CN107001073A - 用于水净化的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种水净化系统包括高温水槽、无焰热源、筒形容器(水力旋流器巢)、第一泵、蒸汽产生计量仪、以及蒸汽冷凝器和热交换器。使用无焰热源对高温水槽中的污染水进行加热。加热的污染水使筒形容器和一组或多组水力旋流器受热。加热的污染水被泵送至筒形容器，使加热的污染水进入水力旋流器的切向进口，水力旋流器将加热的污染水分离为蒸汽和固体/浓缩物，蒸汽经水力旋流器的溢流口和筒形容器的第一出口离开，固体/浓缩物经水力旋流器的潜流口和筒形容器的第二出口离开。使用蒸汽冷凝器和热交换器将蒸汽冷凝为净化水。

Description

用于水净化的系统和方法
技术领域
本发明总体涉及加热液体的领域，以及更具体地涉及用于净化水的系统和方法。
关于联邦政府资助研究的声明
没有。
背景技术
如美国专利No.7,866,380和7,959,814中所述，全世界最迫切的需求之一是饮用水。每年有数以千计的人由于其饮用水受到污染而死亡。在一些地区，人们被迫花费大量时间从远处水源人工运送至其家中和村落，而不会冒险饮用附近未检测的水。
存在很多净化水的方法。最常用的方法之一是反渗透(RO)。该工艺已使用很长时间，但它有它的缺陷。虽然RO系统可能较便宜，但对于过滤器的替换有着持续的维护需求。RO系统中的过滤器由于一直暴露于待净化的水源而变得堵塞和/或损坏。替换过滤器的成本和有效性以及执行该维护需求的技术水平可能成为问题。
水净化的另一种方法包括向水中添加化学药品以杀菌。一般而言，化学药品应用于需要净化少量水的场合。虽然使用适当化学药品浓度时是有效的，但很难一直测量适当的量。此外，该净化系统不能处理水中可能存在的重金属问题。
将水烧开是杀死水中病菌的另一方法。不幸地是，在污染水为主要问题的世界很多地方，没有用于加热水的可用材料，诸如木材等。
在一些特殊领域或行业中，可能需要热水和/或蒸汽，但关键是没有明火用于加热水。一种这样的行业是油田服务业。在很多地理区域发现原油储藏，包含高浓度石蜡、蜡晶体烃。这种物质虽然在生产涂层、密封剂、蜡烛、橡胶配方、药物和化妆品方面商业可用，但在原油生产方面可能存在问题。悬浮在原油中的石蜡易于堵塞油井生产管柱中的孔并减慢原油至表面的流动。
多年来已有几种技术用于将石蜡的不利影响最小化。这其中包括将热水、蒸汽或化学溶剂注射进井中，通过加热石蜡至其熔点之上或以化学方式改变其成分使石蜡液化来清洁井孔。虽然有效，但所有这些方法都存在其缺陷。
当使用热水方法时，必须将水输送至井场，然后在挂载于卡车底盘或拖车中的液化石油气或柴油锅炉中加热。水的获得在井场是常见问题，并且当用于在锅炉容器中加热水或原油的明火位于井口附近时，井口附近可能大气中具有高浓度天然气，这存在不安全的状况。
蒸汽方法通常需要电厂建设，其利用油田天然气发电并将废弃的蒸汽用管道输送至用于注射的各井口。虽然这消除了靠近井口的明火，但其涉及大量的资本支出，这使得其仅在相对较小区域具有高度集中的井时才变得经济上可行。用管道输送蒸汽至单独偏远的井有时是不可行的，由于在蒸汽到达井之前损失了太多热量。这可能导致仅蒸馏水被输送至井口。
化学溶剂方法将溶剂容器位于井口附近，并且然后通过井的泵送单元的各冲程将其注射至井下。虽然该方法消除井口附近的明火并且不需要大量资本支出，但其在操作方面增加了大量成本。化学药品较昂贵，与运输相关联的成本和危险化学药品的处理较昂贵，并且将这些化学药品添加至原油中使得提炼过程更加昂贵。
由于水力压裂所需大量水和公众对饮用水污染的关心，来自油气井的采出水和压裂水的处理和/或清理变成了越来越重要的另一问题。
发明内容
本发明提供一种净化污染水(至饮用水标准)的系统和方法，其使用一种方法以通过离心力影响悬浮固体的分离和通过相变化以移除溶解的固体，污染水包括海水、油田压裂水、酸性矿井水、污水等。该方法还能够杀菌并且移除VOC’s(挥发性有机化合物)。不需要过滤器、过滤膜或化学药品。
本发明的一个实施例提供一种水净化系统，其包括高温水槽、无焰热源、筒形容器(水力旋流器巢)、第一泵、蒸汽产生计量仪、以及蒸汽冷凝器和热交换器。高温水槽具有第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口。无焰热源具有进口和出口，进口连接至高温水槽的第二出水口，出口连接至高温水槽的第二进水口。筒形容器(水力旋流器巢)布置在高温水槽中，并具有溢流腔、潜流腔、布置在溢流腔与潜流腔之间的进入腔、连接至溢流腔的第一出口、连接至进入腔的进口、以及连接至潜流腔的第二出口。一组或多组水力旋流器布置在筒形容器中。各组水力旋流器中的水力旋流器以并联结构布置，并且每个水力旋流器具有布置在筒形容器的进入腔中的切向进口、布置在所述容器的溢流腔中的溢流口、以及布置在筒形容器的潜流腔中的潜流口。第一泵连接至高温水槽的第一出口和筒形容器的进口。蒸汽产生计量仪连接至筒形容器的第一出口。蒸汽冷凝器和热交换器具有蒸汽进口和净化水出口，其中蒸汽进口连接至蒸汽产生计量仪。
