CN113423666A - 用于低成本水脱盐的完全再生蒸馏系统 - Google Patents

Abstract

一种脱盐装置，包括具有两个隔室的密封的脱盐腔室、包含有盐水的蒸发器空间和包含有淡水的冷凝器空间、将盐水引导到蒸发器空间的盐水分配机构、产生进入冷凝器空间的加压淡水蒸气流的蒸气压缩机、以及在蒸发器空间和冷凝器空间之间的具有两个侧部的集成的再生边界，这两个侧部是蒸发表面和冷凝表面，使加压淡水蒸气在冷凝表面上冷凝以产生淡水，并且其中，冷凝过程的潜热横跨集成的再生边界传递到蒸发空间并使盐水的一部分蒸发，以产生淡水蒸气。

Description

用于低成本水脱盐的完全再生蒸馏系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年2月11日提交的美国临时申请第62/804,109号的优先权。上述申请为了所有目的以参见的方式纳入本文。

技术领域

该说明书总体上涉及脱盐。

背景技术

由于气候变化、人口增长和人类迁徙模式的影响，脱盐、一种从盐水中分离和去除溶解的盐和矿物质成分的过程，正在成为重要的社会规模功能。沿海地区可以通过直接使河口中的海水或苦咸水脱盐来解决淡水短缺问题。在许多其它地区，由于其盐度高，地下水可能不适合饮用或不适合农业。同样，脱盐可以更大程度地利用可用的地下水资源，否则这些资源会因高盐度水平而受到破坏。

由于其有利的能量效率和资金成本，反渗透(RO)脱盐目前在脱盐领域占主导地位。另一方面，由于处理地点和周围环境的潜在污染，废弃卤水(脱盐的副产品)的处理是一项挑战。一种解决方案是实现高回收率，产生高浓度的卤水——达到盐溶液的饱和水平，即约25％的质量分数——这导致最小的卤水体积，并因此降低了相应的处理成本。

在地下水脱盐的情况下，由于上述类似的原因，残留卤水的处理可能是一个挑战。在这种情况下，非常高的回收率能够产生高浓度的卤水，如果残留的卤水被直接运走，例如用卡车运走，则允许最小的卤水量。

一些工业过程，例如“压裂”和常规油气生产，产生非常大量的作为生产的副产品的卤水。由此产生的卤水通常需要在远离初始井场的地方进行处理。在这种情况下，将卤水浓缩到非常高的浓度水平的能力能够减少最终处置此类卤水的体积运输。虽然这种浓缩卤水的过程不是直接脱盐，而是脱盐过程的副产品输出，但它可以通过脱盐过程进行。

脱盐过程通常是蒸馏或膜类型过程，其中反渗透(RO)作为主要的膜过程。RO脱盐是一种相对现代的工艺，发明于20世纪下半叶，并且在21世纪进一步发展为相对成熟的工艺。

RO脱盐通常是节能的，因为该过程可以满足每单位分离(脱盐)的最小能量需求的渐进极限。然而，RO有缺点。

1.RO系统的一个常见挑战是与该过程中使用的膜的磨损相关的维护成本。

2.RO系统还需要非常高的压力来对盐度在海水范围内(按质量分数计-3.5％盐)的盐溶液进行脱盐，因此需要坚固的泵和管道系统。这些重防腐部件必须由不锈钢合金制成以避免腐蚀，成本高昂。

3.相关的挑战是废弃的卤水也被加压，并且为了避免与对卤水加压的功相关的能量损失，可以结合有能量回收系统。当结合时，这种能量回收系统增加了系统成本。如果不结合能量回收，能源性能就会下降。

4.因为从高盐水中脱盐需要非常高的压力，所以RO通常不适用于生产非常高浓度的卤水作为副产品。因此，二级工艺通常需要与RO系统结合以生产非常高浓度的卤水作为被拒绝的副产品。

5.膜通常需要用淡水定期冲洗以清除累积的颗粒物质，包括生物物质。

6.RO过程对施加到盐水给水以克服渗透压并迫使水分子通过膜的压力敏感。间歇性操作——例如，由于断电事件——导致液压损失和不受控制的正向渗透，其中淡水逆转其路径。

蒸馏过程比膜过程更古老。这些传统上已经基于应用热输入来实现蒸发，然后冷凝以回收淡水产品。这种单程系统效率极低，但仍然可能利用多余的“自由”热能。更高效的蒸馏过程利用组织起来以连续处理热能的多个阶段，使得在一个阶段的冷凝中回收的热量驱动后续阶段的蒸发。因此，从能源效率的角度来看，多阶段系统更有效，但尚未显示出与现代RO系统在经济上的竞争优势。

一种考虑是仅使用低温以避免在暴露于盐水的热交换器表面上结垢。当温度在70℃的范围及以上时，结垢通常会成为问题。许多阶段的热堆叠导致有些更高的温度输入热量需求，随之而来的是结垢危险。多级系统还需要相对复杂的热效率集成，并实现所需的管系。

发明内容

本发明涉及一种执行再生蒸馏过程的脱盐装置。它是一种无膜、无化学品的脱盐技术，其消除了与膜的磨损相关的操作和维护(O&M)成本以及对作为RO脱盐过程的关键部件的重防腐高压泵、管系和能量回收装置的需求。

