CN113307403A - 一种海水除盐装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海水淡化领域，涉及一种集合水合物法海水淡化技术、水凝胶微粒对水合反应的促进技术和连续化生产的海水除盐装置，以环戊烷水合物为中间产物，基于水凝胶微粒的多孔和亲水特性驱动水合物反应，生成水合物浆体后进入滴流反应器继续反应，通过新鲜海水的不断注入和浓盐水的连续排出，在饱和反应发生的同时对残留盐分进行洗涤，滴流反应器采用串联式半导体制冷设计，对饱和反应的水合物进行热分解，并进入热分离器将环戊烷、水凝胶流体和淡水分离，微通道反应器的强化混合作用能够进一步提高反应效率；其首次将水凝胶微粒和环戊烷结合应用于海水淡化，实现了常压下水合物法海水淡化的高效连续化生产，具有工业应用的可行性。

Description

一种海水除盐装置

技术领域：

本发明属于海水淡化设备技术领域，具体涉及一种海水除盐装置，基于水凝胶微粒对水合反应的促进技术、环戊烷水合物的排盐效应和水合物法实现海水的除盐。

背景技术：

地球上的淡水资源仅占水资源总量的2％，而其中87％的淡水以固态形式被封冻在两极冰川和高山冰层中，难以为人类所利用，再加上水资源空间分配不均，淡水资源缺乏已成为世界各国人民共同面对的挑战。所以，人们将目光投向了海水淡化领域。

