CN114772665B - 一种连续式水合物法海水淡化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海水淡化技术领域，涉及一种连续式水合物法海水淡化装置及方法，以两个储罐以及分别与两个储罐连接的两个绞笼式反应釜和一个分解反应釜作为主体结构，利用水合物生成过程的排盐效应，通过水合物的生成‑输送‑分解循环，对海水进行初步脱盐，气体与海水中的水分子生成水合物，将水合物分解后得到低盐含量的水，两个绞笼式反应釜交替运行进行水合物的连续化生成和输送，两个储罐进行水合物的交替存储，分解反应釜进行水合物的分解，三者共同配合，实现水合物生成、输送和分解的连续化工艺过程，此外，通过螺杆的反转和高压喷水口的喷水还能进行绞笼式反应釜的自清洗；其结构简单，两个绞笼式反应釜和两个储存罐交替间隙操作。

Description

一种连续式水合物法海水淡化装置及方法

技术领域：

本发明属于海水淡化技术领域，具体涉及一种连续式水合物法海水淡化装置及方法，以水合物为媒介，对海水进行连续式的淡化。

背景技术：

随着人口的增多，经济的发展，淡水资源匮乏的问题日益严峻。海洋作为广泛存在的资源，却因含盐量高无法进行直接使用，海水淡化是将海水中多余的盐分和矿物质去除，以得到淡水。目前，海水淡化技术主要包括多效-多级蒸馏、渗透法以及冷冻法等。

多效蒸馏法涉及的蒸馏器存在以下缺点：一次只能淡化少量的海水，不能连续生产；蒸馏器内壁在短时间内就会被水垢覆盖，蒸馏能力降低；用于蒸馏的热量不能回收重复利用。基于此，低温多效蒸馏法应运而生，其具有能耗低，可调节性强，维护量较小，结垢倾向小，对原水预处理要求低和投资少等优点，在利用乏蒸汽和废热造水方面有一定的市场。

多级闪蒸法是蒸馏法中应用最广泛的工艺，其原理是海水经过预热后，进入闪蒸室，该闪蒸室的压力低于将要进入的盐水所对应的饱和蒸汽压力，盐水进入后即因过热发生闪蒸，闪蒸出的蒸汽冷凝后即为淡水。其具有工艺成熟，维护量小，对原水预处理要求低和使用寿命长，出水品质好，热效率高的优点，但是，其存在耗能高，工程投资成本高、获得的淡水容易被污染，设备操作的弹性小，设备及管路易结垢和腐蚀的问题。

压汽蒸馏法是利用机械压缩机把蒸汽压缩、升压和升温，并作为加热和使海水蒸发的热源，其在运行后不需外部提供加热蒸汽，将机械能转化为热能，过程效率高，比能耗低，不需冷却水，结构紧凑。但是，压汽机造价较高，容易发生腐蚀和结垢，难于进一步大型化。

冷冻法在低温下实施，腐蚀和结垢问题相对缓和，且预处理简单，设备投资相对较小。但是，其过程中产生的三相点蒸汽难以去除，在冰晶输送过程中冰晶不断长大，既可能使管道发生堵塞，又可能使冰中的盐份增多。

反渗透法的反渗透过程的推动力是压力，不会发生相变，反渗透膜仅起到“筛分”的作用，需要的能耗较低，不但可以脱除海水中的各种离子，而且可以脱除比离子大的颗粒，如大部分的有机物、胶体、病毒和悬浮物等。与其他方法相比较，具有设备简单、占地少、投资省、操作方便、效率高、无相变、无需加热、能量消耗少、运行费低、适应性强、应用范围广等特点。但是，反渗透法涉及的半透膜的寿命短、杂质移除需要预处理、运行压力有限。

