CN1329309C - 一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，可有效有解决含盐溶液的脱盐淡化问题，其方法是利用冷凝与蒸发器，在闭式下，以空气为介质，利用湿空气，用高温饱和空气携带蒸发水份，到低温冷凝通道冷却，失去水份放出冷凝热，放出的冷凝热被另一侧蒸发加湿通道充分吸收利用，用来对喷淋的盐水和逆向流动的失水后返回的低温饱和空气加热加湿，之后进入蒸发器，利用外部热源加热加湿到饱和状态，冷却过程中产出的冷凝水被收集后送出。本方法中蒸发与冷凝分步同时进行，湿热、潜热充分转换，传质传热强化进行，能量充分循环利用，可显著的提高脱盐效率，降低运行费用，缩小设备体积，其推广应用，有巨大的经济和社会效益。

Description

一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法

一、技术领域

本发明是涉及一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，用于水处理、溶液脱盐、海(卤)水淡化、废弃能源再利用等领域。

二、背景技术

目前，全世界许多地区面临着严重缺乏淡水，正常的生产生活受到了极大的威胁，严重恶化了人类可持续发展的环境。就沿海地区及内陆沙漠化地区而言，沿海地区拥有广阔的海域水资源，内陆沙漠地区拥有丰富的卤水资源，但又不能直接使用。而诸如发电企业、制药厂、医院、海上钻井平台、船舶舰艇等场所运行中排放大量的低品位废热，边防海岛、广大沙漠地区又有充足的太阳能。虽然目前已有诸如多效蒸馏、反渗透、多级闪蒸等方法用来获得软水或淡化海水，一定程度地缓解了淡水缺乏的威胁。但综观现有的方法及装置，普遍存在系统庞大，工艺复杂，制水成本高，投资巨大等，而且不能高效的利用废弃能源。能否找到一种既能充分利用废弃能源，而且廉价、高效、工艺简单的卤水脱盐、海水淡化的方法呢？

三、发明内容

针对上述情况，本发明之目的是提供一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，可有效解决含盐溶液的脱盐淡化问题，其解决的技术方案是利用冷凝与蒸发器在常压闭式环境下，以空气为工作介质，利用湿空气特性，用高温饱和空气携带蒸发水份，到低温冷凝通道冷却，失去水份放出冷凝热，放出的冷凝热被另一侧蒸发加湿通道充分吸收利用，用来对喷淋的盐水和逆向流动的失水后返回的低温饱和空气加热加湿，之后进入蒸发器，利用外部热源强化加热加湿到饱和状态，冷却过程中产出的冷凝水被收集后送出，即为所需的淡水。本方法中蒸发与冷凝分步同时进行，湿热、潜热充分转换，传质传热强化进行，能量充分循环利用，可显著的提高脱盐效率，降低运行费用，缩小设备的体积，其推广应用，为盐水的淡化开辟了新的技术捷径，有巨大的经济和社会效益。

四、附图说明

图1为本发明方法的工作流程图。

图2为本发明的冷凝与蒸发器工作示意图。

图3为本发明的加热蒸发器工作示意图。

图4为蒸发器结构剖面主视图。

图5为冷凝与蒸发器结构剖面主视图。

图6为冷凝与蒸发器另一种结构剖面主视图。

五、具体实施方式

本发明是热流体进入加热蒸发器，经换热器，放出热量，将另一侧的喷淋盐水以及与喷淋水逆向流动的湿空气同时加热，受热后部分水份蒸发并被升温后的热空气带走，实现水盐分离；加热蒸发器送出的高温高湿空气，进入冷凝与蒸发器。其中布有冷凝通道和蒸发通道，二者被间壁隔开。进入冷凝通道中的高温饱和空气被通道另一侧蒸发通道中喷淋的低温盐水、逆向流动的湿空气冷却，失去冷凝水份，放出冷凝热，温度降低后的饱和空气返回工作。形成密闭完整物质循环，冷凝过程中产出的冷凝水(淡水)被收集后送出，产出成品水。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

