用于凈化水及產(chǎn)生水蒸氣的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是涉及一種用于凈化水產(chǎn)生水蒸氣的系統(tǒng)。更詳而言之，本發(fā)明是涉及一種應(yīng)用一系列的感應(yīng)器和控制系統(tǒng)來(lái)汽化水、去除溶解固體以及經(jīng)由水平的水處理容器把污染的水最大化地恢復(fù)成飲用水的改善方法。
【背景技術(shù)】
[0002]脫鹽(又稱(chēng)淡化或去鹽)是指從水中去除多余的鹽、礦物質(zhì)和其他自然或非自然污染物的眾多制程中的其中一種。歷史上，脫鹽是用在船上把海水轉(zhuǎn)化成飲用水?，F(xiàn)代的脫鹽制程仍然是用于船上或潛艇以確保有足夠的飲用水供應(yīng)給船員。但是，脫鹽越來(lái)越常用在缺乏淡水資源的干旱地區(qū)。在這些地區(qū)，來(lái)自海洋的鹽水被淡化成淡水以用于消耗(意即飲用)或者灌溉。從脫鹽制程中得到的高度濃縮的廢棄產(chǎn)物一般稱(chēng)之為鹵水，具有鹽分(氯化鈉)作為典型的主要副產(chǎn)品。目前在脫鹽中最受矚目的是在于開(kāi)發(fā)出具成本效益的制程以提供淡水給這些有限淡水資源的干旱地區(qū)的使用。
[0003]大型脫鹽通常是昂貴的，且一般需要大量的能源和昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施。例如，世界上最大的海水淡化廠主要使用多階段式急速蒸餾并且能每年制造出3億立方公尺的水。在美國(guó)的最大海水淡化廠每天能夠淡化2500萬(wàn)加侖(95000立方公尺)的水。世界上有將近13000座海水淡化廠能夠每天制造出超過(guò)120億加侖(4500萬(wàn)立方公尺)的水。因此，在此領(lǐng)域中一直具有改良脫鹽方法的需求，也就是降低成本且增進(jìn)相關(guān)系統(tǒng)的效率。
[0004]脫鹽可以由許多不同的制程來(lái)進(jìn)行。例如，有多個(gè)制程是使用簡(jiǎn)單的蒸發(fā)系(evaporat1n-based)脫鹽方法,像是多效蒸發(fā)(MED或簡(jiǎn)稱(chēng)ME)、蒸汽壓縮蒸發(fā)(VC)和蒸發(fā)冷凝。通常，蒸發(fā)冷凝在自然界的水循環(huán)中是一種自然脫鹽制程。在水循環(huán)中，水從源頭，像是湖泊、海洋和河流，蒸發(fā)到大氣中。蒸發(fā)后的水接著接觸到冷空氣會(huì)形成露水或雨水。所得到的水一般來(lái)說(shuō)是不含雜質(zhì)的。該水循環(huán)可藉由人為地一系列的蒸發(fā)冷凝制程來(lái)復(fù)制。在基本操作中，鹽水被加熱到蒸發(fā)。鹽與其他雜質(zhì)從水中溶解出且在蒸發(fā)階段留下。之后該蒸發(fā)的水被冷凝、收集并儲(chǔ)存為淡水。多年來(lái)，蒸發(fā)冷凝系統(tǒng)已經(jīng)得到很大的改良，特別是更多有效科技的到來(lái)推動(dòng)了該制程的進(jìn)行。但是，這些系統(tǒng)仍然需要輸入相當(dāng)?shù)哪茉磥?lái)蒸發(fā)水。另一種蒸發(fā)系脫鹽方法是包括多階段的急速蒸餾，如同上文的簡(jiǎn)要描述。多階段式急速蒸餾是采用真空蒸餾。真空蒸餾是通過(guò)于蒸發(fā)室中引起真空以在低于大氣壓的壓力下進(jìn)行一種煮沸水的制程。因此，真空蒸餾需要在比多效蒸發(fā)或蒸汽壓縮蒸發(fā)要低得多的溫度下操作，所以?xún)H需要較少的能源便能蒸發(fā)水而從中分離出污染物。這個(gè)制程在能源成本上升的角度來(lái)說(shuō)是相當(dāng)理想的。
