CN106145491A - 吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统，旨在克服已有水处理技术方案存在的能耗高、适应范围单一、使用成本高、出水水质不稳定等缺点的基础上提供一套高效、智能、适用范围多样的水处理技术方案。所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统包含原水抽取和预处理系统、混合水给料系统、产品水冷凝和热交换系统、混合水辅助加热装置、热端蒸发器系统、等压式真空至大气乏水排出装置、等压式真空至大气产品水排出装置、真空维持系统、废水排出系统和基于ONRUN平台的智能综合控制系统等部分组成。本系统可广泛应用于海水淡化、尾矿水、工业废水、城市中水等非饮用水的处理。

Description

吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统

技术领域

本发明涉及一种水处理系统,尤其涉及一种苦咸水、尾矿坝水、城市中水、工业废水等水体的处理并实现二次应用的系统。

背景技术

水资源，尤其是淡水资源是一种宝贵的自然资源，但由于消耗迅速，污染严重，人口增长等多方面的原因，水资源面临着严重的危机，因此急需找到一种可以缓解水资源危机的有效办法。

海洋作为地球上最主要的水源储备，从海洋取水淡化使用是目前解决水资源危机的最主要途径。目前有很多海水淡化的技术手段，如SWRO反渗透法、低温多效蒸馏法、多级闪蒸法、蒸汽压缩法等，这些海水淡化技术虽然能够制造出可用的淡水，但普遍存在能耗过高、产水水质不稳定、耗材消耗量大、对受污染的水源耐受力差、适用面窄，无法处理除清洁海水以外的其他（如工业废水、尾矿坝水、高硬度地下水等）不适合使用的水源等问题，因此，这些方法的对缓解水资源危机的作用极其有限。

综上所述，现有水处理系统普遍存在较大的技术缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术不足，提供一种能耗低、效率高、适用范围多样的水处理方案。

本发明所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统采用的技术方案是：所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统包含原水抽取和预处理系统、混合水给料系统、产品水冷凝和热交换系统、混合水辅助加热装置、热端蒸发器系统、等压式真空至大气乏水排出装置、等压式真空至大气产品水排出装置、真空维持系统、废水排出系统和基于ONRUN平台的智能综合控制系统等部分组成（如图1）。

如图1所示，原水抽取和预处理系统包括原水抽取泵、机械过滤器和加药系统，其中加药系统装有浊度传感器、铁离子传感器、PH值传感器和其他一些根据水体的不同处理而需要装置的传感器。工作伊始，由原水抽取泵从自然环境中抽取原料海水或矿业废水等，通过机械过滤器去除大颗粒的机械杂质如纤维丝、砂粒等，进入到混合水储槽，加药系统根据智能综合控制系统的指令和传感器采集的数据，加入适量pH调节药剂，将混合水储槽内pH值调至接近中性(pH=6.5~7.5)，以避免设备腐蚀。

混合水给料系统包括混合水储槽、喂料泵组成，混合水储槽接受原水抽取和预处理系统输入的原水和热端蒸发器系统蒸馏后的乏水，混水给水泵将混合水泵入产品水冷凝和换热交换系统中的换热盘（列）管。

产品水冷凝和换热交换系统由气密性容器、换热盘（列）管和产品水储集槽构成。换热盘（列）管接受从混合水给料系统输送过来的原水并继续将原水送往混合水辅助加热装置内进行加热处理，气密性容器接受从热端蒸发器系统送来的热水蒸气，热水蒸汽与换热盘（列）管内的原料水在气密容器中进行全热交换，热水蒸气换热后在换热盘（列）管外冷凝形成的产品水积聚在产品水储集槽后排入到产品水汇流排中，并经等压式真空至大气产品水排水装置排出系统形成产品水。

混合水辅助加热装置可以是余热或废热利用形式的热交换装置或专门设置的电热管等加热装置。混合水辅助加热装置接受从产品水冷凝和换热交换系统中的换热盘（列）管送来的混合原料水并进行加热，将混合原料水加热至大约50℃--60℃后送往热端蒸发器系统。

