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不同海域的海水含盐量虽然不同，但各主要盐类所占的比例却基本不变。

当海水含盐量为各海域平均值时，各种盐类的含量可如表12－1所示。

其中以氯盐含量最多，氯离子约占55％。

海水中各种盐类的含量表12－1

盐类

NaCl

MgCl2

MgSO4

CaSO4

K2CO3

CaCO3

MgBr2

总计

每千克海水中的含盐克数g/kg

27．7

3．8

1．7

1．2

0．9

0．1

0.1

35

占总含盐量的比例％

77．7

10．9

4．8

3．4

2．6

0．3

100

和淡水一样，在海水中也会溶解一些气体。

其中以二氧化碳（CO2）为最多，其次是氧（O2）和氮（N2），并随水温的高低而变化。

CO2在海水中除少量呈游离状态外，其余则以碳酸根及碳酸氢根的离子形式存在，并与海水的pH值有着密切的关系。

海水的pH值一般约在7.5～8.4之间。

二氧化碳含量较高的海水中，pH值较低。

此外，在海水中还含有不同数量的有机和无机悬浮物，在港口附近，还可能含有病菌。

海水中所含的盐类、气体和杂质以及海水的pH值，对海水淡化的预外理方法以及淡化过程中的结垢和腐蚀等都有很大的关系。

海水淡化的目的，就在于去除各种盐类和有害杂质。

目前，海水淡化的主要方法有蒸馏法、电渗析法、反渗透法和冷冻法等。

现分别介绍如下。

1.蒸馏法

蒸馏法是最早应用的海水淡化方法。

它根据溶液（盐水）生成蒸汽时，汽中重组分（盐）含量很低的原理，将海水加热蒸发成蒸汽（称为二次蒸汽），再将蒸汽引入冷凝器中冷凝，以获得淡水（蒸馏水）。

用蒸馏法淡化海水必然伴随相态变化，而水的汽化潜热较大，所以耗能较多，而且处理热海水还须注意防止装置内部的结垢和腐蚀，是其缺点。

但蒸馏法可直接利用热水或废汽等加热，便于废热利用；

同时所产淡水的纯度较高，一次脱盐即可获得含盐量为5～10mg/1甚至低于1mg/1的淡水，从而满足各种用途的水质要求；

此外，蒸馏装置工作稳定，适用于各种规模的生产；

因此到止前为止仍是船舶主要应用的海水淡化方法。

2.电渗析法

电渗析法是使海水中的阴、阳离子在外加直流电场的作用下，作定向迁移，通过相间排列的有选择性的阴、阳离子渗透膜（或称离子交换膜），使一部分海水中的离子转移到另一部分海水中去，从而实现海水淡化。

电渗析法淡化海水的关键元件是渗透膜，它分为阴膜和阳膜。

阴膜只允许阴离子透过，而阳膜则仅允许阳离子透过，如示意图12－1所示，若将阴膜与阳膜交替排列，并在两端装设惰性电极，即可组成若干个相互独立的隔室（两端是极室，中间是淡室和浓室）。

这样，当海水流经各室时，由于直流电场的作用，淡室海水中的阴、阳离子，就会分别向阳、阴两极迁移，于是，阴离子就会透过阴膜而被阳膜阻留在浓室中，而阳离子则透过阳膜并被阴膜阻留在浓室中。

这样，流经淡室的海水也就因离子浓度的逐渐降低而淡化。

图12－1电渗析海水淡化示意图

A—阴离子交换膜；

B—阳离子交换膜

电渗析技术，自1954年在工业上获得实际应用以后，一直处于稳定的发展之中，主要用于苦咸水的淡化、纯水制备和工业废水的处理等方面，现在又已成功地用于海水淡化。

我国于1981年在西沙首先建成了当时世界最大的日产200t淡水的电渗析海水淡化站，它将含盐量为35000mg/1的海水脱盐至500mg/1，完全符合饮用水的卫生标准。