本发明采用蒸发和冷凝的热力学原理从盐水中蒸馏淡水。因此，它实现了非常低的比能级，接近最小脱盐能量的理论极限。本发明对盐水的盐度水平或化学成分不敏感，这些通常是导致RO膜功能障碍、损坏和结垢的原因。

各实施例涉及具有蒸发空间的脱盐装置，蒸发空间是气密密封的脱盐腔室内的两个相邻的、不同的物理体积。蒸发空间和冷凝器空间由内部再生焓交换介质分开，其在本文中称为集成的再生边界。集成的再生边界在冷凝器空间和蒸发器空间之间传递相变的潜热，并且在不需要任何外部热交换的情况下维持蒸馏过程。

其它实施例涉及由脱盐装置执行的用于盐水(SW)脱盐的蒸馏过程。该过程从其中SW被接收在蒸发空间内的初始状态开始。然后将蒸发潜热添加到蒸发器空间中的SW中，以将一部分SW转变为饱和蒸气，导致过渡到第二状态。接下来，蒸气压缩机提高饱和淡水(FW)蒸气的压力，并将进一步过热的加压FW蒸气引导至冷凝器空间，导致过渡到第三状态。在冷凝器空间中，从加压水蒸气中去除冷凝潜热，使其转变成饱和淡水液体，导致最终过渡到第四种状态。然后将作为蒸馏过程的产物的FW冷凝器空间中去除。

各实施例还涉及包括冷凝器、蒸发器和热交换器的集成的再生边界，以便于从密封腔室内的冷凝器空间到蒸发器空间的所需热量传递。在某些实施例中，集成的再生边界被分成若干子部段并且子部段径向布置以最大化空间利用。每个子部段在其两个相应表面，即面向蒸发器空间和冷凝器空间的表面中的每一个上都接合有大的表面区域。集成的再生边界将脱盐腔室内的体积分开并分隔为内部蒸发器空间和外部冷凝器空间。在某些实施例中，集成的再生边界由折叠成薄间距的薄膜制成，其有效地将传热表面区域封装到特定体积中。

各实施例涉及设置在蒸发器空间和冷凝器空间之间的蒸气压缩机。蒸气压缩机从蒸发器空间提取淡水(FW蒸气)，提高蒸气压力，从而提高FW蒸气流的温度，并将进一步加压的淡水蒸气递送到冷凝器空间中。在某些实施例中，蒸气压缩机使用由电动马达提供动力的离心叶轮。

各实施例涉及一种脱盐装置，其包括具有两个隔室的密封的脱盐腔室；包含有盐水的蒸发器空间和包含有淡水的冷凝器空间；在腔室内的盐水分配机构，用于接纳进入的盐水，并将其引导到蒸发器空间中；在腔室内的蒸气压缩机，其接纳来自蒸发器空间的淡水蒸气，并产生进入冷凝器空间的加压淡水蒸气流；以及在蒸发器空间和冷凝器空间之间的集成的再生边界，其具有蒸发表面和冷凝表面，其中使加压的淡水蒸气在冷凝表面上冷凝以产生淡水，淡水流到冷凝空间的底部，并且其中，冷凝过程的潜热横跨集成的再生边界传递到蒸发空间中，并且其中，传递的热量使蒸发空间中的淡水蒸发以产生淡水蒸气。

其它实施例涉及一种用于水脱盐的方法，包括将进入的盐水接纳到密封腔室内的蒸发器空间中，使进入的盐水能够顺着蒸发器空间内的蒸发器表面流动，加热盐水，将盐水的一部分蒸发成淡水蒸气，对淡水蒸气加压，将加压的淡水蒸气引导到密封腔室内的冷凝器空间中，通过冷凝器空间内的冷凝表面从加压淡水蒸气去除焓；以及使加压的淡水蒸气冷凝在冷凝表面上冷凝以产生淡水。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽性实施例。在附图中，除非另有说明，否则在各个附图中相同的附图标记指代相同的部件。

图1是脱盐装置的一个实施例的框图。

图2示出了使用具有内部再生途径的脱盐装置对盐水(SW)进行脱盐的蒸馏过程的温度——熵(Ts)热力学图。

图3是脱盐装置的一个实施例的分解图。

图4A和4B是内部再生边界的一个实施例的图示。

图5提供了内部再生边界的附加细节。

图6示出盐水(SW)分配机构的实施例。

图7示出了用于脱盐装置的压缩机马达、叶轮、涡旋体和入口锥体组件的一个实施例。

图8示出了使用压缩机叶轮的并联组合的概念。

图9示出了使用压缩机叶轮的串联组合的概念。

图10是具有高于环境操作温度和集成外部热再生单元的脱盐系统的实施例的框图。

图11是脱盐装置的控制系统的框图。

图12是脱盐装置的多级布置的实施例的框图。

附图仅出于说明的目的描绘了本发明的实施例。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，在不脱离本文描述的本发明的原理的情况下，可以采用本文所示结构和方法的替代实施例。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图构成本发明的一部分，并且通过说明的方式示出了可以实施本发明的特定示例性实施例。然而，本发明可以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将透彻和完整，并将本发明的范围充分传达给本领域技术人员。其中，本发明可以体现为方法、过程、系统或装置。因此，以下详细说明不应被认为是限制性的。

