CN102065964B - 净化水及产生水蒸汽的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种净化水及产生水蒸汽的系统与方法，其包含将污水导入容器中。将该水移送通过一系列由固定的隔板交错地分离的转动托盘，从而将该水涡流化及加热使得该水蒸发，以产生具有至少一些自该水分离的杂质的水蒸汽。从该容器排出该水蒸汽，以与该分离杂质及剩余的水冷凝分开。可使该水蒸汽通过连接至发电机的涡轮。可通过该容器再循环与再处理经处理的水以提高其纯度。

Description

净化水及产生水蒸汽的系统
技术领域
本发明涉及一种净化水及产生水蒸汽的系统。更具体地说，本发明涉及一种改良方法，该方法使用一系列传感器及控制系统以将水蒸发、去除已溶解固体以及最大化从污水经由水平的水处理容器的饮用水的回收。
背景技术
脱盐法(desalinization；亦为desalination或desalinisation)是指一种去除过剩的盐(excess salt)、矿物质及来自水中的其它自然或非自然的杂质(contaminant)的方法。过去，脱盐法将海水转换成船舶上的饮用水。现代的脱盐方法仍然使用于船舶及潜艇上，以为船员确保常态的饮用水供应。然而，脱盐法越来越频繁地使用于淡水资源缺乏的干旱地区。在这些地区，来自海洋的盐水脱盐成适合食用的淡水(即饮用水)或用于灌溉的淡水。得自脱盐方法的高浓度废弃产物通常称为盐水(brine)，其具有作为典型的主要副产品的盐(氯化钠)。大多数现代的脱盐法的关注点聚焦于开发符合成本效益的方法，从而提供淡水以用在淡水供应受限的干旱地区。
大规模脱盐法通常是昂贵的，且通常需要大量的能量及昂贵的基础设施。举例来说，世界上最大的海水淡化厂主要采用多阶段闪馏法(multi-stageflash distillation)，且每年可生产300万立方米(m3)的水。在美国的最大海水淡化厂(desalinization plant)每天淡化2500万加仑(95,000m3)的水。全世界，近13,000座海水淡化厂每天生产超过120亿加仑(4500万m3)的水。因此，本技术领域有不断改进脱盐方法的需求，即降低成本和提高相关系统的效率。
脱盐法可通过许多种不同的方法进行。举例来说，有数种方法使用简单的蒸发式脱盐方法(evaporation-based desalinization method)，如多效蒸方法(multiple-effect evaporation；MED或简称ME)、蒸汽压缩蒸方法(vapor-compression evaporation；VC)及蒸发-冷凝法(evaporation-condensation)。一般而言，蒸发-冷凝法是大自然在水文循环期间进行的一种自然脱盐方法。在水文循环中，水从如湖泊、海洋和溪流的来源蒸发到大气中。蒸发的水随后接触较冷的空气，形成露水或雨水。由此产生的水通常是无杂质的。水文过程可使用一系列蒸发-冷凝过程，而人为地加以复制。在基本操作中，海水被加热至蒸发。盐及其它杂质从水中溶解出来，并在蒸发阶段期间被遗弃。接着将蒸发的水浓缩、收集及储存成淡水。过去多年来，蒸发-冷凝系统已经大幅改良，特别是随着促进该过程的更有效技术的出现。然而，这些系统仍然需要大量的能量输入来将水蒸发。另一种蒸发式脱盐方法，包含如上简述的多阶段闪馏法。多阶段闪馏法使用真空蒸馏法。真空蒸馏法是通过在蒸发室中创造真空而在低于大气压力下使水沸腾的方法。因此，真空蒸馏法在比MED或VC低许多的温度下进行，因此需要较少的能量将水蒸发以分离杂质。鉴于不断上涨的能源成本，此过程是特别理想的。
其它脱盐方法可包含膜体式方法(membrane-based process)，如逆渗透(reverse osmosis；RO)、倒极式电透析(electrodialysis reversal；EDR)、纳米过滤(nanofiltration；NF)、正向渗透(forward osmosis；FO)及膜体蒸馏(membranedistillation；MD)。在这些脱盐方法中，逆渗透是最广泛使用的。逆渗透利用半透膜及压力将盐其其它杂质从水中分离出来。逆渗透膜被认为是选择性的。即，该膜对水分子是高渗透性的，但对溶解于其中的盐和其它杂质是高度不可渗透(impermeable)的。所述膜本身存储在昂贵的高压容器中。该容器将所述膜配置成最大化表面积及流过其中的盐水流速。公知的渗透脱盐系统典型地使用发展系统内高压的两种技术其中之一：(1)高压泵，或(2)离心机。高压泵有助于将海水过滤通过膜。系统中的压力根据泵设置及盐水的渗透压力而变化。渗透压力取决于溶液温度及其中已溶解盐的浓度。另外，典型地，离心机是更有效率的，但是更难以实施。离心机在高速下旋转溶液，以分离出溶液中密度不同的材料。与膜结合，悬浮盐及其它杂质会受制于沿着膜长度的固定径向加速度。一般而言，逆渗透常见的问题是：悬浮盐的去除及长时间下来膜的堵塞。