热端蒸发器系统由气密性容器罐、混合原料水喷水排和乏水储集槽构成，工作时气密性容器罐在真空维持系统的作用下保持真空状态，从混合水辅助系统加热后送来的混合原料水从混合原料水喷水排喷出，在真空环境下，喷出的混合水大部分迅速汽化并经由与产品水冷凝和换热交换系统的气密性容器罐连接的管路被输入到产品水冷凝和换热交换系统的气密性容器中冷凝成产品水，没有汽化的部分则成为乏水储集于气密性容器罐底部的乏水储集槽中并经由等压式真空至大气产品水排水装置回流至混合水储槽系统中进入下一个蒸馏循环。

真空维持系统由真空泵、真空传感器构成。真空传感器检测整个管路的真空度是否达到系统需求并通过ONRUN智能综合控制系统给真空泵发出排空指令，及时抽除系统管路中的不凝结气体(水中溶解的氧气/氮气/二氧化碳、水中低沸点有机物的蒸汽等)，使系统中的压强维持在凝汽器中凝水温度下饱和蒸汽压附近，保证原水、淡水高效的蒸发和冷凝。

废水排出系统由盐度（离子浓度）传感器、废水比例阀构成，盐度（离子浓度）传感器检测混合水底部混合水的盐度，在盐度高于设定值的时候通过ONRUN智能综合控制系统开启废水比例阀排出高盐度的废水。

ONRUN智能综合控制系统通过设在系统各个部分的传感器、变送器实时采集系统运行参数，如混合原料水盐度、给水pH值、蒸发器-凝汽器温差、系统中的压强等，并通过ONRUN平台进行数据分析，及时调整相应执行器的运行参数，使整个吸气冷凝式温差驱动系统高效、可靠、安全地运行。

优化地，所述过滤器为袋式过滤器，所述加药系统为不锈钢或LDPE储罐和带有编码器的柱塞泵。

所述混合水储槽为LDPE材质水槽。

所述产品水冷凝和换热交换系统中的气密性容器罐是304不锈钢容器，换热盘（列）管是316不锈钢或钛金属管绕制成蛇形的、具有较大比表面积的换热盘管或列管，同时盘（列）管的各部位可根据需要焊接有一个或多个异形扰流板，以在水蒸气流过时产生乱流，以促使水蒸气与盘（列）管有更充分的接触，换热盘（列）管组件放置在气密不锈钢容器罐内部，气密性容器罐的下半部为304不锈钢产品水储集槽，底部通过联通阀与等压式真空至大气产品水排水装置连接。

所述混合水辅助加热装置为专门设置的电热管时，一般为PTC电加热片或镍铬合金电加热管，串联在热端蒸发器系统的混合原料水入口管路上。

所述热端蒸发器的气密性容器罐、混合原料水喷水排和乏水储集槽均为304不锈钢制品，乏水储集槽作为气密性容器罐的下半部与气密容器结合在一起，混合水喷水排在气密性容器罐的上半部，有若干喷水口。

所述真空泵为可调速真空泵。

本发明的有益效果是：工作伊始，由原水抽取泵从自然环境中抽取原料海水或矿业废水等，通过袋式过滤器去除大颗粒的机械杂质如纤维丝、砂粒等，进入到混合水储槽，加药系统根据综合控制系统的指令和传感器采集的数据，加入适量pH调节药剂，将混合水储槽内原料水的pH值调至接近中性(pH=6.5~7.5)，以避免设备腐蚀。喂料泵将混合原料水抽取并增压（以克服凝汽器换热管路阻力），与产品水冷凝和换热交换系统中的气密性密封罐内的淡水蒸汽发生全热交换并收集蒸汽热能后，自身被加热，再经过混合原料水辅助加热装置进一步加热后温度达50℃以上，喷入接近真空的热端蒸发器系统内，在真空环境下喷出的原料水大部分汽化成淡水蒸汽，汽化成淡水蒸汽的原料水通过热端蒸发器系统与产品水冷凝和换热交换系统之间联通的管道导入到产品水冷凝和热交换系统的气密性容器罐内，在该气密性容器罐内与充满温度较低的原料水的换热盘（列）管充分接触并进行全热交换，水蒸气在全热交换中自身冷凝，成为凝结水，凝结水储集在气密性容器罐底部的储集槽中，并经联通阀导入到产品水汇流槽罐中，再由与产品水汇流槽罐联通的等压式真空至大气产品水排出装置排出，经过紫外线消毒、抑菌剂加注等后处理工序后达到自来水卫生标准，由产品水输出端输出供给使用，在热端蒸发器系统的气密性溶气罐内没有汽化的原料水则成为乏水（浓度同时增加）落入热端蒸发器系统的气密性容器罐底部的乏水储集槽，通过联通阀—>等压式真空至大气乏水排出装置—>乏水泵的程序被排回到混合水储槽，进入下一个蒸馏程序。废水比例阀在控制系统的综合分析和指令下，自行打开至适当开度，及时排除积聚在混合水储槽底部的浓盐水，使槽中混合水盐度维持在适当水平。真空维持系统通过具有由智能综合控制系统自动调节抽速的真空泵，及时抽除系统中的不凝结气体(水中溶解的氧气/氮气/二氧化碳、水中低沸点有机物的蒸汽等)，使系统中的压强维持在凝汽器中凝水温度下饱和蒸汽压附近，保证原水、淡水高效的蒸发和冷凝。基于ONRUN平台的综合控制系统通过设在系统各个部分的传感器、变送器实时采集系统运行参数，如混合水盐度、给水pH值、蒸发器-凝汽器温差、系统中的压强等，并通过ONRUN平台进行数据分析，及时地调整相应执行器的运行参数，使整个吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统高效、可靠、安全地运行。

