CN101795753A - 径向逆流感应脱盐 - Google Patents

Abstract

同时的源-汇流或径向逆流由布置在外壳内的离心泵驱动。盐水的径向向外的源流进入罩箱中并浓缩，而淡水的径向向内的汇流在泵上流回以轴向提取。轴流泵驱动汇流和轴向提取。会聚的汇流在感应器下传递到轴向排出口。感应粘度和感应推斥阻止汇流中盐水的通过，所以只有淡水可到达轴向排出口。形成结垢的盐的结晶化由来自感应器的焦耳加热帮助。溶剂和气体被连续轴向提取到汇流中，这有利于结晶化。氯化钠在罩箱中被冷却和结晶。包括其它盐的盐水从箱中流出以被适当的装置处理。因此，盐水被分离成淡水、晶化盐和浓缩盐水。油也从盐水中分离出。金属回收是另一应用，其使用茶杯效应、感应推斥和离心泵上的带凹槽的滑道来从轻固体和水分离金属。无数湍流涡流旋涡的微小离心分离效应由离心泵和轴流泵的增压机制合并。沿着毛细管和动脉旋涡的有组织的低压梯度的相干网络给整体提供孔隙性，使得汇流可通过源流。在包括离心泵中的反向旋转的叶轮的实施方式中，径向旋涡为淡水和气体的汇流提供了动脉导管以轴向提取。

Description

径向逆流感应脱盐

技术领域

本发明涉及离心泵、流体分离以及没有过滤介质、膜、离子交换、电渗析或蒸馏的脱盐。本发明适用于通过物理水处理的防垢，并且也适用于由电磁力辅助的连续结晶和油-水-盐水分离。

背景技术

世界上安装的脱盐能力中的大约一半是在反渗透工厂中。反渗透(RO)脱盐通过使盐水与产品水分离的膜来完成。盐水上的高压使低盐度水渗透通过到达膜的另一侧。化学扩散是反渗透如何工作的传统解释。

在反渗透中所施加的压力足以克服在盐水中的盐的给定浓度时的渗透压。较高的盐度需要较高的压力。微咸水反渗透压力(brackisnwater reverse osmosis pressure)在17和27巴(1巴是一乘以大气压(10⁵帕或10⁵N/m²)，其在英制中是每平方英寸14.7磅)之间。海水操作压力在52和60巴之间，一般在英制中是大约1000psi。脱盐的海水比脱盐的微咸水贵3到5倍，脱盐的微咸水是普通城市饮水处理的两倍贵。对于饮用水，目标是小于百万分之五百(ppm)的总溶解性固体(TDS)。

反渗透的缺点是：(1)操作压力所需的能量，(2)膜的昂贵预处理上游的必要性，(3)归因于膜污垢的成本和停工期，以及(4)污染环境的巨大废弃盐水流。RO废弃盐水被美国环保署分类为工业废物。由于必须被克服的非常高的渗透压，所以使用反渗透使RO废弃盐水脱水需要非常高的压力，因此这个解决方案过于昂贵。倾倒或隐藏废弃盐水不是解决方案。

由巨大的RO废弃盐水流引起的未解决的问题的例子是美国最大的反渗透工厂-Yuma脱盐厂。自从1993年6个月的测试期结束以来，这个昂贵的现代设施就被闲置，因为其巨大的9,400ppm RO废弃盐水流的倾倒证明是环境上不可接受的。如果以全容量操作，每天从大约390百万升(102.7百万加仑)的Wellton Mohawk流域供应含盐的农业排水(TDS 2,900ppm)，则Yuma脱盐厂每天可生产大约275百万升(72.4百万加仑)的脱盐水。

Yuma废弃盐水流(TDS 9,400ppm)是令人咋舌的每天117百万升或117,000m³。虽然废盐水的盐度相对低，但随着时间的过去，盐在其被倾倒的地方积聚，毒害了本地动物群并产生使水鸟迁徙的腐烂陷坑。从这个例子中应很清楚，随着人类努力增加水供应，RO废弃盐水的浓度是脱盐领域中重要的未解决的问题和对环境保护的关键需要。

海水盐度大约为35,000ppm。大多数盐是氯化钠，但碳酸钙和硫酸盐也以高浓度存在，且这些其它盐引起结垢-在热交换表面上的绝缘壳，使蒸馏很难。这些产生结垢的盐还阻挡反渗透膜，所以必要的步骤是在膜的上游预处理盐水。

各种物理水处理设备和工艺使用电磁力结合流速来在给水中的离子上产生洛仑兹力。层流被认为是好的，因为湍流将再混合离子。然而，因为洛仑兹力与流速成比例，且层流必须慢，所以现有技术在该领域中有相当大的限制。

从海水中得到饮用水对反渗透比Yuma废弃盐水(TDS 9,700)对反渗透更加有挑战性。由于所需要的高压，因此能量要求非常大。海水的RO脱盐有仅仅50％的一般回收率，所以废弃盐水将有大约70,000ppm或7％的盐度，且它是与所生产的饮用水的流一样巨大的流。倾倒这样巨大的高浓度工业废物流在有快速增加的水需要的世界中不是长期选择。倾倒进海洋的高盐度羽流(plume)不是可持续的解决方案，因为没有人想要本地死海。将废物流隐藏在地下或海洋中的各种提议有运输问题，且根据不是真正的解决方案。

减少废弃盐水的量的唯一已知的脱水方法是蒸发塘，其需要宝贵的空间且破坏生产设施附近的环境。蒸发塘是使水鸟迁徙的有毒陷坑。工业废物倾倒地点，即使是临时倾倒地点，对源于反渗透的废弃盐水未解决问题来说不是令人满意的解决方案。

