CN102126767A - 太阳能/低温热能驱动负压蒸发水溶液蒸馏分离装置和获得蒸馏水的方法 - Google Patents

Abstract

一种低加热温度、高效率、低成本的负压蒸发/沸腾水蒸馏分离装置。能使用少量的电能或其它机械能，通过真空泵周期、短时间工作产生低温水蒸馏所需的初始负压，从而将水溶液的沸腾温度降低到低于约60℃的水平，只需输入温度高于此低压沸腾温度的热能，就可以使水溶液沸腾，并通过环境空气或周围的低温水源冷凝沸腾产生的水蒸气，系统自动维持负压工作，从而不断得到纯净的淡水。本发明用于加热和蒸发水溶液的加热热源，可以是来自太阳能加热的水，也可以是发电厂、化工厂、冶炼厂等的温度较高的尾水，或者是与发电厂、化工厂、冶炼厂的余热进行热交换之后的水。由于本发明所需的加热流体的温度可以在60℃左右或更低，可以有效地利用太阳能或大量回收利用工业余热，在海水淡化、环保、节能、减少碳排放等多方面具有极大的实用价值。

Description

太阳能/低温热能驱动负压蒸发水溶液蒸馏分离装置和获得蒸馏水的方法

技术领域

本发明涉及一种抽真空、低温热能驱动的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，以及利用该负压蒸发水溶液蒸馏分离装置从待分离水获得蒸馏水的方法。

背景技术

现有的水净化方法有蒸馏法、电解法、反渗透法等。蒸馏法是利用热源加热待分离水溶液(如海水、含杂质水、含污染水等等，以下亦称之为“待分离水”)，蒸馏出水蒸汽，然后将该水蒸汽冷凝以得到净化淡水的方法。由于在常压下水的沸点高达100℃，因此为了得到大量的水蒸汽，必须采用高温热源(如燃煤、燃油等)加热才能达到目的。电解法是指先用直流电电解待分离水，以得到氧气和氢气，然后再使氧气和氢气燃烧以生成淡水的方法。无论是蒸馏法还是电解法，都需要消耗大量高品位能源。反渗透法是利用可透过水分子而不能透过其它化合物分子的薄膜以分离出淡水的方法，具有能源消耗不多的优点，但过滤膜寿命不长、易被污染，因而限制了它的应用。

在以蒸镏法进行水分离净化的过程中，为了减少或避免使用燃料来加热待分离水，许多使用太阳能的待分离水水分离方法已经被开发出来。这些方法的共同点是利用太阳能集热器来收集阳光中的能源，然后用此热源去加热待分离水。但由于太阳能集热器得到的待分离水温度不可能太高(一般低于100℃)，所以通常太阳能海水淡化系统的淡水产率都不高。提高太阳能集热器的集热温度似乎是可行的，如采用聚光器可使太阳能集热器的出口温度达到200-300℃，但聚光器加工困难，以及需要进行太阳跟踪等，造成其价格昂贵，同样难以大规模应用。

由于水的沸点是与其所处的压强直接相关的，因此如果设法降低水蒸馏分离过程中系统的压强，就可以有效降低待分离水的沸腾温度，这样即使用集热温度低的平板式太阳能集热器也可以对其进行有效地加热，直至其沸点以上温度，使蒸馏分离水的产出率提高。

降低水蒸馏分离过程中系统的压强，可以利用大气压和蒸发液面及三个容器液面所产生的近10米高的水柱压强之间的差值来实现的，为了消除这个高差的限制，以更好满足实际生产的需要，本发明利用一套真空泵系统，在系统工作启动之前先对蒸馏器上部空间抽真空以造成负压，在系统开始工作后通过蒸汽的冷凝保持负压，抽气停止，与传统真空泵连续抽气低温蒸发系统相比，本系统的真空泵仅工作很短的时间，大大节约了电能这样还可以使系统的各容器液面之间的高差不再受到严格限制，大大增加了这种海水淡化系统的实用性和可操作性，如果利用低温海水作为冷源，还可大大提高系统的产水性能。

发明内容

本发明的目的在于，通过系统工作前抽真空的方法，使低压蒸发液面及三个容器液面之间的高差不受限制，以增强负压蒸馏水分离海水淡化法的可实现性和可操作性，并可实现小型化。