一、概述

本发明涉及一种蒸馏方法，在此称为再生蒸馏方法。它是一种无膜、无化学品的脱盐技术，其消除了与膜的磨损相关的操作和维护(O&M)成本以及对作为反渗透(RO)脱盐过程的关键部件的重防腐高压泵、管系和能量回收装置的需求。该技术利用蒸发和冷凝的热力学原理从盐水中蒸馏淡水。因此，可以实现非常低的比能量(kWh/m³生产的淡水)水平，接近最小脱盐能量的理论极限。与RO不同，本发明对盐水给水的盐度水平或化学成分不敏感，这些通常是导致RO膜功能障碍、损坏和结垢的原因。

图1是脱盐装置100的一个实施例的框图。装置100包括蒸发空间102和冷凝器空间104，它们是气密密封的脱盐腔室120内的两个相邻物理体积。蒸发空间102和冷凝器空间104由内部再生焓交换介质分开，在此称为集成的再生边界106(也简称为边界106)。边界106在冷凝器空间104和蒸发器空间102之间传递相变的潜热，并且在不需要任何外部热交换的情况下维持蒸馏过程。边界106允许在两个空间之间以很小的温差(通常是几分之一摄氏度到2摄氏度)发生焓交换，这反过来又使脱盐能量最小化，使其接近其理论极限。蒸馏能量是将单位体积的淡水与盐水分离所需的输入功，通常以kWh/m³为单位生产的淡水。结果，该技术明显比现有技术的热脱盐过程更有效。

盐水(SW)由SW泵124供应到装置100，SW泵124将盐水(SW)110供应到蒸发器空间102中的SW供应单元122。盐水110沿边界106的一侧流动，其称为蒸发表面132。盐水110的水分在蒸发器空间102中蒸发以产生水蒸气114。剩余的SW，或称为卤水118，在蒸发器空间102的底部通过卤水泵126去除。卤水泵126可以位于脱盐腔室120的外部或者它可以位于腔室120的内部并且与卤水流成直线安装。

水蒸气114进入蒸气压缩机108并作为过热加压淡水(FW)水蒸气116流离开。如本文所指，蒸气压缩机108是使产生的蒸气的压力和温度升高以使其可以在比蒸发过程的温度高得多的温度下冷凝的装置、部件或子系统。蒸气压缩机108提供脱盐过程所需的精确最小功W_c。逐渐地，FW蒸气116释放其潜热，并在边界106的冷凝表面134上冷凝成液态作为淡水(FW)112。FW 112在冷凝表面134上向下流动，并且类似于卤水排出，被收集在冷凝器的底部，并作为淡水流或产品被引导出装置100。淡水112通过FW泵128从脱盐腔室120移除。FW泵128可以位于脱盐腔室120的内部或外部。

在需要添加到蒸发器空间的热能(焓)流和需要在冷凝器空间中回收的热能(焓)流之间存在精确的平衡。为了在冷凝器空间和蒸发器空间之间进行潜热的再生交换，冷凝器空间中FW的饱和温度必须高于蒸发器空间中SW的饱和温度。这是通过在蒸发器空间102和冷凝器空间104之间插入蒸气压缩机108来实现的。在从蒸发器空间102提取FW蒸气114的同时，蒸气压缩机108升高压力，并因此升高通过蒸气压缩机108的FW蒸气流的温度，并且将进一步加压的淡水蒸气116，也称为FW蒸气116，递送到冷凝器空间104。

热力学循环不需要外部热能注入或排出。机械功W_c是循环的唯一能量来源，它以电能的形式提供，从而使系统相对于其能源具有灵活性。

该技术的另一方面在于，与反渗透不同，它对盐水给水的质量(盐度或总溶解固体)不敏感。即，装置100可以处理具有宽范围盐度水平的盐水，这使其适用于非传统水资源，尤其包括苦咸水、废水、石油和天然气产出水以及典型反渗透设备排出的卤水。此外，该技术可以通过去除饱和卤水，即按质量分数计盐度约为25％的卤水，来实现高淡水回收率，而典型RO过程的废弃卤水盐度为6％-7％。该特征不仅使淡水回收率最大化，而且还大大减少了卤水量和相关的卤水运输和处置成本。

脱盐热力学循环

图2示出了使用装置100对盐水(SW)进行脱盐的蒸馏过程的温度-熵(T-s)热力学图。在图2中，热力学状态用实心圆表示。有向线表示一个或多个步骤或过程，这些步骤或过程导致温度和/或熵水平的变化，并且还导致过渡到新状态。状态1和2表示SW的蒸发过程，而状态3和4涉及纯水或淡水FW的冷凝。在处理盐水时由装置100执行的处理步骤以及从状态1到状态2到状态3到状态4的过渡在下表1中描述。纵轴表示温度，而横轴表示标记为s的熵。

在状态1处，进入的SW 110进入装置100并流入蒸发器空间102。SW的蒸气压由其温度和盐度水平确定。对于给定的操作温度，盐度较高的SW具有较低的蒸气压。在蒸发器空间102中，SW流的一部分水分被分离(蒸发)为FW蒸气114，并且具有较高盐度的残余盐水通过卤水泵126作为卤水118离开蒸发空间102，即从装置排出100。

