CN105636908A

CN105636908A - 提高基于结晶促进介质的流体处理系统的性能的方法

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Publication number: CN105636908A
Application number: CN201480056320.7A
Authority: CN
Inventors: 周耀周
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-06-16
Also published as: CN105636908B; US20170107125A1; US10427960B2; WO2015192285A1

Abstract

提供一种使用结晶促进介质(CPM)作为流体处理介质的流体处理装置，所述装置包括一个或多个并联的柱床单元，其可并联有带单向阀的旁路流路；除第一柱床单元外，在每个柱床单元上游都安装有单向阀。还提供一种提高只有一个柱床单元的CPM流体处理装置的效率的方法，所述方法包括：将仅具有一个流体处理用柱床单元的CPM流体处理装置的柱床单元替换为：(i)并联的多个次级柱床单元，其可以并联有带单向阀的旁路流路；除第一次级柱床单元外，在每个次级柱床单元上游都安装有单向阀；或(ii)一个柱床单元和与之并联的带单向阀的旁路流路。还提供一种能够随压力的增加成比例开放的比例单向阀。

Description

提高基于结晶促进介质的流体处理系统的性能的方法技术领域

本发明涉及利用结晶促进介质作为流体处理介质的流体处理领域，更具体而言，涉及一种提高基于模板辅助型结晶 (TAC, Template Assisted Crystallization)的流体处理系统的性能的方法。背景技术

流体处理装置通常利用一种或几种流体处理介质来处理诸如水或水溶液等流体，并且通常包括容纳有流体处理介质的一个或更多个流体处理单元。流体穿过流体处理介质时，其中的杂质和 /或污染物通过与处理介质发生物理和 /或化学反应而被分离出。这种流体处理装置的典型示例是自来水净化以及软化装置。这样的水处理装置可以为家庭提供适于直接饮用的净化水及洗涤用水，目前已经是家庭生活的重要用品，并且对中国的家庭来说尤其如此。

长久以来，软化装置基本上是处理硬水的唯一手段，其他的一些替代性手段例如磁性设备、电磁设备、 RF设备和催化剂并未证明有效。近年来崛起的模板辅助型结晶 (TAC)技术是一种非常有效的流体处理介质，其利用特殊的聚合物颗粒作为流体处理介质使水中的硬水矿物质 (例如， CaC0₃)以无害、无活性的微小结晶颗粒形式沉淀并附着在聚合物颗粒表面上，并在长大到一定尺寸后脱离聚合物颗粒返回水中，以非反应性、非附着性的晶粒形式悬浮在水中，从而达有效地防止了水垢的形成。因此， TAC 类流体处理系统与传统的流体处理系统不同，其并不截留硬水矿物质，仅是使硬水矿物质变为晶粒形式。

利用 TAC技术的流体处理系统一个实例是使用 Next-ScaleStop作为流体处理介质的系统，根据防止水垢的国际操作规程， Next-ScaleStop流体处理介质的有效率达到 96%，比任何其他软水剂都更有效。 Next-ScaleStop的优势在于：（1)不需要使用任何化学品，因此较为环保；（2)为整个房屋提供防水垢保护；（3)介质寿命很长，不因反应而消耗；（4)会保留水中的有益矿物质；（5)没有软水的那种粘滑感觉。 Next-ScaleSto 流体处理介质为聚合物颗粒，其尺寸为 0.55〜0.85 mm (约 20x40目；)，堆密度约 0.67 kg/l。在 TAC软水技术中，所用的聚合物颗粒 (或聚合物珠）（例如 Next-ScaleStop)的表面上存在很多原子尺寸的成核部位，在这些部位，溶解的硬水物质转化为微小的 "晶种"。晶种一旦产生并生长到某个尺寸，流过容纳在柱床单元中的模板辅助型结晶 CTAC)流体处理介质的水流便会将其从聚合物颗粒表面带走。因此， TAC软水技术的作用机理总体如下：（1)具有很多成核部位的聚合物颗粒表面溶解的硬水物质转化为微小的 "晶种"；（2)晶种长大 10%需要数小时，因此，如果在整个夜晚水流停止，则从 TAC柱床释放出的晶种的尺寸仅比正常的晶种尺寸略大。所以，在水流动几分钟后，在各种流速下，从 TAC柱床颗粒表面释放出的晶种的尺寸再次变为正常 (变化范围仅为 10%以内)；（3)新产生的晶种粘附在原子尺寸的成核部位并长大，直到被冲到水流中，晶种的释放速率与水的流速成正比。因此，为了提高 TAC的性能，通常的解决方法是使水的流速最大化，即从低流速变为高流速。

对与 TAC软水装置的固定柱床而言，有以下几个特征：

1)流速低时，水分子的动能低，从原子尺寸的成核部位冲落的"晶种"会更少。因此，供新的晶种形成的游离成核部位会变少，使得产生新晶种的速率较低。

2)流速高时，水分子的动能高，更多的 "晶种"会从原子尺寸的成核部位上被冲落，因此，供新的晶种形成的游离成核部位会更多，使得产生新晶种的速率较高。

因此，对于 TAC水处理系统而言，在柱床深度和过滤截面面积固定的前提下，水的流速越低， "晶种 "释放到水流中的速率就越低；水的流速越高， "晶种"释放到水流中的速率就越高。而对于常规的过滤功能而言，在柱床深度和过滤截面面积固定的前提下，水的流速越低，过滤效率越高。 δΡ，在此方面， TAC与常规的过滤相反。总体而言，常规的过滤的工作机理是吸附越多效率越高，而 TAC系统的工作机理是吸附越少效率越高。现有的 Next-ScaleStop流体处理装置都仅使用一个柱床单元。在水的流量 (flow rate)较低时，通过柱床单元的水的流速 (flow speed)较低，导致结晶效果较差。

本发明人正是针对 TAC技术的这一特性而开发出提高 TAC水处理系统的性能的方法。

以上是本发明的背景技术，但其中的内容并不一定都是现有技术。发明内容为了提高 TAC流体处理系统的性能，本申请提供了一种流体处理方法和相应的流体处理装置。使用本申请提供的流体处理方法和流体处理装置，可以在进入的流体的流量较低时提高穿过流体处理介质柱床的流体速度，以实现更高的水处理效率，而且能够减少污物的积累，由此不仅更高效地防止了沉积物 (例如水垢)的形成，还降低了柱床堵塞的几率。