根据本发明的一个方面，提供了一种低温热能驱动的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于包括：

一个密封的蒸发容器，

设置在所述蒸发容器内的蒸发加热管，

一个密封的冷凝容器，其通过水蒸气连通管与所述蒸发容器相连通，

设置在所述冷凝容器内的冷却管，

一条待分离水管路，用于向所述蒸发容器的内部提供待分离水，

一条分离尾水管路，用于从所述蒸发容器排放分离后的尾水，

一条冷凝水管路，用于从所述蒸汽冷凝容器排放冷凝水，

设置在待分离水管路上的一个待分离水阀，用于使待分离水通过节流降压作用进入所述蒸发容器，从而保持所述蒸发容器中的低压环境。

根据本发明的一个进一步的方面，提供了利用上述负压蒸发水溶液蒸馏分离装置从待分离水获得蒸馏水的方法。

附图说明

图1示意显示了根据本发明的一个实施例的抽真空负压蒸发水分离装置。

附图标记：

1-蒸发容器  2-蒸发盘管  3-热水泵  4-蒸汽冷凝容器  5-冷凝盘管

6-冷却水泵  7-蒸发容器冷凝容器连接管  8-待分离水管路

9-分离尾水管路  10-冷凝水管路  11-真空泵连接管  12-真空泵

13-待分离水容器  14-分离尾水容器  15-冷凝水容器

16-分离尾水排出管  17-冷凝水排出管

具体实施方式

本发明的关键在于降低蒸发容器-冷凝容器中的压强，以有效降低蒸发温度和冷凝温度，从而降低蒸发容器中加热热源的温度。本发明利用真空泵在系统工作启动之前先对蒸馏器上部空间抽真空以造成负压，在系统开始工作后通过蒸汽的冷凝保持负压恒定，抽气即可停止。这样可以使大气压和蒸发液面及三个容器液面之间的高差不受限制，在实际生产中更容易实现。与传统真空泵连续抽气低温蒸发系统相比，本系统的真空泵仅工作很短的时间，大大节约了电能，并能实现小型化，也增加了这种海水淡化系统的实用性和可操作性。

根据本发明的一个实施例如图1所示，其包括：低温热能驱动的负压蒸发水蒸馏分离装置，包括一个密封的蒸发容器1和一个密封的冷凝容器4；一个待分离水容器13；一个分离尾水容器14；一个冷凝水容器15。

密封的蒸发容器1内有蒸发加热盘管2。通过热水泵3使热水在盘管2内循环流动。

密封的冷凝容器4通过水蒸气连通管7与蒸发容器1相连通。冷凝容器4内有冷却盘管5；通过冷却水泵6，使冷却水在盘管内循环流动。

一个加热流体水泵3把加热水源的热水输送到加热管束2中。一个冷却水泵6把冷却水源的水输送到所述冷却管束5中。

蒸发容器1与冷凝容器4之间通过水蒸气连接管7连接，使水蒸气从蒸发容器1进入冷凝容器4。

一个真空泵12通过真空泵连接管11与蒸发容器1、分离尾水容器14和冷凝水容器15相连，用于对各个容器抽真空。

一个待分离水容器13，通过一条待分离水管路8，与蒸发容器1的内部相连通。一个分离尾水容器14，通过一条分离尾水管路9，与蒸发容器1的内部相连通。一个冷凝水容器15，通过一条冷凝水管路10，与蒸汽冷凝容器4相连通。

分离尾水通过一条分离尾水排出管16从分离尾水容器14中排出。冷凝水通过一条冷凝水排出管17从冷凝水容器15中排出。

根据本发明的一个实施例，待分离水容器13与大气相通；分离尾水容器14是一个密封性良好的分离尾水储存容器。冷凝水容器15是一个密封性良好的冷凝水储存容器.

根据本发明的一个实施例，待分离水管路8、分离尾水管路9和冷凝水管路10分别通过阀门V1、V2、V3来控制；真空泵连接管11通过阀门V4、V5、V6来控制；排水管16和17分别通过阀门V7、V8来控制。其中，根据一个具体实施例，阀门V1为电动阀，可调节开度，阀门V2、V3、V4、V5、V6、V7、V8为电磁阀。

蒸发容器1、分离尾水容器14、冷凝水容器15内的负压的实现是靠真空泵12分别对各容器抽真空来实现的，从而可以摆脱大气压、蒸发液面及三个容器液面之间的高差的限制，有效利用低温热源使待分离水溶液蒸发沸腾。

根据本发明的一个实施例，使系统保持负压的操作为：系统开始工作前，将各部件抽真空到所需压强；然后，调节电动阀V1的开度，使待分离水溶液通过节流降压作用进入蒸发容器1并保持蒸发容器1中的低压环境；与此同时，蒸发容器1中待分离水溶液因沸腾产生的水蒸汽不断从蒸发容器1进入冷凝容器5并被冷却水不断冷凝，保持动态平衡；这两个过程结合起来，可使系统工作时无需再抽汽保持低压，从而大大节约了电能。

