CN114173912A - 用于水处理的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种水处理系统包括初级蒸发器和也是初级冷凝器的次级蒸发器。初级蒸发器依靠将旋转运动赋予流体以使其雾化。次级蒸发器可以是壳管式热交换器。实施例包括用于使用各种部件的废热的热交换器。在一个实施例中，浓缩的流出物被再循环并与流入物结合以提高系统的效率，从而实现零液体排放并有助于系统的连续清洁。

Description

用于水处理的系统和方法

技术领域

本申请要求2019年4月12号提交的美国临时专利申请62/833,026的优先权和权益，其通过引用整体并入本文。

本文描述的实施例涉及用于从溶液中去除溶质的系统和方法。更特别地，本文描述的实施例涉及用于从水中去除有机体、矿物质、其他溶解固体和/或污染物的系统和方法。

背景技术

在工业中需要开发一种用于从流体中去除溶质的零液体排放系统。特别地，浓缩的工业废盐水可能难以处置，需要昂贵地运输至处理中心以及蒸发器系统中的后续处理，后续处理在能量使用以及经济成本方面也可能是昂贵的。

到2050年，全球需水量预计增加55％，主要是由于制造、热发电和家庭使用的需求增长。虽然全世界70％的淡水供应用于农业目的，但在发达国家，工业市场是最大的消费者，这是扩展到其它发展中市场的趋势。在每天使用的数十亿加仑工业用水中，69％虽然经处理而排放，但不再利用。仅美国每年产生超过90万亿加仑的不再利用的废水。

从诸如海水、微咸地下水、反渗透废料流、产物水、废水、和工业过程水的盐水源回收水是满足许多地区的市政和工业用水需求所必需的。由于在废料流中浓缩的大量的总溶解固体(TDS)、大规模的后勤和供应链需求、以及其负面的环境影响，脱盐技术是有问题的。来自处理过程的浓缩盐水废料流的处置具有显著的环境影响，特别是在干旱和内陆地区。蒸发器系统是处理和再利用废水的唯一可行的解决方案，尤其是对于零液体排放(ZLD)目的。然而，对来自脱盐系统和工业过程的盐水废料的这种处理是特别耗能的、非常昂贵的并且在技术上具有挑战性。

因此，发明人已经认识到需要一种可以用于水净化并且特别是用于ZLD应用的系统。ZLD正成为工业优先考虑，因为水市场转移到了更可持续的未来；主要由环境、经济和管理压力驱动。对于蒸发技术的需求正在增长，以更好地管理浓缩废水并降低寻求ZLD处理的工业的处置成本。因此，需要一种系统，其能够通过浓缩来自当前工业过程的高度污染的废水流来实施ZLD过程，而不需要当前蒸发器的大量资金和操作费用以及后勤供应链。

因此，需要用于水净化的改进的系统和方法。

发明内容

在一个实施例中，水处理系统包括鼓风机马达、初级蒸发器和热交换器，鼓风机马达构造和布置成将空气和包含污染物的给水流入物的混合物吹送通过系统，初级蒸发器包括构造和布置成将旋转速度和径向速度赋予混合物以将其雾化的雾化器，热交换器构造成接收来自初级蒸发器的混合物并用作次级蒸发器和初级冷凝器两者。

在一个实施例中，操作前段所述的水处理系统的方法包括操作如本文所述的系统。

在一个实施例中，水处理系统还包括浓缩物再循环回路，该浓缩物再循环回路被构造和布置成将浓缩的流入物的一部分输送到混合点以与初级蒸发器上游的流入物混合。

在一个实施例中，水处理系统还包括注入水回路，该注入水回路构造和布置成将注入水输送到鼓风机下游的空气流。

在一个实施例中，注入水回路包括一个或多个热交换器，所述一个或多个热交换器构造成在将热的注入水输送到空气流之前冷却热的注入水。

附图说明

参考附图可以更好地理解本发明：

图1是根据一个实施例的水处理系统的等距正视图。

图2是根据一个实施例的水处理系统的示意图。

图3是根据一个实施例的水处理系统的侧视图。

图4是根据一个实施例的蒸发器的局部剖视图。

图5是根据一个实施例的雾化器的剖视图。

图6是雾化器和雾化器与蒸发器之间的锥形界面的局部剖视图。

图7是根据一个实施例的水处理系统的示意图。

图8是根据一个实施例的水处理系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施例的水处理系统10，该系统包括空气/水分离器12、一对产物水/空气水分离器14、产物水水箱16、热水浴罐13和一对蒸发器20。

