CN108779005B - 热水纯化系统和用于操作所述系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及从原料液体(LP、LB)产生馏出物液体的热水纯化系统(10)，该热水纯化系统(10)包括：‑多于一个蒸馏单元(1a‑1h)，原料进料液体(LP、LB)连续地流动通过蒸馏单元(1a‑1h)；其中每个蒸馏单元(1a‑1h)包括一个沸腾液体区(2)和与其相邻的一个蒸汽区(3)；其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元(1a)和下游蒸馏单元(1b)，被实施为使得下游蒸馏单元(1b)的沸腾液体区(2)通过液体密封且蒸汽密封的分离板(6)与上游蒸馏单元(1a)的蒸汽区(3)分离，并且通过液体密封且蒸汽可渗透的膜(7)与下游蒸馏单元(1b)的蒸汽区(3)分离；‑多于一个热交换器管(8)，其适于使沸腾液体区(2)内的原料进料液体(LB)沸腾；‑多于一个预热管(9)，其适于在原料进料液体(LP)流入沸腾液体区(2)内之前预热原料进料液体(LP)。
Description
发明领域
本发明涉及热水纯化系统和用于操作该热水纯化系统的方法。
发明背景
地球的表面上约97％的水是盐水。鉴于用于家庭、农业或工业应用的日益增长的饮用水消耗，因此存在对从诸如微咸水或海水的来源产生饮用水的需求。
不同的技术允许纯化含有盐或其它杂质的原料进料液体，以产生饮用水。最常用的脱盐技术可分为两种主要类别，即i)常规的热脱盐(thermal desalination)，例如多级闪蒸(Multi-Stage Flash)(MSF)、多效蒸馏(Multi-Effect Distillation)(MED)、蒸汽压缩(VC)以及ii)基于非热膜的分离(non-thermal membrane based separation)，例如反渗透(RO)、纳滤(NF)、正向渗透(FO)、反向电渗析(EDR)等。每种单独的技术都有其自身的局限性，所述局限性的范围从例如采用闪蒸工艺的多级闪蒸(MSF)设备到采用液体进料的喷雾蒸发的多效蒸馏(MED)设备的低热效率，到基于非热膜的分离系统例如RO、NF或EDR的低效除硼能力。
膜蒸馏(MD)是采用疏水膜的非等温膜分离工艺，首次在专利第US 3361645 A号中公布。随着针对膜科学研究的巨大进展，对于MD系统的工业实施的努力目前正获得极大的兴趣。
简言之，膜蒸馏(MD)是下述的工艺：该工艺涉及在位于疏水膜中的孔处的液体/蒸汽界面处蒸发加热的液体进料。更特别地，液体进料的蒸发仅发生在膜孔上，而不发生在本体液体进料(bulk liquid feed)中。MD中的蒸发和蒸汽扩散的速率取决于跨膜驱动力，即横跨膜的蒸汽的分压和膜渗透特性的差异，其是基于膜几何参数(例如，膜孔径、膜厚度、扭曲度和有效孔隙率)来定义的。因此，具有对应的流动配置(例如，温度和进料流量)的限定的系统配置将在数量上仅产生有限的馏出物通量。热力学上，MD的一个明显特征是随着蒸发的进行，液体进料温度下降。这在来自液体进料的显热在汽化期间被转化为潜热时被定义为蒸发冷却。液体进料的温度下降产生较低的驱动力，导致较低的蒸汽产生速率，并因此导致总的膜馏出物通量(global membrane distillate flux)的降低。与低的比膜通量(specific membrane flux)即每单位面积的膜产生的蒸汽/馏出物和紧密互连的液体进料温度下降相关的一般限制仍然是限制改进MD工艺性能以成功工业实施和商业化的最关键的缺点。已经针对利用MD工艺和各种实施技术来提高总收率做出了巨大努力。这包括在部分真空中操作MD系统以增强液体进料蒸发，同时降低蒸汽扩散/输送阻力以增强冷凝。另一种解决方案包括热回收以用于液体进料的部分再加热，以最小化由液体进料温度下降引起的较低驱动力的影响。参考了Zhao等人的与多效MD设备相关的最近同行评论的期刊论文，‘Experimental study of the memsys vacuum multi-effect-membrane-distillation(V-MEMD)module’,Desalination 323(2913)，第150-160页，其中这些作者通过冷凝箔(condensation foil)的集成实施了多重热回收配置，并增加了膜面积以提高设备的系统收率。尽管馏出物产量随着效应/级的数目和膜面积的增加而增加，但是从他们的实验结果中可以得出两个结论。第一，当效应/级的数目从2级增加到4级时，比通量从3.8l/m2-hr减少到3.0l/m2-hr，以及第二，当在框架(frame)中实施的膜面积的数目从7个增加到17个框架即从1.88m2增加到5.0m2时，遇到了比通量从8.7l/m2-hr到3.9l/m2-hr的55％减少。因此，当与常规的热脱盐工艺相比时，总的系统收率和热效率是不利地较低的。
这样的实施的相对高的能量消耗和低效率收率归因于低效的冷凝过程，当在前面的级中产生的所述蒸汽经由导管被输送到后面的级以被冷凝时，导致增加的蒸汽输送阻力，这又导致较高的蒸汽室压力，这又降低了跨膜驱动力，并因此降低了馏出物收率。
本发明的一个目的是提出基于膜的高热效率水纯化系统，该系统具有低得多的热能和电能消耗，还具有增加的总系统膜通量。对于这样的系统的潜在工业应用包括脱盐、工业工艺、水处理、页岩油水处理、废水处理或水回收工艺，这些应用需要经由热分离工艺从任何原料进料液体中去除溶解的固体或杂质。
为了提高现有的热分离工艺(例如，脱盐)的热效率，一种解决方案在于有效地预热原料进料液体。原料进料液体的有效预热可以经由从相应蒸汽区(vapor section)中发生的蒸汽冷凝过程中回收的热能来实现。理想地，低蒸汽输送阻力将产生最佳冷凝过程，而当蒸汽传输导管存在以在前面的/后面的模块之间引导蒸汽来冷凝时，情况并非如此。更特别地，在不降低蒸汽输送阻力的情况下，不能获得比膜通量(L/m2-hr)的特定增加。对于利用MD工艺的蒸馏系统，膜面积的增加被用来实现这一点；也就是说，大的膜表面积确保产生足够的蒸汽以供应用于原料进料预热和蒸馏液体进料的再加热的潜热回收，以最小化温度下降。这不在本发明的范围内，因为在本发明中提出了最小的膜面积和经由直接冷凝的低蒸汽输送阻力。