海水淡化是指通过一定的方式将海水中的杂质和盐分脱除，从而得到淡水以供人类或工业利用。目前，常见的海水淡化方法有多级闪蒸、冷冻法、电渗析法和膜法等，例如，中国专利202021150863.4公开的一种用于海水转化的淡水发生器，包括淡水发生器本体、前级水箱、固定板、反渗透膜、软化盒体和离子交换树脂，所述前级水箱固定连接在淡水发生器本体的外侧，所述前级水箱与淡水发生器本体的进水端口相连接，所述前级水箱的内部沿海水流动方向应依次设有除盐腔室和软化腔室，所述除盐腔室与软化腔室之间固定连接有隔板，所述隔板的顶部开设有溢水孔，所述除盐腔室的内部设有可拆卸的固定板，所述固定板的侧壁固定连接有反渗透膜，所述软化腔室的内部固定连接有软化盒，所述软化盒的内部填充有离子交换树脂；中国专利201420012450.8公开的一种用于橡胶磁体制造的改进的密炼机，包括密炼室，所述密炼室内固定设置有啮合型转子，所述转子两端设有反螺纹与端面接触式自动密封装置；所述密炼室外设置有与所述密炼室内部相通的测温系统；所述转子上均匀间隔设置有长突棱、中突棱和短突棱，所述转子连接有通过电机带动转动的转动装置；所述长突棱与所述中突棱的螺旋方向一致；所述中突棱和短突棱的螺旋方向相反；所述自动密封装置包括设置有安装孔的轴承支架以及设置在所述轴承支架孔内的耐磨板，所述轴承支架上安装有密封油缸，所述密封油缸一端设置有动耐磨环和静耐磨环；所述静耐磨环包括碳/碳复合材料弹性环体和周向设置在所述弹性环体上的摩擦面，所述弹性环体内设置有石墨纸缓冲层；中国专利201922394867.0公开的一种电软化海水淡化工艺系统，包括原水箱、初级过滤器、超滤装置、反渗透装置，所述原水箱通过带泵管道连接至初级过滤器的进水口，所述初级过滤器的出水口与电软化除盐装置的进水端相连通，所述的电软化除盐装置出水端经由粗过滤器与超滤装置相连接，所述的超滤装置出水端连接有超滤产水箱，所述超滤产水箱通过带泵管路与保安过滤器的进水端口相连接，所述保安过滤器的出水端口通过带高压泵的管道与反渗透装置的进水端连接，所述反渗透装置通过带阀管道与淡水箱相连通；中国专利201911336503.5公开的一种基于离子浓差极化效应的海水淡化并行装置，包括有阳极室、阴极室、以及多个并行设置于阳极室和阴极室之间的除盐单元；所述的阳极室的内腔两侧设置有电解液阳极入口和电解液阳极出口，阴离子交换膜；在阴极室的内腔两侧设置有电解液阴极入口和电解液阴极出口，阳离子选择性膜，所述的除盐单元包括有淡化腔室、浓缩室和淡水腔室，淡化腔室上设置有海水溶液入口和阳离子选择性膜I，在阳离子选择性膜I上轴向开设有多道并排的微米孔，该微米孔的外端与淡水腔室相通，该阳离子选择性膜I的周缘外侧通过该阳离子选择性膜I与浓缩室连通；浓缩室上设置有缓冲溶液出口；在海水溶液进入到淡化腔室内后，由于阳离子选择性膜I的选择透过性，阳离子经由阳离子选择性膜I进入到浓缩室，而经淡化后的淡水溶液则通过微米孔进入到淡水腔室，淡水腔室的外端还连接用于将淡水引出的淡水溶液出口；在浓缩室与邻接的除盐单元的淡水腔室之间设置了微滤膜；所述阳极室的内腔与邻接的除盐单元的淡化腔室之间设置有阴离子选择性膜，该阴离子选择性膜只允许阴离子选择性透过，不能透过阳离子和水分子；所述阴极室的内腔与邻接的除盐单元的浓缩室之间设置有阳离子选择性膜II，该阳离子选择性膜II只允许阳离子选择性透过，不能透过阴离子和水分子；在阳极室内部插入第一电极，其电势为Φ1，在阴极室内插入第二电极，其电势为Φ2，Φ1＞Φ2，第一电极和第二电极的电势差用于产生覆盖于整个阳极室、阴极室和多个并行的除盐单元的第一场强；中国专利201910195370.8公开的一种小型核反应堆余热利用的喷雾蒸发浓盐水处理系统包括：隔离蒸发器，包括输入端和蒸汽排放口，反应堆二回路的余热蒸汽从所述输入端进入隔离蒸发器后转换得到隔离蒸汽；空气加热器，包括蒸汽入口和热空气输出口，隔离蒸汽从蒸汽入口进入空气加热器内；喷雾蒸发室，其包括浓盐水入口、热空气入口和气流出口，且该喷雾蒸发室内设有喷嘴，海水淡化后的浓盐水通过第一管路从浓盐水入口进入喷嘴，热空气入口与空气加热器的热空气输出口连接；以及汽水分离器，与气流出口连接；中国专利201710142927.2公开的一种双膜法海水淡化一体化设备，包括海水超滤预处理系统、海水反渗透除盐系统和在线清洗系统；所述海水超滤预处理系统包括依次连接的原水泵、超滤水箱、抽吸泵和中间水箱，所述超滤水箱内部设有超滤膜组件，所述超滤膜组件包括超滤膜和设于超滤膜中心且与超滤膜贯通设置的中空转轴，所述超滤膜为旋转错流式平板膜，所述超滤膜组件由设于超滤水箱外部的电机带动旋转；所述海水反渗透除盐系统包括依次与所述中间水箱相连的反渗透给水泵、保安过滤器、高压泵、反渗透膜组件，所述反渗透膜组件的出水口处依次设有减压阀和浓水排放阀；所述在线清洗系统包括超滤膜组件清洗系统和反渗透膜组件清洗系统，所述超滤膜组件清洗系统与超滤膜相连并用于对超滤膜的清洗，所述反渗透膜组件清洗系统与反渗透膜组件相连并用于对反渗透膜组件的清洗。但是，这些方法存在能量投入大或维护成本过高的缺陷。水合物法作为一种新兴的技术在海水除盐领域具有巨大的发展潜力，因为水合物在生成过程中具有排盐效应，一个水合物单体由数个水分子和一个客体分子组成，不掺杂其他成分，使得水合物在海水环境形成的过程中消耗淡水而产生浓盐水，再将水合物分解分离便可得到淡水资源。在实际应用和已公开的专利文献中，水合物法存在水合物反应诱导期长、生成速率慢的缺陷，从而导致淡水生产不连续，产业化应用受阻。