电渗析法因不需要液体发生相变，所以耗能比蒸馏法少，但却必须耗用电能，且耗电量随原水浓度的增加而增多。

在常温下，电渗析淡化海水的电耗约为15～25kW•h/m3，淡水的含盐量约为500mg/1。

如欲进一步提高水质，不仅设备复杂，而且耗电量也将增加，因此对有大量废热可兹利用的船舶来说，其经济性反而不如蒸馏法。

此外，为了防止结垢和膜的污染与老化，还必须对海水进行预处理，并定期进行酸洗和倒换电极，操作管理也较复杂。

因此，电渗析淡化装置，目前只在那些无适当热源的船舶上有所采用。

3、反渗透法

反渗透法是将海水加压到水的渗透压以上，以使其通过半渗透膜，利用反渗透原理使海水中的溶剂（淡水）反渗透出来，从而使海水淡化的一种方法。

图12－2即为渗透和反渗透示意图。

后者是前者的逆过程。

当淡水和海水（或其它两种不同浓度的溶液）被半透膜隔开时,稀溶液中的溶剂,就会通过半透膜自发地向能溶液一侧扩散见图（a），这种现象即称之为渗透。

由于渗透的结果，浓溶液一侧的液面就会逐渐升高，直到因此所产生的静压差达到一个定值π＝ρgh时，扩散即行停止，渗透也就达到了静态平衡，见图（b），这个静压差值π，就称作渗透压。

渗透压的大小与溶液的绝对温度成正比，并与浓度近似的成正比。

然而，如果在浓溶液的一侧加压，并使其超过渗透压力，就可迫使渗透逆转，亦即使浓溶液中的溶剂反而向稀溶液中渗透，从而实现所谓的反渗透过程，见图（c）。

反渗透淡化装置就是利用这一原理设计而成的。

（a）（b）（c）

图12－2渗透和反渗透示意图

（a）渗透开始；

（b）渗透平衡；

（c）反渗透

反渗透法是二十世纪60年代迅速发展起来的一项新型的膜分离技术。

其特点是液体在工作过程中无相态变化，耗能较少，对设备的腐蚀及结垢较轻，能分离机械杂质，设备简单，易于操作，适用于海水和苦咸水的淡化，而且成本较低，故在无废热可用的场合已开始与蒸馏法竞争，并在船上开始应用。

但这种方法操作压力高，寿命受半透膜的限制，是其缺点。

4.冷却法

冷却法是根据一定浓度范围的盐溶液，在其降至冰点时，就会析出水冰冰晶来实现海水淡化的。

因此，只要取出冰晶，用淡水洗去晶体表面及其间隙之间的残留海水，然后将其融化，则即可获得淡水。

由于冰的融化热较小，约为水的汽化潜热的1/7，所以冷冻法的能耗比蒸馏法低。

且因操作温度低，结垢和腐蚀亦轻。

然而，冷冻法操作技术要求较高，冰晶的洗涤也较困难，且需消耗部分淡水，所以在工业上目前还处于中间实验阶段，尚未能获得大规模地应用。

第二节船用海水淡化装置的主要类型和工作原理

海水淡化装置的类型很多，目前在船上应用最为普遍的还属蒸馏式海水淡化装置。

蒸馏式淡化装置的工作是建立在水的蒸发和蒸汽冷凝的理论之上的，故其主要的设备就是各种热交换器。

随着具体换热过程的不同，各种蒸馏式淡化装置的工作也就有所差异，并可按海水汽化方式的不同而分为沸腾式和闪发式两种。

一、真空沸腾式海水淡化装置

沸腾式海水淡化装置主要由蒸发器和冷凝器组成，其中海水的加热和沸腾汽化都在蒸发器内进行，而二次蒸汽的凝结则在冷凝器内完成。

根据蒸发器和冷器内工作压力的不同，沸腾式淡化装置又可分为压力式和真空式两种。

目前，船上一般都采用真空式淡化装置。

采用真空式装置的原因主要有二：

一是为了能够使用低温工质作为热源，以利用船舶动力装置的废热（例如当真空度为93％时，对应的海水沸点仅为38.66℃，因此利用温度为60～65℃的柴油机缸套冷却水，即可作为加热工质），从而提高整个动力装置的经济性；