虽然本发明是基于现有的 TAC技术完成的，但对本领域技术人员而言，本发明的装置和方法不仅适用于现有的 TAC技术，还可以适用于与 TAC具有类似功能和机制的其他流体处理介质，发明人将此类介质总称为 "结晶促进介质 (Crystallization Promoting Media, CPM)"。在本文中， "结晶促进介质"是指这样的介质：该介质表面具有促使特定物质形成晶体的原子尺寸的成核部位，当溶解在流体中的特定物质随流体的流动流过该介质时，该物质能够在该介质表面的成核部位形成晶体并生长，在晶体生长到一定尺寸时即被流体冲落以释放出可再次使用的成核部位。其中，特定物质可以是硬水矿物质或其他任何可结晶物质。 TAC介质是 CPM介质的一个实例，其中，特定物质是硬水矿物质，介质本身是针对硬水矿物质的特殊聚合物颗粒。

在本申请中，用 "柱床"来描述流体处理介质的堆积体，但柱床并不限于柱形。在本文中， "柱床单元"指的是容纳有流体处理介质的单元，其具有柱床外壳，两端分别与流体导入管和流体导出管连通，在本领域中， "柱床单元"、 "流体处理单元"、 "流体过滤柱"、 "流体过滤器"可以互换使用。同样， "柱床单元"也不限于柱形。此外，在本文中， "柱床单元的截面面积"是指柱床外壳的内腔的截面面积，即，实质上指填充在所述柱床单元内的流体处理介质柱床的截面面积。

在本文中，流体的 "流量 (flow rate) "是指单位时间内通过流体处理装置的流体总量，单位是例如加仑 /分钟 (gpm); 流过处理介质的流体的 "流速 (flow speed)"是指单位时间内流过某个柱床单元的流体分子的宏观移动速率。对于截面积为 S的流路而言，流量 =流速 X S。在本文中，流速的单位为任意单位 (artificial unit), 用 X表示。

在本文中， " CPM 流体处理装置"是指采用结晶促进介质 (CPM)作为流体处理介质的流体处理装置。 "TAC 流体处理装置"是指采用模板辅助型结晶 (TAC)流体处理介质作为流体处理介质的流体处理装置。

在第一方面，本发明提供一种流体处理装置，所述装置包括流体导入管、并联的 N个柱床单元和流体导出管，每个柱床单元中容纳有结晶促进介质 (CPM)作为流体处理介质，用来处理流入其中的流体；所述 N个柱床单元都与所述流体导入管流体连通；其中， N为大于 1的整数，除了第一柱床单元外，在每个柱床单元的流体流入方向的上游都安装有一个单向阀，每个单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；其中，当单向阀的总数为两个以上时，至少两个单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。优选的是，多个单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均依次增加。

在第一方面的装置中，所述流体导入管可以分支成并联的 N个支管，所述 N个支管分别与所述 N个柱床单元流体连通。在此情况下，所述分支可以是总线拓扑形式的分支或树状拓扑形式的分支。在以总线拓扑形式分支的情况下，各单向阀可以安装在每个支管中段，也可以安装在支管与相应的柱床单元入口之间；并且优选的是， N个支管的内径彼此相等。在以树状拓扑形式分支的情况下，两个柱床单元可以共享一个单向阀。

在第一方面的装置中， N个柱床单元的截面面积和柱床深度可以都彼此相等。作为另一选择，至少一些柱床单元的截面面积和柱床深度可以彼此不同。

在第一方面的装置中，， N个柱床单元中的 CPM介质的总量小于或基本等于只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置的 CPM介质总量。可选的是，在所述 N个柱床单元中，每个柱床单元的截面面积均为只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积的 1/N，且每个柱床单元中的 CPM流体处理介质柱床的深度等于只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置中的介质柱床的深度。

在第一方面的装置中，第 n单向阀的开放压力阈值为 a+b*(n-l) psi、关闭压力阈值为 c+d*(n-l) psi, 其中， a是第一单向阀的开放压力阈值， b是开放压力阈值增幅， c是第一单向阀的关闭压力阈值， d是关闭压力阈值增幅，且 n为大于 0小于 N 的整数。例如，第 n单向阀的开放压力阈值可以为 2.0+0.2*(n-l) psi、关闭压力阈值为 0.5+0.2*(n-l) psi，其中， n为整数且 0<n<N。

在第一方面的装置中，所述单向阀可以是简单的开断式单向阀，也可以是根据压力成比例地开放的比例单向阀。在采用比例单向阀时，即使所用的 CPM流体处理介质的量为常规的单柱床单元流体处理系统的 50%或 25%，也能够取得相当或更好的流体处理效率。

在第一方面的装置中，安装在每个柱床单元上游的支管中的单向阀可以替换为并联的两个以上的次级单向阀，其中，并联的次级单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同，由此可以减少或防止流体流速的波动。

在第一方面的装置中，所述 N个柱床单元与所述 N-1个单向阀一起还可以与一个旁路流路并联，所述旁路流路中安装有旁路单向阀，所述旁路单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均高于其余单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值。

在第一方面的装置中，所述结晶促进介质 (CPM)可以是模板辅助型结晶 (TAC) 流体处理介质，优选是 Next-ScaleStop流体处理介质。

在第一方面的装置中，所述流体可以是水，包括例如自来水、工业废水、农业用水等非纯水。

在第二方面，本发明提供一种流体处理装置，所述装置包括流体导入管、 N个柱床单元、旁路流路和流体导出管， N为正整数，所述柱床单元中容纳有结晶促进介质 (CPM)作为流体处理介质，用来处理流入其中的流体；所述柱床单元与所述旁路流路并联，并与所述流体导入管流体连通；其中，在所述旁路流路中安装有一个旁路单向阀，所述旁路单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭。在每个柱床单元上游 (但不在旁路流路上游)可以安装有单向阀，这些单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均低于所述旁路单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值。

