CN101224913A - 自然能海水自动蒸馏装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自然能海水自动蒸馏装置。其特点是,以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能等自然能为动力,通过特定高度的倒U形管道构造,将两个敞开的脱盐***和集盐***相结合,形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系,实现淡水(蒸馏水)和食盐生产自动化。优点是:1.利用自然能作动力,生产淡水和食盐,达到污物零排放,既可节约燃资源,又可保护环境。2.管道作业高度自动化无需人工操作,既可安全生产又可提高劳动效率。总之,无需能源、原料和人工投资,只需一次性设备投资,即可长期获利。本发明也实用于苦咸水地区。也可安装在各类大型船泊上,利用动力余热,在江河湖海中沿途用原水制取淡水,也可安装在居民楼上,用自来水制取饮用水,具有良好的生态效益,经济效益和社会效益。市场广阔。
Description
一、技术领域
本发明是关于环境保护方面的一种海水淡化装置,尤其是一种自然能海水自动蒸馏装置。其特点是,以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能为动力,通过特定高度的倒U形管道构造,将两个开放的脱盐***和集盐***相结合,形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系,实现淡水(蒸馏水)和食盐生产自动化。优点是:1、利用清洁而无限量的自然能源作动力,同时获得淡水和食盐两种产品,达到O排放,既可节药大量燃料资源,又可保护环境。2、在负压下蒸馏,可降低沸点,节约能耗和防止结垢。3、利用分子吉布斯自由能制取食盐,能防止容器结垢,提高生产力。4、管道作业,高度自动化,可确保生产安全和提高劳动效率。总之,无需能源投资和原料投资,只需一次性设备投资,即可长期获利。
本发明也实用于苦咸水地区。也可安装在各类大型船泊上,利用动力余热,在江河湖海上沿途制取淡水。也可安装在各种居民楼上,利用自来水制取饮用水。市场前景广阔。
二、背景技术
随着社会对水资源需求的迅速增加,海水淡化技术近年来发展很快。据统计,1995年全世界的海水和苦咸水的淡化处理以蒸馏法为主,到2005年则蒸馏法占45%,反渗透法占43%。此外,电渗析法、超过滤法、生物膜法等都在开发推广中。
反渗透法的优点是,淡化效率高,不结垢,适合大规模生产。缺点是,它的高效率是靠高压力维持的,如淡化苦咸水需压力约1000×101.33KPa,而海水则需约5500×101.33KPa。显然,高压则高能耗。此外,高压设备的维护和半透膜的定期清洗与更换,技术难度较大都提高了生产成本。
蒸馏法的优点是,技术简单,设备费用较低,适于大规模生产。缺点是,能耗高效率低,易结垢。为防止结垢,常要求流速不低于2.5m/s,则造成海水通过量过大的无效操作,增加了生产成本。为此,近年来,开发出负压压汽蒸馏法,能使海水在真空状态下淡化,操作温度低于70℃,缓解了结垢状态,提高了产水效率,延长了设备寿命。美国发明专利“除盐***”(Desalation system,Jnited Paten:4285776)等,在负压下海水淡化效果较好。显然抽真空的耗能又提高了生产成本,是其缺点。
在已知的制盐(包括食盐和非食盐)技术中,主要是晒制法和熬制法。前者周期长,受天气影响较大,场地面积也大;后者能耗较大而且晶体较小,晶形不完全。特别是制盐过程损失了绝大部分的淡水,是其最大缺点。
三、发明内容
1、基本思路
应用馏蒸法淡化海水的技术实质是,加热海水,通过沸腾汽化使之盐分与热蒸汽分离,然后将热蒸汽冷凝为淡水(蒸馏水)。显然,沸腾汽化是关键。应用晒制法和熬制法制盐的技术实质是,加热海水(苦咸水)蒸发水分,提高浓度,析出盐分。显然,提高浓度是关键。据此,本发明的思路如下。
(1)海水气化效率与温度呈正相关。温度越高效率也越高。特别是达到沸点时,发生沸腾气化效率最高。然而,温度高能耗也高,而且容器容易结垢。
(2)海水气化效率与压力呈负相关。压力越低效率越高。这是因为压力越低沸点越低。实验证明,当压力为101.33kPa(一个大气压力)时,沸点为100℃,当压力为4.2455kPa时,沸点为30℃。显然,沸点低能耗也低,而且在常温下沸腾容器不会结垢。
(3)受著名的托里拆利实验的启示,将水银换成水,当托氏管的高度大于10.33m时,则在管顶产生托氏真空区。区内有自由膨胀的水汽。此时10.33m的水重压强恰好等于外界的一个大气压的压强。由于高度10.33m是管内的水与水汽的分界限,本发明暂称10.33m为临界高H。同样,当充满海水的倒U形管高度大于H时,其管顶也将产生托氏真空区。临界高H处的海水沸点将大为下降。那么,在其左侧海水的上层加热时,必在常温下沸腾,热海水的蒸汽升到真空区后向外界放热,在右侧自由水面上冷凝为蒸馏水流向下端,而热海水中的盐分却留在左侧管内。从而实现了利用自然能(大气压力和地球重力)在常温负压下的盐、水分离,获得淡水产品。