环境破坏的另一主要原因是油和天然气井，其每年产生200到300亿桶的盐水。该水的盐度范围从几千到463,000ppm。体积是在美国产生的所有液体危险废物的总量的70倍。该盐水的大约95％至少被负责的操作员再注入，但这仍然使巨大的流被倾倒进蒸发塘中。存在对比蒸发塘更好的从油气井浓缩所生产的盐水的方法的需要。也存在对电磁油-盐水分离装置的需要。

发明内容

外壳内的径向逆流由离心泵和轴流泵引起。离心泵径向向外平流输送盐水，而背压结合轴流泵的抽吸径向向内平流输送淡水以轴向提取。挡板使径向向外的源流与径向向内的汇流分离。源流是发散的，而汇流是会聚的。汇流处于外壳和旋转的剪切挡板之间。

感应器使壁法向力平流输送盐水远离外壳并进入靠着挡板的边界层。盐水中的感应粘度阻止其汇流，但淡水滑过。挡板上的滑道(runner)平流输送盐水远离轴向提取。流经轴向排出口的是减小盐度的水。在离心泵周围浓缩在罩箱(shrouding tank)中的是浓缩盐水。气体和溶剂的搅动和连续的轴向提取加速了结晶化。

高剪切在盐水中产生湍流旋涡，其中大的或小的每个旋涡执行离心分离。淡水在旋涡轴处浓缩；浓缩的固体在旋涡外围处的罩中一起研磨。背压和轴流泵的抽吸沿着旋涡轴在通过整体(bulk)的汇流中平流输送淡水。感应器从会聚的汇流排斥旋涡的传导罩。湍流旋涡的微观分离效应通过离心泵、轴流泵和感应器的增压机制(forcingregime)聚集。

由沿着由背压和轴向抽吸驱动的湍流旋涡的轴的聚焦的平流输送来克服渗透压。湍流连同组织其的所述驱动力为整体提供有效的孔隙性，以允许淡水会聚以轴向提取，同时盐水按照其传导性和其密度被除去。

溶剂(淡水)的轴向提取使聚集在罩箱中的盐水多度饱和。浓缩、搅动、来自感应器的焦耳加热以及溶剂和气体的连续轴向提取在结晶化期间为碳酸钙和硫酸结垢的成核和次级结晶化提供有利的条件。箱壁处的冷却装置帮助氯化钠的结晶化。其它盐的浓缩盐水流从箱中流出。

从矿井水、泥浆或工业废水中回收金属在同一设备中实践。在离心泵中的带凹槽的滑道捕获金属颗粒，且感应器的推斥力将颗粒从凹槽冲出到外壳内的汇流中。较轻的固体和油径向向外继续前进，而金属在挡板之下被轴向提取。

给水可为反渗透废弃盐水、海水、锅炉水、工业废水、矿井水、泥浆或来自油气井的所生产的盐水。给水的预处理是不必要的，且高盐度没有问题。分离和结晶化在具有高功率效率的低技术设备中是连续的。

附图说明

图1示出了优选实施方式的一部分的示意性正视图。设备是关于轴a-a对称的。离心泵包括单个叶轮。

图2a是优选实施方式中的离心泵的细节。

图2b是叶轮滑道的一部分的详细剖面。

图3是当径向逆流发生时外壳内的空间的一部分的详细剖面，其显示了不同的流和力。

图4示出了图1所示的优选实施方式的箱。

图5是感应器的优选实施方式，双线扁平线圈(bifilar pancakecoil)的俯视图。

图6a示出了本发明的可选实施方式，其中离心泵包括两个相对的反向旋转的离心叶轮。

图6b示出了可选实施方式的箱和优选的驱动装置。

附图参考数字

1-轴向进给导管

2-轴向进给口

3-进给源

4-离心泵

5-挡板

6-滑道

7-驱动装置

8-固体收集箱

9-轴向排出口

10-轴向排出导管

11-轴流泵

12-离心泵的外围

13-箱

14-源流

15-汇流

16-电流源

17-电流变化装置

18-离心泵的驱动轴

19-挡板和外壳之间的汇流的通道

20-感应器

21-外壳壁

22-固体的汇流

23-在滑道中的凹槽内捕获的金属上的推斥力

24-旋涡轴

25-挡板上的源流

26-挡板上的淡水的汇流

27-汇流的通道中传导性成分上的来自感应器的壁法向力

28-边界层，在此处固体径向向内流动

29-在用于将金属颗粒捕获在离心泵的源流中的滑道上的凹槽

30-用于驱动轴的键

31-用于从箱中提取未晶化盐水的浓缩盐水口

32-用于从箱中提取晶化氯化钠和固体的晶化固体口

33-用于冷却箱中的盐水的冷却套

34-气体口

35-用于气体口的调节装置

36-可滑动地啮合叶轮和箱壁的可旋转的轴承密封件

37-驱动轮

38-可滑动地啮合叶轮和轴向进给导管以及轴向排出导管的可旋转的轴承密封件

39-底部叶轮，其也是外壳的一部分

40-顶部叶轮，其也是外壳的一部分

41-汇流的通道中的径向旋涡

具体实施方式

图1示出了用于脱盐和用于浓缩并结晶化盐水的优选实施方式的一部分的示意性剖面正视图。此设备也适合于从盐水中回收金属。图4如所示地在虚线处连接。对称性是关于轴a-a，所以在右边有缺少的部分，其与图1和图4中所示的部分相同。

该实施方式相对于图6所示的包括反向旋转的离心叶轮的可选实施方式是优选的，因为它更简单且不需要大密封件。哪个实施方式是实践本发明的最佳模式将取决于在特定应用中所需的费用和容量。简单性是优选的，且图1所示的优选实施方式最清楚地示出了本发明。

