CN102215927A - 大规模水净化和脱盐 - Google Patents

Abstract

本发明的实施方式提供了一种用于水净化和脱盐的系统和方法。所述系统包括预热器、脱气装置、多个具有除雾器的蒸发室、热管和控制系统，其中所述控制系统能实现持续地运行净化和脱盐系统而不需要使用者介入或清洁。所述系统能从每个蒸发阶段回收热量，同时从被污染的水样中清除多种污染物，所述多种污染物包括微生物污染物、放射性污染物、金属、盐类、挥发性有机物和非挥发性有机物。

Description

大规模水净化和脱盐

本申请要求2008年9月17日提交的美国临时专利申请第61/097,835号的优先权，并且通过引用将该申请的整个公开内容加入本文中。本发明涉及水净化和脱盐领域。特别地，本发明的实施方式涉及采用自动程序从水中除去基本上所有的多种多样的杂质的系统和方法，该自动程序在几个月至几年的期限内需要最小限度的清洁或维护，并且每单位的输入水能产出相对较高的产物水并且具有超低的能量需求。

背景技术

水净化技术正快速成为现代生活的基本方面，因为传统的水资源日益缺乏，用于饮用水的市政分配系统随着时间的增长在衰退，并且不断增加的用水量会耗尽水井和水库，引起盐水污染。另外，许多活动正引起水源的进一步污染，这些活动包括例如密集耕作、汽油添加剂以及有毒的重金属。这些问题正导致水系统中微生物、细菌、盐类、MTBE、氯酸盐、高氯酸盐、砷、汞、甚至是用于对饮用水进行消毒的化学物质的水平不断增加并且应该应对。

而且，虽然地球的四分之三被海洋覆盖，但是淡水资源只占整个地球水的约3％，并且由于人口增长和全球变暖，这些水正变得稀缺。所有淡水的约69％存在于冰帽和冰川中，随着不断增强的全球消融，这些淡水变得不可恢复，所以小于1％能被实际利用并且绝大多数(超过90％)是蓄水层内的地下水，而这些蓄水层正逐渐被人类活动和盐水侵入所污染。因此，急需能将盐水(包括海水和盐湖水)转变成淡水的技术，同时清除多种多样的污染物。

传统的脱盐和水处理技术，例如反渗透(RO)过滤热蒸溜系统(像多效蒸馏(MED))、多级闪蒸(MSF)或压汽蒸馏，几乎不能处理盐碱环境中存在的多种水污染物。另外，虽然它们是商业上可利用的，但是它们通常需要多个处理阶段或需要结合多种技术以达到合格的水质。当盐碱容量增加时，RO系统需要承受较高水压，这使得它们在商业脱盐中变得日益昂贵，并且它们通常浪费超过30％的引入水，使得它们在缺乏时吸引力日益减少。较少的传统技术，例如紫外(UV)光照射或臭氧处理，对病毒和细菌是有效果的，但是几乎不能清除其他污染物，例如溶解气体、盐类、碳氢化合物以及不溶性固体。另外，大多数的蒸馏技术虽然能较好地清除一类污染物，但是通常不能处理所有类型的污染物。

由于商业脱盐设备通常是需要一至三年时间建造的复杂的工程项目，它们通常是资本密集型的并且很难从一个地方移至另一地方。它们的复杂性以及对多种技术的依赖性也使得它们的维护成本容易很高。因此，由于RO设备被设计成能在稳定压力和流动条件下持续工作，较大的压力波动或电力中断会损坏更换成本很高的膜；该技术需要彻底地预处理引入水以防止阻塞RO膜。热蒸馏系统常常依靠真空以通过使用给定量的热能抽取不断增加的蒸汽来增加水的回收率；但是，大规模系统中的真空系统会由于泄露而变得麻烦而且需要机械加固。热系统也依赖于热交换器以回收一些冷凝热，但是热交换器易于堵塞和结垢并且需要频繁的维护。

因此，连续的和自清洁的、能抵抗腐蚀、轻便紧凑并且能回收利用大部分的输入水、以及相对较便宜且低维护成本的成熟蒸馏系统显得是解决全球性的不断增加的水污染问题和水匮乏的最好的长期选择。

发明内容

本发明的实施方式提供一种改良的脱盐和水净化系统。所述系统可包括入口、预热器、脱气装置、多个蒸发室和除雾器、产物冷凝器、废物出口、产物出口、多个用于热量传递和回收的热管以及控制系统。所述控制系统使得以最少的使用者介入或清洁来持续地进行净化和脱盐。所述系统能从被污染的水样本中清除多种污染物类型，包括微生物污染物、放射性污染物、金属、盐类、挥发性有机物和非挥发性有机物中。在本系统的实施方式中，所生产的水的体积可为引入水体积的约20％至约95％。所述系统包括垂直叠加排列的蒸发室、冷凝器和预热器，所述垂直叠加排列在每天生产1000加仑至5000万加仑的水的情况下是紧凑的，因而是轻便的。

所述系统也可包括用于输入水的流量控制器。流量控制器可包括压力调节器、泵、螺线管、阀、孔等等。压力控制器能维持水压在约0kPa至250kPa(0至36psi)之间。流量控制器能维持水流速度在0.5至3500加仑/分钟之间。所述系统能包括沉淀物捕集器、沙子过滤器等等。同样，所述系统可进一步包括关闭控制装置。所述关闭控制装置可以例如是人工控制装置、溢流控制装置、储水罐容量控制装置、蒸发室容量控制装置或类似的控制装置。反馈控制系统可基于例如产物水储水罐中的水的量、经过产物出口的产物水流量、水流时间、无水流时间、蒸发室内的水量、泄露的检测结果、蒸发室压力、输出水质(总溶解固体)、蒸发室压差、蒸发室溢流坝浮球等等。

此外，所述系统具有预热器，预热器将引入水加热至脱气装置内所需的温度。离开预热器的水的温度至少约为96℃。预热罐可具有螺旋设置的叶片从而使得引入水在储水罐内循环多圈，因此提供能实现预热的驻留时间。引入水切线地(tangentially)进入预热器，被热管逐渐加热直至达到所需的温度，并且经下水管离开预热器，该下水管与脱气装置连接，或者在无需脱气时直接与下蒸发室连接。

脱气装置可处于实质上垂直的方向，具有上端和下端。被预热的水在上端进入脱气装置，而被脱气的水靠近下端离开脱气装置。在本系统中，来自最高蒸发室的蒸汽能靠近下端进入脱气装置，并且能靠近上端离开脱气装置。所述脱气装置包括基体(matrix)，其通过朝脱气装置内气体流动的相反方向逆向流动所述引入水而便于混合水和蒸汽并且除去基本上所有的有机物、挥发物和气体。所述气体例如是蒸汽、空气、氮气等等。所述基体可包括实质上球形的颗粒。但是，所述基体也可包括非球形的颗粒。所述基体可包括具有选定的尺寸的颗粒，所述尺寸能使得颗粒在所述脱气装置内均匀填装。所述基体也可包括不同尺寸的颗粒，并且所述颗粒按照尺寸梯度地被设置在脱气装置内。水离开脱气装置时可本质上不含有机物和挥发性气体。

上部的蒸发室可包括圆柱的或矩形的罐，所述罐具有多孔底部，所述多孔底部能容纳多个热传递管。上部的蒸发室也可包括中央排泄装置，所述中央排泄装置可为与下蒸发室流体连通的下水管，或处于蒸发室的底部，或两者皆可。蒸发室也可包括自清洁介质，自清洁介质包括多个颗粒，排泄装置具有开口，所述开口的大小使得颗粒不会通过底部排泄装置，所述开口的形状不与颗粒的形状互补。蒸发室可包括用于至少在靠近蒸发室的被加热区的区域内干扰沉淀物的积累的自清洁介质。所述介质可包括多个颗粒。所述颗粒实质上可为球形。所述颗粒可具有通过蒸发室内的水的沸腾来实质上持续地搅动所述颗粒的特性。所述特性可以例如是比重、大小、形态、群体数量等等。所述颗粒可具有选定的硬度，所述硬度使得所述颗粒冲刷所述蒸发室，而本质上不会侵蚀所述颗粒或蒸发室。另外，所述颗粒可由陶瓷、金属、玻璃或石材组成。所述颗粒的比重可大于约1.0且小于约8.0，或者更优选地，在约2.0至约5.0之间。

