CN104495964A - 一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置，属于水合物应用技术领域。水合物反应器内部合理布置多孔介质，水合物生成条件为气过饱和，分解条件主要是降压分解，智能排水部分根据流量和盐度自动调节阀门开度和流向。本发明实现二氧化碳的循环使用，满足大规模资源化利用二氧化碳的需要；采用两级换热器预冷，减少冷量损耗，提高能量利用率；水合物生成过程通过气体鼓泡法提高反应速率，恒压进气保证较高水合物产量；排放物为常温浓缩后海水，对环境无污染；淡水自动检测分离，各部分间歇式周期性工作，优化运行成本，实现大规模连续生产。系统结构合理，功能集中紧凑，满足工业生产要求，运行过程稳定可靠，成本低廉，节能环保。

Description

一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置

技术领域

本发明属于水合物应用技术领域，涉及一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置。

背景技术

近年来，由于淡水资源的缺乏，世界上许多国家都在进行海水淡化技术的应用研究，中国在海水淡化领域也取得了许多技术成果。目前，国内出现了几种应用水合物法进行海水淡化的方法，有基于压缩制冷循环的，也有基于二氧化碳捕集与海水淡化联合的，但它们的系统冗余且相对比较复杂，能耗上仍然具有降低的潜力。基于二氧化碳水合物法的基本原理是利用二氧化碳水合剂生成水合物，由于排盐效应，海水中的钠、镁、氯等离子无法进入水合物晶格，会一直留存在溶液中，因此单独将水合物进行分解，即可得到淡水。二氧化碳捕集技术应用的很多，而封存技术应用的却很少，使用二氧化碳作为水合剂，一旦实现大规模应用，这同样是一种资源化利用形式。目前，在已公开的专利文献和研究成果中，水合物法海水淡化技术中，产量和效率仍受水合物生成状况的限制，本发明采用更为简便有效方案实现淡水产率和能量利用效率的提高。

本发明拟提供一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置，其目的是采用更为便利有效的方案进行海水淡化，提高能量利用效率和淡水产量，同时二氧化碳循环利用，实现二氧化碳的资源化利用，有效降低大气中二氧化碳含量,可最终实现大规模海水淡化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置，其目的是采用更为便利有效的方案进行海水淡化，自动检测淡化效果并智能分离淡水，提高能量利用效率和淡水产量，同时二氧化碳循环利用，实现二氧化碳的资源化利用。

本发明核心是水合物反应器，其内部空间合理布置多孔介质，水合物生成条件为气过饱和状态，水合物分解条件是降压分解，水合剂CO₂循环使用。使用两级换热器预冷进入水合物反应器的海水，减少冷量耗散，提高能量利用率。

一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置，该装置包括反应器本体部分、海水进料预冷部分、反应器温度控制部分、二氧化碳循环控制部分和智能排水部分；

反应器本体部分与其他四个部分均直接相连，反应器本体上部的进水口与海水预冷部分连通，反应器本体外圈的夹层与反应器温度控制部分相连，通过其前后的进气联箱、排气联箱与二氧化碳循环控制部分连接，反应器本体底部的排水口与智能排水部分相通。

反应器本体部分提供水合物生成和分解环境，包括进水喷洒装置、多孔介质管束、细孔滤网和出水口。反应器本体的顶部是喷洒装置，海水由其上部进水口进入，通过喷洒装置海水可以快速均匀进入反应器中；底部设置一个排水口，自带过滤装置，防止水合物固体流出。反应器本体的中间的大部分空间，均匀布置前后排布、方形错列的多孔介质管束，用于填充促进水合物生成的多孔介质，管束使用微孔耐压耐腐蚀硬质材料，两端用带致密材料的堵头封闭，只允许气体通过，堵头可自由拆卸充填多孔介质；每层多孔介质管束下方都紧接着布置一层细孔滤网，将水合物逐层留住，防止水合物沉聚在底部，阻塞排水口影响分离效果。

海水进料预冷部分包括海水澄清池、抽水泵、第一级容积式换热器和第二级容积式换热器。海水澄清池与抽水泵经过闸阀相连，抽水泵直接连通第一级容积式换热器的器管，第一级容积式换热器与第二级容积式换热器相通，第二级容积式换热器水平位置高于反应器本体喷洒装置的进水口，并通过蝶形阀将第二级容积式换热器的出口与反应器本体喷洒装置的进水口连接。海水澄清池用于存储预处理过杂质的海水，带有过滤器的抽水泵可将海水从海水澄清池直接抽送到第二级容积式换热器的器池内。第一级容积式换热器器池内用暂存的低温浓海水做冷质，海水流经第一级容积式换热器器管被初步预冷，然后进入第二级容积式换热器器池中暂存，进一步被预冷后充入反应器中，第二级容积式换热器器管用温度控制循环液做冷质，可将海水冷却到较低温度。