本发明所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统由混合水辅助加热器中流动的热工质（包括但不限于工厂废热、燃气轮机废气、太阳能加热设备所加热的介质、其他能源加热所加热的介质等）和换热盘（列）管中流动的常温原料水形成温差，进而使在热端（辅助加热器）中被加热的原料水在高真空状态下的蒸发器中汽化体积膨胀，在冷端（产品水冷凝和热交换系统中的气密容器）冷凝、液化体积缩小，从而把温度差转化为压强差，这个压强差使蒸发器中的水蒸气被源源不断的吸入到产品水冷凝和热交换系统中的气密容器中冷凝形成产品水，从而实现利用温差驱动蒸馏的目标。

本发明所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统的辅助加热装置使原料水在未蒸发状态下吸热，自身成为载热体，喷入热端真空状态下的气密性容器罐后蒸发、汽化，产生淡水蒸汽，这些淡水蒸汽紧接着被导入到产品水冷凝和换热系统的气密性容器罐中，与气密性容器罐中的换热盘（列）管充分接触并发生全热交换，将所携带的热能释放给换热盘（列）管的原料水，从而实现了本体载热的加热模式。同时由于蒸发时没有任何外部加热平面，结晶盐类(水垢)无结晶核可供结晶，加上沉降的浓水温度很低（约等于常温原料水温），从而从根源上消除了由于原水成分复杂导致的结垢问题，这就使本体载热模式的蒸馏方法可以适应极高硬度、含有大量机械杂质的原料水，从而使现有技术方法完全无法处理的水源基本上可以得到处理。

本发明所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统的热端蒸发器和产品水冷凝和热交换器在物理结构上完全分离，由此使携带汽化时吸收了热能的淡水蒸汽全部从热端蒸发器系统的气密性容器罐进入到产品水冷凝和换热交换系统的气密性容器罐内，并通过与换热盘（列）充分接触的方式，将热能几乎全部（取决于换热器效率，一般工业换热器可达98%以上）传递给换热盘(列)管中流过的原料水，用于下一个汽化循环，从而实现了分离式全热交换冷凝模式。

本发明所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统的真空维持系统在整个蒸馏系统中创建了一个真空作业环境，这个真空作业环境产生了强大的真空绝热效应，这个效应使整个系统成为一个巨型“真空保温瓶”，从而使整个系统进入到全真空保温状态，隔热效果大幅提高，热能损失大幅减少。

附图说明

图1是本发明的物理结构图，该图完整地反映了本发明的物理结构及各部分的物理联结形状，通过本结构图可以了解本发明的外观物理结构。

图2是冷端凝汽器的物理结构图，①换热盘管对外连接镙口 ②③密封螺丝及螺帽④密封上盖⑤传感器插槽⑥扰流装置⑦盘管⑧与换热盘管结合在一起的气密性容器罐密封上盖

图3是换热盘管气密容器罐物理结构图，①密封上盖②气密性容器罐③冷凝水储集槽⑤⑥⑧气密性容器对外接口⑨支架⑩排水口

图4是热端蒸发气密容器物理结构图，①气密性容器密封盖②气密性容器罐体③气密性容器罐体底部的乏水储集槽⑤固定气密性容器罐上盖与罐体的螺丝⑧原料水喷水排⑨⑩出水喷嘴④⑥⑦⑾⑿外接口⒁支架