上部的除雾器可被靠近蒸发室的上表面设置。来自蒸发室的蒸汽可在压力下进入除雾器。除雾器可包括压差，并且压差可不低于125至约2500Pa。除雾器可适于通过气旋作用或通过给被蒸汽携带的薄雾状颗粒提供机械障碍来分离清洁蒸汽和废蒸汽。清洁蒸汽与废蒸汽的比率可大于约10∶1。控制系统能调整参数从而调节蒸汽质量。蒸汽质量例如可包括清洁蒸汽纯度、清洁蒸汽与废蒸汽的比率等等。所述参数可包括例如清洁蒸汽出口的凹入位置、除雾器内的压差、对蒸汽入口的流动的阻力和对蒸汽出口的流动的阻力等参数中的至少一个参数。

来自除雾器的清洁蒸汽进入上部的冷凝器，上部的冷凝器包括用于给蒸汽施加循环运动的叶片，因此加强其在冷凝器中的驻留时间以及确保完全的蒸汽冷凝。所述冷凝器罐为圆柱形的或矩形的罐，具有多孔的顶部，多孔的顶部容纳多个热管。热管移除蒸汽的冷凝热并且将所述热量传递至上部的预热器或上部的蒸发室。产物水能经产物出口离开产物冷凝器。

在上部的冷凝器下可设置有多级沸腾和冷凝，因此回收热量用于多级蒸馏。除了最后一级(即，底部蒸发室)外，每级由蒸发室、除雾器、冷凝器和多个热管组成，所有的这些装置都与上述的装置相同。

底部蒸发室与上部的蒸发室相同，只是热量源被放置在蒸发室下或蒸发室自身内部。用于蒸发的热量可以是电力、天然气、石油或其他的碳氢燃料，或者是任何能提供超过约110℃或更高的温度的废热源。

更加详细地，本文涉及一种水净化和脱盐系统，所述系统包括入口、预热器、脱气装置、多个蒸发室、除雾器、热管以及产物冷凝器、废物出口、多个产物出口、加热室和控制系统，其中冷凝热被回收并被重新用于另外的蒸发，其中蒸馏能量可由电力、油的燃烧、碳氢化合物的燃烧或天然气的燃烧或废热组成，并且所述控制系统能实现净化和脱盐的连续操作而不需要使用者介入或清洁，并且所述系统能从被污染的水样中清除多种污染物类型，包括微生物污染物、放射性污染物、金属、盐类、挥发性有机物和非挥发性有机物；从而使得当被污染的水的污染物类型的水平比表1的MCL栏中所示水平高达25倍时，在所述系统内净化的水的所有污染物类型的水平低于表1的MCL栏中所示的水平。

另一方面，所述系统生产的净化水的体积占输入水的体积的约20％至约95％之间。

另一方面，所述系统经过至少约两个月的使用而不需要清洁。

另一方面，所述系统经过至少约一年或更长时间的使用而不需要清洁。

另一方面，所述系统包括入口开关，用以调节经过入口的水流。

另一方面，入口开关包括选自螺线管、阀和孔的机构。

另一方面，入口开关被控制系统控制。

另一方面，所述系统进一步包括关闭控制装置。

另一方面，所述关闭控制装置选自人工控制装置、溢流控制装置、冷凝器容量控制装置以及蒸发室容量控制装置。

另一方面，所述控制系统基于蒸发室内的温度传感器、冷凝器浮球和溢流探测器的至少一个的反馈来控制入口。

另一方面，所述控制系统基于来自净化系统的反馈控制所述开关。

另一方面，所述反馈基于选自以下的至少一个特征：产物水容器内的水量、经过产物出口的产物水流量、水流时间、无水流时间、蒸发室内的水量、泄露的探测、蒸发室压力、输出水质(总溶解固体)、蒸发室的压差以及经过蒸发室溢流坝浮球的水运动。

另一方面，所述系统进一步包括流量控制器。

另一方面，所述流量控制器包括压力调节器。

另一方面，所述压力调节器将水压保持在约0kPa至250kPa之间(0至36psi)。

另一方面，所述系统进一步包括沉淀物捕集器。

另一方面，离开预热器的水温度为至少约96℃。

另一方面，所述脱气装置处于实质上垂直的方向，具有上端和下端。

另一方面，来自预热器的被加热的水靠近上端进入所述脱气装置。

另一方面，被加热的水靠近下端离开所述脱气装置。

另一方面，来自蒸发室的蒸汽靠近下端进入所述脱气装置。

另一方面，所述蒸汽靠近上端离开所述脱气装置。

另一方面，所述脱气装置包括便于混合水和蒸汽的基体。

另一方面，所述基体包括实质上球形的颗粒。

另一方面，所述基体包括非球形的颗粒。

另一方面，所述基体包括具有选定尺寸的颗粒，所述尺寸使得所述颗粒在所述脱气装置内被均匀填装。

另一方面，所述基体包括尺寸不同的颗粒，其中所述颗粒按照尺寸梯度地被设置在脱气装置内。

另一方面，离开所述脱气装置的水本质上不含有机物和挥发性气体。

另一方面，蒸发室包括多个传递热量的热管，所述热量从下冷凝器被转移。

另一方面，所述蒸发室进一步包括排泄设备，其中所述排泄设备位于所述蒸发室的中间或接近所述蒸发室的中部。

另一方面，所述蒸发室进一步包括自清洁介质，所述自清洁介质包括多个颗粒，所述多个颗粒被装入包围每个热管的同心多孔圆柱体内。

另一方面，蒸发室包括用于至少在靠近蒸发室内的热管的区域干扰沉淀物积累的自清洁介质。

另一方面，所述介质包括多个颗粒。

另一方面，所述颗粒本质上为球形的。

另一方面，所述颗粒具有通过蒸发室内的水的沸腾能实质上持续地搅动所述颗粒的特性。

另一方面，所述特性选自比重、大小、形态、群体数量和成分。

另一方面，所述颗粒具有选定的硬度，其中所述硬度使得所述颗粒冲刷所述蒸发室，而本质上不会侵蚀所述颗粒或蒸发室。

另一方面，所述颗粒由陶瓷、金属、玻璃或石材组成。

另一方面，所述颗粒的比重大于约1.0且小于约8.0。

另一方面，所述颗粒的比重在约2.0至约5.0之间。

另一方面，所述加热室进一步包括电加热元件、气体燃烧器或燃油器、或从废热源传递热量的热管，并且其中所述加热室靠近所述蒸发室的底部。

另一方面，除雾器被靠近蒸发室的上表面放置。

另一方面，来自蒸发室的蒸汽在压力下进入除雾器。

另一方面，除雾器被构造成能产生压差，其中所述压差不少于125至2500Pa。

另一方面，除雾器适于通过气旋作用分离清洁蒸汽和废蒸汽。

另一方面，蒸发室通过折流防护装置和金属凹槽防止冷凝的液滴进入除雾器。

另一方面，清洁蒸汽与废蒸汽的比例大于约10∶1。

另一方面，蒸汽质量包括选自以下的至少一种质量：清洁蒸汽纯度、清洁蒸汽与废蒸汽的比例以及清洁蒸汽的总体积。

另一方面，除雾器控制参数包括选自以下的至少一种参数：清洁蒸汽出口的凹入位置、除雾器的压差、对蒸汽入口的流动的阻力和对蒸汽出口的流动的阻力。

另一方面，所述系统包括用于冷却冷凝器产物的热管。

另一方面，产物水经产物出口离开产物冷凝器。

另一方面，废水经废物出口离开所述系统。

另一方面，所述控制系统将产物水转至废弃排出物直到所述系统到达稳定运行温度。

在另一实施方式中，本文涉及一种用于对水净化和脱盐的方法，包括以下步骤：提供引入水的来源，所述引入水包括至少一种第一浓度的污染物；将所述引入水通过预热器，所述预热器能将引入水的温度上升到超过90℃；通过朝脱气装置内的气体流动的反方向逆向流动所述引入水而分离本质上所有的有机物、挥发物和气体；在能形成蒸汽的条件下将所述引入水保持在蒸发室内10至90分钟或更长的平均驻留时间；将蒸汽从蒸发室排放至气旋除雾器；在除雾器内分离清洁蒸汽和包含污染物的废物从而使得清洁蒸汽的产量至少比来自除雾器的废物产量大约4倍；将清洁蒸汽冷凝成产出的被净化的水，所述净化的水包括至少一种第二浓度的污染物，其中所述第二浓度小于所述第一浓度；以及将来自冷凝器的热量回收并传递至上部的蒸发室或预热器，从而使得被回收的热量至少为冷凝热的50％。

另一方面，所述至少一种污染物包括选自微生物、放射性核素、盐类和有机物中的污染物；并且其中所述第二浓度不高于表3所示的浓度，并且其中所述第一浓度至少为所述第二浓度的约10倍。