[0005]另一種脫鹽方法可包括薄膜系(membrane-based)制程,像是逆滲透(RO)、電解透析逆滲透(EDR)、奈米過(guò)濾(NF)、正向滲透(FO)以及薄膜蒸餾(MD)。在這些脫鹽制程中，逆滲透是最常被使用的。逆滲透使用半透薄膜來(lái)施加壓力以從水中分離出鹽與其他雜質(zhì)。逆滲薄膜被認(rèn)為是有選擇性的。即，該薄膜對(duì)于水分子而言是高度可滲透的，而對(duì)于鹽與其他溶解于其中的雜質(zhì)是高度不可滲透的。這些薄膜本身被儲(chǔ)存在昂貴且高度加壓的容器中。該容器會(huì)使該薄膜的表面積以及通過(guò)其中的鹽水流速最大化。傳統(tǒng)的滲透脫鹽系統(tǒng)通常使用下列兩種技術(shù)中的其中一種來(lái)發(fā)展系統(tǒng)中的高壓環(huán)境:(I)高壓泵；或是(2)離心機(jī)。高壓泵會(huì)幫助過(guò)濾鹽水通過(guò)薄膜。系統(tǒng)中的壓力會(huì)根據(jù)泵的設(shè)定與鹽水的滲透壓來(lái)變化。滲透壓是取決于溶液溫度和溶解于其中的鹽的濃度?？商娲兀x心機(jī)通常更有效，但更難以實(shí)行。離心機(jī)會(huì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)溶液以分離出溶液中不同密度的材料。在薄膜的組合中，懸浮鹽和其他污染物者要是受到沿著薄膜長(zhǎng)度的等量徑向(constant radial accelerat1n)加速度的影響。對(duì)逆滲透制程中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是懸浮鹽的去除和薄膜會(huì)隨著時(shí)間被阻塞住。
[0006]逆滲透式水淡化廠的運(yùn)作費(fèi)用主要取決于需要驅(qū)動(dòng)高壓泵或離心機(jī)的能源費(fèi)用。水力能源恢復(fù)系統(tǒng)可被整合到逆滲透系統(tǒng)中以對(duì)抗關(guān)于在能源密集性制程中的能源成本的上升。這涉及到輸入能源的回收部分。例如，渦輪機(jī)在需要高運(yùn)作壓力與大量鹽水的系統(tǒng)中特別能被用于回收能源。渦輪會(huì)在水壓降低的期間回收能源。因此，在逆滲透系統(tǒng)中的能源回收是取決于薄膜相對(duì)兩側(cè)的壓差。在鹽水側(cè)的壓力大大高于在已脫鹽的水側(cè)的壓力。壓降會(huì)造成渦輪可觀的水能源回收。因此，在逆滲薄膜的高低壓部分之間產(chǎn)生的能源會(huì)被利用而不會(huì)完全被浪費(fèi)掉。回收的能源可用于驅(qū)動(dòng)任何系統(tǒng)組件，包括高壓泵或離心機(jī)。渦輪機(jī)并有助于降低整體能源消耗以執(zhí)行脫鹽制程。
[0007]一般來(lái)說(shuō)，逆滲透系統(tǒng)通常比加熱蒸餾消耗更小的能源，因此，更符合成本效益。當(dāng)逆滲透對(duì)于處理有些淡鹽水溶液有良好效果時(shí)，反而對(duì)處理高濃度鹽水溶液，像是海水，可能會(huì)變得負(fù)荷過(guò)重且效率變低。其他方面，較低效率的脫鹽方法可包括離子交換、冷凍、地?zé)崦擕}、太陽(yáng)能加濕(HDH或MEH)、甲烷水合物結(jié)晶、高階水回收或射頻感應(yīng)加熱。不管用什么制程，脫鹽是需要維持高密集能源。未來(lái)的成本和經(jīng)濟(jì)的可行性繼續(xù)取決于脫鹽技術(shù)的價(jià)格和操作該系統(tǒng)所需的能源成本。
[0008]另一種脫鹽的替代方法，在美國(guó)專(zhuān)利第4，891，140號(hào)，由小柏克(Burke，Jr.)揭露一種方法，其藉由分解蒸餾來(lái)分離并去除水中溶解的礦物質(zhì)與有機(jī)材料。在這里，水在壓力的控制下被加熱成蒸氣。當(dāng)水蒸發(fā)時(shí)溶解的鹽顆粒和其他污染物便從溶液中掉出。整合的水力漩流離心機(jī)加速這個(gè)分離制程。這個(gè)加熱的、高壓干凈水通過(guò)熱交換和液壓馬達(dá)把能量傳遞回系統(tǒng)。因此用到的凈能源(net energy)相對(duì)少于前述制程。事實(shí)上，用到的凈能源實(shí)際上等于設(shè)備運(yùn)行中的泵損失與熱損失。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)特別優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有薄膜來(lái)替代。不然這個(gè)制程中去除化學(xué)物質(zhì)和其他物質(zhì)會(huì)損害或破壞薄膜系脫鹽設(shè)備。
