CN109824106A - 一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统及其使用方法，包括依次连接的海水池、冷却器、水合物生成室、换热式分解器及蒸汽发生器，换热式分解器与蒸汽发生器之间设有循环热媒系统；海水池与冷却器之间连接有换热器；水合物生成室上设有冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口及浓缩海水输出口；冷却海水输入口与冷却器的输出端相连；水合物输出口与换热式分解器相连，换热式分解器的液体输出端连接有淡水储罐，气体输出端通过环戊烷储气罐与蒸汽发生器相连，蒸汽发生器与气化环戊烷输入口相连；浓缩海水输出口与换热器的冷媒进口端相连。本发明结构合理，能重复使用且调试及使用方法简单，具有极大的现实应用价值。

Description

一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及海水淡化领域，尤其是一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统及其使用方法。

背景技术

近年来，淡水匮乏正逐渐成为困扰全球的问题。许多国家为解决水资源问题做了大量研究，其中海水淡化技术是解决这个问题的有效途径，而现在主流海水淡化技术有：低温多效蒸馏、多级闪蒸和反渗透法。但是这些方法都有各自不足，比如：低温多效蒸馏、多级闪蒸的能耗大且设备易结垢，反渗透法的膜寿命短而导致成本高。为了避免这些不足，一些新型海水淡化技术应运而生，其中最有前景的技术就是水合物法海水淡化技术。这种技术的基本原理是利用水合剂（如天然气）和海水在一定的温度和压力条件下生成水合物，由于水合物的形成过程具有排盐效应，海水中的钠、镁、氯等离子无法进入水合物晶体中，使得离子在未反应的溶液中富集，因此将水合物固体从未反应的剩余溶液中分离出来，然后分解水合物固体得到淡水。目前，在已公开的专利文献或研究成果中，水合物法海水淡化技术的效率和产量仍受到限制，更确切的说是此技术需要大量能耗来提供低温、高压反应条件，以及水合物与未反应溶液的间断式分离而导致淡水生产不连续。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、实现低能耗和连续性的淡水生产且经济环保的基于水合物法的常压连续海水淡化系统及其使用方法。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案：一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，包括海水池、冷却器、水合物生成室、换热式分解器及蒸汽发生器，换热式分解器与蒸汽发生器之间设有循环热媒系统；海水池、冷却器、水合物生成室及换热式分解器通过连接管路依次连接，在连接管路上设有流量控制阀；海水池与冷却器之间连接有换热器；所述水合物生成室为中空腔体，水合物生成室设有冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口及浓缩海水输出口；水合物生成室的内部空腔中固定有转筒过滤器；转筒过滤器包括转筒及刮板，转筒的中心设有转筒轴，转筒轴固定于水合物生成室的上部，并使转筒的下部位于水合物生成室的预设反应液位以下；转筒的外侧壁上设有吸附材料层；所述刮板的刮刀端设置于转筒上部的外侧壁处，刮板的端部与所述水合物输出口相连通；冷却海水输入口与冷却器的输出端相连；水合物输出口通过混输泵与换热式分解器相连，换热式分解器的输出端包括液体输出端和气体输出端，其中，液体输出端连接有淡水储罐，气体输出端通过环戊烷储气罐与蒸汽发生器相连，蒸汽发生器通过抽气泵与所述气化环戊烷输入口相连；所述浓缩海水输出口与换热器的冷媒进口端相连通，换热器的冷媒出口端、环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间连接有流量控制阀。

所述循环热媒系统包括太阳能集热器及蓄热装置，太阳能集热器与蓄热装置、蒸汽发生器中的第一放热组件以及换热式分解器中的第二放热组件通过热媒输送管路串联在一起形成热媒循环管路；在热媒循环管路上设有输水泵及单向阀。

所述流量控制阀包括输水泵及管阀；海水池与换热器之间设有第一输水泵及第一单向阀、环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间设有第二输水泵及第二单向阀；水合物输出口与换热式分解器之间设有第一蝶阀；换热式分解器的气体输出端与环戊烷储气罐之间设有第三输水泵及第二蝶阀；所述换热器的冷媒出口端依次连接有第四输水泵及闸阀；所述液体输出端与淡水储罐之间设有第五输水泵及第三蝶阀；抽气泵与所述气化环戊烷输入口之间设有第三单向阀。

所述蒸汽发生器与空气压缩机相连。

所述刮板的端部低于刮刀端。

所述冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口设置于水合物生成室的侧壁，浓缩海水输出口设置于水合物生成室的底部。

所述吸附材料层为石墨层；所述转筒上部的外侧罩设有保护罩。

一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：准备工作：预先在水合物生成室中置入环戊烷；在循环热媒系统的热媒输送管路中注入热媒；

