《新型多级真空蒸馏海水淡化装置》（ISEF版）

新型多级真空蒸馏海水淡化装置

李星煜

北京市东城区培新街6号

北京汇文中学

高三年级

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摘 要

海水淡化是解决世界性淡水资源短缺问题的重要途径。为提高海水淡化效率、降低制造和运行成本，本研究对现有海水淡化装置进行改进，通过实现真空蒸馏、扩展蒸馏级数、引入余热回收系统和流量调节阀、稳定性验证实验，研制出了无喷淋装置、可回收淡水余热的新型多级真空蒸馏海水淡化装置。

本装置制造和运行成本低，排出的浓海水温度低、流量小、浓度可调节，并成功消除了补水中的过冷现象。通过安装捕沫网、实现自动控制、使用有保温层的不锈钢外壳及铜制冷凝管，本装置可直接应用于工业海水淡化，理论造水比可达26。本装置为制造大型高效海水淡化装置提供了新的理论支持和实践基础。

关键词：海水淡化，真空蒸馏，无喷淋装置，余热回收，造水比

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Abstract

Nowadays, more and more people are suffering from fresh water shortage. One of the most important approaches to resolving this worldwide problem is seawater desalination. In order to improve desalination efficiency and reduce manufacturing and operating costs, I made improvements of existing apparatus through choosing suitable condenser unit, enlarging stages, introducing the heat recovery system and volume controlling valves.

The non-spray desalination apparatus I developed with fresh water heat recovery system has advantages of low concentrated temperature, small volume of flow and adjustable concentration of seawater. It also successfully eliminated over-cold refreshment. With the installment of filter, realization of automatic controlling and the use of stainless steel, the advanced desalination apparatus of multistage vacuum distillation can be directly applied in industrial desalination and its theoretic water producing ratio can reach 26, which is a huge improvements to existing apparatus.

This research can provide new theoretic support and practical basis for manufacturing of large-scale, high-performance desalination apparatus.

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目 录

1.研究背景 ...................................................................................................................................... 4

1.1.淡水资源短缺现状及解决途径 ....................................................................................... 4 1.2.蒸馏法海水淡化技术 ....................................................................................................... 4

1.2.1.多级闪蒸（MSF）海水淡化装置 ........................................................................ 4 1.2.2.多效蒸馏（MED）海水淡化装置 .......................................................................... 5 1.2.3.多级闪蒸（MSF）与多效蒸馏（MED）海水淡化装置的缺陷 .......................... 5 1.3.研究目的及意义 ............................................................................................................... 6 2.研究过程 ...................................................................................................................................... 6

2.1.研究思路 ........................................................................................................................... 6 2.2.研究方法及器材 ............................................................................................................... 6

2.2.1.真空泵………………………………………………………………………………6 2.2.2.蒸馏和冷凝装置 ....................................................................................................... 7 2.2.3.实验用水……………………………………………………………………………7 2.2.4.其他材料……………………………………………………………………………7 2.3.二级蒸馏器实验 ............................................................................................................... 7 2.4.六级真空蒸馏装置实验 ................................................................................................... 8

2.4.1.六级真空蒸馏装置的工作原理 ............................................................................... 8 2.4.2.实验过程………………………………………………………………………….. 9 2.4.3.实验数据及分析 ....................................................................................................... 9 2.4.4.实验总结及下一步设想 ......................................................................................... 10 2.5.无喷淋装置、有淡水余热回收系统的六级真空蒸馏海水淡化装置 ..........................11

2.5.1.装置的组成和工作原理 ..........................................................................................11 2.5.2.实验过程…………………………………………………………………………..12 2.5.3.实验数据…………………………………………………………………………..12 2.6.高盐度海水淡化实验 ..................................................................................................... 13 2.7.探究可能影响实验的因素 ............................................................................................. 13

