CN107108294A - 脱盐水处理系统中的选择性结垢及相关方法 - Google Patents

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Abstract

总体上描述了进行脱盐的水处理系统中的选择性结垢。根据某些实施方案，通过调节水处理系统内的含盐水性流的一个或更多个系统参数(例如温度和/或流速)来控制水处理系统内固体垢的形成位置。

Description

脱盐水处理系统中的选择性结垢及相关方法
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2014年10月22日提交的题为“SelectiveScaling in Desalination Water Treatment Systems and Associated Methods”的美国临时专利申请序列号62/067,318的优先权，其通过引用整体并入本文用于所有目的。
技术领域
总体上描述了包括一个或更多个其中使用选择性结垢的脱盐设备的水处理系统和相关方法。
背景
脱盐是至少部分地分离液体溶液中一定量的盐和/或其他矿物质以及一种或更多种其他组分的过程。例如，可以对盐水进行脱盐以产生适合于人消耗、灌溉、工业使用和/或各种其他用途的淡水。目前对脱盐的注意力主要集中在开发具有成本效益的为人类使用提供淡水的方法。
由于世界人口扩张，随之淡水需求的增加已导致世界上许多地区淡水短缺。脱盐可潜在地对缓解这样的短缺发挥作用。因此，期望改善的水处理系统和方法。
发明内容
总体上描述了进行脱盐的水处理系统中的选择性结垢。根据某些实施方案，通过选择和/或调节一个或更多个系统参数(例如水处理系统内的含盐流的温度和/或流速)来控制水处理系统内的固体垢的形成。某些实施方案包括操作水处理系统以确定加湿器内的流的温度和/或流速，使得相对大量的垢在加湿器内形成。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。
某些方面涉及在水处理系统内进行使水脱盐的方法。在一些实施方案中，该方法包括在水处理系统的离子去除设备内，从包含成垢离子和至少一种溶解一价盐的含盐水性进料流中去除至少一种成垢离子的至少一部分，以产生相对于含盐水性进料流包含更少的成垢离子的离子减少流。一些实施方案包括在水处理系统的换热器内，将来自第一换热器流的热传递到至少一部分离子减少流以加热离子减少流。某些实施方案包括在水处理系统的加湿器内，使水从经加热的离子减少流中蒸发到气态流中，以产生相对于含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流和经加湿的气态流。一些实施方案包括在水处理系统的与加湿器流体连接的除湿器内，使水从经加湿的气态流中凝结以产生含水流和经除湿的气态流。在一些这样的实施方案中，在加湿器内形成垢，使得水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在加湿器内形成。
一些实施方案涉及使水脱盐的方法。在某些实施方案中，该方法包括在水处理系统的脱盐设备内，从含盐水性进料流中去除水，以产生含水流和相对于含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流；以及在脱盐设备内形成垢，使得水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在水处理系统的脱盐设备的浓缩器中和/或含填充物的容器中形成。
根据某些实施方案，提供了一种在水处理系统内进行使水脱盐的方法，该方法包括在水处理系统的离子去除设备内，从包含成垢离子和至少一种溶解一价盐的含盐水性进料流中去除至少一种成垢离子的至少一部分，以产生相对于含盐水性进料流包含更少的成垢离子的离子减少流；在水处理系统的换热器内，将来自第一换热器流的热传递到至少一部分离子减少流以加热离子减少流；在水处理系统的加湿器内，使水从经加热的离子减少流中蒸发到气态流中，以产生相对于含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流和经加湿的气态流；在水处理系统的与加湿器流体连接的除湿器内，使水从经加湿的气态流中凝结以产生含水流和经除湿的气态流；以及操作水处理系统以确定加湿器内的离子减少流的温度和/或流速，使得在加湿器内形成垢，并且水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在加湿器内形成。
某些实施方案涉及从加湿-除湿脱盐设备中去除垢的方法。在一些实施方案中，所述方法包括将包含二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和草酸根阴离子的液体组合物输送至加湿-除湿脱盐设备，使得二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和/或草酸根阴离子从加湿-除湿脱盐设备的固体表面去除至少一部分垢。
通过以下对本发明的多个非限制性实施方案的详述，当结合附图来考虑时，本发明的其他优点和新特征将变得明显。如果本说明书和通过引用并入的文件包括冲突的和/或不一致的公开内容，则以本说明书为准。
附图说明
将通过举例的方式参考附图来描述本发明的非限制性实施方案，所述附图为示意性的且不旨在按比例绘制。在图中，所示出的各个相同或几乎相同的部件通常由单一数字表示。当图示对使本领域技术人员理解本发明来说不必要时，出于清楚的目的，没有在每个图中标记每个部件，也没有示出本发明的各个实施方案的每个部件。在附图中：
图1是根据某些实施方案的进行脱盐的水处理系统的示意图；
图2是根据一些实施方案的加湿-除湿脱盐设备的示意图；
图3是根据某些实施方案的包括离子去除设备和脱盐设备的水处理系统的示意图；以及
图4是根据一些实施方案的包括除垢液体源的水处理系统的示意图。
具体实施方式
总体上描述了涉及对包含一种或更多种溶解盐的水溶液进行脱盐的水处理系统内的选择性结垢的系统和方法。某些实施方案包括选择和/或操纵含盐流的温度和/或流速以选择性地形成垢。在一些实施方案中，垢可在指定的结垢区内选择性地形成，例如在脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)内或在另一位置中。在一些这样的实施方案中，控制垢的形成可以使水处理系统内不期望的位置中发生结垢的量减少或消除。例如，一些实施方案包括操作水处理系统以确定加湿器内的含盐流的温度和/或流速，使得相对大量的垢在加湿器内形成。
某些实施方案涉及可对含盐水性流的温度和/或流速进行选择和/或操纵使得以受控的方式发生结垢。根据某些实施方案已出乎意料地发现，相对于湍流的流，在停滞和层流的流中明显更可能开始结垢(并且在开始之后结垢化合物通过延伸而生长)。根据一些实施方案也已确定，可通过选择和/或调节水性流的温度来控制水性流内的结垢开始。因此，在一些实施方案中，可对供给到和/或包含在脱盐设备内部的含盐水性流的温度和/或流速进行选择和/或控制，使得水溶液内的一种或更多种成垢盐形成垢。
在某些实施方案中，大多数或基本上所有的结垢都将发生在所选择的体积(本文中也称为“结垢区”)内。例如，结垢可发生在作为脱盐设备的一部分的表面上(例如，在浓缩器(如加湿器)的表面上或脱盐设备内的含填充物的容器的表面上)。通过控制在水处理系统中发生结垢的方式，可减少由结垢引起的负面影响(例如，减少的热传递、流动路径的阻塞等)而不必完全消除结垢，完全消除结垢通常需要从进水中完全去除成垢离子，是能量和成本密集的过程。
在一些实施方案中，通过将供给到和/或包含在脱盐设备内的含盐水性流的过饱和指数调节和/或维持在期望范围，可至少部分地实现结垢的控制。例如，在某些实施方案中，可操作水处理系统，使得进入脱盐设备(例如，进入脱盐设备的浓缩器(如加湿器)和/或脱盐设备的换热器)的含盐水性溶液相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9。在一些实施方案中，可操作水处理系统，使得进入脱盐设备(例如，进入脱盐设备的浓缩器(如加湿器)和/或脱盐设备的换热器)的含盐水性溶液相对于成垢化合物的过饱和指数为小于约1.0。可例如使用脱盐设备上游的离子去除设备通过调节包含在含盐水性进料流内的溶解固体的量来实现对含盐水性进料流的过饱和指数的控制。例如，在一些实施方案中，离子去除设备可以配置成使得从离子去除设备排出的离子减少流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9(并且，在某些但未必是所有实施方案中，小于约1.0)。
图1为水处理系统100的示例性示意图，所述水处理系统100可用于从包含至少一种溶解盐的水溶液中产生回收水流。在某些实施方案中，水处理系统包括脱盐设备。脱盐设备可以配置成从由脱盐设备接收的水性流中去除水，以产生相对于由脱盐设备接收的水性流富含溶解盐(例如，富含溶解一价盐)的浓缩含盐流。参照图1，例如，水处理系统100包括脱盐设备102。根据某些实施方案，脱盐设备可配置成接收水性进料流(例如，含盐水性进料流)，例如图1中的水性进料流104。在一些实施方案中，脱盐设备配置成产生相对于由脱盐设备102接收的水性进料流104富含溶解盐的浓缩含盐流106。
在某些实施方案中，供给到脱盐设备中的流包含至少一种溶解一价盐。与本文中所述的某些(但未必是全部)本发明的系统和方法相关的一个优点是其可用于处理具有相对高浓度的溶解一价盐的流。例如，在一些实施方案中，供给到脱盐设备中的流可包含量为至少约2重量％、至少约5重量％、至少约10重量％、至少约20重量％或至少约25重量％(和/或最多至溶解度极限(在某些实施方案中))的溶解一价盐。
水性进料流104可源自于多种来源。例如，在某些实施方案中，供给到脱盐设备中的流的至少一部分包含和/或来自海水、地下水、半咸水、来自石油或天然气井的水和/或化学工艺的流出物(例如，另一个水处理系统(例如，配置成进行脱盐的水处理系统)或另一个化学工艺的流出物)。
在某些实施方案中，脱盐设备可以配置成从水性含盐流中去除水，以产生相对于由脱盐设备接收的水性含盐流富含溶解一价盐的浓缩含盐流。例如如上所述，在图1中，脱盐设备102配置成从水性含盐进料流104中去除水以产生浓缩含盐流106。溶解盐是溶解到该盐的组成离子不再通过离子键彼此结合的程度的盐。通常，术语“一价盐”是指包含一价阳离子(即，溶解时具有+1氧化还原态的阳离子)的盐。一价盐的实例包括但不限于包含钠、钾、锂、铷、铯和钫的那些。在某些实施方案中，一价盐包含一价阴离子，例如氯、溴、氟和碘。一价盐的实例包括但不限于：氯化钠(NaCl)、溴化钠(NaBr)、氯化钾(KCl)、溴化钾(KBr)、碳酸钠(Na2CO3)、硫酸钠(Na2SO4)等。
根据某些实施方案，由脱盐设备产生的浓缩含盐流包含相对高的量的溶解盐。例如，在一些实施方案中，由脱盐设备产生的浓缩含盐流包含溶解盐，使得浓缩含盐流在60°F下的密度为约9磅/加仑至约11磅/加仑、约9.5磅/加仑至约10.5磅/加仑或约9.8磅/加仑至约10.2磅/加仑。在一些实施方案中，由脱盐设备产生的浓缩含盐流包含溶解盐，使得其在60°F下的密度为约10磅/加仑。