[0009]另一篇專(zhuān)利，美國(guó)專(zhuān)利第4，287，026號(hào)，由華勒斯(Wallace)揭露一種方法和裝置，用于從鹽水和其他淡鹽水中以溶解固體的形式去除鹽分和其他礦物質(zhì)來(lái)制造飲用水。水在高溫及高離心速率下被強(qiáng)制經(jīng)過(guò)幾個(gè)脫鹽階段。最好是，由內(nèi)部元件轉(zhuǎn)動(dòng)水并加速到2馬赫以有效由蒸發(fā)的水中分離和懸浮溶解的鹽和其他溶解的固體。懸浮的鹽和其它礦物質(zhì)離心地被迫向外由水蒸汽分開(kāi)地排出。接著該分離和純化的蒸氣或蒸汽冷凝回到飲用水。該系統(tǒng)明顯比逆滲透和類(lèi)似過(guò)濾系統(tǒng)需要較少運(yùn)作能源，以便能夠有效地和經(jīng)濟(jì)地凈化水。這種設(shè)計(jì)的一個(gè)缺點(diǎn)是，旋轉(zhuǎn)軸被組裝到垂直腔室中。其結(jié)果是，旋轉(zhuǎn)軸部?jī)H通過(guò)軸承和軸承蓋牢固在基座單元。在高轉(zhuǎn)速下(例如，超過(guò)I馬赫)，振動(dòng)會(huì)造成軸承的過(guò)度負(fù)荷，軸損壞以及密封失效。另一缺點(diǎn)是一系列的內(nèi)部腔室用螺栓一起連接在殼體部分。這些穿孔板經(jīng)由O型環(huán)密封件耦合到這些部分。因?yàn)闅んw部分和多個(gè)腔室是經(jīng)由螺母和螺栓連接再一起，所以殼體和O型環(huán)隨著時(shí)間磨損而造成鹽份的滲透。特別是，華勒斯設(shè)計(jì)的部件特別費(fèi)力。其維護(hù)需要密集的勞力，花費(fèi)顯著的時(shí)間去拆開(kāi)每個(gè)殼體部分，包括O型環(huán)、螺母和螺栓。當(dāng)然，在進(jìn)行必要的維修后得重新組裝。每個(gè)殼體部分必須被小心地放回到一起以確保它們之間適當(dāng)?shù)拿芊?。?dāng)設(shè)備老化時(shí)系統(tǒng)也容易出現(xiàn)扭矩和維修問(wèn)題，像是O型環(huán)泄漏。此外，該旋轉(zhuǎn)軸經(jīng)由齒輪傳動(dòng)連接到電源，其有助于上述提到的關(guān)于軸承，軸和密封件的可靠性問(wèn)題。該系統(tǒng)也未揭露一種裝置用于調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸部分的轉(zhuǎn)速，根據(jù)鹽水在進(jìn)行脫鹽制程時(shí)的滲透壓。因此，華勒斯的脫鹽設(shè)備在靜態(tài)下的運(yùn)作跟其他目前的脫鹽設(shè)備一樣效率不高。
[0010]因此，是有必要對(duì)本領(lǐng)域中的系統(tǒng)進(jìn)行改良，包括用以監(jiān)控真實(shí)系統(tǒng)資訊的感應(yīng)器和用以校正系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)作的控制器，以最大程度地提高水的去污功能，像是水的脫鹽，以及最小程度地耗費(fèi)能源。這種系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步整合多個(gè)回收循環(huán)以增加飲用水的回收率，從將近80%到將近96%與99%之間，并納入一聚合物輔助回收系統(tǒng)來(lái)提取殘留化合物的微量元素，以及會(huì)比已知技術(shù)中的其他脫鹽系統(tǒng)消耗更少的能源。本發(fā)明滿(mǎn)足這些需要且提供進(jìn)一步的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明是涉及一種處理流體的系統(tǒng)，像是凈化或淡化水，并產(chǎn)生水蒸氣，包含蒸汽。