CN109475808A - 用于借助吸收单元结合热取水设备从气体混合物中提取水的方法和装置 - Google Patents

用于借助吸收单元结合热取水设备从气体混合物中提取水的方法和装置 Download PDF

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Abstract

用于借助吸收单元结合热取水设备从潮湿的气体混合物中提取水的方法和装置。本发明涉及一种用于从潮湿的气体混合物中提取水的方法，其中，在吸收单元中将水吸收到吸收剂中并且在热取水设备将水中从吸收剂中分离出，并且使装载了水的吸收剂在热取水设备中再生，其中，在热取水设备中存在小于100℃的温度。

Description

用于借助吸收单元结合热取水设备从气体混合物中提取水的 方法和装置
本发明涉及一种用于借助吸收单元结合热取水设备从气体混合物中提取水的方法和装置。
在世界的一些区域中现在已经存在过少的饮用水。这个问题在将来几年将显著增加。对此的原因一方面是气候变化，另一方面是人口和经济增长。到2020年，对水的需求预计提高40％。
在沿海地区产生饮用水和使用水的可能性在于将海水脱盐。大多从海水中借助反向渗透产生饮用水和使用水。然而，这种技术产生大量的富含盐的浓缩物作为废料。这些富含盐的浓缩物的清除通常通过引入海中实现，在海中引起较大的环境破坏。
从海中提取水、尤其是提取饮用水的可行的备选方案在于从空气中提取水。
从空气中提取饮用水可以通过不同技术实现。当前最常使用的技术是借助电力运行的冷却机将潮湿的气体混合物在表面上冷却至水的露点以下。然而，这种技术不利地具有较高的电流消耗，因为空气的水含量在环境温度时非常小并且需要一部分冷却能量以冷却载体流空气。
从空气中提取水的另一可能性在于使用干燥剂。液态的或者固态的组分可以用作干燥剂。干燥剂随即通过吸收或者吸附而被装载水。接着可以通过输入能量使被装载的干燥剂、也就是吸收体或者吸附体再生。然而，用于从空气中提取水的商业方法在约为500kWhel/m3的所制造的饮用水的单位电流消耗方面还不利地处于海水脱盐设备的能量消耗(约5kWhel/m3)之上两个数量级。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种实现高能效地从气体混合物中提取水的方法和装置。
该技术问题按本发明通过按照权利要求1所述的方法和按照权利要求9所述的装置解决。
在按照本发明的用于借助吸收单元结合热取水设备从潮湿的气体混合物中提取水的方法中，首先在吸收单元中使水从气体混合物吸收到吸收剂中。接着在热取水设备中将水从被水装载的吸收剂中分离出。在此，使装载了水的吸收剂在热取水设备中浓缩并且由此再生。在此在热取水设备中存在小于100℃的温度。
按照本发明的方法以特别高能效的方式将借助吸收剂的取水与接下来通过热分离的再生相结合。热取水设备中的温度小于100℃并且因此小到使得热分离方法能够极高能效地进行并且可以考虑许多可能的热源。这有利地实现了尤其在阳光充足的地区通过太阳热来分散式地提取热量。
此外有利地可行的是，热分离和吸收都连续地或者不连续地运行。如果用于热分离过程的热量从太阳能获得，则这尤其可能在干旱阶段或者在强烈阳光照射的阶段是有利的。
在本发明的一种有利的扩展设计和设计方案中，用于从潮湿的气体混合物中提取水的方法包括以下步骤：首先由吸收单元中的吸收剂从潮湿的气体混合物吸收水。装载了水的吸收剂和载气随即被置入蒸发器中。在蒸发器中，以对流方式导引被装载的吸收剂和载气，其中，载气在蒸发器中升温并且从装载了水的吸收剂中接收第一组分。将装载了第一组分的载气导引到第一冷凝器中，在第一冷凝器中从载气中冷凝出第一组分。