目前船用蒸馏式海水淡化装置真空度皆大于80％，沸点不高于60℃。

二是保持较低的工作温度还将大大减轻蒸发器换热面上的结垢。

图12－3示出带竖管蒸发器的真空沸腾式海水淡水装置原理图。

蒸馏器1的下部是竖管式蒸发器，加热工质（热水或蒸汽）供入竖管式蒸发器，热的工质在竖管外流过，管内的海水被加热后沸腾汽化。

海水汽化产生的蒸汽流经蒸馏器中部的汽水分离器，除去所携带的大部分水滴后被引入蒸馏器顶部的冷凝器。

冷凝器中的横管中有冷却海水流动，管外的二次蒸汽被冷凝成淡水落入冷凝器底部，然后由凝水泵4抽送至淡水舱（柜）。

图12－3真空沸腾式海水淡化装置原理图

1－蒸馏器；

2－造水机海水泵；

3－给水调节阀；

4－凝水泵；

5－排盐泵；

6－真空泵

蒸发器中的海水由于不断蒸发而浓缩，其含盐量势必增高，称为盐水。

为了控制盐水的浓度，以免影响二次蒸汽的质量，就需由排盐泵5将盐水不断地排出舷外（称为排盐），并由海水泵2向蒸发器内连续地补给海水。

至于蒸发器和冷凝器内所需的真空，则由射水抽气式真空泵6建立和保持。

这种蒸发和冷凝在一种压力下进行的简单系统，即称为单效（或单级）淡化装置。

目前，船上采用的蒸馏式淡化装置，大多是既可用热水又可用蒸汽来作为加热工质。

通常，在柴油机船上，一般都使用主机缸套水作为热源，只有那些淡水耗量很大的客船或渔业加工船等，因动力装置的废热不敷需要，才使用低压蒸汽。

至于汽轮机船，则一般都采用主机或辅机使用过的蒸汽来作为热源。

在以蒸汽作为热源的沸腾式淡化装置中，为了节省蒸汽，提高装置的产水比——淡水产量与加热蒸汽量之比，就需采用多效蒸发，即将两个以上的单效装置串联起来，并以前一效产生的二次蒸汽作为后一效的加热蒸汽。

显然，要保证适当的传热温差，后一效蒸发器工作压力就必须比前一效低。

经验表明，多效蒸发的产水比约为（0.8～0.85）N，其中N为效数。

增加效数虽然可以提高装置的经济性，但船用的很少超过2—3级，大多都为单级，这是因为装置末级的真空度受冷却水温和真空泵性能的限制（一般不高于93％），而为了防止蒸发表面的结垢，第一效的蒸发温度又不宜过高；

此外在可用的总温降范围内，过分增加效数还会使传热温差减少，导致装置过于庞大和复杂的缘故。

二、真空闪发式海水淡化装置

闪发工淡化装置是将压力大于蒸发器（闪发室）内压力的海水，预先加热至高于蒸发器内压力所对应的饱和温度，然后将其引入蒸发器，以使部分海水因过热而骤然蒸发成汽，故称闪发式。

图12－4即表示真空闪发式海水淡化装置的原理图。

海水在加热器5中被加热一定温度，然后经喷雾器6减压喷洒于蒸发器1中，由于器内压力低于海水温度对应的饱和压力，所以一经喷入就处于过热状态，因此，其中的部分海水就会骤然汽化。

闪发生成的二次蒸汽，经汽水分离器进入冷凝器3，被来自海水泵9的舷外海水冷却凝结而成为淡水，再由凝水泵8送往淡水舱。

蒸发器内未被汽化的盐水，由盐水循环泵4抽出，其中一部分与新加入的给水一起重返加热器，而另一部分则作为排盐经调节阀10向舷外排出。

装置中因蒸发和排盐所减少的水量，由冷凝器排出的冷却水通过给水调节阀11来补充。

闪发所需的真空度，则由真空泵7建立与保持。

图12－4真空闪发式海水淡化装置原理图

1－蒸发器；

2－汽水分离器；

3－冷凝器；

4－盐水循环泵；

5－加热器；

6－喷雾器；

7－真空泵；

8－凝水泵；

9－海水泵；

10－排盐调节阀；

11－给水调节阀

这种装置因海水的加热温度不高，在加热器中并不沸腾汽化，而蒸发器中又没有换热表面，因而可使结垢情况大为改善。

然而，海水闪发成汽时所需的汽化潜热，完全取自未被汽化的海水降温至饱和温度时所放出的显热，因此，这种装置的海水循环量很大，这就使加热面积和泵的流量都必须相应加大，故在产量相同的情况下，闪发式装置的造价也就要比沸腾式约高35～50％。