本发明不仅仅利用MD工艺，而是混合实施组合的流动沸腾-MD工艺来提高馏出物收率。将热交换器沸腾管集成到级中在与位于沸腾液体区(boiling liquid section)中的液体进料接触的管的外表面上引起核态流动沸腾(nucleate flow boiling)。发生在管的外表面上的这种核态流动沸腾过程在技术上不同于其它现有技术中已知的过程，例如喷雾降膜蒸发(spray falling film evaporation)、蒸汽的闪蒸或在液体的液体/蒸汽界面处的蒸发。当前的实施方式通过结合核态流动沸腾热交换器管作为主要汽化过程，同时补充MD工艺，来用于增强这样的蒸馏系统的性能。在本发明中实施的这种新颖的沸腾特性和装置将显著增加蒸汽/馏出物的产量，并且可以产生总馏出物的高达95％的增加，其中剩余馏出物通过MD工艺产生(相对于仅MD的系统来说，产能基本上增加了几倍)。本发明的范围与MD系统的现有技术有很大的不同，因为它需要最小的膜面积，但是通过主要利用沸腾液体区内的热交换器管的外表面上的流动沸腾与经由MD工艺在膜表面处的蒸发的组合，仍然能够产生较高的馏出物收率。
本发明的第二方面涉及热力学损失(thermodynamic loss)的最小化，同时显著优化横跨蒸馏模块的传热和传质阻力，导致蒸馏系统的总体效率和性能显著提高。这是通过经由引入热交换器预热管和/或在相邻于沸腾液体区的每个即刻蒸汽区(immediate vaporsection)内的内部流动沸腾管来实现直接蒸汽冷凝而实现的。这促进了同时进行的联合传热过程(joint heat transfer process)，该过程包括：i)在沸腾液体区的热交换器管上流动沸腾；和ii)经由MD工艺增加膜蒸发；和iii)在蒸馏单元的蒸汽区的热交换器预热管和/或内部流动沸腾管的外表面上直接冷凝。因此，本发明消除了蒸汽传输线。消除蒸汽传输线的第一个优点是防止蒸汽区的过饱和，从而减轻会导致较低的跨膜驱动力的蒸汽室压力的上升。如本发明中提出的直接冷凝过程导致较低的蒸汽室压力，并因此通过保持较高的跨膜驱动力来改进MD工艺。通常，蒸汽室压力降低5％将导致经由MD工艺的蒸汽产量增加5％。第二个优点是消除了无助于热回收/汽化过程的在传输线中的蒸汽冷凝。例如，考虑具有理想效率的8模块蒸馏系统；由于来自第一模块的传输线中的冷凝而损失1kg的蒸汽可以导致来自后面的蒸馏模块的馏出物产量损失7升(假设液体密度ρ为1kg/L)，即从第二至第八效应/级的每个模块中损失1升馏出物产量。第三个优点涉及横跨蒸馏模块的较低的传热和传质阻力，其中较低的温度下降是非常有利的，因为这允许增加数目的效应/级被结合到系统中，这又降低了蒸馏系统的比能量(热和电)消耗。
内部流动沸腾管提供了另外的灵活性，以适应蒸汽在相邻的多孔膜的蒸汽室中的有效直接冷凝。众所周知，相变传热，即冷凝和流动沸腾，是优越的传热过程，因为与单相全液体传热相比，它们的热阻较低。采用内部沸腾热交换器管的集成可以获得五个显著的优点，即，i)当在预热管内内部流动的所述原料进料液体温度已经上升到等于蒸汽温度并且没有发生蒸汽冷凝时，适应蒸汽在所述内部流动沸腾管的外部管周边上的冷凝，ii)经由热交换器管流动沸腾引起的在内部沸腾管内流动的液体进料的内部流动沸腾产生另外的蒸汽，iii)较低的蒸汽室中导致的蒸汽室内增强的冷凝，因此，较高的跨膜压差，iv)当所述较热的馏出物在由于重力向下流动的内部流动沸腾管的外表面上冷凝，预热在预热管内流动的原料液体时，提高原料进料液体预热过程的效率，以及，v)适应进入系统的较高的热能负荷。在高热负荷条件下，当在预热管中流动的所述原料进料液体温度等于蒸汽室中的蒸汽温度，并因此在预热管上没有另外的蒸汽冷凝是可行的时候，内部流动沸腾管将通过经由流动沸腾将由蒸汽冷凝过程产生的该另外的潜热转换成汽化的潜热来充当散热器。例如，考虑具有理想效率的8模块蒸馏系统。经由第一效应的沸腾液体区中的流动沸腾过程产生蒸汽所消耗的另外的1kW的热能可以通过第一效应的蒸汽区内的内部流动沸腾管经由内部流动沸腾过程被有效地消耗。这导致由8模块蒸馏系统产生的蒸汽/馏出物另外八倍的增加(假设理想效率，馏出物产量相当于8kW的热能)。仅采用预热管的集成，这种性能增强在技术上是不可实现的。性能比较模拟在本公开内容的后面部分中给出。
EP 0088315 A1公开了脱盐装置和工艺，该脱盐装置和工艺包括具有用于原料进料液体预热的热回收的螺旋缠绕气隙膜蒸馏装置(spiral wound air gap membranedistillation device)。在该现有技术中，螺旋伸长的蒸汽可渗透膜将进料液体从长形的蒸汽室中分离，而充当冷凝片材的蒸汽不可渗透层将冷凝蒸汽与待预热的原料进料液体分离。内部原料进料液体预热是使用从冷凝蒸汽传递的热能完成的。冷凝的馏出物然后流向位于热进料液体流的下游方向的馏出物出口。在该实施方案中，公开了单个蒸发和冷凝过程，与本发明中提出的多个汽化和冷凝过程不同。该发明主要利用膜蒸馏(MD)原理，与本发明中热交换器管流动沸腾和MD原理的当前组合工艺不同。
WO 2005/089914 A1公开了单螺旋缠绕和多级膜蒸馏装置和方法，其中原料进料液体预热溶液使用来自冷凝蒸汽、盐水液体和液体馏出物的热能在外部完成。在多于一个膜蒸馏设备实施方案中，在蒸发器和后续级中产生的蒸汽经由导管从一级被引导到另一级，用于进料液体再加热。缺点之一是增加的蒸汽输送阻力和传输损失。由于导管内的冷凝导致的在传输导管中的蒸汽损失将导致进料液体再加热的无效热回收过程和馏出物收率的总损失。该发明主要利用膜蒸馏(MD)原理，与本发明中提出的当前完全集成的热交换器管流动沸腾和MD工艺不同。DE 102009020179公开了具有蒸发器和多个冷凝/蒸发级的多级膜蒸馏设备。原料进料液体预热经由外部热能源完成。该解决方案没有在蒸汽室中实施是本发明的目的的任何集成的紧凑的原料进料液体预热配置。该发明主要利用膜蒸馏(MD)原理，与本发明中提出的热交换器管流动沸腾和MD工艺的当前完全集成的工艺不同。
另一个示例，US 2014/0216916 A1公开了用于纯化进料液体的膜蒸馏装置，该膜蒸馏装置包括多于一个冷凝/蒸发级，其中原料进料液体在至少一个另外的蒸汽室中被预热，进料到一个冷凝/蒸发级的蒸汽被供应到该另外的蒸汽室中，并且蒸汽在该另外的蒸汽室中被冷凝。在本公开内容中，产生的蒸汽再次经由导管从一级被引导到另一级。这引起另外的蒸汽输送阻力，并因此可能导致蒸汽室压力的增加，并且结果导致较低效率的汽化过程。在所有实施方案中，该发明实施蒸汽传输线/导管以适应原料进料液体预热和液体进料的再加热。如文本描述和附图中清楚地指出的，经由在每个蒸馏模块的后端处的扩大的冷凝/蒸发级以容纳预热装置，有利于用于进料预热的热回收，所述预热装置与蒸发和冷凝单元分离。此外，该解决方案没有实施是本发明的另一个目的的、最小化传热/传质阻力的、集成的紧凑的直接进料预热配置。热交换器流动沸腾管没有在模块的液体区中实施以产生蒸汽，并且预热管没有在与多孔膜直接相邻的蒸汽室内实施。该发明也没有在蒸汽室内实施任何内部流动沸腾管。更特别地，该发明主要利用膜蒸馏(MD)原理，与本发明中提出的集成的热交换器管流动沸腾和MD工艺不同。因此，人们注意到没有流动沸腾管装置来产生蒸汽，而本发明实施这一过程。