反应器温度控制部分包括夹层和循环制冷器。反应器外圈的夹层包围反应器本体，循环液只能在夹层中流动以控制反应器本体温度；循环制冷器通过管路和夹层相连，循环制冷器流出的循环液从夹层下部的入口流进，由夹层上部的出口流出；制冷循环器出口管路设置三向阀，分别连通夹层出口、循环制冷器入口和第二级容积式换热器入口。三向阀用于控制循环液是否流经第二级容积式换热器预冷海水；循环制冷器有两种工作方式，对应的循环液的两种回路，方式一是循环制冷状态，循环液不流经第二级容积式换热器，方式二是循环不制冷状态，循环液流经第二级容积式换热器器管，完成热交换后回到循环管路中继续循环。

二氧化碳循环控制部分包括高压气源、低压集气罐和气体增压泵。高压气源通过减压阀与进气联箱连接；排气联箱通过单向阀与低压集气罐相连。当海水原料充满反应器后，通过减压阀将二氧化碳以恒定压力由多孔介质鼓泡式充进反应器中；水合物生成过程中保持减压阀开启，以保证足够反应驱动力，提高水合物产量；水合物生成后，通过单向阀排气，进行降压分解，二氧化碳排入到低压集气罐中。低压集气罐与高压气源通过气体增压泵和单向阀相连，维持集气罐低压，保证高压气源气量，实现二氧化碳循环利用；另外，高压气源设有补气口，以补充二氧化碳部分损失。

智能排水部分包括海水流量表、自动盐度计、废液罐和淡水罐。其中，海水流量表与反应器底部出水口相连，海水流量表通过单向阀与三向阀的进口和自动盐度计连接，三向阀的两个出口分别通向淡水出口和海水回收口；智能排水部分只允许流经液体，气体无法逃出。单向阀由海水流量表控制，开度与流量成正比，三向阀由自动盐度计控制，低温废液通入第一级容积式换热器器池内预冷新海水，盐度达到淡水标准时三向阀转向淡水出口，否则一直处在海水回收口。最终常温废液回收到废液罐；达标淡水直接通入淡水罐储存。

水合物反应器本体内接有多个温度传感器，进气联箱和排气联箱均连有压力传感器，高压气源和低压集气罐本身均带压力传感器，第一级容积式换热器和第二级容积式换热器自带有温度传感器。

各传感器和仪表分别通过数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连；管路中各阀门为手/自动阀门，均可与相应设备联锁，由工控机实现自动控制。

其中，水合物反应器本体为不锈钢加工，耐压值≥20MPa；气体联箱为不锈钢加工，耐压值≥20MPa；温控夹层为保温隔热材料；容积式换热器均为耐腐蚀不锈钢加工，耐压值≥20MPa；制冷循环器控温范围-10-50℃；高压气源为大型储罐，耐压值≥30Pa。

本发明的有益效果是：二氧化碳循环使用，满足大规模资源化利用二氧化碳的需要；采用两级换热器预冷，减少冷量损耗，提高能量利用率；水合物生成过程中采用气体鼓泡法，提高反应速率，恒压进气保证较高的水合物产量；排放物为常温浓缩后海水，对环境无污染；淡水自动检测分离，各部分间歇式周期性工作，优化运行成本，实现智能连续运行。系统结构合理，功能集中紧凑，满足工业生产要求，运行过程稳定可靠，成本低廉，节能环保。

附图说明

图1是一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置及工作流程图。

图2是一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置水路循环系统图。

图3是一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置气路循环系统图。

图中：1海水澄清池；2高压气源；3抽水泵；4-1第一级容积式换热器；

4-2第二级容积式换热器；5多孔介质管束；5-1进气联箱；5-2排气联箱；

6废液罐；7低压集气罐；8气体增压泵；9淡水罐；10反应器本体；

10-1喷洒装置；10-2细孔滤网；11循环制冷器；11-1反应器温控夹层；

12-1闸阀；12-2蝶阀；12-3减压阀；12-4单向阀；12-5三向阀；

13液体流量表；14自动盐度计；15温度传感器；16压力传感器。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图所示，按所述的装置结构连接，使用该装置进行二氧化碳水合物法海水淡化的方法，步骤如下：

(1)检查：将海水引入澄清池1处理杂质，所有阀门全关，海水原料和二氧化碳气量充足；

(2)上水：抽水泵3运转，出口闸阀12-1自动打开，海水流经第一级容积式换热器4-1的器管，进入到第二级容积式换热器4-2的器池中暂做停留，当第二级换热器4-2中海水存量达到反应器本体10的海水容量时，抽水泵3停转同时出口闸阀12-1自动关闭；