在第二方面的装置中，每个柱床单元中的 CPM 介质的总量小于或基本等于只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置的 CPM介质总量的 1/N， N为大于 1的整数。可选的是，所述柱床单元的截面面积为现有的 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积的 1/N，且所述柱床单元中的 CPM流体处理介质柱床的深度等于该现有的 CPM 流体处理装置的柱床单元中的介质柱床的深度。优选的是， N=4。当 N=4时，单向阀的开放压力阈值可以为 2.0 psi、关闭压力阈值可以为 0.5 psi。但 N并不限于此。

在第二方面的装置中，所述单向阀可以是简单的开断式单向阀，也可以是根据压力成比例地开放的比例单向阀。也可以将所述单向阀替换为并联的两个以上的次级单向阀，其中，并联的次级单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。

在第一或第二方面的装置中，在所有柱床单元的流体流入方向的上游安装有自动运行的总控制阀，所述总控制阀以预定的频率打开和关闭，每次关闭的持续时间足以使断流的 CPM流体处理介质完全沉积在柱床单元底部。此外，为了使水快速流通过其他流路流出，优选的是，在所述总控制阀与所有柱床单元之间接出排出旁路，所述排出旁路中安装有第二个自动运行的控制阀，所述第二控制阀被配置成在总控制阀关闭时才打开，在总控制阀打开时关闭。

在第二方面的装置中，所述结晶促进介质 (CPM)可以模板辅助型结晶 (TAC)流体处理介质，优选是 Next-ScaleStop流体处理介质。

在第一或第二方面的装置中，还包含晶体生长介质 (Crystal Growing Media,

CGM)。在本文中，晶体生长介质 (CGM)是提用来临时吸附特定物质的 "晶种" 的表面的介质，其具有一个或多个以下特征： 1) 具有吸引性电荷， 2) 具有粗糙表面，其上具有用来吸附 "晶种" 的多个微小的孔， 3) 具有化学吸引力， 4)具有物理吸引力。所述特定物质的 "晶种"可以是任何物质的晶体，例如硬水矿物质的晶体。在本发明第一或第二方面的装置中，晶体生长介质所吸附的晶种是 CPM介质所产生的晶种，所述晶体生长介质可以与 CPM流体处理介质混合并一起容纳在柱床单元中，也可以单独连接在 CPM流体处理介质柱床单元的下游。所述晶体生长介质的实例是粒状活性炭 (GAC)和 Next-Sand。

本发明的第三方面涉及一种提高 CPM 流体处理系统的效率的方法，所述方法包括：将仅具有一个流体处理用柱床单元的 CPM流体处理装置的柱床单元替换为 N 个次级柱床单元，所述 N个次级柱床单元的截面面积总和小于或基本等于所述 CPM 流体处理装置的柱床单元的截面面积，且每个次级柱床单元中的介质的柱床深度基本等于所述 CPM流体处理装置的介质的柱床深度， N为正整数；其中，当 N=l时，设置旁路流路与所述次级柱床单元并联，所述旁路流路中安装有旁路单向阀，所述旁路单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；所述次级柱床单元的截面面积小于所述 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积；当N>1时，除了第一次级柱床单元夕卜，在每个次级柱床单元的流体流入方向的上游都安装有一个单向阀，每个单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；其中，当单向阀的总数为两个以上时，至少两个单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。应理解的是，本发明第三方面的方法可以采用第一方面的各种构造和参数来配置。

本发明的第四方面涉及一种改进 CPM 流体处理系统的清洗模式的方法，所述方法包括:在 CPM流体处理装置的所有柱床单元上游安装一个自动运行的总控制阀，所述总控制阀以预定的频率打开和关闭，每次关闭的持续时间足以使断流的 CPM流体处理介质完全沉积在柱床单元底部。本发明第四方面的方法可以在流体持续流动过程中清洁 CPM流体处理介质。

在第四方面的方法中，还可以设置旁路流路与所述总控制阀和所有柱床单元并联，并在旁路流路中设置旁路单向阀；当总控制阀关闭时，旁路单向阀打开。在第四方面的方法中，为了使水流快速通过其他流路流出，可以在所述总控制阀与所有柱床单元之间接出排出旁路，所述排出旁路中安装有第二个自动运行的控制阀，所述第二控制阀被配置成在总控制阀关闭时才打开，在总控制阀打开时关闭。可以理解的是，本发明第四方面的方法可以采用第一方面的各种构造和参数来配置。此外，本发明还涉及用第四方面的方法改造过的 CPM流体处理装置。

本发明的第五方面还涉及一种比例单向阀，所述比例单向阀包括：底盖 (501)、壳体 (502)、顶盖 (503)、弹性部件 (504)和活塞 (505); 当所述比例单向阀打开时，流体从底盖 (501)流入比例单向阀并从顶盖 (503)流出；壳体 (502)两端分别与顶盖 (503)和底盖 (501)密封连接；壳体 (502)的内腔直径从底盖 (501)至顶盖 (503)逐渐增加，并在底盖 (501)—端与活塞 (505)的外径相等；底盖 (501)上开有流体入口；顶盖 (503)中央具有活塞杆通道，用于容纳活塞 (505)的活塞杆，在所述活塞杆通道周围，顶盖 (503)还开有一个或多个流体出口；活塞 (505)的活塞杆插入顶盖 (503)中央的活塞杆通道中，活塞 (505)能够在底盖 (501)和顶盖 (503)之间移动；在活塞 (505)的活塞头和顶盖 (503)之间安装有弹性部件 (504)，弹性部件 (504)为压缩状态，趋于将活塞 (505)推离顶盖 (503); 在所述比例单向阀关闭时，活塞 (505)的活塞头与底盖 (501)密封连接，当所述比例单向阀打开时，流体从活塞 (505)与壳体 (502)之间的缝隙流过，活塞 (505)与壳体 (502)之间的缝隙随流体压力的增加而增加。附图说明

本说明书的附图是为了阐明本发明的多个实施方式的实例，其仅出于说明性目的，而不以任何方式限制本发明的范围。在本说明书中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。在附图中：