S2：调节系统温度：通过调节循环热媒系统的热媒流量，将换热式分解器中的温度控制在10-50 ^oC，水合物生成室中的温度达到2 ^oC；

S3：调节冷却器制冷温度：打开海水池与冷却器之间流量控制阀，使海水经换热器进入冷却器中，同时调节冷却器的制冷温度，直至冷却器输出端的输出海水温度达到-15-3 ^oC，并维持在该制冷温度下；

S4：启动换热器：打开换热器的冷媒出口端的流量控制阀，以使浓缩海水输出口输出的低温浓缩海水与进入冷却器之前的海水进行热交换；

S5：调节气化环戊烷输入量：开启环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间的流量控制阀，同时将蒸汽发生器中的空气流量调节为30-1000 L/min，启动蒸汽发生器的输出端与气化环戊烷输入口之间的抽气泵以将环戊烷储气罐中的气化环戊烷及压缩空气输入水合物生成室中；

S6：启动转筒过滤器，同时使水合物生成室与换热式分解器之间的连接管路连通，以将环戊烷水合物输送至换热式分解器中，经换热式分解器处理后输出的淡化海水输入淡水储罐中，气化换戊烷存储至环戊烷储气罐中。

本发明的有益效果在于：本发明的系统结构简单，其利用环戊烷水合物能在常压、2℃条件下生成的特点，既实现了海水淡化，又降低了系统能耗；通过采用以石墨为壁面的转筒过滤器，既使水合物生成室中生成的环戊烷水合物与浓缩海水溶液的分离可持续，又增大了系统的海水淡化效率；另外，循环热媒系统以太阳能集热器作为其结构组成，实现太阳能蓄热，既可以用提供环戊烷水合物固体分解和环戊烷气化的热量，又利用了清洁的太阳能从而降低系统能耗。本发明具备消耗较少能量便能持续将海水转化为淡水的能力，而且常压下的反应条件对设备的要求不高。太阳能蓄热装置在白天能够储蓄大量的热量，晚上利用此部分储蓄的热量继续为海水淡化系统提供热源，实现了在低能耗下对淡水的连续产能。本发明结构合理，能重复使用且调试及使用方法简单，具有极大的现实应用价值。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是转筒过滤器的结构示意图。

图3是使用本发明的系统实现海水淡化的原理图。

图中：1-海水池、2-冷却器、3-水合物生成室、4-换热式分解器、5-蒸汽发生器、6-换热器、7-转筒过滤器、8-淡水储罐、9-环戊烷储气罐、10-抽气泵、11-空气压缩机、12-太阳能集热器、13-蓄热装置、14-第一放热组件、15-第二放热组件、16-热媒输送管路、17-第一输水泵、18-第一单向阀、19-第二输水泵、20-第二单向阀、21-混输泵、22-第一蝶阀、23-第三输水泵、24-第二蝶阀、25-第四输水泵、26-闸阀、27-第五输水泵、28-第三蝶阀、29-第三单向阀、 3a-冷却海水输入口、3b-水合物输出口、3c-气化环戊烷输入口、3d-浓缩海水输出口、4a-液体输出端、4b-气体输出端、7a-转筒、7b-转筒轴、7c-刮板、7d-石墨层、7e-保护罩、16a-输水泵、16b-单向阀。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明进行说明：

图1是一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统的结构示意图。一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，包括海水池1、冷却器2、水合物生成室3、换热式分解器4及蒸汽发生器5，海水池1、冷却器2、水合物生成室3及换热式分解器4通过连接管路依次连接；海水池1与冷却器2的输入端之间连接有换热器6；水合物生成室3为中空腔体结构，水合物生成室3的侧壁上设有冷却海水输入口3a、水合物输出口3b及气化环戊烷输入口3c，水合物生成室3的底部开设有浓缩海水输出口3d。冷却海水输入口3a与冷却器2的输出端相连；水合物输出口3b与换热式分解器4的输入端相连；水合物生成室3的内部空腔中固定有转筒过滤器7。

图2示出了转筒过滤器7的具体结构：转筒过滤器7包括转筒7a及刮板7c，转筒7a的中心设有转筒轴7b，由于在水合物生成室3中生成的环戊烷水合物固体密度比海水小，环戊烷水合物固体会上升至液面，因此将转筒轴7b固定于水合物生成室3的上部，并使转筒7a的下部位于水合物生成室3的预设反应液位以下；转筒7a的外侧壁上设有石墨层7d，优选在转筒7a上部的外侧罩设有保护罩7e；刮板7c的刮刀端设置于转筒7a上部的外侧壁处。为了使刮下的固态环戊烷水合物顺利输出水合物生成室3外，优选将刮板7c的端部低于刮刀端，以使刮板7c呈下倾状态，刮板7c的端部与水合物输出口3b相连通。当转筒过滤器7工作时，随着转筒7a的转动，环戊烷水合物陆续被石墨层7d捕集，吸附在转筒7a外侧壁上的水合物转动至刮板7c位置时便被刮板7c刮下从而使环戊烷水合物分离出来。