近年来，水合物法海水脱盐得到了广泛关注，因其脱盐能源消耗低，生成设备简单可靠、投入成本低，且甲烷等水合剂在水中溶解度较低、无毒，无腐蚀性，无结垢现象，脱盐过程及产物对环境无污染。但是，其存在较低的水转化率和生成-分解工艺之间不同压力/温度的切换等技术问题的限制。例如，中国专利201910201721.1公开的一种基于水合物法的常压连续海水淡化***，包括海水池、冷却器、水合物生成室、换热式分解器及蒸汽发生器，循环热媒***设置于换热式分解器与蒸汽发生器之间；海水池、冷却器、水合物生成室及换热式分解器通过连接管路依次连接，在连接管路上设有流量控制阀；海水池与冷却器之间连接有换热器；所述水合物生成室为中空腔体，水合物生成室设有冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口及浓缩海水输出口；水合物生成室的内部空腔中固定有转筒过滤器；转筒过滤器包括转筒及刮板，转筒的中心设有转筒轴，转筒轴固定于水合物生成室的上部，并使转筒的下部位于水合物生成室的预设反应液位以下；转筒的外侧壁上设有石墨层；所述刮板的刮刀端设置于转筒上部的外侧壁处，刮板的端部与所述水合物输出口相连通；冷却海水输入口与冷却器的输出端相连；水合物输出口通过混输泵与换热式分解器相连，换热式分解器的输出端包括液体输出端和气体输出端，其中，液体输出端连接有淡水储罐，气体输出端通过环戊烷储气罐与蒸汽发生器相连，蒸汽发生器通过抽气泵与所述气化环戊烷输入口相连；所述浓缩海水输出口与换热器的冷媒进口端相连通，换热器的冷媒出口端、环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间连接有流量控制阀；所述循环热媒***包括太阳能集热器及蓄热装置，太阳能集热器与蓄热装置、蒸汽发生器中的第一放热组件以及换热式分解器中的第二放热组件通过热媒输送管路串联在一起形成热媒循环管路；在热媒循环管路上设有输水泵及单向阀；中国专利201810450599.7公开的一种气体水合物法海水淡化***，包括第一反应釜、第二反应釜，第一反应釜和第二反应釜分别置于第一恒温水浴槽和第二恒温水浴槽内，第一反应釜通过第三阀门、第十七阀门与气瓶连通，第二反应釜通过第七阀门、第十七阀门与气瓶连通；第一反应釜通过第五阀门、气体循环泵、第九阀门与第二反应釜连通；轴流泵通过第十一阀门与储液罐连通；第一反应釜、第二反应釜顶端均设置搅拌装置，第一反应釜、第二反应釜上的压力传感器、温度传感器分别与数据采集仪连接，第一反应釜通过第四阀门与活塞增压器连接，第二反应釜通过第八阀门与活塞增压器连接，活塞增压器与手动压力计量泵连接，进水管道与第十四阀门连接，第十四阀门分两路分别与第十二阀门和第十三阀门连接，第十二阀门与第一反应釜连接，第十三阀门与第二反应釜连接，第一反应釜的淡水出口管路通过第二阀门与第十五阀门连接，第二反应釜的淡水出口管路与通过第六阀门与第十五阀门连接，第一反应釜通过第一阀门与轴流泵连接，第二反应釜通过第十八阀门与轴流泵连接，轴流泵通过第十一阀门与储液罐连接；中国专利200810028555.1公开的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；中国专利201410294573.X公开的一种基于天然气水合物技术的海水淡化方法采用的装置包括：水泵，水合物分解装置，水合物生成装置，冰粒提供箱，换热器Ⅰ，换热器Ⅱ，节流过滤装置，冷凝装置，制冷压缩机，气体压缩机，气液分离装置，气体缓冲罐，磁力搅拌器，冰晶碾磨器，锥形旋转芯，液体收集腔；水泵通过入水管线将海水一部分与水合物分解装置相连，而另一部分海水通过管线与换热器Ⅰ相连后两者管线汇集后主路管线与水合物生成装置相连，副路管线与冰粒提供箱相连这构成海水流动模块；节流过滤装置，冷凝装置，制冷压缩机，气体压缩机，依次通过管线构成制冷循环模块；水合物分解装置，水合物生成装置，冰粒提供箱，磁力搅拌器，冰晶碾磨器构成水合物生成与分解模块；通过管线依次将反应器气液分离装置与气体压缩机和换热器Ⅱ依次相连构成天然气循环模块；气液分离装置采用下部渐缩型喷管，中部锥形旋转芯，液体流向管壁四周进入液体收集腔。因此，研发设计一种海水淡化装置及方法，解决上述技术问题，通过水合物法对海水进行兼具高效性、便捷性以及连续性的脱盐。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种连续式水合物法海水淡化装置及方法，连续化进行水合物的生成、输送和分解，实现水合物生成和反应釜清洗的双功能结合。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种连续式水合物法海水淡化装置的主体结构包括两个储罐以及分别与两个储罐连接的两个绞笼式反应釜和一个分解反应釜；采用多层级设置方式，绞笼式反应釜设置在最高层，储罐设置在中间层，分解反应釜设置在最底层；使用时，两个绞笼式反应釜交替进行水合物的生成、输送和绞笼式反应釜的清洗，两个储罐交替进行水合物的存储，分解反应釜进行水合物的分解；储罐、绞笼式反应釜与分解反应釜共同配合使得水合物的生产、输送和分解实现连续化，完成海水的初步脱盐淡化处理。