逆渗透海水淡化水厂的营运费用主要取决于驱动高压泵或离心机所需的能量成本。液压能量回收系统可整合到逆渗透系统中，以减轻上涨的关于完全能源密集方法的能源成本。这涉及到输入能量的回收部分。举例来说，涡轮特别能在系统中回收能量，其需要高操作压力及大量体积的海水。涡轮在液压下降期间将能量回收。因此，基于膜两侧之间的压力差，能源在逆渗透系统中被回收。盐水侧上的压力远高于脱盐作用侧上的压力。压力降(pressure drop)产生相当大的涡轮可回收液压能量。因此，有利用到而并没有完全浪费掉逆渗透膜高压及低压区段间产生的能量。回收的能量可用来驱动系统的任何组件，包含高压泵或离心机。涡轮有助于降低整体能量消耗，以进行脱盐。
一般而言，逆渗透系统消耗的能量通常比热蒸馏法更少，因此，更符合成本效益。虽然逆渗透有效地处理某些咸水溶液，但逆渗透可能因用于重盐溶液(如海洋盐水)而超载及效率低落。其它低效率的脱盐方法可包含离子交换、冷冻法、地热脱盐法、太阳能湿化法(solar humidification；HDH或MEH)，甲烷水合物结晶法、高等级水回收法或射频诱发高热法(RF inducedhyperthermia)。不论方法，脱盐法仍然为能量密集的。未来的成本及经济可行性继续取决于脱盐技术的价格及运作系统所需能量的成本。
在另一替代性脱盐方法中，Burke，Jr.的美国专利案第4,891,140号披露一种通过破坏性蒸馏将已溶解的矿物质及有机材料从水中分离与去除的方法。其中，水在受控制的压力下被加热成水蒸汽。已溶解盐颗粒及其它杂质在水蒸发时排出溶液之外。整合旋流离心机(integrated hydrocyclone centrifuge)加速了分离过程。加热过的高压净水通过热交换及液压马达将能量传送回系统。使用的总体能量因此比上述方法更低。事实上，使用的总体能量基本上与来自系统运作的泵损失及热损失相等。此种设计的一个特别优点在于：无需更换膜。此方法去除了将会伤害或破坏膜式脱盐装置的化学物及其它物质。
另一专利案，即Wallace的美国专利案第4,287,026号披露了一种方法及装置，其用以从盐及其它咸水中去除溶解固体的形式的盐及其它矿物质，以生产饮用水。在高温及高离心速度下，将水强行通过数个脱盐阶段。优选地，内部组件在加速至2马赫(Mach)下将水旋转，以有效地从蒸发的水中将已溶解盐及其它已溶解固体分离及悬浮。悬浮的盐及其它矿物质受到离心的向外施力以分离地从水蒸汽中排出。经分离及纯化的水蒸汽或蒸汽接着冷凝回饮用水。该系统需要远低于逆渗透及类似过滤系统的运作能量，以有效率地及经济地将水纯化。这种设计的一个缺点是：转动轴构造成垂直腔室。因此，旋转轴区段只有通过轴承(bearing)和轴承盖牢固固定在基座单元上。在高转速下(如超过1马赫)，振动会造成过度的轴承轴及轴承密封失效。另一个缺点是，一系列的腔室在壳体区段中以螺栓连接在一起。穿孔板(perforated plate)通过O形环密封耦接至所述区段。因为多个腔室及壳体经由多个螺帽(nut)及螺栓(bolt)连接，壳体及O形环密封长时间下来易因盐渗透而穿透。特别是，Wallace设计的组件是特别费力的。维修同样地是劳力密集的，因为需要大量的时间拆开每个壳体区段，包含O型环、螺帽及螺栓。理所当然地，该装置必须在进行必要的维修后，重新组装。必须将每个壳体区段小心地重新放在一起，以确保其间的适当密封。因为装置老化，如O形环漏损(leakage)，该系统也容易出现各种扭矩及维修问题。再者，旋转轴通过齿轮传动连接至电源，从而恶化了上述关于轴、承轴及密封的可靠性问题。该系统未披露根据脱盐化盐水的渗透压力调节转动轴区段速度的手段。因此Wallace脱盐机的静态运作效率并不如其它现今的脱盐装置。
因此，本技术领域需要一种改良系统，其包含监测实时系统信息的传感器及调整系统的机械操作以最大化水的净化作用(如水的脱盐作用)及最小化能量消耗的控制器。此等系统应进一步整合多重回收循环以从近80％的饮用水回收率增加至近96％至99％间的饮用水的回收率、应整合聚合物辅助回收系统以萃取残留化合物的微量元素(trace element)，以及应比公知的其它脱盐系统消耗更低的能量。本发明满足所述需求且提供进一步的相关优点。
发明内容
本发明涉及一种净化水的系统，如将水脱盐化及产生水蒸汽(包含蒸汽)。该系统包含限定内腔室的长条形容器。该长条形容器被大致水平地定位。进水口形成在该容器中，用以导入水。多个托盘以彼此互相分隔的关系设置在该内腔室中，所述托盘包含托勺，水及水蒸汽通过所述托勺。所述托勺优选地包含第一直径的进口及第二较小直径的出口。多个隔板，典型地为开口板材，设置在所述托盘之间。各隔板具有多个开口，水及水蒸汽通过所述开口。优选地，所述开口具有第一直径的进口及第二较小直径的出口。在一具体实施例中，所述隔板中的至少一个隔板包含从隔板前端面延伸的导流器(flowdirector)，该导流器设置成将水及水蒸汽的流动引导向隔板周围。
