CN101102967A - 水蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于蒸馏海水或微咸水的水蒸馏系统(10)。这种系统有用于从给水源(FEED)向一个或多个闪蒸级(28)供给给水的给水装置(14和37)。每个闪蒸级有一个可使其中的至少一部分给水蒸发的水闪蒸器(29)，以及一个接收蒸汽并把蒸汽的至少一部分变成蒸馏水的冷凝器(35)。一个设有用于储存热能的发热源的储热装置(20)用于加热从其中流过的流体介质。一个热交换装置(24)接收热的流体介质并把热量传递给在一定压力下来自每个闪蒸级的蒸汽流。以升高的温度离开热交换装置的蒸汽流被布置成流到冷凝器而被冷凝成水并将它的部分潜热传递给蒸发器。

Description

水蒸馏系统

技术领域

本发明涉及一种水蒸馏系统，其用于从海水或任何被有机物或无机物污染的水源利用来自诸如储热系统的发热装置的热量制取饮用水。

背景技术

迄今已在各种不同技术中提出海水脱盐的方法。这里介绍两个主要的方法作为例子：

(a)蒸馏法

这种方法的一种形式包括把海水的温度在大气压力下升高到100℃以上来产生水蒸汽。然后用环境空气或水作为冷却介质使水蒸汽冷凝成纯水。这种方法有以下优点：

1.随着水的温度升高到65℃以上，大多数细菌被杀死；

2.由于可看见沸腾的发生，容易对系统进行监控；

3.工作原理容易理解，所以操作人员几乎不需要培训；

4.蒸馏水中残留的总溶解固态物(TDS)不超过10ppm。

但是，这种方法也有一些缺点，包括：

1.由于通常采用间接的方式加热海水，所以效率非常低；

2.在高温下海水中的任何固态物都将凝结，凝结的固态物会沉积在热交换器的表面上，这会使效率进一步降低。

这种蒸馏海水的方法的另一种形式是通过降低蒸馏室里的压力来降低水的沸点温度。这种方法的能量消耗低，所以在船上应用是有利的。这种系统的主要缺点是，蒸馏温度太低以至于难以杀死全部细菌，因而通常需要用可产生臭氧的紫外线灯来杀死蒸馏水中的细菌。由于难以把蒸馏室维持在低于大气压力的压力下，这种系统不适用于大规模的装置。

(b)反渗透法

反渗透(R.O.)装置是一种过滤系统，其采用一种薄膜来除去给水中的离子化的、有机的和悬浮的固态物。与常规的过滤不同，薄膜系统把给水分成两个流，即一个渗透流和一个浓缩流。渗透流是流过半渗透薄膜的水，而浓缩流是用于冲洗掉系统中的浓缩的固态物的那部分给水流。

用泵把水供给到薄膜系统的薄膜室。在每个单独的薄膜室上用箭头指示水流的方向。水被薄膜室里的薄膜分离并以两个流即渗透流和浓缩流的形式离开薄膜室。

对于采用一个以上的薄膜室的系统，渗透流在渗透总管处汇集。每个薄膜室可用一个渗透管路。通常安装一个卸压阀或压力开关来保护系统，以防渗透流超压。然后，渗透流流过一个流量计继而流向机器的出口点。

浓缩流离开最后一个薄膜室并被分成两个流，即一个浓缩流和一个循环流，每个流有各自的可调整的流量控制阀。浓缩流的阀门有三个功能，即：控制机器内的压力，控制流向泄放处的浓缩流的量，以及协助控制系统的回收。一个循环阀把预定量的浓缩流引到泵的进口以达到更紊流的交叉流动。

薄膜在不同的压力下表现出不同的性能，并且除去单价离子和多价离子的速率或效率不同。

这种方法非常依赖于驱动反渗透系统的各个泵的效率，而就其本性而言，泵是效率非常低的能量使用者。

发明内容

本发明的目的

本发明的一个目的是在某种程度上减轻或降低上述已有技术的一个或多个缺点。

本发明的概述

虽然不必作为本发明唯一的或者甚至最宽泛的形式，但本发明的一种形式涉及一种大量地生产蒸馏的饮用水的系统和过程，其使用一种在诸如具有蒸汽管路回路的一个或多个储热容器之类的储热装置中的发热源，效率高达输送给储热装置的能量总热值的70％。

