CN102869419A

CN102869419A - 用于加热包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置

Info

Publication number: CN102869419A
Application number: CN2011800204821A
Authority: CN
Inventors: R·B·兹穆德; S·J·威辛顿; C·N·博特彻尔
Original assignee: Aquamill Five Star Pty Ltd
Current assignee: Aquamill Five Star Pty Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-02-23
Also published as: WO2011103622A1; AU2011220324B2; CN102869419B; EP2539031A1; DK2539031T3; MY168219A; SG183984A1; US20120210592A1; ES2786498T3; EP2539031A4; EP2539031B1; US8506763B2; AU2011220324A1

Abstract

一种用于处理包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置，所述装置包括连续流动处理腔室，所述连续流动处理腔室包括：(a)一个或多个干燥区域(101，102)；(b)一个或多个返回区域(103，104)，所述一个或多个返回区域使得加热流体连续地顺序循环经过干燥区域(101，102)和返回区域(103，104)；(c)加热流体入口，所述加热流体入口位于所述返回区域(103，104)中的至少一个内，以便引入加热流体；(d)循环风扇(105)，所述循环风扇使得加热流体循环；(e)液体入口，所述液体入口位于所述干燥区域(101，102)内，并包括待处理液体以雾状形式经其引入所述区域(101，102)的喷嘴(108)；(f)溶质收集器(109)，所述溶质收集器在所述液体入口下游定位在所述干燥区域(101，102)内；其中引入的液体通过所述加热流体加热并且所述溶质在所述溶质收集器(109)内从液体分离。

Description

用于加热包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置

技术领域

本发明涉及用于加热包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置。在本发明的一种形式中，该装置适用于液体净化和废物处理系统。

本发明的意图在于提供一种分离溶剂和溶质的热效率高且创新的措施。因此，在本发明的一种形式中，可以使用蒸发来净化污染的工业废水或海水等。在用于脱盐目的时，这种技术的应用还产生作为可使用的副产品的氯化钠浓缩物。

背景技术

在本说明书中引用或描述一文件、举动或知识时，这种引用或描述并不是承认该文件、举动或知识或其任何组合能够在优先权日被公众得到、为公众所知、作为公知常识的一部分或者公知为与尝试解决本说明书相关的任何问题有关。

虽然引用作为液体的水来描述本发明，将理解到术语“液体”不因此受到限制，并且其他液体可以用于本发明。

本发明还涉及PCT/2005/001796中公开的发明(其内容通过引用结合于此)。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种用于处理包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置，该装置包括连续流动处理腔室，连续流动处理腔室包括：

(a)一个或多个干燥区域；

(b)一个或多个返回区域，所述一个或多个返回区域使得加热流体连续地顺序循环经过干燥区域和返回区域；

(c)加热流体入口，所述加热流体入口位于所述返回区域中的至少一个内，以便引入加热流体；

(d)循环风扇，所述循环风扇使得加热流体循环；

(e)液体入口，所述液体入口位于所述干燥区域内，并包括待处理液体以雾状形式由其引入所述区域的喷嘴；

(f)溶质收集器，所述溶质收集器在所述液体入口下游定位在所述干燥区域内；

其中引入的液体通过所述加热流体加热并且所述溶质在所述溶质收集器内从液体分离。

本发明的装置通过使其保持在一个操作环境内来帮助管理从液体到气体和从气体到液体的相对大的相变能量。该装置从能量的角度作为封闭系统操作，但是从质量流的角度作为开放系统操作。因此，只需要少量的能量输入到控制部件来管理这种相当大的能量。

通常，在具有两个或多个干燥区域的情况下，干燥区域逐次定位并可以大致彼此平行定位。

优选地，该装置还包括定位在溶质收集器下游的至少一个热交换器，以便增加下游干燥区域内所使用的加热流体的温度。

公知的是水中具有影响其硬度的杂质。硬水会在传统水处理过程和设备中造成结垢。硬度指的是溶解离子的存在，主要是钙Ca²⁺和镁Mg²⁺离子，这些离子通过水与岩石和环境中的沉积物接触得到。这些离子的正电荷通过阴离子(负离子)的存在来平衡，其中重碳酸盐HCO₃ ^2-、碳酸盐CO₃ ^2-和硫酸盐SO₄ ^2-最为重要。硫酸盐和重碳酸盐的溶解性随着温度增加而减小，这意味着在传统的热过程中，硫酸盐和碳酸盐优选地形成在最热的表面上，主要是热交换器上。这造成热交换器污垢(结垢)和性能降低，并造成系统热性能的快速降低以及维护成本和停机时间增加。

