CN1038589A - 蒸馏设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种适合于用户或家用，可制备和操作以适合于分离溶剂和溶质及其它工业应用，通常用于液体，特别是水的蒸馏的设备和方法。该设备包括一具有分隔结构以形成一个或多个用于接受将被蒸馏的水的隔层的箱。在该箱中加热器下面有一鼓风器且处在该水隔层中位置处。该鼓风机运转产生气泡，该加热器使水沸腾产生水蒸汽，导致蒸汽压，水蒸汽向下运动通过流体通道至一水蒸汽被作为冷凝液收集的底室中。本文揭示了本发明的该箱的一些具体实例。

Description

本发明涉及化学工程领域和涉及溶质-溶剂的分离，更具体地说，涉及在水的蒸馏方面以适合于用户和工业应用的设备和方法。

用于从一种相对无挥发性的溶剂中分离一种溶质的技术是众所周知的，且已应用了许多年了。但是这种技术常常是操作复杂的，价格便宜的且消耗大量能量的。因此，限制了这些技术的大规模的应用。例如，从一个盐泉或微咸水，或从自来水中纯化水需要相当多的设备。用于从所述类型的源泉中纯化水的各种方法包括用于蒸馏的多级减压闪蒸;用静（水）压的反渗透;真空冷冻;以沸水为基础的蒸馏（大部分为间歇式）;以大量空气-水接触为基础的水分回收;以及以离子交换为基础的电渗析。

上述方法遇到的问题是值得注意的，如制造特殊的隔膜，及应用特种合金以保护机器免于腐蚀或剥落。用于机械或蒸馏的目的，许多这些技术还需要高能量消耗。同样，在纯化浓缩和用于相对地无挥发性的溶剂或溶质的溶液的分离技术中也是常常需要考虑的问题。

在应用时，特别希望得到用于饮用和其它目的的经纯化的水。首先，健康利益是众所周知的，其次，如果通过一般的管道设备运输，经集中的经纯化的水源将不能保持其优质;再次，当有工业上可得到的水纯化设备时，它们却不能适当地定价，且在运转时需要经常维修或调换主要元件，同时消耗大量能量。

由于伴随着上述一般设备的许多问题，在用水时，能从水源方便地且经济地将纯化水提供家用和公用是有利的。本发明特别涉及到蒸馏设备和方法的改进，以满足于这样一种水源的需要。

本发明的目的在于一种改进设计用于溶剂-溶质分离特别是水的蒸馏设备和方法。本发明特别适合于用户或家用，但可制备和操作以致于适合于其它定点应用，如办公室以及工业应用。

本发明的设备包括一个具有隔板结构的箱以形成一个或多个隔层用于接受将被蒸馏的水。该隔板结构还存在一个流体通道用于接受水蒸气，该水蒸气是当在该箱顶部的水用一个加热器加热并保持水在其沸点温度附近时发所形成的。

在该箱中加热器的下面提供有一个鼓风器，该鼓风器装在水隔层中的一个位置处。它在一个有轻微压力下运转以将空气导入水中，以致于在水中能产生气泡。当顶部水通过加热器已沸腾时，该气泡上升并破坏水表面（或在水表面破裂）。这导致在水平面上的空间中产生一个蒸汽压，这样，所产生的水蒸气向下通过流体通道至底部的室中，在其中收集了该水蒸气作为一冷凝液。当该水蒸气在流体通道中向下移动时，和流向箱隔层中的水建立一个热交换的关系;因此，当有效地降低该水蒸气的温度而导致它冷凝以致在底部的室中形成一蒸馏液或冷凝液，从该室中可移去该蒸馏水形式的冷凝液时，同时，预热了在隔层中的水。

本文揭示了本发明的该箱的一些具体实例。在一个具体实例中，该箱系由许多向上延伸的、垂直的耦合在一起以形成许多隔层的隔板和许多具有提供调节在该箱的底部的鼓风器及调节在该箱的顶部的加热器的凹槽的流体通道所构成。可提供一个控制器以保证水平而经常在该加热器之上。因此，该系统可在一连续式或间歇式基础上工作以在底室中提供蒸馏水或饮用水。