另一方面，所述第一浓度至少比所述第二浓度大约25倍。

另一方面，所述气体选自蒸汽、空气和氮气。

另一方面，所述加工步骤被自动地重复至少约三个月而不需要清洁或维护。

另一方面，所述加工步骤被自动地重复至少约一年而不需要清洁或维护。

另一方面，叠加排布的蒸发室、冷凝器和预热器被封闭在具有多孔板的金属壳内，多孔板将蒸发室与冷凝器分离。

另一方面，所述多孔板允许热管、脱气装置、除雾器、盐水溢流管和废蒸汽管通过。

另一方面，蒸发室、预热器和热管的构建材料由不腐蚀的钛合金制成。

另一方面，所述不腐蚀的钛合金包括Ti-6Al-4V合金。

另一方面，所述蒸发室、预热器和热管包括镀有不腐蚀的氟氯烃聚合物的普通钢或其他金属或合金。

附图说明

图1A和1B是脱盐/水净化系统的两个实施方式的主视图；

图2是底部蒸发室的示意图；

图3是底部蒸发室的正视图；

图4(a)至图4(e)显示了可能的加热结构；

图5是冷凝器的示意图；

图6是冷凝器的平面图；

图7A和7B是用于双倍和三倍蒸馏结构的蒸发室的示意图；

图8是冷凝器的示意图；

图9是预热器的示意图；

图10是预热器的平面图；

图11是预热器的正视图；

图12是脱气装置的示意图；

图13是脱气装置的正视图；

图14是折流防护装置和金属凹槽的示图；

图15是折流防护装置的图示；

图16是气旋除雾器的示意图；

图17是热管的示意图；

图18是用于图示热管的自清洁特征的示图；

图19是用于附接热管以提供无泄漏操作的可能结构的示图；

图20是脱盐和水净化系统的实施方式的控制线路的示图；

图21是叠加设置的脱盐系统的替代性实施方式的正视图；

图22是用于脱盐系统的替代性实施方式的多孔板的示图；

图23是叠加设置的脱盐系统的替代性实施方式的平面图。

具体实施方式

在本文中在某些情况下以示范性的方式或通过参考一个或多个附图公开了本发明的实施方式。但是，这种特定实施方式的公开仅是示范性的，并不代表本发明的全部范围。

本发明的实施方式包括用于水净化和脱盐的系统、方法和设备。优选实施方式提供了广泛的水净化，这种水净化是全自动的并且在很长时间内不需要清洁或使用者介入。例如，本文中所公开的系统能在无使用者控制或介入的情况下运行2、4、6、8、10或12个月，或更长的时间。在优选的实施方式中，该系统能自动运行1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14或15年，或更长的时间。

因此，本发明实施方式提供了一种水净化和脱盐系统，其至少包括用于盐水、被污染的水或海水的入口、预热器、脱气装置、一个或多个蒸发室、一个或多个除雾器、一个或多个具有产物出口的产物冷凝器、废物出口以及控制系统，其中离开出口的产物水本质上是纯净的，并且所生产的产物水量至少为输入水量的约10、15或20％，并且控制系统使得能持续地运行净化系统而不需要使用者的介入。在优选的实施方式中，所生产的产物水量至少为输入水量的约25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、96、97、98或99％，或者更多。因此，该系统在获取输入水和/或处理废水相对昂贵并且不方便的情况下效果很好。该系统相比许多其他系统，在每单位输入水或废水的产物水产量方面更加有效率。

在不同的实施方式中，本质上纯净的水是满足下述标准的任一个的水：相对于任何的污染物来说，水被净化至比输入水纯净度高出至少25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、125、150、175、200、250、500、750、1000倍或更多的纯度。在其他实施方式中，相对于存在于输入水中的多种污染物来说，本质上纯净的水是被纯化至前述水平之一的水。也即，在这些实施方式中，水的纯净度或品质与一种或多种污染物的浓度有关，并且实质上纯净的水是指例如输入水中的这些污染物的浓度与产物水中相同污染物的浓度的比率为25或更高的水。

在其他实施方式中，水的纯净度能通过传导率测量出，其中超纯水的传导率通常小于约0.1μ西门子/cm，而蒸馏水的传导率通常为约0.5。在这些实施方式中，产物水的传导率通常处于约0.1至0.77之间，典型地处于约0.2至0.6之间，优选地处于约0.2至0.5之间、0.2至0.4之间、或0.2至0.3之间。传导率是总溶解固体(TDS)的测量标准，并且是水在盐类、离子、矿物质等方面的纯净度的良好指标。

作为选择，水的纯净度能通过各种标准被测量，例如，表1和2列出的现行的美国环境保护局(EPA)的标准，以及表2列出的其他公认的标准。因此，本发明的优选实施方式能从一系列的污染物中减少任何一种或更多的污染物，包括例如表1所列出的任何污染物，其中最终的产物水的所述污染物水平处于或低于标记有“MCL”(最大浓度水平)的一栏中所指定的水平，其中输入水的所述污染物的水平多达所指定的MCL的约25倍。同样，在一些实施方式中，对于一些污染物，当输入水的污染物比MCL或产物水高出30-、40-、50-、60-、70-、80-、90-、100-、150-、250-、500-、或1000倍或更多倍时，本发明系统能清除污染物至MCL水平。

虽然任何系统从输入水清除污染物的能力在某种程度上与输入水中的总杂质水平有关，但是本发明系统特别适于从单一的原料流中清除大多数的截然不同类型的污染物，从而生产能与蒸馏水相比的以及在某些情况下能与超纯水相比的水。应当提及的是，表1中“测试水”栏包含EPA测试中所使用的水中的污染物的浓度水平。本发明水净化系统的优选实施方式通常能清除比该栏目中所列出数量更多数量的初始污染物。但是，当然，对应于“测试水”栏所述的污染物水平同样在本发明实施方式的能力范围内。

表1

第四组：2种高挥发性的VOC+2种非挥发物

第五组：2种高挥发性的VOC+2个非挥发物

第六组：3种高挥发性的VOC+3种非挥发物

第七组：3种高挥发性的VOC+3种非挥发物

第八组：3种高挥发性的VOC+3种非挥发物

第九组：3种高挥发性的VOC+3种非挥发物

第十组：3种高挥发性的VOC+3种非挥发物

第十一组：4种挥发物+5种非挥发性的PCB

第十二组：5种挥发性的VOC+5种非挥发性的PCB

第十三组：6种VOC的平衡

水的纯净度和/或净化过程的效率的确定可依赖于系统能清除一系列污染物的能力。对于许多生物污染物，目标是清除本质上所有活的污染物。表2列出了水源的其他普通污染物和用于测试污染物水平的标准试验方案。对于普通的水污染物，表1和2列出的试验方案在超文本转换协议www.epa.gov/safewater/mcl.html#mcls中可得到。用于测定饮用水中有机化合物的方法，EPA/600/4-88-039，1988年12月，1991年7月修订。方法547、550和550.1位于用于测定饮用水中有机化合物的方法-附录I，EPA/600-4-90-020，1990年7月。方法548.1、549.1、552.1和555位于用于测定饮用水中有机化合物的方法-附录II，EPA/600/R-92-129，1992年8月。方法502.2、504.1、505、506、507、508、508.1、515.2、524.2、525.2、531.1、551.1和552.2位于用于测定饮用水中有机化合物的方法-附录III，EPA/600/R-95-131，1995年8月。方法502.2、504.1、505、506、507、508、508.1、515.2、524.2、525.2、531.1、551.1和552.2位于用于测定饮用水中有机化合物的方法-附录III，EPA/600/R-95-131，1995年8月。方法1613的名称为“同位素稀释法高分辨气相色谱/高分辨质谱测定四到八氯代二噁英和呋喃”，EPA/821-B-94-005，1994年10月。通过引用整体地将上述方法中的每一个加入本文。

表2

表3-用于系统验证的示范性污染物

4  消毒副产品

氯胺        4ppm

氯化氰      0.1ppm

1、MCLG＝最大浓度限值指标

2、MFL＝百万纤维细胞/升

3、pCi/l＝皮克居里/升

4、本质上没有可检测的生物污染物

水净化和脱盐系统的整体说明

在优选的实施方式中，例如图1A和图1B所示的，水净化和脱盐系统由垂直叠加设置的蒸发室(也被称为锅炉、沸腾室或沸腾槽)1、3和5以及冷凝器(也被称为冷凝室)2、4和6组成，借此热源被提供在叠层的底部，在叠层顶部设置有预热器(也被称为预热室)7，在系统的顶部设置有脱气装置8从而从进来的水中清除挥发性有机化合物，多个除雾器(也被称为除雾装置)9被设置用来从每个蒸发室中清除污染性薄雾状颗粒，多个热管10被设置用来从每个冷凝器中回收热量并且将这些热量传递至上部的蒸发室，并且设置有废蒸汽出口11以清除和排泄水污染物。对于本领域技术人来说也可使用垂直叠加设置的各种替代性结构，例如，横向设置蒸发室、冷凝器以及预热器等。