在本发明的装置中，在用于这样的水时，硫酸盐和碳酸盐在它们与加热流体一起运动时大致截留在液滴内并被干燥。由于液滴聚集在溶质收集器(除雾器)内并和废物流一起排放。通过将热交换器定位在溶质收集器的下游，显著地降低或消除了硫酸盐和碳酸盐的任何不利作用，因为它们在这些热交换器上没有物质接触。这大幅降低了热交换器的污垢，并显著增加其长期热性能。另外，由于溶质收集器(除雾器)以比液滴低的温度操作，在任何情况下它们将只造成最小的污垢累积。

将理解到本发明的装置可以通过传统压力和热平衡控制系统来控制。结合有用于内部腔室压力和热平衡控制的控制回路的计算机软件将被结合。这种软件的设计和功能在计算机程序员的普通能力范围内。

在水应用中，并且在具有热交换器的情况下，随着液滴内的表面水蒸发，产生蒸汽。部分蒸汽流通常在溶质收集器(除雾器)下游移除。蒸汽通过压缩机压缩并供应到上游热交换器以加热加热流体。控制系统被设计成改变压缩机的速度来补偿腔室蒸汽压力的增加。能够用来返回到上游热交换器以保持热稳定性的能量的量同样通过压缩机流速和操作压力控制。另外，外部热交换器可被结合到系统中以帮助蒸汽质量平衡的控制，从而增加系统的稳定性。例如，干燥区域的壁可设置连续的可变阀以排放蒸汽质量，并且将干燥区域保持在设定极限内。外部热交换器连接到阀的出口，以便从排放的流动质量中回收能量。排放的净化溶质也可被回收。

本发明的装置还非常适用于处理超成溶液和这样类似的溶液。它们能够在比竞争性的薄膜过程高得多的溶质浓度操作。盐溶液和其他高浓度液体超出了反渗透和其他类似方法的技术或经济能力。这些方法需要高的泵送压力，这与薄膜成本一起限制了它们可以处理的溶液浓度。相比之下，本发明的装置可在低温到中等温度在大气压力以下或以上操作。

在本发明的另一方面，其中引入并干燥液体的干燥区域可以进一步通过结合干燥单元和以特别方式再循环加热流体来优化，干燥单元是子干燥区域。

根据此方面，提供一种用于处理包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置，该装置包括连续流动处理腔室，该连续流动处理腔室包括：

(a)一个或多个干燥区域，所述干燥区域中的至少一个包括至少两个干燥单元，每个干燥单元具有：

(i)液体入口，所述液体入口包括待处理的液体以雾状形式由其引入所述干燥单元的喷嘴；

(ii)溶质收集器，所述溶质收集器在所述液体入口的下游定位在所述干燥单元内；以及

(iii)用于加热流体的干燥单元入口。

(d)循环风扇，所述循环风扇使得加热流体循环；

在本发明的优选形式中，每个干燥单元还包括定位在溶质收集器下游的热交换器，以便增加加热流体的温度。

在本发明的另一优选形式中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到下游干燥单元的液体入口。这公知为前向复叠喷射干燥系统。

在本发明的另一优选形式中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到上游干燥单元的液体出口。这公知为后向复叠喷射干燥系统。

应该理解到溶质在干燥单元之间的流动可采取任何希望的构型。例如，可以是后向和前向复叠喷射干燥系统的结合。

附图说明

现在参考附图进一步说明本发明，附图中：

图1是连续流动处理腔室的截面图。

图2是图1所示的腔室的工艺流程图。

图3是本发明的干燥区域的视图。

图4是本发明的前向复叠喷射干燥区域的视图。

图5是本发明的后向剂量喷射干燥区域的视图。

具体实施方式

在图1中表示主腔室的截面图。在此附图中，箭头表示填充腔室的气体所跟随的流路。在操作中，气体100包括接近大气压力的过热蒸汽和污染的水滴的混合物，水滴沿着左右手干燥区域101、102行进。但是，将理解到一些情况中，在远高于或低于大气压力的压力下操作所述过程会有很大优点。例如，如果我们在远低于大气压力下操作时，那么我们可以在例如50℃的温度下操作腔室，该温度低于Mg和Ca盐的饱和浓度转变温度。