WO 2014/020461 A1公开了一种脱盐系统，该脱盐系统包括蒸汽提升装置(steamraising device)、膜蒸馏装置和热交换装置，其中供给到热交换装置中的液体被来自蒸汽提升装置的盐水液体加热。在该现有技术中，在蒸汽提升装置中产生的蒸汽经由导管被引导到另一个膜蒸馏模块中。因此，该发明实施蒸汽传输线/导管以适应蒸汽冷凝。这造成传热和传质阻力增加，导致较低效率的冷凝/蒸发过程。显然，该发明涉及常规的MD原理，其中流动过程被修改以经由来自液体盐水和冷凝蒸汽的热回收来引入在不可渗透冷凝壁上沸腾的部分液体进料。值得注意地，热交换器流动沸腾管没有在模块的液体区中实施以产生蒸汽，并且预热管没有在与多孔膜直接相邻的蒸汽室内实施。该发明也没有在蒸汽室内实施是本发明的范围的任何内部流动沸腾管。此外，蒸汽冷凝和预热过程是借助于外部热交换器来完成的，这导致该系统不紧凑的结构。
US 2010/0072135 A1公开了用于液体纯化的膜蒸馏方法。该发明不实施任何管式流动沸腾过程来增加馏出物收率；馏出物收率仅经由膜蒸馏过程来获得。没有集成的流动沸腾装置来诱导蒸馏设备内的沸腾(由此诱导另外的蒸汽产量)。此外，系统中没有实施内部流动沸腾管。该发明的馏出物收率完全取决于膜面积，因此较高的收率将需要另外的膜面积。在本发明中，主要过程是经由热交换器管流沸腾来完成的，而MD仅被认为是次要过程。
EP 2 606 953 A1公开了膜蒸馏系统，该膜蒸馏系统包括多于一个膜蒸馏模块，该膜蒸馏模块被串联压力式耦合并且其中馏出物出口设置有流体可渗透亲水膜，其中流体可渗透膜是弹性材料阀(elastomeric valve)。该公开内容声称，在最低压力操作的膜蒸馏单元经由虹吸管被耦合到馏出物收集器单元，并且在馏出物收集器、第一个所述流体可渗透膜之间存在热交换器，并且与所述馏出物出口耦合的多于一个输入部与热交换器一起沿着所述连接部、优选地在逆流方向上延伸。发明人还声称，膜蒸馏系统具有包括热交换器的蒸汽提升器回路，其中蒸汽提升器回路中的流体经由来自其它系统的余热被加热。因此，该发明没有描述使用预热管用于原料进料预热以及在蒸汽室内的内部流动沸腾管的热交换器管流动沸腾过程。
WO 2014/163507 A1涉及膜蒸馏系统和为MD工艺提供热的能源，其中所述能源来源于发生器并经由中间循环被转移到第一蒸馏模块。流体进料经由热交换器被加热，并且任选地部分蒸发回路中的流体，以在将所述液体引导到第一膜模块中之前产生两相进料混合物。该发明利用膜蒸馏过程，包括优选地将两相进料引入膜模块中。因此，与本发明不同，WO 2014/163507 A1没有公开具有混合特性的蒸馏模块，该混合特性包括诸如液体进料区中的集成的流动沸腾管、蒸汽室中的预热和内部流动沸腾管的装置。
WO 2014/058305 A1公开了膜蒸馏系统和启动这样的系统的方法及其用途。该发明涉及在将所述进料引导到蒸汽发生器之前使用预处理模块在外部产生多相进料。该发明没有提出具有混合特性的蒸馏模块，该混合特性包括诸如液体进料区内的集成的流动沸腾管、蒸汽室中的预热和内部流动沸腾管的装置。
发明概述
鉴于此，本发明涉及用于从原料进料液体产生馏出物液体的热水纯化系统，该热水纯化系统包括：
-多于一个蒸馏单元，原料进料液体连续地流动通过所述蒸馏单元；
其中每个蒸馏单元包括一个沸腾液体区和与该一个沸腾液体区相邻的一个蒸汽区；
其中每个蒸馏单元的沸腾液体区包括多于一个入口端口和出口端口，原料进料液体分别通过所述入口端口和出口端口进入和离开；
其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元和下游蒸馏单元，被实施为使得下游蒸馏单元的沸腾液体区通过液体密封且蒸汽密封的分离板与上游蒸馏单元的蒸汽区分离，并且通过液体密封且蒸汽可渗透的膜与下游蒸馏单元的蒸汽区分离；
-热交换器腔，其适于在所述原料进料液体进入一个第一蒸馏单元的沸腾液体区之前将热能传递给原料进料液体；
-多于一个热交换器管，其延伸穿过所述第一蒸馏单元的沸腾液体区，并且优选地，延伸穿过i个另外的连续的蒸馏单元的沸腾液体区，i>0，所述热交换器管被配置成将热能从容纳在其内部的热介质传递到在其外部流动的原料进料液体，从而使原料进料液体在沸腾液体区内沸腾；
-多于一个预热管，所述预热管延伸穿过蒸馏单元的蒸汽区，所述预热管在所述原料进料液体流入蒸馏单元的沸腾液体区内之前被原料进料液体连续地流过并且被配置成当所述蒸汽冷凝在预热管的外表面上时，通过使用由容纳在蒸馏单元的蒸汽区内的蒸汽传递的热能来加热容纳在其内部的原料进料液体，从而产生馏出物液体，所述馏出物液体通过馏出物排放端口流到每个蒸馏单元的蒸汽区的外部；
-馏出物导管，其与所述馏出物排放端口流体连通，所述馏出物导管向储罐供应馏出物液体。
在从属权利要求2至7中定义了热水纯化系统的重要特征。
本发明还涉及用于操作根据权利要求1至7中任一项所述的热水纯化系统的方法，该方法包括以下步骤：
a)将初始具有第一温度的原料进料液体通过多于一个预热管向第一蒸馏单元的沸腾液体区引导，所述多于一个预热管适于将原料进料液体的温度从所述第一温度增加到第二温度；
b)将最初具有所述第二温度的原料进料液体通过热交换器腔向所述第一蒸馏单元的沸腾液体区引导，所述热交换器腔适于通过使用从热介质传递的热能将原料进料液体的温度从所述第二温度增加到第三温度；
c)将最初具有所述第三温度或略低于所述第三温度的温度的原料进料液体引导到所述第一蒸馏单元的沸腾液体区中，并然后引导到多于一个连续的蒸馏单元的沸腾液体区中；
d)用多于一个热交换器管加热所述原料进料液体，所述热交换器管延伸穿过所述第一蒸馏单元的沸腾液体区，优选地，延伸穿过i个另外的连续的蒸馏单元的沸腾液体区，i>0，以便使在所述沸腾液体区内流动的原料进料液体沸腾，其中由于每个沸腾液体区内的压力从其入口端口到其出口端口的下降，所以在每个沸腾液体区中的原料进料液体的温度降低；
e)使通过在每个蒸馏单元的沸腾液体区中沸腾的原料进料液体的汽化产生的蒸汽穿过液体密封且蒸汽可渗透的膜进入与沸腾液体区相邻的蒸汽区；
f)将所述蒸汽冷凝到所述蒸汽区中以产生馏出物液体；
g)将所述馏出物液体引导到储罐中。
在从属权利要求9至11中定义了本发明的方法的重要特征。
如此配置，本发明的热水纯化系统优化了热能和传质过程，这提高了系统的总体能量效率。除了经由膜诱导的蒸发产生的蒸汽之外，在几个连续的蒸馏单元中在沸腾液体区中实施热交换器管产生了另外的蒸汽。经由在热交换器沸腾管的外表面上的流动沸腾产生的蒸汽的主要来源导致高达95％的馏出物产量，而MD工艺现在作为次要过程增加了约5％的馏出物产量。与蒸汽区相邻的沸腾液体区消除了任何蒸汽传输线，因此减少了由于传输线内的冷凝而引起的蒸汽输送阻力和热能损失。