此外，排盐量大，热损失增加，效率亦将随之降低。

为了提高经济性，增大产水比，闪发式装置也可采用多级的型式，即将若干个压力依次降低的蒸发器加以串联。

这样，在上一级中没有汽化的海水，就可在下一级内继续闪发汽化，这时，从冷凝器流出的冷却水，也就全部作为给水供入加热器，并在加热后依次进入各级蒸发器闪发，而盐水则在最末级由排盐泵排出。

显然，多级闪发式装置因从二次蒸汽中回收了更多的热量，故能减少耗热。

理论上，在淡水产量相同的情况下，N级装置的耗热量将只为单级的1/N。

但是，与多效沸腾式一样，级数也不能太多，船舶装置一般不超过二级，间或也有4至5级者。

与多效沸腾式淡水装置相比，多级闪发式结构紧凑，不易结垢，加热温度可以提高，有利于增加产水比，所以在需水量较多，并以蒸汽作为热源的船舶上，应用较为广泛。

第三节影响海水蒸馏装置工作的主要因素

首先，建立和保持一个合适的真空度，是装置正常工作的前提；

其次，为了保证所造淡水的质量和产量，必须分析相关的影响因素；

同时在生产过程中还要注意防止加热面上结垢。

一、装置真空度的建立和保持

前已述及，为使蒸馏式淡化装置能够利用废热，同时减少装置内部的结垢和保证淡水的产量，必须在装置中建立并保持适当的真空度。

为此，一般船用装置大都将真空度维持在90～94％（91.7～95.7kPa）之间（对应的饱和温度为45～35℃）。

也有海水淡化装置将真空度设计为80～90％（81.4～91.7kPa），相应蒸发温度为60～45℃。

如果真空度太低，对应的蒸发温度就高，要用温度仅为60～65℃的主机缸套水将海水加热到沸腾或过热，就会产生困难，以致使造水量大大减少，甚至停产。

而真空度太高，则又会导致沸腾或闪发剧烈，使二次蒸汽的携水量增加，从而影响淡化质量。

所以保持蒸发器和冷凝器中适当的真空度，乃是保证真空蒸馏式淡化装置正常工作的基本条件。

怎样才能在装置中建立并保持必要的真空度呢？

首先，必须在装置起动之初，即用射水真空泵将装置中的空气排除，以建立起装置工作所需要的真空度（93％左右），此后，当加热器投入工作并产生二次蒸汽时，就需使冷凝器投入工作，以使所产生的二次蒸汽及时冷凝，然后再用淡水泵不断抽出。

这样，在蒸发量和冷凝量相平衡的稳定工作条件下，在装置的内部即可保持一个稳定的低压。

因为海水中溶有不凝性气体，当海水蒸发时会释放出来；

同时装置的不严密处也会漏入空气，故真空泵只有不停的工作才能维持已经建立的真空度。

图12－5表示壳管式冷凝器的简图。

由图可见，冷凝器的冷却管束由隔板3分为主冷却管束1和空气冷却器2两部分。

当蒸汽流过主冷却管束时，其中的绝大部分就会凝结成水，并流至下部集水箱4中。

而空气与少量尚未凝结的蒸汽，则因真空泵的抽吸而绕过隔板，进入空气冷却器进一步冷却，以使一方面使剩余的蒸汽尽量冷凝，另一方面，又可使空气因进一步冷却而容积减小，以利于增加真空泵的质量流量。