2.7.1.海水沸点的改变 ..................................................................................................... 13 2.7.2.玻璃仪器对温度测量的影响 ................................................................................. 14

3.实验结论与创新点 .................................................................................................................... 14

3.1.实验结论 ......................................................................................................................... 14 3.2.创新点 ............................................................................................................................. 14 4.讨论 ............................................................................................................................................ 15

4.1.本装置造水比的理论分析 ............................................................................................. 15 4.2.本装置能耗的计算、分析及比较 ................................................................................. 16 4.3.新型多级真空蒸馏海水淡化装置的成本分析 ............................................................. 17 4.4.本研究的应用前景 ......................................................................................................... 17 感谢 ................................................................................................................................................ 18 参考文献 ........................................................................................................................................ 19

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1. 研究背景

1.1. 淡水资源短缺现状及解决途径

淡水是人类赖以生存和发展的基本物质之一。虽然地球的总储水量十分丰富，但其中的97％为海水，而余下可供人类直接利用的淡水不足总储水量的0．3％[1]。据统计，全球80多个国家的约15亿人口面临淡水不足，其中26个国家的3亿人口完全生活在缺水状态。

解决淡水资源匮乏问题的重要途径之一是海水淡化，即海水脱盐产生淡水[2]。海水淡化的优点是：淡化装置的建设具有灵活性、产出水质优良且不受地理位置、环境状态、气候条件等因素影响。对海水和苦咸水进行淡化的方法有多种，如：蒸馏法、反渗透膜法、离子交换法、渗析法以及冷冻法等。其中应用最为广泛的是蒸馏法和反渗透膜法。

1.2. 蒸馏法海水淡化技术

蒸馏法是近年来应用最为广泛的海水淡化方法，其中最为常见的是多级闪蒸（Multi-Stage Flash）海水淡化技术[3]（占目前淡化水产量的36.5%）和多效蒸馏（Multi-Efficiency Desalination）海水淡化技术。

相较于反渗透膜法所需的高压装置和48%的原水利用效率[4]，蒸馏法具有高效、节能等优点，因此被广泛应用于工业海水淡化领域，如位于阿联酋、全球最大的Jebel Ali海水淡化工厂。

1.2.1. 多级闪蒸（MSF）海水淡化装置

图1 多级闪蒸（MSF）海水淡化装置原理图

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多级闪蒸（MSF）海水淡化装置是利用电厂、化工厂的余热连续不断地从海水中提取总固体物质含量很少的高品质淡水，工作原理如图1[5]。

闪蒸原理是将盐水加热到一定温度后引入压力低于其温度所对应饱和压力的容器（称为闪蒸室）内，由于盐水突然处于过热状态，瞬即发生闪急蒸馏（简称闪蒸）。闪蒸蒸发器由闪蒸室、除沫器、凝结器、淡水槽等构成。多级闪蒸就是在多个这样有序排列的容器内进行上述过程。

1.2.2. 多效蒸馏（MED）海水淡化装置

图2 多效蒸馏（MED）海水淡化装置原理图

多效蒸馏海水淡化装置是将水平管降膜蒸发器（或垂直管降膜蒸发器）串联起来，输入一定量的蒸汽，通过多次蒸发和冷凝，得到多倍于加热蒸汽量的淡水。整个装置需在真空条件下运行。

1.2.3. 多级闪蒸（MSF）与多效蒸馏（MED）海水淡化装置的缺陷

在上述两种海水淡化装置中，多级闪蒸海水淡化装置因循环水量大（每淡化1吨淡水需要6吨海水循环经过装置），需使用大功率的循环水泵，所以能耗高[5]。而多效蒸馏海水淡化装置则需要复杂且昂贵的喷淋装置[6]，其作用是在蒸发器中喷淋区域内均匀喷洒海水以使传热管表面润湿。若喷淋不均匀就会造成传热面局部干壁，易结垢，导致冷凝器过早损坏和传热效果恶化。此外，由于在多效蒸馏海水淡化装置中，海水是从最后一级流向第一级，所以浓海水排出的温度很高，能量未被充分利用。