图 1为现有技术中的一种 Next-ScaleStop水处理系统的柱床单元的纵切面示意图； A、 B和 C表示不同状态；

图 2为本发明的实施方式的四柱床单元流体处理系统的实例的示意图； A和 B 为两种不同的连接方式；图 3 为本发明的实施方式的双柱床单元流体处理系统的实例的示意图； A、 B 和 C为三种不同的连接方式；

图 4为本发明的实施方式的单柱床单元流体处理系统的实例的示意图；图 5为本发明的实施方式的单柱床单元流体处理系统的实例的示意图； A和 B 为两种不同的连接方式；

图 6和图 7为本发明的比例单向阀的构造图。具体实施方式

现将参照附图来描述本发明的多个实施方式的实例，但本发明的范围并不限于下文所述的多个实施方式。

图 1是现有技术中的 Next-ScaleStop水处理系统的唯一滤过柱床单元 1的纵切面示意图， 10为柱床单元外壳， 11指 TAC介质， 12指空床部分， 2为进水管， 3为出水管。图 1A是无水流情况下的柱床单元示意图，其中，所有 TAC介质 11堆积在柱床单元的底部，形成高度 (柱床深度)为 4英寸、横截面 (与纸面垂直的水平截面)面积为 16英寸 2的柱床；而其上方是高度为 2英寸的空床部分 12。图 1B是水流刚刚流入柱床单元内时的示意图，其中， TAC介质 11被水流冲起而填满整个柱床外壳 10 的内部空间，此时， TAC 介质的颗粒相互撞击，可以除去附着在颗粒表面的污垢，达到清洁 TAC介质的目的。图 3为水持续流动期间的示意图，其中， TAC介质 11 因水压而聚集在柱床单元上部，其下方是高度约为 2英寸的空床部分 12，此时被水流充满。

本发明人对图 1所示的 Next-ScaleStop水处理系统进行了研究，结果发现，水流速越高，硬水转化率就越高，水垢防止效果也就越好；同时，水的流速越高， TAC 水处理介质柱床的压降也越大，见下表 1，更详细的数据见下文表 3。在本文中，术语 "硬水转化率"是指经处理的水中转化为不溶性 "晶种"的硬水矿物质占处理前总硬水矿物质的百分比。硬水转化率越高，水处理效果就越好。

表 1.现有技术中的 Next-ScaleStop水处理系统的柱床单元的运行效果

上表 1中，流入水的硬度为 12格令 /加仑 (gpg)，流量的单位为加仑 /分钟 (gpm 本发明人还发现，对于家用自来水系统而言，正常的每日水使用情况为： 85% 的水以约 2.5 gpm的流量使用， 10%的水以约 5.0 gpm的流量使用，而只有 5%的水以其余流量使用。基于此使用情况，在使用 Next-ScaleStop的家庭中，大多数水的硬水转化率仅为 25%左右而不是 70% (；见表 1和表 3)。

为了提高 TAC系统的硬水转化率、尤其是在低流量情况下的硬水转化率，本发明人开发出了一种新的 TAC水处理系统，其中，将常规 TAC系统的单一柱床单元修改为由并联的多个柱床单元组成，所述多个柱床单元的总截面面积与修改前的单一柱床基本相同，且每个柱床单元的柱床深度与修改前的单一柱床基本相同，其特征在于，除第一柱床单元外，每个柱床单元的水进口处都安装有单向阀，所述单向阀在预定压力下开放或关闭；在进入水的流速较低时，所有单向阀均关闭，仅有第一柱床单元工作；而当进入水的流速较高时，单向阀能够逐渐依次开放，从而控制更多的柱床单元工作。

I. 并联四柱床单元 TAC水处理系统

在一个示例性实施方式中，如图 2A所示，本发明的 TAC水处理系统 100包括：流体导入管 2 (下文简称为导入管)、四个并联的柱床单元 1 '、 2'、 3'、 4'和流体导出管 3; 其中，导入管 2的内径与图 1中的进水管 2的相同；导入管 2以总线拓扑方式 (连接方式 A)分支成支管 21、 22、 23、 24分别与柱床单元 1 '、 2'、 3'、 4'流体连通；每个柱床单元的截面积为图 1所示的柱床单元的截面积的 1/4，即 4英寸 ²；每个柱床单元的柱床深度与图 1所示的柱床单元的柱床深度相同，即 4英寸；第二柱床单元 2'、第三柱床单元 3'和第四柱床单元 4'分别在其各自上游的支管 22、 23、 24中分别安装有单向阀 CV1、 CV2、 CV3，所述单向阀被配置成能够在特定压力阈值时开放从而允许水流通过，并在特定的压力阈值时关闭。在该实施方式的一个实例中，各单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值如下表 2所示，其中，压力值为正表示流体流动方向上的压力。

表 2

上述 TAC水处理系统 100的在持续水流下的工作原理如下表 3所示。具体而言，在导入管 2中的持续总水流量为 2.5 gpm以下时，系统压降为 2 psi以下，此时三个单向阀均关闭，只有第一柱床单元 Γ工作，由于 Γ的截面积变为图 1中的 1/4，因此通过 Γ的水流速变为图 1中的四倍，最高可达 4 X，硬水转化率可达到 70%。

在导入管 2中的总水流量从低流量超过 2.5 gpm但在 5.5 gpm以下时，系统压降瞬时超过 2 psi，单向阀 CV1打开，但 CV2和 CV3仍关闭，此时柱床单元 Γ和 2'工作，系统压降稳定在 1到 2.2 psi，工作柱床的总截面积变为图 1中的 2/4，各柱床单元中的流速变为 2 X〜4.4 X，因此硬水转化率可达到 40%〜75%。

在导入管 2中的总水流量从低流量超过 5.5 gpm但在 9.0 gpm以下时，系统压降瞬时超过 2.2 psi，单向阀 CV2也打开，但 CV3仍关闭，此时柱床单元 1 '、 2'和 3'工作，系统压降稳定在 1.1到 2.4 psi，各柱床单元中的流速变为 2.2 X〜4.8 X，因此硬水转化率可达到 43%〜79%。