在状态1处，SW在蒸发器空间102中的进入SW 110的温度T_e下是饱和液体。然后将蒸发潜热h_lv^SW添加到蒸发器空间102中，以随着SW从状态1过渡到状态2，将SW 110转变为饱和蒸气。请注意，FW 114在平衡处的蒸气压高于SW在任何温度和任何盐度水平下的蒸气压。因此，FW蒸气在蒸发器空间102内始终处于过热状态。在冷凝器空间104中，将冷凝潜热h_lv^FW从加压水蒸气116中去除以随着FW从状态3过渡到状态4，将其转变为饱和淡水液体112.。然后FW112作为蒸馏的FW产物由FW泵128从系统中移除。

在从蒸发器空间102提取FW蒸气114的同时，蒸气压缩机108升高压力，因此升高FW蒸气流的温度，并将进一步过热的加压淡水蒸气116递送到冷凝器空间104。这表示为过渡从状态2到状态3。由于蒸发器空间102的饱和温度T_c高于T_e，从FW的冷凝回收的能量能够传导地流动到蒸发器空间102。如果能够在没有驱动损失的情况下实现等熵蒸气压缩功能，则输入功W_c将正好等于在脱盐过程中将FW与SW分离所需的化学能输入。

装置100在任何期望的温度下操作。操作温度决定了蒸发器空间102和冷凝器空间104的有效平均压力水平，而蒸气压缩机108在这两个空间之间施加压力差。在典型环境温度或SW馈送温度(10℃至30℃)下操作需要系统的低平均操作压力，即环境压力的1％-5％。因此，对于这样的温度范围，所有部件都在低压外壳、脱盐腔室120内操作。

如果允许操作温度增加到或略高于100℃，蒸气压力上升到或略高于环境水平，则避免了对脱盐腔室120的真空等级的需要。

集成的再生边界

为了实现完全再生过程，集成的再生边界106集成了冷凝器、蒸发器和热交换器，以便促进所需的热传递。这些元件布置成使冷凝器空间104和蒸发空间102完全分开。这种布置使得在冷凝器空间104中释放的冷凝潜热能够通过热传导传递到蒸发器空间102，从而为蒸发器空间104中的盐水提供所需的蒸发潜热。此外，由于冷凝器和蒸发器空间是完全分开的，因此当装置100的操作中断时不存在诸如FW与SW混合的危险。如上面参考图2所说明的，冷凝发生的温度略高于蒸发发生的温度。冷凝和蒸发之间的温差刚好足以克服传导路径的热阻，同时支承必要的热量流动。因此，集成的蒸发器和冷凝器的有效设计要求最小化蒸发器空间102和冷凝器空间104之间的热阻。

脱盐装置的实施例

图3是脱盐装置100的一个实施例的分解图。一起形成脱盐腔室120的一实施例的脱盐腔室外壳310和360，将环境大气与装置的低压内部工作容积分开，其主要包含流过装置的水蒸气。在某些实施例中，腔室外壳310和360是两个半部腔室，每个半部腔室为蛤壳半部的形状。每个半部腔室可由各种塑料制成，包括ABS、有机玻璃、莱克桑(lexan)和许多其它塑料。制造可以通过由坯板模压成型或通过吹塑成型进行。半部腔室也可以由诸如不锈钢合金之类的耐腐蚀金属制成，并通过各种成型过程制造。

蒸气压缩机320是蒸气压缩机108的一实施例。在某些实施例中，蒸气压缩机320使用离心叶轮，如下文参照图7所述，因为这样的装置非常适合在提到的压力上升水平下工作。电动马达330使蒸气压缩机320的叶轮旋转。马达330位于脱盐系统的工作空间内部并通过直接物理机械联接连接到叶轮。在这种布置中，由于马达330暴露于盐水和水蒸气，因此选择其运动部件和内部绝缘材料以承受腐蚀性工作环境。直冲式或潜水式马达适用于这种应用。马达330也可以位于腔室120的外部以避免与腐蚀性元件的任何直接接触。对于这种布置，磁联接可用于经由磁场联接将马达330扭矩传递到压缩机叶轮，而马达330和叶轮之间没有任何直接的机械连接。

如前所述，为了实现完全再生过程，作为边界106的实施例的集成的再生边界350集成了冷凝器、蒸发器和热交换器，以便促进所需的热传递。作为SW供应部122的一实施例的盐供应部340，其包括SW分配容器，该容器选择性地将进入的盐水110分配到集成的再生边界350的蒸发表面的上边缘，同时阻挡SW分配到边界350的冷凝器表面。

图4A和4B提供了集成的再生边界350的一个实施例的进一步细节。图4A是集成的再生边界350的俯视等距视图。图4B是集成的再生边界350的俯视图。边界350具有最小化蒸发器空间102和冷凝器空间104之间的热阻的几何布置。将边界350分成若干子部段440并且子部段径向布置以最大化空间利用。通过使子部段440围绕圆形布置来最小化热阻，其中每个子部段在其两个相应表面、即面向蒸发器空间102和冷凝器空间104的表面中的每一个上都结合有大的表面区域。边界350将脱盐腔室120内部的体积分开并分隔成内部蒸发器空间420和外部冷凝器空间410。在该实施例中，蒸发器空间420是蒸发器空间102的一实施例，而冷凝器空间410是冷凝器空间104的一实施例。在其它实施例中，这些角色可以互换，在这种情况下，空间420将用作冷凝器空间104，而空间410将用作蒸发器空间102。