具体地，本发明涉及的一种连续式水合物法海水淡化装置的主体结构包括左储罐、右储罐、左绞笼式反应釜、右绞笼式反应釜、下管路和分解反应釜；左储罐和右储罐的入口端与左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的出口端连接，出口端与分解反应釜的入口端连接。

进一步的，本发明涉及的左储罐和右储罐的入口端通过交叉式结构的上管路与左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的出口端连接，出口端通过Y形结构的下管路与分解反应釜的入口端连接；左储罐和右储罐的顶端分别设置有储罐进气口，外侧分别设置有冷却夹套；左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的螺杆分别由电机驱动，顶端分别设置有高压喷水口，上部分别设置有反应器进气口，下部分别设置有进液口，外侧分别设置有夹套；分解反应釜的内部设置有内盘管，上部设置有排气口，下部设置有出水口；此外，两个高压喷水口均与喷淋管路连接。

本发明涉及的一种连续式水合物法海水淡化装置生成和输送水合物的工艺过程为：

在绞笼式反应釜中充入设定量的高压气体和海水，通过电机的反转带动螺杆反转，螺杆反转的同时将高压气体带入海水中，提高高压气体在海水中的溶解量，以缩短水合反应的诱导期；

高压气体与海水发生水合反应得到水合物颗粒和卤水，通过电机的正转带动螺杆正转，螺杆正转的同时将水合物颗粒带出卤水后输送至储罐；

未参与水合反应的海水通过螺杆与绞笼式反应釜内壁之间的空隙回流，以提高水合物颗粒的生成率。

本发明涉及的一种连续式水合物法海水淡化装置清洗绞笼式反应釜的工艺过程为：

通过电机的反转带动螺杆反转；

水经由喷淋管路通过高压喷水口喷射出对螺杆和绞笼式反应釜内壁进行清洗；

水与卤水通过进液口排出。

本发明涉及的一种海水淡化装置实现水合物生成、输送和分解的连续化的工艺过程为：

当第一个绞笼式反应釜进行水合物的生成和输送时，第二个绞笼式反应釜不动作；

当第一个绞笼式反应釜进行自清洗时，第二个绞笼式反应釜进行水合物的生成和输送；

当第一个绞笼式反应釜再次进行水合物的生成和输送时，第二个绞笼式反应釜进行自清洗；

......依次交替进行；

当第一个储罐存满时，第二个储罐进行存储，二者交替进行存储；

分解反应釜7持续进行水合物的分解。

本发明涉及的一种海水淡化装置通过螺杆的正反转能够进行高压气体增溶、水合物输运和清洗绞笼式反应釜；螺杆的叶片间距底部宽上部窄时，能够在输运过程中对水合物进行挤压脱水；螺杆的叶片间距等间距设置时，能够进行水合物的批量制备，叶片间距为1-5cm，能够防止螺杆发生卡顿；螺杆的转动速度为5-50转/分钟，转动方式包括正转和反转；高压气体包括二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷。

本发明与现有技术相比，以两个储罐以及分别与两个储罐连接的两个绞笼式反应釜和一个分解反应釜作为主体结构，利用水合物生成过程的排盐效应，通过水合物的生成-输送-分解循环，对海水进行初步脱盐，气体与海水中的水分子生成水合物，将水合物分解后得到低盐含量的水，两个绞笼式反应釜交替运行进行水合物的连续化生成和输送，两个储罐进行水合物的交替存储，分解反应釜进行水合物的分解，三者共同配合，实现了水合物生成、输送和分解的连续化工艺过程，此外，通过螺杆的反转和高压喷水口的喷水还能进行绞笼式反应釜的自清洗；其结构简单，两个绞笼式反应釜和两个储存罐交替间隙操作，连续化进行水合物的生成-输送-分解，实现了以气体为客体分子的水合物法海水脱盐的高效性、便捷性和连续性，克服了水合物生成的间歇性问题。