在导入管 2中的总水流量从低流量超过 9.0 gpm但在 10.0 gpm以下时，系统压降瞬时超过 2.4 psi, 单向阀 CV3也打开，此时柱床单元 1 '、 2'、 3'和 4'都工作，系统压降稳定在 1.9到 2 psi, 各柱床单元中的流速变为 2.4 X〜4.0 X，因此硬水转化率可达到 46%〜70%。

当用户将水关闭时，水流量回到 0，单向阀均关闭；在下次使用水时，系统会重复或部分重复上述过程。

通过上述实例，本发明以同样的总水流量和柱床体积 (即 TAC流体处理介质材料量)实现了比图 1所示的常规 TAC系统显著更高的硬水转化率，从而提高了 TAC 水处理系统的效率。上述实例以及现有的 Next-ScaleStop水处理系统的工作过程和相应参数的总结在下表 3中。

上述实例采用的 Next-ScaleStop水处理系统的最大工作流量为 10.0 gpm, 因此发明人未测试超过 10.0 gpm的情形。但本领域技术人员可知晓，对于额定最大工作流速更高的 TAC水处理系统而言，本发明的水处理系统的工作过程遵循同样的规律，必要时可以调整柱床单元和支管的数量、截面积以及各单向阀的压力阈值。

此外，在上述实例中，根据实际情况，也可以不采用支管，导入管 2可以同时与并联的四个柱床单元直接连通，其中三个柱床单元在其入口处安装有单向阀，此时，导入管的截面积优选与四个柱床单元的总截面积相等或基本相等。表 3. 米用开断式单向阀的并联四柱床单元 TAC水处理系统的工作原理及其与现有的 Next-ScaleStop水处理系统的比较。

在另一个示例性实施方式中，如在图 2B所示的 TAC水处理系统 101中，导入管 2以树状拓扑方式分支，单向阀 CV1安装在第二柱床单元 2'和第三柱床单元 3'上游的共用支管 22中，单向阀 CV2安装在第三柱床单元 3'和第三柱床单元 4'上游的共用支管 23中，单向阀 CV3仅安装在第三柱床单元 3'的上游支管 24中。在此情况下，各单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值如表 2所示。

对于单纯的开断式单向阀，在其开放-关闭时会引起水流的突变，从而产生流速波动。为了控制这种波动，对这些单向阀设置流速限制 (见上表 2)， BP , 对于图 2A 所示的实施方式，通过每个单向阀的最大流量为 2.5 gpm; 对于图 2B所示的实施方式，通过单向阀 CV1、 CV2、 CV3的最大流量为分别为 7.5 gpm、 5.0 gpm、 2.5 gpm。

此外，为了进一步减小这种波动，可以在每个柱床单元上游用开放压力阈值不同的两个以上并联的单向阀代替原先的一个单向阀。在这种情况下，并联的单向阀越多，水流波动就越小。例如，在图 2C中，用并联的 CV11和 CV12替换了图 2A中的 CV1， CV11和 CV12的开放压力阈值分别为 2.0 psi和 2.1 psi, 流量限制均为 1.25 gpm; 用并联的 CV21和 CV22替换了图 2A中的 CV2， CV21和 CV22的开放压力阈值分别为 2.2 psi和 2.3 psi, 流量限制均为 1.25 gpm; 用并联的 CV31和 CV32替换了图 2A中的 CV3， CV31和 CV32的开放压力阈值分别为 2.4 psi和 2.5 psi, 流量限制均为 1.25 gpm; 因此，实现了更细化的压力阈值梯度，从而更精确地控制了流路随压力的变化，减少了单向阀的开断引起的波动。应理解的是，这些开放压力阈值不同的并联单向阀的数量越多，更换后的水流波动就越小。应理解的是，对图 2B中的一个或多个单向阀也可以做相同的替换处理。还应理解的是，上述压力阈值 2.0 psi、2.1 psi、 2.2 psi 2.3 psi 2.4 psi和 2.5 psi仅为示例，开放压力阈值可以按需调节为任何值。

应注意的是，本发明不限于四个并联柱床单元，需要时可以使用更少或更多的柱床单元；单向阀的连接方式可以是图 2A的连接方式、图 2B的连接方式、图 2C的连接方式或其任意组合。

在本发明的另一实施方式中，采用的单向阀是随压力变化而按比例开放的单向阀，简称为比例单向阀。使用比例单向阀会使水的流速在整个变化范围内都非常稳定和平滑，并且由于其逐渐开放，可以使整体流速保持在较高水平。

比例单向阀的一个实例的结构的截面图如图 6所示，其中，比例单向阀包括底盖 501、壳体 502、顶盖 503、弹性部件 504和活塞 505; 各部件均相对于活塞 505 在箭头所示方向上的中心轴对称，各部件的单独的图及尺寸如图 7所示。在图 6中，箭头所示方向为流体流入方向；壳体 502在水流下游与顶盖 503密封连接、在水流上游与底盖 501密封连接，壳体 502的内壁为分段圆台形，其内腔直径在壳体 502底部 (即与底盖 501连接处)为 10.5 mm，而后逐渐线性地变为中部的 10.63 mm，而后线性地变为底部的 11.7 mm (见图 7)。底盖 501中央有直径为 2 mm的开孔，底盖内壁周围垫有直径为 3 mm的密封圈。顶盖 503中央有直径为 4.1 mm的活塞杆通道，用于容纳活塞 505的活塞杆，在所述活塞杆通道周围的顶盖表面上，开有出水孔供水流通过。活塞 505的活塞杆插入顶盖 503中央的活塞杆通道中，并可以在底盖 501和顶盖 503之间活动。在活塞 505的活塞头和顶盖 503之间安装有弹性部件 504，弹性部件 504为压缩状态，其弹力趋于将活塞 505推离顶盖 503。活塞 505的外径为 10.5 mm, 与壳体 502的流体进入端的内径相等。

