CN101993123A - 低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种低加热温度、高效率、低成本的负压蒸发/沸腾水蒸馏分离装置。本发明提出了一种方案，使得不需要使用真空泵即可以在海水淡化系统中制造出所需负压，从而将水溶液的沸腾温度降低到30-50℃的水平，只要加热热源的温度高于此值，就可以使水溶液沸腾。本发明用于加热和蒸发水溶液的加热热源，可以是来自太阳能集热器的水，也可以是发电厂、化工厂、冶炼厂等的温度较高的尾水，或者是与发电厂、化工厂、冶炼厂的余热进行热交换之后的水。由于本发明所需的加热流体的温度可以低于60℃，优选的可以低于37℃，可以有效地利用太阳能或大量回收利用工业余热，在环保、节能方面具有极大的价值。

Description

低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置

技术领域

本发明涉及一种一种低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置，具体是一种可利用太阳能、废热等低温热源对待分离水(如海水、含杂质水、含污染水等等)进行分离净化处理。

背景技术

现有的水净化方法有蒸馏法、电解法、反渗透法等。蒸馏法是利用热源加热待分离水(如海水、含杂质水、含污染水等等，以下亦称之为“待分离水”)，以蒸馏出水蒸汽，然后将该水蒸汽冷凝以得到净化淡水的方法。由于在常压下水的沸点高达100℃，因此为了得到大量的水蒸汽，必须采用高温热源(如燃煤、燃油等)加热才能达到目的。电解法是指先用直流电电解待分离水，以得到氧气和氢气，然后再使氧气和氢气燃烧以生成淡水的方法。无论是蒸馏法还是电解法，都需要消耗大量高品位能源。反渗透法是利用可透过水分子而不能透过其它化合物分子的薄膜以分离出淡水的方法，具有能源消耗不多的优点，但过滤膜的价格过于昂贵，而且寿命不长、易被污染，因而限制了它的应用。

在以蒸镏法进行水分离净化的过程中，为了减少或避免使用燃料来加热待分离水，许多使用太阳能的待分离水水分离方法已经被开发出来。这些方法的共同点是利用太阳能集热器来收集阳光中的能源，然后用此热源去加热待分离水。但由于太阳能集热器得到的待分离水温度不可能太高(一般低于100℃)，所以通常太阳能海水淡化系统的淡水产率都不高。提高太阳能集热器的集热温度似乎是可行的，如采用聚光器可使太阳能集热器的出口温度达到200-300℃，但聚光器加工困难，以及需要进行太阳跟踪等，造成其价格昂贵，同样难以大规模应用。

由于水的沸点是与其所处的压力直接相关的，因此想办法降低水蒸馏分离过程中系统的压强，就可以有效降低待分离水的沸腾温度，这样即使用集热温度很低的平板式太阳能集热器也可以对其进行有效地加热，直至其沸点以上温度，使蒸馏分离水的产出率提高。

降低蒸馏分离系统的压强一般采取抽空的方法，利用一套真空泵系统对蒸馏器上部空间抽真空以造成负压。虽然降低了待分离水的蒸发温度，但却使系统很复杂，维护不易，真空泵的运行也需要消耗大量高品位的电能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有蒸馏式水分离净化技术中存在的不足和缺陷，提供一种高效率、低成本、低加热温度的低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置。

本发明提出了一种方案，使得不需要使用真空泵即可以在海水淡化系统中制造出所需负压，从而将待分离水的沸腾温度降低到30-50℃的水平，只要加热热源的温度高于此值，就可以使待分离水沸腾。

根据本发明的一个实施例的低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置主要包括一个蒸发-冷凝器，一个待分离水容器，一个分离尾水容器，一个冷凝水容器。