由图1所示，本发明是热流体1-1从加热蒸发器A的蒸发侧进入，经其热交换，放出热量，上侧的喷淋盐水2-5-2(即含盐离子溶液)、自上一级来的盐水(原盐水)2-4，以及与喷淋逆向流动的湿空气3-3同时经加热蒸发器A，受热后部分水份蒸发并被升温后的高温高湿气体3-4带走，部分未蒸发的盐水及其他盐份落入底槽，实现水盐分离，放热后的热流体1-2经热交换器c，将喷淋的自上一级来的盐水2-4、湿空气3-2进行预热，放出部分热量后，热流体1-3返回热源；加热蒸发器A送出的高温高湿气体3-4，进入冷凝与蒸发器B的冷凝通道，被冷凝与蒸发器B另一侧喷淋溶液2-3-1、低温湿空气3-1冷却，失去冷凝水4，放出冷凝热，温度降低后的饱和空气3-5，经风机d返回，由风机d来的低温饱和湿空气3-1，流经冷凝与蒸发器B的蒸发通道，加热加湿后的湿空气3-2，经热交换器c被进一步加热加湿之后的热湿空气3-3进入蒸发器A，形成密闭循环，冷凝过程中产生的冷凝水4被收集送出，即所需的淡水(成品水)；含盐离子溶液2-1，经热交换器a与排出盐溶液2-6进行热交换，形成热交换后的盐溶液2-2进入冷凝与蒸发器B的蒸发通道，盐溶液2-2喷淋通过蒸发器，一方面，它吸收来自另一侧冷凝通道的冷凝热，温度升高，部分蒸发，并被同一通道中逆向流动而且同样被加热的湿空气3-2带走，未蒸发水分连同盐份落入底槽，另一方面，使蒸发器另一侧冷凝通道中通过的高温高湿气体3-4温度降低，部分水蒸气冷凝，产出冷凝水4(即淡水)，放出热量，落入底槽，溶液2-3经泵e加压后分为两部分，一部分溶液2-3-1经流量控制阀v，重复喷淋，形成冷凝与蒸发器内自循环；另一部分溶液2-3-2经热交换器b与排出的含高浓度阳离子的盐溶液2-6进行热交换，升温后的含盐溶液2-4经热交换器c，进入加热蒸发器A喷淋，落入底槽，经泵f加压后含盐溶液2-5分为两部分，一部分溶液2-5-2经流量控制阀v，重复喷淋，形成蒸发器A内自循环；另一部分溶液2-5-1，依次经流量控制阀v，热交换器b与溶液2-3-2、2-1进行热交换，回收热量，最后，未淡化的盐溶液2-7被排出，并可再次循环进行淡化。

在上述方法及工作过程中，所说的热交换器a、b、c、风机d、控制阀v与加热蒸发器A、冷凝与蒸发器B间均由管道联通，构成循环系统；所说的热流体1-1为各种余热，太阳能、热泵或其他热源；所说的含盐离子溶液2-1或喷淋的盐溶液2-2为海水、苦卤水，所说的冷凝与蒸发器B的蒸发通道为翅片管式、或裸管式、或间壁通道式，或是其他换热器。

图4给出了一种加热蒸发器结构，图5、图6给出了两种结构的冷凝与蒸发器结构。由图4所示，加热蒸发器A是在外壳10内装有翅片管5，翅片管间有蒸发通道7，翅片管内有热流体通道8，翅片管上面有喷淋头9，外壳内下部有水槽13，相对两侧壁上有进口11和出口12；图5所示的冷凝与蒸发器B与图4所示蒸发结构相同，所不同的只是翅片管内为冷凝通道6，图6所示的另一种冷凝与蒸发器B与图5所示基本结构是相同的，只是翅片管16、冷凝通道14、蒸发通道15在结构形式上有所不同，其功能与效果是一样的，不再重述。