因此，提高水合物反应效率，实现水合物法海水淡化的连续化进程是解决产业化应用瓶颈的关键。水凝胶作为一种多孔亲水介质，可为水合物反应提供成核位点，促进水合物的快速高效反应，并且水凝胶固体与水存在密度差，容易分离，能够进一步降低淡水分离难度，克服水合物化学促进剂带来的水体二次污染。将水凝胶微粒与水合物法结合，能够为海水除盐产业化应用提供技术支持。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种海水除盐装置，以水凝胶微粒为促进因子，环戊烷为客体分子，解决水合物法除盐反应效率低的问题，实现连续化产水。

为了实现上述目的，本发明涉及的海水除盐装置的主体结构包括海水水泵、固液混合器、微通道反应器、滴流反应机构、热分离器和环戊烷储罐；海水水泵与固液混合器连接，固液混合器与微通道反应器连接，微通道反应器与滴流反应机构连接，滴流反应机构与热分离器连接，热分离器与固液混合器连接；另外，海水水泵与滴流反应机构连接，热分离器与环戊烷储罐连接，环戊烷储罐与微通道反应器连接。

本发明涉及的固液混合器通过恒流泵与微通道反应器连接；热分离器通过水凝胶流体泵与固液混合器连接；热分离器通过冷凝器与环戊烷储罐连接；环戊烷储罐通过环戊烷液体泵与微通道反应器连接。

本发明涉及的海水水泵与固液混合器之间设置有一号控制阀，固液混合器内设置有搅拌机构，微通道反应器与滴流反应机构之间设置有二号控制阀，滴流反应机构上还设置有三号控制阀和四号控制阀，滴流反应机构与热分离器之间设置有五号控制阀，热分离器内设置有过滤板，热分离器上还设置有六号控制阀，海水水泵与滴流反应机构之间设置有七号控制阀。

本发明涉及的滴流反应机构由两个以上的偶数个长方体板式结构的滴流反应器组成，滴流反应器之间设置有半导体制冷器，滴流反应器上设置有滴流板，滴流反应器的板式结构增大了与半导体制冷器的换热面积，半数滴流反应器作为制冷反应器制冷促进水合反应，半数滴流反应器作为加热分解器加热分解水合物，控制水合物进行正向和逆向反应；半导体制冷器的冷端温度为0-1℃，热端温度为30℃以上，通过改变半导体制冷器的电流方向实现制冷反应器与加热分解器的功能互换，使滴流反应机构连续化工作，低温海水以水帘形式通过滴流板进入滴流反应器实现水合物的反应饱和，同时作为新水不断洗涤水合物表面的盐分。

本发明涉及的搅拌机构至少包括电机、传动杆和搅拌叶片；微通道反应器为工业放大型反应器，内部设有走向交错、分叉和汇集的通道，通道的直径为2-3mm，长度根据流体流速和反应效果通过增减微通道反应器的片数调整；二号控制阀和三号控制阀均为电磁阀，三号控制阀用于稳定滴流反应机构的气压；热分离器借助密度差和挥发性原理，使得位于液体上方的水凝胶流体通过水凝胶流体泵排出，换热后进入固液混合器，位于下方的淡水通过过滤板进一步过滤之后经由六号控制阀排出；过滤板为多层过滤板。

本发明涉及的海水除盐装置使用时，将固液混合器、微通道反应器、冷凝器和环戊烷储罐置于2-5℃的低温环境中，滴流反应器机构7中的制冷反应器和加热分解器通过半导体制冷器分别维持0-1℃和30-35℃的温度环境。

本发明与现有技术相比，引入不溶于水，易于分离的水凝胶流体，促进环戊烷水合物的快速成核及反应，且水凝胶流体和环戊烷液体在常压下发生反应，降低了气体水合物反应对高压设备的需求，微通道反应器的强化混合效果使得水合物以浆体形式连续化流动生产，摆脱了传统的间歇式反应，实现了流动式反应，极大的增进了反应效率，并使得水合物法海水除盐在常压下就能实现高效快速和连续化生产，水凝胶和环戊烷的循环利用，降低了水合物产业化生产的经济成本，滴流反应器在保证水合物充分反应的能够同时实现反应的连续化；其结构简单，集成度高，解决了无促进剂条件下的环戊烷与盐水反应困难的问题，避免了常规化学促进剂造成的水体二次污染，在海水淡化领域具有可行性。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明涉及的滴流反应机构的结构示意图。