蒸发-冷凝器是本发明的核心装置，其安装于比待分离水液面和冷凝水液面高约8-10米的位置。蒸发-冷凝器包括蒸发部和冷凝部，待分离水在蒸发部蒸发(尤其且优选地是沸腾蒸发)，产生的水蒸汽随即被冷凝部冷凝，产生的冷凝水由冷凝部下部的冷凝水盘收集，此冷凝水即为所要制取的净化淡水。

蒸发-冷凝器是一个密闭容器，通过三根管道分别与待分离水容器、分离尾水容器、冷凝水容器相通。其连接关系是：蒸发部通过两根管道分别与待分离水容器和分离尾水容器相连，冷凝水盘通过一根管道与冷凝水容器相连，所有管道的开口均在相应容器的液面以下。

待分离水容器、分离尾水容器与冷凝水容器的液面与大气相通。待分离水容器、分离尾水容器与冷凝水容器均装设有溢流管，溢流管的开口位置在上述三根管道的开口位置以上，以维持三个容器的液面在一定高度。

本发明的关键在于降低蒸发-冷凝器的压强，以有效降低蒸发温度和冷凝温度，从而降低蒸发器中加热热源的温度。本发明利用大气压和蒸发/冷凝液面及三个容器液面所产生的近10米高的水柱压强之间的差值来实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于包括：

一个密封的蒸发容器，

一个待分离水液面保持部分，

一条待分离水管路，用于使所述待分离水液面保持部分与所述蒸发容器的内部相密闭连通，

一个分离尾水液面保持部分，

一条分离尾水管路，用于使所述分离尾水液面保持部分与所述蒸发容器的内部相密闭连通，

设在所述蒸发容器内的蒸发管束，

设在所述蒸发容器内空间的上部的冷却管束，

设在所述冷却管束下方的冷凝水盘，

一个冷凝水液面保持部分，

一条冷凝水管路，用于使所述冷凝水液面保持部分与所述冷凝水盘的内的淡化水相密闭连通。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例。

具体实施方式

从本发明的应用看，适合于用本发明的低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置处理的水包括(但不限于)：

-海水；

-含盐份的内陆地表水或地下水；

-含在水沸点温度下不可蒸发的溶质的被污染地表水或地下水；

-其他的含在水沸点温度下不可蒸发的溶质的水；

-等等。

本申请文件中的“待分离水”可以是(但不限于)上述任何类型的水。

在如图1所示的本发明实施例中，在一个密封的筒形蒸发容器1内设置有蒸发管束7和冷却管束2。冷凝器管束2下方布置有冷凝水盘3，用于接收和盛装凝结水。容器16是待分离水储槽，用于储存待蒸馏分离的水。容器18是分离尾水储槽，用于存放经过蒸馏分离后的分离尾水。容器20是冷凝水储槽，用于存放生成的淡水。

待分离水储槽16、分离尾水储槽18、冷凝水储槽20的液面与大气连通。待分离水储槽16通过连通管8与容器1相连，分离尾水储槽18通过连通管9与容器1相连，冷凝水储槽20通过连通管10与冷凝水盘3相连。连通管6、连通管9与连通管12的下端开口均位于相应储槽的液面以下位置。

系统达到平衡时，以下关系成立：

p_v+p_w＝p_B

式中p_v代表容器1上部由水蒸汽形成的气态空间的压强，p_w为高为H的液柱所产生的压强，p_B为大气压。由此式可知，气态空间5的压强为负压。

作为一个典型的工作条件，以待分离水为海水的情况为例，设大气压为101325Pa(此为1个标准大气压的值)，海水密度为1.02×10³kg/m³(标准海水密度)，液面6与待分离水储槽的液面的高差为9.5m，则液面6之上的气态空间5的压强约为6300Pa，与之对应的水蒸气的饱和温度约为37℃。因此只要使流经蒸发管束7的加热流体的温度高于37℃，就可以使待分离的海水沸腾。一般取加热温差为3-10℃，即取加热流体的温度为40-47℃。此一温度比常压下水的沸腾温度(100℃)要低很多，普通的太阳能集热器即可以满足这一要求。同样，只要使流经冷却管束2中的冷却流体的温度低于37℃，就可以使水蒸汽在冷却管束2的表面冷凝成液态水。一般取冷凝温差为3-10℃，即取冷却流体的温度为27-34℃。冷却流体可以使用自然状态下的海水(其年平均温度低于37℃)，或使用环境中的大气(其年平均温度亦低于37℃)。