通过在蒸汽区中实施用于直接蒸汽冷凝的原料进料液体预热管，紧凑性被改进，这改进了热能回收过程并允许沸腾原料进料液体在沸腾液体区中增加汽化。此外，通过在蒸汽区中实施引导流入其中的原料进料液体的至少一个内部沸腾热交换器管，获得了较高的效率，这经由热能的再利用而更进一步地优化了热能回收过程，用于原料进料液体的另外的汽化。
本发明实施了沸腾-蒸发-直接冷凝的集成的过程，用于在紧凑的蒸馏单元内有效的热回收和再利用。传热和传质过程的改进提高了系统的总热力学效率，从而允许集成更多的蒸馏单元以提高系统收率。
本发明涉及以下项目。
1.一种用于从原料进料液体产生馏出物液体的热水纯化系统，所述热水纯化系统包括：
-多于一个蒸馏单元，所述原料进料液体连续地流动通过所述蒸馏单元，所述多于一个蒸馏单元包括第一蒸馏单元和多于一个连续的蒸馏单元；
其中每个蒸馏单元包括一个沸腾液体区和与所述沸腾液体区相邻的一个蒸汽区；
其中每个蒸馏单元的所述沸腾液体区包括多于一个入口端口和出口端口，所述原料进料液体分别通过所述入口端口和所述出口端口进入和离开；
其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元和下游蒸馏单元，被实施为使得所述下游蒸馏单元的所述沸腾液体区通过液体密封且蒸汽密封的分离板与所述上游蒸馏单元的所述蒸汽区分离，并且通过液体密封且蒸汽可渗透的膜与所述下游蒸馏单元的所述蒸汽区分离；
-热交换器腔，其适于在所述原料进料液体进入所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区之前将热能传递给所述原料进料液体；
-多于一个热交换器管，其延伸穿过至少所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区，所述热交换器管被配置成将热能从容纳在其内部的热介质传递到在其外部流动的所述原料进料液体，从而使所述原料进料液体在所述沸腾液体区内沸腾；
-多于一个预热管，其延伸穿过每个蒸馏单元的所述蒸汽区，所述预热管在所述原料进料液体流入所述蒸馏单元的所述沸腾液体区内之前被所述原料进料液体连续地流动通过，并且被配置成当蒸汽冷凝在所述预热管的外表面上时，通过使用由容纳在所述蒸馏单元的所述蒸汽区内的所述蒸汽传递的热能来加热容纳在其内部的所述原料进料液体，从而产生馏出物液体，所述馏出物液体通过馏出物排放端口流到每个蒸馏单元的所述蒸汽区的外部；
-馏出物导管，其与每个馏出物排放端口流体连通，所述馏出物导管向储罐供应所述馏出物液体。
2.根据项目1所述的热水纯化系统，其中所述第一蒸馏单元定位于所述热水纯化系统的所述多于一个连续的蒸馏单元的上游，从而导致当所述原料进料液体从所述第一蒸馏单元流向所述多于一个连续的蒸馏单元时，所述原料进料液体的温度降低。
3.根据项目1所述的热水纯化系统，其中多于一个热交换器管还延伸穿过在所述多于一个连续的蒸馏单元中的i个另外的连续的蒸馏单元的每个沸腾液体区，i为大于0的整数。
4.根据项目3所述的热水纯化系统，其中i+1表现为小于所述热水纯化系统的所述蒸馏单元的总数的40％。
5.根据项目1至4中任一项所述的热水纯化系统，其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元和下游蒸馏单元，被实施为使得所述下游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述入口端口与所述上游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述出口端口流体连通。
6.根据项目5所述的热水纯化系统，其中所述下游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述入口端口与所述上游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述出口端口经由节流阀或闪蒸阀流体连通。
7.根据项目1至4中任一项所述的热水纯化系统，其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元和下游蒸馏单元，被实施为使得所述上游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述出口端口与延伸穿过所述上游蒸馏单元的所述蒸汽区的至少一个内部沸腾管流体连通，并且使得所述下游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述入口端口与所述至少一个内部沸腾管流体连通。
8.根据项目7所述的热水纯化系统，其中所述下游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述入口端口与所述至少一个内部沸腾管经由节流阀或闪蒸阀流体连通。
9.根据项目1至4中任一项所述的热水纯化系统，其中将上游蒸馏单元的所述蒸汽区与下游蒸馏单元的所述沸腾液体区分离的所述分离板被配置成当蒸汽冷凝在所述分离板的冷凝表面上时，通过使用由容纳在所述蒸汽区内的所述蒸汽传递的热能来加热容纳在所述沸腾液体区内的所述原料进料液体，从而导致所述原料进料液体在所述沸腾液体区内沸腾。
10.根据项目1至4中任一项所述的热水纯化系统，其中所述预热管设置有沿其周边布置的突出的翼部和肋状物，所述翼部和肋状物增强了每个预热管的外部和每个预热管的内部之间的热传递。
11.一种用于操作根据前述项目中任一项所述的热水纯化系统的方法，包括以下步骤：
a)将最初具有第一温度的所述原料进料液体通过所述多于一个预热管向所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区引导，以便将所述原料进料液体的温度从所述第一温度增加到第二温度；
b)将最初具有所述第二温度的所述原料进料液体通过所述热交换器腔向所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区引导，以便使用从热介质传递的热能将所述原料进料液体的温度从所述第二温度增加到第三温度；
c)将最初具有所述第三温度或略低于所述第三温度的温度的所述原料进料液体引导到所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区中，并然后引导到所述多于一个连续的蒸馏单元的所述沸腾液体区中；
d)用所述多于一个热交换器管加热所述原料进料液体，所述热交换器管延伸穿过至少所述第一蒸馏单元的所述沸腾液体区，以便使在所述沸腾液体区内流动的所述原料进料液体沸腾，其中由于每个沸腾液体区内的压力从其入口端口到其出口端口下降，所以在每个沸腾液体区中的所述原料进料液体的温度降低；
