CN101289231B - 一种水合物法海水淡化试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水合物法海水淡化试验装置，包括有水合物生成分解管式反应器，该反应器上半部分设置有淡水输出口，其下半部分位置较高处设置有海水输入口，所述反应器的底部设置有浓海水输出口及搅拌器；该反应器的下半部分外壁上设置有水套，还包括有为所述反应器提供高压气体的气体循环***，所述气体循环***包括有气体循环管路，该气体循环管路的一端与该反应器的上半部分内连通，其另一端缠绕于所述水套外表面上并与该反应器下半部分内连通；还包括有为所述反应器提供低温环境的制冷***，该制冷***包括有制冷装置及与其连接的冷却液循环管路，该冷却液循环管路与所述水套连通。利用水合物的密度小于1以及生成的水合物为絮状的特点，实现水合物自动上浮，从而实现盐和水的分离，克服了现有技术由于分离水合物和海水导致水合物容易堵塞反应器的弊端。

Description

一种水合物法海水淡化试验装置

技术领域

本发明涉及一种海水淡化的试验装置，尤其是一种利用水合物来进行海水淡化的试验装置。

背景技术

目前，国际上已经把粮食、能源和水列为涉及国家安全的战略资源。水资源的可持续利用，是经济和社会可持续发展极为重要的保证。我国是水资源大国，同时也是人均水资源贫国。全国水资源总量为28124万亿立方，居世界第6位，但人均水资源量仅为2220立方，为世界人均的1/4，而且南北分布极不均匀。随着经济的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质的要求越来越高，加上我国水资源时空分布不均、超限度的开采、无节制浪费以及随意的污染，使得本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐，淡水资源的缺乏已经成为制约中国经济发展和社会进步的瓶颈。因此，海水淡化技术对于水资源的补充和可持续利用对于我国和世界都意义重大，市场需求很大。

经过长期的努力，科学家们发明了多种海水淡化的方法，如蒸馏法、薄膜反渗透法、离子交换法、电渗析法、压渗法、冷冻法、水合物法、溶剂萃取法等。对于海水淡化，能耗是直接决定其成本高低的关键。40多年来，随着技术的提高，海水淡化的能耗指标降低了90％左右，成本随之大为降低，目前投入应用的海水淡化技术主要是低温多效蒸馏法、多级闪蒸和薄膜反渗透法。但是，各种海水淡化都有自己的优缺点，应根据当地环境特征和运行目标，因地制宜，评估这种淡化方法是否最适合当地经济发展。一般选择海水淡化方法的依据主要包括环境要素、经济要素、需求要素和技术要素等。

水合物法海水淡化利用较易生成水合物的小分子物质与海水中的水生成水合物晶体，固液分离后，分解水合物即可得到淡水。水合物法海水淡化技术的最大优点是能耗低、设备简单、紧凑；在水或盐水中溶解度低；无毒，价廉易得，无***危险。水合物法也可归结为冷冻法，因此具有冷冻法的优点如不需对海水进行预处理、腐蚀较轻等。

以往提出的水合物法海水淡化主要是水合物在一个反应器中生成水合物浆，经过浓缩，然后用淡水冲洗，洗净后再进行分解得到淡水。由于生成的水合物与盐水接触而吸附盐离子，逐出并洗净盐水要用去约30％的淡水，而且水合物具有附壁生长等特点，容易造成堵塞，装置的效率显著下降是以往提出的水合物法海水淡化装置的缺点，使得该项技术与其他技术相比缺乏竞争力。因此，开发新的工艺和对新工艺的可行性进行实验研究是探索新方法的关键。

发明内容

本发明的目的在于通过水合物的物性和形成分解条件，利用水合物的密度和海水的密度差，提供一种低能耗、不需要分离水合物和海水的水合物法海水淡化试验装置。

为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：一种水合物法海水淡化试验装置，包括有水合物生成分解管式反应器，该反应器上半部分设置有淡水输出口，其下半部分的位置较高处设置有海水输入口，所述反应器的底部设置有浓海水输出口及搅拌器；该反应器的下半部分外壁上设置有水套，还包括有为所述反应器提供高压气体的气体循环***，所述气体循环***包括有气体循环管路，该气体循环管路的一端与该反应器的上半部分内连通，其另一端缠绕于所述水套外表面上并与该反应器下半部分内连通。本发明还包括有为所述反应器提供低温环境的制冷***，该制冷***包括有制冷装置及与其连接的冷却液循环管路，该冷却液循环管路与所述水套连通。通过冷却液循环管路输入冷却液到水套中，使得反应器的下半部分和缠绕在该水套外表面的气体循环管路得到冷却，从而使进入循环泵的气体由温度较高的状态得以冷却并进入反应器内，为反应器内水合物的分解和生成提供了必要的温度条件，该制冷装置可为冷水机组或恒温水浴或LNG接受站。

