用于净化水及产生水蒸气的系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种用于净化水产生水蒸气的系统。更详而言之，本发明是涉及一种应用一系列的感应器和控制系统来汽化水、去除溶解固体以及经由水平的水处理容器把污染的水最大化地恢复成饮用水的改善方法。
【背景技术】
[0002]脱盐(又称淡化或去盐)是指从水中去除多余的盐、矿物质和其他自然或非自然污染物的众多制程中的其中一种。历史上，脱盐是用在船上把海水转化成饮用水。现代的脱盐制程仍然是用于船上或潜艇以确保有足够的饮用水供应给船员。但是，脱盐越来越常用在缺乏淡水资源的干旱地区。在这些地区，来自海洋的盐水被淡化成淡水以用于消耗(意即饮用)或者灌溉。从脱盐制程中得到的高度浓缩的废弃产物一般称之为卤水，具有盐分(氯化钠)作为典型的主要副产品。目前在脱盐中最受瞩目的是在于开发出具成本效益的制程以提供淡水给这些有限淡水资源的干旱地区的使用。
[0003]大型脱盐通常是昂贵的，且一般需要大量的能源和昂贵的基础设施。例如，世界上最大的海水淡化厂主要使用多阶段式急速蒸馏并且能每年制造出3亿立方公尺的水。在美国的最大海水淡化厂每天能够淡化2500万加仑(95000立方公尺)的水。世界上有将近13000座海水淡化厂能够每天制造出超过120亿加仑(4500万立方公尺)的水。因此，在此领域中一直具有改良脱盐方法的需求，也就是降低成本且增进相关系统的效率。
[0004]脱盐可以由许多不同的制程来进行。例如，有多个制程是使用简单的蒸发系(evaporat1n-based)脱盐方法,像是多效蒸发(MED或简称ME)、蒸汽压缩蒸发(VC)和蒸发冷凝。通常，蒸发冷凝在自然界的水循环中是一种自然脱盐制程。在水循环中，水从源头，像是湖泊、海洋和河流，蒸发到大气中。蒸发后的水接着接触到冷空气会形成露水或雨水。所得到的水一般来说是不含杂质的。该水循环可藉由人为地一系列的蒸发冷凝制程来复制。在基本操作中，盐水被加热到蒸发。盐与其他杂质从水中溶解出且在蒸发阶段留下。之后该蒸发的水被冷凝、收集并储存为淡水。多年来，蒸发冷凝系统已经得到很大的改良，特别是更多有效科技的到来推动了该制程的进行。但是，这些系统仍然需要输入相当的能源来蒸发水。另一种蒸发系脱盐方法是包括多阶段的急速蒸馏，如同上文的简要描述。多阶段式急速蒸馏是采用真空蒸馏。真空蒸馏是通过于蒸发室中引起真空以在低于大气压的压力下进行一种煮沸水的制程。因此，真空蒸馏需要在比多效蒸发或蒸汽压缩蒸发要低得多的温度下操作，所以仅需要较少的能源便能蒸发水而从中分离出污染物。这个制程在能源成本上升的角度来说是相当理想的。
[0005]另一种脱盐方法可包括薄膜系(membrane-based)制程,像是逆渗透(RO)、电解透析逆渗透(EDR)、奈米过滤(NF)、正向渗透(FO)以及薄膜蒸馏(MD)。在这些脱盐制程中，逆渗透是最常被使用的。逆渗透使用半透薄膜来施加压力以从水中分离出盐与其他杂质。逆渗薄膜被认为是有选择性的。即，该薄膜对于水分子而言是高度可渗透的，而对于盐与其他溶解于其中的杂质是高度不可渗透的。这些薄膜本身被储存在昂贵且高度加压的容器中。该容器会使该薄膜的表面积以及通过其中的盐水流速最大化。传统的渗透脱盐系统通常使用下列两种技术中的其中一种来发展系统中的高压环境:(I)高压泵；或是(2)离心机。高压泵会帮助过滤盐水通过薄膜。系统中的压力会根据泵的设定与盐水的渗透压来变化。渗透压是取决于溶液温度和溶解于其中的盐的浓度。可替代地，离心机通常更有效，但更难以实行。离心机会高速转动溶液以分离出溶液中不同密度的材料。在薄膜的组合中，悬浮盐和其他污染物者要是受到沿着薄膜长度的等量径向(constant radial accelerat1n)加速度的影响。对逆渗透制程中的一个常见问题是悬浮盐的去除和薄膜会随着时间被阻塞住。