(3)预冷：上一批海水生成水合物后，残余的低温浓海水经过智能排水部分三向阀12-5的L侧进入到第一级换热器4-1的器池中，上水过程开始后，流经4-1的常温海水被初步预冷；上一批水合物分解时，温度控制部分的循环制冷器11进入循环不制冷工作状态，同时循环液通过三向阀12-5的L侧流进第二级换热器4-2的器管，进一步预冷4-2器池中的海水，并通过4-2器管出口闸阀12-1流回循环回路；

(4)进水：当上一批水合物分解的淡水全部排出后，与换热器4-2器池相连的进水蝶形阀12-2开启，海水通过喷洒装置10-1快速均匀喷入反应器本体10中，此过程中排气联箱5-2的排气气阀12-4保持开启，排空分解残余的二氧化碳，当10中充满海水后，关闭蝶形阀12-2和排气阀12-4，完成海水充装；

(5)充气：高压气源2中的气体经过减压阀12-3开始向进气联箱5-1恒压进气，二氧化碳有进气联箱5-1通过多孔介质管束5鼓泡式进入反应器本体10中，排气联箱5-2的排气阀24-1紧闭，当排气联箱5-2压力与进气联箱5-1接近并稳定时表示完成充气，关闭减压阀12-3；进气压力设定在二氧化碳水合物相平衡压力的2倍左右，但低于二氧化碳液化压力；

(6)反应：完成海水充装后，在充气过程中，即可开启循环制冷器11循环制冷功能，循环液通过三向阀12-5的R侧和循环制冷器11构成循环回路，设定温度在3℃左右，反应器本体10很快达到设定温度；通过反应器本体10的温度传感器15判断水合物是否生成；

(7)分离：待水合物生成后，缓慢打开智能排水部分的排水单向阀12-4，将残余废液放出，根据液体流量表13瞬时流量大小自动调节排水单向阀12-4阀门开度，盐度计14检测管路中为海水，排水三向阀12-5出口处在L侧；此前废液罐6前的闸阀12-1开启，将4-1器池中上一批的废液排到废液罐6中，本批残余的低温废液流入到4-1器池中，开始准备对下一批海水进行预冷，固液分离完成；

(8)分解：固液分离后，稍微开启排气联箱5-2的排气阀12-4，缓慢放气到低压集气罐7中，当压力降低到相平衡压力附近时，水合物开始慢慢分解，排水阀12-4跟随流量表13指令运作，随时排出反应器本体10内液体水；起初，由于海水附着等原因，流出的水盐度仍可能高于淡水标准值，所以排水三向阀12-5出口依旧在L侧，当盐度计14检测出流出液体达到淡水标准时，排水三向阀12-5出口转向R侧，开始收集淡水到淡水罐9中；逐渐增大排气阀12-4开度，增大分解驱动力，气体增压泵8开始工作，将气体重新加压送进高压气源2中，同时保持集气罐7低压；与此同时，关闭循环制冷器11制冷功能，开始预冷下一批海水，循环液流经第二级换热器4-2与海水换热，循环液温度升高，提高反应器本体10内水合物分解速度；

(9)循环：待水合物完全分解后，即完成了一批海水的淡化，重复(1)～(8)步骤，对下一批新海水进行淡化，如此循环。

本发明所涉及的一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置并不仅仅限于以上实施例中所述的结构和步骤。以上仅为发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换或者组合使用，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二氧化碳水合物法的分层式海水淡化装置，其特征在于，该海水淡化装置包括反应器本体部分、海水进料预冷部分、反应器温度控制部分、二氧化碳循环控制部分和智能排水部分；

反应器本体部分与其他四个部分均直接相连，反应器本体上部的进水口与海水预冷部分连通，反应器本体外圈的夹层与反应器温度控制部分相连，反应器本体前后的进气联箱、排气联箱与二氧化碳循环控制部分连接，反应器本体底部的排水口与智能排水部分相通；

反应器本体部分提供水合物生成和分解环境，包括进水喷洒装置、多孔介质管束、细孔滤网和出水口；反应器本体的顶部是喷洒装置，海水由其上部进水口进入，通过喷洒装置海水快速均匀进入反应器中；反应器本体的底部设置排水口，自带过滤装置，防止水合物固体流出；反应器本体的中间均匀布置多层前后排布、方形错列的多孔介质管束，用于填充促进水合物生成的多孔介质，两端用带致密材料的堵头封闭，只允许气体通过，堵头可自由拆卸充填多孔介质；每层多孔介质管束下方都紧接着布置一层细孔滤网，将水合物逐层留住，防止水合物沉聚在底部，阻塞排水口影响分离效果；