热取水设备中的压力尤其是环境压力，也就是尤其处于0.5bar至1.7bar之间的范围内。由此有利地避免了载气或者吸收剂的压缩，这使得所述方法是高能效的。
用于通过吸收单元结合热取水设备从气体混合物中提取水的装置包括至少一个吸收单元，用于将水从气体混合物吸收到吸收剂中。所述装置还包括用于以被装载的吸收剂和载气运行的蒸发器，其中，蒸发器设计用于以对流方式导引被装载的吸收剂和载气。载气在蒸发器中升温并且从吸收剂中接收第一组分。吸收剂被再生和冷却。按照本发明的用于提取水的装置还包括用于从载气中冷凝出第一组分的第一冷凝器。
在蒸发器中以对流方式导引载气和被装载的吸收剂有利地实现了第一组分在小于100℃的温度时的分离，因此可以有利地使用在其它情况下不能使用或者低价值地进一步使用的热源。因此，吸收和蒸发器中的热分离方法以高能效的方式相结合并且有利地实现了借助吸收剂从潮湿的气体混合物中提取水的高能效使用。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，第一组分是水或者吸收剂。
有利地，在蒸发器中的再生过程中，水被蒸发并且由载气接收并且与此同时使吸收剂再生。因此可以确保水的高品质，这意味着高纯度。备选地同样可行的是，吸收剂具有比水更高的挥发性。吸收剂尤其可以是碳酸铵，其吸湿并且在环境温度时不挥发。在高于60℃的温度时，碳酸铵分解为氨和二氧化碳，其中，氨和二氧化碳比水更大量地转入载气。在这种情况下，通过以下方式实现再生，即被装载的吸收剂在蒸发器中由载气接收并且留下水。
在本发明的一种有利的设计方案和扩展设计中，将再生的吸收剂导引回吸收单元中。由此有利地将吸收剂的消耗保持较小，这使得所述方法更高效。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，装载有水或者吸收剂的载气在第一冷凝器中借助被装载的吸收剂作为冷却剂被冷却。有利地使所需的热能最小化并且由此改善了方法的能量平衡。
在本发明的另一设计方案和扩展设计中，使用潮湿的空气或者废气作为气体混合物。尤其在温暖的缺水地区，温度高到使得所需的饮用水可以从环境空气中提取，因为温暖的环境空气能够比冷空气接收明显更多的水。
然而同样可以从废气中提取水。尤其是来自造纸或者发电工业的废气具有较高的湿度。此外，这种废气已经被加热到比环境温度更高的温度，因此废气的水含量可以明显高于环境空气的水含量。这种来自废气的水的凝结尽管可以通过冷却实现，但这样的水则不利地也包括其它被凝结的组分，尤其是来自氮氧化物和硫氧化物的硝酸盐和硫酸盐。然而，如果借助与蒸发器相结合的吸收的方法进行排气，则在适当选择吸收剂时大多数地或者仅仅地吸收水并且有利地避免或者简化了对蒸发器之后的水的进一步处理。
来自环境空气的、借助传统方法通过冷却到露点以下提取的水也必须经过进一步的处理步骤，从而达到相应于可商业获得的水的足够纯度，尤其是在私人住户中。分散地、尤其是在私人住户中，为了进一步的净化大多使用薄膜过滤单元，因为它们能够比热处理设备更紧凑地以更小的容积构造。然而，这些薄膜过滤单元不利地需要更多维护并且在干燥剂的浓度较高时也在产量和对电能的需求上没有适当的热处理设备那么高效。因此，在足够的空间需求时，集中地和分散地均有利的是，借助吸收剂和随后的热取水设备从空气中提取水。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，使用水溶液中的吸湿的盐作为吸收剂。尤其使用卤化锂、卤化钙或者卤化钾作为吸湿的盐。在这种情况下，在吸收剂的再生期间，水在蒸发器中蒸发到载气中。由于所述盐不挥发并且具有较低的蒸汽压力，可以确保来自载气的冷凝液的品质较高。