图5是淡水汇流槽罐物理结构图，①②③④⑤⑥⑧⑨汇流槽罐外接口⑦⑩支架

图6是吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统智能综合控制系统电气原理图。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，本实施例中所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统包括原水抽取泵、机械过滤器、加药装置、混合水储槽、废水比例装置、混合水给料泵、产品水冷凝和热交换系统、产品水汇流排槽罐、产品水真空至大气排水装置、产品水泵、产品水后处理系统、混合水辅助加热装置、热端蒸发系统、等压式真空至大气乏水排水装置，乏水泵、真空维持系统、智能综合控制系统。智能综合控制装置启动电源，所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统进入工作状态，工作开始，所述真空维持系统启动，使所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统进入真空状态并在所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统运行中将所述产品水冷凝和热交换装置中多余的不凝结气体排出以保证整个系统维持在设定的真空水平，同时所述原水抽取泵从水源（海水、尾矿水、工业废水等水源）中抽取原水，抽取的原水经过所述机械过滤器，原水中携带的砂子、杂草、垃圾等杂物被去除，原水进入所述混合水储槽，此时所述加药装置中的传感器将检测到的原水酸碱度数据传给所述智能综合控制装置，所述智能综合控制系统根据相关数据向所述加药装置发出加药指令，所述加药装置根据指令向原水加入适当药物，将原水PH值等调至适当，所述智能综合控制系统收到加药装置反馈的信息后向所述混合水给料泵发出送水指令，原料水被泵入所述产品水冷凝和热交换系统的换热盘管中，原料水经过所述换热盘管后进入到所述辅助加热装置，在所述辅助加热装置内，原料水被加热到50--60℃,加热后的原料水进入到所述热端蒸发器的原料水喷水排，喷水排喷出的热水由于真空作用而被迅速汽化，汽化的水蒸气经过密封管道进入到所述产品水冷凝和热交换装置中的气密性容器罐内，水蒸气在气密性容器罐中与所述换热盘管充分接触并与所述换热盘管内流过的原料水发生全热交换，全热交换中释出热量的同时发生冷凝，冷凝的水形成产品水储集在所述气密性容器罐底部的储集槽中并通过与等压式真空至大气产品水排水装置联通的联通阀导入到所述产品水汇流排槽罐内，最后由所述产品水泵导入到产品水后处理装置进行处理后形成产品水输出。从所述原料水辅助加热装置导入到所述热端蒸发器内的热水，除汽化成水蒸气流入所述产品水冷凝和换热交换系统的部分，未汽化导入到所述产品水冷凝和热交换装置的部分将在热端蒸发器系统的气密性容器罐内形成乏水储集到热端蒸发装置底部的储集槽，然后通过与热端蒸发器连接的联通阀和所述等压式真空至大气乏水排水装置和所述乏水泵导回混合水储槽与原料水混合后进入下一个蒸馏循环程序。所述混合水储槽接受所述乏水泵回送的乏水后形成的混合水盐度将不断上升，放置在所述混合水储槽的盐度传感器将实时的盐度数据传给智能综合控制系统，智能综合控制系统将根据盐度参数适时指令所述废水比例装置及时将积聚在混合储水槽底部的高盐度水排出，使所述混合水储槽中的混合水盐度始终保持在合适的水平。

Claims (3)