附图说明：

图1为本发明涉及的海水淡化装置的主体结构示意图。

图2为本发明涉及的螺杆的结构示意图。

图3为本发明涉及的螺杆反转时强化气液混合的示意图。

图4为本发明涉及的螺杆正转时输运水合物的示意图。

图5为本发明涉及的螺杆反转时清洗绞笼式反应釜的示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的连续式水合物法海水淡化装置的主体结构如图1所示，包括左储罐1、右储罐2、上管路3、左绞笼式反应釜4、右绞笼式反应釜5、下管路6、分解反应釜7、储罐进气口8、冷却夹套9、螺杆10、电机11、高压喷水口12、喷淋管路13、反应器进气口14、进液口15、夹套16、内盘管17、进口18、出口19、排气口20、出水口21和阀门22；左储罐1和右储罐2的入口端通过交叉式结构的上管路3与左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5连接，左储罐1和右储罐2的出口端通过Y形结构的下管路6与分解反应釜7连接；左储罐1和右储罐2的顶端分别设置有储罐进气口8，左储罐1和右储罐2的外侧分别设置有冷却夹套9；左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的螺杆10分别由电机11驱动，左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的顶端分别设置有高压喷水口12，两个高压喷水口12通过喷淋管路13连接，左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的上部分别设置有反应器进气口14，左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的下部分别设置有进液口15，左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的外侧分别设置有夹套16；分解反应釜7的内部设置有内盘管17，内盘管17具有进口18和出口19，分解反应釜7的上部设置有排气口20，分解反应釜7的下部设置有出水口21；上管路3上左储罐1和右储罐2的入口处、左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5的出口处，下管路6上左储罐1和右储罐2的出口处，储罐进气口8处，喷淋管路13上的高压喷水口12处，反应器进气口14处以及进液口15处均设置有阀门22。

本实施例涉及的连续式水合物法海水淡化装置进行海水淡化的具体工艺过程为：

高压气体100通过进气口14进入左绞笼式反应釜4，海水200通过进液口15进入左绞笼式反应釜4，电机11反转并带动螺杆10反转，螺杆10反转的同时将高压气体100带入海水200内，增强气液间的接触面积，通过控制夹套16内的冷媒的温度，将左绞笼式反应釜4的温度调节至反应温度；

待高压气体100在海水200中成核发生水合反应开始生成水合物颗粒300和卤水400时，调整电机11正转，螺杆10在电机11的带动下正转的同时将水合物颗粒300带出海水200，在水合物颗粒300被不断提拉和挤压的过程中，未参与反应的海水200倒流入左绞笼式反应釜4底部的卤水400中；

待水合反应达到设定的转化率时，开启左储罐1，通过冷却夹套9将左储罐1冷却，通过储罐进气口8注入气体，左储罐1的压力低于左绞笼式反应釜4的压力，水合物颗粒300在螺杆10的提拉推动和左储罐1与左绞笼式反应釜4之间的压差作用下进入左储罐1；

通过相同的操作使右绞笼式反应釜5进行水合物颗粒300的生成和输运，右储罐2进行水合物颗粒300的存储，同时，打开高压喷水口12，调整左绞笼式反应釜4的电机11反转，使螺杆10反转并带动水对螺杆10和左绞笼式反应釜4的内壁进行自清洗，将水和卤水400通过进液口15排出左绞笼式反应釜4；

左绞笼式反应釜4再次进行水合物颗粒300的生成和输运，右绞笼式反应釜5进行自清洗；

......以此循环；

左储罐1与右储罐2交替进行存储，分解时，将常温海水作为热流体从进口18通入内盘管17，水合物颗粒300在左储罐1或右储罐2与分解反应釜7之间的压差和重力作用下，进入分解反应釜7后，在泄压和内盘管17的加热作用下分解，得到气体和淡水，气体经由排气口20排出，淡水经由出水口21排出；