浓缩含盐流还可包含相对大量的溶解的成垢盐。在某些实施方案中，由脱盐设备产生的浓缩含盐流包含溶解的成垢盐，使得浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数(在以下更详细地讨论)为至少约0.9。在一些实施方案中，由脱盐设备产生的浓缩含盐流包含溶解的成垢化合物，使得浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9且小于约1.0。
在一些实施方案中，脱盐设备也可产生含水流，其比供给到脱盐设备中的流包含更低浓度的溶解盐(例如，溶解一价盐)。例如，在图1中，脱盐设备102可以配置成产生含水流108，其比供给到脱盐设备102中的水性进料流104包含更少的溶解盐(例如，更少的溶解一价盐)。
可如下对脱盐设备进行操作。某些实施方案包括在脱盐设备内从含盐水性进料流中去除水，以产生含水流和相对于含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流。例如，参照图1，可将水性进料流104输送至脱盐设备102中，在脱盐设备102中，从水性进料流(例如，包含一种或更多种溶解一价盐)中去除水以产生浓缩含盐流106。在一些实施方案中，相对于水性进料流(例如，含盐水性进料流)，浓缩含盐流富含溶解一价盐。对脱盐设备进行操作还可产生含水流，其包含比供给到脱盐设备中的流内存在的溶解一价盐更少的溶解一价盐。例如，在图1中，从水性进料流104中去除水可产生含水流108，其包含比进料流104内存在的溶解一价盐更少的溶解一价盐。
在一些实施方案中，脱盐设备配置成产生包含相对高纯度的水的流。例如，在一些实施方案中，脱盐设备产生包含量为至少约75重量％、至少约85重量％、至少约95重量％、至少约99重量％、至少约99.9重量％或至少约99.99重量％(和/或最多至约99.999重量％或者更多(在某些实施方案中))的水的流(例如，图1中的含水流108)。
各种类型的脱盐设备可用于本文所述的实施方案中。在一些实施方案中，脱盐设备包括加湿-除湿脱盐设备。
图2为示例性脱盐设备102的示例图，所述脱盐设备102可与本文中所述的某些本发明的系统和方法联合使用。如下所述，图2中的脱盐设备102包括加湿器和除湿器。图2中的脱盐设备102也可称为加湿-除湿脱盐设备。
在图2的示例性实施方案中，脱盐设备102包括加湿器206，其可以配置成接收流104(其可对应于，例如图1中的流104)。加湿器206还可配置成接收气态流208。气态流208可包含能够携带水蒸汽的任何气体。例如，气态流208可包含空气、氮气、氧气、稀有气体(例如，氦气、氩气等)和/或任何其他适合的气体。在一些实施方案中，加湿器206可以配置成使水从水性进料流104蒸发到气态流208中以产生经加湿的气态流210和浓缩含盐流106。
在图2的示例性实施方案中，脱盐设备102还包括与加湿器206流体连接的除湿器212。除湿器212可以配置成使至少一部分水从气态流210中凝结以产生含水流108和经除湿的气态流208。
在某些实施方案中，除湿器与加湿器直接流体连接。例如，在图2中，除湿器212(经由流210和流208)与加湿器206直接流体连接。在另一些实施方案中，可将加湿器和除湿器布置成使得其彼此流体连接，但不是彼此直接流体连接。
可如下对加湿-除湿脱盐设备进行操作。在一些实施方案中，从供给到脱盐设备的流(例如，离子减少流和/或供给到脱盐设备中的另一流)中去除水以产生相对于进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流。浓缩含盐流可以例如通过对气态流进行加湿来产生。这可以例如通过将包含至少一种溶解盐(例如，溶解一价盐)的进料流输送至加湿器中来实现。例如，参照图2，可将包含至少一种溶解盐(例如，至少一种溶解一价盐)的流104和气态流208供给到加湿器206中。在某些实施方案中，对气态流进行加湿包括使气态流与供给到脱盐单元的水性含盐流在加湿器内接触以使至少一部分水从水性含盐进料流中蒸发到气态流中。例如，在图2中，可以在加湿器206内使来自水性进料流104的水蒸发到气态流208中以产生经加湿的气态流210(其可包含水蒸汽)和浓缩含盐流106。可将浓缩含盐流106从脱盐设备输送出去并输送至下游的处理设备中。
在一些实施方案中，在将水性进料流输送至加湿器之前，可使浓缩含盐流的至少一部分与水性进料流混合。例如，在图2中，可使浓缩含盐流106的一部分经由流224再循环并与水性进料流104混合，以在流222内形成混合物。然后可将流222输送通过换热器218和/或换热器216(在以下更详细地描述)并且最终输送至加湿器206中。在一些这样的实施方案中，可在加湿器206内使水从流104和流224二者中蒸发。但是，不需要使浓缩含盐流再循环，并且在另一些实施方案中，水性进料流直接供给到加湿器中。例如，参照图2，在一些实施方案中，没有浓缩含盐流106通过224进行输送。在一些这样的实施方案中，流222的内容物对应于流104的内容物。
一些实施方案包括将气态流输送至除湿器并且使气态流内的至少一部分水凝结。例如，参照图2，可将经加湿的气态流210输送至除湿器212中，其中水可以凝结以形成含水流108和经除湿的气态流208。在某些实施方案(包括图2所示的该组实施方案)中，可将至少一部分经除湿的气态流再循环至加湿器206(例如，在封闭回路中)并用于从供给到加湿器的水溶液中去除水。在另一些实施方案中，可将来自除湿器的经除湿的流输送至系统内的其他地方和/或排出。
加湿器可具有允许将水从脱盐进料流转移至气态流的任何配置。在某些实施方案中，加湿器包括容器(例如，不锈钢罐或其他容器)。加湿器容器可包括配置成接收水性含盐进料流(例如，图1和图2中的水性进料流104)的第一输入端和配置成接收气态流(水从水性含盐进料流中蒸发至所述气态流中)的第二输入端。
在一些实施方案中，加湿器包括配置成产生水性含盐流的液滴的装置(当将水性含盐进料流输送经过该装置时)。例如，可将喷嘴、凹口槽形分配器或其他喷射装置设置在加湿器的顶部以使得水性进料流作为液滴(例如，喷射)向下分布到加湿器的底部。使用液体分布装置(例如，喷射装置)可增加供给到加湿器中的水性含盐流与气态流(水从水性含盐流中输送至所述气态流中)之间的接触程度。在一些这样的实施方案中，可以以相对于输送水性含盐流的方向的逆流方向输送气态流。例如，可将气态流输入加湿器的底部，经过加湿器容器，并从加湿器的顶部输出。在某些实施方案中，在加湿器的底部或底部附近收集没有从水性含盐进料流输送到气态流中的剩余部分的水，并将其作为浓缩含盐流(例如，图1和图2中的浓缩含盐流106)输送出加湿器(并且输送出水处理系统)。
在某些实施方案中，可在加湿步骤之前和/或期间加热加湿器206、水性进料流104、流222(其可不同于流104，例如，当采用经由流224进行再循环时)和/或气态流208。加热这些流中的一个或更多个可增加在加湿器内水从水性含盐进料流转移至气态流中的程度。根据某些实施方案，可使用换热器进行所述加热。
根据某些实施方案，在将供给至加湿器的含盐水性进料流供给至加湿器之前，可通过至少一个换热器对其进行加热。在一些实施方案中，换热器可以配置成将来自换热器流的热传递至含盐水性进料流(例如，直接传递至流104和/或当采用经由流224进行再循环时，传递至流222)。在一些这样的实施方案中，在将含盐水性进料流供给至加湿器之前，可使用至少一个换热器将来自液体流的热传递至含盐水性进料流。例如，在一些实施方案中，水处理系统的脱盐设备包括换热器，其用于将来自脱盐设备外部的热源(例如锅炉)加热的液体的热传递至含盐水性进料流。作为一个实例，图2中的脱盐设备102包括任选的换热器216，其可用于在将含盐水性进料流104供给至加湿器206之前，将来自液体流214的热传递至流222(流222包含含盐水性进料流104的至少一部分，以及任选地，当进行再循环时其包含一些浓缩含盐流106)。可以例如使用锅炉或脱盐设备102外部的任何其他合适的热源加热液体流214。通常，使流214与流222(流222包含含盐水性进料流104的至少一部分，以及任选地，当进行再循环时其包含一些浓缩含盐流106)在换热器216内彼此保持流体隔离，使得流的内容物基本上不混合，但是热在其间传递。
作为另一个实例，在一些实施方案中，水处理系统的脱盐设备包括换热器，其用于将来自由脱盐设备内部的热源加热的液体的热传递至含盐水性进料流。例如，图2中的脱盐设备102包括任选的换热器218，其可用于在将含盐水性进料流104供给至加湿器206之前，将来自含水流108的热传递至流222(其包含含盐水性进料流104的至少一部分，以及任选地，当进行再循环时其包含一些浓缩含盐流106)。含水流108内的水可例如由于与气态流210内的水在除湿器212中的凝结相关的凝结潜热而被加热。根据某些实施方案，以这种方式，可使用任选的换热器218来回收可能从脱盐设备102中损失的热。通常，使流222(其包含含盐水性进料流104的至少一部分，以及任选地，当进行再循环时其包含一些浓缩含盐流106)与流108在换热器218内彼此保持流体隔离，使得流的内容物基本上不混合，但是热在其间传递。
根据某些实施方案，使用第一换热器将来自脱盐设备内部的热源的热传递至含盐水性进料流，随后使用第二换热器将来自脱盐设备外部的热源的热传递至含盐水性进料流。例如，在图2中，将流222(其包含水性进料流104的至少一部分，以及任选地，当进行再循环时其包含一些浓缩含盐流106)输送至第一换热器218中，第一换热器218用于将来自脱盐设备内的热源(例如，流108)的热传递至水性进料流104(经由流222)。随后，将流222(其包含水性进料流104的至少一部分)输送至第二换热器216中，第二换热器216用于将来自脱盐设备外部的热源(例如流214)的热传递至水性进料流104(经由流222)。尽管图2中示出了两个换热器，但是并非所有实施方案都包括两个换热器，并且在一些实施方案中，在脱盐设备102中仅包括换热器216，或者在脱盐设备102中仅包括换热器218。
在某些实施方案中，用于将来自第一液体的热传递至含盐水性进料流的换热器与加湿器直接流体连接。例如，在图2中，在一些实施方案中，可以对换热器216进行配置和/或操作，使得其与加湿器206直接流体连接。在一些实施方案中，可以对换热器218进行配置和/或操作，使得其与加湿器206直接流体连接。
在一些实施方案中，在加湿器与用于将来自第一液体的热传递至含盐水性进料流的换热器之间，含盐水性进料流的组分的相对丰度变化均不超过5％。例如，在图2中，根据一些实施方案，可以对换热器216和加湿器206进行布置和/或操作，使得在换热器216与加湿器206之间，流222(其包含含盐水性进料流104的至少一部分)的组分的相对丰度变化均不超过5％。类似地，参照图2，根据某些实施方案，可以对换热器218和加湿器206进行布置和/或操作，使得在换热器218与加湿器206之间，流222(其包含含盐水性进料流104的至少一部分)的组分的相对丰度变化均不超过5％。