图12－5壳管式冷凝器简图

1－主冷却管束；

2－空气冷却器；

3－隔板；

4－积水箱

根据以上分析可知，使蒸馏器内保持合适真空度的条件是：

（1）维持与蒸发量相适应的冷凝能力。

如果冷凝器的换热能力下降（冷却水温度升高或流量不足、冷却水侧“气塞”、冷凝器换热面脏污、或凝水水位过高使冷凝换热面积减小等），则会使真空度下降；

此外，如果加热介质流量过大或温度过高导致蒸发量过大，也会使真空度降低。

在各种影响因素中通常最主要的是冷却海水温度的变化。

（2）真空泵应具有足够的抽气能力。

水射真空泵的工作水压过低或工作水温过高、排除背压过高（＞8mH2O）、喷嘴磨损、堵塞、安装不当、吸入止回阀卡死等都会使真空泵的抽气能力下降。

（3）蒸馏装置要保持良好的气密性。

如果蒸馏装置的密封性不佳，也会因外界的空气漏入过多而无法建立起足够的真空度，从而影响产水量，甚至使装置完全不能工作。

二、影响装置淡化质量的因素

如前所述，盐水生成的蒸汽中含盐量是很低的，因此所造淡水按理应该是非常纯净的。

然而实际上，船用蒸馏装置所产的淡水却往往含有一定的盐分，有时甚至还会因含盐量过多而使水质不能符合要求。

作为轮机管理人员，必须首先弄清影响淡化质量各种因素，然后才能正确的进行维护管理。

海水在剧烈沸腾时，会产生许多细小水珠被蒸汽携带进入汽空间。

虽然因水的密度比蒸汽大，部分较大的水珠会重新落回到盐水中，但比较细小的水珠却会被带到冷凝器中，使凝结的淡水含有盐分。

可见，装置所产淡水的含量S，完全取决于汽流携入冷凝器中的水珠量和水珠的含盐量，亦即取决于进入冷凝器的二次蒸汽的湿度ω和蒸发器内盐水的含盐量SB，即

S＝ωSBmg/l（12－1）

从管理角度来讲，淡水含盐量过高的主要原因是：

（1）装置的负荷（蒸发量）过大，沸腾过于剧烈，导致二次蒸汽湿度过高。

可能原因是加热介质流量过大或温度过高，真空度过高。

应采取的措施是减小冷却水流量或稍开真空破坏阀。

（2）蒸发器水位太高。

对竖管式蒸发器而言，蒸发器内水位以达到上管板为宜。

如设有水位计，则水位指示应在半高处。

水位过高应减小给水量。

（3）盐水含盐量太大。

盐水的浓度是靠调节给水倍率μ――给水量与产水量之比来控制的，给水倍率μ大，盐水浓度就低，这不仅有利于保证淡化质量，而且有助于防止生成硬垢。

但是，过分增加给水倍率μ，不仅会使装置的耗电量和耗热量增加，而且还可能使总的结垢量增加。

因此，一般认为，船用真空沸腾式淡化装置最适宜的给水倍率为3～4，最合适的盐水浓度为海水的1.5～1.3倍。

所以应保证足够的排盐量，维持合适的给水倍率。

（4）冷凝器漏泄，使冷却海水漏入凝水侧。

在日常管理中，应注意做好冷凝器防漏、检漏和灭漏工作。

三、影响淡水产量的因素

蒸馏式海水淡化装置产水量的多少，实际就是蒸发量的多少，其主要取决于加热水向海水传热量的多少。

根据传热学原理，传热量与蒸发器的传热系数、换热面积、加热水的平均温度和海水的沸点及给水温度有关。

从管理角度看，造成淡水产量低的原因有：

（1）换热面脏污结垢，使蒸发器的传热系数减小。

应及时进行清洗。

（2）加热侧发生“气塞”，里面的气体会影响加热介质流动而妨碍换热。

可通过放气旋塞把气放掉。

（3）蒸发器水位太低，使加热水与被加热海水间的实际换热面积减少。

蒸发器内最适当的水位是正好到达上管板的位置。

（4）真空度不足，这会导致海水的沸点提高。

（5）加热水流量不足或温度太低，以致加热水平均温度降低。

应适时增大加热水的流量。

（6）给水量（给水倍率）增大或给水温度降低，更多的热量被预热消耗或被盐水带走，使蒸发量降低。

（7）凝水回流电磁阀关闭不严，使一部分淡水漏回蒸馏器。