在图1的实施例中，冷却流体为待分离水。从环境(大海、河、地表/地下水源等)来的低温待分离水经阀13和管14进入待分离水储槽16。(扩号内部分准备删除：，经泵25输送到冷却管束2中，带走水蒸汽凝结过程中释放的热量，然后返回待分离水储槽16。这样做的好处是，冷凝过程中的热量被用以加热待分离水储槽16中的待分离水，提高热量的利用率。但待分离水储槽16中的海水温度不能升得太高，否则不利于水蒸汽的冷凝，为此必须限制待分离水储槽16中海水的最高温度。这可以通过调节阀门26与阀门27的开度，从而调节低温海水与热海水的混合比来实现。

在本实施例中，虽然蒸发-冷凝容器1的安装位置较高，但因进水管8的吸水口处于待分离水储槽16的液面以下，充分利用了虹吸现象，因此泵25只需克服管道沿程的阻力做功，而不需克服重力做功，因此耗功极少。)

根据图1所示的本发明的实施例，待分离水在由待分离水储槽16进入容器1之间先和换热器10换热，从而提高温度；同时离开容器1的分离尾水被待分离水冷却，温度降低。这样使分离尾水中的热量得到回收，提高了热量利用率。换热器10可以是套管换热器、板式换热器、壳管式换热器、板翅式换热器等任何一种液-液换热器，或它们的组合。

蒸发容器1中的待分离水蒸发之后，其液位6会下降，但由于大气压的作用，会有新的待分离水自待分离水储槽16中经进水管8源源不断地补充进来。当待分离水储槽16的液位下降时，浮球阀15将开启，使来自水源的待分离水经过阀门13和管道14进入待分离水储槽16，为待分离水储槽16进行补充。待分离水储槽16并装有溢流管17，使多余的待分离水流出，从而使待分离水储槽16的液面始终维持在一定高度范围内。

分离之后的分离尾水会由容器1的底部(因蒸发容器1底部的水密度较高)沿尾水管9下降到分离尾水储槽18中。分离尾水储槽18装有溢流管19，始终维持分离尾水储槽18的液面在一定高度。

冷凝水储槽20上的溢流管21的作用也相同，可始终维持冷凝水储槽20的液面在一定高度。

当大气压在一天中的不同时段或一年中的不同季节发生改变，或待分离水储槽中的水温随环境不断变化时，会引起容器1中的待分离水液位6的高度改变，进而引起系统蒸发压强等工作参数的波动。液位6的高度可通过调节流经蒸发管束7的加热流体的温度或流量来控制。当液位6过高时，说明容器1中的水蒸汽5的压强减小，此时需提高流经蒸发管束7的加热流体的温度，或加大流经蒸发管束7的加热流体的流量。反之，当液位6过低时，需减小流经蒸发管束7的加热流体的温度，或减小流经蒸发管束7的加热流体的流量。

流过蒸发管束7的用于加热和蒸发海水的加热流体，可以是来自太阳能集热器的水，也可以是发电厂、化工厂、冶炼厂等的温度较高的尾水，或者是与发电厂、化工厂、冶炼厂的余热进行热交换之后的水。

如果发电厂、化工厂、冶炼厂的余热直接排放到环境中，会造成严重的环境热污染，这种热污染目前已经成为了严重的全球环境问题。另一方面，由于这些工厂余热的温度比较低，迄今仍然缺乏对其回收利用的有效手段。由于本发明所需的加热流体的温度可以仅为40-47℃，可以有效地大量回收利用上述工业余热，因而在环保方面具有极大的价值。