本发明的另一实施例提供了一种水净化系统，其包括污染水源、油/固体分离器、第三泵、低温水槽、发动机、热交换器、第五泵、高温水槽、第二泵、无焰热源、热吸收阀、筒形容器(水力旋流器巢)、第一泵、蒸汽除雾器、蒸汽产生计量仪、蒸汽冷凝器和热交换器、以及第四泵。第三泵连接至污染水源和油/固体分离器。低温水槽具有液体/气体分离器、连接至油/固体分离器的第一进口、第二进口、第三进口、第四进口、第一出水口、第二出水口、第三出水口和出气口。发动机具有连接至燃料箱和低温水槽的出气口的燃料吸入口、以及连接至低温水槽的第二进口的排气口。热交换器热连接至发动机以冷却发动机，并具有进水口和连接至低温水槽的第三进口的出水口。第五泵连接至低温水槽的第三出水口和热交换器的进水口。高温水槽具有第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口。第二泵连接至低温水槽的第一出水口和高温水槽的第一进口。无焰热源具有连接至高温水槽的第二出水口的进口和连接至高温水槽的第二进水口的出口。热吸收阀连接在无焰热源和低温水槽之间。筒形容器(水力旋流器巢)布置在高温水槽内，并具有溢流腔、潜流腔、布置在溢流腔与潜流腔之间的进入腔、连接至溢流腔的第一出口、连接至进入腔的进口、以及连接至潜流腔的第二出口。一组或多组水力旋流器布置在筒形容器中。各组水力旋流器中的水力旋流器以并联结构布置，并且每个水力旋流器具有布置在筒形容器的进入腔中的切向进口、布置在筒形容器的溢流腔中的溢流口、以及布置在筒形容器的潜流腔中的潜流口。第一泵连接至高温水槽的第一出口和筒形容器的进口。蒸汽除雾器连接至筒形容器的第一出口和低温水槽的第四进水口。蒸汽产生计量仪连接至蒸汽除雾器。蒸汽冷凝器和热交换器具有蒸汽进口、净化水出口、进水口和出水口，其中，蒸汽进口连接至蒸汽产生计量仪，并且出水口连接至低温水槽的第二进口。第四泵连接至低温水槽的第二出水口和蒸汽冷凝器和热交换器的进水口。
本发明的另一实施例提供了一种用于净化污染水的方法。使用无焰热源对高温水槽中的污染水进行加热，其中，加热的污染水使筒形容器和一组或多组水力旋流器受热。将加热的污染水泵送进入筒形容器的进口，使加热的污染水进入水力旋流器的切向进口，水力旋流器将加热的污染水分离为蒸汽和固体/浓缩物，蒸汽经水力旋流器的溢流口和筒形容器的第一出口离开，固体和浓缩物经水力旋流器的潜流口和筒形容器的第二出口离开。使用蒸汽冷凝器和热交换器将蒸汽冷凝为净化水。使用控制器将高温水槽中的加热的污染水保持在规定的温度范围内。
本发明的又一实施例提供了一种用于净化污染水的方法。通过如下方式对低温水槽中的污染水进行预热：(1)将来自低温水槽的污染水泵送至蒸汽冷凝器和热交换器的进水口，在蒸汽冷凝器和热交换器中，来自蒸汽的第一热量传递至污染水；以及(2)将污染水从低温水槽泵送至热交换器的进口，热交换器热连接至发动机，在发动机处，来自发动机的第二热量传递至污染水。通过将来自蒸汽冷凝器和热交换器的出水口的预热的污染水与来自发动机排气口的排出气混合，进一步加热预热的污染水并捕获来自发动机的挥发气体。在低温水槽中，使用液体/气体分离器将捕获的挥发气体与预热的污染水分离。将分离的挥发气体与燃料混合，并在发动机中燃烧分离的挥发气体和燃料。将预热的污染水从低温水槽泵送至高温水槽。使用无焰热源对高温水槽中的预热的污染水进行加热，其中，加热的污染水使筒形容器和一组或多组水力旋流器受热。将加热的污染水泵送进入筒形容器的进口，使加热的污染水进入水力旋流器的切向进口，水力旋流器将加热的污染水分离为蒸汽和固体/浓缩物，蒸汽经水力旋流器的溢流口和筒形容器的第一出口离开，固体和浓缩物经水力旋流器的潜流口和筒形容器的第二出口离开。使用蒸汽冷凝器和热交换器将蒸汽冷凝为净化水。使用控制器将高温水槽中的加热的污染水保持在规定的温度范围内。
根据下列附图、说明和权利要求，对于该领域技术人员，其他技术优点将更加明了。此外，虽然上文列举了具体优点，但不同实施例可包括所有或一些这些列举的优点、或不包括上述列举优点。
附图说明
结合附图参照下述说明，本发明的上述及其他优点会更容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的水净化系统的方块图；
图2A至图2E是根据本发明一个实施例的筒形容器(水力旋流器巢)的图；
图3是根据本发明示出的一个实施例用于净化水的方法的流程图；
图4是根据本发明另一实施例用于净化水的方法的过程流程图；
图5是根据本发明另一实施例的水净化系统的方块图；以及
图6A至图6B是根据本发明所示的另一实施例的用于净化水的方法的流程图。
具体实施方式
虽然下文详细讨论了本发明的不同实施例的制造和使用，应该理解本发明提供了很多可实施的创造性概念，其可体现在具体上下文的宽范围的变化。本文讨论的具体实施例仅为具体方式的示例，用以制造和使用本发明并且不会限制本发明的范围。本文的讨论主要涉及净化污染水(即，任何不适合人类消费的水)，但应该理解本发明的概念适用于用来处理液体的任意系统和方法。
本发明提供一种用于净化污染水(至饮用水标准)的系统和方法，其使用一种方法以通过离心力影响悬浮固体的分离和通过相变化以移除溶解的固体，污染水包括海水、油田压裂水、酸性矿井水、污水等。该方法还能杀菌并且移除VOC’s(挥发性有机化合物)。不需要过滤器、过滤膜或化学药品。
可使用任意方法对于过程所需的待处理水进行预热，这些方法包括名称为“无火焰生成热水的系统和方法”的美国专利No.7,866,380B2(2011年1月11日授权)以及名称为“无火焰生成热水的系统和方法”的美国专利No.7,959,814B2(2011年6月14日授权)中描述的无火焰方法，其全部内容在此以引用的方式并入本文。其他方法包括地热、工业方法或电厂余热。实际上，任意形式的余热均可利用。
将该预热的水引入高压(例如100psi)高温(高达300华氏度)不通风的加工容器中。水温根据其化学性质(沸点)而不同。在操作中，通过中等压力(例如400psi)泵将水从该容器中连续抽出，中等压力泵向热水施加动能(水包含热能，但其在压力下保持为液体)。
将流动的水引入水力旋流器的“巢”中，通过将水力旋流器浸入不通风的容器中将其加热至引入水的温度。水力旋流器在功能上以并联和串联布置。加热的水沿切向进入第一“组”以并联方式排列的水力旋流器。独特的孔增加水速，产生高达100g的力。这些力导致固体在水力旋流器外侧的水的层流。溶解的固体也被迫进入外侧，在中心生成的较新鲜的水(具有较低沸点)和低压区域(龙卷风效应)。水(仍然为液体)沿着水力旋流器向下，在接近底部的位置其竖向速度停止。在该点允许水闪蒸为蒸汽并经涡流管离开进入蒸汽室，在蒸汽室可以收集所有水力旋流器产生的蒸汽。