e)使通过在每个蒸馏单元的所述沸腾液体区中沸腾的所述原料进料液体产生的蒸汽穿过液体密封且蒸汽可渗透的膜进入与所述沸腾液体区相邻的所述蒸汽区；
f)将所述蒸汽冷凝到所述蒸汽区中以产生所述馏出物液体；
g)将所述馏出物液体引导到所述储罐中。
12.根据项目11所述的方法，还包括与步骤c)同时地进行的步骤c’)，步骤c’)包括在将所述原料进料液体引导到下游蒸馏单元的所述沸腾液体区之前，将从上游蒸馏单元的所述沸腾液体区的所述出口端口离开的所述原料进料液体通过至少一个内部沸腾管引导到其蒸汽区中，所述上游蒸馏单元和下游蒸馏单元是所述热水纯化系统的任意两个连续的蒸馏单元。
13.根据项目11或12所述的方法，其中，在步骤c)期间，所述原料进料液体是沸腾的。
14.根据项目11所述的方法，其中，在步骤f)期间，所述蒸汽的冷凝发生在所述热水纯化系统的所述预热管的外表面上和所述分离板中的每个的冷凝表面上。
15.根据项目12所述的方法，其中，在步骤f)期间，所述蒸汽的冷凝发生在所述热水纯化系统的所述预热管的外表面上和所述分离板中的每个的冷凝表面上，以及所述至少一个内部沸腾管的外表面上。
16.根据项目11或12所述的方法，其中步骤d)还包括用多于一个热交换器管加热所述原料进料液体，所述热交换器管延伸穿过在所述多于一个连续的蒸馏单元中的i个另外的连续的蒸馏单元的每个沸腾液体区，i为大于0的整数。
附图简述
根据本发明的一个实施方案的详细描述，本发明的其它特征和优点将呈现得更清楚，该详细描述仅通过非限制性实例的方式被提供并且通过附图被说明，在附图中：
图1是根据本发明的示例性实施方案的热水纯化系统的示意性透视图，该热水纯化系统具有四个连续的蒸馏单元；
图2是图1中图示的系统的两个连续的蒸馏单元的示意性俯视图；
图3是图2中图示的蒸馏单元的示意性侧视图；
图4是在本发明的另外的实施方案中的蒸馏单元的蒸汽区的示意性侧视图；
图5是类似于图1中图示的热水纯化系统的热水纯化系统的示意性俯视图，但是具有八个连续的蒸馏单元；
图6是类似于图5的视图，除了示出了纯化工艺的每个步骤的液体或蒸汽的温度；
图7是图2中图示的蒸馏单元的蒸汽区的示意性前视图；
图8是图4中图示的蒸汽区的示意性前视图；
图9是本发明的系统的沸腾液体区的示例性实施方案的透视图；
图10是本发明的系统的蒸汽区的第一示例性实施方案的透视图；
图11是本发明的系统的蒸汽区的第二示例性实施方案的透视图；
图12是本发明的系统的蒸汽区的第三示例性实施方案的透视图；
图13是本发明的系统的蒸馏单元的示例性实施方案的分解透视图；
图14是图9中图示的沸腾液体区的前视图，透明地看到了围绕热交换器管的元件；
图15是图10中图示的蒸汽区的前视图，透明地看到了围绕预热管的元件。
发明的实施方案详述
参考图1，示出了根据本发明的热水纯化系统的示例性实施方案。
在该实施方案中，热水纯化系统10包括第一至第四相邻的蒸馏单元1a、1b、1c和1d，它们被待浓缩的原料进料液体连续地流过。例如，该原料进料液体可以是微咸水、海水或工业过程废水。该原料进料液体根据图1中由两种箭头图示的特定流动回路和流动方向在系统内流动。第一种箭头对应于用于将原料进料液体LP从第四蒸馏单元1d输送到第一蒸馏单元1a的导管、管或管道。如以下段落中详细描述的，原料进料液体LP因此在流动穿过热交换器腔之前被预热，所述热交换器腔适于增加原料进料液体LP的温度，直到所述原料进料液体部分沸腾或接近其沸点。在下面的段落中，为了更好地辨别从热交换器腔离开的原料进料液体，术语“沸腾原料进料液体”和参考LB将被用来代替术语“原料进料液体”和参考LP。可以有利地设置另外的热交换器元件来加热沸腾原料进料液体LB。这样的热交换器元件可以包括多于一个热交换器管，热介质HM(例如，热水或蒸汽)流动穿过所述热交换器管。如图1中所示，这些热交换器管部分地集成到一个或更多个蒸馏单元，从而优化了由系统占用的空间并限制了在流体输送期间的热损失。第二种箭头对应于用于将沸腾原料进料液体LB从第一蒸馏单元1a输送到第四蒸馏单元1d的导管、管或管道。在此输送期间，所述沸腾原料进料液体LB的蒸汽相与其液相分离，所述蒸汽相随后在系统的冷表面上被冷凝并作为馏出液被收集。
参考图2和图3，示出了图1中所示的系统10的两个连续的蒸馏单元1a、1b，即第一蒸馏单元1a和第二蒸馏单元1b。
每个蒸馏单元包括一个沸腾液体区2和与其相邻的一个蒸汽区3，所述区2、3由液体密封且蒸汽可渗透的膜7隔开。该膜7被配置成一方面防止在沸腾液体区2内流动的沸腾原料进料液体LB的液相流过蒸汽区3，而另一方面允许沸腾原料进料液体LB在其表面7a上蒸发，并且使所述沸腾原料进料液体LB的蒸汽相能够通过其孔扩散到蒸汽区3中。第二蒸馏单元1b的沸腾液体区2通过液体密封且蒸汽密封的分离板6与第一蒸馏单元1a的蒸汽区3分离，该分离板6可以有利地设置有增强的微结构，例如微腔或微突出翼部(micro-projecting fin)。该板6被配置成防止两个相邻区之间的任何流体循环，并允许在蒸汽区3内流动的沸腾原料进料液体LB的蒸汽相在朝向所述蒸汽区定向的表面6a上的膜状冷凝(film wise condensation)。此外，在冷凝过程期间被加热的该板6具有朝向第二蒸馏单元1b的沸腾液体区2的较热表面6b。与在所述沸腾液体区2内流动的沸腾原料进料液体LB接触的该较热表面6b可以导致所述沸腾原料进料液体在表面6b上流动沸腾。为了再次改善在沸腾液体区2中蒸汽的产生，多于一个热交换器管8有利地延伸穿过所述沸腾液体区2。这些被热介质HM流动穿过的热交换器管8经由它们的外表面8a将热能传递给在沸腾液体区2内流动的沸腾原料进料液体LB，使得该沸腾原料进料液体LB与所述外表面8a接触时沸腾。热交换器管8可以有利地设置有内部和外部增强的结构，例如沿着它们的外表面8a布置的突出的翼部以及内部肋状物，以便增强在所述管的外部和其内部之间发生的热传递，从而增强沸腾原料进料液体LB在所述热交换器管8的外表面上的沸腾。
沸腾原料进料液体LB通过入口端口4连续地进入第一蒸馏单元1a的沸腾液体区2，在所述沸腾液体区2中经由沸腾和蒸发被部分地汽化，蒸汽相扩散通过膜7并且液相通过出口端口5离开沸腾液体区2。此后，该液相经由导管被引导到第二蒸馏单元1b的沸腾液体区2的入口端口4。节流阀或闪蒸阀14可以有利地沿着出口端口5和入口端口4之间的导管布置，以便降低沸腾原料进料液体LB的压力。这个过程可以被重复用于第二蒸馏单元1b，并且然后被重复用于系统10的每个连续的蒸馏单元。