所谓术语“盐水”指的是液体和传导性固体的混合物，其也可包括气体。盐水包括海水、源于反渗透操作的废弃流、来自油气井的产出水、金属矿井水(metallic pit water)、泥浆、工业废水和源于金属精加工操作的溶剂。它还包括包含金或其它金属的泥浆。术语“盐水”的意思是概括性的且范围广的，且没有被限制到氯化钠的溶液。过饱和的溶液也包括在术语“盐水”中。

由于从轴a-a径向向外平流输送流体的可旋转的离心泵4的作用，盐水从进给源3通过轴向进给导管1，通过轴向进给口2流入外壳21的内部，并接着从轴a-a径向向外进入罩箱13中。源流14由指向箱的箭头示出。同时，有从箱13径向向内并在外壳21内朝着轴a-a会聚的汇流15。汇流由来自进入箱的流的背压并由轴流泵11的抽吸引起。所述同时的源-汇流将被称为径向逆流。

外壳优选地由非传导性抗腐蚀和耐用的材料例如在海水应用中使用的各种塑料制成。外壳在感应器20和外壳内部中的盐水之间提供电介质。

径向逆流出现在挡板5之下和之上，挡板5是离心泵4的一部分并布置在外壳21内在轴向进给口2和轴向排出口9之间。挡板包括在两侧上的滑道6，所述滑道配置成使得当离心泵4旋转时它们从轴a-a径向向外平流输送流体。挡板5大致垂直于通过轴向进给口2出来的流。在挡板5和外壳21的轴向排出口9所在的部分之间是汇流19的通道。在旋转的挡板5和静止外壳21之间的剪切在汇流19的通道中引起湍流24。在挡板5之上，在汇流19的通道中，径向逆流由淡水和气体26的汇流以及盐水25的源流组成。在挡板之下，径向逆流由进给盐水14的源流和包括金属的固体22的汇流组成。对于流的更详细的解释见图3。

汇流由挡板5之上的淡水15和挡板之下的固体22组成。固体，包括金属，向下通过轴向进给导管1并进入固体收集箱8中。固体也聚集在箱13中。见图4。固体22的汇流出现在靠着外壳和在离心泵4之下的边界层中，并由来自箱13的再循环流和茶杯效应引起。见图3。

在通道19中会聚到轴向排出口9的汇流必须通过高湍流24并通过来自感应器20的电磁场，该电磁场在传导性成分例如夹带的盐水上产生壁法向力27。可受此夹击的液体将是具有低传导性的水，即，具有低盐度的淡水。

驱动轴18将离心泵连接到驱动装置7。驱动装置可为电机、引擎、风车或用于引起驱动轴的旋转的各种其它装置。优选地，滑道6是弯曲的，并适合于逆着高压平流输送液体。优选地，离心泵由耐用的抗腐蚀和非传导性材料构成。这样的材料在泵的领域中是公知的。

感应器20布置在汇流19的通道之上和轴向排出口9周围。感应器通过电流时间变化装置(current time varying means)17连接到电流源16。优选地，感应器驱动频率在射频范围内。感应器的传导元件与外壳内的液体电绝缘且彼此电绝缘。在汇流19的通道内的湍流中的传导性成分上的壁法向力27由感应器20的振荡电磁场产生。所谓术语“感应器”指的是在导体中感应电磁力的任何设备。术语“感应器”是概括性的并包括永久磁铁和具有交流或直流电的线圈。对于感应器的细节见图5。感应器的优选实施方式是由Nikola Tesla发明的射频双线扁平线圈。见Tesla的美国专利号512,340(1984)。虽然线圈是已知的，其对脱盐的应用是新的。

湍流旋涡在它们外周形成浓缩盐水的罩，因为固体比水密度高且因此在湍流旋涡中与水离心地分离。湍流涡流旋涡半径(r)非常小，因此在旋涡内的成分上径向加速度(a)高，且出现了根据密度的分离，因为a＝v²/r。本发明提供了用于在湍流旋涡被再混合在湍流中之前使用无数湍流旋涡的微小离心分离效应的装置。径向逆流的增压机制将湍流涡流旋涡作为毛细管通过涡核连接到淡水的相干汇流。相干性产生淡水的大孔隙性，同时丢弃盐水。增加淡水从盐水的所述径向逆流离心分离的效率是感应器的分离效应。

汇流的通道19中的旋涡24的所述离心分离的盐水罩是高度含盐的，因此是高传导性的，但其淡水核心的传导性不如罩。当汇流通过轴向排出口9被抽吸时，由感应器引起的感应电动势根据楞次定律从通道19径向向外排斥盐水罩，所以当汇流继续前进时，盐水罩从其淡水核心剥离。保留在通过通道19的汇流中的夹带的盐水由于感应器受壁法向力27的作用并被推向挡板5，在挡板5上它成为靠着挡板的边界层的一部分，当挡板旋转时，它被径向平流输送出通道19。

根据本发明的没有感应器的级联设备可增加分离到所期望的纯度。然而，感应器的添加是优选的，以在单个设备中产生具有最低盐度的水。感应器20还通过经由对整体的焦耳加热提供活化能有助于碳酸钙成核和硫酸盐结晶化。

箱13接收由离心泵径向向外平流输送的盐水。背压15集中到湍流旋涡所提供的汇流导管上。这些是低压弱点，给整体提供有效孔隙性，使得淡水以汇流滑过源流，其中淡水由于其较低的密度而在湍流旋涡的轴处是高浓度的。渗透压被有组织的湍流、集中的背压和在径向逆流中的轴流泵11的抽吸克服。这是与蛮力、反渗透的未集中的整体增压不同的方法。