可转动轴穿过所述隔板，且附接至托盘以转动该内腔室中的所述托盘，同时所述隔板维持固定。一驱动器转动该轴。典型地，低摩擦材料层或轴套(sleeve)或轴承设置在所述隔板及该轴之间。
杂质出口形成在该容器中，且典型地，与杂质水槽流体连通。水蒸汽出口亦形成在该容器中，且与用于将水蒸汽冷凝成液态水的水蒸汽回收槽连通。在一具体实施例中，至少一经处理污水槽流体耦接至该容器，以通过使该经处理污水通过该系统而再处理该污水。
在一具体实施例中，一控制器用于调整轴的转动速度或输入该容器的水量。至少一传感器与该控制器通信。至少一传感器设置成判断以下的至少一者：(1)轴或托盘的转动速度，(2)内腔室的压力，(3)水或水蒸汽的温度，(4)水输入速率，或(5)待处理污水的等级。
在一具体实施例中，一涡轮连接至该容器的该水蒸汽出口且可操作地连接至发电机。水被加热至至少水的沸腾温度以产生蒸汽，使水蒸汽及/或蒸汽通过可操作地连接至该发电机的涡轮。一经处理水传回件(treated water return)设置在该涡轮及该容器的进水口之间。
在一特别优选具体实施例中，该系统附接至便携式框架(portableframework)，该便携式框架可经由半拖车(semi-trailer truck)、国际标准容器(ISO container)等予以运输。
使用时，该净化水及产生水蒸汽的方法，包括将具有杂质的水导入容器中的步骤。将该水移送通过一系列由固定的隔板交错地分离的转动托盘，从而将该水涡流化及加热使得该水蒸发，以产生具有至少一些自该水分离的杂质的水蒸汽。典型地，如果系统不包含涡轮及发电机，则将该水加热至至少华氏100度但低于华氏212度。优选地，将水蒸汽的温度提高至杀菌温度。此为通过将所述托盘转动至水蒸汽温度达到杀菌温度的速度而达成。
从该容器排出该水蒸汽以与该分离杂质及剩余的水冷凝分开。使该水蒸汽通过回收槽以冷凝成液态水，该回收槽具有在该水蒸汽的流动路径中的分隔件。
在一具体实施例中，感测包含以下至少之一者的若干条件：(1)输入该容器的水量，(2)所述托盘的转动速度，(3)该容器中的压力，(4)该水或水蒸汽的温度，或(5)分离杂质的等级。响应所述感测条件而可调整所述托盘的转动速度或输入该容器的水量。亦可感测保存槽中的该分离杂质及水的等级或该经处理水中的杂质浓度，以及可通过该分离杂质及水再循环通过该容器来再处理该分离杂质及水。
从以下更清楚的说明结合通过实施例例示性说明本发明原则的附图，本发明的其它特征及优点将变得更清楚。
附图说明
附图说明本发明。在所述图中：
图1为根据本发明的净化水及产生水蒸汽的系统的俯视图及部分区段示意图；
图2为图1的系统的侧视图及部分区段示意图；
图3为说明其上部为开启的水处理容器的俯视图；
图4为根据本发明的附接至便携式框架的水平水处理容器的端面图；
图5为具有多个托勺的转动的托盘的俯视图；
图6为托盘及托勺部分的剖面图；
图7为根据本发明使用的隔板的俯视图；
图8为其前端具有导水器的隔板的侧视图；
图9为说明具有锥形开口的隔板部分的剖面图；
图10为说明根据本发明的耦接至传动件及耦接至水处理容器轴的电动马达的示意图；
图11为说明根据本发明的类似图1的本发明系统但说明控制箱及各种传感器的整合的示意图；
图12为本发明整合涡轮及发电机的系统的俯视图；
图13为说明水蒸汽出口的水处理容器的端面图；以及
图14为图12的系统的侧视图。
具体实施方式
如图所示，为了说明的目的，本发明是关于净化水及产生水蒸汽的系统与方法。本发明的方法与系统特别适合于盐水，如海洋水或其它咸水的脱盐法，且优选的处理仅用于示范目的，而本技术领域具有通常知识的技术人员将了解本发明的系统与方法可用于净化其它水资源。此外，在此，如将更完整描述地，本发明的系统与方法将可用于相对干净的水以产生蒸气形式的水蒸汽，该水蒸汽具有足够的压力与温度，以便通过涡轮，该涡轮可操作地连接至发电机用以产生电力，或其它蒸气加热应用。
现请参阅图1及图2，附图标记10所示的系统通常包含限定内腔室14的水处理容器或腔室12，其中，从水中将盐及其它已溶解固体及杂质去除，以制造本质上无矿物质的饮用水。在一具体实施例中，处理容器12通过进水阀(inlet valve)18经由给水槽管20接收来自给水槽(feed tank)16的污水。如上所述，水的来源可为海水或海洋水、其它半咸水，或者甚至为经其它杂质污染的水。再者，本发明展望直接从水源供应污水，其中，未必需要使用给水槽16。