图21、22和23图示了垂直叠加设置的蒸发室1、3和5和冷凝器2、4和6的替代性实施方式，借此热源被设置在叠层的底部，在叠层的顶部设置有预热器7，在系统的顶部设置有冷凝器8以从引入水中清除挥发性的有机化合物，设置有多个除雾器9以从每个蒸发室清除污染性薄雾状颗粒，设置有多个热管10以从每个冷凝器中回收热量并且将该热量传递至上部的蒸发室，以及设置有废水出口11以清除和排泄水污染物。在该替代性的实施方式中，所有的蒸发室、冷凝器以及预热器被装入外壳300内，并且各个罐被平板隔开，这些平板中的一些是多孔板301从而能容纳热管10、脱气装置8、热盐水溢流管21、废蒸汽管11和除雾器9的通过。该替代性实施方式赋予制造上某些成本优势，并且提供了使热损失最小化的更简单结构。

包含污染物的引入水，例如盐水或海水，连续地在上部进入系统并进入预热器储水罐7。进入系统的流量被流量控制器控制，流量控制器可为定量流动泵、具有控制阀的可变流量泵或控制引入液流压力的各种电子控制传感器。关于流量控制器，任选地，流量控制器能通过变化压力来调节进入系统的水流，并且这种压力变化能通过探测在系统内引入水的更大需求量而被发信号告知。这种流量的可变控制，而非流量的二进制控制，能获得特定的系统效率。选择性地，进入系统的引入流量可根据接收到的信号而被控制，该信号指示系统能接收用于净化过程的额外水。这种需要更多引入水的反馈可来自于系统内的各种位点，包括例如蒸发室1、3和5内的水平面、产物冷凝器2、4和6内的水平面、进入脱气装置8的被预热的水的温度、离开蒸发室的蒸汽的温度或体积等。

其他的控制和反馈点能在系统的自动运行中提供另外的有益效果，例如在系统的任何位置探测水质、在系统内的任何位置探测水或蒸汽的体积、探测能指示系统故障的泄露或温度等。所述系统的实施方式设想了所有的这种控制和控制的结合。这些控制包括例如探测注水、蒸发室容量等的控制。在各种实施方式中，反馈可为定性的和/或定量的。反馈可包括例如产物冷凝器中的水量、流经产物出口的产物水流、水流时间、蒸发室内的水量、探测泄露、蒸发室压力、输出水质(例如测量总溶解固体)、系统内蒸发室或其他位置的压差、经过蒸发室溢出的水流等。

一旦通过电力、天然气或油的燃烧器或废热提供热能并且系统被开启，系统就被配置成基本上在系统的寿命周期中全自动控制。系统包括各种反馈机制以避免溢流以及用以调节水流、水压、输出以及连续清洁，从而不需要正常情况下的使用者介入。预热器7内的液位探测器、侧浮控开关、定时器、温度传感器以及功率表都属于控制器。

关闭控制器包括人工控制器、溢流控制器(可为系统底部的漂浮物或湿气探测器)、冷凝器容量控制器和蒸发室容量控制器。除具有二进制、开/关、引入水开关或其他参数的控制器外，系统进一步具有各种控制器，例如基于压力或流量的流动控制器、压力调节器等。在优选的实施方式中，压力调节器能调节引入水压力从而使压力例如位于0-250kPa之间。在其他实施方式中，压力可为10、20、30、40、50、75、100、125、150、175、200、225、275、300、350、400、450、或500kPa，或更高。压力调节(任选地结合其他参数的调节)能削弱系统内的水流量和速度。例如，压力调节结合系统的尺寸能提供2.5至132,000升/分钟或更大的水流速度。虽然本文中所记载的系统主要根据相对大规模的水生产来描述，但是系统能被升级至任何的水生产量。因此，对于水流量没有上限或下限。但是示范性的流速包括10至500毫升/分钟、5至1,000升/分钟、30至30,000升/分钟、400至200,000升/分钟等范围。

系统可进一步包括沉淀物捕集器，其能从引入水中清除沉淀物，从而避免这些沉淀物过早地淤塞系统。现有技术中已知有各种沉淀物捕集器，并且能被选择用于本发明的系统。同样，为了最小化使用者介入和清洁需要，沉淀物捕集器本身可具有自清洁的特性。例如，沉淀物捕集器具有交替沙滤器或旋转筛，其中从污浊筛至新筛的旋转能被设备内的水压差驱动，从而使得当筛子到达堆积的污染物的饱和位置时，其被转换到没有被污染物弄脏的筛子。在一些实施方式中，污浊筛或沙滤器能被放置到水的流动路径中从而使得水朝与流经筛子的初始流动方向相反的方向流经沙滤器或筛子，因此将污染物赶至废物路径或排出。因此，本文所记载的系统可使用传统的以及自清洁的污染物捕集器。

水净化和脱盐系统的预热功能优选地使用预热器7。但是，该功能可通过多种不同的方式来进行，只要结果是流入系统的盐水或海水到达脱气装置8时温度约90℃或更高。因此，预热功能以多种不同形式被实施，包括例如圆柱罐、矩形罐或任何类型的不同构造，这些构造具有高的表面积与内部体积比的设计。

在优选的实施方式中，例如图9、10和11所示的，预热器被多个热管10加热，热管10经过底部穿过预热器。这些热管将冷凝热从冷凝器传递给引入的海水或盐水。当海水或盐水经过孔71进入预热器7，随着水以螺旋形式(预热器底部的螺旋叶片赋予的)流动，引入水逐渐被热管10加热至接近沸腾温度。当引入海水或盐水在靠近预热器的上部中央处接近沸腾温度时，其通过管82离开预热器并且靠近脱气装置8的顶部进入脱气装置。预热器的尺寸和结构能实现充分的驻留时间从而将预热器中的水温提升至约90℃或更高。根据系统的规模和系统生产水的能力，预热功能可受益于可实现充分的热交换的材料和结构。选择性地，在一些实施方式中，结构的耐久力、空间因素、维护方便性、材料的可获得性或费用以及其他的因素可影响本发明这个方面的设计选择。

在一些实施方式中，所述系统能有利地在非标准环境下(例如高海拔)工作。在高海拔，水(包括盐水或海水)的沸点低于100℃，因此对蒸发室以正常速度施加热量将会产生更大量的蒸汽并将实现系统内的更大量的产出。在这些实施方式中，显然预热温度也会受影响。考虑到较低的蒸发室温度和较低的冷凝器温度，预热至期望的温度能通过让水在预热器内具有较长驻留时间来实现，例如通过具有相同的流速时将预热器的体积构造的更大或具有相同的体积时将预热器的流速构造的更低。但是，由于蒸发室内的提高的蒸汽生成水平，在大多数的实施方式中，并不赞成将预热管内的流速调低以实现有利的驻留时间和期望的预热温度。这是因为蒸汽产生的较高速度意味着对引入水的需求相应较高。

脱气通过图12和13所示的蒸汽脱附实现的。脱气装置性能的关键因素是传质比率：垂直脱气装置内向下的水质量比向上的蒸汽质量。实际上，脱气功能可使用各种能实现水与气体的传质逆流的结构来实现。在优选的实施方式中，气体是蒸汽；在其他的实施方式中，气体可为空气、氮气等等。水与蒸汽混合的速率和行为受脱气装置柱介质的大小、构造和填充以及介质颗粒之间的空隙体积的影响。在优选的实施方式中，介质颗粒填充以形成螺旋。脱气装置的性能受经过脱气装置的蒸汽和水的速率和体积影响；这可受例如蒸汽入口和出口孔的大小、水流速率等因素控制。涉及脱气装置的功能和设计的有用信息在Williams和Robert编写的The Geometrical Foundation of Natural Structure：A Source Book of Design，New York；Dover，1979中有提供，该文件通过引用被整体加入本文。

因此，对引入水流速的控制、避免脱气装置内大的蒸汽泡等有助于脱气装置的有效功能。当这些参数不在期望的范围内时，在脱气装置内会发生溢流或喷射。引入水的溢流在脱气装置内形成水柱，并且喷射会将水和蒸汽一起射到脱气装置外，任何一个这种现象都会干涉到脱气装置的性能。因此，合乎需要的是在能最小化溢流和喷射并且具有水流入和蒸汽流出之间的平衡的区域内操作。本发明实施方式的脱气装置特别重要，原因在于它并不是被设计成像许多传统的脱气装置那样能严格地清除一种污染物，而是能非常有效地清除多种污染物。在典型的引入水的污染物例如为1ppm的设置中，该步骤目的是降低至50、40、10、5、2或1ppb。