当比例单向阀关闭时，如图 6A所示，凭借弹性部件 504的压力，活塞 505与壳体 502底部及底盖 501的密封圈紧密贴合，水流不能通过。当水流压力超过预定的压力阈值时，活塞 505开始向顶盖 503方向移动，由于壳体 502的内壁在水流方向上逐渐变宽，水流开始通过壳体 502与活塞 505之间的缝隙流过 (；见图 6B)。随着水压的增大，活塞 505继续向顶盖 503方向移动，壳体 502与活塞 505之间的缝隙增大，水流也增大 (见图 6C)。当压力达到额定最大值时，比例单向阀完全开放 (见图 6D)。

当将图 2A 中的单向阀都换成比例单向阀时，其工作过程和相应参数的总结在下表 4中。其中，各比例单向阀的压力阈值和流量限制如表 2所示。从表 4中可见，使用比例单向阀的 TAC水处理系统的流速变化范围更小，从而使得硬水转化率不但显著高于现有技术的 Next-ScaleStop，而且还高于使用开断式单向阀的配置。

考虑到比例单向阀的这种性质，可以使用更少的柱床单元和更少的 TAC水处理介质来实现与现有技术相同或相近的效果。因此，在下文提及的本发明的其他实施方式中，提供了使用更少柱床单元和 TAC介质的水处理装置，这样可以极大地降低成本。

II. 并联双柱床单元 TAC水处理系统

本发明的双柱床单元 TAC水处理系统的一个实例如图 3A所示， TAC水处理系统 200包括：导入管 2，支管 21、 22、 23，并联的两个柱床单元 1 '、 2'，和导出管 3 ; 其中，每个柱床单元的截面积为图 1所示的柱床单元截面积的 1/4，柱床深度则与图 1中的基本相同；在第二柱床单元 2'上游的支管 22中安装有比例单向阀 CV1 ; 另一个比例单向阀 CV2安装在支管 23中，与柱床单元 1 '、 2'并联。支管 23作为旁路流路，其中的水流不经过 TAC介质而直接进入导出管 3。比例单向阀 CV1和 CV2的压力阈值和流量限制如上表 2所示。

上述 TAC水处理系统 200的工作过程和相应参数的总结在下表 5中。与之前实施方式不同的是，系统 200 中在水流速高时会有一部分水经过旁路流路 (即支管 23) 直接流过而不经过 TAC介质，在 CV2打开时，旁路流路中的水量所占的百分比随导入管的水流增加而增加 (见表 5)。此时，由于一部分水未被处理，实际的硬水转化率为：理论硬水转化率旁路百分比％)。由此可见，系统 200在流速高时 (；总水流量在 7.5 gpm以上时)硬水转化率反而不如图 1所示的现有技术的系统，但是，由于这种高流速在日常情况中仅占 5%以下，因此，在大部分情况下系统 200的硬水转化率仍明显高于现有技术的 TAC水处理系统。更何况，系统 200所采用的 TAC介质的量仅为图 1所示的现有技术的一半，即，通过采用比例单向阀，上述实例以一半柱床介质实现了总体较高的硬水转化率，实际效率大大提升。

与图 2中的实施方式类似，上述实施方式的双柱床系统也可以采用图 3B所示的单向阀连接方式 (即连接方式 B)。

表 4. 米用比例单向阀的并联四柱床单元 TAC水处理系统的工作原理及其与现有的 Next-ScaleStop水处理系统的比较。

表 5. 米用比例单向阀的并联双柱床单元 TAC水处理系统的工作原理及其与现有的 Next-ScaleStop水处理系统的比较。

此外，在图 3A所示的系统中，还可以进一步省略比例单向阀。例如，如图 3C所示，仅在旁路流路中采用一个比例单向阀 CV1。

III. 单柱床单元 TAC水处理系统

在本发明的另一个实施方式中，采用比例单向阀时， TAC水处理系统可以仅使用 1个柱床单元，进一步节省了成本。这种单柱床单元 TAC水处理系统的一个实例如图 4所示， TAC水处理系统 300包括：导入管 2，支管 21、 22，柱床单元 1'，和导出管 3; 其中，柱床单元的截面积为图 1所示的柱床单元截面积的 1/4，柱床深度则与图 1中的基本相同；支管 22作为旁路流路，其中安装有比例单向阀 CV1， CV1的压力阈值和流速限制如上表 2所示。

上述 TAC水处理系统 200的工作过程和相应参数的总结在下表 6中。表 6. 采用比例单向阀的单柱床单元 TAC水处理系统的工作原理及其与现有的 Next-ScaleStop水处理系统的比较。

从表 6中可以看出，虽然在较高的流量下 (总水流量在 6.0 gpm以上时)本发明的单柱床 TAC系统 300的硬水转化率不如图 1的系统 1，但是，在占 85%以上情况的低流量段，本发明的系统 300仍显著优于系统 1，而且本发明的系统 300 所用的 TAC介质仅为系统 1的 1/4。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的系统 200、 201、 202和 300中的各柱床单元的入口处，也可以用多个并联的比例单向阀代替原有的单一比例单向阀，从而使水流的变化更加平稳。

IV. 持续清洁型 TAC水处理系统

如前文所述，在无水流时，现有技术的 TAC流体处理系统中的 TAC介质会沉积在柱床底部，并通过再次开通水流时介质颗粒之间的碰撞来清洁介质。但是，在持续有水流通过时，介质得不到清洁。

针对这个问题，本发明提供了一种在持续有水流通过时仍能使 TAC介质得到清洁的装置，所述装置包括至少一个自动运行的控制阀，所述控制阀被配置为按指定的频率和 /或在预定的时刻开放 /关闭。所述装置的一个实例如图 5A所示，图 5A所示的装置相当于在图 4所示的系统的柱床单元 Γ上游安装了自动运行的控制阀 VI，当 VI关闭时，所有水流都经过旁路流路而不经过 TAC介质，因此 TAC介质缓慢沉积到柱床单元底部 (例如，对于现有的 TAC水处理系统而言，需要至多约 30秒钟使 TAC介质完全沉积在柱床单元底部)。当 VI打开时，水流会将 TAC介质推至柱床单元顶部，在此过程中 TAC介质得到清洁，之后系统按图 4所示运行。