图5示出了内部再生边界350的径向子部段440的一个实施例的细节。蒸发和冷凝过程发生在膜510的两个相对侧上。膜510的一侧是冷凝表面534，而另一侧是蒸发表面532。冷凝表面534是冷凝表面134的一实施例，而蒸发表面532是蒸发表面132的一实施例。

在该实施例中，膜510是折叠成薄间距的薄材料片，该薄间距称为薄间距折叠部520。在某些实施例中，折叠部520具有1-5mm的间距范围，这允许用于将传热表面区域非常有效地封装到允许的体积中。间距的限制是由于制造约束，其表明最小值在1mm范围内。图5示出了折叠结构的矩形形状。其它形状也是可能的，比如三角形折叠部等。如上所述，由于薄箔的透射热阻极低，因此通过这种构造，将传热中的温度降低保持在极低的水平(例如，几分之一摄氏度到2摄氏度的)。冷凝器表面134(543)的总面积和蒸发器表面132(532)的总面积基本相等，并且在给定允许的温度降低的情况下确定传热能力，进而确定过程的总能力。除了图4A、4B和5之外的许多几何布置，对于边界106也是可行的。

薄膜510由耐盐水腐蚀的不锈钢合金制成以最小化热阻。诸如316、316L、317或317L之类的不锈钢合金是示例性的较佳材料，但许多其它耐腐蚀材料也是合适的。这些包括涂层金属以及诸如尼龙之类的塑料。较佳的膜厚度在25微米至250微米的范围内。可以而且应该采用涉及折叠等的各种几何布置，以在不占用过多体积的情况下允许大面积。这种布置消除了提供外部热能源或热能消散器以维持脱盐过程的任何需要，而不管系统的操作温度如何。

集成的再生边界的亲水表面处理

边界106的有效性取决于潜热从冷凝器空间104到蒸发器空间102的有效传递。有效的热传递需要在冷凝表面134上的一层FW112和蒸发表面132上的一层SW110之间的传导路径的热阻被最小化。这意味着必须有效利用边界106的任一侧的两个表面，理想情况下，表面应完全被两种液体润湿，这两种液体是FW 112和SW 110。因此，边界106的表面各自可以在分子水平上被化学处理，以改变表面张力特性，并且显著降低液体与界面表面的接触角，以达到合适的亲水或超亲水行为。这种处理确保边界的任一侧上的表面区域被彻底润湿，以促进有效的热传递。金属箔可以通过低压等离子工艺、常压等离子工艺和用亲水涂层浸涂来处理以使其亲水。示例涂层包括亲水性有机硅和硅氧烷、聚环氧乙烷、聚乙二醇硅烷、具有适当pH值和纳米颗粒尺寸的TiO_2和TiO_2/SiO_2溶液。

在边界106的两个相应侧部的每一侧上的FW 112和SW 110的液体层厚度理想地在5-200微米的范围内。薄的液体层对于实现从FW液-气界面到FW 112液层厚度、边界106的厚度以及随后通过SW 110液层厚度到SW液-气界面的足够低的热阻是必不可少的。较厚的液层导致两个蒸气空间之间的温差较大，需要较大的压缩机机械功输入，并降低效率。因此，亲水表面处理对于将液体完全分布在边界的每一相应侧上是必不可少的。仍然，每个液体层都必须具有一定的最小厚度，以支承沿其边界的相应侧的重力流。因此，液体层厚度的有用范围在5-200微米的范围内。单一的例外是在边界的冷凝器侧的顶部处的FW流的开端处，FW液体层在此开始。

盐水供应、淡水和卤水排出

图6描绘了用于在装置100内分配盐水的盐水(SW)供应340机构的示例实施例。进入的盐水被引导至在边界350的顶部处由SW供应壳体620支承的盐水(SW)分配容器610(不可见)。盐水经由具有固有毛细特性的芯吸材料630均匀地横跨边界的顶部边缘分布。可用于芯吸材料630的材料类型的示例是开孔泡沫、金属、玻璃或塑料纤维的堆叠精细编织筛网，以及此类纤维材料的随机网。芯吸材料630与边界350直接接触并促进盐水在蒸发表面532上的流动。边界350的冷凝器侧与芯吸材料630密封分开。重力拉动盐水，使其在边界350的蒸发器表面532上向下流动。由于蒸气压缩机108的作用，蒸发器压力低于进入的盐水的蒸气压力。因此，随着盐水在蒸发表面532上向下流动，其液态水分逐渐蒸发，其变得更加咸，并且其蒸气压降低。

给定边界350的足够高的高度640，蒸发过程沿着盐水顺着蒸发器表面532的流动继续，直到剩余盐水(或卤水)的蒸气压达到蒸发器空间420中的压力并且蒸发过程停止。对于较低的高度640，可以排出卤水，其蒸气压仍然超过蒸发器空间420的蒸气压。通常，策略性地使边界350的高度640与主要是压缩机压力和体积吞吐量的过程参数匹配，以便在过程流的底部处没有“未使用”的材料。