可使用本领域已知的任何换热器来进行本文所述的热传递操作。在一些实施方案中，换热器可以是液-液换热器(即，可用于将热从一个液体传递至另一个液体的换热器)。合适的换热器的实例包括但不限于壳-管式换热器、管-管式换热器、板式换热器、板-壳式换热器、板-框式换热器等。
在一些实施方案中，加湿器206包括填充材料(例如，聚氯乙烯(PVC)填充材料或其他类似材料)。填充物可以促进加湿器内的水性含盐流与气态流之间的增强的直接接触。
加湿器可具有任何尺寸，其通常取决于系统中采用的加湿器单元的数目和待脱盐的水性含盐溶液的总流率。在某些实施方案中，水处理系统中使用的加湿器的总体积可为至少约1升、至少约10升或至少约100升(和/或最多至约1,000,000升或者更多(在一些实施方案中))。
除湿器可具有允许水从供给到除湿器中的含蒸汽的气态流中凝结的任何配置。在某些实施方案中，除湿器包括容器(例如，不锈钢罐或其他容器)。除湿器容器可包括配置成接收含水蒸汽的气态进料流(例如，图2中的经加湿的气态流210)的第一输入端。除湿器容器可包括配置成输出经除湿的气态流(例如，图2中的气态流208)的第一输出端和配置成输出包含相对高百分比的水的含水流(例如，图1和图2中的含水流108)的第二输出端。
在某些实施方案中，可将相对冷的含水流输送至除湿器中。输送至除湿器中的相对冷的含水流可充当冷却源，其可在经加湿的气态流被输送至除湿器之后使水蒸汽从经加湿的气态流中凝结。例如，参照图2，流228可相当于相对冷的含水流。可将流228输送至除湿器212中。流228相对低的温度可充当用于除湿器212的冷却源，并且可以使来自经加湿的气态流210的可凝结水蒸汽凝结。在一些实施方案中，可使来自流228的水与凝结水(来自经加湿的气态流210中的水蒸汽)合并，随后经由流108输送出加湿器。在某些实施方案中，来自水蒸汽凝结和/或经加湿的气态流210的冷却的潜热和/或显热可经由流108从除湿器212中移除。
在一些实施方案中，并且如本文其他地方所述，可使用换热器218从流108中回收热。在一些实施方案中，在该热回收步骤之后，将流108内的至少一部分水从脱盐设备中移除作为相对纯净的含水流(例如，经由图2中的流232)。在某些实施方案中，从脱盐设备中移除的相对纯净的水产物(例如，经由流232)的量基本上等于(例如，在5重量％以内)除湿器212中从经加湿的气态流210中凝结的水的量。
在某些实施方案中，将流108的至少一部分再循环至除湿器212中。例如，在图2中，可将流108的至少一部分经由流230循环至流228并与流228混合。可进行这样的再循环，例如以向加湿器提供冷却。在某些实施方案中，流230直接再循环至流228而不进行另外的冷却。在另一些实施方案中，可在与流228混合之前对流230进行冷却。在一些实施方案中，不向从除湿器的出口再循环至除湿器的入口的水流中添加另外的水。例如，参照图2，在一些实施方案中，不存在流228，并且流230直接输送至除湿器212中而不添加另外的水。在另一些实施方案中，不使水再循环至除湿器。例如，参照图2，在一些实施方案中，不存在流230，并且仅使用流228。
在某些实施方案中，除湿器配置成使得气态流在除湿器内直接接触液体。在一些实施方案中，加湿器配置成使得气态流直接接触加湿器内的含盐水性进料流。在一些实施方案中，可能有利的是将加湿器和/或除湿器配置成使得气态流与液体流(例如在除湿器的情况下的凝结液体流，以及在加湿器的情况下的含盐水性进料流)之间保持直接接触，因为在一些这样的实施方案中，向气相的热传递可得到增强。这样的布置可导致来自气相的水蒸汽在除湿器中更能量有效的凝结和/或来自含盐水性进料流的水蒸汽在加湿器中更能量有效的蒸发。
在某些实施方案中，除湿器包括鼓泡塔凝结器。例如，参照图2，可将来自加湿器206的经加湿的气态流210输送至除湿器212的底部，之后，可使流210的内容物与凝结液体在除湿器212的底部接触。由于经加湿的气态流210的内容物被输送经过除湿器212内的液体，可以使至少一部分水蒸汽凝结并保持在除湿器的底部。可经由含水流108将在除湿器底部的凝结水输送出除湿器，并且可经由流208将经除湿的气体输送出除湿器的顶部。
除湿器可包括液体和含蒸汽的气体在其中接触的单个级板，或者液体和含蒸汽的气体在其上接触的多个级板。鼓泡塔凝结器的各个级板可包括在级板底部的气泡发生器，例如筛板。在操作期间，凝结液体可在气泡发生器上方聚集，并且可通过使气态流经过气泡发生器来使经加湿的气态流鼓泡经过凝结液体。
在其中多级鼓泡塔凝结器用作除湿器的某些实施方案中，可将第一级的入口耦接至含蒸汽的气体源并且将第一级的出口耦接至第二级的入口。可布置额外的级板使得在前级板的出口流体耦接至在后级板的入口，并且最后级板的出口可用作凝结器的出口(例如，图2中的气态流208源自所述凝结器的出口)。
可用作本文中所述的某些系统和方法中的除湿器的适合的鼓泡塔凝结器包括在以下中描述的那些：Govindan等人以美国专利申请序列号13/548,166于2012年7月12日提交的并且题为“Bubble-Column Vapor Mixture Condenser”的美国专利公开号2013/0075940；于2014年9月12日提交的并且题为“Systems Including a CondensingApparatus Such as a Bubble Column Condenser”的美国专利申请号14/485,606；于2014年9月23日提交的并且题为“Desalination Systems and Associated Methods”的美国专利申请号14/494,101，其各自通过引用整体并入本文用于所有目的。
除湿器可具有任何尺寸，其通常取决于水处理系统中采用的除湿单元的数目和待脱盐的水性含盐溶液的总流率。在某些实施方案中，在水处理系统中使用的除湿器的总体积可为至少约1升、至少约10升或至少约100升(和/或最多至约1,000,000升或更多(在一些实施方案中))。
可在任何合适的温度和/或压力下操作加湿-除湿设备。在一些实施方案中，在低于1个大气压的压力下操作加湿-除湿脱盐设备。
应理解，本文中所述的本发明的系统和方法并不限于包括加湿/除湿脱盐设备的那些，并且在另一些实施方案中，可采用其他脱盐设备类型。在一些实施方案中，脱盐设备包括机械蒸汽压缩设备。在一些实施方案中，机械蒸汽压缩设备在压缩设备两侧的压力比为1.1或更高。根据某些实施方案，机械蒸汽压缩设备包括叶片压缩装置和/或轴向压缩装置。在某些实施方案中，脱盐设备包括正向渗透脱盐设备。在一些实施方案中，脱盐设备包括真空蒸馏脱盐设备。
在一些实施方案中，脱盐设备包括混合脱盐设备，其包括第一脱盐单元和第二脱盐单元。在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元为反渗透单元，而第二单元为加湿-除湿脱盐设备。加湿-除湿脱盐设备可以具有上述任何特性。例如，在一些实施方案中，在低于1个大气压的压力下操作加湿-除湿脱盐设备。在某些实施方案中，加湿-除湿脱盐设备包括包含鼓泡塔凝结器的除湿器。在一些实施方案中，加湿-除湿脱盐设备包括多个管，其配置成离散地改变加湿器和/或除湿器中间点处的空气质量流量与液体质量流量之比。
在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元为反渗透单元，而第二单元为机械蒸汽压缩设备。机械蒸汽压缩设备可具有上述任何特性。例如，在一些实施方案中，机械蒸汽压缩设备在压缩设备两侧的压力比为1.1或更高。在某些实施方案中，机械蒸汽压缩设备包括叶片压缩装置和/或轴向压缩装置。
在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元包括反渗透单元，而第二单元为多效蒸馏设备。在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元为反渗透单元，而第二单元为多级闪蒸设备。在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元为反渗透单元，而第二单元为真空蒸馏设备。在某些实施方案中，在混合脱盐设备中，第一单元为反渗透单元，而第二单元为膜蒸馏设备。在一些这样的实施方案中，膜蒸馏设备是多级的。
无论脱盐设备的具体形式如何，脱盐设备通常包括浓缩器。脱盐设备的浓缩器是指脱盐设备的如下区域，其中将水从进入的含盐流中去除，以产生更浓缩形式的包含盐的流。例如，在加湿-除湿脱盐设备中，加湿器相当于浓缩器。在正向渗透或反渗透脱盐设备中，渗透膜的渗余物侧相当于浓缩器。在真空蒸馏脱盐设备中，被施加真空的体积相当于浓缩器。在机械蒸汽压缩脱盐设备中，蒸发器相当于浓缩器。鉴于本公开内容提供的理解，本领域普通技术人员将能够确定给定脱盐系统中相当于浓缩器的部分。
如上所述，某些实施方案涉及选择和/或改变(例如，控制)水处理系统的一个或更多个参数，使得垢在水处理系统的特定位置形成，在本文中也称为“选择性结垢”。某些实施方案包括由于包含成垢离子的溶液的物理和/或热力学特性的变化而形成固体垢。在一些实施方案中，选择性结垢包括选择和/或改变溶液的一种或更多种物理和/或热力学特性以引起溶液形成垢。
结垢是本领域已知的现象。通常，结垢包括在具有与垢不同的化学组分的表面上形成固体盐(“垢”)，并且所述表面不与流体(垢从其中沉积)一起输送。例如，在加湿器运行期间流经加湿器的流体的固体盐在加湿器的壁上和/或在填充材料(其保持包含在加湿器中)的表面上的沉积被认为是结垢。另一方面，在加湿器运行期间输入并输出加湿器的悬浮固体上形成固体盐则不被认为是结垢。作为另一个实例，成垢离子的沉淀(其中成垢离子在如下所述的离子去除设备内的液体中沉淀)也不被认为是结垢。
在水处理系统内垢的形成可包括多种类型的垢中任一种的形成。在一些实施方案中，在水处理系统中选择性形成的垢包括包含Mg2+、Ca2+、Sr2+和/或Ba2+中的至少一种的盐。在某些实施方案中，在水处理系统中选择性形成的垢包括包含以下中的至少一种的盐：碳酸根阴离子(CO3 2-)、碳酸氢根阴离子(HCO3 -)、硫酸根阴离子(SO4 2-)、硫酸氢根阴离子(HSO4 -)、溶解氧化硅(例如SiO2(OH)2 2-、SiO(OH)3-、(SiO3 2-)n等)和氢氧根离子(OH-)。在一些实施方案中，在水处理系统中选择性形成的垢为这样的盐，其包含Mg2+、Ca2+、Sr2+和/或Ba2+中的至少一种以及碳酸根阴离子(CO3 2-)、碳酸氢根阴离子(HCO3 -)、硫酸根阴离子(SO4 2-)、硫酸氢根阴离子(HSO4 -)、溶解氧化硅(例如SiO2(OH)2 2-、SiO(OH)3-、(SiO3 2-)n)中的至少一种。在一些实施方案中，在水处理系统中选择性形成的垢包括这样的盐，其包含Mg2+、Ca2+、Sr2+和/或Ba2+中的至少一种以及碳酸根阴离子(CO3 2-)、碳酸氢根阴离子(HCO3 -)、硫酸根阴离子(SO4 2-)和硫酸氢根阴离子(HSO4 -)中的至少一种。在某些实施方案中，在水处理系统中选择性形成的垢包括包含锶(例如Sr2+)的盐，例如硫酸锶。