现请参阅图3，在一特别有利的具体实施例中，容器12由下壳体及上壳体部分12b组成，使得下及上壳体部分12a及12b可彼此互相开启(open)或去除(remove)，以进入容器12的内腔室14中的内容。水处理容器12包含内腔室14中彼此互相分隔的多个转动托盘22，且具有设置在所述托盘22间的隔板24。此处将更完整地说明，转动托盘22包含多个托勺26，所述托勺26以穿过转动托盘22的方式形成，且隔板24典型地包括具有多个开口(aperture)28的板材，所述开口28以穿过隔板24的方式形成。隔板24固定至容器12，以形成固定。隔板24可包括设置在容器12的下壳体12a中的下部分以及上部分，该上部分附接至且设置在容器12的上壳体12b中，并设计成在容器12的下及上壳体12a及12b彼此互相接合及闭合时形成单一隔板，或者，各隔板可包括附接至下壳体12a或上壳体12b的单一片材，且当水及水蒸汽通过隔板时通常还能维持固定。
变频驱动器30控制在电动马达32、驱动传动器34及对应的轴36的速度。轴36可转地耦接至轴承等，典型地为施密特耦接器(Schmitt coupler)或通常位于容器12两端的陶瓷轴承38及40。轴36延伸穿过托盘22及隔板24，使得轴只转动托盘22。即，托盘22耦接至轴36。轴承或低摩擦材料(例如特氟龙(Teflon)层体或轴套)设置在转动的轴36及开口板材的隔板24之间，以减小其间的摩擦力，并稳定及支撑旋转轴36。
从图可见，水处理容器12被大致水平地定位。此方式与瓦力司′026装置(Wallace′026 device)相反，于瓦力司′026装置中，水处理腔室被大致垂直地定位，且转动轴顶部由轴承及轴承盖固定住，转动轴支撑腔室本身。因此，转动的轴区段仅牢固地固定在单元的基座。在高速转动操作速度下，系统中的振动会造成极度的轴承、轴及密封(seal)失效。相反地，将水处理容器12水平地安置在机座结构42能分散沿着容器12的长度的转动负载以及减少振动，如简谐振动，其会另外造成极度的轴承、轴及密封失效。再者，将容器12安置在机座结构42提升了系统10的可便携性。通过各隔板24支撑极快速转动的轴36，进一步稳定轴及系统，并减少其造成的振动及伤害。
如上所述，轴36及托盘22在极高的速度下转动，如2马赫(Mach)。其通过托盘22的托勺26将水移送，将水涡流化(swirl)及加热，以形成水蒸汽，且将杂质、盐及其它已溶解固体从水蒸汽中抛开及排除。在通过下一个转动的具托勺26的托盘22再次处理之前，水及水蒸汽随后通过隔板24的开口28。当水及水蒸汽通过容器12的各子腔室(subchamber)时，水蒸汽的温度升高，以生成额外的水蒸汽，并将盐、已溶解固体及其它杂质留在剩余水中。水及杂质上的离心力将其推向内腔室14的壁及推进一组通道44中，该通道44将杂质及未汽化水(non-vaporized water)引导至出口(outlet)26。产生的水蒸汽通过设在容器12中的水蒸汽出口48。因此，水蒸汽与杂质及剩余的水彼此互相分离。
如上所述，轴36转动托盘22。如上所述，上述多个轴承将轴36支撑在水处理容器12的内部中。轴承典型地由钢或陶瓷材料所形成。现有技术的脱盐系统包含在高转速及高温下会失效的标准滚筒轴承。因此，公知的脱盐系统具有与标准滚筒轴承相关的高失效比率。在本发明中，通常在高转速及高温下，密封钢珠轴承或陶瓷轴承38与40比标准滚筒轴承更耐用且不易失效。再者，轴36间歇性地由低摩擦材料支撑，如特氟龙轴套或设置在隔板24及轴36之间的轴承50。这甚至更确保轴36上重量及力量的分散，以及提升系统的操作性及寿命。
现请特别参阅图5及图6，所示为示范性的具有多个托勺26的托盘22，所述托勺26以穿过托盘22的方式形成。虽然图5示出了14个托勺26，须了解的是托勺26数目可改变且在单一个托盘22中可为数十个，因此，虚线表示各种数目的多个托勺。
图6为托盘22及形成在托盘22中的托勺26的剖视图。在一特别具体实施例中，托勺26为锥形(tapered)，使得托勺26的进口(inlet)52的直径大于托勺26的出口54的直径。锥形托勺26本质上为管，该管具有实质上垂直于转动托盘基底22的水平表面的垂直开口或进口52。因为在锥形托勺的进口52具有较大的体积且在退出口或出口54具有较小体积，水及水蒸汽通过锥形托勺26加速。从锥形托勺26的进口至出口的体积改变导致起因于文氏管效应(Venturi Effect)的速度增加。因此，水及水蒸汽进一步受到搅拌(agitate)，提高了温度也提高了速度。这进一步使杂质能从水蒸汽中分离。锥形托勺26可经由任何公知手段附接至转动托盘22。
须再次了解的是：有更多或更少的锥形托勺26分布在转动托盘22的全部区域中，托勺26的具体数目及尺寸随本发明系统10的操作条件而变化。再者，托勺26的角度可随托盘22变化，如图6所示为约45度。即，通过增加旋转的托勺的角度，例如在后续的托盘上增加25度至31度至36度，在下一个(次一个)托盘上增加至40度、至45度等，旋转的托盘22的托勺26的角度增加调节了水蒸汽通过容器12时会升高的水蒸汽压力。该角度增加亦可用于进一步搅拌及产生水蒸汽，以及提高水蒸汽压力，该水蒸汽压力可用于蒸汽涡轮(steam turbine)中，本文将完整说明。