对水脱气一般通过加热引入水以增加挥发性化合物的蒸汽压力来实现。在每种化合物的沸点，溶解气体的溶解度降至零并且气体随后将离开水。例如，在饮用水中发现的多种挥发性物质都是含氯化合物，含氯化合物通常在显著低于水的沸点的温度下具有非常大的分压力。因此，许多这些物质能通过将水加热至约200-210°F(93-99℃)的温度以实现适当的脱气来从水中被清除。但是，这些物质不会立刻完全脱离水；因此，需要一定的时间来完全清除溶解的气体。

现有的脱气装置的设计的一个难点在于它们很少能控制脱气装置中被加热的水的驻留时间。因此，当引入水中存在过量的挥发性物质时，可能不会有充分的驻留时间来实现对所有的挥发性物质的脱气。另外，许多脱气装置在没有压力控制的情况下运行，当水蒸汽是选定的用于实现将挥发性物质大量转移出系统的介质时，这会导致过多的水蒸汽损失。

脱气装置设计的另一个问题是可扩展性。虽然大的工业脱气装置在大的压降以及大的液体和气体(对于传质和脱气是有效的)的体积的情况下运行，但小的脱气装置就不能很好地按比例缩小。所需要的是更加紧凑的能实现额外的驻留时间并且也能限制废蒸汽量的脱气装置。

在一些实施方式中，设置了具有同心层颗粒的脱气装置，其中颗粒的内层被构造成能导致颗粒之间相对较小的空间，而颗粒的外层被构造成能导致颗粒之间相对较大的空间。在各种实施方式中，颗粒在脱气装置中呈现出随机的和规整的填充。颗粒可由例如金属、玻璃以及塑料等材料制成。脱气装置在顶部可具有水入口。脱气装置可在顶部具有废蒸汽出口并且在底部具有热蒸汽入口和水出口。

在一些实施方式中，设置有脱气设备，这种脱气设备具有能容纳同心层颗粒的容器，其中颗粒的内层被构造成能导致颗粒之间较小的空间，颗粒的中间层被构造成能导致颗粒之间中等的空间，而颗粒的外层被构造成能导致颗粒之间较大的空间。介质空间使得系统内的水蒸汽开始从气相冷凝，而较小的空间足以使得该过程能持续从而使得水蒸汽转变成液态水。

在其他实施方式中，脱气装置容器在底部、容器的外边缘处具有蒸汽入口。蒸汽入口使得来自蒸发室的热蒸汽在外边缘处进入容器并且加热脱气装置的内侧的外边缘。容器具有位于容器的顶部的蒸汽出口，废蒸汽从该蒸汽出口脱离系统。容器具有位于容器顶部的水入口。容器具有位于容器底部的净化水出口。水出口例如位于容器的中心底部。容器装满颗粒。在一些实施方式中，具有三种尺寸的颗粒，而每个给定尺寸的颗粒位于同心区域；因此，在一些实施方式中，有三个同心区域，每个具有给定尺寸的颗粒。在优选的实施方式中，颗粒是玻璃珠。在更加优选的实施方式中，有三种尺寸的颗粒，最大尺寸的颗粒位于容器的最外面的区域，而最小尺寸的颗粒位于容器的最里面区域。

一些实施方式包括紧凑、更加有效率的脱气装置。该脱气装置优选地使用空隙变化的同心层从而使得在脱气装置内产生一个允许蒸汽通过的区域以及产生另一个促使水蒸汽冷凝的区域。脱气装置包括脱气装置内的颗粒，颗粒增加了脱气装置内的表面面积，因此能实现要被净化的水的更长的驻留时间。

在一些实施方式中，系统的多孔性通过不同尺寸的颗粒来实现。在这些实施方式中，外层中的颗粒具有相对较大的尺寸从而使得热蒸汽能更加容易地从蒸汽源(例如蒸发室)进入并且通过脱气装置。这种自来蒸发室的热蒸汽也能作为保持系统内温度接近沸点的绝缘体。在较大尺寸颗粒的外层的内部是中等尺寸的颗粒。中等尺寸颗粒层具有足够的渗透性和较长的驻留时间，从而允许更高比例的挥发性物质被脱气。气孔和颗粒的这种中等尺寸层更加适合将蒸汽冷凝成水，因为在颗粒之间有更小的间隙。内层包括较小尺寸的颗粒，从而使得气孔大部分装满脱气水，脱气水通过重力流入蒸发室。

脱气系统优选地靠近蒸发室设备。优选地，脱气单元位于蒸发室的顶部。这使得来自蒸发室的蒸汽直接从蒸发室上升进入脱气装置。这也使得来自脱气装置的被脱气的水直接排入蒸发室。本领域技术人员能够意识到，在蒸发室和脱气装置之间不需要任何明显的分隔物。在一个实施方式中，只有用于保持颗粒的屏蔽物将脱气装置和蒸发室分隔开。

颗粒可以是任何形状的，例如球形的、半球形的、无定形的、长方形的、椭圆形的、正方形的、圆形的、多面体的、不规则的(例如砂砾)等等。颗粒表面能如期望的一样变化，例如实体的、多孔的、半多孔的、镀膜的或被构造得提供长驻留时间等等。优选地，颗粒是球形的并且无孔的。本领域技术人员会意识到不同尺寸颗粒相互之间会具有不同尺寸的间隙(粒间空间)。例如，较大的玻璃球比较小的玻璃球会具有更大的间隙。粒间空间的大小基于颗粒的尺寸、颗粒的形状以及其他因素而变化。通常，较大的球形颗粒也会导致较大空隙。也就是，在球体之间会有相对较大的间隙。同样，较小的颗粒会有较小的粒间空间，从而导致更加适合蒸汽冷凝成液态水的环境。

颗粒能由任何合适的材料制成。示范性的材料包括但并不限于金属、玻璃、复合材料、陶瓷、塑料、石材、纤维素材料、含纤维材料等等。如果需要可使用材料的混合物。本领域技术人员能针对每种具体的目的确定合适的材料。优选地，所述材料由玻璃制成。所选择的材料优选地能抵抗长时间的高温使用，而不会有明显的开裂、破裂、其他的损坏，或者浸析有毒材料到水中。如果需要，不同尺寸的颗粒能由不同材料制成。例如，外部颗粒能由金属材料制成，中间层由耐温塑料制成，而中心层由玻璃制成。所挑选的材料优选地能抵抗由于加热程序所引起的破坏、生锈或破裂。

在一些实施方式中，不是改变颗粒的尺寸，而是改变颗粒的其他特性，例如颗粒的表面特性。另外，如果需要，能采用不同尺寸的颗粒的混合物来填充脱气装置，其中填充过程允许尺寸逐渐减小的颗粒填充脱气装置的中心区域。在一些实施方式中，使用整个层上都一致的颗粒来填充这些层。在其他实施方式中，这些层是不同种类的并且能容纳其他形状的珠子、颗粒、玻璃绒等等。颗粒的异质性不仅包括尺寸，也包括例如成分、表面特性、密度、比热、润湿性(疏水性与亲水性)、硬度、展延性等等。优选地，如上所讨论的，无论何种形式的异质性都被分布在脱气装置内的同心环上，即使在本发明的一些实施方式中也可考虑不是同心的其他排列。

可通过使用本发明的方法来进行水处理而能被清除或减少的挥发性污染物的例子包括但不限于甲基叔丁基醚、苯、四氯化碳、氯苯、邻二氯苯、对二氯苯、1，1-二氯乙烯、顺式-1，2-二氯乙烯、反式-1，2-二氯乙烯、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、1，2-二氯丙烷、乙苯、苯乙烯、四氯乙烯、1，2，4-三氯苯、1，1，1，-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷、三氯乙烯、甲苯、乙烯基氯、二甲苯、天然气体(例如氧、氮、二氧化碳、氯、溴、氟和氢)、其他挥发性有机化合物(VOC)(例如甲酸、乙肼、甲基丙烯酸甲酯、丁基乙胺、丁醇、丙醇、乙醛、乙腈、丁胺、乙胺、乙醇、甲醇、丙酮、烯丙胺、烯丙醇、乙酸甲酯、氢氧化铵和氨水)等等。