为了预热原料进料液体，系统10包括延伸穿过蒸馏单元1a-1d的蒸汽区3的多于一个预热管9，在所述原料进料液体流动穿过热交换器腔之前，所述原料进料液体连续地流动穿过所述预热管9，并且之后流动穿过所述蒸馏单元1a-1d的沸腾液体区2。这些预热管9允许通过使用热能预热容纳在其内部的原料进料液体，当容纳在蒸馏单元1a-1d的蒸汽区3中的冷凝蒸汽在预热管9的外表面9a上冷凝时，由所述蒸汽传递所述热能。为了增强在所述管的外部和其内部之间发生的热传递，所述管9可以有利地设置有沿着其外表面9a布置的突出的翼部以及内部肋状物结构。
在图2、图3和图7中所示的实施方案中，在蒸馏单元1a-1d的每个蒸汽区3中设置三个竖直间隔开的预热管9，其中待预热的原料进料液体LP在预热管9内流动。通过蒸汽在所述预热管9的外表面9a上和在分离板6的表面6a上的冷凝而产生的馏出物液体向下朝向所述蒸汽区3的底部部分流动，并穿过设置在所述蒸汽区的底侧中的馏出物排放端口11从馏出物排放端口流出。此后，该馏出物液体经由与馏出物排放端口11流体连通的馏出物导管被朝向储罐引导。
在图4和图8所示的可替代的实施方案中，两个竖直间隔开的预热管9设置在蒸馏单元1a-1d的每个蒸汽区3的底部部分中，并且两个竖直间隔开的内部沸腾管15设置在每个蒸汽区3的上部部分中。沸腾原料进料液体LB流动穿过这些内部沸腾管15，所述沸腾原料进料液体LB从相对于所述沸腾原料进料液体LB的流动方向布置在其上游的沸腾液体区2的出口端口5离开，并且这些内部沸腾管15与沸腾液体区2的入口端口4优选地通过节流阀或闪蒸阀流体连通，入口端口4相对于所述沸腾原料进料液体LB的流动方向布置在下游。容纳在蒸汽区3中的蒸汽在所述预热管9和所述内部沸腾管15两者的周边外表面上冷凝，这引起所述内部沸腾管15内部的流动沸腾。通过蒸汽在内部沸腾管15的外表面上的冷凝产生的馏出物液体可以有利地具有比在预热管9内部流动的原料进料液体LP更高的温度，从而有利地预热所述原料进料液体LP。
在图5和图6中所示的实施方案中，系统10包括八个连续的蒸馏单元1a至1h，所述蒸馏单元具有与图1中图示的蒸馏单元基本上相同的结构。然而，在该实施方案中，热交换器管8仅延伸穿过第一、第二和第三蒸馏单元1a、1b和1c的沸腾液体区2。这些热交换器管8定位于热交换器腔16的下游，该热交换器腔16包括绝热壁(insulation wall)17和与绝热壁17水平间隔开的传热板18，所述传热板18与第一分离板6'水平间隔开，该第一分离板6'与第一蒸馏单元1a的沸腾液体区2毗邻。绝热壁17和传热板18限定了用于从第一蒸馏单元1a的预热管9离开的预热的原料进料液体LP的第一流动路径，并且传热板18和第一分离板6’限定了用于热介质HM的第二流动路径。如此配置，热交换器腔16允许加热经由传热板18流动穿过第一流动路径的原料进料液体LP。如图6中所示，由于热介质HM的温度T_HM相对于从第一蒸馏单元1a的预热管9离开的原料进料液体LP的温度T10LP较高，原料进料液体LP的温度增加以在第一流动路径的出口处并且在所述原料进料液体LP经由导管朝向所述第一蒸馏单元1a的沸腾液体区2引导之前达到温度T11LP。该最终温度T11LP基本上等于或略高于流动穿过蒸馏单元1a至1h的连续的沸腾液体区2的沸腾原料进料液体LB的初始温度T1LB。因此，该最终温度T11LP可以有利地等于原料进料液体LB的沸点，使得当沸腾原料进料液体LB进入第一蒸馏单元1a的沸腾区2时，沸腾过程几乎立即发生。
图5和图6中图示的系统10还包括预热室20，该预热室20相对于原料进料液体LP的流动方向布置在最后的蒸馏单元1h的上游。该预热室20包括绝热壁17’和与绝热壁17’水平间隔开的传热板18’，所述传热板18’与最后的蒸馏单元1h的蒸汽区3毗邻。绝热壁17’和传热板18’限定了用于从原料液体源23供应的原料进料液体LP的第一流动路径。如此配置，预热室20允许经由传热板18’加热原料进料液体LP，这是由于相对于第一流动路径的原料进料液体LP的温度T1LP，在最后的蒸馏单元1h的蒸汽区3内部流动的蒸汽的温度T8蒸汽较高。因此，原料进料液体LP的温度增加以达到所述第一流动路径的最终温度T2LP，并且在所述原料进料液体LP经由导管被引导到最后的蒸馏单元1h的预热管9内部之前。
如图5中所示，系统10可以有利地包括与蒸馏单元1a至1h的馏出物排放端口11流体连通的馏出物导管12，所述馏出物导管12经由多于一个收敛管道(constriction)19将馏出物液体朝向储罐13引导，所述收敛管道19允许隔离在馏出物导管12内发生的变化的压力。实际上，从第一蒸馏单元1a到最后的蒸馏单元1h，馏出物液体的压力趋于降低。系统10还可以包括盐水排放口21和不可冷凝气体管线22，所述盐水排放口21用于收集从最后的蒸馏单元1h的沸腾液体区2离开的浓缩沸腾原料进料液体LB，所述不可冷凝气体管线22用于收集从蒸馏单元1a至1h的蒸汽区3离开的不可冷凝气体。
因此，图5和图6中所示的系统10的操作步骤依次是：
a)将初始具有第一温度T1LP的原料进料液体LP通过多于一个预热管9向第一蒸馏单元1a的沸腾液体区2引导，所述预热管9适于将原料进料液体LP的温度T(n)LP从所述第一温度T1LP增加到第二温度T11LP；
b)将最初具有温度T1LB的沸腾原料进料液体LB引导到所述第一蒸馏单元1a的沸腾液体区2中，并然后引导到连续的蒸馏单元1b至1h的沸腾液体区2中，所述温度T1LB等于或略低于所述第二温度T11LP；
c)用多于一个热交换器管8加热所述沸腾原料进料液体LB，所述热交换器管8延伸穿过所述第一蒸馏单元1a的沸腾液体区以及两个另外的连续的蒸馏单元1b和1c的沸腾液体区2，以便使在所述沸腾液体区2内流动的原料进料液体LB沸腾，其中由于每个沸腾液体区2内的压力从其入口端口4到其出口端口5下降，所以在每个沸腾液体区2中的沸腾原料进料液体LB的温度T(n)LB降低；
d)使通过在每个蒸馏单元的沸腾液体区2中沸腾的沸腾原料进料液体LB产生的蒸汽穿过液体密封且蒸汽可渗透的膜7进入与沸腾液体区2相邻的所述蒸汽区3中；
e)将所述蒸汽冷凝到所述蒸汽区3中以产生馏出物液体；
f)将所述馏出物液体引导到储罐13中。
如在独立权利要求8中所定义的，这些操作步骤可以适于具有至少一个蒸馏单元的任何系统10。
此外，这些操作步骤可以适于具有图4中图示的特定实施方案的系统10。因此，与步骤b)同时地，另外的步骤b’)可以包括在将所述沸腾原料进料LB引导到下游蒸馏单元的沸腾液体区2之前，将从上游蒸馏单元的沸腾液体区2的出口端口5离开的沸腾原料进料液体LB通过至少一个内部沸腾管15引导到其蒸汽区3中，所述上游蒸馏单元和下游蒸馏单元是系统的任意两个连续的蒸馏单元。
图9和图14图示了沸腾液体区2，该沸腾液体区2包括五个竖直定向且水平间隔开的热交换器管8、以及几个入口端口4和出口端口5。热介质HM和沸腾原料进料液体LB的流动方向在相同的附图中示出。
图10和图15图示了蒸汽区3，该蒸汽区3包括五个水平定向且竖直间隔开的集成预热管9和馏出物排放端口11。原料进料液体LP的流动方向在相同的附图中示出。