本发明的系统/方法涉及按照热力学第二定律实现的卡诺热机高效循环的利用，也涉及兰金循环在本方法中的有效蒸馏和源水预热中的利用。

因此，在一个方面，本发明提供一种水蒸馏系统，它包括：从一个给水源向一个或多个闪蒸级(flashing stage)供给给水的给水装置，所述或每个闪蒸级具有布置成可使其中的至少一部分给水蒸发的水闪蒸器；布置成可接收在蒸发器里由给水变成的蒸汽并把蒸汽的至少一部分变成水的冷凝器；一具有发热源的储热装置，其布置成储存用于加热从其中流过的流体介质的热能；热交换装置，其布置成可使热的流体介质和来自所述闪蒸级的蒸汽流从其中流过，从而使来自热的流体介质的热量至少部分地传递给蒸汽流；以及离开热交换装置的蒸汽流处于升高的温度，被布置成流往所述冷凝器而被至少部分地冷凝成水并将它的至少部分潜热传递给蒸发器。

该储热装置可包括一个或多个容纳所述发热源的容器。发热源可选自包括石墨、锂盐、钒等的一组材料。

热交换装置可包括一绝热管道，该绝热管道上设有横跨它布置的众多碳钢翅片管。热的流体介质流被布置成流进所述管道，来自(各)蒸发器的蒸汽被布置成流过碳钢管。

在一种优选的形式中，储热装置布置成把气体形式的热的流体介质流供给到热交换装置，而该气流布置成可把它的至少部分潜热传递给来自(各)闪蒸器的蒸汽。

在另一种优选的形式中，所述一个或多个容器中的每一个是一个带有用于呈水蒸汽形式的热的流体介质流的再生加热途径的吸热散热器。在这一形式中，所述一个或多个容器可以有水管回路。

另外优选的是，热交换装置包括布置在储热装置下游的第一热交换器和布置在所述第一热交换器下游的第二热交换器以接收来自冷凝器的水的残余热量，以及布置成为了提高从第一热交换器吸取显热和潜热而升高第一热交换器内的供给压力的泵和/或阀门。

在可能的情况下，储热装置被构造成吸收由至少一个外部能源供应的能量并把吸收的能量储存在发热源中。较佳地，所述至少一个外源被布置成供应太阳能和/或电能和/或热能。有利的是，储热装置被构造成吸收以预定的时间周期供应的能量。所述时间周期可对应于有关当局规定的非高峰时段。能量可以就地生产，例如采矿作业产生的甲烷或诸如乙烯之类的管道气体或液体碳氢化合物，例如煤油，和/或非高峰时段的电能。对某些应用场合，管道气体可以是电解水产生的氢气。储热装置能够用卡诺循环供应需要的热量，该循环的工作原理适用。优选的是，这种系统还可包括一个加热炉或锅炉或已用的喷气发动机，由于它们各有适当量的热输出并且安装起来也很节省，可将其作为发热源的补充。在发热源布置成吸收来自喷气发动机的热的情况中，可将喷气发动机的热废气导引通过一绝热管道，而该管道上设有横跨它布置的许多个碳钢翅片管。在热废气(＞650℃)流过热交换装置的过程中，热量被吸收进储热装置，在盐水回路管里的海水或其它源水形式的给水在压力下被加热到一个高于给水的预定沸点的预定温度。

然后，被加热的水被泵送通过一段管路进入闪速蒸馏室形式的蒸发器中。这个闪速蒸馏室被维持在一个允许给水闪速沸腾的真空压力下。

所述第二热交换器用于在温度相对较高的第一热交换器之前将给水预热。为避免无机物在热交换器管里沉积，可以用一个磁感应泵将水以高速循环通过高温热交换器，来确保水每通过一次其温升不超过2℃。这可确保固态物在热交换器管壁上的沉积为最少。

正常情况下，由一个泵把给水打进所述一个或每个闪蒸级，这个泵是由采用可变频率驱动(VFD)的数字控制系统(DCS)控制的，用比例、积分和微分(PID)控制动态地控制过程的温度、流量和压力。这允许整个系统的自动化，无需任何干预，或只需很少干预，这可节省维护费用。