这些区域在图1和2的描述中分别指的是区域A，101和B，102。干燥区域在前端和后端处分别通过风扇端箱体103(区域)和返回端箱体104(区域)结合。它们因此形成封闭回路，其中加热气体通过循环风扇105以类似于空气动力风洞的方式绕其驱动。

在所示的每个干燥区域101和102中，具有该装置操作所需的多个元件。在每个区域的气体进入端，在气体流动的方向上，首先具有一组整流格栅106，随后是热交换器(HX3)107，接着是喷射喷嘴组件108。在每个区域的气体离开端，具有除雾器(ME)109。整流格栅106的目的在于确保在热交换器107上均匀分布的气体流动，以及气体在干燥区域101和102内平稳流动。

除了主腔室(区域A和B)101、102之外，该系统包括用作开放式兰金循环(Rankine循环)热泵一部分的压缩机110和马达111。此部件只在图2中表示，并通常从返回端箱体104抽吸蒸汽、使其压缩并接着将其供应到热交换器HX3 107，在此处它凝结和形成机器的净化水产品流。这种方案的结果是通过凝结蒸汽给出的热能用来加热主腔室101、102内的气体。因此，凝结蒸汽中所含的大部分热能在该过程中再循环，因此大幅增加总体能量效率。

待净化的污染供应水112在供应到装置之前被预先过滤和化学处理。此供应水通过高压泵113泵送经过热交换器114到喷雾喷嘴108，并与循环气体100在干燥区域(A和B)101、102内混合。随着细雾向下经过干燥区域101、102，热能在气体100和液滴之间交换，因此造成液滴内的水蒸发并形成蒸汽。结果，液滴的质量减小，每个液滴内的盐浓度增加。在液滴沿着干燥区域已经行进一距离且液滴内的大部分水已被移除之后，剩余液滴通过除雾器107收集，并且在机器的底部作为浓缩物流115收集。

只作为示例，在该过程的操作中，液滴直径可以例如在15-40μm的范围内，并且气体速度在1-3.5m/s的范围内。对于3.5质量百分比的NaCl/H₂O溶液(通常是海水)，试验表明浓缩物的容积流速显著低于污染供应水流速的30％。另外，已经表明浓缩物流满足饮用水标准。

如图2所示，主腔室包括两个液滴干燥区域101、102以及风扇端和返回端箱体104、105。如所示，腔室气体100通过循环风扇105驱动围绕封闭回路，该循环风扇的驱动马达速度通过电子可变速驱动器(VSD)116控制。由于两个区域的干燥过程基本上相同，下面的描述着重于区域B 101。

在气体100经过区域B之后，当它离开风扇端箱体103并进入格栅106时，它基本上是干燥过热蒸汽，格栅106的目的在于对气流整流并确保流速在热交换器HX 3107的表面上均匀。通常，当它进入热交换器并以升高约10℃-20℃的温度离开时，蒸汽将处于或接近大气压力且略微过热。

紧接在热交换器107之后的是喷射喷嘴阵列108，其发出大约99℃的温度的细雾状污染供应水的射流，射流行进经过区域102与离开HX 3107的蒸汽混合。由于液滴接近周围蒸汽，从过热蒸汽到液滴具有显著的热传递。在液滴已到达除雾器ME 109时，其大部分水含量已蒸发成蒸汽，并且污染物浓缩在剩余的液滴内。经验表明在此过程中70％以上的水可以蒸发。这种蒸发过程的特征在于它发生在没有高温的热传递表面的容积内，从而显著降低特别是由于Mg²⁺和Ca²⁺离子合成物而在高温表面上形成结垢的问题。

由于在一起沿着干燥区域102行进时从蒸汽到水滴的热传递，蒸汽温度相应地降低，即从其出口温度到几度的过热。由于这种热传递过程不能瞬间发生，干燥区域102的长度需要仔细选择，以确保有足够的时间发生干燥过程。干燥区域的长度、气体速度、液滴尺寸、初始溶解盐浓度、热交换器出口温度、沿着该区域的温度梯度以及所需浓缩物产量之间的关系极为复杂；但是可以进行数学建模和计算机模拟。