现请参阅图7至图9，图7所示为开口板材形式的隔板24。在本情形中，隔板24由第一板件56及第二板件58形成，该第一板件56及第二板件58通过连接件60连接至容器12的内壁。连接件60可包括螺栓、杆或任何其它适合的连接装置。另外，如上所述，隔板24可由连接至下或上壳体12a及12b的单一个单元形成。当以双板件56及58方式形成时，优选地，当容器12闭合(close)时，板件56及58彼此互相结合，以形成单一个隔板24。
如上所述，多个开口28以穿过隔板24的方式形成。图9为所述开口28的剖视图。类似于上述托盘的是，该开口优选包含具有大于出口64直径的直径的进口62，使得开口为锥形而增加通过其中的水及水蒸汽的压力及速度。类似于上述托盘22的是，开口28可形成在整体的隔板板材中，如该系列虚线所示。开口28的具体数目及尺寸随系统10的操作条件而变化。
现请参阅图8，所说明的轴36延伸穿过隔板24。在一具体实施例中，圆锥形导水器(cone-shaped water director)66定位在隔板24的前端。举例来说，为了饮用水的改良蒸发作用及高还原率，导水器(director)66可具有45度的角度以将剩余的水及水蒸汽从轴36朝向隔板板材24的周围或外缘反射。
再次参阅图3及图4，如上所述，在一优选具体实施例中，容器12形成两个壳体或区段12a及12b。这促成了容器组件的快速检验及置换(当有需要时)。优选地，内腔室14的壁及任何其它组件，如托盘22、隔板24、轴36等以碲镍矿(Melonite)或其它减低摩擦及抗腐蚀物质制成。理所当然地，所述组件可由抗腐蚀及具有低摩擦系数材料构成，如经研磨的不锈钢等。容器12的下及上区段12a及12b优选为互相连接，使得闭合时其实质为气密及水密(air and water tight)。再者，在系统10操作期间，闭合的容器12需要能承受其中水蒸发作用造成的高温及高压。
现请参阅图1、图2及图10，典型地，传动器34与电动马达32及驱动轴36互相连接。传动器34的速度由变频驱动器30设定。变频驱动器30主要由计算机控制器68控制，如将更完整地说明的。请参阅图10，马达的轴70通过皮带74连接至中间轴72。中间轴72通过另一皮带76连接至轴。图10中所示的高速工业皮带及滑轮系统驱动水处理容器12中的轴36。如图所示，多个皮带74及76及一组中间轴72将轴36处的转动输出速度增加为电动马达驱动轴70上的电动马达32施加的转动输入速度的数倍。理所当然地，转动输入速度对转动输出速度的比值可通过改变皮带74及76及对应的中间轴72的转动速度而改变。通过将电动马达驱动轴70经由皮带74及76耦接至轴36，以及增加传动器34及腔室12之间轴36上的施密特耦接器，本发明可避免困扰公知脱盐系统的振动及可靠性问题。
请再次参阅图1，如上所述，水蒸汽经由容器12的水蒸汽出口48导引。水蒸汽经由回收管78通行至水蒸汽回收容器或槽80。水蒸汽接着冷凝且聚集至在水蒸汽回收槽80中的液态水。为促进此过程，在一具体实施例中，如百叶片(louver)形式的多个分隔件82定位在水蒸汽的流动路径中，使得水蒸汽可聚集及冷凝在百叶片上，并转变成液态水。接着该液态水被输送至饮用水存储槽84或杀菌保存槽86。如果容器12中的水及水蒸汽被加热至杀菌处理所需的温度以杀死有害的微生物、斑马贻贝幼虫(zebra mussel larvae)及其它有害有机物，液态水可在保存槽86中予以处理。
在一优选具体实施例中，当系统10的主要目的为将杂质从污水(如盐水)中去除以提供饮用水时，水蒸汽的温度被加热至华氏(Fahrenheit)100度与低于华氏212度之间。更加优选地，为了杀菌目的，水蒸汽被加热至华氏140度与华氏170度之间。然而，水蒸汽温度维持在最低值且优选低于华氏212度，使得水不会沸腾变成更难以从水蒸汽冷凝及聚集至液态水的蒸汽。但是，水的沸腾及高于华氏212度的水蒸汽温度只有在蒸汽的产生欲用于加热、发电等目的的情形中为优选的。此等使本发明能对水蒸汽杀菌，以及将水蒸汽冷凝及聚集至液态水而不需要复杂的制冷或冷凝系统，该复杂的制冷或冷凝系统通常需要额外的电力或能量。
在一具体实施例中，污水指脱盐制程中的盐水，污水在出口46处被加以收集，并被输送至盐水处理槽88。如图1所示，可添加聚合物或其它化学物质至盐水以将微量元素等回收。再者，来自盐水的盐可为各种目的加以处理及使用，包含生产食盐。