如图7A和7B所示，一旦引入的盐水或海水已经被脱气，它就在重力作用下流入下方的蒸发室3。根据系统的期望生产能力以及基于影响系统设计的因素而作出的其他设计选择，沸腾罐可以是任何尺寸和构造的。例如，蒸发室的容量可为约100加仑或2,000-10,000加仑、11,000-100,000加仑或更多。因为本发明的系统是完全可扩展的，蒸发室的尺寸是可变化的并且能如期望地被选择。同样，蒸发室的构造能如期望地变化。例如，蒸发室能是圆柱形的、球形的、矩形的或任何其他形状。在优选实施方式中，蒸发室3是圆柱形的、被多个穿过蒸发室底部的热管10贯穿、具有中心定位的卸料管21以及具有设置在蒸发室顶部的除雾器9，所述卸料管21将过量的热盐水向下带入下方的蒸发室。在此优选的结构中，携带来自脱气装置顶部的挥发性组分的废蒸汽11也垂直经过蒸发室。来自除雾器91的清洁蒸汽向上流入上方的冷凝器4。

因为净化系统的操作是持续的，盐水或海水通过煮沸被部分地浓缩，并且蒸发室3内的浓度由蒸馏阶段的数量决定。因此，如果使用两个阶段的蒸馏，蒸发室内的盐度被保持在被排出的废弃盐水的值的一半或约12％。如果使用三阶段的蒸馏，蒸发室3内的盐度会达到约23％的最终盐水浓度的约三分之一。

在优选的实施方式中，蒸发室仅通过重力经排水管21排水。在其他实施方式中，蒸发室的排泄通过泵吸作用驱动。对蒸发室3的持续排泄使得蒸发室内的沸腾流体维持恒定的水平，并且这种持续的排泄也避免了沉淀物、盐类和其他颗粒在蒸发室内的沉淀。

图18图示了防止蒸发室内积垢的自清洁机制。水垢趋于优先在较热的表面上形成，在蒸发室3内，较热的表面对应于每个热管10的上表面。在优选的实施方式中，热管被多孔转筒27和多个陶瓷球28包围。自清洁介质能选自多个合适选择对象的任一种。这些选择对象包括任何形状的玻璃或陶瓷珠子或球体、石材、合成结构等等。在每种情况下，自清洁介质的特性被选择使得通过沸水的搅动移动自清洁介质的单个颗粒，但是这种移动会被自清洁介质的物理特性克服，引起每个颗粒再次下降到每个热管的侧面和蒸发室的底部、击打并且撞出任何的沉淀物或水垢。例如，具有相对高的比重但是具有相对小的表面积与体积比的自清洁介质可以与大体上相当于第二自清洁介质的方式起作用，第二自清洁介质具有较低的比重但是具有相对较大的表面积与体积比。在每种情况下，本领技术人员可选择能实现期望结果的形态和成分的组合。在一些实施方式中，使用自清洁的替代性方法，例如应用超声波能量。

自清洁介质的设计选择中的另一考虑因素是自清洁介质的硬度。通常，硬度应当大致相当于组成蒸发室的材料的硬度。这就能在长时间内持续使用自清洁介质，而不会出现介质或蒸发室的壁和底部的磨蚀。在蒸发室的加热元件位于腔室的内部的一些实施方式中，例如具有热管10的情况，自清洁介质的硬度和其他特性能被选择从而避免磨蚀和/或其他方式损坏加热元件以及蒸发室本身。

由于蒸发室结构提供的自清洁功能和蒸发室的清洁介质，本发明实施方式的系统在正常使用寿命内不需要清洁。在一些实施方式中，在2、3、4、5或6个月内不需要清洁。在其他实施方式中，在9、12、18、24、30或36个月内不需要清洁。在其他实施方式中，在4、5、6、7、8、9、10年或更长时间内不需要清洁。

水在蒸发室内的驻留时间能在基于引入水的性质和系统的期望性能而在一定范围内变化。合适的范围通过各种因素确定，包括引入水中是否有生物污染物。有效清除生物污染物所需的在蒸发室经受高温的时间是变化的。一些生物污染物比其他的污染物更快地易受高温影响。在许多实施方式中，短至10分钟的驻留时间足以杀掉大多数的生物污染物。在其他实施方式中，为了更加彻底地消除一系列的生物污染物，更长的驻留时间可能是合乎需要的。蒸发室内的驻留时间范围的上限值通常由效率因素决定，该效率因素涉及产生产物水的速度与用于将选定量的水维持在沸点的能量相比较。因此，蒸发室内的驻留时间可与用于水到达沸点并且放出蒸汽的最小时间一样小，直至有利于清除生物污染物的时间点，例如可以是10、15、20、25、30、35、40、45分钟等。另外，在其他实施方式中可选择较长的驻留时间，例如50、60、70、80和90分钟或更长时间。

蒸发室内产生的蒸汽通常没有颗粒、沉淀物和其他污染物。但是，沸腾作用能导致某些污染物被带入汽相，例如在空气/水的分界面形成的薄雾的微滴的表面上。另外，蒸汽能在蒸发室顶部的下侧冷凝成液滴，如图14所示。这种液滴14能横向移动并且能随蒸汽流一起进入除雾器装置9。金属凹槽13防止这种液滴移动以及污染蒸汽流。另外，折流防护装置15也可给由蒸汽携带的薄雾状颗粒提供障碍。图15提供了设置在蒸发室下侧的折流防护装置的图片。

除上面的蒸汽清洁机制外，使用除雾器能将清洁蒸汽与薄雾负载的污染物分离。各种除雾器在现有技术中是已知的，包括那些使用防护屏、折流板等，从而能根据尺寸和移动性分离蒸汽和薄雾的除雾器。优选的除雾器是那些能使用气旋作用以基于密度差分离蒸汽和薄雾的除雾器。气旋基于沿径向运动高速地移动流体或气体的原理工作，从而给流体或气体的组分施加离心力。常规的气旋具有锥形截面，在某些情况下锥形截面有助于角加速度。控制漩涡分离的效率的关键参数是蒸汽入口的尺寸、两个分别用于清洁蒸汽和负载污染物的薄雾的出口的尺寸、以及进入位置和出口位置之间的压差。

如图3和16所示，除雾器通常被放置在蒸发室1或3内或上方，以允许蒸汽从蒸发室经进料口92进入除雾器。经所述进料口进入除雾器的蒸汽具有初始速度，初始速度主要与蒸发室和除雾器之间的压差和进料口的结构有关。通常，除雾器的压差约0.5至10英寸的水柱-约125至2500Pa。进料口通常被设计成不会对进入气旋的蒸汽产生重大的阻力。在较高的速度时，例如在气旋锥形区域93，相对不及薄雾浓厚的清洁蒸汽朝气旋中心移动，同时薄雾朝外围移动。位于气旋中心的清洁蒸汽出口91具有用于清洁蒸汽的出口点，同时位于气旋底部的薄雾出口94允许薄雾从除雾器流出。清洁蒸汽从除雾器到达冷凝器，同时薄雾再次直接进入蒸发室。在典型的操作中，清洁蒸汽与薄雾的比例至少为约2∶1，更一般地为3∶1、4∶1、5∶1或6∶1；优选为7∶1、8∶1、9∶1或10∶1，更加优选地大于10∶1。除雾器的选择能基于多个因素来调整，包括例如清洁蒸汽出口的位置和大小、除雾器的压差、除雾器的结构和尺寸等等。其他关于除雾器设计的信息在2005年7月6日申请的、美国临时专利申请号为60/697107、名称为改良的气旋除雾器中有提供，该申请通过引用整体地加入本文。本文所披露的除雾器在清除亚微颗粒污染物方面极其有效。相比较而言，其他设计的除雾器(例如防护屏型的和折流板型的除雾器)在清除亚微颗粒污染物方面效率较低。

清洁蒸汽在通常直接位于每个蒸发室上方的冷凝器内被冷凝。过多的热量被散热器、风扇、热交换器或热管耗尽。在优选的实施方式中，热量被热管从冷凝器移除，如图5、6和8所示。用于从冷凝蒸汽将热量转移至引入水的热管的讨论在2005年10月14日提交的、美国临时专利申请号为60/727,106、名称为节能蒸馏系统中和2008年9月9日提交的、美国专利申请号为12/090,248、美国专利申请公开号为2009/0218210、名称也是节能蒸馏系统中有提供，上述两个申请文件的内容通过引用整体地被加入本文。