在该箱的第二个具体实例中，水隔层由相互间同心的圆柱构件所构成，且它们在一个位于底部的用于接受蒸馏液的室之上。在第三个具体实例中，一个单一的圆柱壁围绕着许多顶部开口的管子，在该管的外部区域为水隔层，而该管为用于水蒸气的流体通道。在该箱的各具体实例中，均提供鼓风器和加热器，这样该鼓风器将在水中产生气泡，当表面附近的水通过加热器沸腾时，它上升至水表面以便在轻微的压力下形成水蒸气，该压力使水蒸气流经通道（或多根通道），且最后在接近设备底部的室时得到冷凝。

本发明的主要目的在于提供一种改进的用于水的蒸馏的设备和方法，其中这种设备和方法是适合于家用和其它定点应用以提供人类消耗的饮用水的。

本发明的另一个目的在于提供一种上述类型的设备和方法，其中该设备是尺寸最小的且在一个较短时间内运转以蒸馏相对大体积的水并具有最小的能耗。

本发明的再一个目的在于提供一种上述类型的设备和方法，其中该设备包括带有溶质-溶剂分离能力的热交换器。该设备的设计可在减少能量需求下操作。

本发明的还有一个目的在于提供一种用于改进热交换而无包含在通过该热交换器的溶质或溶剂中的运动部件，其中该设备通过注入气泡来操作。该气泡上升通过在向上延伸的垂直隔板之间的溶液以避免对用于在该设备本身内的运动部件的需要。

本发明的其它目的在下列特定的进程中的说明将得到明显，具有用于描述本发明的附图可作参考。

尽管本文所述的具体实例涉及水的蒸馏，但人们将意识到本发明涉及从一种溶剂中分离任何溶质或从一种溶质中分离任何溶剂。可以是这样的，浓缩比蒸馏更有意义。在这方面，例如，本发明的该设备和方法可用于浓缩浆汁或糖浆或从水中分离乙醇，或浓缩某些用于循环或废物处理的经溶解的矿物质。在许多情况下，本发明的该设备的鼓风器可在一种合适的气体，如氮气或氩气中运转，它对于所考虑的溶质或溶剂是惰性的。

图1为本发明的第一个具体实例蒸馏设备的一个局部透视图，部分断开以详细描述结构;

图2为通过图1的设备的一个垂直的截面图，显示构成该设备的部件的隔板;

图3为图1和2的该设备的许多相邻隔板的一个透视图;

图4为用于图1和2的该设备的隔板的一间隔形成的一个透视图;

图5为本发明的该设备的第二个具体实例的部分断开截面的一个透视图;

图5A和5B分别为该设备的另一个具体实例的横截面图和透视图;

图6为一个类似于图5的图，但显示本发明的该设备的第三个具体实例;及

图6A和6B分别为该设备的还有一个具体实例的顶部平面图和透视图。

本发明的该蒸馏设备的第一个具体实例总的用数字10表示且包括一个装有一对相对侧壁14和16，一对端面18（只有一个在表2中显示）和一底板20的箱12。该箱还具有一与侧壁和端面相连且覆盖该箱的顶部的顶盖22。

该箱12的内部装有许多垂直的、基本上向上延伸的隔板23，用一种方法隔开它们，将该箱的内部分隔为一组水隔层26和一组流体通道24。通道24具有与一个底室30相连的开口底板28（图2），该室30适合于接受和盛装由从蒸馏过程所产生的冷凝液所形成的蒸馏水。确定每一个第二隔层26的两块隔板23在底部会聚并在位置32（图2）处相互连接，以保证该隔层26与底室30无流体流通。但在水隔层26中所有流体处于相互交换的状态。

如图1和2所示，一个鼓风器34延伸通过一个较低的在其底部的隔板23中的凹槽35。鼓风器34是一个中空的、似盒状的具有穿孔表面36（图1）的设备。提供一根管子40以连接该鼓风器34和一个气压源如一个鼓风器或空气压缩器（图中未示出）的出口。

