低能耗常温海水淡化系统及其方法

专利名称：低能耗常温海水淡化系统及其方法
技术领域：
本发明涉及海水淡化技术领域，具体地说，涉及一种在真空或者负压状态下进行 低能耗常温海水淡化系统及其方法。
背景技术：
地球表面2/3的面积被水覆盖，但水储量的97%为海水和苦咸水，这些水是很丰 富的。但是，要利用海水必须经过淡化。目前，全世界有一百二十多个国家和地区采用海水 或苦咸水淡化技术取得淡水。据统计，海水淡化系统与生产量以每年10%以上的速度在增 加。亚洲国家如日本、新加坡、韩国、印尼与中国等也都积极发展或应用海水淡化做为替代 水源，以增加自主水源的数量。目前，海水淡化的技术主要有蒸馏、冻结、反渗透、离子迁移、化学法等办法。现行 海水淡化技术耗电耗能，虽然意义重大，但就目前经济技术水平而言，海水淡化的成本还是 比较高，而且工艺复杂，投资额大。下面对目前海水淡化技术进行简单的介绍最简单的方法就是蒸馏法，将水蒸发而盐留下，再将水蒸气冷凝为液态淡水。另一个海水淡化的方法是冷冻法，冷冻海水，使之结冰，在液态淡水变成固态的冰 的同时，盐被分离了出去。两种方法都有难以克服的弊病。蒸馏法虽然简单，但是会消耗 大量的能源，并在容器内产生大量的沉淀物(海水中盐的矿物质)，相反得到的淡水却并不 多。冷冻法同样要消耗许多能源，得到的淡水却味道不佳，难以使用。到上个世纪中叶，一种新的海水淡化方式问世了，这就是反渗透法。这种方法利用 半透膜来达到将淡水与盐分离的目的。在通常情况下，半透膜允许溶液中的溶剂通过，而不 允许溶质透过。由于海水含盐高，如果用半透膜将海水与淡水隔开，淡水会通过半透膜扩散 到海水的一侧，从而使海水一侧的液面升高，直到一定的高度产生压力，使淡水不再扩散过 来。这个过程是渗透。如果反其道而行之，要得到淡水，只要对半透膜中的海水施以压力， 就会使海水中的淡水渗透到半透膜外，而盐却被膜阻挡在海水中。这就是反渗透法。这种 方法主要问题在于半透膜容易被水体里的异物堵塞。现在，人们对传统的蒸馏法也进行了改进。通常，水在常温常压下要加热到100°C 才沸腾，产生大量的水蒸气。传统的蒸馏法只考虑了通过升高温度获得水蒸气的方式，耗能 甚巨。而新的方法是将气压降下来，把经过适当加温的海水，送入人造的真空蒸馏室中，海 水中的淡水会在瞬间急速蒸发，全部变成水蒸气。许多这样的真空蒸馏室连接起来，就组成 了大型的海水淡化工厂。针对这种新型的蒸馏法进行淡化海水，许多人提出了自己的技术 方案。见中国专利申请号为98208392. 0的中国实用新型专利说明书，其公开了一种 “负压蒸发式海水淡化装置”。其主要由淡化罐、真空泵和淡水容器组成，淡化罐包括罐体 和上盖；罐体上部敞口，其内腔装设有若干竖直的板状网，其靠上管壁有连通真空泵的抽吸 管，其下端有可启、闭的密封的取盐门；上盖有空腔的夹层结构，上顶有进水管，下底平面上分布有若干滴水管，上盖以底面法兰边与罐体顶面对应法兰边垫有环形密封垫，以螺栓螺 母成密封紧固连接；本实用新型采用真空泵抽吸产生负压使海水蒸发，结构简单，设备可大 可小，海水淡化速度快，淡化成本较低。上述利用抽真空或者负压、低压状态下真空淡化海水或污水的技术虽然具有一定 的可行性，但这些技术方案均是用真空泵一直持续不断地抽出密封体内的水汽，再把真空 泵抽出的水汽冷凝成淡水。其造成的问题就是1、真空泵本身能耗很高，将真空泵一直处于 工作状态，需要消耗较大的电能等高品位能源。2、真空泵的抽气过程是需要润滑油且与抽 出的气体混在一起的，所以在真空泵上有一个分离和回收润滑油的装置。如果用它抽水汽， 很快真空泵就会磨损坏掉。见中国专利申请号为=98225969. 7的中国实用新型专利说明书，其公开了一种 “真空管太阳能海水淡化器”，也是采用同样的原理进行海水淡化处理。另外，见中国专利申 请号为=99244690. 2的实用新型专利也公开了 “一种低压蒸馏(蒸发)海水淡化装置”。这类技术的问题是没考虑到水体中溶有大量的空气，水源在负压下不断逸出的空 气使淡化过程不能持续或效率极低，还有蒸发和冷凝的温差系统也不完善，设想的可行性、 可操作性较差而且结构复杂、成本较高。所以现行这些技术如果进行实用化和产业化还有很多现实问题需要解决。本发明人正是在总结上述技术方案的不足后，经过自己多年的研究和测试，提出 如下的技术方案。