如上所述，当液滴在以上操作条件下到达除雾器109时，它们含有小于30％的初始水质量。通过改变操作条件，特别是改变操作温度和干燥长度，浓缩物产量的大小可以被控制在宽范围内，使得在需要情况下可以减小到小于5％的初始水质量。

一旦载有干燥液滴的气体到达除雾器109，它用来将液滴从气体100分离。气体100作为干燥过热蒸汽经过除雾器109，同时液滴收集在除雾器上，并在重力下排放到浓缩物排放管道115内。通常，除雾器109可以几乎100％的效率将液滴从气体100分离，只要液滴直径不降低到大约5μm的临界尺寸以下。对于当前试验性设计，重要的是控制喷射液滴直径，从而不突破临界尺寸极限。在经过除雾器109之后，气体100围绕返回端箱体104流动，并进入区域A 101，此处重复对于区域B描述的过程。

其他改进

为了改善该装置的操作效率，如下所述采用了多个能量回收步骤。

主压缩机回路

如上所述，每个HX3 107用来将围绕主腔室流动的气体温度升高大约10℃-20℃。为了供应热能来实现这种情况，过热蒸汽被从返回端箱体104抽吸到压缩机抽吸管线117内，如图2所示，并供应到压缩机入口端口110。该蒸汽通常在压缩机110内绝热地压缩到1.7-2.0范围内的压力比。另外，压缩机冷却水被喷射到入口冷却端口内，以确保压缩机输出端处的蒸汽温度只略微高于用于所选压力比的蒸汽饱和温度T_sat。在一些情况下，另外的去过热水需要更靠近图2中118所示的热交换器入口喷射。饱和蒸汽接着被供应到两个HX3热交换器107，并且由于其温度超过每个HX3 107的气体入口温度，热能将从入口蒸汽传递到气体。由于这种热传递，蒸汽将凝结成水，并且HX 3107可因此称为冷凝式热交换器。

由于每个HX3 107内的蒸汽凝结，蒸汽的蒸发的潜热被有效地回收，并用来在它经过每个热交换器107时加热主腔室101、102内的气体。作为净化水的凝结物接着从每个HX 3107的底部收集，并经由凝结物管线119供应到热交换器HX2 114。

将注意到这种能量回收通过作机械功的压缩机来实现，因此该过程不违背第二热力学定律。

供应水回路

凝结物在对应于所选压缩机压力比的饱和温度下离开每个HX3107的底部，并供应到热交换器HX2 114，该热交换器用来在凝结物在以接近环境温度下排放时回收凝结物内的显热。这种显热用来在污染供应水112供应到喷射喷嘴108之前使其预热。

主腔室质量平衡回路

为了保持主腔室内的热平衡和质量平衡，使用附加的热交换器HX4 120。蒸汽从返回端箱体104抽吸离开并供应到HX4 120，此处蒸汽被凝结并接着供应到凝结物管线119。抽吸的蒸汽质量通过控制阀(未示出)控制，以便将主腔室压力优选地保持在大气压力附近±500Pa。热交换器120还具有改变主腔室的热平衡的第二效果，并且因此可以用于腔室内部温度的细微调节。

复叠多级

在复叠多级中，被处理的液体被多次喷射到干燥区域内，而不是使用单个长的干燥区域。图3所示的原始的干燥区域包括在喷嘴系统108的前部放置在干燥区域102入口处的一个热交换器107。在干燥区域102的末端处，放置溶质收集器(除雾器)109以收集溶质，但是使得溶剂气体经过。

复叠多级将每个干燥区域102沿着正在处理的液体的路径分成多个子区域，以便形成小干燥单元121。如图4和5所示，每个干燥单元121包括位于入口的一个热交换器107和喷嘴组件108和位于干燥单元121的下游出口端的溶质收集器(除雾器)109。

操作的总体模式如下：

●待处理的液体最初经由喷嘴108喷射到第一干燥单元121中，在此处每个液滴的一部分通过与加热流体的交互作用而被蒸发，并接着通过下游溶质收集器(除雾器)109收集。

●如此收集的溶质经由此干燥单元121的喷嘴198泵送而被循环到另一干燥单元121，在此处这些液滴进一步蒸发，并在该干燥单元121的末端收集在下游溶质收集器(除雾器)109内。