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1.3. 研究目的及意义

为了研制出更加节能、高效的海水淡化装置，作者希望通过改变蒸馏器结构及连接方式，将以上两种装置的优点集中并摒弃其缺点。本研究的主要目的是取消喷淋装置；降低浓海水、淡水的排出温度；减少浓海水的排出量，从而提高装置的热效率和造水比，降低海水淡化装置的制造及运行成本。

本研究所得到的成果将有可能为制造大型、高效海水淡化装置提供新的理论支持和实验基础，为缓解世界水资源短缺问题提供新的思路。

2. 研究过程

2.1. 研究思路

首先通过查阅文献了解多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）海水淡化装置的工作原理及应用现状，通过比较其优势和劣势提出改进的设想。之后选择合适的蒸馏器、冷凝器和真空泵实现一级真空蒸馏，再将级数逐级扩展最终至六级真空蒸馏。然后对蒸馏器和冷凝器间各种连接及运行方法进行实验，记录数据并整理分析。最后引入余热回收系统和流量调节阀，并根据装置运行状况不断对其进行改进。

2.2. 研究方法及器材

2.2.1. 真空泵

图3 液体沸点与外界压强的关系

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多级闪蒸及多效蒸馏海水淡化装置都应用了海水在低压状态下沸点降低的原理，因此装置必须在真空中运行。

根据参考资料，要提高海水淡化装置的工作效率就必须尽可能降低海水的沸点。在多级蒸馏装置中，最后一级海水的沸点通常低至40℃[7]。根据图3中水的沸点与压强的关系曲线可知，最后一级真空度至少要低于13KPa。

作者首先尝试用500毫升的注射器制造抽真空装置，但并未得到理想真空度。经过查询，最终购买到一台适用于实验的FY－1C旋片式真空泵（功率150W，抽气速率3.6m3/h）。

2.2.2. 蒸馏和冷凝装置

为取消喷淋装置，作者设想将冷凝器直接浸没于蒸发器的海水中，将水蒸汽液化释放的凝结热作为下一级海水的热源。

蛇形蒸馏器是实验室中最常用的蒸馏装置。其内部的蛇形冷凝管可以扩大冷凝面积，提高传热效率，并满足作者对于冷凝器浸没于蒸发器的海水中的要求。

2.2.3. 实验用水

在实验前期使用人工配制的、盐度为5%的模拟海水进行实验；实验中后期采用取自天

津塘沽的海水进行实验。

2.2.4. 其他材料

测量温度用具包括温度计及红外测温仪。测量液体含盐量用具为手持式盐度计折光仪。使用302改性丙烯酸酯胶粘剂密封装置各接口；使用1Kw电磁炉作为蒸汽发生器；使用6×9硅胶导管、Y形及T型管接头连接；使用塑料食品袋密封夹及金属阀门控制各级开关。

2.3. 二级蒸馏器实验

根据参考文献可知，多级海水淡化装置都是由单级串联而成[8]。于是作者把两组蛇形冷凝器按图4串联起来，对其接口用粘接剂密封后进行抽真空实验，成功得到低于10KPa的真空度。

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图4 二级蒸馏器工作原理图

在工作时，蒸馏烧瓶1中的海水被酒精灯加热至沸腾，蒸汽经管路进入蛇形冷凝器的内管2。而蛇形冷凝器外腔3中装满室温（远低于蒸汽温度）的海水，因此，进入内管2的蒸汽遇冷凝结成蒸馏水流入淡水罐7中。