各流体通道24均与隔层26分开且通过在顶部42，底部44和侧面46（图1）的合适的密封与鼓风器34周围区域分开。但是，隔层26是与鼓风器34相邻区域处于流体流通中。因此，当水在箱12中上升至一平面46（图2）时，该水将停留在隔层26和围绕鼓风器34的凹槽35中;因此，隔层26均处于相互流体流通中但与通道24无流体流通。由于各隔层24是在一对相邻的隔层26之间，因此，该在通道24中的流体是与相邻的隔层26中的水是建立了热交换的关系。

将一个水加热器50安装在箱12的顶端附近。加热器50可为任何合适的类型，如一种电加热器，一种太阳能加热器或一种气体加热器。为了说明的目的，加热器50如图1和2所示由一对管子52构成，这对管子是相互平行且在该箱中隔板中的一个凹槽37中延伸（图1）的。凹槽37与凹槽35相似，或可与凹槽35一样，在隔层26的流体流通中，但借助于一对侧面壁板54和一底板56，它们连接在一起且分别与平板23相邻，使与各流体通道24无流体流通。各侧面壁板54具有一穿过其中上部开口58，它位于在与相应的流体通道24流体流通中的凹槽37的上部。开口58也在水平面48之上。顶盖22覆盖该箱12且在流体通道24和隔层26的顶端之上以使水蒸气的通道能流至流体通道24。在顶盖22上还提供一个或多个排气孔25用于排出某些挥发性物质。

在操作中，用某种合适的方法，如通过一个在一侧壁14中的开口29（图1）将需蒸馏的水导入箱12中。将该水导入该箱高至一个在加热器50上面的平面46。当达到合适的水平面时，将鼓风器34供应能量而导致气体从该鼓风器中放出且如图2中所示在水中上升通过隔层26。同样，该加热器也将已接通而导致在上限水平面48附近的水沸腾，且导致在水平面48上面形成的蒸汽。

借助于来自由鼓风器34的气泡的连续上升在水平面48上部的空间内的蒸汽将处在一定压力下。这蒸汽压足以导致该蒸汽被压入开口58和通道24的顶端（图1）且然后进入并向下通过通道24，在那儿该蒸汽冷凝为冷凝液，通过底板开口28经重力作用下降至底室30中。在那里提供一根排放管60用于从底室30中排出该冷凝液。在一个液面探测器的控制下，通过用一根管子（图中未显示出），当需要时可将水加至箱12，该探测器控制一个将水导入开口29和导入箱12的阀门。在这方法中，该水的顶部平面48可在该箱中保持在一个特定高度，以致于该加热器将总是浸没在水中且将连续不断地在该水平面上产生蒸汽。在箱12中再导入一个开口39用于将为了净化目的的水从水隔层中排出。

图3显示用于箱12的隔板结构的第二个具体实例。如图3所示，隔板23a和23b沿着外面相邻的、垂直的边缘23c连接在一起。这与在图1和2中所示的该隔板的具体实例比较，后者中这些隔板完全平行且通过23d的外壁（图1）在它们的外端相连接。在图3中所示的隔板结构还包括用于安放鼓风器的底部的凹槽35和用于安放加热器的顶部凹槽37。

图4显示本发明的该隔板结构的还有一个具体实例，隔板23各具有从面23h上凸出的凸出部分23f和23g，以形成如箭头所示的盘旋形通道，用于使气泡在隔层26中向上流动且用于水蒸气通过通道24的向下流动。该隔板可由金属、塑料或玻璃制成。一块隔板的厚度典型地可为0.002英寸至0.050英寸。

在该隔板上的凸出部分23f和23g增加了气泡和水蒸气的流动的通道长度，以致于具有更多的热交换而保证将蒸汽的冷凝的潜热用于水的蒸发，且因此将所需的能量减至最少。凸出部分23f和23g可采取各种形状。凸出部分23f或23g的凸出部分的高度，也可定义该流体通道的宽度，如24，或该水隔层，如26，典型地可为1/16英寸至3/4英寸。

图5显示本发明的设备的另一个具体实例，该设备用数字70表示且包括一个具有一块底板74的圆柱形箱72，在底板74上为一个用可接受馏出液的底室76，该馏出液是以一种来自在该箱中经蒸馏出的水的水蒸气经冷凝而形成冷凝水的形式存在。所以，箱72包括第一对同心圆柱壁部件74和76，它们被相互隔开且与该箱的外壁分别地形成了一对圆柱形水隔层80和82。这些隔层适合于装水至某一平面且在内部隔层80围绕一个圆柱形流体通道84，该通道是以圆柱形薄壁部件74为界。内壁74围绕着一个通过100与水隔层80和82连通的中心开口空间88，以致于在水与空间88中的水的平面在平面92处，与在隔层80和82中的水的水面一样。在液面92之上的开口88的顶部则与流体通道84处于流体流通中。