换热式分解器4的输出端包括液体输出端4a和气体输出端4b，其中，液体输出端4a连接有淡水储罐8，气体输出端4b通过环戊烷储气罐9与蒸汽发生器5的输入端相连，蒸汽发生器5的输出端与气化环戊烷输入口3c通过抽气泵10相连，蒸汽发生器5与空气压缩机11相连，空气压缩机11的作用在于通过调节空气压缩机11的流量，控制蒸汽发生器5的输出端的气化环戊烷的流量；浓缩海水输出口3d与换热器6的冷媒进口端相连通。

如图1所示，换热式分解器4与蒸汽发生器5之间设有循环热媒系统；该循环热媒系统具体包括太阳能集热器12及蓄热装置13，太阳能集热器12、蓄热装置13、蒸汽发生器5中的第一放热组件14以及换热式分解器4中的第二放热组件15通过热媒输送管路16串联在一起形成热媒循环管路；在热媒循环管路上设有输水泵16a及单向阀16b，优选在连接第一放热组件14及第二放热组件15的热媒管路上、连接蓄热装置13与第一放热组件14的热媒管路上同时设置输水泵16a和单向阀16b，以实现对流入第一放热组件14和第二放热组件15的热媒流量进行不同程度的控制。循环热媒系统中蓄热装置13的设置用来作为第一放热组件14和第二放热组件15的后备能源，以便在太阳能缺乏时使用，保证低能耗下的持续性生产。

为实现海水淡化各个阶段的及时控制，同时便于设备检测与维修。优选在不同组件的连接管路上设置有流量控制阀，如换热器6的冷媒出口端、环戊烷储气罐9与蒸汽发生器5之间均连接有流量控制阀。该流量控制阀包括输水泵及管阀；具体地：海水池1与换热器6之间设有第一输水泵17及第一单向阀18、环戊烷储气罐9与蒸汽发生器5之间设有第二输水泵19及第二单向阀20；水合物输出口3b与换热式分解器4之间设有混输泵21及第一蝶阀22；换热式分解器4的气体输出端4b与环戊烷储气罐9之间设有第三输水泵23及第二蝶阀24；换热器6的冷媒出口端依次连接有第四输水泵25及闸阀26；液体输出端4a与淡水储罐8之间设有第五输水泵27及第三蝶阀28；蒸汽发生器5的输出端与气化环戊烷输入口3c之间设有抽气泵10及第三单向阀29。

本发明的海水淡化系统中的冷却器2的温度控制、空气压缩机11的流量控制、换热式分解器4的温度控制及流量控制阀门的流量控制均可通过现有的PLC程序配合温度传感器或流量计的设置实现自动控制。

图3示出了本发明的系统实现海水淡化过程的原理图。配合本发明的系统结构，本发明实现海水淡化的过程为：海水先经过冷却器2冷却，输入水合物生成室3内在常压2 ^oC的反应条件下与环戊烷进行反应生成环戊烷水合物，通过水合物生成室3中的转筒过滤组件，将固态的环戊烷水合物输送至换热式分解器4中进行受热分解，通过换热式分解器4对环戊烷水合物的热作用，环戊烷水合物分解得到可循环使用的气化环戊烷和最终的淡水，其中的气态环戊烷再通过蒸汽发生器5输入到水合物生成室3中进行重复利用，从而实现了本系统的连续淡化，另外，通过蒸汽发生器5对气化环戊烷进行温度控制使输入水合物生成室3中的气化环戊烷在水合物生成室3中增大其与海水的反应接触面积，使反应更加充分。由于水合物生成室3中反应生成的环戊烷水合物固体密度比海水小，因此环戊烷水合物固体会上升至液面，因此水合物生成室3中反应后得到的低温浓缩海水将输入换热器6中重复利用。

一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统的使用方法，包括以下步骤：

S1：准备工作：预先在水合物生成室3中置入环戊烷；在循环热媒系统的热媒输送管路16中注入热媒。

S2：调节系统温度：通过调节循环热媒系统中热媒管路上的输水泵16a及单向阀16b控制热媒流量，以使换热式分解器4中的温度控制在10-50 ^oC，水合物生成室3中的温度达到2 ^oC。

S3：调节冷却器制冷温度：如图1所示，打开第一输水泵17及第一单向阀18，使海水经换热器6进入冷却器2中，同时调节冷却器2的制冷温度，直至冷却器2输出端的输出海水温度达到-15-3 ^oC，并维持在该制冷温度下。