具体实施方法：

下面结合附图并结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例涉及的海水除盐装置的主体结构如图1所示，包括海水水泵1、固液混合器2、一号控制阀3、搅拌机构4、恒流泵5、微通道反应器6、滴流反应机构7、二号控制阀8、三号控制阀9、四号控制阀10、热分离器11、五号控制阀12、过滤板13、六号控制阀14、水凝胶流体泵15、七号控制阀16、冷凝器17、环戊烷储罐18和环戊烷液体泵19；海水水泵1与固液混合器2连接，二者之间设置有一号控制阀3，固液混合器2内设置有搅拌机构4，固液混合器2通过恒流泵5与微通道反应器6连接，微通道反应器6与滴流反应机构7连接，二者之间设置有二号控制阀8，滴流反应机构7上还设置有三号控制阀9和四号控制阀10，滴流反应机构7与热分离器11连接，二者之间设置有五号控制阀12，热分离器11内设置有过滤板13，热分离器11上还设置有六号控制阀14，热分离器11通过水凝胶流体泵15与固液混合器2连接；另外，海水水泵1与滴流反应机构7连接，二者之间设置有七号控制阀16，热分离器11通过冷凝器17与环戊烷储罐18连接，环戊烷储罐18通过环戊烷液体泵19与微通道反应器6连接。

本实施例涉及的滴流反应机构7如图2所示由八个滴流反应器21组成，滴流反应器21之间设置有半导体制冷器22，滴流反应器21上设置有滴流板23，在八个滴流反应器21中以Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ号滴流反应器21为例，半导体制冷器22的c和d端制冷时，b和e端加热，a和f端也加热，则Ⅴ号滴流反应器21为制冷反应器，Ⅳ和Ⅵ号滴流反应器21为加热分解器，即相邻滴流反应器21之间的功能相反。

本实施例涉及的海水除盐装置使用时，采用制冷设备20对固液混合器2、微通道反应器6、冷凝器17和环戊烷储罐18进行制冷，使其处于2-5℃的低温环境中，开启海水水泵1、一号控制阀3、恒流泵5、三号控制阀9、六号控制阀14、水凝胶流体泵15和环戊烷液体泵19，关闭二号控制阀8、四号控制阀10、五号控制阀12和七号控制阀16；海水和水凝胶流体在固液混合器2中通过搅拌机构4的搅拌混合后与环戊烷液体同时进入微通道反应器6，水凝胶流体和环戊烷液体在强化混合作用下反应生成的水合物浆体通过二号控制阀8进入滴流反应器机构7中的制冷反应器，同时，海水通过七号控制阀16进入制冷反应器与水合物浆体发生饱和反应并洗涤水合物表面盐分：浓盐水通过四号控制阀10排出，水合物固体在滴流反应机构7中的加热分解器中分解并进入温度为35-40℃的热分离器11中，环戊烷挥发并在冷凝器17中液化重新进入环戊烷储罐18，淡水通过过滤板13经由六号控制阀14流出，水凝胶流体通过水凝胶流体泵15换热进入固液混合器2形成循环；滴流反应机构7中的加热分解器内的流体流尽时，通过改变半导体制冷器22的电流方向使制冷反应器和加热分解器的功能互换，从而实现连续化生产。

本实施例涉及的水凝胶是一种吸水溶胀的固体颗粒，溶胀后的直径为50-100um，与海水混合形成水凝胶流体，密度小于淡水。

Claims (10)

1.一种海水除盐装置，其特征在于，主体结构包括海水水泵、固液混合器、微通道反应器、滴流反应机构、热分离器和环戊烷储罐；海水水泵与固液混合器连接，固液混合器与微通道反应器连接，微通道反应器与滴流反应机构连接，滴流反应机构与热分离器连接，热分离器与固液混合器连接；进一步地，海水水泵与滴流反应机构连接，热分离器与环戊烷储罐连接，环戊烷储罐与微通道反应器连接。

2.根据权利要求1所述的海水除盐装置，其特征在于，固液混合器通过恒流泵与微通道反应器连接；热分离器通过水凝胶流体泵与固液混合器连接；热分离器通过冷凝器与环戊烷储罐连接；环戊烷储罐通过环戊烷液体泵与微通道反应器连接。