由上述工作情况可以看出，本发明方法，其主要特征是冷凝与蒸发器中冷凝热的回收以同时传质传热形式进行，即：冷凝通道中放出冷凝热，另一侧蒸发通道中，喷淋的海水(或其他溶液)和逆向流动的循环空气同时被加热，充分利用潜热、湿热转换，使得水份脱盐蒸发——空气饱和过程充分进行。淡水的形成过程是通过不同条件下饱和空气潜热、湿热的互相转换实现的，相当部分热量被循环重复利用。

图1所示为两级蒸发与冷凝的工艺流程，它分为热源工作流程、空气(水蒸发与冷却)循环工作流程和含盐离子溶液流程三部分，其中热源为1(由不同阶段的热源体1-1、1-2、1-3构成)、空气为3(由不同阶段的气体3-1、3-2、3-3、3-4、3-5构成)、含盐离了溶液为2(由不同阶段的含盐溶液2-1、2-2、2-3、2-4、2-6、2-7、2-3-1、2-3-2、2-5-1、2-5-2构成)淡化水为4(即去盐后的冷凝水)，下边再对三部分流程详述之：

热源流体工作过程：

热流体1-1进入加热蒸发器A，经翅片管式(或裸管、板换等其他)换热器，放出热量，将另一侧的溶液2-5-2、自上一级来的盐水2-4，以及与喷淋逆向流动的湿空气3-3加热，受热后的部分水份蒸发并被升温后的热空气3-4带走，部分未蒸发的水及其他盐分等落入底槽；放热后的热流体1-2经过热交换器c，将喷淋的盐水2-4、湿空气3-2进行预加热，放出部分热量后热流体1-3返回热源。

湿空气(蒸发与冷凝)循环工作过程：

由风机d来的低温饱和湿空气3-1，流经冷凝与蒸发器B(翅片管式)蒸发通道，加热加湿后的湿空气3-2，经热交换器c，被进一步加热加湿溶液3-3，进入加热蒸发器A。加热加湿后形成的高温高湿气体3-4，进入冷凝与蒸发器B冷凝通道，被另一侧喷淋溶液2-3-1、低温湿空气3-1冷却，失去冷凝水4，放出冷凝热，温度降低后的饱和空气3-5，经风机d，返回工作，形成密闭完整循环。

冷凝过程中产出的冷凝水4(即淡水)被收集后送出，产出成品水。

含盐离子溶液(原水)流程：

含盐离子溶液2-1，经热交换器a与排出盐溶液2-6进行热交换，形成盐溶液2-2进入冷凝与蒸发器B的蒸发通道，含盐溶液2-2喷淋通过冷凝与蒸发器B，一方面，它吸收来自另一侧冷凝通道的冷凝热，温度升高，部分蒸发，并被同一通道中逆向流动而且同样被加热的湿空气3-2带走，未蒸发水分连同盐分落入底槽。另一方面，使冷凝与蒸发器B另一侧冷凝通道中通过的高温高湿湿空气3-4温度降低，部分水蒸气冷凝，产出冷凝水4(即淡水)，放出热量。

落入底槽溶液2-3经泵e加压后分为两部分，一部分溶液2-3-1经流量控制阀v，重复喷淋，形成级内自循环；另一部分溶液2-3-2经热交换器b与排出的含高浓度阳离子的盐溶液2-6进行热交换，升温后的盐水2-4过热交换器c喷淋，之后进入加热蒸发器A。

进入加热蒸发器A的盐水2-4喷淋，经蒸发器落入底槽，经泵f与加压后溶液2-5分为两部分，一部分溶液2-5-2经流量控制阀v，重复喷淋，形成器内自循环；另一部分溶液2-5-1，依次经热交换器b与溶液2-3-2、2-1进行热交换，回收热量，最后，溶液2-7被排出。