蒸气压缩机

蒸气压缩机108驱动装置100的热力循环。蒸气压缩机108从蒸发器空间102获取淡水蒸气114，升高其压力和温度，并将加压水蒸气116递送到冷凝器空间104。由蒸气压缩机108施加的压力升高的量限定了卤水排出的盐度水平，并因此限定了脱盐循环的回收率。例如，在25℃的标准温度下，压力升高109Pa(0.44inWg(英寸水柱))会产生盐度为6％的卤水，而压力升高720Pa(2.9inWg)会产生盐度约为26％的卤水，相当于25℃的饱和卤水。

图7提供了关于蒸气压缩机320的进一步细节，蒸气压缩机320是蒸气压缩机108的一实施例。蒸气压缩机320使用离心叶轮720，因为这样的装置非常适合在所提到的压力升高水平下工作。叶轮720由机械连接到叶轮的电动马达330驱动。FW蒸气114在轴向方向上进入叶轮720并在径向方向上离开。具有向后弯曲叶片、翼型叶片和任何其它可能的构造的叶轮都与此设计相关。

对于给定的叶轮角速度和工作流体密度，叶轮的体积流量和压力升高分别与叶轮角速度成线性和二次比例。作为示例，如果压缩机的叶轮旋转速度提高2.5倍，它将能够提供6倍以上的压力升高。通过允许排出的卤水的盐度增加到接近其饱和极限的水平(约25％溶解盐重量比)，压力升高的这种增加显著增加了脱盐系统的可用回收率，例如从50％增加到90％以上。这种性能增加了淡水吞吐量并减少了卤水排出量，这两者对于增加系统的产水密度和降低其操作成本都是必不可少的。

由于增加的离心力，增加叶轮的角速度在叶轮材料和连杆上施加附加的应力。因此，随着叶轮旋转得更快，离心力呈二次方增加，从而在叶轮本体上施加更大的拉伸应力。这些应力必须保持在叶轮材料、构造和设计的机械性能规定的可接受范围内。为了补偿离心力和材料上相关应力的增加，一种方法是用密度较低但机械强度相当的材料制造叶轮。复合材料被认为是合适的候选材料。例如，碳纤维环氧树脂复合材料具有的密度范围为1,400-2,000kg/m³，并且抗拉强度大约为900-1,000MPa。将这些数字与8,000kg/m³和200MPa的317L不锈钢进行比较。这个简单的比较表明，如果叶轮的材料从不锈钢改为碳纤维环氧树脂复合材料，叶轮能够以约4.5倍更快的速度旋转，以便在不改变叶轮机械尺寸的情况下产生约20倍的压力升高。

此外，为了增强离心叶轮的压力特性和性能，它可以与涡旋体一起操作。涡旋体710和涡旋底板740形成尺寸合适并设计成容纳离心叶轮720的外壳。在涡旋体的入口处，采用短锥形圆形入口管道，在本文中称为入口锥体730。入口锥体730使FW蒸气114的流动变直并将其引导至叶轮720的入口。在离心叶轮中，流体，即FW蒸气114，在叶轮的中心处轴向进入并落在叶轮叶片上。然后流体被叶轮叶片切向和径向向外旋转，直到它离开叶轮。在通过叶轮的同时，流体获得速度和压力。

叶轮布置

蒸气压缩机320可包括一个或多个叶轮或叶轮——涡旋体组件。它们能够以串联或并联组合或以并联或串联组合的混合布置。

图8示出了叶轮的并联组合的一个实施例。在该布置中，所有叶轮的入口连接在一起并连接到蒸气压缩机320的主入口流810，使得压缩机进入流在叶轮之间分布。类似地，将所有叶轮的出口连接成使得它们的流出流合并在一起成为蒸气压缩机320的出口流820。这种布置通过增加并联的叶轮单元的体积流量来按比例缩放叶轮的体积流率。

图9示出了叶轮的串联组合的概念。在该布置中，一个叶轮的输出流连接到下一个叶轮的进入流。蒸气压缩机320的主进入流910进入第一叶轮，而最后一个叶轮的输出流920成为蒸气压缩机320的输出流。这种布置通过增加串联的各个叶轮单元的压力升高来按比例缩放叶轮的压力升高。

通常，在根据需要布置多个叶轮的情况下，叶轮尺寸和速度可以构造为优化性能。

系统在更高温度和外部再生下操作

如上所述，脱盐系统的概述的热力学循环可以在许多实际温度下操作，如由盐水给水确定的。操作温度的升高使系统内的平均操作蒸气压力升高。水蒸气的压力升高速度远快于其温度升高速度，在典型的环境范围内近似指数。因此，基于控制理想气体的原理，水蒸气密度也根据温度的增加而增加，大致与蒸气压成比例。因此，对于通过蒸气压缩机108的给定体积流量，装置100的淡水吞吐量可随着操作温度的增加而显著增加。具体地，增加的平均温度和压力使压缩机108能够提供与增加的蒸气密度大致成比例的增加的质量流。实现总吞吐量的增加还需要蒸发器——冷凝器子系统具有所需的容量。