在某些实施方案中，可以控制结垢的位置。例如，在某些实施方案中，可以在脱盐设备内选择性地形成垢。在一些这样的实施方案中，可以在脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)内选择性地形成垢(例如，在加湿器内的填充物上或其他浓缩器上)。根据某些实施方案，控制结垢的位置可以使水处理系统内不期望的位置中发生结垢的量减少或消除。例如，在某些实施方案中，可以控制水处理系统的特性，使得在所选择的区域(也称为“结垢区”)内发生选择性结垢。在一些这样的实施方案中，大部分(或基本上所有)的结垢发生在结垢区内。如上所述，控制在水处理系统内发生结垢的位置还可使由结垢引起的负面影响减少，而不必显著降低结垢的总体程度或完全消除结垢，完全消除结垢通常需要从进水中完全去除成垢离子，是能量和成本密集的过程。
根据一些实施方案，可以通过选择和/或操纵至少一个参数来控制垢在水处理系统内的形成，以控制各种溶解的化合物的饱和水平。在某些实施方案中，可以选择和/或控制水处理系统的一个或更多个物理和/或热力学特性，从而选择性地形成垢。一些实施方案包括选择和/或操纵含盐水性进料流(和/或离子减少流，当存在离子交换时)的温度和/或流速，以在结垢区内选择性地形成垢。这可以例如通过如下来实现：选择和/或操纵含盐水性进料流的温度和/或流速，使得含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数为1.0或更大。一些实施方案包括选择和/或操纵含盐水性进料流的温度和/或流速，使得含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数随着含盐水性进料流被输送通过脱盐设备(例如，通过脱盐设备的浓缩器(如加湿器))而增加。一些实施方案包括选择和/或操纵含盐水性进料流的温度和/或流速，使得含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数从低于1.0的第一值增加至高于1.0的第二值。某些实施方案包括选择和/或操纵含盐水性进料流的温度和/或流速，使得含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数从高于1.0的第一值增加至比高于1.0更高的第二值。
如下计算特定溶液相对于其成垢化合物的过饱和指数。首先，计算溶液内各成垢化合物的过饱和水平。对于各溶解的成垢化合物(即，阳离子和阴离子对)，通过将溶剂中存在的化合物的量除以操作温度、操作压力和操作流速下该化合物在溶剂中的饱和极限来计算过饱和水平，忽略可能存在的任何共溶剂影响。当溶液中溶解的化合物的量处于使得任何添加量的该化合物均不溶于溶液的水平时，认为特定化合物处于饱和极限(并且称该溶液相对于该特定化合物是饱和的)。相对于特定化合物的饱和水平为1.0的溶液被称为相对于该化合物是饱和的，而饱和水平大于1.0的溶液被称为相对于该化合物是过饱和的。
如果成垢化合物的阴离子或阳离子之一以超过化学计量而存在，则溶解在溶剂中的化合物的量根据化学计量限制离子来确定。例如，如果溶液包含过量的钙阳离子和化学计量限制量的硫酸根阴离子，则溶解在溶液中的硫酸钙的量相当于如果溶液中所有的硫酸根阴离子与可用的钙阳离子形成固体沉淀物，所形成的硫酸钙的量。
在计算了溶液内各成垢化合物的过饱和水平之后，总溶液的过饱和指数被确定为溶液中存在的所有溶解的成垢化合物的最高过饱和水平。
作为一个说明性实例，溶液可包含溶解的钙和钾阳离子及溶解的碳酸根和硫酸根阴离子。为了计算这种溶液的过饱和指数，可以计算溶液中碳酸钙、硫酸钙、碳酸钾和硫酸钾各自的过饱和水平。溶液的过饱和指数将对应于碳酸钙、硫酸钙、碳酸钾和硫酸钾中最大的过饱和水平。
含盐水性进料流的过饱和指数的控制可以例如通过选择和/或调节含盐水性进料流的温度来实现。一些实施方案包括将热能传递至含盐水性进料流(和/或离子减少流，当上游存在离子交换时)以形成垢。例如，在一些情况下，离子的溶解度随着溶液温度的升高而降低。在一些这样的情况下，将热能传递至溶液可能导致溶液从亚饱和状态进入饱和状态，之后固体垢可在暴露于溶液的表面上形成。在某些实施方案中，热能可例如经由冷却从含盐水性进料流(和/或离子减少流，当上游存在离子交换时)传递出来，以在结垢区内形成垢。例如，当溶解在溶液中的化合物的溶解度随温度降低而降低时，可以进行含盐流的热能的这种向外传递。
含盐水性流的温度选择和/或控制可以使用任何合适的温度选择和/或控制设备来进行。在一些实施方案中，可以使用加热器向含盐水性流提供热能(这可以维持和/或增加含盐水性流的温度)。在某些实施方案中，可以使用换热器(例如，管-壳式换热器、热电装置(例如，珀尔帖装置)或任何其他合适类型的换热器)来向含盐水性流提供热能和/或将热能从含盐水性流中输送出去(这可导致含盐水性流温度的保持、增加和/或降低)。还可以使用适合于选择和/或操纵液体流中的温度的其他设备。
已确定，可利用含盐水性流的流速来影响溶解的成垢化合物从含盐水性流中作为垢沉积到暴露于含盐水性流的表面上的程度，并且因此，流速可用于控制由包含溶解的成垢盐的液体发生结垢的程度。因此，某些实施方案包括选择和/或控制水性流的流速以控制结垢(以及在一些实施方案中，随后的垢去除)。例如，在某些实施方案中，可以选择和/或控制水性含盐流的流速，使得在水处理系统内形成垢。在一些实施方案中，在水处理系统内的指定结垢区(例如，在水处理系统的脱盐设备内，如在脱盐设备的浓缩器内(例如，加湿器)和/或脱盐设备的含填充物的容器内)形成垢。在一些这样的实施方案中，在水处理系统的结垢区之外很少或没有结垢。
一些实施方案包括通过如下选择性地引起结垢：操作水处理系统，使得脱盐设备内的含盐水性进料流的流速低于水处理系统中其他地方的含盐水性进料流的流速。在某些实施方案中，操作水处理系统，使得脱盐设备的浓缩器(例如脱盐设备的加湿器)内的含盐水性流的流速低于水处理系统中其他地方的含盐水性流的流速。在某些实施方案中，操作水处理系统，使得含填充物的容器内(例如在浓缩器(如加湿器)内和/或在水处理系统中其他地方的含填充物的另一容器内)的含盐水性流的流速低于水处理系统中其他地方的含盐水性流的流速。可以以多种方式实现确定低流速的含盐水性流和/或降低含盐水性流的流速。例如，在某些实施方案中，可以改变用于输送含盐水性流的泵的通过量，以调节含盐水性流的流速。在一些情况下，可将含盐水性流从具有相对小的截面直径的管输送至具有相对大的截面直径的管，使得含盐水性流的线性流速降低。在一些这样的实施方案中，可以开动一个或更多个阀，之后，含盐水性流被输送通过管，该管的截面直径大于开动一个或更多个阀门之前含盐水性流被输送通过的管。在一些实施方案中，含盐水性流的流速可通过将含盐水性流输送至保持容器中而降低。
选择性结垢可以在水处理系统的任何合适的区域中实现。在一些实施方案中，至少一部分结垢发生在脱盐设备内。例如，参照图1，至少一部分结垢可发生在区域220内，在脱盐设备102占据的体积内。在一些实施方案中，至少一部分结垢发生在脱盐设备的浓缩器内，例如在脱盐设备的加湿器内。例如，参照图2，至少一部分结垢可发生在加湿器206内，如结垢区220所示。在一些实施方案中，至少一部分结垢发生在含填充物的体积内。例如，在一些实施方案中，脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)可包含填充材料，并且结垢可以选择性地发生在填充材料上。在一些实施方案中，含填充物的体积可在浓缩器的外部(例如，在靠近浓缩器且在其外侧(例如，浓缩器的下游)的容器内)，并且结垢可以选择性地发生在含填充物的体积内。通常，可通过使用例如本文其他地方描述的方法对脱盐设备内的水性含盐溶液的过饱和指数进行选择和/或控制，来选择和/或控制脱盐设备内的结垢位置。例如，在一些实施方案中，可将加热器、换热器或任何其他合适的温度控制装置并入脱盐设备中并对其进行操作，以选择和/或操纵脱盐设备内(例如，脱盐设备的浓缩器(如加湿器)内，或含填充物的容器内)的含盐水性溶液的温度。在一些实施方案中，可将泵、阀和/或其他流量控制机构并入脱盐设备并对其进行控制以确定和/或操纵含盐水性溶液的流速，使得在脱盐设备内(例如，在脱盐设备的浓缩器(如加湿器)内和/或在脱盐设备的含填充物的容器内)形成垢。
在一些实施方案中，结垢(例如，在脱盐设备内，如在脱盐设备的浓缩器(例如加湿器)内)发生在可从水处理系统中移除的表面上。在一些实施方案中，至少一部分结垢发生在可从脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)中移除的表面上。通常，当表面和部件可以彼此分离而不永久损坏表面且不永久损坏部件时，表面可从另一部件移除。可例如通过将表面滑入部件中(例如，使用摩擦配件)，通过将表面旋入部件中，或者通过各种其他合适的方法将可移除的表面安装到部件中。
作为一个实例，在一些实施方案中，至少一部分结垢发生在水处理系统的浓缩器(例如，加湿器)和/或另一含填充物的容器内的填充物的至少一部分暴露表面上。在一些这样的实施方案中，在形成垢之后，可以移除(以及，任选地，清洗和/或再循环)浓缩器(例如，加湿器)或其他容器内的填充物。在清洗和/或处理结垢的填充物时，可以用替换(例如，干净的)填充物更换结垢的填充物。在一些实施方案中，浓缩器(例如，加湿器)和/或含填充物的容器包括存在于浓缩器和/或含填充物的容器的至少一部分表面上的可移除内衬，其接触供给至浓缩器和/或含填充物的容器中的含盐水性流体。在一些这样的实施方案中，至少一部分结垢发生在浓缩器和/或含填充物的容器内的可移除内衬上。
在某些实施方案中，在结垢区内发生的结垢量(即，由于“选择性结垢”)占水处理系统内总结垢量的相对大百分比。在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在水处理系统中的结垢发生在指定的结垢区内。在某些实施方案中，在结垢区内发生的结垢量(即，由于“选择性结垢”)占脱盐设备内总结垢量的相对大百分比。在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备中的结垢发生在指定的结垢区(例如，浓缩器(如加湿器)和/或含填充物的容器)内。
在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在水处理系统内发生的结垢发生在脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)内。例如，在一些实施方案中，水处理系统包括离子去除设备和脱盐设备，所述脱盐设备包括加湿器、除湿器和至少一个换热器，所述换热器配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在水处理系统(其包括前句中的所有部件)内的结垢发生在脱盐设备的加湿器内。在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在离子去除设备、配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)、除湿器和加湿器的组合内形成的垢在加湿器中形成。