在本发明的另一设计方案中，作为吸收剂也使用无机盐、短链有机酸的盐或者离子液体或者其它难挥发的化合物。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，蒸发器是降膜式蒸发器或者降流式蒸发器(Rieselstromverdunster)。在这些实施形式中，吸收剂与载气之间的表面有利地设计得尽可能大，由此使所述方法能够高能效地运行。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，蒸发器和/或吸收单元包括包装。包装、尤其是固体包装或者填充体包装的使用增大了载气与吸收剂之间的分界面。由此有利地这样促进了物质和热量传递，使得所述方法能够特别高能效地进行。此外，由此可以使液滴尺寸比尤其在喷射或者雾化的情况下更大。由此将干燥剂从装载塔中的排放最小化，这对工艺的经济性和能量平衡具有显著的积极影响。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，所述装置具有用于收集再生的吸收剂的存储器、尤其是罐。被净化的去潮的吸收剂可以存放这样长时间，直至其再次被导入吸收单元中。
在本发明的另一有利的设计方案和扩展设计中，第一冷凝器通过被装载的冷的吸收剂运行。吸收剂在此被有利地加热并且因此已经能够以高于环境温度的温度被置入在蒸发器之前的热交换器中。这降低了需要附加地引入的热量并且实现了极为高能效的装置。
本发明的其它实施形式和其它特征根据以下的附图详细阐述。在此指的是示例性的实施形式和特征组合，它们并不意味着对保护范围的限制。在附图中：
图1示出具有除湿器和再生设备的取水设备；
图2示出与吸收单元相结合的再生设备；
图3示出用于取水的方法步骤的概览。
图1示意性地示出用于从环境空气中提取水的取水设备的概览。从约为13g水/kg空气的特定空气湿度(其相应于在10℃时的相对空气湿度为100％)开始，可以借助将温度降至露点之下从环境空气中提取水。尤其在赤道以北和以南的4000km以内的地区常年存在相应的条件。因此尤其在世界上的这些地区可行的是，也从环境空气中提取水，尤其饮用水。如果应用基于干燥剂的工艺来提取水，则也可以在特定空气湿度不超过2g水/kg空气时提取水，这主要在具有较低空气湿度的沙漠地区是重要的。
在图1中示出的取水设备包括除湿器4和再生设备5。将潮湿的空气2输入除湿器4中。在除湿器4中，借助干燥剂、吸收剂或者吸附剂干燥环境空气。干燥的空气3接下来可以离开除湿器4。装载有来自环境中的水的干燥剂7随即被导引至再生设备5中。在该处，借助热分离方法从干燥剂中、尤其是吸收剂或者吸附剂中提取水6。再生的干燥剂8可以被导引回除湿器4中。
为了使得从干燥剂7中回收水6的过程尽可能高能效，使用与载气12相结合的蒸发器10。这在图2中说明。在图2中详细示出了再生设备5。此外，作为除湿器4使用吸收单元16。潮湿的空气2在吸收单元16中干燥并且作为干燥的空气3离开吸收单元16。装载了水的吸收剂18从吸收单元16导引至再生设备5中。在该处，吸收剂可以首先收集在罐9中。同样可以考虑的是，被装载的吸收剂18直接导引至第一冷凝器11并且接着借助加热装置14预热，以便使被装载的吸收剂18接着在蒸发器10中流淌。在蒸发器10中，干燥的载气12相对于被装载的吸收剂18以对流方式导引。干燥的载气12通常为空气。但同样可以考虑其它气体。尤其是氮气和单原子的理想气体(稀有气体He、Ne、Ar)由于其较低的摩尔热容可以被考虑。