在如图1所示的本发明实施例中，一个泵11用于使冷却水流过冷却管束2，以带走水蒸汽凝结过程中释放的热量。蒸发/冷凝容器1下部的待分离水在加热管束7的加热下蒸发且优选地沸腾蒸发；蒸发所生成的水蒸汽在冷却管束2处冷凝成冷凝水，落到冷凝水盘3中，再经冷凝水管路10到达冷凝水储存容器20。

根据一个具体实施例，流过冷却管束2的冷却水直接来自所述待分离水的水源。

根据一个具体实施例，冷却管束2和待分离水储存容器16连通，用于使在冷却管束2中吸热之后的待分离水进入待分离水储存容器16。

Claims (7)

1.一种可用低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于包括：

一个密封的蒸发/冷凝容器(1)，

一个待分离水液面保持部分(16)，

一条待分离水管路(8)，用于使所述待分离水液面保持部分(16)与所述蒸发/冷凝容器(1)的内部相密闭连通，

一个分离尾水液面保持部分(18)，

一条分离尾水管路(9)，用于使所述分离尾水液面保持部分(18)与所述蒸发/冷凝容器(1)的内部相密闭连通，

设在所述蒸发/冷凝容器(1)内的蒸发管束(7)，

设在所述蒸发/冷凝容器(1)内空间的上部的冷却管束(2)，

设在所述冷却管束(2)下方的冷凝水盘(3)，

一个冷凝水液面保持部分(20)，

一条冷凝水管路(10)，用于使所述冷凝水液面保持部分(20)与所述冷凝水盘(3)的内的淡化水相密闭连通。

2.如权利要求1所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于所述蒸发/冷凝容器(1)被设置在适当的高度，从而使所述负压蒸发水蒸馏分离装置在达到平衡时所述蒸发/冷凝容器(1)内的压强为低于大气压的负压。

3.如权利要求2所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于：

所述待分离水液面保持部分(16)是一个待分离水储存容器(16)，

所述待分离水储存容器(16)带有待分离水溢流管(17)，用于控制所述待分离水储存容器(16)中的液面高度；

所述分离尾水液面保持部分(18)是一个分离尾水储存容器(18)，

所述分离尾水储存容器(18)带有分离尾水溢流管(19)，用于控制所述分离尾水储存容器(18)中的液面高度，

所述冷凝水液面保持部分(20)是一个冷凝水储存容器(20)，

所述冷凝水储存容器(20)带有冷凝水溢流管(21)，用于控制所述冷凝水储存容器(20)中的液面高度。

4.如权利要求2所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于

所述蒸发管束(7)被设置在所述蒸发/冷凝容器(1)内部的下部，从而使所述蒸发管束(7)全部处于所述蒸发/冷凝容器(1)内的待分离水的液面(6)之下。

5.如权利要求4所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

一个泵(11)，用于把直接来自所述待分离水的水源的水输送到所述冷却管束(2)中，

密闭连通所述冷却管束(2)和所述待分离水储存容器(16)的回水管路，用于使在所述冷却管束(2)中吸热之后的所述待分离水返回所述待分离水储存容器(16)。

6.如权利要求5所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

一个浮球阀(15)，用于当所述待分离水储存容器(16)的液位下降到一个预定高度时开启，从而使来自所述水源的所述待分离水经过一个待分离水进水阀(13)并进入所述待分离水储存容器(16)，从而为所述待分离水储存容器(16)补充待分离水。

7.如权利要求5所述的负压蒸发水蒸馏分离装置，其特征在于：

所述分离尾水管路(9)的进流口被设置在所述蒸发/冷凝容器(1)的底部，

所述待分离水管路(8)的出流口被设置在所述蒸发/冷凝容器(1)中高于所述蒸发/冷凝容器(1)的蒸发管束(7)的位置。

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