在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备内的结垢发生在脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)内。例如，在一些实施方案中，脱盐设备包括加湿器、除湿器和至少一个换热器，所述换热器配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备内的结垢发生在脱盐设备的加湿器内。在某些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)、除湿器和加湿器的组合内形成的垢在加湿器内形成。根据某些实施方案，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)和加湿器的组合内形成的垢在加湿器内形成。
在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在水处理系统内的结垢发生在浓缩器(例如，加湿器)和/或含填充材料的容器内。例如，在一些实施方案中，水处理系统包括离子去除设备和脱盐设备，所述脱盐设备包括加湿器(任选地包含填充材料)、除湿器和至少一个换热器，所述换热器配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在水处理系统(其包括前句中的所有部件)内的结垢发生在脱盐设备的加湿器内。作为另一个实例，在一些实施方案中，水处理系统包括离子去除设备和脱盐设备，所述脱盐设备包括加湿器(任选地包含填充材料)、除湿器、配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)以及含填充物的容器(例如，图2中位于加湿器206下游的容器250)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在水处理系统(其包括前句中的所有部件)内的结垢发生在脱盐设备的加湿器和/或含填充物的容器内。在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在离子去除设备、配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)、含填充物的容器、除湿器和加湿器的组合内形成的垢在加湿器和/或含填充物的容器内形成。
在一些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备内的结垢发生在脱盐设备的浓缩器(例如，加湿器)和/或含填充材料的容器内。例如，在一些实施方案中，脱盐设备包括加湿器(任选地包含填充材料)、除湿器和至少一个换热器，所述换热器配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备内的结垢发生在脱盐设备的加湿器内。作为另一个实例，在一些实施方案中，脱盐设备包括加湿器、除湿器、配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)以及含填充物的容器(例如，图2中的容器250)。在一些这样的实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有发生在脱盐设备内的结垢发生在脱盐设备的加湿器和/或含填充物的容器内。在某些实施方案中，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)、含填充物的容器、除湿器和加湿器的组合内形成的垢在加湿器和/或含填充物的容器内形成。根据某些实施方案，至少约60重量％、至少约75重量％、至少约90重量％、至少约95重量％、至少约99重量％或基本上所有的在配置成在将水溶液输送至加湿器之前向其传递热的至少一个换热器(例如，图2中的换热器216和/或换热器218)、含填充物的容器和加湿器的组合内形成的垢在加湿器和/或含填充物的容器内形成。
填充物(例如，在浓缩器(例如，加湿器)和/或含填充物的容器内)可为任何合适的类型。在一些实施方案中，填充物包括粒料(例如聚氯乙烯(PVC)填充材料、玻璃填充的聚丙烯填充材料或其他类似材料)、网(例如丝网)、切屑(例如刨花)、板、盘和/或环(例如拉西环)。根据某些实施方案，填充材料可配置成可从含填充材料的容器中移除。也就是说，填充材料可以配置成使得其可与容器分离而不永久损坏容器和填充物。作为一个具体实例，可将颗粒、切屑、环等装载到容器(例如，加湿器)中，使得在使用后可以实现填充物的移除而不破坏填充物或损坏容器壁。作为另一个实例，在一些实施方案中，网、盘、板等的使用可包括将网、盘和/或板滑入容器(例如，使用摩擦配件)中和/或通过将网、盘和/或板表面旋入容器中。
根据某些实施方案，水处理系统可包括任选的离子去除设备。离子去除设备可以配置成从由离子去除设备接收的输入流中去除至少一种成垢离子的至少一部分以产生离子减少流。通常，相对于由离子去除设备接收的输入流，离子减少流包含较少的成垢离子(例如，成垢阳离子和/或成垢阴离子)。在一些实施方案中，去除离子去除设备内的至少一种成垢离子的至少一部分包括使至少一种成垢离子的至少一部分在离子去除设备内沉淀，如以下更详细地描述。
在某些实施方案中，在将含盐水性进料流输送至脱盐设备之前，可以进行成垢离子去除步骤。因此，在某些实施方案中，使用离子去除设备去除成垢离子可以降低脱盐设备和/或离子去除设备下游的其他单元操作中的结垢水平。
例如，参照图3，水处理系统300包括离子去除设备302。根据某些实施方案，离子去除设备302可以配置成从由离子去除设备302接收的水性进料流306中去除至少一种成垢离子的至少一部分。离子去除设备302可以配置成产生离子减少流308，其相对于由离子去除设备302接收的输入流306包含更少的成垢离子。在某些实施方案中，可将至少一部分离子减少流输送至脱盐设备中。例如，在图3中，离子减少流308被输送至脱盐设备102中。在该实例中，流308可对应于图1和图2中的流104。在某些实施方案中，图2所示的加湿-除湿脱盐设备102可以用作图3中的脱盐设备。
离子去除设备还可以产生相对于供给到离子去除设备的流富含成垢离子的流。例如，在图3中，离子去除设备302可以配置成产生流309，其相对于流306富含至少一种成垢离子。或者，在某些实施方案中，从流306去除的成垢离子可以保持包含在离子去除设备302中。
在某些实施方案中，离子去除设备去除至少一种成垢离子的至少一部分，同时允许溶解一价盐保持溶解在从离子去除设备输出的水性流中。
离子去除设备可以配置成去除任何期望去除的成垢离子。本领域普通技术人员熟悉成垢离子，所述成垢离子是当以超过其溶解度水平的浓度存在时趋向于形成固体垢的离子。成垢离子的实例包括多价阳离子(例如，Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+等)和成垢阴离子如碳酸根阴离子(CO3 2-)、碳酸氢根阴离子(HCO3 -)、硫酸根阴离子(SO4 2-)、硫酸氢根阴离子(HSO4 -)、溶解氧化硅(例如，SiO2(OH)2 2-、SiO(OH)3-、(SiO3 2-)n等)、氢氧根离子(OH-)等。
在一些实施方案中，离子去除设备配置成去除至少一种成垢阳离子。成垢阳离子可为多价阳离子，例如在一些实施方案中为二价阳离子。例如，根据一些实施方案，离子去除设备可以配置成去除Mg2+、Ca2+、Sr2+和/或Ba2+。根据某些实施方案，使用离子去除设备也可以去除其他成垢阳离子。在一些实施方案中，离子去除设备配置成去除至少一种成垢阴离子。可以配置离子去除设备来去除的成垢阴离子的非限制性实例包括碳酸根阴离子(CO3 2-)、碳酸氢根阴离子(HCO3 -)、硫酸根阴离子(SO4 2-)、硫酸氢根阴离子(HSO4 -)和/或溶解氧化硅(例如，SiO2(OH)2 2-、SiO(OH)3-、(SiO3 2-)n等)。在一些实施方案中，离子去除设备配置成去除一种或更多种多价成垢阴离子，如一种或更多种二价成垢阴离子(例如碳酸根阴离子(CO3 2-)和/或硫酸根阴离子(SO4 2-))。
在一些情况下，使用离子去除设备从水性进料流中去除的成垢离子可以是微溶的(例如，在20℃下溶解度为每100克水小于约1克、每100克水小于约0.1克或每100克水小于约0.01克(或者更低))，因此，可能易于在水处理系统的多个部件内结垢。包含成垢离子的微溶盐的实例包括但不限于：碳酸钙(CaCO3)，其在20℃下溶解度为每100克水约0.000775克；硫酸钙(CaSO4)，其在20℃下溶解度为每100克水约0.264克；氢氧化镁(Mg(OH)2)，其在20℃下溶解度为每100克水约0.0009628克；以及硫酸钡(BaSO4)，其在20℃下溶解度为每100克水约0.000285克。
在某些实施方案中，离子去除设备配置成从包含相对高水平的成垢离子的流中去除至少一种成垢离子。例如，在一些实施方案中，供给到离子去除设备中的含盐水性进料流包含至少一种成垢化合物的过饱和水平的离子。在某些实施方案中，供给到离子去除设备中的含盐水性进料流在被输送到离子去除设备之前包含过饱和水平的BaSO4、SrSO4、BaCO3和/或SrCO3。
在一些实施方案中，可使用离子去除设备将含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数变为小于约1.0。例如，在一些实施方案中，从离子去除设备排出的含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9且小于约1.0。通过使用离子设备输出过饱和指数为至少0.9且小于约1.0的含盐水性流，可以抑制(或消除)在离子去除设备下游的某些位置形成垢而不浪费完全消除所有下游结垢所需的能量，从而避免不必要的费用。在一些实施方案中，过饱和指数为至少0.9且小于约1.0的含盐水性流可用作离子去除设备下游的脱盐设备的至少一部分输入。
在本文所述的实施方案中可以使用各种类型的离子去除设备。
在一些实施方案中，离子去除设备包括离子去除介质，所述离子去除介质可以包含在例如容器内。
在一些实施方案中，离子去除设备包括化学离子去除设备。在一些实施方案中，化学离子去除设备包括配置成诱导至少一种成垢离子沉淀的离子去除组合物。使成垢离子沉淀(而不是使成垢离子在固体表面上形成垢)可以防止或减少在沉淀过程下游的位置结垢。例如，化学离子去除设备可以配置成使用苛性钠、苏打灰和/或阴离子聚合物来去除至少一种离子。在一些实施方案中，离子去除组合物可以配置成诱导至少一种成垢阳离子沉淀。例如，当将苛性钠和/或苏打灰添加到包含Ca2+和/或Mg2+的流中时，包含在流内的至少一部分Ca2+和/或Mg2+可以在离子去除设备中的大部分液体内沉淀为不溶性固体(例如碳酸钙和/或氢氧化镁)。在一些实施方案中，阴离子聚合物可用作离子去除介质。在一些实施方案中，所述组合物可以配置成诱导至少一种成垢阴离子沉淀。例如，阳离子聚合物可用作离子去除介质以使离子去除设备中的大部分液体内的成垢阴离子沉淀并被去除。还可使用上述离子去除介质和/或其他离子去除介质的混合物。