在上述装置中，清洁效果取决于 VI的开放 /关闭频率，频率越高，清洁效果越好，但过高地开关频率会使过多的水从旁路流过，从而降低实际硬水转化率。例如，如果 VI的开关频率为 30次 /小时，则水完全通过旁路 22的持续时间总和为约 15分钟，占总水量的比例高达 25%，明显影响实际硬水转化率。因此，在图 5A所示的系统中， VI 的开关频率优选为 30次 /小时以下，更优选为 20次 / 小时以下。

为了在提高清洁效果的同时保持较高的硬水转化率，本发明还提供了另一种持续清洁型 TAC水处理系统，其包括两个自动运行的控制阀。例如，如图 5B 所示，在柱床单元 Γ和自动运行的控制阀 VI之间的管路中连接出排出旁路 211，排出旁路 211 中安装有自动运行的控制阀 V2， V2的出口连至排水槽 4。在 VI 关闭时， V2打开，柱床单元 Γ中的水逆流通过 V2而排走，此时， TAC介质完全沉积在柱床单元底部仅需约 3秒。在该装置中，如果 VI的开关频率为 30次 / 小时，则水完全通过旁路 22的持续时间总和仅为约 1.5分钟，占总水量的比例仅为 2.5%，对实际硬水转化率几乎无影响。即保证了较高的清洁效果，又保持了较高的硬水转化率，但会浪费一小部分水。

本领域技术人员能够理解的是，在本申请公开的各种系统中，也可以安装一个或多个上述控制阀，以达到清洁 TAC介质的目的。

V. 晶体生长介质 (CGM)

本申请还涉及一种提高 TAC水处理系统的晶种生长的方法，所述方法包括在 TAC水处理系统中加入晶体生长介质。所述晶体生长介质是提供用来临时吸附特定物质的 "晶种" 的表面的介质，其具有一个或多个以下特征： 1) 具有吸引性电荷， 2) 具有粗糙表面，其上具有用来吸附"晶种"的多个微小的孔， 3) 具有化学吸引力， 4)具有物理吸引力， 5) 具有任何其他可能的吸附方式。该表面越大，吸附效果越好。所述特定物质的 "晶种"可以是任何物质的晶体，例如硬水矿物质的晶体。晶体生长介质的实例是 GAC (粒状活性炭)和 Next-Sand, 其均具有较大的表面积和电荷。所述晶体生长介质可以与 TAC介质混合并一起填充在柱床单元中，也可以单独连接在 TAC介质柱床单元下游。

使用晶体生长介质，可以进一步提高硬水转化率。

提供对本发明的实施方式的前述描述是为了说明和描述的目的。并非试图穷尽本发明所披露的精确形式或将本发明限制于所披露的精确形式。显然，许多改进和变化对于本领域技术人员是显而易见的。选择并描述所述实施方式是为了能够最好地解释本发明的原理及其实际用途，由此使得本领域的其他技术人员能够理解适用于预计的特定用途的本发明的各种实施方式和各种改进方案。本发明的范围由下述权利要求及其等同物所限定。

Claims

权利要求书

1. 一种流体处理装置，所述装置包括：流体导入管，并联的 N个柱床单元，和流体导出管；每个柱床单元中容纳有结晶促进介质 (CPM)作为流体处理介质，用来处理流入其中的流体；所述 N个柱床单元都与所述流体导入管流体连通；其中， N为大于 1的整数，除了第一柱床单元外，在每个柱床单元的流体流入方向的上游都安装有一个单向阀，每个单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；其中，当单向阀的总数为两个以上时，至少两个单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。
2. 如权利要求 1所述的装置，其中，，所述 N个柱床单元中的 CPM流体处理介质的总量小于或基本等于只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置的 CPM 流体处理介质的总量。
3. 如权利要求 2所述的装置，其中，在所述 N个柱床单元中，每个柱床单元的截面面积均为只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积的 1/N，且每个柱床单元中的 CPM流体处理介质柱床的深度等于只有一个柱床单元的 CPM流体处理装置中的介质柱床的深度。
4. 如权利要求 3所述的装置，其中，第 n单向阀的开放压力阈值为 a+b*(n-l) psi、关闭压力阈值为 c+d*(n-l) psi, 其中， a是第一单向阀的开放压力阈值， b 是开放压力阈值增幅， c是第一单向阀的关闭压力阈值， d是关闭压力阈值增幅，且 n为大于 0小于 N的整数。
5. 如权利要求 1所述的装置，其中，所述 N个柱床单元与所述单向阀一起还与一个旁路流路并联，所述旁路流路中安装有旁路单向阀，所述旁路单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均高于其余单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值。
6. 一种流体处理装置，所述装置包括流体导入管、 N个柱床单元、旁路流路和流体导出管， N为正整数，所述柱床单元中容纳有结晶促进介质 (CPM)作为流体处理介质，用来处理流入其中的流体；除第一柱床单元外，在每个柱床单元的流体流入方向上游可选地安装有一个单向阀；所述 N个柱床单元与可选的所述单向阀一起与所述旁路流路并联，并与所述流体导入管流体连通；其中，在所述旁路流路中安装有一个旁路单向阀，所述旁路单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭，所述旁路单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均高于其余单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值。
7. 如权利要求 6所述的装置，其中，在所有柱床单元的流体流入方向的上游安装有一个自动运行的总控制阀，所述总控制阀不在所述旁路流路的上游；所述总控制阀以预定的频率打开和关闭，每次关闭的持续时间足以使所述结晶促进介质 (CPM)完全沉积在所述柱床单元底部；在所述总控制阀关闭时，所述旁路单向阀打开。
8. 如权利要求 7所述的装置，其中，在所述总控制阀与所有柱床单元之间连接有排出旁路，所述排出旁路与所述总控制阀和所有柱床单元流体连通，所述排出旁路中安装有自动运行的第二控制阀，所述第二控制阀被配置成在所述总控制阀关闭时打开，在所述总控制阀打开时关闭。
9. 如权利要求 1〜8中任一项所述的装置，其中，所述结晶促进介质 (CPM) 是模板辅助型结晶 (TAC)流体处理介质，优选是 Next-ScaleStop流体处理介质。
10. 如权利要求 1〜8中任一项所述的装置，其中，一个或多个单向阀或旁路单向阀是根据压力成比例地开放的比例单向阀。
11. 如权利要求 1〜8中任一项所述的装置，其中，一个或多个单向阀或旁路单向阀被各自替换为并联的两个以上的次级单向阀，并且，并联的次级单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。
12. 如权利要求 1〜11 中任一项所述的装置，所述装置还包含晶体生长介质 (CGM)，所述晶体生长介质 (CGM)是提供用来临时吸附所述 CPM产生的 "晶种" 的表面的介质，其具有一个或多个以下特征： 1) 具有吸引性电荷， 2) 具有粗糙表面，其上具有用来吸附 "晶种" 的多个微小的孔， 3) 具有化学吸引力， 4)具有物理吸引力；所述晶体生长介质与所述结晶促进介质混合并一起容纳在柱床单元中，或者单独连接在所述结晶促进介质柱床单元的下游。
13. 如权利要求 12 所述的装置，其中，所述晶体生长介质是粒状活性炭 (GAC)或 Next-Sand。
14. 一种提高结晶促进介质 (CPM)流体处理装置的效率的方法，所述方法包括：将仅具有一个流体处理用柱床单元的 CPM流体处理装置的柱床单元替换为 N个次级柱床单元，所述 N个次级柱床单元的截面面积总和小于或基本等于所述 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积，且每个次级柱床单元中的 CPM 流体处理介质的柱床深度基本等于所述 CPM流体处理装置的 CPM流体处理介质的柱床深度， N为正整数；其中，