与此同时，蛇形冷凝器外腔3中的室温海水不断地吸收内管水蒸气的凝结热。由于外腔3、蛇形冷凝器内管4均与真空泵相连，具有良好真空度，因此，不断吸收蒸气凝结热的海水被逐渐加热直至沸腾，成为水蒸气，经管路进入第二级的蛇形冷凝器内管4。同理，流入蛇形冷凝器内管4中的蒸汽被第二级的蛇形冷凝器外腔5中的海水冷却而凝结成蒸馏水流入淡水罐8中。

冷却水罐6由连接管10和11与第二级蛇形冷凝器外腔5相连，组成循环冷却系统。冷却室5中的冷却水被加热后，比重较小的热水向上流动经连接管10 进入冷却罐6,而冷却罐中比重较小的冷水则经过连接管11进入冷却室5，从而形成冷却水的自动循环。

如此，酒精灯供给的热量产生了两次沸腾，即在理想真空度、保温情况下，本装置用一份热量制得两份蒸馏水。如果扩展至多级蒸馏，那么一份热量就可以产生多份蒸馏水，这就是多级蒸馏装置热效率高的原因。

2.4. 六级真空蒸馏装置实验

2.4.1. 六级真空蒸馏装置的工作原理

由于蒸馏器级数越多，装置的造水比越高，因此应尽可能扩展装置的蒸馏级数。但是，

当蒸馏级数达到限度时，本级蒸馏器中压强无法支持海水沸腾，装置将无法正常工作。通过查阅文献作者了解到，现有海水淡化装置大多将级数定为六级[9]。

综合以上考虑，根据上文蒸馏装置的基本原理，作者将七套定做的蛇形冷凝器依次串联起来，如图5。每级蒸馏器上都安装一支温度计4，用来测量本级的沸腾温度。

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图5 六级真空蒸馏装置工作原理图

图5中，蒸汽发生器1、蛇形冷凝器内管3和淡水罐2组成一组常压蒸馏器。蒸发器5、第二级蛇形冷凝器内管7和淡水罐6组成一组真空蒸馏器。由蒸发器（蛇形冷凝管外腔）、蛇形冷凝器内管和淡水罐组成的蒸发器8、9、10、11、12分别为第二、三、四、五、六级真空蒸馏装置。连接管13、15和冷却罐14组成第六级真空蒸馏器的循环冷却装置。K1至K6分别为本级真空蒸馏器补充海水开关；K1’至K6’分别为本级真空蒸馏器抽真空开关。K1’’至K6’’分别为本级真空蒸馏器抽淡水开关。

2.4.2. 实验过程

首先为各级蒸发器补充海水，然后开始抽真空。当各级真空度均达到要求后，打开蒸汽发生器以产生蒸汽。在实验过程中每隔一段时间需要依次为各级蒸馏器抽真空，以保持真空度。实验结束后依次将各级淡水罐中淡水分别抽出并测量。

2.4.3. 实验数据及分析

常压蒸馏器 第一级真空蒸馏器 第二级真空蒸馏器 第三级真空蒸馏器 第四级真空蒸馏器 第五级真空蒸馏器 第六级真空蒸馏器 沸腾时间 （min） 14 14.3 16.3 18.0 18.8 22.1 26.1 100 82 58 49 47 42 33 沸腾温度(℃) 与下级温产淡水量淡水盐差(℃) 18 24 9 2 5 7 \\ (mL) 1000 450 350 310 175 50 35 度（‰） 0 0 0.3 2 1 0.7 0.8 表1 六级真空蒸馏海水淡化装置实验数据

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i. 由于达到较为理想的真空度，几乎在常压蒸馏器沸腾的同时，第一级真空蒸馏器也沸腾，12分钟后第六级真空蒸馏器即沸腾。这说明本套实验装置传热性能和密封性良好。

ii. iii. iv. v. vi.