当系统在高于环境温度的温度下操作时，FW 112和卤水排出118也以更高的温度离开装置100。图10示出了具有外部非混合热再生器1010的脱盐装置1000的实施例，其基于焓交换从流出的冷凝淡水和卤水流中回收热能，并使用回收的焓来提高进入的盐水流的温度再生器1010结合了用于从流出的淡水和卤水流到进入的盐水流传递热量的再生(例如，逆流)热交换器。由于这种再生器的高效率，仅需要从外部供应少量的补充热量1020，例如通过加热器1030，以将脱盐装置1000的操作温度保持在期望的高于环境的水平。事实上，利用适当有效的再生器，蒸气压缩机108内的耗散，也称为压缩机损失，可能足以提供所有需要的补充热量。如果不是，则补充热量1020可以由外部能源供应，比如初级电加热、燃烧加热、热废热流(例如，来自共同定位的热处理)和/或太阳能热热量输入。

进水盐水的脱气

与进入的盐水一起，一些量的溶解的气体(主要是空气)进入装置100。在蒸馏(脱盐)过程期间，这些气体将被释放并且可能不会作为FW 112的部分离开腔室120。结果，脱盐过程的平均压力可能会随着时间的推移逐渐增加。尽管装置100中的平均压力逐渐升高，但如果过程的平均温度没有变化，则水蒸气的分压及其密度保持不变。因此，蒸气压缩机108做更多的功来压缩水蒸气和不需要的气体的混合物。这增加了装置100的工作需求，使其能量效率降低。

在进入的盐水流SW 110上的简单脱气阶段可用于在进入系统之前从盐水中去除溶解的气体。脱气器是一种机械搅拌液体的装置，使液体中的小气泡结合，形成较大的气泡，然后上升到液体的顶部表面并破裂开。可以通过不同的方法实现搅拌，包括但不限于小型旋转搅拌器或使用压电致动的超声致动。重要的事实是搅动应该是轻微的，并且应该在离液体表面足够远的深度处进行，以避免将更多的气体混合到液体中。为了确保上升到液体顶部的溶解气体从脱气器中去除，脱气程序可以在弱等级真空中进行，以帮助将气体从系统中抽出。

替代地，脱盐腔室120可以周期性地排空以去除不需要的积聚空气。简单的低真空泵就足够了，这可以避免需要脱气阶段。低真空泵也可用于系统启动。

系统控制

如本文中先前所述，蒸气压缩机108的压力升高限定了排出卤水118的盐度水平。还描述了蒸气压缩机108的体积流量和压力升高分别是线性的并且与叶轮的角速度成二次比例。因此，认为叶轮特性和速度以及随之而来的压力上升是该系统中控制卤水盐度的渐近极限的一个独立控制变量。叶轮特性和速度还控制蒸气流速，因此控制蒸气的质量流速和产生的淡水112的体积。

第二独立控制变量是输入盐水110的流速。对于边界106的给定设计，存在特定盐水110流速，其将排出卤水的盐度设置为由操作温度和蒸气压缩机压力上升限定的预期渐近水平。较少的SW 110流量允许获得渐近的卤水盐度，而较大的流量会导致蒸发过程出口处的卤水具有较低的盐度。所有操作点都有优点，并且有效地权衡回收率、所需的特定能量输入和淡水生产率。

在某些实施例中，进入的盐水110的流量由泵124控制。在其它实施例中，可以调节与盐水110串联放置的阀，以代替SW泵124的使用。

图11示出了具有反馈控制系统1110的脱盐装置1100的实施例，该反馈控制系统1110控制和优化盐水110进入装置1100的流速。可以针对多种目标优化流速，尤其包括将排出的卤水的盐度调节到特定值、最大化淡水生成率、最小化脱盐过程的比能量等。在一些情况下，可以策略性地以其额定速度操作压缩机并缓慢调节盐水的输入馈送速率，以将系统保持在其预期操作点处。

装置1100是增加了控制系统1110的装置300的实施例。控制系统1110可以被实现为具有处理器、用于存储程序代码和数据的静态和动态存储器的电路板。控制系统1110还具有控制信号线并且还可以具有流量传感器和其它传感器。控制系统1110通过控制直接附连到蒸气压缩机108的叶轮720的马达330来控制蒸气压缩机108。控制系统1110通过控制SW泵124的速度来控制SW 110的流速。控制系统还控制卤水泵126和FW泵128以调节脱盐腔室120内部的卤水118和FW 112的水平。

多级脱盐系统

期望使脱盐过程的回收率最大化，这对应于增加排出的卤水的盐度水平。然而，随着含盐给水盐度与废卤水盐度之间的差距的增长，对于单级系统，脱盐能量逐渐偏离理论极限。然而，脱盐不必全部在一个阶段实施。事实证明，多级执行既能量有效又成本有效。图12是多级脱盐系统1200的实施例的框图。在多级脱盐系统1200中，每一级包括并联布置的一到若干个脱盐装置100的单元。在某些实施例中，每一级内的脱盐单元是相同的；在其它实施例中，它们可能不同。每一级内的脱盐单元共享进入的盐水的盐度水平，并以指定的输出盐度水平产生卤水。虽然并联单元可以在特性上匹配，但这不是必需的。然而，能量效率将引导向使产生的卤水对于给定级内的单元保持盐度水平相等。