N=l时，设置旁路流路与所述次级柱床单元并联，所述旁路流路中安装有旁路单向阀，所述旁路单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；所述次级柱床单元的截面面积小于所述 CPM流体处理装置的柱床单元的截面面积，

N>1时，除了第一次级柱床单元外，在每个次级柱床单元的流体流入方向的上游都安装有一个单向阀，每个单向阀被设计成在特定的流体压力下开放和关闭；其中，当单向阀的总数为两个以上时，至少两个单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。
15. 如权利要求 14所述的方法，其中， N>1时，第 n单向阀的开放压力阈值为 a+b*(n-l) psi、关闭压力阈值为 c+d*(n-l) psi，其中， a是第一单向阀的开放压力阈值， b是开放压力阈值增幅， c是第一单向阀的关闭压力阈值， d是关闭压力阈值增幅，且 n为大于 0小于 N的整数。
16. 如权利要求 14所述的方法，其中， N>1时，所述 N个次级柱床单元与所述单向阀一起还与一个旁路流路并联，所述旁路流路中安装有旁路单向阀，所述旁路单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均高于其余单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值。
17. 如权利要求 16所述的方法，其中，在所有次级柱床单元的流体流入方向的上游安装有一个自动运行的总控制阀，所述总控制阀不在所述旁路流路的上游，所述总控制阀以预定的频率打开和关闭，每次关闭的持续时间足以使所述结晶促进介质 (CPM)完全沉积在所述柱床单元底部；在所述总控制阀关闭时，所述旁路单向阀打开。
18. 如权利要求 17所述的方法，其中，在所述总控制阀与所有次级柱床单元之间连接有排出旁路，所述排出旁路与所述总控制阀和所述第一柱床单元流体连通，所述排出旁路中安装有自动运行的第二控制阀，所述第二控制阀被配置成在所述总控制阀关闭时才打开，在所述总控制阀打开时关闭。
19. 如权利要求 14〜18 中任一项所述的方法，其中，所述结晶促进介质 (CPM)是模板辅助型结晶 (TAC)流体处理介质，优选是 Next-ScaleStop 流体处理介质。
20. 如权利要求 14〜18中任一项所述的方法，其中，一个或多个单向阀或旁路单向阀是根据压力成比例地开放的比例单向阀。
21. 如权利要求 14〜18中任一项所述的方法，其中，将一个或多个单向阀或旁路单向阀各自替换为并联的两个以上的次级单向阀，并且，并联的次级单向阀的开放压力阈值和关闭压力阈值均彼此不同。
22. 如权利要求 14〜21中任一项所述的方法，所述方法还包括：将晶体生长介质 (CGM)与所述结晶促进介质 (CPM)混合并一起容纳在柱床单元中，或者将晶体生长介质 (CGM)单独连接在所述结晶促进介质 (CPM)柱床单元的下游；所述晶体生长介质 (CGM)是提供用来临时吸附所述 CPM产生的 "晶种" 的表面的介质，其具有一个或多个以下特征的介质： 1) 具有吸引性电荷， 2) 具有粗糙表面，其上具有用来吸附 "晶种" 的多个微小的孔， 3) 具有化学吸引力， 4)具有物理吸引力。
23. 如权利要求 22所述的方法，其中，所述晶体生长介质 (CGM)是粒状活性炭 (GAC)或 Next-Sand。
24. 一种比例单向阀，所述比例单向阀包括：底盖 (501)、壳体 (502)、顶盖 (503)、弹性部件 (504)和活塞 (505); 当所述比例单向阀打开时，流体从底盖 (501) 流入比例单向阀并从顶盖 (503)流出；壳体 (502)两端分别与顶盖 (503)和底盖 (501) 密封连接；壳体 (502)的内腔直径从底盖 (501)至顶盖 (503)逐渐增力0，并在底盖 (501) 一端与活塞 (505)的外径相等；底盖 (501)上开有流体入口；顶盖 (503)中央具有活塞杆通道，用于容纳活塞 (505)的活塞杆，在所述活塞杆通道周围，顶盖 (503)还开有一个或多个流体出口；活塞 (505)的活塞杆插入顶盖 (503)中央的活塞杆通道中，活塞 (505)能够在底盖 (501)和顶盖 (503)之间移动；在活塞 (505)的活塞头和顶盖 (503)之间安装有弹性部件 (504)，弹性部件 (504)为压缩状态，趋于将活塞 (505) 推离顶盖 (503); 在所述比例单向阀关闭时，活塞 (505)的活塞头与底盖 (501)密封连接，当所述比例单向阀打开时，流体从活塞 (505)与壳体 (502)之间的缝隙流过，活塞 (505)与壳体 (502)之间的缝隙随流体压力的增加而增加。