发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种具有低常规能耗 的低能耗常温海水淡化系统。为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案该系统包括一热端海水 罐，该海水罐用于容置待淡化的海水；一低温端冷凝器，其用于进入低温端冷凝器内的水蒸 气冷凝为液态水；一冷凝水淡水罐，用于收集经低温端冷凝器冷凝的液态水；上述的热端 海水罐、低温端冷凝器和冷凝水淡水罐通过设有阀门的管道连通，并且于该管道系统中设 置有一与真空泵连接的抽真空接口，用于对管道内的空间进行抽真空处理；上述的热端海 水罐所处的环境温度较低温端冷凝器所处环境的温度高，且热端海水罐所处的环境温度至 少在4°C以上。所述的热端海水罐通过表层海水或者工业余热、太阳能集热等加热；所述的低温 端冷凝器通过深层海水或者遮阳降温装置保持在相对热端更低温环境。所述热端海水罐为不锈钢材质制作的容器，其外部设置有罐体加强肋条、内部有 加强换热管、下部有析出盐类螺杆提取装置、上部有乏空气海水注入口及与低温端冷凝器 连通的具有阀门的水汽出气管道。所述热端海水罐的加热源为表层温热水或工业余热或太阳能集热等低品位热水， 热端海水罐内的海水是乏空气海水，乏空气海水是指水里含空气量极少的水，可以通过密 封罐体抽真空或常压下将水加热至沸腾以排出水中所溶解的空气即可；所述的低温端冷凝 器的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷源可以是深层低温水或遮阳的低温环境 或者风冷装置。
所述的与真空泵连接的抽真空接口设置于热端海水罐(4)、低温端冷凝器和冷凝 淡水罐之间的管道上。 所述的冷凝淡水罐底部装有设置有阀门的淡水提取口。本发明所要解决的另一个技术问题在提供一种具有低常规能耗常温海水淡化的 方法。为解决上述第二个技术问题，本发明采用了如下的技术方案该方法为首先将 待处理的乏空气海水注入于一热端海水罐内，该热端海水罐处于温度高于4°C的相对冷端 更热的环境中；其次，处于热端海水罐内的乏空气海水在真空常温下经过沸腾汽化，通过管 道进入低温端冷凝器内凝结成液态水，该低温端冷凝器处于一个较热端海水罐温度低的环 境中；随后，凝结的液态水通过管道流入冷凝淡水罐内；上述方法中，在开始海水淡化前， 应对整个管道内空间进行抽真空处理，令所淡化的海水处于真空或者负压环境，以降低海 水汽化温度。只要保持热端和冷端的相对温差，水就会不断地在热端汽化在冷端冷凝。上述技术方案中，所述热端海水罐的加热源为表层温热水或工业余热或太阳能集 热等低品位热源水；所述的低温端冷凝器的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷 源可以是深层低温水或遮阳的低温环境或者风冷装置。本发明采用上述技术方案后，首先，其无需过多使用额外的生物质或化石或电等 高品位能源驱动整个系统的汽化、淡化工作，其热端海水罐与低温端冷凝器之间的温度差 利用不同水层的温度差，加快海水沸腾蒸发过程。其次，该技术方案中，真空泵仅仅在系统 工作前短时运行，当系统里的空气含量很低后，真空泵就停止工作，这样就可以减小真空泵 的磨损和能耗，并且也无需增设油水分离设施，结构简化。最后，本发明处于常温下工作，整 个工作过程主要是泵水的能耗，并且可以产生足够量的淡化水，相对于现有海水淡化技术， 其更加环保、节能、低碳，运行简易而且安全。


图1是本发明中系统原理图。 具体实施例参见图1，本发明所采用的方法是首先整个海水淡化过程在一个封闭的管道空间内进行，该封闭空间的起始点是一 个热端海水罐4，将待处理的乏空气海水注入该热端海水罐4内，该热端海水罐4处于温度 高于4°C的较热环境中。这里所说的乏空气海水是指空气含量很低的海水。该乏空气海 水的获取可以是在淡化处理前经开放式加热或密闭罐预抽真空处理，已去除水中所溶解的 绝大部分空气的海水。这样，海水在汽化过程中，沸点降低，效率将大大提高。其次，处于热端海水罐4内的乏空气海水在真空或者负压环境下沸腾汽化，汽化 的水汽通过管道进入低温端冷凝器8内凝结成液态水，该低温端冷凝器8处于一个较热端 海水罐4温度低的环境中。最后，凝结的液态水通过管道流入冷凝淡水罐11内。上述方法中，在开始海水淡化前，应对整个管道空间进行抽真空处理，令所淡化的 海水处于真空或者负压环境，以降低海水沸点。