[0006]逆渗透式水淡化厂的运作费用主要取决于需要驱动高压泵或离心机的能源费用。水力能源恢复系统可被整合到逆渗透系统中以对抗关于在能源密集性制程中的能源成本的上升。这涉及到输入能源的回收部分。例如，涡轮机在需要高运作压力与大量盐水的系统中特别能被用于回收能源。涡轮会在水压降低的期间回收能源。因此，在逆渗透系统中的能源回收是取决于薄膜相对两侧的压差。在盐水侧的压力大大高于在已脱盐的水侧的压力。压降会造成涡轮可观的水能源回收。因此，在逆渗薄膜的高低压部分之间产生的能源会被利用而不会完全被浪费掉。回收的能源可用于驱动任何系统组件，包括高压泵或离心机。涡轮机并有助于降低整体能源消耗以执行脱盐制程。
[0007]一般来说，逆渗透系统通常比加热蒸馏消耗更小的能源，因此，更符合成本效益。当逆渗透对于处理有些淡盐水溶液有良好效果时，反而对处理高浓度盐水溶液，像是海水，可能会变得负荷过重且效率变低。其他方面，较低效率的脱盐方法可包括离子交换、冷冻、地热脱盐、太阳能加湿(HDH或MEH)、甲烷水合物结晶、高阶水回收或射频感应加热。不管用什么制程，脱盐是需要维持高密集能源。未来的成本和经济的可行性继续取决于脱盐技术的价格和操作该系统所需的能源成本。
[0008]另一种脱盐的替代方法，在美国专利第4，891，140号，由小柏克(Burke，Jr.)揭露一种方法，其藉由分解蒸馏来分离并去除水中溶解的矿物质与有机材料。在这里，水在压力的控制下被加热成蒸气。当水蒸发时溶解的盐颗粒和其他污染物便从溶液中掉出。整合的水力漩流离心机加速这个分离制程。这个加热的、高压干净水通过热交换和液压马达把能量传递回系统。因此用到的净能源(net energy)相对少于前述制程。事实上，用到的净能源实际上等于设备运行中的泵损失与热损失。这种设计的一个特别优点是没有薄膜来替代。不然这个制程中去除化学物质和其他物质会损害或破坏薄膜系脱盐设备。
[0009]另一篇专利，美国专利第4，287，026号，由华勒斯(Wallace)揭露一种方法和装置，用于从盐水和其他淡盐水中以溶解固体的形式去除盐分和其他矿物质来制造饮用水。水在高温及高离心速率下被强制经过几个脱盐阶段。最好是，由内部元件转动水并加速到2马赫以有效由蒸发的水中分离和悬浮溶解的盐和其他溶解的固体。悬浮的盐和其它矿物质离心地被迫向外由水蒸汽分开地排出。接着该分离和纯化的蒸气或蒸汽冷凝回到饮用水。该系统明显比逆渗透和类似过滤系统需要较少运作能源，以便能够有效地和经济地净化水。这种设计的一个缺点是，旋转轴被组装到垂直腔室中。其结果是，旋转轴部仅通过轴承和轴承盖牢固在基座单元。在高转速下(例如，超过I马赫)，振动会造成轴承的过度负荷，轴损坏以及密封失效。另一缺点是一系列的内部腔室用螺栓一起连接在壳体部分。这些穿孔板经由O型环密封件耦合到这些部分。因为壳体部分和多个腔室是经由螺母和螺栓连接再一起，所以壳体和O型环随着时间磨损而造成盐份的渗透。特别是，华勒斯设计的部件特别费力。其维护需要密集的劳力，花费显著的时间去拆开每个壳体部分，包括O型环、螺母和螺栓。当然，在进行必要的维修后得重新组装。每个壳体部分必须被小心地放回到一起以确保它们之间适当的密封。当设备老化时系统也容易出现扭矩和维修问题，像是O型环泄漏。此外，该旋转轴经由齿轮传动连接到电源，其有助于上述提到的关于轴承，轴和密封件的可靠性问题。该系统也未揭露一种装置用于调节旋转轴部分的转速，根据盐水在进行脱盐制程时的渗透压。因此，华勒斯的脱盐设备在静态下的运作跟其他目前的脱盐设备一样效率不高。