清洁蒸汽从除雾器通过管91进入冷凝器2或4或6。当清洁蒸汽进入冷凝器，蒸汽以螺旋形式旋转，这能增加驻留时间并且使得冷凝最有效率。冷凝器内的蒸汽的螺旋运动由螺旋叶片实现。冷凝热被多个设置在冷凝器上表面的热管10移除。当热量被热管移除并且向上转移至上方的蒸发室或预热器时，蒸汽冷凝成产物水，产物水经清洁水出口24流出。废蒸汽管11和将热盐水从上方的蒸发室运送到下方的蒸发室的盐水溢流管21穿过冷凝器。

图2和3图示了底部蒸发室和加热系统的优选结构。可能在多级蒸馏中使用的中间沸腾器和冷凝器完全类似于上述沸腾器和冷凝器，这里不再重复。底部蒸发室1代表通过蒸发实现最后一级的盐水浓缩，并且来自该阶段的废弃的盐水浓度约为23％或低于23％的盐分，从而能防止在系统的任何位置结晶。热的盐水经过管21进入底部蒸发室1，这会导致几英寸水的超液压，或者足够保持比最高的蒸发室高5-25℃的沸腾温度，因此确保在多个蒸馏阶段之间充分的热传递。放置在蒸发室内侧并且连接至废蒸汽的排泄流11的另一管使蒸发室内的沸腾盐水维持恒定水平，并且持续地移除废盐水和任何的悬浮颗粒。蒸发室内产生的蒸汽进入除雾器9，在除雾器9内蒸汽被清洁。

用于蒸馏的能量由设置在蒸发室1底部的加热罐21提供。图4显示了多个不同的用于提供热量的结构。图4(a)显示了本发明主题是能量不可知论(agnostic)的事实。用于脱盐的系统能使用任何形式的能量作为能源211，包括电力，天然气、燃油或碳氢化合物，甚至是废弃的热源，只要它们能提供高于120-130℃的温度的热量。图4(b)显示了最简单的结构，其由油或气体燃烧器212组成。图4(c)描绘了电加热器，其具有电源216和电阻加热器213。图4(d)显示了使用电阻加热器213的电阻加热，电阻加热器被绝缘衬214包围并且连接至热管215的功率源216，热管215随后将热量传递至蒸发室。图4(e)显示了通过使用热管215来利用废热217。

图17显示了传统热管运行的原理。热管由密封管17组成，密封管17部分真空，部分装有少量的工作流体18，工作流体通常是水，并且也可装有具有毛细作用的芯线19。热源25提供焓形式的能量给热管的一端，并且该能量引起工作流体18蒸发。工作流体的蒸汽立即充满管内，因为管是处于部分真空。一旦工作流体的蒸汽到达热管的温度稍低的相反端，蒸汽就冷凝并且提供同样的冷凝热形式的焓。当工作流体冷凝成液体，就被具有毛细作用的芯线吸收，芯线将液体运送回起始点。因为蒸发热定义上是等于冷凝热，热管非常有效地传递热量，而不存在温度上可感知损失，除了经过壁的热量损失。

图19显示了用于将热管附接至蒸发室3和冷凝器2以防止泄露的优选结构。圆衬36被焊接或以其他方式附接至热管10。较小直径的衬套被焊接或附接至蒸发室底部26或者冷凝器顶部37。螺栓34在压力下附接这些衬套从而压缩O形环33。

蒸发室和预热器的构造材料可以是任何能抵抗盐水环境腐蚀的材料。在优选的实施方式中，蒸发室和预热器用钛合金制成，例如已知的能抵抗热海水腐蚀的Ti-6Al-4V。选择性地，当传统的碳钢镀有特殊的含氯氟烃聚合物(例如

)或多种能抵抗沸腾温度和盐碱环境的聚合物时，也可使用传统的碳钢。这些构造材料只是示范性的并不是作为本发明范围的限制。本领域技术人员可以考虑选择性的材料和镀层，例如其他的金属和合金，这些都包含在本发明构思内并且被本发明公开的范围限定。

在一些实施方式中，在本文中披露了实施方式的用于净化水的系统能与其他系统和设备结合以提供额外的有益特点。例如，所述系统能与下述文件中公开的任何设备或方法结合在一起使用：2005年5月2日提交的美国临时专利申请号为60/676870、名称为太阳能模组装置的文件；2005年7月6日提交的美国临时申请号为60/697104、名称为可视的水流量指示器的文件；2005年7月6日提交的美国临时申请号为60/697106、名称为用于恢复饮用水中的矿物质成分的设备的文件；2005年7月6日提交的美国临时申请号为60/697107、名称为改良的气旋除雾器的文件；2004年12月1日提交的PCT申请号为US2004/039993的文件；2004年12月1日提交的PCT申请号为US2004/039991的文件；2006年10月13日提交的PCT申请号为US06/40103的文件，2006年10月16日提交的PCT申请号为US06/40553的文件；2007年3月2日提交的PCT申请号为US2007/005270的文件，2008年3月21日提交的PCT申请号为US2008/003744的文件以及2003年12月2日提交的美国临时申请号为60/526,580的文件，上述申请的每个通过引用被整体地加入本文。

本领域技术人员会意识到，这些方法和装置适于实现上述目标并且获得上述目的和优点以及其他的优点和效果。本文中所记载的方法、步骤和装置目前只代表优选的实施方式并且是示范性的并不是对本发明范围的限制。本领域技术人员的改变和其他使用也包含在本发明的构思内并且被本发明公开的范围限定。

控制设备

通过参考图20有助于此处的论述。当主功率开关被打开时，控制电路确定开始程序，并且随后持续操作。初始，开启进水泵，进水泵开始以恒定的流速向整个系统供给水。使用者输入包括“开始”、“中止/保持”以及维护模式，并且使用者状态能通过显示器、远程终端或因特网显示运行模式和传感器状态。顶部的蒸发室上的温度传感器探测低于水沸点的温度，并且激活电磁阀，电磁阀将所有冷凝器的输出转换至废水排泄。传感器输入包括一个或更多的蒸发室温度、脱气装置温度、除雾器温度、引入水的浊度(总溶解固体)、输出水浊度(总溶解固体)以及水溢流。同时，同样的温度传感器开启能量输入开关，能量输入开关开启能量并且输入至加热室。根据加热系统是否使用电力、气体、燃油或废热运行，输入开关分别开启能量给线圈、开启燃料供给并点燃燃烧器或打开废热供给。

当系统达到温度，上方蒸发室内的传感器达到沸点温度，在该温度点传感器开启电磁阀，电磁阀关闭所有冷凝器的排水并且允许产出水传输。

控制电路包括多个安全装置，当开启警告灯或音频信号时，所有的安全装置关闭系统。位于产品出口的传导传感器持续监控水质，并且当水质恶化超过预先确定点时关闭系统。具体地，运行状态包括水质预警、水质误差以及运行模式，例如开启、正常、维护和关闭；外部系统控制可通过水源流动或蒸发室加热实现。类似地，加热室的温度传感器防止系统过热。位于废水排泄流处的电导探测器探测废弃盐水的浓度以及当浓度超过23％的盐度时关闭系统从而防止系统内的结晶问题。脱盐作用的控制能通过输入流控制或通过蒸发室排泄来实现。

显然，对于本领域技术人员来说，对本文所公开的发明进行替代和修改不会超出本发明的范围和构思。

本领域技术人员认识到，本文所提出的本发明的观点和实施方式能被相互分开地或相互结合地实施。因此，分开的实施方式的结合也属于本文所公开的本发明的范围。

所有的专利和公开文件在相同的程度上通过引用被加入本文，就如果每个单独的文件被明确地和单独地指出通过引用被加入一样。

本文中适于图示地记载的发明能在缺少任何元件或本文中没有明确披露的限制时被实施。所使用的术语和表述被用作说明书的术语而不是说明书的限制，并且不存在使用这些术语和表述时显示排除所示和所描述的特征的等同物或部分。应当认识到，各种修改也可能术语本发明所公开的范围。因此，应当认为，虽然本发明被通过优选实施方式和选择性特征明确地公开，但是本文所公开的构思的修改和变化也能被本领域技术人员使用，并且这些修改和变化被认为属于通过公开所界定的发明范围。

Claims (64)

1.一种水净化和脱盐系统，包括：

入口、预热器、脱气装置、多个蒸发室、除雾器、热管以及产物冷凝器、废物出口、多个产物出口、加热室和控制系统，其中：

所述系统被构造成回收冷凝热以及重新使用冷凝热以用于另外的蒸发；

从选自电力、燃烧和废热的能源中获得蒸馏能量，并且所述燃烧是选自燃油、碳氢化合物和天然气的物质的燃烧；

所述控制系统被构造成允许连续进行净化和脱盐而不需要使用者介入或清洁；

所述系统被构造成能从被污染的水样本中清除选自微生物污染物、放射性污染物、金属、盐类、挥发性有机物和非挥发性有机物中的至少一种污染物；并且

所述系统被构造得使得当被污染的水的污染物水平比表1的MCL栏中所示水平高多达25倍时，在所述系统内被净化的水的所有污染物的水平低于表1的MCL栏中所示的水平。

2.如权利要求1所述的系统，其中所生产的净化水的体积占输入水的体积的约20％至约95％之间。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述系统经过至少约两个月的使用而不需要清洁。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述系统经过至少约一年或更长时间的使用而不需要清洁。