在整个淡化过程中，只要热端海水罐4的温度高于低温端冷凝器8，且热端温度在 4°C以上，则在乏空气真空环境中，热端海水罐4中的海水不断地汽化，水汽进入低温端水 汽冷凝器8中不断地被冷凝，再流入下端冷凝淡水罐11形成液态淡水，而且此过程不需对 管道持续抽真空，只须保持热端和冷端的温差即可持续淡化海水。上述方法中，为了保持热端和冷端的温差，需要一定的加热或降温措施，而本发明 采用的是利用自然环境中形成的温差来实现，无需外设其他高品位能源的加温或降温设 施。具体方法是所述热端海水罐4的加热源为表层温热水1或工业余热或太阳能集热等 低品位热水；所述的低温端冷凝器8的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷源可 以是深层低温水或遮阳的低温环境或者风冷装置。本方法中其热端海水罐4与低温端冷凝 器8之间的温度差利用不同水层的温度差实现的。或者利用太阳能或风冷等自然条件形成 的加温或降温效果，从而减少高品位能源的使用。见图1，本发明低能耗常温海水淡化系统具体采用的一实施例为该系统包括热 端海水罐4、低温端冷凝器8、冷凝水淡水罐11以及将其连通的管道。具体而言，热端海水罐4用于容置待淡化的海水，其为不锈钢材质制作的容器，其 外部设置有罐体加强肋条6、内部有加强换热管2、下部有析出盐类螺杆提取装置5、上部有 乏空气海水注入口 3及与低温端冷凝器8连通的具有阀门6的水汽出气管道。低温端冷凝器8与水汽储气管道连通，所述的低温端水汽冷凝器8的冷却采用增 大与冷源接触面积的冷凝装置，冷源可以是深层低温水或遮阳的低温环境等。另外，热端海 水罐4所处的环境温度较低温端冷凝器8所处环境的温度高，且热端海水罐4所处的环境 温度至少在4°C以上。所述的冷凝淡水罐11底部装有设置有阀门的淡水提取口 12。上述的热端海水罐4、低温端冷凝器8和冷凝水淡水罐11通过设有阀门的管道连 通，并且于该管道系统中设置有一与真空泵连接的抽真空接口 10，用于对管道内的空间进 行抽真空处理。该与真空泵连接的抽真空接口 10设置于热端海水罐4、低温端冷凝器8和 冷凝淡水罐11之间的管道上，热端海水罐4通过表层海水或者太阳能加热；所述的低温端冷凝器8通过深层海 水或者降温装置保持在低温环境。具体而言，热端海水罐4的加热源为表层温热水1或工 业余热或太阳能集热等低品位热水，热端海水罐4内的海水是乏空气海水；所述的低温端 冷凝器8的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷源可以是深层低温水或遮阳的低 温环境或者风冷装置。使用本系统时，首先，在管路中设有预抽真空接口 10，特别之处在于只在加注海水 之前和加注后抽真空数分钟，目的在于去除管路系统中的绝大部分空气，而不是用于抽出 其中的水汽。然后将待处理的乏空气海水注入该热端海水罐4内，该热端海水罐4处于温 度高于4°C的较热环境中。由于整个管道空间内气压下降，海水沸点温度降低，在真空环境 下，4°C以上环境海水就会快速沸腾汽化，产生蒸汽，通过管道进入低温端冷凝器8内遇冷 凝结成液态水，该低温端冷凝器8处于一个较热端海水罐4温度低的环境中。最后，凝结的 液态水通过管道流入冷凝淡水罐11内。海水持续淡化时不须对管道抽真空，只须保持热端海水罐4和低温端冷凝器8的 温差即可使之正常运行。水的汽化热量来自于热端海水罐4外的低品位热源(因水在真空中的沸点降低至4°C以上)，在管路中因冷凝器的冷却作用，水汽在低温端冷凝器8外冷凝 形成液态水，体积变小导致此处水汽压降低，热端海水汽化的水汽流过来补充，如此源源不 断地将海水淡化。 热端海水罐4内的海水由于不断的汽化，海水中的盐或其他矿物质将会析出，如 果累积到一定量后，可以通过热端海水罐4下部的螺杆提取装置5将盐或其他矿物质提取 出来。当冷凝淡水罐11内淡化水收集到一定量后，可以通过其底部装有的淡水提取口及阀 门将淡化水提取出来。提取时须用吸力大于1个大气压或扬程高于10米的水泵或活塞泵。 另外，为了便于观察，热端海水罐4、冷凝淡水罐11上应设置水位计以及温度传感器等。
权利要求