在一本发明的具体实施例中，通过再次通过系统10将杂质及剩余的水回收再利用而再处理经处理过的污水。可执行此过程数次，以使从污水萃取出的饮用水增加，如增至99％。通过将杂质及废水从出口46引导至第一盐水或杂质再处理槽92。如上所述，盐水或其它杂质形式的剩余废水接着通过容器12的进口18被再导入，并通过容器12加以再处理及再循环。额外的饮用水以在水蒸汽回收槽80中冷凝及收集的水蒸汽的形式被萃取出来。剩余杂质及废水接着被引导至第二盐水或杂质再处理槽94。在再处理槽中杂质或盐水的浓度将会再被提高。如上所述，当处理槽94中已经将废水或盐水调节至足够程度时，该污水接着通过进口18，以及通过系统10加以循环及再处理。经萃取的饮用水蒸汽被输送至出口48，并在水蒸汽回收槽80中转变成液态水。生成的杂质及废水可接着置入另一个再处理槽中，或置入盐水处理槽88。须了解的是，初始通过(initial pass-through)的海水将产出例如80％至90％的饮用水。该第一再处理将产出额外量的饮用水，使得全部萃取出的饮用水介于90％至95％之间。通过以极低至近乎不增加单位成本的方式将盐水回收再利用，使盐水及剩余的水再次通过系统可产出99％回收率的饮用水。再者，盐水或杂质的量可促进微量元素的回收，及/或减低其处理成本。
现请参阅图11，在一优选具体实施例中，将计算机系统整合至本发明的系统10中，该计算机系统基于来自多个传感器的测量以控制变频驱动器30，所述传感器可持续读取温度、压力、流速、组件的转速及连接至水处理容器12的各种槽的剩余体积。典型地，所述读取为实时获得。
举例来说，温度及/或压力传感器96可用以测量容器12之中或之外的水或水蒸汽的温度，及其温度(视需要)。为响应所述传感器读取，控制箱68使变频驱动器30维持轴36的转动速度、减低轴36的转动速度或增加轴36的转动速度，以分别维持水及水蒸汽的温度及压力、减低水及水蒸汽的温度及压力或增加水及水蒸汽的温度及压力。这可达成，例如，确保水蒸汽温度是在需要的杀菌温度，以便杀死所有有害的微生物与其它有害有机物。可选地或额外地，传感器可用于侦测轴36及/或托盘22的转动速度(RPMS)，以确保系统正确地运转，以及确保系统在期望的温度及/或压力下产生需要的水蒸汽。计算机控制器亦可通过进口18(GPMS)调整输入的水量，以将相对于水蒸汽及废水的量为适量的水输入，去除该废水使系统10有效率地运作。控制箱68可调整进入容器12的水的流速，或更可调整水输入。
举例来说，如上所述所指，污水可来自给水槽16，或可来自任意数目的槽体，包含再处理槽92及94。亦须注意的是，收集储水槽可流体耦接(fluidlycouple)至进口18，以确保水被纯化至若干程度或其它目的，如产生需要比污水所能提供者还更高的水纯度的蒸汽时。藉此，一个或多个传感器98可追踪槽体中的数据，以判断水或废水/盐水的等级、浓度，或进入槽体的流速或流出槽体的流速。控制器68可用于切换槽体的输入及输出，如将盐水从第一盐水再处理槽92再处理至第二盐水再处理槽94，最后至盐水处理槽88，如上所述。因此，当第一盐水再处理槽达到预定程度时，来自给水槽16的流体流动被中断，从第一盐水再处理槽92提供替代流体进入容器12。处理过的杂质及剩余废水接着被导入第二盐水再处理槽94，直到达到预定程度。接着将水从第二盐水再处理槽94通过系统及水处理容器12引导至，例如，盐水处理槽88。第一盐水再处理槽92中的盐水可为接近20％的污水，其包含全部已溶解固体的大部分。最后被引导至盐水处理槽88的残存盐水可以只包括最初经由给水槽16导入净化系统的污水的1％。因此，温度及压力传感器、RPM及流量计可用于控制期望的水输出，其包含产生杀菌过的水的水蒸汽温度控制。
控制器68可用于控制变频驱动器30驱动马达32，以使轴36在足够高的速度下转动，以使托盘的转动使输入的水沸腾及产生期望温度及压力的蒸汽，如图12所示。图12说明整合至系统10中的蒸汽涡轮100。蒸汽形式的水蒸汽可在水处理容器12中产生，以驱动高压、低温的耦接至发电机102的蒸汽涡轮，以达到符合成本效益及经济的发电。
举例来说，水蒸汽可在超过华氏600度中及予以加热，以及在超过1600磅/平方英寸(pounds per square inch；psi)中予以杀菌处理，超过1600磅/平方英寸足以驱动蒸汽涡轮100。除了来自托盘的增加速度以外，托盘22的托勺26的圆锥特性及开口板材隔板24的开口28的圆锥特性的结合亦促进水蒸汽及蒸汽的产生。增加托勺26的角度，如从第一托盘的25度至最后托盘的45度，亦增加了蒸汽形式的水蒸汽产生及增加其压力，以能够驱动蒸汽涡轮100。图13及图14说明一具体实施例，其中，蒸汽出口104在容器12的一端形成，蒸汽涡轮100直接连接至蒸汽出口104，使得杀菌过的蒸汽通过蒸汽涡轮100，以转动叶片106及蒸汽涡轮100的轴108，以经由耦接至蒸汽涡轮100的发电机发电。水蒸汽出口110将水蒸汽输送至水蒸汽回收槽80等。回收槽80可能需要包含额外的导管、冷凝器、制冷器等，以冷却蒸气或高温水蒸汽，以将其冷凝成液态水。