外来的给水可先导引进入起预热作用的第二热交换器而后再进入高温的第一热交换器。

外来的给水还可用来在第二热交换器之内在允许热量传递给外来的给水的同时冷却和冷凝来自蒸发器或真空闪速蒸馏室的蒸汽。

这种系统将产生大量的热，因此所有高温的区域都可用Micropore^TM保温材料进行隔热包覆。低温表面区域可以用聚苯乙烯泡沫材料和铝箔进行隔热包覆。

利用本发明生产饮用水的预期产量可计算如下：

选取一个容量为620千瓦的储热装置，1千瓦小时＝3600000焦耳

把蒸汽温度升高10℃且压力升高45Kpa所需的能量＝T2(蒸汽输出温度和压力)-T1(蒸汽输入温度和压力)＝52920焦耳

所以储热容器的输出为620×3600000＝2,232,000,000焦耳。

被升高10℃的蒸汽量

100℃的1千克蒸汽×(蒸汽的比热)×10℃以及压力升高45Kpa(预期的输入蒸汽和输出蒸汽之间的温度和压力差)＝52,920焦耳。

因此，所以在第一个小时里可产生的蒸馏水是2,232,000,000除以52,920＝42,176千克。

所生产的每千克蒸馏水的能量成本＝输入给储热容器的能量的成本除以所生产的水的量。

每千瓦能量有约3,600,000焦耳，这分在(divided into)储热容器的输出中，其为2,232,000,000焦耳＝620千瓦的能量/小时。这乘以每千瓦小时的电价$0.0262c再除以生产的水42,176千克＝620×0.0262/42,176＝$0.000385c每升水。这代表100％热量回收的情况，如果我们用50％的热量回收进行计算，则每升水的费用增加一倍而变为$0.000770c。

附图说明

为了本发明能够更容易地被理解并被投入实际应用，下面参照附图说明本发明的几个非限制性的实施例，其中：

图1是按照本发明的一个实施例的系统的原理图。

具体实施方式

参照图1，所示的水蒸馏系统10的这一实施例有一个辅助热交换器12，其布置成接收在给水管路14里流动的给水，而管路14联接于一个诸如盐水柜的给水源，在图中以“给水FEED”表示。从辅助热交换器12出来的给水被输送到一个除气器16并在该处喷射成喷流。给水中的气体被释放出来并通过管路46和排气口VENT排放到大气中。然后，除气后的水被输送到闪蒸级28里的一个水柜36。应能注意到，尽管对于这一实施例表示出并描述的是一个闪蒸级28，但是按照本发明，系统10可以包括多个闪蒸级。

系统10还具有储热装置20，在本实施例中，它呈能量储存容器的形式并且它用非高峰时段的电作为能源，用于对储热容器20里的诸如石墨的储能介质充电。应能理解，也可以用诸如太阳能、风能等来提供能源。虽然只表示出一个储热器，但是应能理解，系统10可以有多个这样的储热容器。在用非高峰时段的电给这样的多个储热容器充电时，它们可用作大容积的蒸馏过程中的发热器，其产量可达40-50千升/小时。通过调整储热容器的各阀门(未示出)来控制热源的工作以产生蒸汽。在稳定的状态下工作并用非高峰时段的电作为热能，可使储热容器的温度达到850℃。蒸汽管22连接在储热容器20和主热交换器24之间，蒸汽以热的流体介质的形式进入热交换器24内。在热交换器24处，蒸发潜热把热量传递给装在蒸汽管路26里的蒸汽管(未示出)。在蒸汽管路26里的那些蒸汽管被供以从闪蒸容器28形式的闪蒸级排出的循环进给蒸汽。设置有一个旋转式阀门30，以允许蒸汽管路26里的进给蒸汽压力升高而又不会改变闪蒸容器28里的蒸发器29内的沸点。在这一实施例中，蒸汽温度升高到约110℃。在这一情况中，蒸发器29是垂向管束形式的，给水流过管束。

循环泵32连续不断地把已经除气的给水以喷流31的形式供给到蒸发器29。海水的固态物含量一般是35g/l。当随着给水通过具有用薄壁钛板制成的热交换板的辅助热交换器12被从储存环境的温度加热升温时，海水中的固态物仍保持溶解状态。给水中的固态物被固态物除去装置44除去，固态物除去装置44把固体物质截留住但允许给水返回到蒸发器29。

循环泵32使来自辅助热交换器12和除气器16的给水的压力升高。

设置有一个用于控制循环泵32从而控制给水流量的可变频率控制器(未示出)。旋转式阀门30的受控转动可将蒸发器29保持在大气压力状态。随着热的给水进入蒸发器29，水部分地蒸发，蒸汽流向热交换器24，在其中蒸汽膨胀到更高的压力和温度。随后在蒸汽管路26里的温度升高了的水蒸汽流到冷凝器35，冷凝器35被在盐水回路37里流向冷凝柜34的低温给水冷却。蒸馏的水被通过冷凝管路38输送，流过辅助热交换器12排放，并把它的潜热和显热的一个高百分比传递给外来的给水。管路38上设置一个冷凝泵40，用以提高冷凝水的流动。在这一情况中，温度升高了的水蒸汽进入闪蒸容器28并且其一部分将与蒸发器29管束的外表面接触，在接触中蒸汽的潜热能量部分地传递通过管壁加热其中的给水。接触管束的外表面的那部分蒸汽将被冷却而变成蒸馏水形式的冷凝水。

