CN101224913A - 自然能海水自动蒸馏装置 - Google Patents

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

自然能海水自动蒸馏装置

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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