尽管将水力旋流器加热至处理水的温度(由于水蒸发产生的热)，水并未全部闪蒸为蒸汽。这些水，现在更浓缩并具有更高沸点，被顺序引导至另一组重复上述过程的水力旋流器。这经过水力旋流器的“巢”继续进行，直到最大量的水闪蒸为蒸汽并仍然允许浓缩液流动。在水力旋流器的“巢”中，可安装或插入独特的水力旋流器，以改变处理容量，从而有助于改变悬浮和溶解固体的浓度。
计算蒸汽室中收集的蒸汽焓(并且在水由无焰热源(例如动态热发生器)完全加热或部分加热的情况下)，其吸收变化刚好提供足够能量以有利于该过程。因此，优化了效率。收集蒸汽并且回收冷凝热，产生蒸馏水并增加所有工艺效率。在一些情况下，该蒸馏水实际上对于其预期用途来说过于干净。在这种情况下，加热的水(已杀菌)可与蒸馏水混合，提供具有理想矿物质含量水平并增加该工艺的水的总生产能力的水。
现在更详细的描述本发明的各实施例。
现在参见附图1，示出根据本发明一个实施例的水净化系统100的方块图。水净化系统100包括高温水槽102、无焰热源112、筒形容器(水力旋流器巢)118、第一泵148、蒸汽产生计量仪150、以及蒸汽冷凝器和热交换器152。高温水槽102具有第一进水口104、第二进水口106、第一出水口108和第二出水口110。无焰热源112具有连接至高温水槽102的第二出水口110的进口114以及连接至高温水槽102的第二进水口106的出口116。无焰热源112可以为动态热发生器、特斯拉发生器、地热热源、工业处理热源、电厂余热或其组合。特斯拉发生器是特斯拉汽轮机与特斯拉泵的组合。在压力下将液体泵送至板组件的中心(类似于特斯拉汽轮机中在压力下注射蒸汽)，在板组件中，一半板由原动机(发动机、电动机、风车、或旋转的基本任何东西)旋转，并且另一半板保持静止(如在特斯拉泵中)。特斯拉发生器对引入板之间的任意液体进行加热。
控制器158可连接至蒸汽产生计量仪150和无焰热源112，以基于来自蒸汽产生计量仪150或其他传感器的数据将污染水在规定温度范围内保持在高温水槽102中。控制器158也可连接至系统100内的其他传感器和/或系统100中的前述装置。例如，通过调节经过无焰热源112的水流速能够控制规定的温度。也可以通过调节连接在无焰热源112与低温水槽102之间的吸收阀以控制规定的温度。
动态热发生器可以类似或等同于由Island City、LLC或Twin Discs公司提供的装置，并且通常包括具有输入端、输出端和静止壳体内的第一组径向叶片的静止壳体、和布置在静止壳体内具有第二组径向叶片的转子。在具体实施例中，动态热发生器大约具有12英寸的直径和6英寸的宽度。这些尺寸可根据所需产量而变化。在一些实施例中，其由铝制成，但在他实施例中其也可以由其他材料制成。动态热发生器可仅由两个移动部件构成。以约1800转/分运行发动机使动态热发生器旋转，其引起内部轮旋转并压缩流经此处的水分子，从而产生摩擦，摩擦能够生热。用于系统的电源可以为发动机或电动机。规定的温度可以大于或等于212华氏度(100摄氏度)、大于杀死水中致病菌所需的温度、大于或等于250华氏度(121摄氏度)、大于或等于300华氏度(148摄氏度)、大于或等于咸水淡化所需的温度、大于或等于熔化石蜡所需的温度、大于或等于生成蒸汽所需的温度、或任意其他所需温度。
筒形容器(水力旋流器巢)118设置在高温水槽102中。第一泵148连接至高温水槽102的第一出口108和筒形容器118的进口130。蒸汽产生计量仪150连接至筒形容器118的第一出口122。蒸汽冷凝器和热交换器152具有连接至蒸汽产生计量仪150的蒸汽进口154和净化出水口156。
现在参照图2A至图2E，示出筒形容器(水力旋流器巢)118的非限制性实例。筒形容器(水力旋流器巢)118具有包括第一出口122的溢流腔120、具有第二出口126的潜流腔124、具有设置在溢流腔120和潜流腔124之间的进口130的进口腔128。将一组或多组或阶段的水力旋流器138(参见下文)布置在筒形容器118内。各组水力旋流器138中的水力旋流器140以并联结构布置。每个水力旋流器140具有布置在筒形容器118的进口腔128中的切向进口142、设置在筒形容器118的溢流腔120中的溢流口144、以及设置在筒形容器118的潜流腔124中的潜流口146。
截面图A-A(图2B)示出筒形容器(水力旋流器巢)118的顶部和顶板202。截面图B-B(图2C)示出了溢流腔120的底部和旋流器上板204，旋流器上板204是水力旋流器顶部保持装置，其在清理进口腔128时移除。截面图C-C(图2D)示出进口腔128顶部和内部阶段138i、138j和138k的以1.5:1比例的放大图，以描述具有可移除盖板204的备用水力旋流器孔(如示出的有六个(6))。由分隔物、间隔物或环状物206限定水力旋流器138a-138k的组或阶段，分隔物、间隔物或环状物206使特定组或阶段的水力旋流器138中的水力旋流器140并联操作(也参见附图2E)。通道或通路208将污染水160的流动从前一组或阶段的水力旋流器的输出口引入至下一组或阶段的水力旋流器的输入口，从而使多组或阶段的水力旋流器串联操作。箭头示出污染水16流经一组或多组或阶段的水力旋流器138a-138k。注意可使用很多不同的结构。例如，如果仅使用一组或阶段的水力旋流器138，示出的所有水力旋流器140会并联操作。可选地，各同心圆可构造为作为一组或阶段的水力旋流器138操作，其中示出的水力旋流器140作为五组或阶段操作。截面图D-D(图2E)示出潜流腔124的顶部。用于各阶段从上部进口腔128经过分隔物的计时略微提前(参见图2E)。本文附图中示出或描述的任意尺寸仅为所示实施方式的示例。可以使用其他尺寸。同样地，可以使用其他类型的水力旋流器巢或系统。