本套实验装置中，最高沸点为82℃，最低沸点仅为33℃，与参考文献中记载的先进真空蒸馏装置基本一致[10]，较常压蒸馏大大节省能源与时间。 各级沸腾温度逐渐降低，说明各级真空度不等，即气压逐级降低。

实验中各级间温差不均匀且无规律，可能是由于各级液面高度不一致造成了测量中的误差。

产淡水量的逐级减少是由于热量传递过程中的损失造成的。热量损失一方面是由于淡水带走了部分热量，另一方面是由于装置为玻璃材质，保温性能不理想。 实验中各级淡水盐度不等且均较高，作者认为这是由于蒸发室体积过小，暴沸的海水直接流入下一级冷凝管所致。

2.4.4. 实验总结及下一步设想

i. ii.

本次实验成功地证明了六级真空蒸馏海水淡化装置的可行性，为下一步的改进提供了有力的数据支持。

实验中暴露的补水次数过多、淡水盐度大的问题，说明蛇形冷凝器的体积，特别是海水界面以上的空间必须加大，以保证沸腾的海水不能通过蒸汽出口流入冷凝器中。

iii. iv.

本次模拟海水实验临时使用的开关为塑料材质夹子，在今后的实验中需要替换为金属阀门。

在实验中，作者观察到一个预期外的现象：前两级淡水罐中的淡水竟沸腾了。经过测量，其水温分别达到了80℃和60℃。这一处巨大的热量损失促使作者产生了回收淡水余热的想法，并将其设计到下一步实验中。

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2.5. 无喷淋装置、有淡水余热回收系统的六级真空蒸馏海水淡化装置

2.5.1. 装置的组成和工作原理

图6 无喷淋装置、有淡水余热回收系统的六级真空蒸馏海水淡化装置原理图 图6中，蒸汽发生器1、蛇形冷凝管3和淡水罐2组成一组常压蒸馏器。蒸发器4、第二级蛇形冷凝管6和淡水罐5组成第一级真空蒸馏器。由蒸发器、蛇形冷凝管和淡水罐组成的蒸发器7、8、9、10、11分别为第二、三、四、五、六级真空蒸馏装置。12是第六级真空蒸馏器的冷却器。13、14是两组淡水余热回收换热器。

K1至K6 分别为第一至六级真空蒸馏器的补水调节阀。K0为浓海水排出量的调节阀。K1’至K6 ’分别为第一至六级真空蒸馏器的抽淡水、抽真空调节阀。

其工作原理如下：

蒸汽发生器产生的蒸汽进入蛇形冷凝管3后被蒸发器4中的海水冷却后凝结为蒸馏水进入淡水罐2，同时蒸发器4中的海水吸收蒸汽的凝结热直至沸腾，产生的蒸汽流入蛇形冷凝管6，被第二级真空蒸馏装置7的蒸发器中的海水冷却后凝结，冷凝水流入谈水罐5中。第二、三、四、五级真空蒸馏装置的工作原理与此相同。第六级真空蒸馏装置产生的蒸汽被冷却器12中的海水冷却后凝结。

13是由常压蒸馏器产生的淡水余热回收的换热器，并与第二、三、四、五、六级真空蒸馏器产生淡水余热回收的换热器14连通。常温海水首先进入冷却器12以吸收第六级真空蒸馏装置的凝结热，再流经换热器14，被真空蒸馏产生的淡水（约60℃）继续加热，最后流经换热器13，被常压蒸馏产生的淡水（约98℃）进一步加热。

当第一级蒸发器需要补充海水时，打开调节阀K1， 换热器中被淡水余热加温的海水补

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入第一级蒸发器。当第二级蒸发器需要补充海水时，打开调节阀K2 ， 由于第一级蒸发器内压强P1 大于第二级蒸发器内压强P2， 使得第一级蒸发器中的海水流入第二级蒸发器。第三、四、五、六级蒸发器补水方法与此相同。当第六级蒸发器中的盐度达到较高的浓度时打开调节阀K0 ， 用抽浓海水的装置将浓海水抽出。在工作过程中适当调节各调节阀的开度以保证各级蒸发室内水位保持一致。