装载了水的载气13接着导引至第一冷凝器11中。在该处，所述载气借助被装载的吸收剂18被冷却，从而冷凝出水6。被装载的吸收剂18在相对于被装载的载气13的对流中在第一冷凝器11中导引。冷凝出的水6接着从设备中导出。所述水已经具有相应于饮用水品质的足够纯度，但需要增加盐含量，以便作为饮用水使用。冷凝出的水6接着也可以根据期望的应用领域被导引至下一个净化级中。在此可以考虑活性炭过滤器，以便去除有机物质。此外，可以借助电渗析或者离子交换技术，尤其是离子交换色层分离法去除盐或者盐的残余。
再生的吸收剂17在蒸发器10的槽处离开蒸发器10并且导引回吸收单元16或者从设备中导出。
蒸发器10的使用能够实现在小于100℃的情况下进行吸收剂18的热净化。所述方法按照对流式辅助蒸发水的原理在具有反向流动的空气的降流式蒸发器中工作。也就是空气通常可以用作载气12。冷凝器11优选通过吸收剂18冷却，以确保对可供使用的热量的有效利用。朝下流动的被装载的吸收剂18的温度从蒸发器10的顶部向底部下降，因为通过蒸发和热传递从被装载的吸收剂18中抽取了热量并且将热量传递至载气12、即空气。反向流动的空气的温度从蒸发器10的底部向顶部升高，但在具有固定条件的稳定运行中在蒸发器10的相同水平上总是保持在被装载的吸收剂18的温度以下。由此实现了从下落的被装载的吸收剂18向升高的载气12的热传递，并且升高的空气可以相应地从被装载的吸收剂18中接收水。吸收剂18和载气12形成了对流热交换器。
为了内部的热量回收，再生的吸收剂17可以在冷凝器11中可选地作为对被装载的吸收剂18的补充用作冷却介质。
在将再生的吸收剂17导引回吸收单元16之前，再生的吸收剂17可以通过冷却单元15冷却至所需的温度。
蒸发器10可以包括结构化的包装。吸收单元16也可以包括结构化的包装。相同的结构化的包装材料可以在单独的单元、也就是蒸发器10和吸收单元16中使用，以便在吸收单元16中的温度相比蒸发器10明显更低时使环境空气与吸收剂接触并且由此在较大的交换表面上确保用来自环境空气的水高效地装载吸收剂17。被装载的吸收剂18随即被输入蒸发器11中。所述工艺可以连续地或者不连续地运行。通常作为吸收剂使用强吸湿的具有低挥发性的盐的水溶液，尤其是卤化锂、卤化钙或者卤化钾。通常在蒸发器10中的再生过程中将水蒸发并且由此使吸收剂再生。通过使用不挥发的盐，可以由此确保水的高品质，这意味着相应于饮用水品质的高纯度。
然而备选地也可以考虑，吸收剂17具有比水更低的蒸气压并且因此具有比水更高的挥发性。吸收剂17尤其可以是碳酸铵，其吸湿并且在环境温度时不挥发。在高于60℃的温度时，碳酸铵分解为氨和二氧化碳，其中，氨和二氧化碳以比水更大的量转入载气13。在这种情况下，在再生设备5中通过以下方式实现再生，即被装载的吸收剂18在蒸发器10中被载气13接收而水被留下。
此外，作为具有明显低于水的蒸气压的吸收剂，可以使用短链的有机酸的盐，其中，短链尤其理解为具有不超过三个碳原子的酸。这些酸的盐的蒸气压应当有利地明显低于水的蒸气压，从而能够进行良好的吸收剂分离。
用于改善从吸收剂中分离水的程度的可能性可以与吸收剂的蒸气压无关地也在于设置定义的pH值。通过设置pH值，则可以根据酸碱平衡将吸收剂置入较少挥发的形态。此外可行的是，为了再生进行多级工艺。
两种吸收剂的再生可能性都可以在低于100℃的温度中运行，因此所需的热量可以在温暖的有阳光的地区分散地通过太阳热获得。通过太阳热获得热量有利地实现了环境友好的、降低了CO2足迹的工艺。
另一开发热源和水源的可能性是利用废气。尤其是来自造纸工业或者发电厂工业的废气包含水。大多已经具有明显高于环境温度的温度的废气可以相比室温时的环境空气接收明显更大量的水。在此，10℃至30℃之间的温度、尤其是15℃至25℃之间的温度视作室温。