海水和高压气体在低温高压环境中生成气体水合物，排除盐份和杂质。由于水合物的密度小于海水，水合物在浮力和循环气体的作用下上浮，在反应器上半部分分解并释放出淡水和气体，淡水由淡水输出口排出，浓海水由浓海水输出口排出，从而完成海水淡化过程。

在所述气体循环管路上、靠近该反应器顶端的位置上设置有压力表，所述气体循环***还包括有气源，该气源通过四通阀连通于该反应器的顶端并为反应器提供高压气体，该四通阀另外两端分别与真空泵和气体循环泵连通，在所述气源和四通阀之间、四通阀和真空泵之间的所述气体循环管路上设置有阀门。

压力表的设置可随时检测反应器内的气体压力保持在安全的状态，四通阀的设置方便了气源输入气体到反应器内以及从反应器内抽出气体能自由的转换，阀门的设置也方便使用者控制真空泵、压力表、气源及气体循环泵的工作。

所述搅拌器具有搅拌叶片，该搅拌叶片设置于所述反应器下半部分内。通过搅拌叶片在反应器内搅拌海水和高压气体，有助于其充分混合并分解；该搅拌器可为磁力搅拌器或电力搅拌器。

在所述反应器外壁上至少设置一处透明管段。在反应器外壁上设置有透明管段，能方便使用者观察水合物在反应器内的生成、流动和整个反应器的水位，并可方便观察搅拌的搅拌叶片工作状况。

所述气体循环管路的一端连通于该反应器的顶端，其另一端缠绕于所述水套外表面并连接于该反应器的底端。将气体循环管路分别连通于反应器的底端和顶端，使得一方面能方便真空泵将循环气体从反应器内充分抽出，另一方面可使气体进入反应器的效果更充足，即使得进去的气体成气泡后即刻就可以参加水合物的生成反应。

水合物生成分解管式反应器中的温度分布是温度从下到上逐渐升高。水合物的生成和口分解在水合物生成分解管式反应器1中可分为3个阶段：水合物分解段、水合物稳定段、水合物生成段，其中水合物分解段所需的环境温度最高，约为20℃到30℃，水合物稳定段所需环境温度约为10℃到20℃，水合物生成段所需环境温度约为-10℃到10℃。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：利用水合物的密度小于1以及生成的水合物为絮状的特点，实现水合物自动上浮，从而实现盐和水的分离，克服了现有技术由于分离水合物和海水导致水合物容易堵塞反应器的弊端，且本试验装置不需要分离水合物和浓盐水，因此无需用淡水洗涤水合物与海水接触而吸附的盐水，节约了淡水资源，提高了能量转换的效率；水套的设置，使得冷却液可方便流入反应器的下半部分，水套相当于一个冷冻体，利用水套的低温来为反应器降温，并同时使得缠绕于水套外表面的气体循环管道也得到冷却，使进入管道内的气体以较低温度进入反应器内部，满足了水合物生成所需的低温环境，装置各部分功能明确，具有良好的可升级性和可扩充性。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为水合物的温度压力相平衡图；

图3为几种气体水合物的密度比较图；

附图标记说明：1、水合物生成分解管式反应器，2、搅拌器，21、搅拌叶片，3、水套，4、浓海水输出口，5、制冷***，51、制冷装置，52、冷却液循环管路，6、水合物，7、透明管段，8、淡水输出口，9、压力表，10、真空泵，11、四通阀，12、气体循环泵，121、气体循环管路，13、气源，14、海水输入口，F1，F2，F3、阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例：

请参阅图1所示，水合物生成分解管式反应器1，该反应器1的上半部分暴露在空气中，下半部分侵入海水中设置。该反应器1上半部分上设置有淡水输出口8，其下半部分的位置较高处设置有海水输入口14，该海水输入口14上设置有阀门F1，反应器1的底端设置有浓海水输出口4及搅拌器2，搅拌器2具有搅拌叶片21，该搅拌叶片21设置于反应器1下半部分内；该反应器1的下半部分外壁上设置有水套3，还包括有为反应器1提供高压气体的气体循环***，气体循环***包括有气体循环管路121，该气体循环管路121的一端与该反应器1的上半部分内连通，其另一端缠绕于水套3外表面并与该反应器1下半部分内连通。本实施例水合物生成分解管式反应器1长2000mm，内径50mm，水套3和反应器壳体均采用不锈钢制，整个反应器耐压可达5MPa。

还包括有为反应器1提供低温环境的制冷***5，本实施例的制冷***5包括有制冷装置51及与其连接的冷却液循环管路52，该冷却液循环管路52与水套3连通。该制冷装置51可为冷水机组或恒温水浴或LNG接受站。