根据本发明的一个实施例，系统工作流程为：

-在系统工作之前，各阀门均被置于关闭状态；

-然后，分别开启阀门V4、V5和V6，并分别将各相应容器1、4、14、15抽至所需压强(如使得：蒸发容器1/冷凝容器4中的压强+管路9/10中水柱的压头≥分离尾水容器14/冷凝水容器15中的压强)，以保证分离尾水和冷凝水可以顺利流入分离尾水容器14/冷凝水容器15；

-之后，分别将阀门V4、V5和V6再关闭；

-然后，将阀门V1开至所需开度，使待分离水进入蒸发容器1，并开启热水泵3，加热蒸发容器中的待分离水，同时开启冷却水泵，使水蒸气在冷凝容器4中迅速冷凝，系统达到稳态平衡；

-待系统稳定运行一段时间后，开启阀门V2和V3，使冷凝水和分离尾水分别进入分离尾水容器14和冷凝水容器15；

-之后，关闭阀门V2、V3；

-然后，依次开启阀门V5、V7，使分离尾水排出；然后，关闭阀门V5、V7；

-依次开启阀门V4、V8，使冷凝水排出；之后，关闭V4、V8；

-然后，分别(或同时)开启阀门V4、V5，重新将分离尾水容器14和冷凝水容器15抽真空至所需压强，然后分别关闭V4、V5，实现一个完整的循环，使系统的稳定连续运行。

根据本发明的另一个实施例，为了保证分离尾水和冷凝水分别从分离尾水容器14和冷凝水容器15的顺利排出，可以在分离尾水容器14和冷凝水容器15分别设置相应的进气阀门(未显示)，该进气阀门在从分离尾水容器14/冷凝水容器15排放分离水/冷凝水时打开，在排放完毕后关闭，以便对分离尾水容器14/冷凝水容器15重新抽真空。在该实施例中，不用为了从分离尾水容器14/冷凝水容器15而开启阀门V4、V5。

首先，根据热源温度的高低，将整个系统的各部件分别抽真空至所需压强，其中蒸发容器1中的压强使蒸发容器1中的水能在加热盘管2内的热水加热下达到沸腾。

然后，保持阀门V1开启，其他阀门均处于关闭状态。待分离水容器与大气相通，通过大气压与系统之间存在的压差，将待分离的水溶液压入蒸发容器中。开启热水循环和冷却水循环，待运行一段时间之后，打开阀门V2和V3，使分离尾水和冷凝水进入相应的容器中。

根据本发明的一个实施例，加热管2中的用于加热和蒸发水溶液的热水，可以是来自太阳能集热器的水，也可以是发电厂、化工厂、冶炼厂等的温度较高的尾水，或者是与发电厂、化工厂、冶炼厂的余热进行热交换之后的水。冷却管5中的冷却水可以直接来自代分离水的水源。由于本发明所需的加热流体的温度可以在50-60℃左右或更低，可以有效地利用太阳能或大量回收利用工业余热，在海水淡化、环保、节能方面具有极大的实用价值。

本发明的优点包括：

-通过把蒸发容器1保持在一定的真空度，使待分离水溶液的沸腾温度大幅度降低；

-待分离水溶液因沸腾产生的水蒸汽不断进入冷凝容器并被冷却水不断冷凝，从而可保持动态平衡，所以系统工作时无需再抽汽保持低压，大大节约了电能；

-蒸发容器液面及三个容器液面之间的高差不受一个大气压的限制，使得整个系统更加紧凑和实用。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (10)