本发明有很好的使用效果，如温度72℃热源条件下：

4％盐水2-1以60kg/h流量、25℃过热交换器a的盐溶液2-2温升28℃，进入冷凝与蒸发器，经蒸发通道后溶液2-3温升至49℃，溶液2-3-2过热交换器b，温升至51℃的溶液2-4，进入热交换器c喷淋，温升至58℃进入蒸发器A，过交换器升温至65℃的溶液2-5，一部分溶液2-5-2继续喷淋循环，另一部分溶液2-5-1依次经热交换器b、a，温降至38℃，排掉。

从风机d来的低温循环饱和空气3-1进入冷凝与蒸发器的蒸发通道，加热加湿至49℃饱和空气3-2，过热交换器c被加热加湿饱和至55℃的热湿气3-3进入蒸发器A，被加热加湿至68℃饱和的高温高湿气体3-4，返回冷凝与蒸发器的冷凝通道，失去部分水份放出冷凝热后，形成37℃饱和空气3-5，过风机，形成循环。

72℃热源1-1进入蒸发器A，放热后热流体1-2温度为66℃，过热交换器c返回热源，形成循环。

在此条件下，淡水产量42kg/h，电耗0.16kwh。吨水耗电成本1.91元。

温度95℃热源为：

仅提高热源温度至95℃，加大盐水供给量至400kg/h，其他条件不变，可制取淡水289kg/h。电耗0.16kwh。吨耗电成本0.28元。

图2所示冷凝与蒸发器B在于是：

蒸发侧——从外界来的盐水(或含其他阳离子)与最终排弃的高含阳离子溶液先进行热交换，回收排弃的高含阳离子溶液热量，升温后，进入冷凝与蒸发器，经溶液泵加压喷淋，与逆向流动的低温饱和空气直接接触，过热交换器，一方面，盐溶液与低温空气同时将交换器另一侧从加热蒸发器来的高温高湿空气冷却，使得高温高湿空气温度降低，失去部分水分，同时放出冷凝热。另一方面，盐溶液与低温空气吸收蒸发器另一侧高温高湿饱和空气放出的冷凝热，温度升高，部分水份蒸发并被升温后的空气带走。失去部分水份的盐溶液落入底槽，经溶液泵加压。加压后的溶液，一部分循环喷淋，另一部分被送往下一级，形成完整循环。

冷凝侧——从加热蒸发器的高温高湿饱和或接近饱和的湿空气经过冷凝与蒸发器时，被另一侧的低温盐水和湿空气冷却，温度降低，失去所携带的大部分水份，同时放出冷凝热，变成低温饱和湿空气。该低湿饱和湿空气经风机加压后，进入本级交换器另一侧，与从外界来的盐水汇合，形成完整闭路循环。

图3所示加热蒸发器A在于是：

利用外界提供的热能，将从冷凝与蒸发器来的盐水和低温空气同时加热(其工作过程与冷凝与蒸发器基本相同，区别在于交换器高温侧通过的是外界提供的热源)。受热后，盐水和空气温度升高，盐水升温，部分水份蒸发，并被逆向流动的热空气带走，热空气达到饱和或接近饱和，进入冷凝与蒸发器冷凝侧，温度降低，失去水分，放出热量，形成完整循环。

根据需要，上述过程中加热蒸发和冷凝与蒸发可以是单级的，也可以是两级或两级以上的。

本发明系统中，水份蒸发与冷凝循环进行的载体是空气，其特点是整个过程中是封闭进行的。

本发明工艺简单，全过程常压环境下进行，能源被高效利用。既适合海水、苦咸水生产淡水，也适合制取软水，也可用于各种溶液脱盐、脱水浓缩。本发明的推广应用，为取之不尽的海水淡化，满足人们生产和生活的需要开辟广阔的道路，将对为类作出巨大的创造性贡献。

Claims (6)