在外壳的中心处的轴向排出口9与轴向排出导管10相通。虽然充足的进给压力或离心泵背压可驱动淡水通过轴向排出口以收集，但轴流泵11的添加是优选的，因为它拉伸在通道19中的旋涡轴，从而增加涡度，以提高旋涡的相干性和作为结果的整体孔隙性，该作为结果的整体孔隙性在没有浪费能量的情况下允许汇流。轴流泵11还对所提取的淡水提供足够压头(head)，以通过处理管以聚集在箱中。轴流泵的净正吸入压头(NPSH)由背压15提供。很多不同的泵可用于轴流泵，包括根据本发明的外壳内的离心泵，产生级联。具有低盐度的水、轻油、低比重碳氢化合物例如汽油、以及选出气体通过轴流泵以由适当的装置处理。

通过提取水经由轴向排出口9而过度饱和的盐水聚集在布置在离心泵周围的罩箱13中。箱与外壳的内部相通并接收通过离心泵以源流径向向外平流输送的流体。源于沉淀或结晶化的反应产物，其包括气体和水，从箱被连续提取在汇流中，因而有利于箱中的成核和次级结晶化。从箱中流出的是气体、晶化盐、固体和浓缩盐水。这些处于分离的流中并可容易通过适当的装置转到随后的处理。用于所述浓缩盐水的适当装置包括根据本发明的另一设备，其在级联中使用盐水作为通过其轴向进给口的进料。

优选实施方式的操作

湍流在传统上被视为机械能的无用劣化，不受欢迎的阻力的原因，因此除了作为麻烦事以外不值得引起关注。当旋涡再混合时，可在湍流旋涡中出现的任何离心分离效应快速丧失。本发明将湍流旋涡组织成供应动脉汇流的连接的毛细管，所以涡流内的离心分离效应作为淡水的汇流被聚集。旋涡的相干分支网络通过逆着背压提供很多低压弱点来对整体提供有效的孔隙性，其驱动汇流通过旋涡。

高湍流中的涡流提供低压梯度，在此处低密度馏分例如淡水和气体浓缩。所述低压梯度曲折地与轴向排出导管10中的由轴流泵11的抽吸所引起的低压相通。湍流涡流是汇流毛细管。汇流由轴流泵11的抽吸并由来自罩箱13的背压15推动。

盐水高度浓缩在远离涡流旋涡轴处，因此旋涡的外围是高传导性的，但核心不是。通过感应器20的离心分离和推斥将溶解的固体推离汇流19的通道而进入靠着旋转的挡板5的边界层25。当汇流会聚到轴向排出口9时，它通过从挡板5和外壳21之间的空间出来的盐水的离心分离、推斥和冲洗逐渐变得更淡。见图3。

在每个涡流外围处是离心分离的浓缩物，且相邻的涡流在一起摩擦，产生离子克服静电排斥和粘到晶体的水分子的包络的屏蔽效应的高概率。浓度和涡流摩擦为成核和次级结晶化提供有利的条件。反应产物例如水和气体落入旋涡轴中，因为它们比晶体和盐水密度小。当反应产物被连续提取时，浓缩盐水和成核的晶体在高湍流中在涡流外围处摩擦。在高度搅动下的过度饱和出现在罩箱13中，罩箱13布置在离心泵周围并在水被连续提取到汇流中时接收更多盐水的连续注入。箱中溶解的固体的浓度达到氯化钠和其它晶体析出的点。浓缩盐水被提取，以用于由适当的装置处理以回收其它盐。碳酸钙和其它形成结垢的盐由于通过感应器的焦耳加热以及通过淡水和气体的连续轴向提取的过度饱和而沉淀。

轴流泵11径向向内汲取淡水通过汇流通道19并通过轴向排出口9，从而拉伸湍流旋涡的轴，拉伸旋涡轴增加了涡度并维持支持整体孔隙性的毛细管网络的相干性。

相当多的能量在双线扁平线圈的电场和磁场之间振荡，该双线扁平线圈是感应器20的优选实施方式并在图5中显示有更多特性。盐水具有在半导体范围内的传导性，并且比饮水的传导性大100倍，所以感应器20的作用将是使盐水远离轴向排出口9，同时允许低盐度水或淡水通过挡板和外壳之间的汇流19的通道。该分离效应是由于两种机制：差动壁法向力和差动感应粘度。这两者都是由于盐水和淡水之间的传导性的差异。

来自感应器20的交变磁场在盐水中感应出涡流电流。根据愣次定律，导体例如涡流电流环，由于感应电流的原因而被推斥：感应器20。在汇流的通道19中夹带的盐水被壁法向力27推斥而远离外壳的壁。作为不良导体的淡水以及油、电介质不被推斥。根据法拉第法则，较高的频率将引起较高的推斥效应，因而引起盐水和淡水以及油的较大的分离。在汇流中夹带盐水因此卷曲远离感应器20并进入挡板5顶上的边界层，在此处，其被离心泵径向向外平流输送远离轴向排出口9。因此任何夹带的盐水由电磁装置结合湍流装置引起以与径向向内会聚到轴向排出口9的汇流偏离。图3更详细地示出了壁法向效应。

湍流旋涡中的旋涡流用于放大夹带的盐水上的壁法向力27。远离感应器流入涡流中的盐水将被加速，且流向感应器的盐水将被减速。淡水将继续其旋涡流24，而没有被感应器加速或减速。对很多旋涡旋转的净效应是：盐水将聚集在挡板顶部上的边界层中，其通过挡板的滑道被平流输送远离轴向排出口。

盐水的旋涡是具有非传导性淡水的核心的螺线管导体。螺线管的感应使其根据愣次定律从挡板和外壳之间的汇流的通道19被排斥。通过盐水罩的所述感应排斥被剥离了其传导性盐水罩的淡水沿着旋涡轴继续汇流。

壁法向力27的另一原因是在盐水中的离子上的洛仑兹力。本发明的优点是湍流有助于根据洛仑兹力的物理水处理。离子上的洛仑兹力是流体速度和磁场强度的函数，在本发明中这两者由于高湍流和来自RF双线扁平感应器20的强大的近场感应而都很高。