●关于其他干燥单元121，遵循相同的顺序。

仅通过示例的方式，复叠多级可具有下面描述的两种构型。但是，本领域普通技术人员容易明白的是多个分级可以具有无数可能配置。

首先是沿着干燥区域的长度的前向复叠，此处干燥单元沿着溶剂蒸汽路径顺序定位。其次是后向复叠，其中最初的喷射出现在干燥单元内，并且被收集的溶质被循环到上游干燥单元。

还将理解到使用两者的组合的方法也是可以的。

前向复叠喷射

在图4中描述这种构型。第一干燥单元121被放置在干燥区域的起始处，并且随后的干燥单元121被逐次沿着干燥区域放置，直到所示的最终干燥单元121。每个干燥单元121利用液滴蒸发不是整个干燥区域的干燥长度的线性函数的干燥区域现象。确信的是蒸发函数接近于对数响应，由此较大比例的质量在干燥区域的起始处(此处溶剂气体和溶液液滴之间的温度差最高)从每个液滴遗失。

前向复叠喷射相对于正常干燥区域的优点在于干燥单元配置简单，并且容易设计所收集的溶质的泵送。由于与简单延长的干燥区域相比，需要更多的热交换器、溶质收集器(除雾器)、喷嘴和泵，造成投资成本的代价。但是，在成本仅少量增加的同时，使用多个干燥单元实现了显著较高的处理容积产量。另外，可以通过此方法在液滴干燥过程中实现严格的控制。

后向复叠喷射

复叠多级的另一变型是使用后向复叠，其中干燥单元121相对于流体流动以相反顺序放置。如图5所示，不是将第一干燥单元121放置在干燥区域的起始处，相反将其放置在干燥区域的末端。每个随后的干燥单元121被放置在前者的前部，直到达到干燥区域的起始处。基本上，浓缩度较高的收集溶质后向地循环经过干燥区域过程。

与前向复叠喷射相比，这种构型具有在整个干燥区域内使用更大的温度差的优点，并且因此使得干燥区域进一步缩小。但是，因为泵送质量流需要严格管理并且需要高级控制系统来平衡系统内的质量和能量流，这种构型的成本增加。虽然图4和5示出了三个干燥单元，干燥区域内的干燥单元的数量不局限于此。

说明书和权利要求中所使用的术语“包括”以及术语“包括”的各种形式并不将要求保护的本发明限制为排除任何变型或附加。

本领域普通技术人员将理解到这里描述的本发明可以进行具体描述以外的变型和改型。理解到本发明包括所有这样的变型和改型。本发明还包括说明书中单独或总体引用或表示的所有的步骤、特征、组分和合成物，以及所述步骤或特征的任何两个或多个的所有组合。

Claims

1.一种用于处理包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置，所述装置包括连续流动处理腔室，所述连续流动处理腔室包括：

(a)一个或多个干燥区域；

(d)循环风扇，所述循环风扇使得加热流体循环；

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述干燥区域中的至少两个逐次定位。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述干燥区域中的至少两个大致彼此平行定位。

4.根据权利要求1-3任一项所述的装置，还包括定位在所述溶质收集器的下游的至少一个热交换器，以便增加所述加热流体的温度。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述干燥区域中的至少一个包括至少两个干燥单元，每个干燥单元具有：

(iii)用于加热流体的干燥单元入口。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，每个干燥单元还包括定位在所述溶质收集器的下游的热交换器，以便增加所述加热流体的温度。

7.根据权利要求5或6任一项所述的装置，其中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到下游干燥单元的液体入口。

8.根据权利要求5或6任一项所述的装置，其中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到上游干燥单元的液体出口。

9.一种用于处理包括溶剂和溶质的液体并分离溶剂和溶质的装置，所述装置包括连续流动处理腔室，所述连续流动处理腔室包括：

(iii)用于加热流体的干燥单元入口。

(c)加热流体入口，所述加热流体入口位于所述返回区域中的至少一个内，以便引入加热流体；和

(d)循环风扇，所述循环风扇使得加热流体循环；

10.根据权利要求9所述的装置，其中，每个干燥单元还包括定位在所述溶质收集器的下游的热交换器，以便增加所述加热流体的温度。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到下游干燥单元的液体入口。

12.根据权利要求9或10所述的装置，其中，一个干燥单元内收集的溶质被循环到上游干燥单元的液体出口。