如图2所示，循环由鼓风机马达30驱动，该鼓风机马达将待处理的空气和流体(在回路的一些部分中可以是蒸汽的形式)推入蒸发器中。待处理的流体包括溶液中的材料或夹带的材料，该材料要从流体中去除以便处理。溶质可以包括例如简单盐(氯化钠)，或者流体可以是包含可能被认为是污染物的任何种类的溶质的工业废水。例如，流体可以包括悬浮固体、溶解固体、细菌、重金属、真菌、药物、塑料颗粒和纳米材料。在食品生产例如奶酪生产的情况下，废水可能包括大量的有机废物以及盐水负荷。

鼓风机可以是例如产生空气流(例如，入口空气)的离心泵或鼓风机，该空气流具有在30立方英尺/分钟和3000立方英尺/分钟之间的流量和在3p.s.i.和40p.s.i.之间的压力。在一些实施例中，鼓风机可以在腔室内产生加压空气流，该加压空气流具有约5p.s.i的压力和约300立方英尺/分钟的流量。可以任选地包括中冷器(未示出)以在空气通向蒸发器的途中加热空气。有利的是，中冷器连同来自电源的废热也可用于在蒸发器的供给部28处对水进行加温。

待处理的水流过包括热交换器的蒸发器32，在该热交换器处来自鼓风机的相对热的空气被相对冷的水冷却。如图2所示，逆流热交换器34接收污水，污水通过清洁水蒸汽的冷凝而被加热，该清洁水蒸汽冷凝并通过清洁水流出口流出。

蒸发器20可以是如图4所示的壳管式热交换器。蒸发器20用作初级冷凝器和次级蒸发器。在壳管式热交换器中，一种流体流过管，而另一种流体在管的壳侧上流动。热量流过管壁，因此材料应该是热的良导体。另外，可能有用的是使用耐腐蚀且具有足够强度的材料以保持交换器的区域之间以及壳体和环境压力之间的压差。例如，可以使用包括铜、铜合金、不锈钢、铝和镍合金的金属。使用大量的管提供了用于大的传热表面积。

如图5中最佳地示出，水在进入壳管式热交换器之前由用作初级蒸发器的雾化器40在压力下喷射，以使其雾化。锥形构件42(图6)包括孔44，孔44基本上与用于管的开口对齐，但不连接。管内的流体经历蒸发，而管外的流体正在冷凝。因为鼓风机马达30位于蒸发器的出口侧，所以它在管内产生真空，促进内部区域中的蒸发，而外部是较高压力，促进外部区域中的冷凝。

如图6所示，锥形构件42允许气流、小水滴和结晶体沿表面以片状流动，并用于避免固体沉积在表面上。这可以降低清洁和除垢要求。要理解的是，确保蒸发器构造成允许容易地接近以进行维护、清洁和除垢仍然是有用的。然后，流体围绕蒸发器管的内部流动，同时在蒸发器管的外部上形成冷凝。在一个实施例中，锥体与初级蒸发器成相同的角度。

雾化器40(其也可以被称为“舱”)是被构造成将液体进水与高速旋转空气混合以雾化流体的装置。可与该系统结合使用的雾化器的类型的一个示例在美国专利No.10,507,402中描述，该专利通过引用整体结合于此。在一些实施例中，如将在下面更详细地描述的，进一步将进水与再循环的浓缩水混合。

雾化器40被成形为使得其向水滴施加角速度和径向向内速度，并且能够使空气饱和。在一个实施例中，翅片50将旋转分量赋予空气流。然后，空气沿着平槽向内流动，从而赋予径向向内速度。该空气流处于部分真空下。在一个实施例中，雾化器40不时地将给水注入其输入流路中以清洁任何沉积的固体。在实施例中，这可以是基于调度或临时的。

雾化器/初级蒸发器40的输出主要是夹带在空气流中的细小的气溶胶和气溶胶微粒。界面装置用于在气溶胶向下经过管内部时保存气溶胶。移动通过管壁的热量加热空气，这降低了相对湿度，允许气溶胶进一步蒸发。

位于壳管式单元的出口端处的锥形流量均衡器45用于产生趋于在管之间均匀地分配流量的环形流路。位于壳体的输出端处且在均衡器45下游的板式分离器46用于分离浓缩物/蒸气混合物。在一个实施例中，所述系统被构造为零液体排放系统，其输出沉淀的固体废物而不是浓缩的盐水作为废物流。