3.根据权利要求2所述的海水除盐装置，其特征在于，海水水泵与固液混合器之间设置有一号控制阀，固液混合器内设置有搅拌机构，微通道反应器与滴流反应机构之间设置有二号控制阀，滴流反应机构上还设置有三号控制阀和四号控制阀，滴流反应机构与热分离器之间设置有五号控制阀，热分离器内设置有过滤板，热分离器上还设置有六号控制阀，海水水泵与滴流反应机构之间设置有七号控制阀。

4.根据权利要求所述1-3中任一项所述的海水除盐装置，其特征在于，滴流反应机构由两个以上的偶数个长方体板式结构的滴流反应器组成，滴流反应器之间设置有半导体制冷器，滴流反应器上设置有滴流板，滴流反应器的板式结构增大了与半导体制冷器的换热面积，半数滴流反应器作为制冷反应器制冷促进水合反应，半数滴流反应器作为加热分解器加热分解水合物，控制水合物进行正向和逆向反应；半导体制冷器的冷端温度为0-1℃，热端温度为30℃以上，通过改变半导体制冷器的电流方向实现制冷反应器与加热分解器的功能互换，使滴流反应机构连续化工作，低温海水以水帘形式通过滴流板进入滴流反应器实现水合物的反应饱和，同时作为新水不断洗涤水合物表面的盐分。

5.根据权利要求1所述的海水除盐装置，其特征在于，微通道反应器为工业放大型反应器，内部设有走向交错、分叉和汇集的通道，通道的直径为2-3mm，长度根据流体流速和反应效果通过增减微通道反应器的片数调整。

6.根据权利要求3所述的海水除盐装置，其特征在于，搅拌机构至少包括电机、传动杆和搅拌叶片；二号控制阀和三号控制阀均为电磁阀，三号控制阀用于稳定滴流反应机构的气压；过滤板为多层过滤板。

7.根据权利要求3或6所述的海水除盐装置，其特征在于，热分离器借助密度差和挥发性原理，使得位于液体上方的水凝胶流体通过水凝胶流体泵排出，换热后进入固液混合器，位于下方的淡水通过过滤板进一步过滤之后经由六号控制阀排出。

8.根据权利要求4所述的海水除盐装置，其特征在于，使用时，将固液混合器、微通道反应器、冷凝器和环戊烷储罐置于2-5℃的低温环境中，滴流反应器机构7中的制冷反应器和加热分解器通过半导体制冷器分别维持0-1℃和30-35℃的温度环境。

9.根据权利要求8所述的海水除盐装置，其特征在于，具体过程为：采用制冷设备对固液混合器、微通道反应器、冷凝器和环戊烷储罐进行制冷，使其处于2-5℃的低温环境中，开启海水水泵、一号控制阀、恒流泵、三号控制阀、六号控制阀、水凝胶流体泵和环戊烷液体泵，关闭二号控制阀、四号控制阀、五号控制阀和七号控制阀；海水和水凝胶流体在固液混合器中通过搅拌机构的搅拌混合后与环戊烷液体同时进入微通道反应器，水凝胶流体和环戊烷液体在强化混合作用下反应生成的水合物浆体通过二号控制阀进入滴流反应机构中的制冷反应器，同时，海水通过七号控制阀进入制冷反应器与水合物浆体发生饱和反应并洗涤水合物表面盐分：浓盐水通过四号控制阀排出，水合物固体在滴流反应机构中的加热分解器中分解并进入温度为35-40℃的热分离器中，环戊烷挥发并在冷凝器中液化重新进入环戊烷储罐，淡水通过过滤板经由六号控制阀流出，水凝胶流体通过水凝胶流体泵换热进入固液混合器形成循环；滴流反应机构中的加热分解器内的流体流尽时，通过改变半导体制冷器的电流方向使制冷反应器和加热分解器的功能互换，从而实现连续化生产。

10.根据权利要求9所述的海水除盐装置，其特征在于，水凝胶是一种吸水溶胀的固体颗粒，溶胀后的直径为50-100um，与海水混合形成水凝胶流体，密度小于淡水。

Images