海水进料预冷部分包括海水澄清池、抽水泵、第一级容积式换热器和第二级容积式换热器；海水澄清池与抽水泵经过闸阀相连，抽水泵直接连通第一级容积式换热器的器管，第一级容积式换热器与第二级容积式换热器相通，第二级容积式换热器水平位置高于反应器本体的进水口，并通过蝶形阀将第二级容积式换热器的出口与反应器本体的进水口连接；海水澄清池用于存储预处理过杂质的海水，带有过滤器的抽水泵将海水从海水澄清池抽送到第二级容积式换热器的器池内；第一级容积式换热器器池暂存的低温浓海水做冷质，海水流经第一级容积式换热器器管被初步预冷，然后进入第二级容积式换热器器池中暂存，进一步被预冷后充入反应器中，第二级容积式换热器器管用温度控制循环液做冷质，将海水冷却到较低温度；

反应器温度控制部分包括夹层和循环制冷器；反应器外圈的夹层包围反应器本体，循环液只能在夹层中流动以控制反应器本体温度；循环制冷器通过管路和夹层相连，循环制冷器流出的循环液从夹层下部的入口流进，从夹层上部的出口流出；制冷循环器的出口管路设置三向阀，分别连通夹层出口、循环制冷器入口和第二级容积式换热器入口；

二氧化碳循环控制部分包括高压气源、低压集气罐和气体增压泵；高压气源通过减压阀与进气联箱连接；排气联箱通过单向阀与低压集气罐相连；当海水原料充满反应器后，通过减压阀将二氧化碳以恒定压力由多孔介质鼓泡式充进反应器中；水合物生成过程中保持减压阀开启，以保证足够反应驱动力，提高水合物产量；水合物生成后，通过单向阀排气，进行降压分解，二氧化碳排入到低压集气罐中；低压集气罐与高压气源通过气体增压泵和单向阀相连，维持集气罐低压，保证高压气源气量，实现二氧化碳循环利用；另外，高压气源设有补气口，以补充二氧化碳部分损失；

智能排水部分包括海水流量表、自动盐度计、废液罐和淡水罐；其中，海水流量表与反应器底部出水口相连，海水流量表通过单向阀与三向阀的进口和自动盐度计连接，三向阀的两个出口分别通向淡水出口和海水回收口；智能排水部分只允许流经液体，气体无法逃出；单向阀由海水流量表控制，开度与流量成正比，三向阀由自动盐度计控制，低温废液通入第一级容积式换热器器池内预冷新海水，盐度达到淡水标准时三向阀转向淡水出口，否则一直处在海水回收口；最终常温废液回收到废液罐；达标淡水直接通入淡水罐储存。

2.根据权利要求1所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的反应器本体内接有多个温度传感器，进气联箱和排气联箱均连有压力传感器，高压气源和低压集气罐本身均带压力传感器，第一级容积式换热器和第二级容积式换热器自带有温度传感器。

3.根据权利要求2所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的传感器和仪表分别通过数据线与A/D转换模块相连，A/D转换模块通过数据线与工控机相连。

4.根据权利要求1-3任一所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的管路中阀门为手/自动阀门，均与相应设备联锁，由工控机实现自动控制。

5.根据权利要求1-3任一所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的循环制冷器有两种工作方式，对应的循环液的两种回路：方式一是循环制冷状态，循环液不流经第二级容积式换热器；方式二是循环不制冷状态，循环液流经第二级容积式换热器器管，完成热交换后回到循环管路中继续循环。

6.根据权利要求4所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的循环制冷器有两种工作方式，对应的循环液的两种回路：方式一是循环制冷状态，循环液不流经第二级容积式换热器；方式二是循环不制冷状态，循环液流经第二级容积式换热器器管，完成热交换后回到循环管路中继续循环。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，反应器本体的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；气体联箱的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；温控夹层为保温隔热材料；容积式换热器材质为耐腐蚀不锈钢，耐压值≥20MPa；制冷循环器控温范围-10-50℃；高压气源为大型储罐，耐压值≥30Pa。

8.根据权利要求4所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，反应器本体的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；气体联箱的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；温控夹层为保温隔热材料；容积式换热器材质为耐腐蚀不锈钢，耐压值≥20MPa；制冷循环器控温范围-10-50℃；高压气源为大型储罐，耐压值≥30Pa。

9.根据权利要求5所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，反应器本体的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；气体联箱的材质为不锈钢，耐压值≥20MPa；温控夹层为保温隔热材料；容积式换热器材质为耐腐蚀不锈钢，耐压值≥20MPa；制冷循环器控温范围-10-50℃；高压气源为大型储罐，耐压值≥30Pa。

10.根据权利要求1、2、3、6、8或9所述的分层式海水淡化装置，其特征在于，所述的多孔介质管束为微孔耐压耐腐蚀硬质材料。