2.5.2. 实验过程

首先打开补水调节阀K1至K6，关闭K0及K1’至K6 ’。然后打开真空泵，打开K6 ’，待第六级蒸发器达到要求水位后，关闭K6。 接着打开K5’，使第五级蒸发器达到要求水位后关闭K5。按此方法依次为第四至第一级蒸发器补充海水。

当各级真空蒸馏器真空度均达到10kPa以下后，关闭各级抽真空开关。然后打开蒸汽发生器以产生蒸汽。

当第一级蒸发器需要补充海水时，打开调节阀K1， 换热器中被淡水余热加温的海水补入第一级蒸发器。当第二级蒸发器需要补充海水时，打开调节阀K2 ， 由于第一级蒸发器内压强P1 大于第二级蒸发器内压强P2， 使得第一级蒸发器中的海水流入第二级蒸发器。第三、四、五、六级蒸发器补水方法与此相同。当第六级蒸发器中的盐度达到较高的浓度时打开调节阀K0 ， 使用抽浓海水装置将浓海水抽出。

在整套装置的工作过程中，需适当调节各调节阀的开度以保证各级蒸发室内水位保持一致，且每隔一段时间依次打开K6 ’至K1’将淡水罐中的淡水和不凝结蒸气抽走以保证蒸发器中的真空度。

2.5.3. 实验数据

i. ii. iii. iv. 级数 温 度（℃） v. vi.

第一级 82.2±1.0 第二级 73.3±0.9 8.4 第三级 65.2±1.1 8.5 第四级 58.0±1.2 7.2 第五级 51.4±3.1 6.6 第六级 43.5±3.2 7.9 常压蒸馏产淡水量：1000mL 真空蒸馏产淡水总量：2250mL

所得淡水含盐量：0.430‰（430mg/L）[11] 各级真空蒸发器沸腾温度及温差

与上级温差（℃） 常压蒸馏输出淡水温度：42℃ 真空蒸馏输出淡水温度：38℃

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vii. viii. ix.

浓海水排出温度：44℃ 冷却器排水温度：35.9℃

常压蒸馏器产出淡水的换热器中海水温度：88.8℃

2.6. 高盐度海水淡化实验

为探究本装置的最高工作盐度，确定浓海水的排出浓度，最大限度地减少排出海水的质

量， 作者特别配制浓度为11％的盐水（即将普通海水浓缩4倍），以此检验本套海水淡化装置工作的稳定性，收集实验数据如下： i. ii. iii. iv. 级数 温 度（℃） v. vi. vii. viii.

第一级 85.1±1.0

第二级 75.3±1.6 9.8

第三级 66.0±1.8 9.7

第四级 57.8±1.9 8.2

第五级 51.3±2.9 6.5

第六级 42.7±2.4 8.6

常压蒸馏产淡水量：1300mL 真空蒸馏产淡水总量：2325mL 所得淡水含盐量：0.648‰(648mg/L) [11] 各级真空蒸发器沸腾温度及温差

与上级温差（℃）

常压蒸馏输出淡水温度：43℃ 真空蒸馏输出淡水温度：42℃ 冷却器内海水温度：40℃ 浓海水排出温度：43℃

在高盐度海水淡化实验中，除第一级沸点略有升高之外，其它各级沸点无明显变化。实验测得，本装置中浓海水最高排出浓度为16％。实验过程中未出现结晶现象。

2.7. 探究可能影响实验的因素

2.7.1. 海水沸点的改变

蒸馏器级数 真空度（Mpa） 压强（kPa） 海水沸点（℃） 一 -0.0444 66.9 79．2 二 -0.0642 37.1 71.6 三 -0.0728 28.5 64.0 四 -0.0782 23.1 57.0 五 -0.0798 21.5 51.6 六 -0.0892 12.1 42.0 表2 容器内压强与海水沸点的关系