[0010]因此，是有必要对本领域中的系统进行改良，包括用以监控真实系统资讯的感应器和用以校正系统机械运作的控制器，以最大程度地提高水的去污功能，像是水的脱盐，以及最小程度地耗费能源。这种系统会进一步整合多个回收循环以增加饮用水的回收率，从将近80%到将近96%与99%之间，并纳入一聚合物辅助回收系统来提取残留化合物的微量元素，以及会比已知技术中的其他脱盐系统消耗更少的能源。本发明满足这些需要且提供进一步的相关优点。
【发明内容】
[0011]本发明是涉及一种处理流体的系统，像是净化或淡化水，并产生水蒸气，包含蒸汽。该系统包括一定义有一内部容置空间的细长容器。该容器一般是呈水平定位。一入口形成在容器中以引入流体于其中。多个圆盘彼此间隔而设置在该内部容置空间中。该圆盘包括勺形贯口以让该流体-包括液体和蒸气-通过。该勺形贯口较佳地包括具有第一直径的入口端和较小的第二直径的出口端。多个挡板，即一般具有孔洞的板子，被设置在该多个圆盘之间。每个挡板具有多个贯孔让流体-包括液体和蒸气-流过。较佳地，该贯孔具有第一直径的入口端和较小的第二直径的出口端。在一实施例中，至少一个圆盘具有一导流器从该圆盘的前表面延伸出去，用以引导流体流向该圆盘的周围处。
[0012]一旋转轴穿过该挡板且安装在该圆盘上以便使该圆盘在该内部容置空间中旋转，而该挡板维持固定。一驱动器使该旋转轴转动。通常，会有一间隙或一间隔层或低摩擦材料制成的套筒，或轴承，被设置在该挡板和该轴之间。
[0013]一污染物排放口形成在容器中且一般是连通到一污染水槽。一内部套筒设置在该内部容置空间中的圆盘和挡板下方处。该内部套筒近该污染物排放口，该内部套筒形成一环形通道从该内部容置空间通往该污染物排出口。一蒸汽排出口也形成在该容器中并连结到蒸气回收槽以冷凝蒸气成为液态水。在一实施例中，至少一个已处理过的污染水槽流动地耦接到该容器，藉由让已处理过的污染水再次通过该系统对污染水进行再处理。
[0014]在一实施例中，一控制器被用于校正该旋转轴的转速或是流体进入该容器中的流速。至少一感应器连结到该控制器。而该至少一感应器被用于下列至少其中一项:(I)该旋转轴或圆盘的转速，(2)该内部容置空间的压力，(3)该流体的温度，(4)流体输入速率，或是(5)污染物在该流体中的处理程度。
[0015]在一实施例中，一涡轮机被连接到该容器的蒸汽排出口以及可操作地连接到一发电机。该流体被加热到至少一沸点以便产生蒸气，且该蒸气和/或蒸汽通过该涡轮机而可操作地连接到该发电机。一处理过的流体回到该涡轮机和该容器上的流体入口之间。可替代地，该轴可延伸到该容器之外并直接或非直接地耦接到一发电机。
[0016]在一特别优选的实施例中，该系统是被安装在可携式框架、ISO箱子，或类似者。，该可携式框架可经由半拖车卡车运送。
[0017]在使用上，该用于净化流体和产生蒸气的方法包含了引入污染物流体进入容器的步骤。该流体被移送通过一系列由固定挡板交替分隔的旋转盘以便旋转并加热该流体以影响其中的汽化物以制造出具有至少一些从中分离出的污染物的蒸气。通常，若该系统不包括涡轮机和发电机，该流体被加热到至少华氏100度，但低于华氏212度。该蒸气