现在参照图1和图2A至图2E，污染水160可以为海水、咸水、废水、污水、径流水、雨水排水、采出水、压裂水、压载水、冷水机水、井水或任意其他类型的基于水的液体，将污染水160泵送进入高温水槽102的第一进水口104。无焰热源112对高温水槽102中的污染水进行加热。由高温水槽102中加热的污染水使筒形容器118受热。第一泵148将加热的污染水泵送进入筒形容器118的进口130，使加热的污染水进入水力旋流器140的切向进口142。水力旋流器140将加热的污染水分离为蒸汽162和固体及浓缩物164。蒸汽162经水力旋流器140的溢流口144和筒形容器118的第一出口122离开。固体和浓缩物164经水力旋流器140的潜流口146和筒形容器118的第二出口126离开。蒸汽冷凝器和热交换器152将蒸汽162转变为净化水166。连接在筒形容器118的第一出口122与蒸汽产生计量仪150之间的蒸汽除雾器168能够用于从蒸汽162结合并移除污染水珠。此外，如果不需要蒸馏水，可将干净的水添加进净化水166。
在一个实施例中，水力旋流器140布置为使其切向进口142在各阶段内并联。各阶段与其前一阶段和后一阶段串联。最后阶段由连接至筒形容器118第二出口126的喷射器170排空，其产生真空并且以气动方式携载废水或固体离开以清理。
在另一实施例中，各阶段以同心圆布置，较大数目的阶段(和水力旋流器)包含在外圆中，其数目朝中心降低。通过小心控制围绕水力旋流器“巢”的水套中的水的热通量，如果应用需要，该过程可闪蒸或多或少的水，同时消毒未闪蒸的水并且减少悬浮固体。
现在参见图3，示出根据本发明一个实施例的用于净化水的方法300的流程图。在方块302中提供水净化系统，诸如图1、图2、图4和图5中描述的或其他适当系统。在方块304中，使用的无焰热源加热高温水槽中的污染水，其中，加热的污染水对筒形容器和一组或多组水力旋流器进行加热。在方块306中，加热的污染水被泵送至筒形容器的进口，使加热的污染水进入水力旋流器的切向进口，并且水力旋流器将加热的污染水分离为蒸汽和固体/浓缩物，蒸汽经水力旋流器的溢流口和筒形容器的第一出口离开，固体和浓缩物经水力旋流器的潜流口和筒形容器的第二出口离开。在方块308中，使用蒸汽冷凝器和热交换器将蒸汽冷凝为净化水。在方块310中，使用控制器将高温水槽中的污染水保持在规定的温度范围内。可选地，在方块312中，使用连接在筒形容器的第一出口与蒸汽产生计量仪之间的蒸汽除雾器将污染水珠结合并从蒸汽移除。
上述过程是一个连续的“生产(thru put)”(一旦实现温度稳定)。但是，也可以对本发明编程，以允许“批次”处理。当待处理的废水具有多于一种需要移除并分离的成分时，这可能是尤为重要的特征。实例包括但不限于矿井径流水和电镀漂洗水。在这两种情况中，水包含酸和重金属。在操作中，“批次”在一定温度下处理，以允许一种成分“沸腾”出来、而将剩余成分留在流出的废水中。该流出变为新“批次”的流入。改变处理温度以允许另一成分“沸腾”出来。该过程能够根据需要进行多次，并且唯一的要求是不同成分具有不同的沸点。
现在参照图4，示出根据本发明另一实施例的用于净化水的方法400的处理流程图。第三水泵404将污染水从污染水源402经油/固体分离器406(例如水力旋流器)泵送并进入低温水槽408，油/固体分离器406将油和固体从污染水移除。第三水泵410将水泵送至发动机水套和附件热交换器412。来自发动机414水套及其附件的热量被传递至发动机水套中的水和附件热交换器412。然后加热的水流回低温水槽408。溶解在隔开低温水槽408的挡板415左侧水中的挥发气体蒸发并被引入发动机吸入口416，并与燃料一起燃烧。
第四水泵418将水从低温水槽408中挡板415右侧泵送至蒸汽热回收热交换器152。然后加热的水从蒸汽热回收热交换器152流至发动机排气口420，在此其与热的排出气混合且二者一起流动、热交换、返回低温水槽408。此时冷却的排出气经通风口422流出低温水槽408进入大气。
第二水泵424将水从低温水槽408泵送进入高温水槽102。诸如动态热发生器等无焰热源112从高温水槽102泵送并加热水。吸收阀426通过从无焰热源112中转移一部分流体以改变产生的热量和流入高温水槽102来调节压力。
第一水泵148将来自高温水槽102的水泵送至水力旋流器的“巢”，水力旋流器的“巢”以物理方式安装在高温水槽102中。温度阀428允许水从第一水泵148经产生压降的可调节孔430并进入高温水槽102循环，直到实现所需水温。
高温水在压力下进入受热的水力旋流器“巢”118，并进入第一阶段的受热的水力旋流器。沿切向流进各受热的水力旋流器140；水的动能产生“G”力。这些“G”力引起水流分层，迫使具有质量的悬浮和溶解的固体至受热的水力旋流器140的外侧，在受热的水力旋流器140的内侧产生低压区域。竖向速度将该流动带至各受热的水力旋流器140底部，在底部允许水闪蒸为蒸汽。没有闪蒸为蒸汽的浓缩水能够流进第二受热的水力旋流器阶段。该方法继续至其他阶段，直到实现水变换为蒸汽。浓缩水与悬浮固体一起从最后阶段流进浓缩液槽432。
来自所有水力旋流器阶段的蒸汽在受热的水力旋流器“巢”118中汇合，并流经蒸汽除雾器168，在此污染水珠被结合并从蒸汽移除。之后，蒸汽流进蒸汽产生计量仪150。蒸汽产生计量仪150测量蒸汽的流量、温度和压力。嵌入的算法(控制器)计算蒸汽中的热能量并调节吸收阀424以确保蒸汽生产得到优化。蒸汽从蒸汽产生计量仪150流进蒸汽热回收热交换器152，在此从蒸汽移除热将其转变为水并且加热来自低温水槽408的水并流向发动机排气口420。来自蒸汽热回收热交换器152的冷凝水流经水密闭输送计量仪434，在此将其出售给顾客并存储在新鲜水槽436中。
现在参照图5，示出根据本发明一个实施例的水净化系统500的方块图。水净化系统包括污染水源402、油/固体分离器406、第三泵404、低温水槽408、发动机414、热交换器412、第五泵410、高温水槽102、第二泵424、无焰热源112、热吸收阀426、筒形容器(水力旋流器巢)118、第一泵148、蒸汽除雾器168、蒸汽产生计量仪150、蒸汽冷凝器和热交换器152、以及第四泵418。污染水可以为海水、咸水、废水、污水、径流水、雨水排水、采出水、压裂水、压载水、冷水机水、井水或任意其他类型的基于水的液体。第三泵404连接至污染水源402和油/固体分离器406。低温水槽408具有液体/气体分离器502、连接至油/固体分离器406的第一进口504、第二进口508、第三进口514、第四进口530、第一出水口518、第二出水口534、第三出水口516、出气口506、以及通风口422，通风口422允许冷却排出气从低温水槽408流出进入大气。