虽然本文使用术语零液体排放，但应理解，在一些实施例中，废物流可包含一定量的液体。也就是说，当该术语在本领域中所使用时，其可以包括接近零的液体排放或最小的液体排放，并且排放的固体可以包括一定量的液体水分。同样地，在实施例中，ZLD工艺可以包括压滤机或离心机工艺，以在用系统处理之后从沉淀的固体废物中除去残留水分。

在一些实施例中，水净化系统可以包括控制系统(未示出)以控制系统的某些部分内的空气和/或水的流动。例如，控制系统可以包括一组部件，例如压力传感器和可调阀，以监测和/或控制来自鼓风机的空气的流量和压力。类似地，可以控制进入或离开雾化器组件和/或蒸发器组件的溶液的流量、压力和/或饱和度。以这种方式，可以监测和控制混合物的饱和水平。

在一个实施例中，水可被注入到鼓风机输出中以冷却鼓风机输出并在空气进入初级冷凝器/次级蒸发器之前使空气再饱和。同样，鼓风机自身产生热量，并且通过使鼓风机的输出经过热交换器(如上所述，中冷器)，该热量可以用作操作系统中涉及的能量的一部分。这将在下面参照图7和8更详细地描述。

图7是类似于图2的实施例的示意图，但示出了附加结构。如上所述，图2既没有示出中冷器，也没有示出用于中冷器的流体回路。图7包括这个特征以及一些其它特征。

与前述实施例类似，图7的水处理系统10'包括鼓风机马达30，鼓风机马达30推动空气和夹带流体(在回路的一些部分中可以是蒸汽的形式)以驱动流动通过系统。在该实施例中，第一热交换器31可选地包括在鼓风机马达30的下游。如上所述，鼓风机马达可能产生过量的热。该热量部分地被捕获在第一热交换器31中，从而降低来自鼓风机的空气流的温度。在一个实施例中，该过程用于使给水的温度与空气流的温度一致，使得注入给水不会改变过程流的温度。同时，热交换器加热可被泵送到第二热交换器60的流体，在第二热交换器处流体可被用于加热通过回路的蒸发/冷凝部分的蒸汽。热交换器泵62使传热流体移动通过热交换器31、60。

来自热交换器31的空气和蒸汽混合物进入初级冷凝器/次级蒸发器80，并且一部分蒸汽冷凝并进入产物水箱16。

从流入物罐64提供含有待去除材料的流入物。其被泵送通过次级冷凝器34，次级冷凝器34在此用作回路的该部分中的流入物预热器。然后，流体流到混合点66，在混合点66流体与由再循环浓缩物供给泵68从浓缩物罐70泵送的再循环浓缩物结合。在所示的实施例中，再循环浓缩物供给泵68不接收直接来自浓缩物罐70的用于再循环的浓缩物，而是首先浓缩物通过用于捕获沉淀的污染物的污染物罐74中的筛分器72。在一个实施例中，可以周期性地移除筛分器并收集材料。在一个替代实施例中，筛可以是连续或间歇移动的带，使得带的清洁部分被置于流中，并且具有沉淀污染物的部分被从流路移除，以便清洁污染物/将污染物释放到收集贮存器中。一部分浓缩物通过供给泵68返回到浓缩物罐，而另一部分在混合点66处与流入物混合后通过系统再循环。可以包括另外的清洗泵76，用于将浓缩物从浓缩物罐70输送到污染物罐74。

再注入用于使进料速率与系统的蒸发速率一致。在一个示例中，对于90加仑/天的给水，可使用300加仑/天的再循环浓缩物。随着装置的按比例放大，预期再循环量将不会以相同的比率增加，而是可趋向于在更大的给水处理速率下保持相似的再循环速率。根据经验蒸发速率，再循环的量可以根据需要改变以保持进料速率。

然后，流入物和再循环浓缩物在初级蒸发器处与来自第二热交换器的液体/蒸气混合物混合。与前述实施例一样，初级蒸发器可以是雾化器40，其将与空气混合的雾化液体供给通过次级蒸发器(在壳管式热交换器中的蒸发器管的内部)并到达浓缩物分离器82，浓缩物分离器82分离浓缩物并将其传送到浓缩物罐70，并将蒸汽和空气通过鼓风机30传送回去以再次开始循环。