将表2与图3比较可知，实验中实测海水沸点与同压强下淡水沸点并无显著差异。此

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外，据参考文献记载，海水盐度每升高10‰，则其沸点温度将升高0.16℃。由于本装置在正常工作中每级海水浓度变化不超过30‰，因此可知，海水沸点随其浓度的改变对装置运行无不良影响。

2.7.2. 玻璃仪器对温度测量的影响

为了解玻璃仪器对实验中温度测量的影响，作者在实验不同时段使装置停止工作，测得装置内液体实时温度并将其与使用红外测温仪从仪器外侧所测得温度比较。多次重复后发现二者差值均小于0.5℃。这证明应用红外测温仪所测得温度与装置内液体温度几乎无差别。

3. 实验结论与创新点

3.1. 实验结论

i.

本装置两次海水淡化所得淡水含盐量平均为0.539‰（539mg/L），符合国家饮用水水质中含盐量的标准。根据参考文献，本装置只需增加一级捕沫网就可以过滤掉90％以上的海水水滴[12]，达到0.04‰（即40mg/L）的含盐量。若增加两级捕沫网便可达到0.005‰（即5 mg/L）， 与目前先进海水淡化装置水平相当[13]。 ii. iii. iv.

本装置浓海水和淡水的排出温度都在40℃左右，与国际先进水平相当。

本装置最高浓海水排出浓度高达16％（普通海水浓缩4倍），即相当于可以利用4吨海水淡化出3吨的淡水，只排出约1吨浓海水，优于现有海水淡化装置。 本装置的淡水余热回收系统使进入第一级蒸发器的海水拥有90℃的初温，与第一级的沸腾温度接近。本装置利用淡水余热消除了补水中的过冷现象，优于国内现有装置。

3.2. 创新点

i.

本装置对蒸馏器的结构及连接方式进行创新。前一级的冷凝器浸没于后一级蒸发器的海水中，前一级蒸发器经过流量调节阀与下一级的蒸发器相连，最后一级蒸发器通过流量调节阀排出浓海水。本装置中的海水是从第一级流向最后一级,温度逐级降低，最后一级排出的浓海水温度低（约40℃），排出的浓海水的水量小、浓度可调节。因此，浓海水带走的热量小，热效率大大提高。

ii. iii.

本装置创新地引入淡水余热回收系统，海水进入第一级前被淡水加热，因此消除了第一级补水中的过冷现象，使整个海水淡化装置的热效率进一步提高。

本装置既无需多效蒸馏装置中复杂的喷淋装置，也无需多级闪蒸中大功率的循环水

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泵，因此制造成本低廉、节能高效。

iv.

本装置无需循环水泵，供海水、抽淡水、抽真空只用一台真空泵，因此电消耗极低，更适合用于太阳能海水淡化装置。

4. 讨论

i. ii.

由于本装置只是一个实验装置，全部操作过程均由人工完成。在今后投入工业生产时，海水淡化过程中的供水、抽气、抽水过程控制必须实现自动控制。

本装置全部采用玻璃制造，其传热性能与不锈钢和铜材相差甚远，这导致了本装置产水比的降低。因此，真正投入工业生产时必须使用传热性较好的材料制造冷凝管，使用不锈钢制造外壳并涂防腐涂层。

iii.

本装置没有安装捕沫网，因此淡化出来的淡水盐度约为0.5‰。在今后工业生产中需在每一级的蒸发器顶部至少安装一级捕沫网（见图7）。

图7 补沫网的安装示意图

iv.