发动机414具有燃料吸入口416和排气口420，燃料吸入口416连接至燃料箱504和低温水槽408的出气口506，排气口420连接至低温水槽408的第二进口508。热交换器412热连接至发动机414以冷却发动机414，并且具有进水口510和出水口512，出水口512连接至低温水槽408的第三进口514。第五泵406连接至低温水槽408的第三出水口516和热交换器412的进水口510。
高温水槽102具有第一进水口520、第二进水口528、第三进水口538、第一出水口108和第二出水口524。第二泵424连接至低温水槽408的第一出水口518和高温水槽102的第一进口520。无焰热源112具有进口522和出口526，进口522连接至高温水槽102的第二出水口524，出口526连接至高温水槽102的第二进水口528。无焰热源112可以为动态热发生器、特斯拉发生器、地热热源、工业处理热源、电厂余热或其组合。特斯拉发生器是特斯拉汽轮机与特斯拉泵的组合。在压力下将液体泵送至板组件的中心(类似于特斯拉汽轮机中在压力下注射蒸汽)，在板组件中，一半板由原动机(发动机、电动机、风车、或旋转的基本任何东西)旋转，并且另一半板保持静止(如在特斯拉泵中)。特斯拉发生器对引入板之间的任意液体进行加热。热吸收阀426连接在无焰热源112和低温水槽408之间。
控制器158可连接至蒸汽产生计量仪150和无焰热源112或热吸收阀426或无焰热源112和热吸收阀426二者，以基于来自蒸汽产生计量仪150或其他传感器的数据，将高温水槽102中的污染水保持在规定温度之内。控制器158也能连接至系统100内的其他传感器和/或系统100中前述的装置。例如，规定温度可以通过调节流经无焰热源112的水的流速进行控制。规定温度也可通过调节连接在无焰热源112和低温水槽102之间的吸收阀进行控制。
动态热发生器可以类似或等同于Island City、LLC公司提供的装置，并且通常包括具有进口、出口和静止壳体内的第一组径向叶片的静止壳体、和布置在静止壳体内具有第二组径向叶片的转子。在具体实施例中，动态热发生器大约具有12英寸的直径和6英寸的宽度。在一些实施例中，其由铝制成，但在其他实施例中其也可以由其他材料制成。动态热发生器可仅由两个移动部件构成。以约1800转/分运行发动机使动态热发生器旋转，其引起内部轮旋转并压缩流经此处的水分子，从而产生摩擦，摩擦能够生热。用于系统的电源可以为发动机或电动机。规定的温度可以大于或等于212华氏度(100摄氏度)、大于杀死水中致病菌所需的温度、大于或等于250华氏度(121摄氏度)、大于或等于300华氏度(148摄氏度)、大于或等于咸水淡化所需的温度、大于或等于熔化石蜡所需的温度、大于或等于生成蒸汽所需的温度、或任意其他所需温度。
筒形容器(水力旋流器巢)118设置在高温水槽102中。前面参照图1和图2描述了筒形容器(水力旋流器巢)的实例。可以使用其他筒形容器(水力旋流器巢)118和水力旋流器组。第一泵148连接至高温水槽102的第一出口108和筒形容器118的进口130。固体和浓缩液槽164连接至筒形容器118的第二出口126。水温阀428连接在第一泵148和筒形容器118的进口130之间。可调节孔430连接至水温阀428和高温水槽102的第三进水口538。
蒸汽除雾器168连接至筒形容器的第一出口122和低温水槽408的第四进口530。蒸汽产生计量仪150连接至蒸汽除雾器168。蒸汽冷凝器和热交换器152具有连接至蒸汽产生计量仪150的蒸汽进口154、净化出水口156、连接至低温水槽408的第二进口508和发动机排气口420的进水口和出水口532。第四泵418连接至低温水槽408的第二出水口534和蒸汽冷凝器和热交换器152的进水口536。密闭输送计量仪434连接至蒸汽冷凝器和热交换器152的净化水出口156。净化水槽436连接至密闭输送计量仪434。
注意到第一混合装置540可设置在发动机414的排气口420、蒸汽冷凝器和热交换器152的出水口532、以及低温水槽408的第二进口508之间并连接至它们，以适当地混合、控制压力并防止发动机排出气和水的回流。类似地，第二混合装置542可设置在发动机414的燃料吸入口416、燃料箱504和低温水槽408的出气口506之间并连接至它们，以适当地混合、控制压力并防止燃料和挥发气体的回流。
本发明的具体实施例可以为移动式(例如装在拖车上等)或永久设置，并且可以安装在边远区域(例如钻井或采矿场地)或为了生存需要移动式的水的灾区。在一些实施例中，需要无明火或加热件将水加热至规定的温度或更高。此外，通过对系统增加发电机组，该系统能够发电用于照明和用于室内或建筑物取暖的辐射热。
当需要对咸水进行处理时，使已经达到212华氏度(100摄氏度)的水流经产生真空的水力旋流器，然后使水闪蒸为蒸汽。此时，盐从水中分离并且浓盐水经水力旋流器底部降落，同时纯蒸汽逸出并流经热交换器，热交换器将其冷凝为液体形式。
现在参照图6A至图6B，示出根据本发明一个实施例的用于净化水的方法600的流程图。在方块302中提供水净化系统，诸如在图1、图2、图4和图5中描述的或其他适当的系统。在方块602中，从污染水源将污染水泵送进入低温水槽。注意，在污染水进入低温水槽之前可以将油和/或固体从污染水移除。在方块604中对污染水进行预热，通过：(1)将污染水从低温水槽泵送至蒸汽冷凝器和热交换器的进水口，在此来自蒸汽的第一热量被传递至污染水；以及(2)将污染水从低温水槽泵送至热连接至发动机的热交换器的进口，在此来自发动机的第二热量被传递至污染水。在方块606中，通过将来自蒸汽冷凝器和热交换器的出水口的预热的污染水与来自发动机排气口的排出气混合，对污染水进一步预热并且捕获来自发动机的挥发气体。在方块608中，使用液体/气体分离器从低温水槽中的预热的污染水中分离捕获的挥发气体。在方块610中，分离的挥发气体与燃料混合，并且分离的挥发气体和燃料在发动机中燃烧。在方块612中，将预热的污染水从低温水槽泵送至高温水槽。