感应器20可具有很多不同的设计，且所有设计都包括在权利要求的范围内。由Tesla所公开的RF双线扁平线圈设计是我所知道的最佳模式，但经济性或其它考虑因素可能指示直流感应器、永久磁铁、低频感应器和其它设计的使用。对于所述其它感应器，在汇流19的通道中的高湍流和作为结果的高角速度增加了移动通过感应器的B场的离子络合物上的洛仑兹力的分离效应。盐水速度还有助于在甚至没有交流电的情况下感应出涡流电流。盐水涡流电流由于其感应的反向电动势和其相反的磁场而从感应器被推斥。

湍流提供具有低汇流速度的高角速度，使得洛仑兹力有时间在流经汇流的通道19期间可观地起作用。这特别在径向向内的流通过渐缩喷嘴减慢的地方成立，而径向向内的流通过渐缩喷嘴减慢是在所述汇流中的情况。现有技术认为层流，即，缓慢和非湍流的流在根据洛仑兹力的物理水处理中是有利的，因为在淡水流中的离子的再次夹带可能在湍流中不能避免。在本发明中公开的相干旋涡网络及其增压机制提供管理湍流的装置作为助手。

磁流体动力(MHD)效应是归因于通过电磁场的流体流的感应的整体粘度。研究者将MHD效应看作通过增加边界层中的流体的粘度来减小海船上的湍流拖曳的方法。还存在归因于电场的电流体动力效应。

传导性成分例如整体中的盐水由于感应器20而变得更有粘性。肿胀的盐水在朝着轴向排出导管9挤进的会聚流中阻塞，但非传导性的淡水就如河流通过木材堵塞流动一样滑过盐水凝块。MHD效应是传导性、场强和流速的函数，所有这些在本发明中都很高。

血液在其传导性上像海水，且研究者发现，在用于磁共振成像(MRI)的6T场中，在体内以其通常速度流动的血液的压力增加10％，而在10T场中，压力增加是28％。甚至在缓慢的血液流动时感应粘度也相当大。

海水的传导性σ为4S/m(西门子/米)、相对介电常数ε_r为81和相对渗透率μ_r为大约1。在已知理论中使用这些参数，看来海水是对于频率低于大约800MHz(射频)的电磁能的良好导体。经验法则(rule of thumb)是海水趋肤深度(以米为单位)＝225/f^1/2。在射频处，波长在米的数量级，因此对外壳中的盐水的效应是近场效应。在10MHz时海水趋肤深度在厘米的数量级，而在10kHz时在米的数量级。在5MHz时，趋肤深度为大约10cm。频率越高，通过介质的损耗越高，因此趋肤深度越浅。高损耗对分离很好。

趋肤深度是通过导体的距离，在该趋肤深度，传播的电磁波的振幅衰减到其初始强度的37％。通过导体传播的电磁波的衰减是归因于涡流电流的功率损耗的直接结果。在盐水上完成的推斥工作是一个结果，而焦耳加热是另一个。从海水的例子和趋肤深度的已知理论中，本领域技术人员应清楚什么频率驱动在根据本发明的设备中的导体，以便保护轴向排出口免受盐水侵入。

离心泵引起浓缩盐水和箱壁之间的剪切。搅动使用冷却装置33来提高热交换。冷却有助于氯化钠的结晶化。溶剂通过湍流旋涡轴并通过轴向排出口9被连续提取出箱，从而通过增加浓度而加速所有盐的结晶化。晶体和沉淀物以及其它固体通过晶化固体口32以由适当的装置进一步处理，该适当的装置包括根据本发明的另一设备。其包含未晶化盐的浓缩溶液的母液，包括硝酸盐和硫酸盐，通过浓缩盐水口31。

对于来自油气井的所生产的盐水，油和轻碳氢化合物连同淡水和气体一起被轴向提取，因为它们比盐水密度小。感应器20从作为电介质的油中分离作为良好导体的盐水，即使在胶状悬浮体中，且甚至在高湍流中。具有沙子和焦油的所生产的盐水可被供应到优选实施方式中。沙子和焦油连同浓缩盐水一起聚集在箱中，而淡水、宝贵的碳氢化合物和气体流经轴向排出口9。油水分离出现在根据本发明的另一设备中，其使用轴向排出口的输出作为级联的后续设备的进料。

图2a示出了离心泵4的滑道的阵列的细节。该视图是从轴向进给口2从泵之下朝着感应器20向上看。螺旋形滑道6在挡板5之下和之上，且当离心泵在箭头所示的方向上旋转时，流体在源流14中被滑道径向向外平流输送。在叶轮中心处的驱动轴18连接到驱动装置7并由键30连接到离心泵4。

图2b示出了滑道的剖面，其示出了凹槽29。凹槽通过增加表面积并通过呈现垂直于平流输送的方向的表面来增加滑道的牵引力。凹槽还捕获在盐水中悬浮的金属和其它重馏分。金属是高密度成分，因此它们在其流体络合物由滑道推动时具有高惯性。当动量由滑道施加时，液体和较轻的固体由于其低质量而快速获取壁法向速度，但金属相对行动迟缓并沿着滑道缓慢前进，直到落入凹槽中。在凹槽上的流带走轻固体但不是金属。结果是金属，甚至细小颗粒，聚集在凹槽29中。

金属是优良的导体。金和银是特别好的导体。来自感应器20的感应推斥根据愣次定律将金属冲出凹槽。被冲出的金属落入出现在离心泵的滑道之下并由茶杯效应引起的固体22的汇流、优先地平流输送高密度成分的来自箱的再循环流中。

砂砾、沙子、粘土和其它相对非传导性固体在源流14中沿着滑道继续前进到达箱13。

本发明提供了用于补救盐土的装置。这是世界上重要的未解决的问题，因为多年的灌溉和渗透已使盐从地下移动到表面。高盐度杀死农作物。这样的土壤的泥浆可为供应到图1所示的优选实施方式的盐水。金矿开采和从这样的泥浆回收的其它金属可使土壤补救在经济上有利可图。