用某些合适的方法，将一个环形加热器90安装在箱72中中心空间88中水的上部平面92附近。该加热器在水平面92之下且可适合地通电以致于使相邻于该加热器的水沸腾而在该水平面之上的空间88中形成水蒸气。

在该箱中加热器90下面，即在空间底端附近有一个环形鼓风器94。一个合适的提供流体压力的设备，如一个鼓风器，与鼓风器94的入口端96相连接，将空气压入且通过在鼓风器94表面的孔眼。因此，当开动鼓风器时，产生的气泡将在须蒸馏的水中上升至空间88。

人们意识到多级环形加热器和鼓风器可安装在水隔层，如在82和80中。且可用两层以上的水隔层。图5A和5B显示了多层隔层的装置，其中示出加热器90、91和92及流体通道86、84和83。如图4所示的垂直的隔板结构也易于应用于该圆柱形壁。

在运转时，如图5所示开动该鼓风器而产生气泡向上流动。使加热器90也通电而加热且沸腾在水平面92之下的水的上部。当气泡上升而且水沸腾时，在水平面92上和空间88中产生蒸汽压。由于蒸汽压，使水蒸气将流经流体通道84至收集该水蒸气的底室76。当该水蒸气向下流动经过通道84和86时，它在空间88的水和隔层80和82中的水进行了热交换，这样该水蒸气冷却且因此快速冷凝，同时将来自该水蒸气的热导入通过圆柱形薄壁74和76，因此预热该水，得到了节能的结果。

将水通过一根与一个水通道98相连的管子使连续不断地导入箱72（图5）。为了鉴测，可提供一个液面探测器（图中未示出），它可以在所有时间内，探测上部液面92而保证它不致降到加热器90的上表面之下。

本发明的设备的另一个具体实例如图6中所示且与图5的具体实例的结构相似，其中一个圆柱形箱112具有一个环形鼓风器114和一个环形加热器116，垂直地分开放置在该箱的内部区域118内位置处。图6B显示在箱112的顶部的加热器116的另一个设计。且图6A显示一个在箱112的底部的扁平的鼓风器114。气泡从鼓风器114中产生且围绕全部流体通道管122。一个合适的提供流体压力的设备可与一个入口130相连用于产生气泡。

通过一个孔120将水导入箱112中。通过使在加热器116上的水沸腾所产生的水蒸气流进且通过顶部开口管122，该管确定了流体的流向在使它们流至箱112的底部的底室124的底端连通的流体通道。管子122是互相盘卷或螺旋形的以延长用于进一步热交换的长度（图中未显示）。

在运转中，当使鼓风器114冲入空气中，气泡产生而在空间118中上升，且该气泡运动通过加热器116，同时该加热器使其邻近的水沸腾。在该水平面上的空间118中的气泡的流动导致一个将产生的蒸汽压，该蒸汽压将一流动的水蒸气导入管子122的顶端开口，且然后向下流过该管子，同时和围绕该管子的水在此有关流体流动建立了热交换。这导致该水蒸气冷凝以形成一种馏出液，该馏出液受重力作用下降至底室124，然后可定期地用一个通道或管子126将馏出液取出。

Claims (28)

1、液体蒸馏设备包括：

一个具有在箱中构成用于接收液体至一预定平面的设备的箱，所述的箱具有一个在该液体平面上面的上部空间；

在箱的底端附近处有一流体的接受室；

该设备确定了一个流体通道，该通道延伸至所述上部空间和底室之间并进行流体流通；

该箱中，在液体的上部液体平面之下即邻近液体平面处具有用于加热该液体并在所述的上部空间中形成液体蒸气的设备；以及

在该加热器之下的空间中当加热液体的同时用于鼓风的设备。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所构成的设备和所确定的设备中包括许多一般垂直的将所述的空间分隔成许多接受水的隔层和许多流体通道的隔板。