在某些实施方案中，离子去除设备包括电凝设备。在一些实施方案中，电凝设备可以配置成从水性流中去除至少一部分悬浮固体，而不是或此外，从水性流中去除至少一种成垢离子的至少一部分。本领域普通技术人员熟悉电凝，其中可使用短波电解去除至少一部分多价离子和/或悬浮的污染物。
在某些实施方案中，离子去除设备包括树脂床。根据某些实施方案，树脂床包含离子交换树脂。树脂床可以包括例如阴离子选择性树脂床和/或阳离子选择性树脂床。在某些实施方案中，离子去除设备为离子交换设备。离子交换设备可包括例如离子交换介质。本领域普通技术人员熟悉离子交换介质的功能，其通常从溶液中去除至少一种成垢离子，并且在一些(但不是所有)情况下用一种或更多种一价离子替换成垢离子。例如，在某些实施方案中，离子交换介质通过如下发挥作用：接触包含成垢离子的水溶液，之后至少一部分成垢离子被离子交换介质捕获，并且原本包含在离子交换介质中的至少一部分一价离子被释放到水溶液中。在一些这样的实施方案中，离子交换介质包括离子交换树脂。
基于供给到离子去除设备的流中溶解的成垢离子的种类、所述离子的浓度和期望运行离子去除设备的流速等因素，本领域普通技术人员能够选择适合用于离子去除设备的离子去除介质(例如，离子交换介质或其他离子去除介质)。离子去除设备可包括一个或更多个在其中进行离子去除操作的罐和/或塔。例如，在某些实施方案中，离子去除设备包括一个或更多个向其中输送水性进料流和离子去除介质的罐。在一组实施方案中，将水性进料流和诱导沉淀的离子去除介质供给到一系列罐中，使成垢离子在罐中发生沉淀。在另一些实施方案中，可使用塔(例如，填充塔)进行离子去除操作。例如，在一些实施方案中，可以将水溶液供给到一个或更多个包含离子交换树脂或其他离子去除介质的填充塔中，其可用于从水溶液中去除至少一部分成垢离子。鉴于本公开内容，本领域普通技术人员能够设计多种其他适合的配置用于进行本文中所述的离子去除步骤。
离子去除设备可与水处理系统一个或更多个其他单元操作直接或间接流体连接。在某些实施方案中，离子去除设备与脱盐设备流体连接。在一些这样的实施方案中，离子去除设备与脱盐设备直接流体连接。例如，参照图3，离子去除设备302经由流308与脱盐设备102直接流体连接。在某些实施方案中，在离子去除设备与脱盐设备之间不存在单元操作。也就是说，在一些实施方案中，可将来自离子去除设备的输出直接输送到脱盐设备中而不通过任何中间单元操作。
某些实施方案涉及用于从固体表面(例如水处理系统内的固体表面)上去除垢的系统和方法。在一些这样的实施方案中，在水处理系统的一个或更多个部分内(例如，在脱盐设备的一部分中，例如在脱盐设备的浓缩器(如加湿器)和/或换热器中)形成垢之后，可以使用除垢方法从形成有垢的固体表面去除固体垢。在某些实施方案中，加湿-除湿脱盐设备的固体表面上的至少一部分垢可从加湿-除湿脱盐设备中去除。
在一些实施方案中，除垢方法可用于从水处理系统内的换热器(例如，脱盐设备的换热器，如图2中的换热器216和/或换热器218)的至少一个表面上去除固体垢。如果过饱和水在换热器中保持静止较长时间，则可在停止运行期间形成这样的垢。在一些这样的情况下，不存在防止结垢所需的高速度，并且从停滞的水溶液中沉积垢。在确保某些水处理系统的适当功能方面，从换热器中去除垢可能是重要的，原因是在某些水处理系统中，换热器内的结垢比系统中其他地方的结垢对系统性能的有害影响更大。在一些这样的系统中，这种增加的性能降低是主要的，原因是垢的热导率比用作换热器表面的金属的热导率低几个数量级。
根据一些这样的实施方案，固体表面上的垢可通过将垢暴露于包含至少一种多价配体的液体组合物(例如，水性液体组合物)中来至少部分地去除。在某些实施方案中，多价配体与固体表面上的垢中的阳离子物类形成基本上可溶于液体组合物的配合物。在多价配体与阳离子物类形成配合物之后，配合物可溶解在液体介质中，并且垢可从固体表面去除。作为一个具体实例，可使用多价配体如二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)螯合硫酸锶垢中的锶阳离子。螯合离子在水中的溶解度高，因此其溶解在水性液体组合物中。溶解在液体组合物中后，可通过从换热器中排出液体组合物将溶解的配合物输送出去。
在除垢液体组合物中，可以使用可与成垢离子盐的一种或更多种离子形成配合物的任何多价配体。在一些实施方案中，多价配体可包括二价配体和三价配体、四价配体、五价配体和/或六价配体。可使用的多价配体的实例包括但不限于三磷酸盐、次氮基三乙酸(NTA)、肌苷三磷酸、3,4-二羟基苯甲酸、尿苷三磷酸、ATP、柠檬酸、草酸、ADP、曲酸、三偏磷酸盐、马来酸、球蛋白、酪蛋白、白蛋白、己二酸、富马酸、苹果酸、(+)-酒石酸、谷氨酸、柠康酸、衣康酸、琥珀酸、天冬氨酸、戊二酸、乙二胺四乙酸(EDTA)和二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)。
根据某些实施方案，用于从水处理系统的固体表面去除垢的液体组合物包含草酸根阴离子。在某些实施方案中，用于从水处理系统的固体表面去除垢的液体组合物包含草酸根阴离子和二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)。不希望受任何特定理论的束缚，认为草酸根阴离子和DPTA的组合表现出协同作用，其允许这两种化学物质的组合去除比单独使用这两种化学物质中的任一种去除的垢多得多的垢。
在一些实施方案中，用于从固体表面去除垢的液体组合物具有碱性pH。例如，在一些实施方案中，液体组合物的pH为至少约8、至少约10、至少约12或至少约13(和/或pH最高至约14或更高(在一些实施方案中))。根据某些实施方案，可通过向液体组合物中添加氢氧根离子来提高液体组合物的pH。这可以例如通过在液体组合物中溶解一种或更多种氢氧化物盐(例如氢氧化钾、氢氧化钠或任何其他合适的氢氧化物盐)来实现。
如上所述的用于去除垢的液体组合物可用于去除任何类型的垢，包括本文其他地方提到的任何结垢盐。在某些(但未必是全部)实施方案中，用于去除垢的液体组合物可特别有效地去除含锶的垢(例如，包含Sr2+离子的盐，例如碳酸锶、碳酸锶、硫酸锶、硫酸氢锶等)。
在一些实施方案中，用于至少部分地去除垢的液体组合物为清洗液体，其与含盐水性溶液(脱盐设备被配置成处理所述含盐水性溶液)分别供给到脱盐设备中。例如，在图4所示的一组实施方案中，水处理系统400包括任选的除垢液体源402，其可包含如上所述的多价配体。在一些这样的实施方案中，在使用脱盐设备102(和任选的离子去除设备302(在一些情况下))进行脱盐操作之后，可将来自源402的除垢液体经由管404输送至脱盐设备102中。例如，管404可与脱盐设备102内的加湿器和/或一个或更多个换热器流体连接(直接或以其他方式)。在一些这样的实施方案中，可使除垢液体经由管406从脱盐设备102返回源402。在一些实施方案中，可使除垢液体循环通过脱盐设备(例如，脱盐设备的一个或更多个换热器)，直到清洗完成和/或直到除垢液体不能再溶解更多垢。根据某些实施方案，当除垢液体不能再溶解垢时，可用新的除垢液体进行替换。
虽然在图4中除垢液体被示出为沿着与含盐进料管308分开的管进行输送，但是应理解，在另一些实施方案中，可以使用与用于将水性含盐流(待脱盐)输送至脱盐设备相同的管将除垢液体输送至脱盐设备中。除垢液体可用于从脱盐设备102的任何部分去除垢。例如，参照图2，除垢液体可用于从加湿器206、换热器216、换热器218中和/或与这些单元操作流体连接和/或这些单元操作之间的任何管中去除垢。
在一些实施方案中，用于从水处理系统中至少部分地去除垢的液体组合物可作为与脱盐过程暂时独立的除垢过程的一部分供给至脱盐设备。例如，在一些实施方案中，脱盐过程可在第一时间段和随后的与第一时间段基本上不重叠的第二时间段内进行，除垢操作可在将脱盐过程期间在水处理系统中形成的固体垢的至少一部分从水处理系统中去除时进行。当两个时间段重叠的总时间小于两个时间段中较短那个的5％时，认为两个时间段彼此不重叠。在一些实施方案中，发生彼此基本上不重叠的两个时间段，使得两个时间段重叠的时间的总量小于两个时间段中较短那个的2％、1％或0.1％。
本文所述的各种单元操作可与其他单元操作和/或部件“直接流体连接”。通常，当第一单元操作和第二单元操作彼此流体连接并且当流体从第一单元操作输送至第二单元操作时其组成基本不变(即，流体组分的相对丰度变化不超过1％)时，第一单元操作与第二单元操作之间存在直接流体连接(并且这两个单元操作被称为彼此“直接流体连接”)。在其中两个单元直接流体连接的某些实施方案中，离开第一单元的流体相与进入第二单元的流体相相同。作为说明性实例，将连接第一单元操作和第二单元操作并且其中流体的压力和温度被调节而流体的组成未改变的流称为直接流体连接第一单元操作和第二单元操作。另一方面，如果进行了分离步骤和/或化学反应使得从第一单元操作通过第二单元操作期间流的内容物的组成大幅改变，则该流不能称为直接流体连接第一单元操作和第二单元操作。
2014年10月22日提交的题为“Selective Scaling in Desalination WaterTreatment Systems and Associated Methods”的美国临时专利申请序列号62/067,318的内容通过引用整体并入本文用于所有目的。
以下实施例旨在说明本发明的某些实施方案，但不例示本发明的全部范围。
实施例1
该实施例描述了其中进行脱盐的水处理系统的操作，其中对水处理系统内的水溶液的流速进行操纵以在水处理系统的脱盐设备的加湿器内选择性地形成垢。
在该实施例中使用的水处理系统包括与图3所示的系统类似的离子去除设备和脱盐设备。脱盐设备是与图2所示的设备类似的加湿-除湿脱盐设备。
在将水性流输送至离子去除设备之前，进入的含盐水首先供给至两个流均衡罐中。流均衡罐用于沉淀并撇去含盐水的油和油脂。
然后将来自流均衡罐的含盐水性流供给至离子去除设备中。离子去除设备包括两个2800加仑的反应罐。在第一反应罐中，添加苏打灰和凝结剂，这导致形成钙、镁、钡和锶的不溶性碳酸盐。然后将第一反应罐中的内容物输送至第二反应罐(2800加仑)中，向其中添加苛性钠，导致形成钙和镁的不溶性氢氧化物和碳酸盐。
在过滤出沉淀的盐(主要由不溶性碳酸盐和氢氧化物组成)之后，将水性流输送至加湿-除湿设备。在加湿-除湿设备中使用填充床加湿器。将载气(在这种情况下为环境空气)以每分钟4000立方英尺的流率供给到加湿器中用于所产生的每天每500美式桶的淡水。载气的加湿通过在载气经过加湿器时使离子减少流从位于加湿器顶部的离子去除设备经过玻璃填充的聚丙烯填充材料喷洒来实现。随后将加湿的载气输送至与换热器流体连接的不锈钢气泡塔凝结器。