从工业废水和矿井水回收的金属也可在优先实施方式中实现，传导性金属聚集在凹槽中并被感应推斥冲出进入汇流中，且聚集在泵之下。

图3示出了外壳21内的空间的一部分的详细剖面。这示出了在优选实施方式中操作的各种流和力。挡板5位于外壳21的顶壁和底壁之间并位于感应器20之下。挡板上的源流25由包括挡板的离心泵4的滑道6的旋转引起。

外壳21的底部部分上的边界层28中的固体的汇流22由来自叶轮的再循环流压力引起，该叶轮将盐水平流输送到箱中。重固体例如金和金属通过茶杯效应被优先径向向内平流输送。其它固体与源流14重新会合。叶轮滑道6上的凹槽29捕获可能在盐水中悬浮的固体。感应推斥使金属的流23通过凹槽并进入汇流22中。来自感应器的推斥阻止金属的源流并将其引导到挡板5之下的汇流22中。

具有旋涡轴24的旋涡处于通向轴向排出口2(未示出)的汇流的通道19中的外壳壁21和挡板5之间。旋涡由剪切引起。由感应器20引起的在夹带的盐水上的壁法向感应力27使旋涡轴14弯曲进挡板5的顶部上的边界层25中。边界层如箭头所示被径向向外平流输送。淡水的汇流26通过汇流的通道19，并通过轴流泵11(未示出)的抽吸和来自被离心地抽吸进入挡板5之下源流14中的罩箱13中的盐水的背压15被平流输送。淡水是相对非传导性的，因此感应推斥不影响淡水且其流是不受阻碍的。

图4是图1所示的优选实施方式中的箱13的细节。虚线示出了两个图连接的地方。进入箱13的盐水的源流14引起再循环流压力和汇流15。在离心泵4周围限制在罩箱13中的盐水通过汇流中溶剂的提取被连续浓缩。汇流还通过轴流泵11的抽吸被驱动。晶化氯化钠和其它固体在箱的底部通过晶化固体口32从箱中被提取。晶化固体口32包括用于调节流的适当的装置。通过晶化固体口的流主要是氯化钠，如果它是在冷却中首先结晶的盐。

冷却套33提供了帮助氯化钠的结晶化的冷却装置。冷却套优选地充满盐水并与盐水冷却器相通。冷却套在湍流在其表面上循环时从箱提取热。冷却不使碳酸钙溶解，因为浓度高。

包含其它盐例如硝酸盐和硫酸盐的浓缩溶液的母液流经浓缩盐水口31以由适当的装置进一步处理。浓缩盐水口31包括用于调节流的适当装置。盐水因而可保留在箱中以适合处理要求。进料盐水被连续供应到箱中，且水被连续轴向提取，因此盐水浓缩到过度饱和并结晶。

连接到用于调节流的适当装置35的气体口34提供了从箱中提取气体的装置。气体还在汇流15中被提取。被提取的另一结晶化的产物是淡水，该淡水是由于背压和轴流泵11的抽吸而离开箱进入汇流15中的溶剂。结晶化的产物的提取防止进入箱的盐水再次溶解晶体。

滑道6将流体推到箱中，并引起逆着箱壁剪切的盐水的旋转，从而在箱13中产生高湍流。右指示箭头所示的背压15将汇流推离箱。由于湍流中旋涡的存在，背压15遭遇整体中的弱点，这些弱点是湍流旋涡的轴，在此处有低压梯度。湍流产生整体中的有效的孔隙性。湍流增加了离子的动量，且相邻旋涡盐水罩的摩擦增加了用于结晶化的离子碰撞的概率。

在启动时，排气口34维持打开以排出所有气体。当离心泵4以操作所需要的速度旋转时，进料通过轴向进给导管1被引入，且气体流经排气口以从装置内移除大多数气体。一旦气体被冲走，排气口就被调节，使得箱中的压力增加，从而驱动淡水的汇流。轴流泵11的NPSH由背压提供。

图5示出了在优选实施方式中和图6所示的可选实施方式中优选的感应器的细节。感应器20的优选实施方式是布置成与轴向排出口9同心的双线扁平线圈，使得通过汇流的通道19到轴向排出口的会聚汇流必须通过来自感应器20的振荡的E和B场。由非传导性材料制成的外壳使感应器与挡板和外壳壁之间的流分离。

所示的双线扁平线圈是已知的设备。见授予Tesla的美国专利512,340(1984)，其中图2是双线扁平线圈，该附图通过引用被纳入本说明书。双线扁平线圈是串联的两个线圈，其交叉的平行电线以扁平螺旋形缠绕在一起。电流在平行电线中在同一方向上流动。以不同方式缠绕的其它双线线圈具有在相邻绕组中在相反方向上流动的电流。这些也包括在感应器的定义中，但不在Tesla的专利中。

在优选实施方式中，电流从第一线圈A中向内成螺旋形的扁平线圈的外围处的端子流到扁平线圈的中心，接着进入跨接电缆，且以第二线圈B开始再次从扁平线圈的中心到外围。第二线圈B中的电流横靠第一线圈A向内盘旋到扁平线圈的中心，在此处有将扁平线圈连接到电流变化装置17的另一端子。

在双线扁平线圈中相邻电线段的任何一对之间存在纵向大约相等的距离，该距离大约是两个线圈的合并的长度的一半。在该距离上有电压降，因此在相邻绝缘电线段之间有相当大的电势差。寄生电容允许高频操作。优选地，感应器20的驱动频率在射频(RF)范围内并等于它包括的LC振荡器的自然角频率，以便获得共振条件。共振最小化阻抗，所以输入功率将被有效地传输到盐水中以引起分离和结晶化。