1.一种低温热能驱动的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于包括：

一个密封的蒸发容器(1)，

设置在所述蒸发容器(1)内的蒸发加热管(2)，

一个密封的冷凝容器(4)，其通过水蒸气连通管(7)与所述蒸发容器(1)相连通，

设置在所述冷凝容器(4)内的冷却管(5)，

一条待分离水管路(8)，用于向所述蒸发容器(1)的内部提供待分离水，

一条分离尾水管路(9)，用于从所述蒸发容器(1)排放分离后的尾水，

一条冷凝水管路(10)，用于从所述蒸汽冷凝容器(4)排放冷凝水，

设置在待分离水管路(8)上的一个待分离水阀(V1)，用于使待分离水通过节流降压作用进入所述蒸发容器(1)，从而保持所述蒸发容器(1)中的低压环境。

2.根据权利要求1所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

一个分离尾水容器(14)，其通过一条分离尾水管路(9)与所述蒸发容器(1)的内部相连通，

一个冷凝水容器(15)，其通过一条冷凝水管路(10)与所述蒸汽冷凝容器(4)的内部相连通。

3.根据权利要求2所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

一条分离尾水排出管(16)，用于将分离尾水从所述分离尾水容器(14)中排出，

一条冷凝水排出管(17)，用于将冷凝水从所述冷凝水容器(15)中排出，

设置在所述分离尾水管路(9)上的分离尾水管路阀门(V2)，

设置在所述冷凝水管路(10)上的冷凝水管路阀门(V3)，

设置在所述分离尾水排出管(16)上的分离尾水排出管阀门(V7)，

设置在所述冷凝水排出管(17)上的冷凝水排出管阀门(V8)。

4.根据权利要求3所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

第一阀门(V6)，其设置在连通一个真空泵(12)与所述蒸发容器的管路上，

第二阀门(V5)，其设置在连通所述真空泵(12)与所述分离尾水容器(14)的管路上，

第三阀门(V4)，其设置在连通所述真空泵(12)与所述冷凝水容器(15)的管路上。

5.根据权利要求4所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

所述真空泵(12)，用于对所述蒸发容器、冷凝器、分离尾水容器和冷凝水容器抽真空，

其中所述分离尾水容器(14)是一个密封性良好的分离尾水储存容器，

所述冷凝水容器(15)是一个密封性良好的冷凝水储存容器。

6.根据权利要求5所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于进一步包括：

一个加热流体水泵(3)，用于把加热水输送到所述加热管(2)中，

一个冷却水泵(6)，用于把冷却水源的水输送到所述冷却管(5)中。

7.根据权利要求6所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于：

所述待分离水阀(V1)为电动阀，

所述所述分离尾水管路阀门(V2)、所述冷凝水管路阀门(V3)、所述第二阀门(V5)、所述第三阀门(V4)、所述第一阀门(V6)、所述分离尾水排出管阀门(V7)、所述冷凝水排出管阀门(V8)均为电磁阀。

8.如权利要求7所述的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置，其特征在于：

所述蒸发加热管束(2)被设置在所述蒸发容器(1)内部的下部，从而使所述蒸发加热管束(2)全部处于所述蒸发容器(1)内的待分离水的液面(6)之下。

所述冷却管束(5)被设在冷凝容器(4)内部空间的上部。从而使来自蒸发容器(1)的水蒸发能够迅速冷凝并在容器(4)底部形成一定的液面高度；

所述冷凝水管路(10)与所述蒸汽冷凝容器(3)的连接部位于所述冷凝容器(3)的下部。

所述待分离水管路(8)的入流口被设置在所述蒸发容器(1)中高于所述蒸发容器(1)的蒸发液面的位置。

所述分离尾水管路(9)的进流口被设置在所述蒸发容器(1)的底部。

9.利用根据权利要求4-8中的任何一项的负压蒸发水溶液蒸馏分离装置从待分离水获得蒸馏水的方法，其特征在于包括：

将所述蒸发容器(1)/所述冷凝容器(4)、所述分离尾水容器(14)、所述冷凝水容器(15)抽真空，使所述蒸发容器(1)/所述冷凝容器(4)、所述分离尾水容器(14)、所述冷凝水容器(15)各自的真空度保证分离尾水和冷凝水可以从所述蒸发容器(1)和所述冷凝容器(4)分别顺利流入所述分离尾水容器(14)和所述冷凝水容器(15)；

关闭所述第三阀门(V4)、第二阀门(V5)和第一阀门(V6)；

将所述待分离水阀(V1)开至适当开度，使待分离水通过节流降压作用进入所述蒸发容器(1)，并保持所述蒸发容器(1)中的低压环境；

利用所述加热管(2)加热所述蒸发容器中的待分离水；

利用所述冷却管(5)冷却所述冷凝容器(4)中的水蒸气；

开启所述分离尾水管路阀门(V2)，使分离尾水进入所述分离尾水容器(14)；

开启所述冷凝水管路阀门(V3)，使冷凝水进入所述冷凝水容器(15)；

关闭所述分离尾水管路阀门(V2)、所述冷凝水管路阀门(V3)；

开启所述分离尾水排出管阀门(V7)，使所述分离尾水容器(14)中的分离尾水排出；

关闭所述分离尾水排出管阀门(V7)；

开启所述冷凝水排出管阀门(V8)，使所述冷凝水容器(15)中的冷凝水排出；

关闭所述冷凝水排出管阀门(V8)；

利用所述真空泵(12)重新将所述分离尾水容器(14)和所述冷凝水容器(15)抽真空至保证分离尾水和冷凝水可以从所述蒸发容器(1)和所述冷凝容器(4)分别顺利流入所述分离尾水容器(14)和所述冷凝水容器(15)的压强，

从而实现所述负压蒸发水溶液蒸馏分离装置的一个完整的工作循环。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述保证分离尾水和冷凝水可以从所述蒸发容器(1)和所述冷凝容器(4)分别顺利流入所述分离尾水容器(14)和所述冷凝水容器(15)的压强满足：

所述蒸发容器(1)/冷凝容器(5)中的压强+所述分离尾水管路(9)/所述冷凝水管路(10)中水柱的重力压头≥所述分离尾水容器(14)/冷凝水容器(15)中的压强)。

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