3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于其中包括一个在每对分别相邻的隔层之间有一流体通道。

4、根据权利要求2所述的设备，其特征在于其中包括在所述的隔板中构成的第一个凹槽，所述的加热器延伸通过所述的第一个凹槽，在所述的隔板中第一个凹槽下有第二个凹槽，所述的鼓风器放在所述的第二个凹槽中。

5、根据权利要求2所述的设备，其特征在于其中所述的隔板是垂直地延伸的，且具有一对相对的侧壁，每个隔板的一个侧壁上具有许有凸出部分，以形成一个盘旋形的流体通道，用于流体流动经过所述的隔板的侧壁。

6、根据权利要求5所述的设备，其特征在于其中所述的凸出部分在所述隔板的顶部边缘和底部边缘之间是水平地交错排列的。

7、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的箱装有一对彼此相对的侧壁和一对相对的端面，所述的隔板通常与所述的端面平行且通常与所述的侧壁垂直。

8、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的流体通道和有关的所述隔层是处于热交换中。

9、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的箱包括一个圆柱形外部侧壁，所述的箱具有许多圆柱形的、彼此间隔的内壁，它和外壁呈同心圆结构，壁间的空间存在着流体通道及隔层。

10、根据权利要求9所述的设备，其特征在于其中所述的加热器包括一个在所述的隔层中且通常与所述的内壁同心的类似环状的环形体。

11、根据权利要求9所述的设备，其特征在于其中所述的鼓风器系在所述的隔层中并处于底部附近，它是一个类环形体，所述的类环形体通常与所述的箱的内壁呈同心圆结构。

12、根据权利要求7所述的设备，其特征在于其中所述的流体通道有一使流体在其内部流通的顶部开口。

13、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的箱包括一个圆柱形外壁，有许多管子在所述的箱中延伸，所述的管子的顶端是开口的使所述的上部空间的流体流通，所述的管子的下端在与所述的底室的流体相流通，所述的管子确定为流体通道。

14、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的箱包括一个圆柱形的外壁，所述的加热器包括一弧形壳体，它的轴心通常与所述的箱的中心轴重合。

15、根据权利要求14所述的设备，其特征在于其中所述的鼓风器具有一个通常与所述的箱的外壁为同心的弧形壳体。

16、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的箱具有用于使水装至所述的空间而保持水在所述的水平面的通道设备。

17、根据权利要求1所述的设备，其特征在于其中所述的鼓风器与所述的箱外的一个气压源相连。

18、一种将液体蒸馏的方法包括：

在接近液体柱的底部的一个位置处对大量液体进行鼓风;

对该液体鼓风并在液体的上部液体平面附近处加热而因此使在液体平面上部空间中形成液体蒸气;

驱动该液体蒸气，使和液体柱建立热交换关系，以冷凝该液体而形成一种冷凝液;

收集该冷凝液。

19、根据权利要求18所述的一种方法，其特征在于其中包括形成一个水柱的步骤，所述的鼓风步骤包括在所述的水柱中其所述的底端附近产生气泡。

20、根据权利要求18所述的一种方法，其特征在于其中包括导入许多水柱的步骤，所述的鼓风步骤包括使气泡分别在各水柱中上升的步骤。

21、根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于其中所述的加热步骤包括分别在各水柱中，将所述的水柱的顶端附近的所述的水进行加热。

22、根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于其中所述的使用步骤包括存在着许多垂直和盘旋的流体通道，这些通道放置一个与水平面上部的空间进行流体流通的冷凝液室。

23、根据权利要求22所述的一种方法，其特征在于其中所述的流体通道与有关所述的水柱建立热交换的关系。

24、根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于其中所述的水柱和流体通道是圆柱形的。

25、根据权利要求24所述的一种方法，其特征在于其中所述的流体通道与所述的水柱是同心的。

26、根据权利要求20所述的一种方法，其特征在于其中所述的流体通道由所述的水柱围绕着。

27、根据权利要求24所述的一种方法，其特征在于其中所述的加热区是与所述的水柱同心的。

28、根据权利要求25所述的一种方法，其特征在于其中所述的鼓风区是与所述的水柱同心的。

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