在RF范围中，所有感应将来自近场效应，因为波长比挡板5和外壳21的间隔长。感应将由表现为位移电流的电场和表现为涡流电流的磁场引起。感应对传导性成分产生壁法向力27，在汇流的通道19中将其推离外壳。感应推斥将传导性成分例如夹带的盐水驱动到靠着限定汇流的通道19的挡板5的边界层中，且挡板的旋转远离轴向排出口平流输送边界层，因而在生产水中防止盐水的侵入。来自感应器20的磁场结合湍流流速还对离子产生洛仑兹力，其导致盐水上的壁法向力27。

Tesla提供了下面的例子来表明双线扁平线圈设计允许高能量存储。在其端子两端具有100伏电势的1000圈的传统线圈将在圈之间有0.1伏的差异。如果绕组是双线，则在圈之间有50伏的电势。电容器中的能量存储与电压的平方成比例，所以在本例子中，双线扁平线圈将比传统线圈多50²/0.1²＝250,000倍电容。

当然，本领域已知的适当接地和屏蔽装置从属于感应器20。所述装置没有示出，因为它们对本领域技术人员应是已知的。

图6a和图6b示出了本发明的可选实施方式，其中离心泵4包括底部叶轮39和顶部叶轮40。图6a在虚线处连接到图6b，如图所示。该可选实施方式的外壳21包括叶轮39、40。底部叶轮39通过滑道6连接到挡板5，滑道6形成允许在挡板5之下从轴向进给口1流动并从轴a-a径向出来进入箱13的螺旋形进给通道。叶轮以大约相同的速度如箭头所示在相反的方向上旋转。反向旋转引起在靠着每个叶轮的盐水的平流输送的边界层之间的剪切。剪切引起在叶轮之间的自由剪切层中的湍流和径向旋涡41。

用于使叶轮反向旋转的优选装置是通过驱动轴18和驱动装置7转动的驱动轮37。用于反向旋转的可选装置是连接到每个叶轮的分开的电机和由齿轮或皮带连接的单个电机。例如，对旋叶轮在航空中是已知的。

叶轮39、40之间的空间与箱13的内部相通。当叶轮旋转时，叶轮和箱13的壁之间的密封件36维持箱内的压力，靠着密封件滑动。叶轮与轴向排出导管10和轴向进给导管1之间的其它轴承密封件38允许所述导管在叶轮旋转时保持静止。

在反向旋转的叶轮39、40之间的盐水中的是自由剪切层。在叶轮之间和箱中的湍流很高，且湍流在剪切旋涡离心中通过比重改善盐水与淡水的分离。剪切层中的径向旋涡41了提供用于聚集在湍流涡流中的微观分离效应的动脉汇流导管，使得淡水和气体进入畅通的流动路径以轴向提取。

图6a、6b所示的可选实施方式的优点是径向旋涡41通过将径向向内的汇流路径变直来增强动态产生的整体孔隙性。在图1所示的实施方式中，径向向内的流是通过螺旋形的而不是直的线。图6a、6b所示的可选实施方式的缺点是密封件36的必要性以维持箱压力和更复杂的设计。当然，箱和外壳可为连续的，以包围两个反向旋转的叶轮。然而，使用包围的额外外壳的在叶轮上的来自剪切的额外湍流拖拽将浪费能量。

如果费用没有异议且密封问题可被解决，则图6a和6b所示的设备将是实践本发明的最佳模式，因为湍流更高且更有组织。需要较少的能量来驱动汇流，该汇流发生在底部叶轮39的挡板5之上和顶部叶轮40之下。汇流的通道19处于比优选实施方式中的更高的剪切中，因为其限定的两个表面是反向旋转的。

挡板和顶部叶轮之间的剪切在其反向旋转时产生径向旋涡41，旋涡41如同轮子中的轮辐一样从阵列中的旋转轴延伸并为汇流提供相干低压梯度。轴流泵11的抽吸和来自箱的背压15驱动淡水通过径向旋涡。径向旋涡在涡流旋涡的轴处与低压梯度相通，因此当盐水流经轴向进给口2时，存在连接的低压梯度的相干网络，其与轴流泵11相通并提供用于从外壳连续地轴向提取淡水的装置。

感应器20从汇流除去盐水，并且还从源流除去金属，如前所述。来自感应器的焦耳加热为引起结垢的碳酸钙和硫酸盐的沉淀提供活化能。从结晶化产生的二氧化碳气体和淡水溶剂从汇流中的溶液被连续提取，这有利于正向结晶化反应。气体还流经排气口34。沉淀的碳酸钙晶体被湍流旋涡离心分离进入靠着离心叶轮的边界层中，并被径向向外平流输送到箱中。沉淀的结垢、固体和晶化盐流经晶化固体收集口32，且浓缩盐水流经浓缩盐水口31。

进一步的讨论：

轴流泵11仅仅是用于驱动汇流的一种装置，且单独的背压15可能就足够了。然而，轴流泵的添加是优选的，因为它用于拉伸旋涡轴，从而增加涡度。

根据本发明的级联设备将提高盐水分离。换句话说，来自轴向排出导管10的低盐度水被供应到根据本发明的第二设备中并被进一步分离，依此类推，直到来自轴向排出导管的输出是适于饮用的。此外，从箱中通过浓缩盐水口31流出的浓缩盐水可能变成后续设备的给料，以结晶化其它盐，例如硝酸盐。

从泥浆提取细微的金颗粒是本发明的另一应用。金是高传导性的，所以感应器20将有力地推斥金，因而阻止其径向向外流动。金还是密度非常高的，所以感应推斥将不被进给流克服。金将加入固体22的汇流并落入固体收集箱8中，而沙砾和其它非传导性固体将继续前进到箱中。从工业废水和矿井水中提取金属也可在同一设备中完成。金属精加工附带的油通过轴向排出导管10被轴向提取，且溶剂和非传导性固体被回收在箱中。