在方块304中，使用无焰热源对高温水槽中的预热的污染水进行加热，其中，加热的污染水使筒形容器和一组或多组水力旋流器受热。在方块306中，将加热的污染水泵送进入筒形容器的进口，使加热的污染水进入水力旋流器的切向进口，水力旋流器将加热的污染水分离为蒸汽和固体/浓缩物，蒸汽经水力旋流器的溢流口和筒形容器的第一出口离开，固体和浓缩物经水力旋流器的潜流口和筒形容器的第二出口离开。在方块308中，使用蒸汽冷凝器和热交换器将蒸汽冷凝为净化水。在方块310中，使用控制器将高温水槽中的污染水保持在规定的温度范围内。在方块312中，使用连接在筒形容器的第一出口与蒸汽产生计量仪之间的蒸汽除雾器，使污染水珠能够结合并从蒸汽移除。
虽然参照具体实施例描述了本发明，应该理解在不偏离本发明精神和范围的情况下可进行各种其他变化、替换和变形。例如，虽然参照包含在各系统中的多个部件描述了本发明，这些部件可以组合、重新布置、重置大小或定位，以适应具体需求和应用。本发明在这些配件及其内部件的布置方面具有很大的灵活性。
例如，一些实施例可利用除了柴油机之外的发动机或机械装置，以驱动动态热发生器。取决于具体需要和应用，具体实施例可以不使用一个或多个部件，诸如一个或多个示出的热交换器、过滤器和泵等。该领域技术人员可确定多种其他变化、替换、变形、变更和改进，并且本发明包括所有这些变化替换、变形、变更和改进，只要其落入所附权利要求的精神和范围内。

Claims (53)

1.一种水净化系统，包括：
高温水槽，其具有第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口；
无焰热源，其具有进口和出口，所述进口连接至所述高温水槽的第二出水口，所述出口连接至所述高温水槽的第二进水口；
筒形容器，其布置在所述高温水槽中，所述筒形容器具有溢流腔、潜流腔、布置在所述溢流腔与所述潜流腔之间的进入腔、连接至所述溢流腔的第一出口、连接至所述进入腔的进口、以及连接至所述潜流腔的第二出口；
一组或多组水力旋流器，其布置在所述筒形容器中，其中，各组水力旋流器中的所述水力旋流器以并联结构布置，并且每个水力旋流器具有布置在所述筒形容器的进入腔中的切向进口、布置在所述筒形容器的溢流腔中的溢流口、以及布置在所述筒形容器的潜流腔中的潜流口；
第一泵，其连接至所述高温水槽的第一出口和所述筒形容器的进口；
蒸汽产生计量仪，其连接至所述筒形容器的第一出口；以及
蒸汽冷凝器和热交换器，其具有蒸汽进口和净化水出口，其中，所述蒸汽进口连接至所述蒸汽产生计量仪。
2.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述污染水包括海水、咸水、废水、污水、径流水、雨水排水、采出水、压裂水、压载水、冷水机水或井水。
3.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述无焰热源包括动态热发生器、特斯拉发生器、地热热源、工业处理热源、电厂余热或其组合。
4.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括连接至所述蒸汽产生计量仪和所述无焰热源的控制器。
5.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括：
污染水源；以及
第二泵，其连接至所述污染水源和所述高温水槽的进口。
6.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述无焰热源对所述高温水槽中的所述污染水进行加热，所述第一泵将加热的污染水泵送进入所述筒形容器的进口，使加热的污染水进入所述水力旋流器的切向进口，所述水力旋流器将加热的污染水分离为浓缩污染水和蒸汽，所述蒸汽经所述水力旋流器的溢流口和所述筒形容器的第一出口离开，所述浓缩的污染水经所述水力旋流器的潜流口和所述筒形容器的第二出口离开，并且所述蒸汽冷凝器和热交换器将所述蒸汽转化为净化水。
7.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括连接在所述筒形容器的第一出口与所述蒸汽产生计量仪之间的蒸汽除雾器。
8.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括：
水温阀，布置在所述第一泵和所述筒形容器的进口之间；
可调节孔，连接至所述水温阀和所述高温水槽的第三进水口。
9.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括净化水槽，连接至所述蒸汽冷凝器和热交换器的净化水出口。
10.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括固体和浓缩物槽，其连接至所述筒形容器的第二出口。
11.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括：
污染水源；
第三泵和低温水槽，其布置在所述污染水源与所述第一泵之间，其中，所述第三泵连接至所述污染水源和所述低温水槽的第一进水口，并且所述低温水槽的第一出水口连接至所述第一泵；
第四泵，布置所述低温水槽的第二出水口与所述蒸汽冷凝器和热交换器的进水口之间；以及
所述蒸汽冷凝器和热交换器的出水口连接至所述低温水槽的第二进口。