低能耗常温海水淡化系统，该系统包括一热端海水罐(4)，该热端海水罐(4)用于容置待淡化的海水或待处理普通水；一低温端冷凝器(8)，其用于将进入低温端冷凝器(8)内的水蒸气冷凝为液态水；一冷凝水淡水罐(11)，用于收集经低温端冷凝器(8)冷凝的液态水；上述的热端海水罐(4)、低温端冷凝器(8)和冷凝水淡水罐(11)通过设有阀门的管道连通，并且于该管道系统中设置有一与真空泵连接的抽真空接口(10)，用于对管道内的空间进行抽真空处理；上述的热端海水罐(4)所处的环境温度较低温端冷凝器(8)所处环境的温度高，且热端海水罐(4)所处的环境温度至少在4℃以上。
2.根据权利要求1所述的低能耗常温海水淡化系统，其特征在于所述的热端海水罐 (4)通过表层海水或者太阳能加热；所述的低温端冷凝器(8)通过深层海水或者降温装置 保持在与热端相比的低温环境。
3.根据权利要求1所述的低能耗常温海水淡化系统，其特征在于所述热端海水罐(4) 为不锈钢材质制作的容器，其外部设置有罐体加强肋条(6)、内部有加强换热管(2)、下部 有析出盐类螺杆提取装置(5)、上部有乏空气海水注入口(3)及与低温端冷凝器(8)连通的 具有阀门(6)的水汽出气管道。
4.根据权利要求2所述低能耗常温海水淡化系统，其特征在于所述热端海水罐(4) 的加热源为表层温热水(1)或余热或太阳能集热等低品位热水，热端海水罐(4)内的海水 是乏空气海水；所述的低温端冷凝器(8)的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷 源可以是深层低温水或遮阳的低温环境或者风冷装置。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述低能耗常温海水淡化系统，其特征在于所述的 与真空泵连接的抽真空接口(10)设置于热端海水罐(4)、低温端冷凝器(8)和冷凝淡水罐 (11)之间的管道上，并设置有自动或手动阀门。
6.根据权利要求5所述低能耗常温海水淡化系统，其特征在于所述的冷凝淡水罐 (11)底部设置有阀门的淡水提取口(12)。
7.低能耗常温海水淡化方法，该方法为首先将待处理的乏空气海水放置于一热端海水罐(4)内，该热端海水罐(4)处于温度 高于4°C的热环境中；乏空气是指水体里含空气量极少的水，通过密封罐体抽真空或开放 式将水加热至沸腾已排出水中所溶解的空气的水。其次，处于热端海水罐(4)内的乏空气海水在真空状态中沸腾汽化后通过管道进入低 温端冷凝器(8)内凝结成液态水，该低温端冷凝器(8)处于一个较热端海水罐(4)相对温 度更低的环境中；温差越大，效率越高。随后，凝结的液态水通过管道流入位置更低的冷凝淡水罐(11)内；上述方法中，在开始海水淡化前，应对整个管道空间进行抽真空处理，令所淡化的海水 处于真空或者负压环境，以降低海水沸点温度。
8.根据权利要求7所述低能耗常温海水淡化方法，其特征在于所述热端海水罐(4) 的加热源为表层温热水(1)或余热或太阳能集热等低品位热水；所述的低温端冷凝器(8) 的冷却采用增大与冷源接触面积的冷凝装置，冷源可以是深层低温水或遮阳的低温环境或 者风冷装置等。
9.根据权利要求7所述的低能耗常温海水淡化方法，其特征在于所述的待淡化海水 可以是自然界普通河流、湖泊水、污水中的任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种在真空或者负压状态下进行低能耗常温海水淡化系统及其方法。该系统包括用于容置待淡化的海水的海水罐；其用于将水蒸气冷凝为液态水的一低温端冷凝器；用于收集经低温端冷凝器冷凝的液态水的一冷凝水淡水罐；上述的热端海水罐、低温端冷凝器和冷凝水淡水罐通过设有阀门的管道连通，并且于该管道系统中设置有一与真空泵连接的抽真空接口，用于对管道内的空间进行抽真空处理。本发明采用上述技术方案后，其无需过多使用额外的生物质或化石或电等高品位能源驱动整个系统的汽化、淡化工作，其热端海水罐与低温端冷凝器之间的温度差利用不同水层的温度差，加快海水沸腾蒸发过程。本发明处于常温下工作，整个工作过程主要是泵水的能耗，并且可以产生足够量的淡化水，相对于现有海水淡化技术，其更加环保、节能、低碳，运行简易而且安全。
文档编号C02F1/04GK101913667SQ201010248188
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者何斌 申请人:何斌