在该实施例中，可以包括传感器S1……S12以帮助控制和监测系统的操作。传感器可以被构造成监测诸如温度、压力和流量的参数。在一个实施例中，S1监测蒸发器输入处的温度、压力和流量，S2监测蒸发器输出的温度和压力，S3监测鼓风机输入处的温度和压力，S4监测鼓风机输出的温度和压力，S5和S6分别监测冷凝器输入和输出的温度和压力。S8和S9分别监测第一热交换器液体输入和输出的温度。S7监测第二热交换器的蒸汽输出的温度，S11和S12分别监测第二热交换器液体输入和输出的温度。

现在转到图8，示出了另一实施例10”。在该实施例中，流入水从流入物罐64经由流入物泵90被泵送通过次级冷凝器34，该次级冷凝器用作热交换器以利用来自通过次级冷凝器34的冷凝器侧的蒸汽流的热量加热流入物。

任选地，流入物预热器92可以布置在鼓风机30的下游。流入物预热器92是热交换器，其被构造成从鼓风机30中产生的空气/蒸汽回路中移除热量，并且使用该热量来进一步预热流入物流。

流入物从流入物预热器92被传送到混合点66，在混合点66处与再循环浓缩物结合。再循环浓缩物供给泵68提供来自浓缩物分离器82的再循环浓缩物流。混合的再循环浓缩物和预热的流入物在雾化器/初级蒸发器40处雾化。如上所述，雾化器40被构造成在雾化器40中产生径向向内指向的螺旋流。该流从雾化器40进入蒸发器/初级冷凝器80的蒸发器侧，该蒸发器侧是管的内部。如上所述，该侧保持在相对低的温度和压力下。

蒸发器80的作用产生水蒸气，水蒸气通常是清洁的并且构成输入水的主要部分。其余的水作为浓缩流体保留，具有通常为液滴形式的高浓度污染物。液体浓缩物和蒸汽被传送到浓缩物分离器82。在一个实施例中，分离器82包括两个部件，离心式分离器部件和分散部件，允许流动减速以允许空气和水分离，并且液体聚集在集水槽中，浓缩物经由再循环泵被传送回混合点66。浓缩物从浓缩物分离器82被泵送到浓缩物罐70，而蒸汽和空气被返回到鼓风机30的输入。

蒸汽和空气首先任选地通过流入物预热器92以除去来自鼓风机马达30的多余热量，然后在注水点96注入冷水以进一步冷却蒸汽和空气。注入水由使用环境空气作为冷却剂的热交换器98冷却。注入水、蒸汽和空气混合物通过注入水回收分离器100，该分离器是将水与空气分离的离心分离器，并且现在热的注入水在经由热交换器98返回到注水点96之前可以通过热交换器60，热交换器60的另一回路将在下面进一步讨论。

其余的蒸汽和空气混合物通过蒸发器/初级冷凝器80的初级冷凝器部分，然后从那里进入次级冷凝器34。在初级冷凝器80处，大部分蒸汽被冷凝成液体。其余部分在第二冷凝器34中冷凝。夹带在空气流中的液体通过液/汽分离器102，在此产物水与空气流分离。空气流经由热交换器60返回到蒸发器以继续通过回路。产物水由泵104从产物罐16中泵出。热交换器60使用通过其冷侧的空气流来冷却通过交换器60的热侧的注入水。同时，空气流被加热，由于其中多少夹带有残留的蒸汽而降低了其相对湿度。任选地，如所示，一些产物水可以由注入水泵105泵送以供应用于注入回路的水，在注入回路中产物水可以在注入点106处注入。

本申请的描述是为了说明和描述的目的而呈现的，并且不旨在是穷尽的或将本发明限制为所公开的形式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。例如，每个实施例的方面可以与每个其它实施例的方面组合。作为一个示例，预热器可以与图2的实施例以及图7和8的实施例一起使用。分离器和热交换器的各种实施例可以应用于每个不同的所述实施例。泵的具体布置可以从与其相互作用的罐的上游到下游变化。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理、实际应用，并且使本领域其他普通技术人员能够针对具有各种修改的各种实施例理解本发明，这些修改适合于所设想的特定用途。除非另有说明，术语“约”应当理解为是指在标称值的±10％内。

虽然共同的附图标记用于表示共同命名的部件，但是这不应被认为意味着那些部件必须是相同的。实际上，它们将根据各种系统的操作考虑来设计，包括例如流量、流入物的类型、污染物的浓度等。因此，例如，虽然所描述的每个系统包括初级冷凝器/次级蒸发器，但是实际上，它们可以采取稍微不同的形式。