12.根据权利要求10所述的水净化系统，还包括热吸收阀，其连接在所述无焰热源和所述低温水槽之间。
13.根据权利要求10所述的水净化系统，还包括：
发动机，其具有燃料吸入口和排出口，所述排出口连接至所述低温水槽的第二进口和所述蒸汽冷凝器和热交换器的出水口；
所述低温水槽具有液体/气体分离器和连接至所述发动机的燃料吸入口的出气口；
发动机护套和热交换器，其热连接至所述发动机以冷却所述发动机，并且具有连接至所述低温水槽的第三进口的出口；以及
第五泵，其连接至所述低温水槽的第三出水口和所述发动机护套和热交换器的进口。
14.根据权利要求13所述的水净化系统，其中，所述液体/气体分离器包括一个或多个挡板。
15.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述一组或多组水力旋流器包括布置在所述筒形容器内并彼此串联连接第一组水力旋流器和第二组水力旋流器。
16.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述一组或多组水力旋流器布置在一个或多个同心圆中。
17.根据权利要求1所述的水净化系统，其中：
所述筒形容器包括布置在所述高温水槽中的第一筒形容器；
所述一组或多组水力旋流器包括布置在所述第一筒形容器中的第一组水力旋流器和布置第二筒形容器中的第二组水力旋流器，所述第二筒形容器布置在所述高温水槽中；
所述第一筒形容器的第二出口连接至所述第二筒形容器的进口；以及
所述第二筒形容器的第一出口连接至所述蒸汽产生计量仪。
18.根据权利要求17所述的水净化系统，还包括第六泵，其连接在所述第一筒形容器的第二出口与所述第二筒形容器的进口之间。
19.根据权利要求1所述的水净化系统，其中，所述系统为可移动的。
20.根据权利要求1所述的水净化系统，还包括连接至所述筒形容器的第二出口的喷射器。
21.一种水净化系统，包括：
污染水源；
油/固体分离器；
第三泵，连接至所述污染水源和所述油/固体分离器；
低温水槽，具有液体/气体分离器、连接至所述油/固体分离器的第一进口、第二进口、第三进口、第四进口、第一出水口、第二出水口、第三出水口和出气口；
发动机，具有连接至燃料箱和所述低温水槽的出气口的燃料吸入口、以及连接至所述低温水槽的第二进口的排气口；
热交换器，热连接至所述发动机以冷却所述发动机，并具有进水口和连接至所述低温水槽的第三进口的出水口；
第五泵，连接至所述低温水槽的第三出水口和所述热交换器的进水口；
高温水槽，具有第一进水口、第二进水口、第一出水口和第二出水口；
第二泵，连接至所述低温水槽的第一出水口和所述高温水槽的第一进口；
无焰热源，具有连接至所述高温水槽的第二出水口的进口和连接至所述高温水槽的第二进水口的出口；
热吸收阀，连接在所述无焰热源和所述低温水槽之间；
筒形容器，布置在所述高温水槽内，所述筒形容器具有溢流腔、潜流腔、布置在所述溢流腔与所述潜流腔之间的进入腔、连接至所述溢流腔的第一出口、连接至所述进入腔的进口、以及连接至所述潜流腔的第二出口；
一组或多组水力旋流器，其布置在所述筒形容器中，其中，各组水力旋流器中的所述水力旋流器以并联结构布置，并且每个水力旋流器具有布置在所述筒形容器的进入腔中的切向进口、布置在所述筒形容器的溢流腔中的溢流口、以及布置在所述筒形容器的潜流腔中的潜流口；
第一泵，其连接至所述高温水槽的第一出水口和所述筒形容器的进口；
蒸汽除雾器，其连接至所述筒形容器的第一出口和所述低温水槽的第四进水口；
蒸汽产生计量仪，其连接至所述蒸汽除雾器；
蒸汽冷凝器和热交换器，其具有蒸汽进口、净化水出口、进水口和出水口，其中，所述蒸汽进口连接至所述蒸汽产生计量仪，并且所述出水口连接至所述低温水槽的第二进口；以及
第四泵，连接至所述低温水槽的第二出水口和所述蒸汽冷凝器和热交换器的进水口。
22.根据权利要求21所述的水净化系统，其中，所述污染水包括海水、咸水、废水、污水、径流水、雨水排水、采出水、压裂水、压载水、冷水机水、或井水。
23.根据权利要求21所述的水净化系统，其中，所述无焰热源包括动态热发生器、特斯拉发生器、地热热源、工业处理热源、电厂余热或其组合。
24.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括连接至所述蒸汽产生计量仪和所述无焰热源或所述热吸收阀或所述无焰热源和所述热吸收阀二者的控制器。
25.根据权利要求21所述的水净化系统，其中，所述第二泵将所述污染水泵送进入所述高温水槽，所述无焰热源对所述高温水槽中的所述污染水进行加热，所述第一泵将加热的污染水泵送进入所述筒形容器的进口，使加热的污染水进入所述水力旋流器的切向进口，所述水力旋流器将加热的污染水分离为浓缩污染水和蒸汽，所述蒸汽经所述水力旋流器的溢流口和所述筒形容器的第一出口离开，所述浓缩的污染水经所述水力旋流器的潜流口和所述筒形容器的第二出口离开，并且所述蒸汽冷凝器和热交换器将所述蒸汽转化为净化水。
26.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括净化水槽，连接至所述蒸汽冷凝器和热交换器的净化水出口。
27.根据权利要求26所述的水净化系统，还包括密闭输送计量仪，布置在所述蒸汽冷凝器和热交换器的净化水出口与所述净化水槽之间并与其连接。
28.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括固体和浓缩物槽，其连接至所述筒形容器的第二出口。
29.根据权利要求21所述的水净化系统，其中所述液体/气体分离器包括一个或多个挡板。
30.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括连接至所述低温水槽的通风口。
31.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括：
水温阀，连接在所述第一泵和所述筒形容器的进口之间；