(4)左侧海水管内,随着蒸汽的连续逸出,表面水的盐分将逐渐增加,与下层相比就形成了浓度梯度,即形成了分子吉布斯自由能的分布差异,于是就产生了扩散作用。使得上层盐分自动地向下迁移,而不会附着在管壁上结垢。那么,将自动而连续向下扩散的盐分集中在一个池内,即可连续提高浓度,直至饱和过饱和,析出盐晶。显然,用此法制盐是无需加热的。从而实现了利用自然能(分子自由能)提高浓度获得食盐产品。
2、基本构造及其功能
本发明自然能海水自动蒸馏装置的构造如图1所示,主要由真空室⑥、分离室④、沸腾室⑩、海水管、集盐管③和淡水管等部分组成。
(1)真空室⑥为一个传热性良好的球形金属壳体。功能为冷凝作用。室内置多层冷凝盘⑧,盘内保持自由水面,便于水汽凝结。真空室⑥内为托氏真空,室外为大气低温热源。底部正下方与分离室④相通。真空室⑥利用自身的负压吸入从分离室④冲进来的热蒸汽,通过周壁的金属壳体向外界放热,并使之在冷凝盘⑧内凝结为淡水(蒸馏水)。受重力作用,淡水流入下方的淡水管。真空室⑥顶部设置出水阀⑦,为注水时所用。
(2)分离室④为一个传热性不良的球形壳体。主要功能是分离海水中的盐分和热蒸汽。室内盐水的自由水面距海平面的高为临界高H=10.33m,分离室④上部与真空室⑥相通,底部的侧方与集盐管③相通。室外为绝热层⑤包装,以防热量散失,室内安装沸腾室⑩,其整体为盐水所包围。从沸腾室(⑩涌出的热海水与分离室④内的盐水混合后,受上方真空室⑥负压作用,沸点降低,迅速汽化冲入真空室⑥,而其盐分却留在盐水中,逐渐提高浓度。
(3)沸腾室⑩,为一个传热性不良的球形金属壳体,安装在分离室④的盐水内。沸腾室⑩顶部的喷嘴与盐水相通,底部与海水管相通。室内装有高温热源⑨,可对室内的水供热。由于水的热导性较差,故可防止热量向下传入海水中。沸腾室⑩内的海水加热温度控制在50℃以下达到真空室⑥内的水汽饱和。受真空室⑥负压的作用,热海水涌入分离室④与热盐水混合。
(4)海水管,上端与沸腾室⑩相通,下端与海水相通。功能是,向沸腾室⑩补给海水。
(5)集盐管③,上端与分离室④底部相通,下部与盐水池②相通。功能是把从分离室④扩散下来的盐分继续扩散到盐水池②。显然集盐管③内只有盐分下移,没有水的流出,即没有无效的海水通过量,也不会结垢。
(6)盐水池②是个体积较小的水池。承接并排出集盐管③排下来的盐分。池内水面与海平面等高。始终淹埋着集盐管③的下端,以防止大气进入,破坏真空度。
(7)制盐池①为体积较大的深水池。池内水面与盐水池②水面持平,并相连通,当盐分从盐水池②排入制盐池①后,盐分将继续向池底扩散开去。于是随着时间的推移,池内浓度渐增加。浓度增加则比重增加,则下沉至饱和。当达到过饱和时,即析出盐晶。由此可知,本发明的制盐机理是增加盐分,提高浓度。而常用的机理则是减少水分,提高浓度。
(8)淡水管,上端与真空室⑥底部相通,下端与淡水池相通。功能是把从真空室⑥流下来的水导入淡水池,若在下端进行过滤,可得饮用水。
(9)淡水池,为体积不大的水池。池内水面与海平面等高。始终淹埋着淡水管的下端,以防大气进入,破坏真空度。当流下的淡水充满后,即可排入贮水池。
需要特别指出的是,本发明自然能海水自动蒸馏装置,完全实用于苦咸水地区。也可安装在各类大型船泊上,利用动力余热,在江河湖海上将沿途的原水制取淡水。也可安装在居民楼上,将自来水制取饮用水。
3、基本流程及其能量配置
本发明自然能海水自动蒸馏装置的基本流程及其能量配置如图2所示:
(1)工艺流程
海水在沸腾室⑩内加热后,涌入分离室④分离为热蒸汽和盐分。热蒸汽冲入真空室⑥冷凝为淡水,经淡水管流入淡水池,形成开放的脱盐***。留在分离室④内的盐分,经集盐管③扩散到盐水池②和制盐池①,形成开放的制盐***。沸腾室⑩内的热海水涌入分离室④后,压力下降。大气压力将海水经海水管压入沸腾室⑩进行补充。从而通过共用的动力和原料(海水)将两个开放的脱盐与制盐***结合起来形成一个海水自动蒸馏体系。
(2)能量配置
在倒U形管道构造的支持下,整个蒸馏装置受到大气压力A和地球重力B的双向作用,重力向下,大气压力向上,以临界高H=10.33m为界,以上的真空室⑥内为托氏真空。以下的分离室④,沸腾室⑩,海水管(11)、集盐管③和淡水管(12)都充满水,它们处于静态平衡。
当静态平衡受到高温热源的作用时,转化为如下各种相关的动态平衡。
海水在沸腾室⑩内吸收高温热源提供的汽化热后在分离室④汽化,又在真空室⑥膨胀,向室外的低温热源大气放出汽化热。
分离室④与集盐管③之间存在浓度差和温度差。浓度差即分子吉布斯自由能差C,它在向集盐管③中扩散盐分作功。温度差能提高扩散速度,它在扩散过程中而作功。