該系統(tǒng)包括一定義有一內(nèi)部容置空間的細(xì)長(zhǎng)容器。該容器一般是呈水平定位。一入口形成在容器中以引入流體于其中。多個(gè)圓盤(pán)彼此間隔而設(shè)置在該內(nèi)部容置空間中。該圓盤(pán)包括勺形貫口以讓該流體-包括液體和蒸氣-通過(guò)。該勺形貫口較佳地包括具有第一直徑的入口端和較小的第二直徑的出口端。多個(gè)擋板，即一般具有孔洞的板子，被設(shè)置在該多個(gè)圓盤(pán)之間。每個(gè)擋板具有多個(gè)貫孔讓流體-包括液體和蒸氣-流過(guò)。較佳地，該貫孔具有第一直徑的入口端和較小的第二直徑的出口端。在一實(shí)施例中，至少一個(gè)圓盤(pán)具有一導(dǎo)流器從該圓盤(pán)的前表面延伸出去，用以引導(dǎo)流體流向該圓盤(pán)的周?chē)帯?br>[0012]一旋轉(zhuǎn)軸穿過(guò)該擋板且安裝在該圓盤(pán)上以便使該圓盤(pán)在該內(nèi)部容置空間中旋轉(zhuǎn)，而該擋板維持固定。一驅(qū)動(dòng)器使該旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。通常，會(huì)有一間隙或一間隔層或低摩擦材料制成的套筒，或軸承，被設(shè)置在該擋板和該軸之間。
[0013]一污染物排放口形成在容器中且一般是連通到一污染水槽。一內(nèi)部套筒設(shè)置在該內(nèi)部容置空間中的圓盤(pán)和擋板下方處。該內(nèi)部套筒近該污染物排放口，該內(nèi)部套筒形成一環(huán)形通道從該內(nèi)部容置空間通往該污染物排出口。一蒸汽排出口也形成在該容器中并連結(jié)到蒸氣回收槽以冷凝蒸氣成為液態(tài)水。在一實(shí)施例中，至少一個(gè)已處理過(guò)的污染水槽流動(dòng)地耦接到該容器，藉由讓已處理過(guò)的污染水再次通過(guò)該系統(tǒng)對(duì)污染水進(jìn)行再處理。
[0014]在一實(shí)施例中，一控制器被用于校正該旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速或是流體進(jìn)入該容器中的流速。至少一感應(yīng)器連結(jié)到該控制器。而該至少一感應(yīng)器被用于下列至少其中一項(xiàng):(I)該旋轉(zhuǎn)軸或圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速，(2)該內(nèi)部容置空間的壓力，(3)該流體的溫度，(4)流體輸入速率，或是(5)污染物在該流體中的處理程度。
[0015]在一實(shí)施例中，一渦輪機(jī)被連接到該容器的蒸汽排出口以及可操作地連接到一發(fā)電機(jī)。該流體被加熱到至少一沸點(diǎn)以便產(chǎn)生蒸氣，且該蒸氣和/或蒸汽通過(guò)該渦輪機(jī)而可操作地連接到該發(fā)電機(jī)。一處理過(guò)的流體回到該渦輪機(jī)和該容器上的流體入口之間?？商娲?，該軸可延伸到該容器之外并直接或非直接地耦接到一發(fā)電機(jī)。
[0016]在一特別優(yōu)選的實(shí)施例中，該系統(tǒng)是被安裝在可攜式框架、ISO箱子，或類(lèi)似者。，該可攜式框架可經(jīng)由半拖車(chē)卡車(chē)運(yùn)送。
[0017]在使用上，該用于凈化流體和產(chǎn)生蒸氣的方法包含了引入污染物流體進(jìn)入容器的步驟。該流體被移送通過(guò)一系列由固定擋板交替分隔的旋轉(zhuǎn)盤(pán)以便旋轉(zhuǎn)并加熱該流體以影響其中的汽化物以制造出具有至少一些從中分離出的污染物的蒸氣。通常，若該系統(tǒng)不包括渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，該流體被加熱到至少華氏100度，但低于華氏212度。該蒸氣