одновременно обеспечивая охлаждение электростанции. Это снижает потребность в энергии на половину или две трети, что существенно меняет экономику установки, поскольку энергия является самой большой статьей операционных расходов установок MSF. Обратный осмос, основной конкурент дистилляции MSF, требует более тщательной предварительной обработки морской воды и большего обслуживания, а также энергии в виде работы (электричество, механическая мощность), в отличие от более дешевого вторичного тепла низкого качества.