在气体循环管路121上、靠近该反应器1顶端的位置上设置有压力表9，气体循环***还包括有气源13，该气源13通过四通阀11连通于该反应器1的顶端并为反应器1提供高压气体，该四通阀11另外两端分别与真空泵10和气体循环泵12连通，在气源13和四通阀11之间、四通阀11和真空泵10之间的气体循环管路121上分别设置有阀门F2、F3。

气体循环泵12由可以调节速度的直流伺服电机带动。气体循环管路121的一部分缠绕在水合物生成分解管式反应器1的水套3外表面，循环气体从反应器1的顶部抽出，依次经过四通阀11，气体循环泵12和水套3外面的缠绕部分，最后从底部进入反应器1内完成循环。

在反应器1外壁上至少设置一处透明管段7。透明管段7采用耐压玻璃制成，本实施例中在反应器1由两段带水套3的圆柱体和三个透明管段7组成，带水套3的圆柱体和透明管段7使用法兰连接，通过三个透明管段7可以分别观察水合物生成，流动和整个反应器的水位，搅拌器2的搅拌叶片21的工作状况也可透过设置在反应器下半部分的透明管段7观察。

进一步的，为保证水合物更好的生成效果，可将气体循环管路121的一端连通于该反应器1的顶端，其另一端缠绕于水套3外表面并连接于该反应器1的底端。

本实施例环境温度为30℃左右，将3.5升的海水从海水输入口14注入水合物生成分解管式反应器1中，然后启动制冷***5降温到4℃左右。启动真空泵10进行抽真空，然后关闭阀门F3，再打开阀门F2，通过气源13注入2.0MPa左右压力的乙烷气体，此时反应器1内部形成了低温高压环境。

启动搅拌器2和气体循环泵12开始海水淡化过程。由于水合物6的密度小于海水，气体和水在4℃和2.0MPa的状况下生成水合物6，水合物6在浮力和循环气体的作用下上浮，在12℃的区域开始分解释放出淡水和气体，淡水由淡水输出口8排出，浓海水由浓海水输出口4排出，完成海水淡化过程。未参加反应的气体和水合物释放的气体通过气体循环管路121再从反应器1底部进入。运行一定时间达到平衡后，体系的压力有所下降，反应器1上部的温度也有所下降，下降程度与气体循环速度有关。参与形成水合物的气体和形成的水合物在常压下的体积比为160，如果实验的循环气体流量为200ml/min，有30％的气体参加水合反应则淡水产率约为7.5ml/min；如果实验的循环气体流量为1000ml/min，有50％的气体参加水合反应则淡水产率约为62m1/min。加大气体流量、提高充气压力和改善生成条件可提高淡水产率。

水合物的温度压力相平衡如图2所示，水合物在A点生成，B点分解，其中I为水合物稳定区，II为水合物分解区。

图3为几种气体水合物的密度，水合物的密度必须保证小于1且不溶于水，代表的为甲烷、乙烷和丙烷，也可以使用其他的气体，本发明涉及的气体不限于甲烷、乙烷和丙烷。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (5)

1.一种水合物法海水淡化试验装置，包括有水合物生成分解管式反应器，其特征在于：该反应器上半部分设置有淡水输出口，其下半部分位置较高处设置有海水输入口，所述反应器的底部设置有浓海水输出口及搅拌器；该反应器的下半部分外壁上设置有水套，还包括有为所述反应器提供高压气体的气体循环***，所述气体循环***包括有气体循环管路，该气体循环管路的一端与该反应器的上半部分内连通，其另一端缠绕于所述水套外表面上并与该反应器下半部分内连通；还包括有为所述反应器提供低温环境的制冷***，该制冷***包括有制冷装置及与其连接的冷却液循环管路，该冷却液循环管路与所述水套连通。

2.如权利要求1所述的水合物法海水淡化试验装置，其特征在于：在所述气体循环管路上、靠近该反应器顶端的位置上设置有压力表，所述气体循环***还包括有气源，该气源通过四通阀连通于该反应器的顶端并为反应器提供高压气体，该四通阀另外两端分别与真空泵和气体循环泵连通，在所述气源和四通阀之间、四通阀和真空泵之间的所述气体循环管路上设置有阀门。

3.如权利要求1所述的水合物法海水淡化试验装置，其特征在于：所述搅拌器具有搅拌叶片，该搅拌叶片设置于所述反应器下半部分内。

4.如权利要求1所述的水合物法海水淡化试验装置，其特征在于：在所述反应器外壁上至少设置有一处透明管段。

5.如权利要求1到4中任一所述的水合物法海水淡化试验装置，其特征在于：所述气体循环管路的一端连通于该反应器的顶端，其另一端缠绕于所述水套外表面并连接于该反应器的底端。

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