造水机能否造出淡水，以及产水量多少，对其影响最大的是能否建立和保持合适的真空度；

而造水机工作日久后产水量逐渐减少，主要原因往往是加热面脏污和结垢。

四、影响加热面上结垢的因素

加热面上结垢是蒸馏式海水淡化装置实用中的重要问题。

因为水垢的导热系数远比金属要小，若加热面结垢增多，传热能力下降，造水量就会减少，严重时要停产清洗。

蒸馏装置中水垢的主要成分是CaCO3、Mg（OH）2和CaSO4。

它们在海水中的溶解度都很低，而且随着温度的升高而降低。

所以在海水侧的加热面上，上述成分很容易析出结垢。

水垢中含有CaSO4成分非常有害，它将形成难以消除的硬垢，且导热能力要比不含该成分的水垢降低90％。

Mg（OH）2结垢尤其是干垢也难以清除。

所以应该控制这两种成分的结垢。

蒸馏装置加热面水垢生成的速度和成分取决于以下几个方面：

（1）海水被加热的温度对结垢的影响

蒸馏装置的工作压力越高，即海水的蒸发温度越高，海水中结垢盐类的溶解度都将降低，加热面上水垢的增长速度就越快。

海水加热温度的高低不仅影响水垢的数量，同时也决定着水垢的成分。

图12－6水垢成分与加热温度和传热温差的关系

如图所示，当水温不太高时，水垢的主要成分是CaCO3，Mg（OH）2主要呈泥渣沉淀。

在温度超过75℃时，Mg（OH）2水垢的比例迅速增加；

在温度超过82～83℃时，Mg（OH）2很快就会形成硬垢，并会取代CaCO3而成为水垢中的主要成分。

因此，在真空式淡化装置中，如不添加防垢剂，则给水的加热温度一般就不应超过75℃。

（2）盐水浓度对结垢的影响

在同样的工作压力和传热温差下，盐水的浓度越大，难溶盐含量超过溶解度就越多，生成的水垢也就越多。

当给水倍率较小时，盐水浓度较大，流经加热器的时间也长，盐类也就更易于在加热面形成结垢。

CaCO4在海水中的含量较少（约1200m/l，仅占总含盐量的3.4％左右）。

在船用真空蒸馏装置中，传热温差一般不大，只有当盐水浓度达到海水的1.5倍时，CaCO4才开始析出，而在达到3倍时，才大量析出。

因此，蒸发器中的盐水浓度一般不允许超过海水的1.5倍。

盐水浓度是由调节给水倍率来控制的。

按照蒸发器中的盐量平衡关系（图12－9），如略去蒸汽携出的微量盐分，则

WO·

SO＝WB·

SB（12－9）

式中：

WO—给水（海水）的流量，L/h

SO—给水的浓度，mg/L

WB—盐水的流量，L/h

SB—盐水的浓度，mg/L

盐水浓度SB与海水浓度SO之比称为浓缩率ξ。

即

可见，给水倍率μ越大，海水的浓缩率ξ就越小，所以要使ξ＜1.5，给水倍率μ=WO/W即应大于3。

应该指出，增大给水倍率μ虽可减少盐水浓度，对防垢有利，但同时也会因排盐泵和海水泵流量的增加，使装置的热损失和耗电量增加；

此外，当给水倍率增大到一定的程度后，由于流经加热器的总水量增加，尽管每单位质量给水的结垢量减少，但受热面上的总结垢量却可能反而增加。

故一般认为，船用真空沸腾式淡化装置适宜的给水倍率μ＝3～4，此时的海水浓缩率ξ＝1.5～1.3，不会生成CaCO4水垢。

（3）加热温差对结垢的影响

装置工作时，加热温差应尽可能小些，否则将会使受热面附近局部地区的盐水浓度过高。

这不仅会使结垢量增加，而且还容易生成Mg（OH）2和CaCO4硬垢。

鉴于此，当装置采用蒸汽加热时，就应先用蒸汽加热淡水，然后再用淡水来作为造水机的加热工质。

可见，船用真空式造水机中由于海水沸点不高，加热温差也不大，只要保持适宜的给水倍率，结垢是轻微的。

为了能更有效地防止水垢生成及清除水垢，市场上有各种化学防垢剂和除垢剂出售。

轮机管理人员可以按照说明正确的使用各种药剂。

第四节船用海水淡化装置实例及其管理

一、带