S4：启动换热器6：打开第四输水泵25及闸阀26，以使浓缩海水输出口3d输出的低温浓缩海水与进入冷却器2之前的海水进行热交换。

S5：调节气化环戊烷输入量：开启第二输水泵19及第二单向阀20，同时将空气压缩机11的流量调节为30-1000 L/min，启动抽气泵10以将环戊烷储气罐9中的气化环戊烷及压缩空气输入水合物生成室3中。

S6：启动转筒过滤器7，同时打开混输泵21及第一蝶阀22，以将水合物生成室3中得到的环戊烷水合物输送至换热式分解器4中，经换热式分解器4处理后输出的淡化海水输入淡水储罐8中，气化换戊烷存储至环戊烷储气罐9中。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，包括海水池、冷却器、水合物生成室、换热式分解器及蒸汽发生器，换热式分解器与蒸汽发生器之间设有循环热媒系统；海水池、冷却器、水合物生成室及换热式分解器通过连接管路依次连接，在连接管路上设有流量控制阀；海水池与冷却器之间连接有换热器；所述水合物生成室为中空腔体，水合物生成室设有冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口及浓缩海水输出口；水合物生成室的内部空腔中固定有转筒过滤器；转筒过滤器包括转筒及刮板，转筒的中心设有转筒轴，转筒轴固定于水合物生成室的上部，并使转筒的下部位于水合物生成室的预设反应液位以下；转筒的外侧壁上设有吸附材料层；所述刮板的刮刀端设置于转筒上部的外侧壁处，刮板的端部与所述水合物输出口相连通；冷却海水输入口与冷却器的输出端相连；水合物输出口通过混输泵与换热式分解器相连，换热式分解器的输出端包括液体输出端和气体输出端，其中，液体输出端连接有淡水储罐，气体输出端通过环戊烷储气罐与蒸汽发生器相连，蒸汽发生器通过抽气泵与所述气化环戊烷输入口相连；所述浓缩海水输出口与换热器的冷媒进口端相连通，换热器的冷媒出口端、环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间连接有流量控制阀。

2.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述循环热媒系统包括太阳能集热器及蓄热装置，太阳能集热器与蓄热装置、蒸汽发生器中的第一放热组件以及换热式分解器中的第二放热组件通过热媒输送管路串联在一起形成热媒循环管路；在热媒循环管路上设有输水泵及单向阀。

3.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述流量控制阀包括输水泵及管阀；海水池与换热器之间设有第一输水泵及第一单向阀、环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间设有第二输水泵及第二单向阀；水合物输出口与换热式分解器之间设有第一蝶阀；换热式分解器的气体输出端与环戊烷储气罐之间设有第三输水泵及第二蝶阀；所述换热器的冷媒出口端依次连接有第四输水泵及闸阀；所述液体输出端与淡水储罐之间设有第五输水泵及第三蝶阀；抽气泵与所述气化环戊烷输入口之间设有第三单向阀。

4.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述蒸汽发生器与空气压缩机相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述刮板的端部低于刮刀端。

6.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述冷却海水输入口、水合物输出口、气化环戊烷输入口设置于水合物生成室的侧壁，浓缩海水输出口设置于水合物生成室的底部。

7.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统，其特征在于，所述吸附材料层为石墨层；所述转筒上部的外侧罩设有保护罩。

8.根据权利要求1所述的一种基于水合物法的常压连续海水淡化系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：准备工作：预先在水合物生成室中置入环戊烷；在循环热媒系统的热媒输送管路中注入热媒；

S2：调节系统温度：通过调节循环热媒系统的热媒流量，将换热式分解器中的温度控制在10-50 ^oC，水合物生成室中的温度达到2 ^oC；

S3：调节冷却器制冷温度：打开海水池与冷却器之间流量控制阀，使海水经换热器进入冷却器中，同时调节冷却器的制冷温度，直至冷却器输出端的输出海水温度达到-15-3 ^oC，并维持在该制冷温度下；

S4：启动换热器：打开换热器的冷媒出口端的流量控制阀，以使浓缩海水输出口输出的低温浓缩海水与进入冷却器之前的海水进行热交换；

S5：调节气化环戊烷输入量：开启环戊烷储气罐与蒸汽发生器之间的流量控制阀，同时将蒸汽发生器中的空气流量调节为30-1000 L/min，启动蒸汽发生器的输出端与气化环戊烷输入口之间的抽气泵以将环戊烷储气罐中的气化环戊烷及压缩空气输入水合物生成室中；

S6：启动转筒过滤器，同时使水合物生成室与换热式分解器之间的连接管路连通，以将环戊烷水合物输送至换热式分解器中，经换热式分解器处理后输出的淡化海水输入淡水储罐中，气化换戊烷存储至环戊烷储气罐中。