图11图示了蒸汽区3，该蒸汽区3包括定位于所述蒸汽区的顶部部分的两个水平定向且竖直间隔开的集成内部沸腾管15以及定位于所述蒸汽区的底部部分的三个水平定向且竖直间隔开的预热管9。馏出物排放端口11、原料进料液体LP和沸腾原料进料液体LB也在相同附图中示出。
图12图示了蒸汽区3，该蒸汽区3包括定位于所述蒸汽区的顶部部分的内部沸腾管15的阵列、定位于所述蒸汽区的底部部分的预热管9的阵列以及与所述蒸汽区的馏出物排放端口11流体连通的馏出物导管12。
图13图示了蒸馏单元，该蒸馏单元包括定位于图9中所示的沸腾液体区2前面的微结构化的冷凝表面6a，以及定位于冷凝表面6a前面的在图10中所示的蒸汽区3，其中较热的表面6b位于冷凝表面6a的相对侧，所述沸腾液体区2和所述蒸汽区3由液体密封且蒸汽可渗透的膜7隔开。沸腾液体区2中的流动沸腾发生在热交换器管8的外表面8a上，而蒸汽区3中的蒸汽冷凝发生在预热管9的外表面9a和冷凝表面6a上。
参考附图的上述详细描述说明了而不是限制了本发明。存在许多可替代方案，这些可替代方案落在所附权利要求的范围内。特别地，在本发明的另外的实施方案中，热水纯化系统可以包括多于一个连续的模块，每个模块包括若干连续的蒸馏单元，并且经由用于在沸腾液体区内部流动的沸腾原料进料液体的分叉流动配置与相邻的模块流体连通。在预热管内部流动的原料进料液体可以有利地是以分叉流动配置。
下文给出三个实施例来比较本发明(实施例3)与已知现有技术的MD系统(实施例1和2)的性能模拟。
系统参数：
i)热源＝30kW，II)假设的系统效率η＝80％，III)T进料，输入＝25℃，IV)T进料，最后＝70℃，V)进料流量，V进料＝7l/min，VI)潜热，HLV＝2,333kJ/kg(假设对于水在70℃时为常数)，VII)假设的比膜通量，N＝10L/min，VIII)膜面积/每效应，Am＝0.5m2，IX)密度，ρ＝1kg/升，以及X)效应的数目＝8。
注：
-US 2010/0072135 A1要求最佳比通量测量值为1.9×10-10m3/m2s-Pa。假设标称驱动力，ΔP＝3.5kPa(0.035巴)，获得的比膜通量为2.4L/m2-hr。对于水在T＝70℃的分蒸汽压(partial vapor)(Pv＝31.2kPa)并且在T＝25℃的分蒸汽压(Pv＝3.17kPa)。因此，每个模块中假设的3.5kPa的标称驱动力被评估为(31.2–3.17)/8-效应。
-Zhao等人(2013年)从他们的实验中获得了3.0-8.7L/m2-hr的比膜通量。
-对于该模拟的10L/m2-hr的假设将提供与已知现有技术的MD发明的无偏见的比较。
实施例1：具有蒸汽传输线但没有进料预热的8-效应MD系统。
MD系统的第一效应(蒸气立管(steam riser))只能消耗30kW的总可用热能中的3.24KW(10.8％)。为了消耗30kW的总热负荷，膜面积将必须扩大9.26倍，达到4.63m2/效应，并且总系统膜面积扩大到37.04m2。在模拟中假设传输线中没有冷凝损失。
实施例2：具有蒸汽传输线和进料预热的8-效应MD系统。
采用进料预热，第一膜模块能够消耗30kW的总可用热能中的6.68kW(22.3％)。然而，膜面积将必须从0.5m2增加到1.03m2，以产生足够的蒸汽来适应进料预热。总系统膜面积现在已增加到8.24m2。在模拟中假设传输线中没有冷凝损失。由于蒸汽传输线的存在，没有考虑到MD工艺中的性能增强。
实施例3：根据图5中所示的实施方案，具有直接冷凝和内部流动沸腾管的本发明在前三个模块中被实施。本模拟假设在三个模块中流动沸腾的相等的热能分配。在实际应用中，第一效应可以优选地被施加高得多的热负荷以增加馏出物产量和热效率。
MD所需的热能为3.24kW，而剩余的27.76kW在前三(3)个效应中被分配到热交换器沸腾管中，即8.92kW，用于沸腾/效应。消耗30kW的总热负荷用于液体的汽化，以产生馏出物和原料进料液体预热，同时保持膜面积为0.5m2每效应，即总系统膜面积为4.0m2。模拟的性能表明，与具有预热特性的MD系统相比(即，与上文的实施例2相比)，馏出物生产能力增加了3.08倍，而当与没有进料预热的MD系统相比(即，与上文的实施例1相比)时，遇到馏出物产量6.35倍增加。
Claims (11)
1.一种用于从原料进料液体(LP、LB)产生馏出物液体的热水纯化系统(10)，所述热水纯化系统(10)包括：
-多于一个蒸馏单元(1a-1h)，所述原料进料液体(LP、LB)连续地流动通过所述蒸馏单元(1a-1h)，所述多于一个蒸馏单元(1a-1h)包括第一蒸馏单元(1a)和多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)；
其中每个蒸馏单元(1a-1h)包括一个沸腾液体区(2)和与所述沸腾液体区相邻的一个蒸汽区(3)；
其中每个蒸馏单元(1a-1h)的所述沸腾液体区(2)包括多于一个入口端口(4)和出口端口(5)，所述原料进料液体(LP、LB)分别通过所述入口端口(4)和所述出口端口(5)进入和离开；
其中任意两个连续的蒸馏单元(1a、1b)，分别是上游蒸馏单元(1a)和下游蒸馏单元(1b)，被实施为使得所述下游蒸馏单元(1b)的所述沸腾液体区(2)通过液体密封且蒸汽密封的分离板(6)与所述上游蒸馏单元(1a)的所述蒸汽区(3)分离，并且通过液体密封且蒸汽可渗透的膜(7)与所述下游蒸馏单元(1b)的所述蒸汽区(3)分离；
-热交换器腔(16)，其适于在所述原料进料液体进入所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)之前将热能传递给所述原料进料液体(LP)；
-多于一个热交换器管(8)，其延伸穿过至少所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)，所述热交换器管(8)被配置成将热能从容纳在其内部的热介质(HM)传递到在其外部流动的所述原料进料液体(LB)，从而使所述原料进料液体(LB)在所述沸腾液体区(2)内沸腾；
-多于一个预热管(9)，其延伸穿过每个蒸馏单元(1a-1h)的所述蒸汽区(3)，所述预热管(9)在所述原料进料液体流入所述蒸馏单元(1a-1h)的所述沸腾液体区(2)内之前被所述原料进料液体(LP)连续地流动通过，并且被配置成当蒸汽冷凝在所述预热管(9)的外表面(9a)上时，通过使用由容纳在所述蒸馏单元(1a-1h)的所述蒸汽区(3)内的所述蒸汽传递的热能来加热容纳在其内部的所述原料进料液体(LP)，从而产生馏出物液体，所述馏出物液体通过馏出物排放端口(11)流到每个蒸馏单元(1a-1h)的所述蒸汽区(3)的外部；