随着盐水前进通过多级系统，卤水体积随着处理的每一级而减少，因此，每一级中的单元数量也减少。脱盐装置100可用于任何级，因为通过适当控制蒸气压缩机，系统100能够以任何期望盐度水平排出卤水，直至对应于盐水饱和水平的最大可能水平。此外，每个单元可以采用任何感兴趣的脱盐技术，例如反渗透等。然而，最佳的多级系统性能可能会对每一级的操作条件以及该级内的每个单元施加某些约束。此外，不是任何技术都适用于多级脱盐系统的任何级。例如，基于膜的反渗透(RO)系统可实用地以至多6-7％的盐度水平排出卤水，因此，它们仅适用于系统的第一级。

例如，如果在一级中执行，通过使苦咸水脱盐并且排出饱和卤水来实现98.5％的回收率将需要10kWh/m³的能量。但是，如果实现98.5％回收的相同任务在两级中进行，其中第一级以4.5％盐度(85％回收率)排出卤水，而第二级排出饱和卤水(89％回收率)，则所需的总能量为2.3kWh/m³，这包括所有不理想和低效率。这个数字比具有50％中等回收率的海水RO过程高2-3倍。不用说，增加第三级将进一步降低总脱盐能量，并且随着级数的增加，能量将渐进地接近热力学极限。

盐的总质量流量横跨图12所示的卤水流保持恒定。因此，随着卤水前进通过系统，卤水体积随着处理的每一级而减少。因此，在仅具有两级的示例性系统中，第一级可以并联许多相同的单元，而第二级具有较少的并联单元，可能只有一个。此外，由于处理更浓卤水的能量需求随着卤水浓度的增加而急剧增加，示例性的两级布置是有效的，因为高浓缩第二级处理的体积输入流量比第一阶段少得多。

系统1200示出了在三级中的每一级处减少的卤水体积。SW 110在最左边进入系统1200。在处理的一级之后，已经产生了中间卤水1210。在处理的第二级之后，已经产生了更高盐度的中间卤水1220。在称为s级的最后级之后，留下饱和卤水排出物118，其通常通过一个或多个卤水泵(未示出)从系统1200中移除。

在阅读本公开内容时，本领域技术人员将通过本文公开的原理理解另外的替代结构和功能性设计。因此，虽然已经示出和描述了特定实施例和应用，但是应当理解，所公开的实施例不限于本文公开的精确构造和部件。可以对本文公开的方法和设备的布置、操作和细节进行对本领域技术人员而言显而易见的各种修改、改变和变化，而不脱离所附权利要求限定的精神和范围。

表1.温度——熵步骤

Claims (13)

1.一种脱盐装置，包括：

密封的脱盐腔室，所述密封的脱盐腔室包括两个隔室：

包含盐水的蒸发器空间；以及

包含淡水的冷凝器空间；

所述腔室内的盐水分配机构，用于接纳进入的盐水并将其引导到所述蒸发器空间中；

所述腔室内的蒸气压缩机，所述蒸气压缩机接纳来自所述蒸发器空间的淡水蒸气并产生进入所述冷凝器空间的加压的淡水蒸气流；以及

在所述蒸发器空间和所述冷凝器空间之间的集成的再生边界，所述集成的再生边界包括两个侧部：蒸发表面和冷凝表面，其中，所述加压的淡水蒸气在所述冷凝表面上冷凝以产生淡水，所述淡水流到所述冷凝空间的底部，并且其中，冷凝过程的潜热横跨所述集成的再生边界传递到所述蒸发空间中，并且其中，传递的热量使所述蒸发空间中的所述盐水蒸发以产生淡水蒸气。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

外部盐水泵，所述外部盐水泵将外部盐水泵送到所述盐水分配机构中。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

外部淡水泵，所述外部淡水泵将淡水泵送出所述冷凝器空间。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

外部卤水泵，所述外部卤水泵将残留的卤水泵送出所述蒸发器空间。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述集成的再生边界由薄膜制成。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述集成的再生边界由多个径向子部段制成，并且其中，每个子部段由多个折叠的薄膜片形成。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括电动马达。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述蒸气压缩机包括：

涡旋体

容纳在所述涡旋体中的叶轮。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盐水分配机构包括：

分配容器，所述盐水被引导到所述分配容器中；

盐水供应壳体，所述盐水供应壳体搁置在所述集成的再生边界顶部上并支承所述分配容器；以及

芯吸材料，所述芯吸材料使所述盐水从所述蒸发表面的顶部向下流动。

10.一种用于使水脱盐的过程，包括：

将进入的盐水接纳到密封腔室内的蒸发器空间中；

使所述进入的盐水顺着所述蒸发器空间内的蒸发器表面流动；

将焓添加到所述盐水；

将所述盐水的一部分蒸发成淡水蒸气；

对所述淡水蒸气加压；

将加压的淡水蒸气引导到所述密封腔室内的冷凝器空间中；

通过所述冷凝器空间内的冷凝表面从所述加压的淡水蒸气中去除焓；以及

使所述加压的淡水蒸气在所述冷凝表面上冷凝以产生淡水。

11.如权利要求10所述的过程，其特征在于，还包括：

将外部盐水泵送到所述蒸发器空间中。

12.如权利要求10所述的过程，其特征在于，还包括：

将淡水从所述冷凝器空间排出。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

将残留的卤水从所述蒸发器空间排出。

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