通过离子去除设备从输入的水性流中去除的垢的量通过调节添加到水性流中的苏打灰、凝结剂和苛性钠的量来控制。表1示出了供给到离子去除设备和脱盐设备中的含盐流的成分浓度。
表1.实施例1中供给至离子去除设备并供给至脱盐设备的含盐溶液的成分浓度。
操纵水处理系统内的局部流速，使得在加湿-除湿设备的加湿器中选择性地形成垢，并在水处理系统的其他部分中形成(例如在脱盐设备的换热器的表面上)受限的垢。在加湿器内选择性形成垢源于新的基本理解，即相对于湍流的流，在停滞和层流的流中明显更可能开始结垢(并且在开始之后结垢化合物通过延伸而生长)。通过仅去除一部分成垢离子并经由流速的操纵来控制结垢，去除了足量的成垢离子，从而显著减少了传热表面上的结垢，同时避免了将水处理系统中的成垢离子完全消除的高成本。
含盐水性流的局部流速通过对脱盐设备的换热器、水处理系统中的流体管和脱盐设备的除湿器的尺寸进行调节来控制，使得这些部件内的流体通路的截面积显著小于通过加湿器填充物的流体路径。在运行期间，通过脱盐设备的换热器的含盐溶液的平均局部流速为3.63英尺/秒。相比之下，通过加湿器的填充物的含盐溶液的局部流速仅为0.6英尺/秒，比除湿器内的平均局部流速低五倍以上。
在该实施例中，进入加湿器的含盐水性流相对于成垢化合物的过饱和指数为8.33(如通过进料中硫酸锶的量所确定，其也是进料中最不可溶的离子)。使浓缩含盐流在水处理系统中再循环并浓缩，直到含盐水性流相对于成垢化合物的过饱和指数(再次，如通过硫酸锶的浓度所测定)达到16.12。此时，将浓缩含盐流从水处理系统中排出，并重复该过程。
在上述条件下，预期硫酸锶将在两个小时内在换热器中形成垢。出乎意料地，在6.5天的运行期之后，热或水力性能(其指示结垢)基本上没有明显下降。在6.5天的运行期之后，将换热器拆卸并进行检查。出乎意料地，在换热器上仅形成少量的固体。固体作为细粉末薄层存在于换热器板的处理侧上。X射线衍射分析显示固体的组成如下：75％至95％的天青石(SrBa(SO4)2)和5％至20％的锶钛氧化物。另一方面，在6.5天的运行期之后，在填充床加湿器上形成了相对大量的垢。
实施例2
该实施例描述了其中进行脱盐的水处理系统的操作，其中不采用选择性结垢的策略。在该实施例中，操作实施例1中描述的水处理系统，使得预处理系统去除油和油脂，但在离子去除设备中没有添加化学品。因此，从离子去除设备排出的含盐流与含盐进料基本上具有相同量的成垢离子。表2示出了在该实施例中供给至该系统和脱盐设备的含盐流的组成浓度。表2.实施例3中供给至离子去除设备并供给至脱盐设备的含盐溶液的成分浓度。
水处理系统在这些条件下运行6天，然后换热器堵塞并强制关闭。仅在一个12小时之后就开始发生结垢。结垢的开始通过水处理系统中换热器的最热部件的传热速率降低来指示。热效率和清洁水生产在随后6天中稳定下降，直到水处理系统关闭。关闭后，将板从脱盐换热器中移除，在板上形成了垢(其在没有放大的情况下清晰可见)。使用X射线衍射测定垢的组成，表明垢几乎完全由硫酸锶组成。
为了使水处理系统回到在线状态，每块板都手动进行清洗。虽然在该配置中使用离子去除设备预处理含盐水性流的成本是可以忽略的，但是与水处理系统的停机时间、生产时间缩短和热效率低相关的成本非常高。
实施例3
该实施例描述了水处理系统的操作，其中对水处理系统内的水溶液的温度进行操纵以在水处理系统内的选定位置内形成垢。
使用两个换热器来操作实施例2中所述的水处理系统。使用第一换热器将来自从脱盐设备的除湿器排出的含水流的一部分热传递至供给到脱盐设备的加湿器中的含盐溶液(以预加热进入加湿器的含盐溶液)。使用第二换热器将来自水处理系统内其他单元的一部分热传递至供给到脱盐设备中的含盐溶液。第二换热器运行的温度范围(210°F至240°F)显著高于第一换热器运行的温度范围(140°F至170°F)。在实施例2所述的水处理系统的运行期间，在第二换热器中观察到的传热速率显著降低，而在第一换热器中没有观察到热传递降低。在系统运行12小时随后关闭系统之后，将第二台换热器拆卸并进行检查，显示出大量垢的形成。另一方面，在第一换热器中没有观察到结垢的迹象。
实施例4
该实施例描述了通过去除离子去除设备中基本上所有的成垢离子来防止水处理系统的脱盐设备中的结垢。
在该实施例中，对实施例1中所述的水处理系统进行操作，使得从离子去除设备排出的含盐水性流的过饱和指数(相对于成垢化合物)远低于1。表3示出了供给到离子去除设备和脱盐设备中的含盐流的成分浓度。
表3.实施例4中供给至离子去除设备并供给至脱盐设备的含盐溶液的成分浓度。
对水处理系统进行操作使得从加湿器排出的浓缩含盐流(例如，图2所示的流106内)包含浓度为约240,000mg/L的溶解固体。虽然浓缩含盐流中的溶解固体的浓度高，但是在系统内的所有温度和流动条件下，所有成垢离子的浓度都保持低于饱和。该系统在数周内的连续运行未导致换热器中明显的结垢。虽然没有结垢，但是由于包括将成垢离子的浓度降低至远低于过饱和的水平的花费，该系统的操作成本高于实施例1中所述的系统的操作成本。
实施例5
该实施例描述了包含二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和草酸根阴离子的液体组合物从固体表面去除垢的用途。进行测试，其中使用仅包含DPTA的水性液体组合物、仅包含草酸钾的水性液体组合物以及包含DPTA与草酸钾的混合物的水性液体组合物来溶解硫酸锶。2升DPTA与草酸钾的组合能够溶解40克硫酸锶。另一方面，相同总体积的单独的DPTA和相同总体积的单独的草酸钾在相同的时间内不能溶解1克硫酸锶。
尽管本文中已经描述和举例说明了本发明的多个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易预见到用于执行本文所述的功能和/或获得本文所述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他手段和/或结构，并且每个这样的变化和/或修改都视为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置旨在为示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或更多个具体应用。本领域技术人员仅使用常规实验就将认识到或者能够确定本文所述的本发明具体实施方案的多个等效方案。因此应理解，前述实施方案仅作为实例呈现，并且在所附权利要求及其等效方案的范围内，本发明可以以除具体描述和要求保护的方式之外的方式实施。本发明涉及本文所述的各个单独的特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果两种或更多种这样的特征、系统、制品、材料和/或方法不互相矛盾，则两种或更多种这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
除非明确地作出相反指示，否则本文在说明书和权利要求书中使用不定冠词应理解为意指“至少一个/种”。
在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此连接的要素中的“任一者或两者”，即，在一些情况下共同存在而在另一些情况下分开存在的要素。除非明确地作出相反指示，否则除了由“和/或”子句具体确认的要素之外，可以任选地存在其他要素，无论其与那些具体确认的要素有关还是无关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言如“包括”一起使用时，提到的“A和/或B”在一个实施方案中可指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可指A和B两者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，“或”应理解为具有与以上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分隔列表中的项目时，“或”或者“和/或”应理解为包容性的，即包括：多个要素或要素列表中的至少一个，但还包括多于一个，以及任选的额外的未列项目。只有明确作出相反指示的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者用于权利要求时的“由…组成”是指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般地，本文使用的术语“或”在之前有排他性术语如“任一个”、“之一”、“仅一个”、“恰好一个”时应当仅理解为指示排他性的选择(即，“一个或另一个但不是两者”)。“基本上由…组成”在用于权利要求时应当具有如在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“至少一个”在提及一个或更多个要素的列表时应理解为意指从要素列表中的任一个或更多个要素中选择的至少一个要素，但不一定包括要素列表中具体列举的每个要素中的至少一个，也不排除要素列表中要素的任何组合。该定义还允许任选地存在除了在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体确认的要素之外的要素，无论其与具体确认的那些要素有关还是无关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或者等效地“A或B中的至少一个”，或者等效地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。
在权利要求中以及以上的说明书中，所有的过渡短语如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“涉及”、“容纳”等都应理解为开放式的，即，意指包括但不限于。只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”分别是封闭式或半封闭式的过渡短语，如在美国专利局专利审查程序指南第2111.03节中所阐明的。

Claims (60)

1.一种使水处理系统内的水脱盐的方法，包括：
在所述水处理系统的离子去除设备内，从包含成垢离子和至少一种溶解一价盐的含盐水性进料流中去除至少一种成垢离子的至少一部分，以产生相对于所述含盐水性进料流包含更少的所述成垢离子的离子减少流；
在所述水处理系统的换热器内，将来自第一换热器流的热传递到至少一部分所述离子减少流以加热所述离子减少流；
在所述水处理系统的加湿器内，使水从经加热的离子减少流中蒸发到气态流中，以产生相对于所述含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流和经加湿的气态流；以及
在所述水处理系统的与所述加湿器流体连接的除湿器内，使水从所述经加湿的气态流中凝结，以产生含水流和经除湿的气态流；