使用用于从汇流的空间径向向外平流输送盐水的装置通过感应器的场会聚汇流的湍流是用于实践本发明的最佳模式。然而，感应器可能不是必要的，特别是在图6a、6b所示的实施方式中。使用有效的整体孔隙性和足够的背压和/或轴向抽吸来在湍流旋涡的轴处通过低压梯度驱动汇流，在有组织的湍流中盐水与淡水的离心分离还可从盐水产生淡水，而不需要感应器来保护不受夹带的盐水的侵入。然而，感应器引起形成结垢的盐的沉淀，并增加有组织的湍流的有效性，因此包含它是优选的。

外壳内的径向逆流是有利的，因为由离心进给泵发展的压力变成驱动汇流的背压，且罩箱收集被离心泵平流输送的浓缩盐水。然而，可选方案是可能的，包括旋转具有感应器并布置在箱内的表面，且流体静力箱压力驱动汇流。外壳和离心泵的很多可选配置是可能的，包括圆锥形外壳和/或泵。另一可选方案是在轴向进给进口之前使进料增压的泵或其它装置。

从泥浆回收微小颗粒的金采矿业可在本发明中实践。其在脱盐中的使用的附带优点将使本发明对脱盐土壤是优选的，以使其适合于再次种植食物。

对本领域技术人员应明显，给出实施方式的描述，可产生这里提出的新概念的哪些特定应用。因此，意图是本发明的范围不限于所述特定的实施方式，这些实施方式仅仅是本发明的例证，而没有意图为有限制权利要求的范围的作用。

当盐水污染和淡水缺乏的严重问题很长时间以来被很多人保留未解决时，对特定的脱盐领域中的多于普通技能的部分技术人员教导的后见之明不应被承认为本发明是明显的或如果他们操心则他们可容易完成它的事后证据。

Claims (21)

1.一种用于将盐水脱盐的装置，其包括：

(a)外壳，其包括中央轴向进给口和中央轴向排出口，所述轴向进给口与盐水的源相通，且所述外壳具有内部；

(b)箱，其布置在所述外壳周围，所述箱具有与所述外壳的所述内部相通的内部，且所述箱包括用于移除固体和盐水的口；

(c)可旋转的离心泵，其布置在所述轴向进给口和所述轴向排出口之间的所述外壳的内部中，所述离心泵包括挡板并包括滑道，所述挡板与所述外壳间隔开，从而提供会聚的汇流通道，其中，所述挡板和所述外壳之间的高剪切在朝向所述轴向排出口径向向内流动的流体中引起湍流；

(d)驱动装置，其连接到所述离心泵，用于使所述离心泵旋转，从而将所述挡板之下的盐水以发散的源流从所述轴向进给口径向向外平流输送到所述箱中；以及

(e)径向向内平流输送装置，其用于在所述挡板之上通过所述会聚的汇流通道将流体径向向内平流输送到所述轴向排出口并从所述外壳出来。

2.如权利要求1所述的装置，其还包括用于在所述汇流通道内使传导性成分产生壁法向推斥的装置，所述壁法向推斥装置包括布置在所述汇流通道之上并在所述轴向排出口周围的感应器。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述感应器是双线扁平线圈。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述感应器连接到以射频振荡的电流源。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述径向向内平流输送装置装置包括与所述轴向排出口相通并从其汲取流体的轴流泵。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述箱包括用于冷却其中的盐水的装置。

7.如权利要求1所述的装置，其中，所述箱包括排气口。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述用于移除固体和盐水的口包括用于晶化固体和用于浓缩盐水的分开的口。

9.如权利要求1所述的装置，其中，所述离心泵包括顶部叶轮和底部叶轮，所述叶轮是同轴的、可反向旋转的离心叶轮。

10.如权利要求9所述的装置，其中，所述同轴的可反向旋转的离心叶轮是所述外壳的一部分并通过可移动的密封件连接到所述箱。

11.如权利要求9所述的装置，其中，所述底部叶轮包括所述挡板。

12.如权利要求9所述的装置，其中，所述驱动装置包括在它们的外围处啮合所述叶轮的至少一个驱动轮。

13.如权利要求1所述的装置，其还包括在所述轴向进给口之下的固体收集箱。

14.一种用于将盐水脱盐的方法，其包括步骤：

将发散的源流中的盐水从外壳中的轴向进给进口径向向外平流输送到布置在所述轴向进给进口周围的罩箱中，同时

将所述外壳内的会聚的汇流中的流体径向向内平流输送并通过所述外壳中的轴向进给出口，以及

在所述会聚的汇流中产生剪切和电磁感应。

15.如权利要求14所述的方法，其还包括从所述罩箱收集晶化固体的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，其还包括在将所述轴向排出口的输出供应到后续设备的轴向进给口的额外设备中重复处理的步骤。

17.如权利要求14所述的方法，其还包括在将所述箱的输出供应到后续设备的轴向进给口的额外设备中重复处理的步骤。

18.一种用于从盐水回收金属的装置，其包括：

离心泵，其包括包含多个凹槽的至少一个滑道，所述凹槽垂直于流体在所述滑道上流动的方向，所述离心泵提供用于从旋转轴径向向外平流输送盐水的装置；

用于使固体的汇流朝着所述旋转轴并进入所述离心泵之下的固体回收箱中的装置；以及

用于通过电磁感应产生推斥以便将金属冲出所述凹槽并从径向向外的流出来并进入所述汇流中的装置。

19.如权利要求18所述的装置，其中，所述推斥装置包括布置在所述离心泵之上的感应器。

20.如权利要求19所述的装置，其中，所述感应器包括双线扁平线圈。

21.如权利要求18所述的装置，其中，所述推斥装置包括用于以射频振荡的装置。

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