排气口20排出的气体通过储罐进气口8再次进入左储罐1和右储罐2进行稳压，或者，经过增压后通过进气口14再次进入左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5进行水合反应。

本实施例涉及的左储罐1和右储罐2带压低温条件下交替运行，带压是防止水合物颗粒300因为较大压降而快速分解，低温是防止水合物颗粒300因为遇热而快速分解；左绞笼式反应釜4和右绞笼式反应釜5在高压低温条件下交替进行水合物颗粒300的生成、输送和自清洗，以实现水合物颗粒300的连续化生产、输送和分解，因为，水合物需要在低温高压环境下生成，在超低温常压条件储存，水合物输送过程需要先进行降温处理，再进行泄压操作，使得水合物只能采取间歇生产方式；分解反应釜7在常压常温条件下运行；三者保持相对的独立性。

Claims (6)

1.一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，包括两个储罐以及分别与两个储罐连接的两个绞笼式反应釜和一个分解反应釜；使用时，两个绞笼式反应釜交替进行水合物的生成、输送和绞笼式反应釜的清洗，两个储罐交替进行水合物的存储，分解反应釜进行水合物的分解；生成和输送水合物的工艺过程为：

在绞笼式反应釜中充入设定量的高压气体和海水，通过电机的反转带动螺杆反转，螺杆反转的同时将高压气体带入海水中，提高高压气体在海水中的溶解量，以缩短水合反应的诱导期；

高压气体与海水发生水合反应得到水合物颗粒和卤水，通过电机的正转带动螺杆正转，螺杆正转的同时将水合物颗粒带出卤水后输送至储罐；

未参与水合反应的海水通过螺杆与绞笼式反应釜内壁之间的空隙回流，以提高水合物颗粒的生成率；清洗绞笼式反应釜的工艺过程为：

通过电机的反转带动螺杆反转；

水经由喷淋管路通过高压喷水口喷射出对螺杆和绞笼式反应釜内壁进行清洗；

水与卤水通过进液口排出；实现水合物生成、输送和分解的连续化的工艺过程为：

当第一个绞笼式反应釜进行水合物的生成和输送时，第二个绞笼式反应釜不动作；

当第一个绞笼式反应釜进行自清洗时，第二个绞笼式反应釜进行水合物的生成和输送；

当第一个绞笼式反应釜再次进行水合物的生成和输送时，第二个绞笼式反应釜进行自清洗；

...... 依次交替进行；

当第一个储罐存满时，第二个储罐进行存储，二者交替进行存储；

分解反应釜持续进行水合物的分解。

2.根据权利要求1所述的一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，采用多层级设置方式，绞笼式反应釜设置在最高层，储罐设置在中间层，分解反应釜设置在最底层。

3.根据权利要求1或2所述的一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，主体结构包括左储罐、右储罐、左绞笼式反应釜、右绞笼式反应釜、下管路和分解反应釜；左储罐和右储罐的入口端与左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的出口端连接，出口端与分解反应釜的入口端连接。

4.根据权利要求3所述的一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，左储罐和右储罐的入口端通过交叉式结构的上管路与左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的出口端连接，出口端通过Y形结构的下管路与分解反应釜的入口端连接；左储罐和右储罐的顶端分别设置有储罐进气口，外侧分别设置有冷却夹套；左绞笼式反应釜和右绞笼式反应釜的螺杆分别由电机驱动，顶端分别设置有高压喷水口，上部分别设置有反应器进气口，下部分别设置有进液口，外侧分别设置有夹套；分解反应釜的内部设置有内盘管，上部设置有排气口，下部设置有出水口；此外，两个高压喷水口均与喷淋管路连接。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，通过螺杆的正反转能够进行高压气体增溶、水合物输运和清洗绞笼式反应釜；螺杆的叶片间距底部宽上部窄时，能够在输运过程中对水合物进行挤压脱水；螺杆的叶片间距等间距设置时，能够进行水合物的批量制备，叶片间距为1-5cm，能够防止螺杆发生卡顿；螺杆的转动速度为5-50转/分钟，转动方式包括正转和反转。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种连续式水合物法海水淡化装置，其特征在于，高压气体包括二氧化碳、甲烷、乙烷和丙烷。