盐分吸收外界的溶解热后溶于水中,成为海水,又有制盐池①内向外界放出溶解热而析出盐晶。
大气压力A将海水压入沸腾室⑩,使之具有动能,沸腾室⑩又将海水加热,汽化升入真空室⑥使之具有更大动能的。然后,又在真空室⑥内凝结为淡水,将动能转化为势能B,流出淡出管。
4、有益效果
(1)理想的生态效益
大气压力、地球重力、分子自由能和太阳能都是纯净和无限量的能源,而且在生产过程中,没有任何污染物的排放,因此本发明不仅能节约大量燃料能源,而且能保护生态环境。
(2)最佳的经济效益
①清洁而无限的大气压力、地球重力、分子自由能和太阳能无需开采运输贮存。作为原料的海水也可就地获取。②在生产过程中,可同时得到淡水和食盐两个产品,实现零排放。③负压下的管道作业,高度自动化无需人工操作,既可防止结垢,又可提高劳动效率。总之,无需能源、原料和人力投资,只需一次性设备投资,即可长期获利,因此,本发明具有最佳的经济效益。
(3)良好的社会效益
采用本发明,沿海地区,在获取淡水的同时,可获取大量食盐;苦咸水地区在获取盐分(包括食盐和非食盐)的同时,可获取大量的淡水。大量淡水的获得,对于沿海和苦咸水地区的居民生活和社会生产都至关重要。因此,具有良好的社会效益。
四、附图说明
图1为自然能海水自动蒸馏装置的构造示意图
图2为自然能海水自动蒸馏装置的流程框图
五、具体实施方式
第一步高度检验
必须保证装置的真空室⑥底部和分离室④的顶部连接处位于临界高H=10.33m的高度。
第二步真空度检验
1、注水
真空度检验是最关键的,检验方法很多,在此介绍一个古典又省事的注水方法。首先将真空室⑥顶部的出水阀⑦打开,将集盐管③下端的阀门关上,将淡水管下端的阀门关上,然后将海水管下端与高压泵对接。开动水泵,海水慢慢地依次涌入海水管、沸腾室⑩、分离室④,待充满集盐管③后,水位继续升高,进入真空室⑥充满淡水管,最后充满整个真空室⑥,直至从顶端出水阀⑦流出。
2、测压
注水后静置一段时间,当没有气泡从出水口⑦冒出,而且水位与出水口⑦持平时,封死出水阀⑦。
将海水管下端与水泵连接处浸在海水中,慢慢脱离连接。真空室⑥内的海水慢慢下降,流入海水中。观察真空室⑥内置的气压计,当负压稳定时,记录之。说明真空室⑥、分离室④、沸腾室⑩、海水管、集盐管③和淡水管都不漏气。此时可分别放开集盐管③和淡水管下端阀门于盐水池②和淡水池中。
至此,整个装置的真空度可以确信。并且,分离室④自由水面以下集盐管③、海水管的水和淡水管内的水都处于静态平衡。
3、试运行
(1)加热 加热过程要慢,坚持从低温到高温。随时观察沸腾室⑩内的水温,和真空室⑥的压力变化。
(2)测流速 当淡水管内的流速仪开始运转时,要耐心等待海水管内的流速仪运转。只有当二者流速相等时,才可认定运转基本正常。此时可继续加热,观察压力与流速的关系。直到流速不再增加为止。说明已达饱和。记录饱和温度和压力。
(3)测浓度 当淡水管和海水管运转正常时,可在集盐管③下端的盐水池②内,通过浓度计观察盐水的浓度变化。如果看到盐水浓度逐渐增加,即可认定整个装置的试运行成功。
Claims (8)
1.一种自然能海水蒸馏装置,其特征是:以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能等自然能为动力,通过特定高度的倒U形管道构造,形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系。
2.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:基本构造主要由真空室⑥分离室④、沸腾室⑩、海水管、集盐管③和淡水管等部分组成。
3.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:分离室④的自由水面距离海水面的高H=10.33m,而真空室⑥位于分离室④之上。
4.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:制盐室①盐晶的析出是利用分子吉布斯自由能的扩散作用,提高溶液浓度获得的。
5.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:也可用燃料或电作为热源或辅助热源。
6.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:也可用于苦咸水地区的脱盐与制盐。
7.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:也可安装在各类大型船泊上,利用动力余热在江河湖海上,沿途制取淡水。
8.根据权利要求1所述的自然能海水自动蒸馏装置,其特征是:也可安装在居民楼上,将自来水制取饮用水。
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