国内先进装置的热源通常使用180℃甚至高达320℃的高温高压电厂余热，其加热温度远高于本装置的热源，这使得本装置造水比低于国内先进装置。当投入工业生产得到同样高温热源时，本装置将有可能较国内现有装置具有优势。

4.1. 本装置造水比的理论分析

若整个装置的外壳和管路保温情况理想，在无热量损失、海水初温为25℃的情况下，根据实验所得的数据，本装置可将普通海水浓缩4倍，即4吨海水制得3吨淡水，排出1吨浓度为13.6％浓海水。根据实验中收集到的数据，排出淡水和浓海水的温度均约为40℃。

若每输入1吨/h蒸汽可以产淡水量为X吨/h，则排出的浓海水为1/3X吨/h，流进海水淡化装置的25℃海水总量为（X＋1/3X）吨/h。

根据能量守恒定律，装置稳定运行时，输入的热量与排出的热量相等，水蒸汽的汽化

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潜热2256kJ/kg，水的比热容为4.2 kJ/kg，即：

1×1000 kg×2256 kJ/kg =（X＋1／3X）×1000 kg×（40－25）×4.2 kJ/kg

计算得出：X≈26吨，即在每小时输入1吨蒸汽时，本装置可制得26吨淡水，造水比为26。

4.2. 本装置能耗的计算、分析及比较

i. ii.

常压海水蒸馏时，1KWh（即1度电）可制得淡水1.5kg。则产生1吨淡水消耗电能为：1000/1.5=667 KWh

本套多级真空蒸馏海水淡化实验装置，实测造水比为2.3。则消耗1KWh电能可以制得淡水：

1.5kg×2.3=3.45kg

而1吨淡水需要加热沸腾的能耗为：1000/3.4=294KWh

真空泵消耗的电量为：0.15/3×294=14.74KWh

综上，本套多级真空蒸馏实验装置产生1吨淡水实际消耗的电能为：

294+14.7=308.74 KWh

iii. 按照理论造水比26计算，每输入1吨蒸汽，多级真空蒸馏海水淡化装置共产生26

吨淡水，真空泵消耗的电能为

0.15/3×667=33.3 KWh

通过以上计算可知，采用本套新型多级真空蒸馏海水淡化装置，只需增加33.3度电就可增产淡水26吨，相当于单位电能消耗为1.3 KWh/t。

如图8中，从左至右依次为本装置、多级闪蒸（MSF）、压汽蒸馏（ME-TVC）和反渗透膜（RO）海水淡化装置单位电能消耗的比较。通过比较可知，新型多级真空蒸馏海水淡化装置的单位电能消耗低于现有海水淡化装置。

图8 多种海水淡化装置单位电能消耗的比较

16

iv. 根据公式求得蒸汽耗电量eecr=1000×（100-25）×2256/（100×3600×26.8）

=17.5KWh/t。

4.3. 新型多级真空蒸馏海水淡化装置的成本分析

i. ii. iii. iv. v. vi.

蒸汽成本：17.5 KWh/t×0.2元/ KWh=3.5元/t 电能成本：1.3 KWh/t×0.2元/ KWh=0.26元/t

人工及管理成本：根据查阅文献和赴天津北疆发电厂实地考察约为0.5元/t 阻垢剂成本：赴天津北疆发电厂实地考察约为1.0元/t

设备成本：根据查阅文献和赴天津北疆发电厂实地考察约为1.5元/t 总成本：3.5元/t+0.26元/t+0.5元/t+1.0元/t +1.5元/t=6.76元/t

4.4. 本研究的应用前景

以上实验及数据分析有力地证明了本研究所得成果具有很好的应用前景，将有可能为大型、高效的海水淡化装置提供理新的理论支持和实践基础，为解决世界性的淡水资源短缺问题做出贡献。

17

感谢

感谢我的指导教师关键老师，他的言传身教将使我终身受益。感谢许勇进老师给予我的悉心指导。

感谢北京玻璃仪器总厂销售公司的任师傅。由于本课题研究中没有任何可以直接使用的器材，因此任师傅只能按照我的设想和口述制造出我所需要的器材，将我的设想变为可能。

感谢我的父母。他们全力支持我的研究并为我提供了约一万元的研制费用。

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参考文献

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National Geographic Special Edition, November 1993

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8op3.html