其中在所述加湿器内形成垢，使得所述水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在所述加湿器中形成。
2.根据权利要求1所述的方法，包括操作所述水处理系统以确定所述加湿器内的所述离子减少流的温度和/或流速，使得在所述加湿器内形成垢，并且所述水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在所述加湿器中形成。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其中在所述加湿器中形成的至少一部分垢在所述加湿器内的填充物的至少一部分暴露表面上形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，包括操纵所述离子减少流的温度以在所述加湿器内形成垢。
5.根据权利要求4所述的方法，其中操纵所述离子减少流的温度以形成垢包括加热所述离子减少流以在所述加湿器内形成垢。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，包括选择和/或操纵所述加湿器内的所述离子减少流的流速以在所述加湿器内形成垢。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在所述离子去除设备内去除所述至少一种成垢离子的至少一部分包括使所述至少一种成垢离子的至少一部分在所述离子去除设备内沉淀。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述至少一种成垢离子包括Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、碳酸根阴离子、碳酸氢根阴离子、硫酸根阴离子、硫酸氢根阴离子、溶解氧化硅和/或氢氧根阴离子。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中离开所述离子去除设备的所述离子减少流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数小于1。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流包含溶解盐，使得所述浓缩含盐流的密度为约9磅/加仑至约11磅/加仑。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述含盐水性进料流在被输送至所述离子去除设备之前包含过饱和水平的BaSO4、SrSO4、BaCO3和/或SrCO3。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中使至少一部分所述经除湿的气态流再循环回到所述加湿器。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述含水流包含量为至少约75重量％的水。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述加湿器与所述除湿器直接流体连接。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述离子去除设备与所述加湿器直接流体连接。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述气态流直接接触所述加湿器内的所述含盐水性进料流。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述经加湿的气态流直接接触所述除湿器内的所述含水流。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述除湿器包括鼓泡塔凝结器。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，包括向所述水处理系统中输送包含多价配体的液体组合物，使得所述多价配体从所述水处理系统的固体表面去除至少一部分垢。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述液体组合物包含二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)。
23.根据权利要求21至22中任一项所述的方法，其中所述液体组合物包含草酸根阴离子。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，其中所述多价配体从所述水处理系统的所述换热器的固体表面去除垢。
25.一种使水脱盐的方法，包括：
在水处理系统的脱盐设备内，从含盐水性进料流中去除水，以产生含水流和相对于所述含盐水性进料流富含溶解一价盐的浓缩含盐流；以及
在所述脱盐设备内形成垢，使得所述水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在所述水处理系统的所述脱盐设备的浓缩器中和/或含填充物的容器中形成。
26.根据权利要求25所述的方法，包括操作所述水处理系统以确定含盐流的温度和/或流速，使得在所述脱盐设备内形成垢并且所述水处理系统中形成的所有垢的至少约60重量％在所述水处理系统的所述脱盐设备的所述浓缩器中和/或含填充物的容器中形成。
27.根据权利要求25所述的方法，包括在所述脱盐设备内形成垢，使得所述水处理系统内形成的所有垢的至少约60重量％在所述脱盐设备的所述浓缩器中形成。
28.根据权利要求25至27中任一项所述的方法，其中所述脱盐设备包括加湿-除湿脱盐设备。
29.根据权利要求25至28中任一项所述的方法，其中所述浓缩器为加湿器。
30.根据权利要求29所述的方法，包括在所述加湿器内，使水从所述含盐水性进料流中蒸发到气态流中，以产生相对于所述含盐水性进料流富含溶解一价盐的所述浓缩含盐流和经加湿的气态流。
31.根据权利要求30所述的方法，包括在与所述加湿器流体连接的除湿器内，使水从所述经加湿的气态流中凝结，以产生所述含水流和经除湿的气态流。
32.根据权利要求25所述的方法，其中所述脱盐设备包括机械蒸汽压缩脱盐设备。
33.根据权利要求25所述的方法，其中所述脱盐设备包括正向渗透脱盐设备。
34.根据权利要求25所述的方法，其中所述脱盐设备包括真空蒸馏脱盐设备。
35.根据权利要求25至34中任一项所述的方法，其中至少一部分结垢发生在所述含填充物的容器内的填充物的至少一部分暴露表面上。
36.根据权利要求25至35中任一项所述的方法，其中至少一部分结垢发生在所述浓缩器内的填充物的至少一部分暴露表面上。
37.根据权利要求25至36中任一项所述的方法，包括选择和/或操纵所述含盐水性进料流的温度以形成垢。
38.根据权利要求37所述的方法，包括加热所述含盐水性进料流以形成垢。
39.根据权利要求25至38中任一项所述的方法，包括降低所述含盐水性进料流的流速以形成垢。
40.根据权利要求25至39中任一项所述的方法，包括在将所述含盐水性进料流输送至所述脱盐设备之前，在离子去除设备内，从包含成垢离子和至少一种溶解一价盐的所述含盐水性进料流中去除至少一种成垢离子的至少一部分。
41.根据权利要求40所述的方法，其中在所述离子去除设备内去除所述至少一种成垢离子的至少一部分包括使所述至少一种成垢离子的至少一部分在所述离子去除设备内沉淀。
42.根据权利要求40至41中任一项所述的方法，其中所述至少一种成垢离子包括Mg2+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、碳酸根阴离子、碳酸氢根阴离子、硫酸根阴离子、硫酸氢根阴离子、溶解氧化硅和/或氢氧根阴离子。
43.根据权利要求40至42中任一项所述的方法，其中离开所述离子去除设备的所述含盐水性进料流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9。
44.根据权利要求25至43中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数为至少约0.9。
45.根据权利要求25至44中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流相对于成垢化合物的过饱和指数小于1。
46.根据权利要求25至45中任一项所述的方法，其中所述浓缩含盐流包含溶解盐，使得所述浓缩含盐流的密度为约9磅/加仑至约11磅/加仑。
47.根据权利要求40至46中任一项所述的方法，其中在被输送至所述离子去除设备之前，所述含盐水性进料流包含过饱和水平的BaSO4、SrSO4、BaCO3和/或SrCO3。
48.根据权利要求31和35至47中任一项所述的方法，其中使所述经除湿的气态流的至少一部分再循环回到所述加湿器。
49.根据权利要求25至48中任一项所述的方法，其中所述含水流包含量为至少约75重量％的水。
50.根据权利要求31和35至49中任一项所述的方法，其中所述加湿器与所述除湿器直接流体连接。
51.根据权利要求40至50中任一项所述的方法，其中所述离子去除设备与所述脱盐设备直接流体连接。
52.根据权利要求30至31和35至51中任一项所述的方法，其中所述气态流直接接触所述加湿器内的所述含盐水性进料流。
53.根据权利要求31和35至52中任一项所述的方法，其中所述经加湿的气态流直接接触所述除湿器内的所述含水流。
54.根据权利要求31和35至53中任一项所述的方法，其中所述除湿器包括鼓泡塔凝结器。
55.根据权利要求25至54中任一项所述的方法，包括向所述脱盐设备输送包含多价配体的液体组合物，使得所述多价配体从所述脱盐设备的固体表面去除至少一部分垢。
56.根据权利要求55所述的方法，其中所述液体组合物包含二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)。
57.根据权利要求55至56中任一项所述的方法，其中所述液体组合物包含草酸根阴离子。
58.一种用于从加湿-除湿脱盐设备中去除垢的方法，包括：
向加湿-除湿脱盐设备输送包含二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和草酸根阴离子的液体组合物，使得二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和/或草酸根阴离子从所述加湿-除湿脱盐设备的固体表面去除至少一部分垢。
59.根据权利要求58所述的方法，其中二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和/或草酸根阴离子从所述加湿-除湿脱盐设备的加湿器的固体表面去除至少一部分垢。
60.根据权利要求58至59中任一项所述的方法，其中二亚乙基三胺五乙酸(DPTA)和/或草酸根阴离子从所述加湿-除湿脱盐设备的换热器的固体表面去除至少一部分垢。
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