当然地，本技术领域具有通常知识的技术人员将了解到系统10产生的蒸气可用于其它目的，如加热目的、来自油井及焦油及油页岩井等的油的去除。
亦将了解到的是，本发明通过传感器及控制器68的装置，可产生的低温及/或压力的水蒸汽以生产饮用水，水蒸汽可通过出口48直接被引导至水蒸汽回收槽，系统经加速产生高温水蒸汽或蒸气，以通过蒸汽涡轮100以发电(视需要)。举例来说，在夜间时间期间，系统10可用于产生饮用水，而且只需要极少的电力。然而，在白天时间期间，系统10可被调整成产生蒸汽及电力。
如上所述，本发明的许多组件，包含变频驱动器30、电动马达32、传动器34及水处理容器12及所述中的组件，可附接至便携式框架42。本发明的整体系统10可设计成装入40英尺(foot)长的国际标准容器(ISO container)。该容器可用制冷(HVAC)单元隔绝以用于经控制的操作环境及船运及仓库。各种槽体，包含给水槽、水蒸汽回收槽、饮用水存储槽以及杂质/盐水再处理或处理槽，可装入可运输容器，或可分开运输，且可连接至进口及出口端口(视需要)。因此，本发明的整体系统10可在ISO容器中等经由船舶、半拖车等轻易地予以运输。因此，本发明的系统10可被携至需要处理自然灾难、军事行动等之处(即使位置偏远)。这种装置促成了本发明系统10的高等级移动性，以及快速调度及快速启动。
虽然为说明的目的已详细说明了数个具体实施例，但可在不脱离本发明的范围及精神下进行各种修饰。因此，除了受限于申请的权利要求书以外，本发明并不受限制于上述内容。

Claims (41)

1.一种净化水及产生水蒸汽的系统，包括：
长条形容器，该长条形容器限定内腔室，该容器被大致水平地定位；
进水口，该进水口形成在该容器中；
多个托盘，所述多个托盘以彼此互相分隔的关系设置在该内腔室中，所述托盘包含托勺，而水及水蒸汽通过所述托勺，其中，所述托勺包含第一直径的进口及第二较小直径的出口；
多个隔板，所述多个隔板设置在所述托盘之间，各隔板具有多个开口，而水及水蒸汽通过所述开口，其中，所述开口具有第一直径的进口及第二较小直径的出口；
可转动轴，该可转动轴穿过所述隔板且附接至所述托盘以转动该内腔室中的所述托盘；
驱动器，该驱动器转动该轴；
杂质出口，该杂质出口形成在该容器中；以及
水蒸汽出口，该水蒸汽出口形成在该容器中且与用于将水蒸汽冷凝成液态水的水蒸汽回收槽连通。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该系统附接至便携式框架。
3.如权利要求1所述的系统，包含低摩擦材料层，该低摩擦材料层设置在所述隔板及该轴之间。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述隔板中的至少一个隔板包含从该隔板前端面延伸的导流器，该导流器配置成将水及水蒸汽的流动引导向该隔板周围。
5.如权利要求1所述的系统，包含控制器，该控制器调整该轴的转动速度或输入该容器的水量。
6.如权利要求5所述的系统，包含至少一个传感器，所述传感器与该控制器通信，且所述传感器配置成判断以下的至少之一：
(1)该轴或托盘的转动速度，
(2)该内腔室的压力，
(3)该水或水蒸汽的温度，
(4)水输入速率，或
(5)待处理污水的等级。
7.如权利要求6所述的系统，包含至少一个经处理的污水槽，该污水槽流体耦接至该容器，用以通过使经处理的污水流经该系统来再处理该污水。
8.如权利要求1所述的系统，包含涡轮，该涡轮连接至该容器的该水蒸汽出口且可操作地连接至发电机。
9.如权利要求8所述的系统，包含经处理水传回件，该经处理水传回件介于该涡轮及该容器的该进水口之间。
10.一种净化水及产生水蒸汽的方法，包括下列步骤：
将具有杂质的水导入容器中；
将该水移送通过一系列由固定的隔板交错地分离的转动托盘，从而将该水涡流化及加热使得该水蒸发，以产生具有至少一些自该水分离的杂质的水蒸汽；
从该容器排出该水蒸汽以与该分离杂质及剩余的水冷凝分开；
感测以下条件的至少之一：
(1)输入该容器的水量，
(2)所述托盘的转动速度，
(3)该容器中的压力，
(4)该水或水蒸汽的温度，或
(5)分离的杂质的等级；以及
响应所感测的条件来调整所述托盘的转动速度或输入该容器的水量，
其中，所述托盘包含托勺，所述托勺具有第一直径的进口及第二较小直径的出口，以及所述隔板具有开口，所述开口具有第一直径的进口及第二较小直径的出口。
11.如权利要求10所述的方法，包含使该水蒸汽通过回收槽以冷凝成液态水的步骤，该回收槽具有在该水蒸汽的流动路径中的分隔件。
12.如权利要求10所述的方法，包含使该水蒸汽通过涡轮的步骤，该涡轮可操作地连接至发电机。
13.如权利要求12所述的方法，包含将该水加热至至少水的沸腾温度的步骤。
