Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Процесс опреснения воды
Water desalination process
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.
Multi stage flash distillation (MSF) is a water desalination process that distills sea water by flashing a portion of the water into steam in multiple stages of what are essentially countercurrent heat exchangers. Current MSF facilities may have as many as 30 stages. Multi stage flash distillation plants produce about 26% of all desalinated water in the world, but almost all of new desalination plants currently use reverse osmosis due to much lower energy consumption.
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.
The plant has a series of spaces called stages, each containing a heat exchanger and a condensate collector. The sequence has a cold end and a hot end while intermediate stages have intermediate temperatures. The stages have different pressures corresponding to the boiling points of water at the stage temperatures. After the hot end there is a container called the brine heater. When the plant is operating in steady state, feed water at the cold inlet temperature flows, or is pumped, through the heat exchangers in the stages and warms up. When it reaches the brine heater it already has nearly the maximum temperature. In the heater, an amount of additional heat is added. After the heater, the water flows through valves back into the stages that have ever lower pressure and temperature. As it flows back through the stages the water is now called brine, to distinguish it from the inlet water. In each stage, as the brine enters, its temperature is above the boiling point at the pressure of the stage, and a small fraction of the brine water boils ("flashes") to steam thereby reducing the temperature until an equilibrium is reached. The resulting steam is a little hotter than the feed water in the heat exchanger. The steam cools and condenses against the heat exchanger tubes, thereby heating the feed water as described earlier. The total evaporation in all the stages is up to approximately 85% of the water flowing through the system, depending on the range of temperatures used. With increasing temperature there are growing difficulties of scale formation and corrosion. 110 120 °C appears to be a maximum, although scale avoidance may require temperatures below 70 °C. The feed water carries away the latent heat of the condensed steam, maintaining the low temperature of the stage. The pressure in the chamber remains constant as equal amounts of steam is formed when new warm brine enters the stage and steam is removed as it condenses on the tubes of the heat exchanger. The equilibrium is stable, because if at some point more vapor forms, the pressure increases and that reduces evaporation and increases condensation. In the final stage the brine and the condensate has a temperature near the inlet temperature. Then the brine and condensate are pumped out from the low pressure in the stage to the ambient pressure. The brine and condensate still carry a small amount of heat that is lost from the system when they are discharged. The heat that was added in the heater makes up for this loss. The heat added in the brine heater usually comes in the form of hot steam from an industrial process co located with the desalination plant. The steam is allowed to condense against tubes carrying the brine (similar to the stages). The energy that makes possible the evaporation is all present in the brine as it leaves the heater. The reason for letting the evaporation happen in multiple stages rather than a single stage at the lowest pressure and temperature, is that in a single stage, the feed water would only warm to an intermediate temperature between the inlet temperature and the heater, while much of the steam would not condense and the stage would not maintain the lowest pressure and temperature. Such plants can operate at 23–27 kWh/m3 (appr. 90 MJ/m3) of distilled water. Because the colder salt water entering the process counterflows with the saline waste water/distilled water, relatively little heat energy leaves in the outflow—most of the heat is picked up by the colder saline water flowing toward the heater and the energy is recycled. In addition, MSF distillation plants, especially large ones, are often paired with power plants in a cogeneration configuration. Waste heat from the power plant is used to heat the seawater, providing cooling for the power plant at the same time. This reduces the energy needed by half to two thirds, which drastically alters the economics of the plant, since energy is by far the largest operating cost of MSF plants. Reverse osmosis, MSF distillation's main competitor, requires more pretreatment of the seawater and more maintenance, as well as energy in the form of work (electricity, mechanical power) as opposed to cheaper low grade waste heat.