-馏出物导管(12)，其与每个馏出物排放端口(11)流体连通，所述馏出物导管(12)向储罐(13)供应所述馏出物液体，
其中任意两个连续的蒸馏单元，分别是上游蒸馏单元(1a)和下游蒸馏单元(1b)，被实施为使得所述上游蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)的所述出口端口(5)与延伸穿过所述上游蒸馏单元(1a)的所述蒸汽区(3)的至少一个内部沸腾管(15)流体连通，并且使得所述下游蒸馏单元(1b)的所述沸腾液体区(2)的所述入口端口(4)与所述至少一个内部沸腾管(15)流体连通。
2.根据权利要求1所述的热水纯化系统(10)，其中所述第一蒸馏单元(1a)定位于所述热水纯化系统(10)的所述多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)的上游，从而导致当所述原料进料液体(LB)从所述第一蒸馏单元(1a)流向所述多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)时，所述原料进料液体(LB)的温度(T(n)LB)降低。
3.根据权利要求1所述的热水纯化系统(10)，其中多于一个热交换器管(8)还延伸穿过在所述多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)之中的i个另外的连续的蒸馏单元(1b-1c)的每个沸腾液体区(2)，i为大于0的整数。
4.根据权利要求3所述的热水纯化系统(10)，其中i+1表现为小于所述热水纯化系统(10)的所述蒸馏单元的总数的40％。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热水纯化系统(10)，其中所述下游蒸馏单元(1b)的所述沸腾液体区(2)的所述入口端口(4)与所述至少一个内部沸腾管(15)经由节流阀或闪蒸阀(14)流体连通。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的热水纯化系统(10)，其中将上游蒸馏单元(1a)的所述蒸汽区(3)与下游蒸馏单元(1b)的所述沸腾液体区(2)分离的所述分离板(6)被配置成当蒸汽冷凝在所述分离板(6)的冷凝表面(6a)上时，通过使用由容纳在所述蒸汽区(3)内的所述蒸汽传递的热能来加热容纳在所述沸腾液体区(2)内的所述原料进料液体(LB)，从而导致所述原料进料液体(LB)在所述沸腾液体区(2)内沸腾。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的热水纯化系统(10)，其中所述预热管(9)设置有沿其周边布置的突出的翼部和肋状物，所述翼部和肋状物增强了每个预热管(9)的外部和每个预热管(9)的内部之间的热传递。
8.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的热水纯化系统(10)的方法，包括以下步骤：
a)将最初具有第一温度(T1LP)的所述原料进料液体(LP)通过所述多于一个预热管(9)向所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)引导，以便将所述原料进料液体(LP)的温度(T(n)LP)从所述第一温度(T1LP)增加到第二温度(T10LP)；
b)将最初具有所述第二温度(T10LP)的所述原料进料液体(LP)通过所述热交换器腔(16)向所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)引导，以便使用从热介质(HM)传递的热能将所述原料进料液体(LP)的温度从所述第二温度(T10LP)增加到第三温度(T11LP)；
c)将最初具有所述第三温度(T11LP)或略低于所述第三温度(T11LP)的温度(T1LB)的所述原料进料液体(LB)引导到所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)中，并然后引导到所述多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)的所述沸腾液体区(2)中；
d)用所述多于一个热交换器管(8)加热所述原料进料液体(LB)，所述热交换器管(8)延伸穿过至少所述第一蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)，以便使在所述沸腾液体区(2)内流动的所述原料进料液体(LB)沸腾，其中由于每个沸腾液体区内的压力从其入口端口(4)到其出口端口(5)下降，所以在每个沸腾液体区(2)中的所述原料进料液体(LB)的温度(T(n)LB)降低；
e)使通过在每个蒸馏单元(1a-1h)的所述沸腾液体区(2)中沸腾的所述原料进料液体(LB)产生的蒸汽穿过液体密封且蒸汽可渗透的膜(7)进入与所述沸腾液体区相邻的所述蒸汽区(3)；
f)将所述蒸汽冷凝到所述蒸汽区(3)中以产生所述馏出物液体；
g)将所述馏出物液体引导到所述储罐(13)中，
其中所述方法还包括与步骤c)同时地进行的步骤c’)，步骤c’)包括在将所述原料进料液体(LB)引导到下游蒸馏单元(1b)的所述沸腾液体区(2)之前，将从上游蒸馏单元(1a)的所述沸腾液体区(2)的所述出口端口(5)离开的所述原料进料液体(LB)通过至少一个内部沸腾管(15)引导到其蒸汽区(3)中，所述上游蒸馏单元(1a)和下游蒸馏单元(1b)是所述热水纯化系统(10)的任意两个连续的蒸馏单元。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在步骤c)期间，所述原料进料液体(LB)是沸腾的。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，在步骤f)期间，所述蒸汽的冷凝发生在所述热水纯化系统(10)的所述预热管(9)的外表面(9a)上和所述分离板(6)中的每个的冷凝表面(6a)上，以及所述至少一个内部沸腾管(15)的外表面上。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其中步骤d)还包括用多于一个热交换器管(8)加热所述原料进料液体(LB)，所述热交换器管(8)延伸穿过在所述多于一个连续的蒸馏单元(1b-1h)之中的i个另外的连续的蒸馏单元(1b-1c)的每个沸腾液体区(2)，i为大于0的整数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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