可调节孔，连接至所述水温阀和所述高温水槽的第三进水口。
32.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括第一混合器，布置在所述发动机的排气口、所述蒸汽冷凝器和热交换器的出水口以及所述低温水槽的第二进口之间并与其连接。
33.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括第二混合器，布置在所述发动机的燃料吸入口、所述燃料箱和所述低温水槽的出气口之间并与其连接。
34.根据权利要求21所述的水净化系统，其中，所述一组或多组水力旋流器包括布置在所述筒形容器内并彼此串联连接第一组水力旋流器和第二组水力旋流器。
35.根据权利要求21所述的水净化系统，其中所述一组或多组水力旋流器布置在一个或多个同心圆中。
36.根据权利要求21所述的水净化系统，其中：
所述筒形容器包括布置在所述高温水槽中的第一筒形容器；
所述一组或多组水力旋流器包括布置在所述第一筒形容器中的第一组水力旋流器和布置在第二筒形容器中的第二组水力旋流器，所述第二筒形容器布置在所述高温水槽中；
所述第一筒形容器的第二出口连接至所述第二筒形容器的进口；以及
所述第二筒形容器的第一出口连接至所述蒸汽产生计量仪。
37.根据权利要求36所述的水净化系统，还包括第六泵，连接在所述第一筒形容器的第二出口与所述第二筒形容器的进口之间。
38.根据权利要求21所述的水净化系统，其中，所述系统为可移动的。
39.根据权利要求21所述的水净化系统，还包括连接至所述筒形容器的第二出口的喷射器。
40.一种用于净化污染水的方法，包括如下步骤：
使用无焰热源对高温水槽中的所述污染水进行加热，其中，加热的所述污染水使筒形容器和一组或多组水力旋流器受热；
将加热的所述污染水泵送进入所述筒形容器的进口，使加热的所述污染水进入所述水力旋流器的切向进口，所述水力旋流器将加热的所述污染水分离为蒸汽以及固体和浓缩物，所述蒸汽经所述水力旋流器的溢流口和所述筒形容器的第一出口离开，所述固体和浓缩物经所述水力旋流器的潜流口和所述筒形容器的第二出口离开；
使用蒸汽冷凝器和热交换器将所述蒸汽冷凝为净化水；以及
使用控制器将所述高温水槽中的加热的所述污染水保持在规定的温度范围内。
41.根据权利要求40所述的方法，还包括使用连接在所述筒形容器的第一出口和蒸汽产生计量仪之间的蒸汽除雾器结合并移除来自蒸汽的污染水珠的步骤。
42.根据权利要求40所述的方法，其中，所述规定的温度大于或等于212华氏度(100摄氏度)、或大于杀死水中致病菌所需的温度、或大于或等于250华氏度(121摄氏度)、或大于或等于300华氏度(148摄氏度)、或大于或等于咸水淡化所需的温度、或大于或等于熔化石蜡所需的温度、或大于或等于产生蒸汽所需的温度。
43.根据权利要求40所述的方法，还包括通过调节经过所述无焰热源的所述水的流速控制所述规定的温度的步骤。
44.根据权利要求40所述的方法，还包括通过调节连接在所述无焰热源与所述低温水槽之间的吸收阀控制所述规定的温度的步骤。
45.根据权利要求40所述的方法，其中所述步骤以连续处理或批次处理进行。
46.一种用于净化污染水的方法，包括如下步骤：
通过如下方式对低温水槽中的所述污染水进行预热：(1)将来自所述低温水槽的所述污染水泵送至蒸汽冷凝器和热交换器的进水口，在所述蒸汽冷凝器和热交换器中，来自蒸汽的第一热量传递至所述污染水；以及(2)将所述污染水从所述低温水槽泵送至热交换器的进口，所述热交换器热连接至发动机，在所述发电机处，来自所述发动机的第二热量传递至所述污染水；
通过将来自所述蒸汽冷凝器和热交换器的出水口的预热的所述污染水与来自所述发动机排气口的排出气混合，进一步加热已预热的所述污染水并捕获来自发动机的挥发气体；
在所述低温水槽中，使用液体/气体分离器分离来自预热的所述污染水的已捕获的挥发气体；
将分离的所述挥发气体与燃料混合，并在所述发动机中燃烧分离的所述挥发气体和燃料；
将预热的所述污染水从所述低温水槽泵送至高温水槽；
使用无焰热源对高温水槽中的预热的所述污染水进行加热，其中，加热的所述污染水使布置在所述高温水槽中的筒形容器和布置在所述筒形容器中的一组或多组水力旋流器受热；
将加热的所述污染水泵送进入所述筒形容器的进口，使加热的所述污染水进入所述水力旋流器的切向进口，所述水力旋流器将加热的所述污染水分离为浓缩的污染水和蒸汽，所述蒸汽经所述水力旋流器的溢流口和所述筒形容器的第一出口离开，所述浓缩的污染水经所述水力旋流器的潜流口和所述筒形容器的第二出口离开；
使用所述蒸汽冷凝器和热交换器将所述蒸汽冷凝为净化水；以及
使用控制器将所述高温水槽中的加热的所述污染水保持在规定的温度范围内。
47.根据权利要求46所述的方法，还包括将所述污染水从所述污染水源泵送至低温水槽的步骤。
48.根据权利要求46所述的方法，还包括从所述污染水移除油和/或固体的步骤。
49.根据权利要求46所述的方法，还包括使用连接在所述筒形容器的第一出口和蒸汽产生计量仪之间的蒸汽除雾器结合并移除来自蒸汽的污染水珠的步骤。
50.根据权利要求46所述的方法，其中，所述规定的温度大于或等于212华氏度(100摄氏度)、或大于杀死水中致病菌所需的温度、或大于或等于250华氏度(121摄氏度)、或大于或等于300华氏度(148摄氏度)、或大于或等于咸水淡化所需的温度、或大于或等于熔化石蜡所需的温度、或大于或等于产生蒸汽所需的温度。
51.根据权利要求46所述的方法，还包括通过调节经过所述无焰热源的所述水的流速控制所述规定的温度的步骤。
52.根据权利要求46所述的方法，还包括通过调节连接在所述无焰热源与所述低温水槽之间的吸收阀控制所述规定的温度的步骤。
53.根据权利要求46所述的方法，其中所述步骤以连续处理或批次处理进行。
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