在本说明书中所使用时，术语“流体”可以理解为是指液体、气体、包括可以在溶液中或夹带的固体的液体、或其组合。术语“雾化”和“蒸发”描述了将液体或溶液缩小成一系列微小颗粒、液滴和/或细喷雾的过程。例如，在本文所用时，被构造成雾化液体和/或产生液体的雾化流的装置或部件可以是将液体缩小和/或“破碎”成一系列微小颗粒和/或细喷雾的任何合适的装置或部件。

在本说明书中所使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数个指代物，除非上下文另外清楚地指明。因此，例如，术语“构件”旨在表示单个构件或多个构件的组合，“材料”旨在表示一种或多种材料或其组合。术语“基本上”可以理解为包括例如10％的变化。

以上描述旨在是说明性的而非限制性的。因此，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以进行所描述的修改而不背离下面阐述的权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种水处理系统，包括：

鼓风机马达，其被构造和布置成将空气和包含污染物的流入物的混合物吹送通过所述系统；

初级蒸发器，其包括雾化器，所述雾化器被构造和布置成将旋转速度和径向速度赋予所述混合物以将所述混合物雾化；以及

热交换器，其被构造成接收来自所述初级蒸发器的所述混合物并且充当次级蒸发器和初级冷凝器两者。

2.根据权利要求1所述的水处理系统，其中，所述热交换器包括壳管式热交换器。

3.根据权利要求2所述的水处理系统，还包括在所述壳管式热交换器与所述雾化器之间的锥形界面，其中所述锥形界面具有与所述壳管式热交换器的管中的开口相对应的多个孔。

4.根据权利要求1所述的水处理系统，其特征在于，所述水处理系统还包括分离器，所述分离器构造成将来自所述次级蒸发器的产物水与所述污染物分离。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述分离器被构造为收集所述污染物的沉淀的固体部分。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述系统是零液体排放系统。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括流入物预热器，所述流入物预热器被构造和布置成在混合点的上游加热流入物，在所述混合点处所述流入物与所述空气混合。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括：

浓缩物分离器，其被构造和布置成从所述次级蒸发器接收浓缩物蒸汽混合物；以及

浓缩物再循环管道，其被构造成引导所述浓缩物的一部分与所述流入物混合。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括注入水回路，所述注入水回路被构造和布置成在注入水混合点处将温度低于离开所述鼓风机的空气的温度的水注入所述鼓风机下游的空气中。

10.根据权利要求9所述的系统，其中所述注入水回路包括第一注入水热交换器，所述第一注入水热交换器被构造和布置成从所述注入水混合点下游的注入水回收分离器接收热的注入水，并且在所述注入水循环回到所述注入水混合点之前将注入水冷却。

11.根据权利要求9所述的系统，其中所述注入水回路还包括热交换器，所述热交换器被构造和布置成使用环境空气在所述注入水混合点的上游冷却所述注入水。

12.根据权利要求9所述的系统，还包括第二注入水热交换器，所述第二注入水热交换器在所述第一注入水热交换器的下游并且被构造和布置成使用环境空气在所述注入水混合点的上游冷却所述注入水。

13.一种水处理系统，包括：

鼓风机马达，其被构造和布置成将空气和包含污染物的流入物的混合物吹送通过所述系统；

初级蒸发器，其包括雾化器，所述雾化器被构造和布置成将旋转速度和径向速度赋予所述混合物以将所述混合物雾化；

热交换器，其被构造成从所述初级蒸发器接收所述混合物并且充当次级蒸发器和初级冷凝器两者；

逆流热交换器，其在所述次级蒸发器/初级冷凝器的下游，被构造成在所述流入物与所述空气混合之前预热所述流入物；

浓缩物分离器，其在所述初级冷凝器的下游，被构造成接收浓缩物蒸气混合物，并且从含有溶液中的浓缩污染物的流体水流分离固体沉淀污染物；

浓缩物再循环回路，所述浓缩物再循环回路被构造成使含有溶液中的浓缩污染物的水的至少一部分再循环以与所述初级蒸发器上游的流入物混合；以及

浓缩物罐，所述浓缩物罐被构造成储存被分离的固体沉淀污染物。

14.根据权利要求13所述的系统，还包括注入水回路，所述注入水回路被构造和布置成在注入水混合点处将温度低于离开所述鼓风机的空气的温度的水注入所述鼓风机下游的空气中。

15.根据权利要求13所述的系统，还包括流入物预热器，所述流入物预热器被构造和布置成在混合点的上游加热流入物，在所述混合点处所述流入物与所述空气混合。

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