1.一种吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统，其特征在于：它包括原水抽取和预处理系统、混合水给料系统、产品水冷凝和换热交换系统、混合水辅助加热系统、热端蒸发器系统、等压式真空至大气乏水排出装置、等压式真空至大气产品水排出装置、真空维持系统、废水排出系统和智能综合控制系统等部分组成，所述智能综合控制系统负责所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统的电源供应和调度、传感器数据采集、向执行器发出动作指令以及对所述整个系统的运行状态和运行结果进行实时监控，工作开始，所述真空维持系统将所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统内部管道和罐体进行真空处理并保持整个系统的内部至设定真空水平，所述原水抽取和预处理系统从水源处抽取原料水并对原料水的杂质进行预处理，使原料水中可能影响系统运行的杂质被预先清除，经过所述原水抽取和预处理系统处理的原料水进入到所述混合水给料系统，所述混合水给料系统通过其中的加药装置对进入所述混合水储槽的原料水的酸碱度等化学性质做进一步处理，然后通过其中的给料泵将原料水泵入到所述产品水冷凝和换热交换系统中的换热盘（列）管道，原料水经过换热盘（列）的密闭管道后进入到所述辅助加热装置，所述辅助加热装置将原料水加热至50--60℃后继续将原料水送入到所述热端蒸发系统，原料水从所述热端蒸发系统的喷水排中喷出，喷出的大部分原料水在真空状态的所述热端蒸发系统的气密性容器罐内迅速汽化，汽化的水蒸气被导入到所述产品水冷凝和换热交换系统并与该系统内的换热盘（列）管发生全热交换，全热交换过程中水蒸气的热能被所述换热盘（列）管内流过的原料水吸收，水蒸气发生冷凝，凝结后的水珠滴落汇集到所述产品水冷凝和换热系统的气密性容器罐底部的储集槽中，通过底部的联通阀和所述真空至大气产品水排水装置将产品水导出形成产品水，未凝结为产品水的部分不凝结气体通过所述真空维持系统排至所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统之外，在所述热端蒸发器系统的原料水喷水排中喷出的原料水，未汽化成蒸汽导入到所述产品水冷凝和换热交换系统的部分被储集在所述热端蒸发器系统的气密性容器罐底部的储集槽内，通过底部的联通阀和等压式真空至大气乏水排水系统中的乏水泵被重新导回到所述混合水储槽中，与所述原水抽取系统泵入的原水形成混合水等待进入下一个蒸馏程序，所述混合水储槽接受所述乏水泵导回的乏水后,盐度上升，与所述混合水储槽联通的所述废水排出系统通过其中的盐度传感器监测所述混合水槽中的混合水的盐度参数并将这些参数实时传给所述综合智能控制系统，所述智能综合制系统根据所述盐度传感器传回的数据给废水排出系统中的废水比例阀发出排水指令，聚集于所述混合水储槽底部较高浓度的废水即通过所述废水排水系统排出。

2.根据权利1要求所述的吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统，其特征在于：所述产品水冷凝和换热交换系统包含气密性容器、冷凝盘（列）管，冷凝盘（列）管与气密性容器的密封上盖连接在一起并且两端贯通密封上盖与密封上盖的两个外联接口相连，两个外联接口中的一个通过连接管道与所述混合水给料系统连接，用于接收从所述混合水给料系统中导入的原料水，另一个通过管道与所述混合水辅助加热装置连接，用于将原料水导入到所述混合水加热装置中加热，冷凝盘（列）管置放在气密性容器罐内，并通过气密性容器罐的密封上盖与气密性容器罐结合成一个紧密连接的整体，用于使通过所述冷凝盘（列）管的原料水与从所述热端蒸发器系统导入的水蒸气在气密性容器罐内进行全热交换，所述气密性容器罐有一个与所述热端蒸发器联通的接口，用于接收从热端蒸发器导入的水蒸气，一个与所述真空维持系统连接的接口，用于排空多余的水汽和空气，使所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统整体保持设定的真空水平，底部有一个集水槽，所述底部的集水槽有一个与产品水汇流排槽罐连接的接口，该接口与所述等压式真空至大气产品水装置连接，用于排出产品水。

3.根据权利1或2要求的所述吸气冷凝式温差驱动蒸馏系统，其特征在于：所述热端蒸发器系统是一个气密性容器罐，所述气密性容器罐内有一个带若干喷嘴的喷水排，所述喷水排贯通所述气密性容器罐壁并与所述气密性容器罐外的一个接口联通，然后通过管道与所述混合辅助加热装置连接，用于接收从所述混合水加热装置中导入的被加热后的原料水，原料水从所述喷水排喷出后，在真空环境下的所述气密性容器罐内汽化成水蒸气，所述气密性容器罐还有一个与所述产品水冷凝和换热交换系统连接的接口，用于将在所述气密性容器罐内汽化后的水蒸气导入到所述产品水冷凝和换热交换系统，所述热端蒸发器底部为圆锥状集水槽，用于储集蒸发后剩余的乏水，所述集水槽底部有一个排水口，该排水口与等压式真空至大气乏水排水装置联通，并通过管道与混合水系统连接，用于将乏水导回到所述混合水储槽。