5.如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括入口开关，所述入口开关用以调节经过入口的水流。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述入口开关包括选自螺线管、阀和孔的机构。

7.如权利要求5所述的系统，其中所述入口开关被控制系统控制。

8.如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括关闭控制。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述关闭控制选自人工控制、溢流控制、冷凝器容量控制以及蒸发室容量控制。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述控制系统基于蒸发室内的温度传感器、冷凝器浮球和溢流探测器中的至少一个的反馈来控制入口。

11.如权利要求5所述的系统，其中所述控制系统基于来自净化系统的反馈来控制所述开关。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述反馈基于选自产物水容器内的水量、经过产物出口的产物水流量、水流时间、无水流时间、蒸发室内的水量、泄露的探测、蒸发室压力、输出水质(总溶解固体)、蒸发室的压差以及经过蒸发室溢流坝浮球的水运动中的至少一个特征。

13.如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括流量控制器。

14.如权利要求13所述的系统，其中所述流量控制器包括压力调节器。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述压力调节器将水压维持在约0kPa至250kPa之间(0至36psi)。

16.如权利要求1所述的系统，所述系统进一步包括沉淀物捕集器。

17.如权利要求1所述的系统，其中离开所述预热器的水温度为至少约96℃。

18.如权利要求1所述的系统，其中所述脱气装置处于实质上垂直的方向，具有上端和下端。

19.如权利要求18所述的系统，其中来自所述预热器的被加热的水靠近所述上端进入所述脱气装置。

20.如权利要求18所述的系统，其中被加热的水靠近所述下端离开所述脱气装置。

21.如权利要求18所述的系统，其中来自所述蒸发室的蒸汽靠近所述下端进入所述脱气装置。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述蒸汽靠近所述上端离开所述脱气装置。

23.如权利要求1所述的系统，其中所述脱气装置包括便于混合水和蒸汽的基体。

24.如权利要求23所述的系统，其中所述基体包括实质上球形的颗粒。

25.如权利要求23所述的系统，其中所述基体包括非球形的颗粒。

26.如权利要求23所述的系统，其中所述基体包括大小被选择以允许均匀填装在所述脱气装置内的颗粒。

27.如权利要去23所述的系统，其中所述基体包括大小不同的颗粒，其中所述颗粒按照大小梯度地被设置在所述脱气装置内。

28.如权利要求1所述的系统，其中离开所述脱气装置的水本质上无有机物和挥发性的气体。

29.如权利要求1所述的系统，其中蒸发室包括多个热管，所述热管传递从下方的冷凝器中转移出的热量。

30.如权利要求29所述的系统，其中所述蒸发室进一步包括排水设备，其中所述排水设备位于所述蒸发室的中间或接近所述蒸发室的中间。

31.如权利要求29所述的系统，所述蒸发室进一步包括自清洁介质，所述自清洁介质包括多个颗粒，所述多个颗粒被装入包围每个热管的同心多孔圆柱体内。

32.如权利要求1所述的系统，其中蒸发室包括用于至少在靠近所述蒸发室内的热管的区域干扰沉淀物积累的自清洁介质。

33.如权利要求32所述的系统，其中所述介质包括多个颗粒。

34.如权利要求33所述的系统，其中所述颗粒本质上为球形的。

35.如权利要求33所述的系统，其中所述颗粒具有通过所述蒸发室内的水的沸腾实现所述颗粒的本质上持续的搅动的特性。

36.如权利要求35所述的系统，其中所述特性选自比重、大小、形态、群体数量和成分。

37.如权利要求33所述的系统，所述颗粒具有选定的硬度，其中所述硬度使得所述颗粒冲刷所述蒸发室，而本质上不会侵蚀所述颗粒或蒸发室。

38.如权利要求33所述的系统，其中所述颗粒由陶瓷、金属、玻璃或石材组成。

39.如权利要求33所述的系统，所述颗粒的比重大于约1.0且小于约8.0。

40.如权利要求38所述的系统，所述颗粒的比重位于约2.0至约5.0之间。

41.如权利要求1所述的系统，所述加热室进一步包括电加热元件、气体或油燃烧器或传递来自废热源的热量的热管，并且其中所述加热室靠近所述蒸发室的底部。

42.如权利要求1所述的系统，其中靠近蒸发室的上表面设置有除雾器。

43.如权利要求1所述的系统，其中来自蒸发室的蒸汽在压力下进入除雾器。

44.如权利要求1所述的系统，除雾器被构造成能产生压差，其中所述压差不小于125至2500Pa。

45.如权利要求1所述的系统，其中设置除雾器以用来通过气旋作用分离清洁蒸汽和废蒸汽。

46.如权利要求1所述的系统，其中蒸发室通过折流防护装置和金属凹槽防止冷凝的液滴进入除雾器。

47.如权利要求45所述的系统，其中清洁蒸汽与废蒸汽的比例大于约10∶1。

48.如权利要求47所述的系统，其中蒸汽品质包括选自清洁蒸汽纯度、清洁蒸汽与废蒸汽的比例以及清洁蒸汽的总体积中的至少一种品质。

49.如权利要求47所述的系统，其中除雾器控制参数包括选自清洁蒸汽出口的凹入位置、除雾器的压差、对蒸汽入口的流动的阻力和对蒸汽出口的流动的阻力中的至少一种参数。

50.如权利要求1所述的系统，所述系统包括用于冷却冷凝器产物的热管。

51.如权利要求1所述的系统，其中产物水经产物出口离开产物冷凝器。

52.如权利要求1所述的系统，其中废水经废物出口离开所述系统。

53.如权利要求1所述的系统，其中所述控制系统将产物水转至废物排泄管道直到所述系统到达稳定运行温度。

54.一种用于对水净化和脱盐的方法，包括以下步骤：

提供引入水，所述引入水包括至少一种第一浓度的污染物；

将所述引入水通过预热器，所述预热器能将引入水的温度上升到超过90℃；

通过朝脱气装置内的气体流动的反方向逆向流动所述引入水来分离本质上所有的有机物、挥发物和气体；

在能形成蒸汽的条件下将所述引入水保持在蒸发室内10至90分钟或更长的平均驻留时间；

将蒸汽从蒸发室排放至气旋除雾器；

在除雾器内分离清洁蒸汽和包含污染物的废物从而使得清洁蒸汽的产量至少比来自除雾器的废物产量大约4倍；

将清洁蒸汽冷凝以产出被净化的水，所述被净化的水包括至少一种第二浓度的污染物，其中所述第二浓度小于所述第一浓度；以及

将来自冷凝器的热量回收并传递至上方的蒸发室或预热器，从而使得被回收的热量至少为冷凝热的50％。

55.如权利要求54所述的方法，其中所述至少一种污染物包括选自微生物、放射性核素、盐类和有机物中的污染物；并且其中所述第二浓度不高于表3所示的浓度，并且其中所述第一浓度至少为所述第二浓度的约10倍。

56.如权利要求54所述的方法，其中所述第一浓度至少比所述第二浓度大约25倍。

57.如权利要求54所述的方法，其中所述气体选自蒸汽、空气和氮气。

58.如权利要求54所述的方法，其中所述加工步骤被自动地重复至少约三个月而不需要清洁或维护。

59.如权利要求54所述的方法，其中所述加工步骤被自动地重复至少约一年而不需要清洁或维护。

60.如权利要求54所述的方法，所述方法使用权利要求1所述的系统来实施，其中叠加设置的蒸发室、冷凝器和预热器被包围在金属壳内，多孔板将蒸发室和冷凝器分隔开。

61.如权利要求60所述的方法，其中所述多孔板允许热管、脱气装置、除雾器、盐水溢流管和废蒸汽管通过。

62.如权利要求60所述的方法，其中蒸发室、预热器和热管的构建材料由不腐蚀的钛合金制成。

63.如权利要求62所述的方法，其中所述不腐蚀的钛合金包括Ti-6Al-4V合金。

64.如权利要求60所述的方法，其中所述蒸发室、预热器和热管包括镀有不腐蚀的含氯氟烃聚合物的普通钢或其他金属或合金。

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