如果从废气中提取水，则吸收剂必须这样选择，使得只有水被吸收并且没有其它的物质、尤其是硝酸盐或者硫酸盐被吸收。对于这些物质被吸收的情况，需要另一处理步骤，即取决于所述物质在再生期间如何变化。如果这些物质在再生时转入产物水，则产物水必须被进一步处理。如果所述物质在再生期间保留在吸收剂中，则吸收剂必须相应地被进一步处理。
图3示意性地示出用于从环境空气中提取水的方法。首先将潮湿的空气2和吸收剂17导入除湿器4中，在所述除湿器中实现从空气中吸收水20。吸收剂接下来可以可选地借助载气13被预热21。接着进行被装载的吸收剂18的再生22。再生的吸收剂17可以接着被导引回除湿器4中。但再生的吸收剂也可以部分地被直接从所述工艺中提取出。此外，在吸收剂的再生22之后，可以对水进行净化23。因此，纯水、尤其是也能够作为饮用水被进一步处理的水离开所述设备。

Claims (13)

1.一种用于从潮湿的气体混合物(2)中提取水的方法，其中，在吸收单元(16)中将水(6)吸收到吸收剂(17)中并且在热取水设备(5)中将水(6)从被装载的吸收剂(18)中分离出，并且使装载了水(6)的吸收剂(18)在热取水设备(5)中再生，其中，在热取水设备(5)中存在小于100℃的温度。
2.按权利要求1所述的方法，具有以下步骤：
-将水从潮湿的气体混合物(2)吸收到吸收单元(16)中的吸收剂(17)内，
-将载气(12)和装载了水的吸收剂(18)添加到蒸发器(10)中，
-在蒸发器(10)中，以对流方式导引装载了水的吸收剂(18)和载气(12)，其中，载气(12)在蒸发器(10)中升温并且从装载了水的吸收剂(18)中接收第一组分，
-将装载了第一组分的载气(13)导引到第一冷凝器(11)中，
-在第一冷凝器(11)中从载气(13)中冷凝出第一组分。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中，第一组分是水或者吸收剂。
4.按前述权利要求之一所述的方法，其中，将再生的吸收剂(17)导引回吸收单元(16)中和或将新鲜的吸收剂输入吸收单元(16)中。
5.按前述权利要求之一所述的方法，其中，第一冷凝器(11)借助被装载的吸收剂(18)冷却被装载的载气(13)。
6.按前述权利要求之一所述的方法，其中，使用潮湿的空气(2)或者废气作为气体混合物。
7.按前述权利要求之一所述的方法，其中，使用水溶液中的吸湿的盐作为吸收剂(17)。
8.按权利要求7所述的方法，其中，使用卤化锂、卤化钙或者卤化钾作为吸湿的盐。
9.一种用于借助吸收单元(16)结合热取水设备(5)从气体混合物中提取水的装置，具有
-至少一个吸收单元(16)，用于将水从气体混合物吸收到吸收剂(17)中，
-用于以被装载的吸收剂(18)和载气(12)运行的蒸发器(10)，其中，蒸发器(10)设计用于以对流方式导引被装载的吸收剂(18)和载气(12)，其中，载气(12)在蒸发器(10)中升温并且从装载了水的吸收剂(18)中接收第一组分并且吸收剂(18)被再生和冷却，
-用于从被装载的载气(13)中冷凝出第一组分的第一冷凝器(11)。
10.按权利要求9所述的装置，其中，第一组分是水(6)或者吸收剂。
11.按权利要求9或10所述的装置，其中，蒸发器(10)是降膜式蒸发器或者降流式蒸发器。
12.按权利要求9至11之一所述的装置，其中，蒸发器(10)和/或吸收单元(16)包括包装。
13.按权利要求9至12之一所述的装置，具有用于收集再生的吸收剂(17)的存储器(9)。
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