1、一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，热流体(1-1)从加热蒸发器(A)的蒸发侧进入，经热交换，放出热量，上侧的喷淋盐水(2-5-2)、自上一级来的盐水(2-4)、以及与喷淋逆向流动的湿空气(3-3)同时经加热蒸发器(A)，受热后部分水份蒸发并被升温后的高温高湿气体(3-4)带走，部分未蒸发的盐水及其他盐份落入底槽，实现水盐分离，放热后的热流体(1-2)经热交换器(c)，将喷淋的自上一级来的盐水(2-4)、湿空气(3-2)进行预热，放出部分热量后，热流体(1-3)返回热源；加热蒸发器(A)送出的高温高湿气体(3-4)，进入冷凝与蒸发器(B)的冷凝通道，被冷凝与蒸发器(B)另一侧喷淋溶液(2-3-1)、低温饱和湿空气(3-1)冷却，失去冷凝水(4)，放出冷凝热，温度降低后的饱和空气(3-5)，经风机(d)返回，由风机(d)来的低温饱和湿空气(3-1)，流经冷凝与蒸发器(B)的蒸发通道，加热加湿后的湿空气(3-2)，经热交换器(c)被进一步加热加湿之后的热湿空气(3-3)进入蒸发器(A)，形成密闭循环，冷凝过程中产生的冷凝水(4)被收集送出；含盐离子溶液(2-1)，经热交换器(a)与排出盐溶液(2-6)进行热交换，形成热交换后的盐溶液(2-2)进入冷凝与蒸发器(B)的蒸发通道，盐溶液(2-2)喷淋通过蒸发器，一方面，它吸收来自另一侧冷凝通道的冷凝热，温度升高，部分蒸发，并被同一通道中逆向流动而且同样被加热的湿空气(3-2)带走，未蒸发水分连同盐份落入底槽，另一方面，使蒸发器另一侧冷凝通道中通过的高温高湿气体(3-4)温度降低，部分水蒸气冷凝，产出冷凝水(4)，放出热量，落入底槽溶液(2-3)经泵(e)加压后分为两部分，一部分溶液(2-3-1)经流量控制阀(v)，重复喷淋，形成器内自循环；另一部分溶液(2-3-2)经热交换器(b)与排出的含高浓度阳离子的盐溶液(2-6)进行热交换，升温后的含盐溶液(2-4)经热交换器(c)，进入加热蒸发器(A)喷淋，落入底槽，经泵(f)加压后含盐溶液(2-5)分为两部分，一部分溶液(2-5-2)经流量控制阀(v)，重复喷淋，形成器内自循环；另一部分溶液(2-5-1)，依次经流量控制阀(v)、热交换器(b)与溶液(2-3-2)、(2-1)进行热交换，回收热量，最后，未淡化的盐溶液(2-7)被排出。

2、根据权利要求1所述的一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，所说的冷凝与蒸发器中冷凝热的回收以同时传质传热形式进行，即：冷凝通道中放出冷凝热，另一侧蒸发通道中，喷淋的海水和逆向流动的循环空气同时被加热，充分利用潜热、湿热转换，使得水份脱盐蒸发——空气饱和过程充分进行，淡水的形成过程是通过饱和空气潜热、湿热的互相转换实现的，热量被循环重复利用。

3、根据权利要求1所述的一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，所说的蒸发和冷凝过程是单级，或由两级、或两级以上组成。

4、根据权利要求1所述的一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，所说的热源是各种余热或太阳能，或是热泵、或其他热源。

5、根据权利要求1所述的一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，所说的冷凝与蒸发通道是翅片管式或裸管式或间壁通道式，或是其他换热器。

6、根据权利要求1所述的一种非沸腾蒸发与冷凝分级循环进行的脱盐方法，其特征在于，所说的蒸发器(A)或冷凝与蒸发器(B)其结构是外壳(10)内装有翅片管(5)，翅片管间有蒸发通道(7)，翅片管内有热流体通道(8)或冷凝通道(6)，翅片管上面有喷淋头(9)，外壳内下部有水槽(13)，相对两侧壁上有进口(11)和出口(12)。

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