一个通气管路46把充气器16连接到以VENT表示的出气口。

储热容器20和热交换器12和24都是封闭在隔热包覆的隔板内。各阀门用于调整流经用于预热外来给水的辅助热交换器12的给水。给水管路14上设置一个计量泵，其用于控制这个管路内的给水的流动压力。

一补充蒸汽模块39布置成可作为储热容器20的补充，其被供以用于对模块38加热的燃料(FUEL)。模块39还布置成可加热来自冷凝柜34的冷凝水并把加热了的冷凝水提供给闪蒸级28。

尽管上面已经举例说明了本发明，但是很明显，熟悉本技术领域的人可以对所述的实施例做出各种变化和变型而不会背离在权利要求书中所限定的本发明的范围。

Claims (21)

1.一种水蒸馏系统，它包括：布置成可从给水源向一个或多个闪蒸级供给给水的给水装置，所述或每个闪蒸级具有布置成可使其中的至少一部分给水蒸发的水闪蒸器，和布置成可接收在所述蒸发器里由给水变成的蒸汽并把所述蒸汽的至少一部分变成水的冷凝器；具有发热源的储热装置，布置成储存用于加热从其中流过的流体介质的热能；热交换装置，布置成可使热的流体介质和来自所述闪蒸级的蒸汽流流过其中，从而使所述热的流体介质的热量至少部分地传递给所述蒸汽流；且以升高的温度离开所述热交换装置的所述蒸汽流被布置成流到所述冷凝器以至少部分地通过冷凝作用转变成水并将其至少部分的潜热传递给所述蒸发器。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个布置成可使闪蒸器里产生部分真空的抽气装置。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述储热装置布置成把热的流体介质流供给到所述热交换装置，并且所述热的流体介质流布置成可将其至少部分的潜热传递给来自所述闪蒸器的蒸汽。

4.如权利要求1到3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述储热装置包括一个或多个装有所述发热源的容器。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述一个或多个容器中的每一个是带有用于所述热的流体介质流的再生加热路径的吸热散热器。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述热的流体介质流呈水蒸汽的形式，以及所述或每个容器具有供所述热的流体介质从其中流过的水管回路。

7.如权利要求4到6中的任一项所述的系统，其特征在于，所述发热源可选自包括石墨、锂盐、钒等的一组材料。

8.如权利要求1到7中的任一项所述的系统，其特征在于，所述热交换装置具有一个或多个热交换器，每个热交换器有一绝热管道，该绝热管道设有横跨该管道布置的多个碳钢翅片管，所述热的流体介质流布置成流进所述管道，而来自所述蒸发器的蒸汽布置成流过所述碳钢管。

9.如权利要求1到8中的任一项所述的系统，其特征在于，所述热交换装置包括布置在所述储热装置的下游的第一热交换器和布置在所述第一热交换器的下游的第二热交换器，第二热交换器接收从所述冷凝器流出的水的残余热量以预热所述给水。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，设置有可控制地升高所述第一热交换器内的蒸汽压力的泵和/或阀门，从而提高自所述第一热交换器吸取显热和潜热。

11.如权利要求1到10中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括布置成可使所述给水循环地流过所述一个或多个闪蒸级的循环装置。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述循环装置有一个可控制的泵，所述泵被布置成将所述给水以设定的压力和/或流速输送入所述一个或多个闪蒸级。

13.如权利要求1到12中的任一项所述的系统，其特征在于，所述储热装置构造成将供自至少一个外部能源供给的能量储存在所述发热源中。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述至少一个外部能源被布置成提供太阳能和/或电能和/或热能。

15.如权利要求13或14所述的系统，其特征在于，所述储热装置构造成以预定的时间周期接收供应的能量。

16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述时间周期对应于由有关当局为所述至少一个外部能源规定的非高峰时段。

17.如权利要求13到16中的任一项所述的系统，其特征在于，还包括一个加热炉和/或锅炉和/或喷气发动机，布置成可作为所述至少一个外部能源的补充，用于提供可由所述储热装置吸收的热量。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述发热源布置成吸收从来自所述喷气发动机的热的废气直接流过其中的另一个热交换装置传递来的热量。

19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述另一个热交换装置有一绝热管道，该绝热管道设有横跨管道布置的多个碳钢翅片管，所述热的废气布置成流过所述管道并流过所述翅片管，从而使热量被所述热交换装置吸收。

20.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述可控制的泵布置成使所述给水以足够高的速度循环流动，以最大限度降低无机物在所述蒸发器里的沉积量。

21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述可控制的泵布置成使所述给水以不会使所述给水每流过所述一个或多个闪蒸级一次的温升超过2℃的速度循环流动。

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