14.如权利要求10所述的方法，包含通过使该分离的杂质及水再循环通过该容器来再处理该分离的杂质及水的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，包含感测保存槽中的该分离的杂质及水的等级或经处理的水中的杂质的浓度的步骤。
16.如权利要求10所述的方法，包含将该水蒸汽的温度提高至杀菌温度的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该提高至杀菌温度的步骤包含使所述托盘转动至水蒸汽温度达到杀菌温度的速度的步骤。
18.如权利要求10所述的方法，包含将该水加热至至少华氏100度但低于华氏212度的步骤。
19.如权利要求10所述的方法，包含将该容器被大致水平地定位以及使附接至驱动机构的可转动轴穿过所述隔板及托盘使得只有所述托盘转动的步骤。
20.如权利要求10所述的方法，包含将该水的流动从该隔板的中央部分引导向该隔板周围的步骤。
21.一种从水中去除杂质及产生水蒸汽的方法，包括下列步骤：
将具有杂质的水导入容器中；
将该水移送通过一系列的由固定的隔板交错地分离的转动托盘，从而将该水涡流化及加热使得该水蒸发，以便由于在足够高的速度下的托盘转动而产生具有至少一些自该水分离的杂质的水蒸汽；
从该容器排出该水蒸汽以与该分离杂质及剩余的水冷凝分开；以及
通过使该分离的杂质及水再循环通过该容器来再处理该分离的杂质及水，
其中，所述托盘包含托勺，所述托勺具有第一直径的进口及第二较小直径的出口，以及所述隔板具有开口，所述开口具有第一直径的进口及第二较小直径的出口。
22.如权利要求21所述的方法，包含感测以下条件的至少之一的步骤：
(1)输入该容器的水量，
(2)所述托盘的转动速度，
(3)该容器中的压力，
(4)该水或水蒸汽的温度，或
(5)分离的杂质的等级。
23.如权利要求22所述的方法，包含感测保存槽中的该分离的杂质及水的等级或经处理的水中的杂质的浓度的步骤。
24.如权利要求22所述的方法，包含响应所感测的条件来调整所述托盘的转动速度或输入该容器的水量的步骤。
25.如权利要求21所述的方法，包含使该水蒸汽通过回收槽以将该水蒸汽冷凝成液态水的步骤，该回收槽具有在该水蒸汽的流动路径中的分隔件。
26.如权利要求21所述的方法，包含使该水蒸汽通过涡轮的步骤，该涡轮可操作地连接至发电机。
27.如权利要求26所述的方法，包含将该水加热至至少水的沸腾温度的步骤。
28.如权利要求21所述的方法，包含将该水蒸汽的温度提高至杀菌温度的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其中，该提高至杀菌温度的步骤包含使所述托盘转动至水蒸汽温度达到杀菌温度的速度的步骤。
30.如权利要求21所述的方法，包含将该水加热至至少华氏100度但低于华氏212度的步骤。
31.如权利要求21所述的方法，包含将该容器被大致水平地定位以及使附接至驱动机构的可转动轴穿过所述隔板及托盘使得只有所述托盘转动的步骤。
32.如权利要求21所述的方法，包含将该水的流动从该隔板的中央部分引导向该隔板周围的步骤。
33.一种产生水蒸汽的方法，包括下列步骤：
将水导入容器中；
将该水移送通过一系列的由固定的隔板交错地分离的转动托盘；
在足够高的速度下转动托盘，从而将该水涡流化及加热使得该水蒸发，以便产生具有预定温度及压力的水蒸汽；以及
使该水蒸汽通过涡轮，该涡轮可操作地连接至发电机，
其中，所述托盘包含托勺，所述托勺具有第一直径的进口及第二较小直径的出口，以及所述隔板具有开口，所述开口具有第一直径的进口及第二较小直径的出口。
34.如权利要求33所述的方法，包含将该水中的杂质与该水蒸汽分离的步骤。
35.如权利要求34所述的方法，包含感测以下条件的至少之一的步骤：
(1)输入该容器的水量，
(2)所述托盘的转动速度，
(3)该容器中的压力，
(4)该水或水蒸汽的温度，或
(5)分离的杂质的等级。
36.如权利要求35所述的方法，包含感测保存槽中的该分离的杂质及水的等级或经处理的水中的杂质的浓度的步骤。
37.如权利要求35所述的方法，包含响应所感测的条件来调整所述托盘的转动速度或输入该容器的水量的步骤。
38.如权利要求33所述的方法，包含使该水蒸汽通过回收槽以冷凝该水蒸汽成液态水的步骤，该回收槽具有在该水蒸汽的流动路径中的分隔件。
39.如权利要求33所述的方法，包含将该水加热至至少水的沸腾温度的步骤。
40.如权利要求33所述的方法，包含将该容器被大致水平地定位以及使附接至驱动机构的可转动轴穿过所述隔板及托盘使得只有所述托盘转动的步骤。
41.如权利要求33所述的方法，包含将该水的流动从该隔板的中央部分引导向该隔板周围的步骤。
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