CN114408999A - 海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及海水淡化及二氧化碳气体分离技术领域，特别是海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法。包括气体水合物合成反应釜、高盐度海水缓冲釜、淡化水与二氧化碳气体收集釜，气体水合物合成反应釜位于淡化水与二氧化碳气体收集釜的正上方，气体水合物合成反应釜与淡化水与二氧化碳气体收集釜之间设有耐压球阀，气体水合物合成反应釜的下部外侧固定设有高盐度海水缓冲釜，气体水合物合成反应釜和高盐度海水缓冲釜之间设有开关阀门，开关阀门设置在气体水合物合成反应釜的侧壁上，开关阀门的外侧设有透水滤网。其不仅实现从混合气体中的二氧化碳气体的分离和收集，而且实现了海水的淡化，通过控制进气量和过饱和水量，提高了海水的淡化效果。

Description

海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法
技术领域
本发明涉及海水淡化及二氧化碳气体分离技术领域，特别是一种海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法。
背景技术
淡水无疑是维持人类生存发展最为基础的资源，而淡水资源短缺一直是世界各国关注的重点。如何将占地球总面积70％以上的海水资源进行淡化，使之成为经济快捷的淡水资源是科学家长期研究的目标。目前已经提出的蒸馏、反渗透、冷冻、电渗析等方法仍受成本、工艺乃至环保方面的制约，使得海水淡化推广面临巨大阻碍。气体与液态水由于可以在一定的温度、压力环境下形成固态水合物，并且固化过程的同时析出盐离子，研究人员已经基于该过程提出海水淡化的思路和实现方法，该技术面对的主要制约是如何将已经形成的固态水合物与盐水进行分离，提高脱盐效果。
为此，需要进一步发展二氧化碳的捕集、利用与封存技术链条。已有研究表明，二氧化碳比大气常见的气体更容易形成固态水合物，可以通过水合物法从混合气体中分离二氧化碳。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法，其不仅实现从混合气体中的二氧化碳气体的分离和收集，而且实现了海水的淡化，通过控制进气量和过饱和水量，提高了海水的淡化效果。
本发明的技术方案是：一种海水淡化与二氧化碳气体分离系统，其中，包括气体水合物合成反应釜、高盐度海水缓冲釜、淡化水与二氧化碳气体收集釜，气体水合物合成反应釜位于淡化水与二氧化碳气体收集釜的正上方，气体水合物合成反应釜与淡化水与二氧化碳气体收集釜之间设有耐压球阀，气体水合物合成反应釜的下部外侧固定设有高盐度海水缓冲釜，气体水合物合成反应釜和高盐度海水缓冲釜之间设有开关阀门，开关阀门设置在气体水合物合成反应釜的侧壁上，开关阀门的外侧设有透水滤网；
所述气体水合物合成反应釜的顶部表面设有活塞，活塞的横截面直径与气体水合物合成反应釜的内径一致，且活塞的环形外表面与气体水合物合成反应釜的内表面之间设有密封圈，气体水合物合成反应釜的底部表面设有耐压球阀，气体水合物合成反应釜的侧面上部设有注液口、注气口和排气口；
所述淡化水与二氧化碳气体收集釜的侧壁上部设有出气管道，淡化水与二氧化碳气体收集釜的侧壁下部设有排水管道。
本发明中，所述气体水合物合成反应釜的侧面还设有透明可视窗口，通过透明可视窗口可以随时观测反应釜内二氧化碳水合物的形成情况。
所述高盐度海水缓冲釜的外侧壁上设有排水管道。
本发明还包括利用上述系统进行海水淡化与二氧化碳气体分离的方法，其中，包括以下步骤：
S1.为获得二氧化碳气体水合物最高转化率，采用海水过量条件进行二氧化碳水合物的合成：
设气体水合物合成耐压反应釜的内部半径为r，高度为h，则一次处理过程中需加入的海水质量msw为：
msw＝πr2hρsw (1)
其中ρsw为海水密度；
设完全合成二氧化碳水合物的海水占比为φ，注入的混合气体二氧化碳含量为α，二氧化碳水合物的水合指数为n,水的摩尔质量为Mw，忽略含盐量对注入水总质量的影响情况下，标准状况下气体摩尔体积为Vmol,一次处理需加入的标准状况下的气体体积Vt为：
Figure BDA0003496288130000021
根据式(1)控制向气体水合物合成耐压反应釜的注海水量，根据式(2)控制向气体水合物合成耐压反应釜的注混合气量，关闭注气口，使用增压泵通过注液口向气体水合物合成耐压反应釜加压至二氧化碳水合物形成所需的压力条件，将气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在二氧化碳水合物形成所需的温度范围内；
S2.挤压固态二氧化碳水合物，挤压后剩余的高盐度海水进入到高盐度海水缓冲釜中：
待二氧化碳水合物合成完毕，通过气体水合物合成耐压反应釜的排气口，释放掉脱碳以后的气体，打开气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的开关阀门，启动气体水合物合成耐压反应釜顶部的活塞，活塞向下挤压二氧化碳水合物和高浓度盐水组成的固、液混合物，挤压后剩余的高盐度海水通过开关阀门进入高盐度海水缓冲釜中；
S3.固态二氧化碳水合物快速分解为二氧化碳气体和纯净水，分别完成二氧化碳气体和纯净水的收集，从而实现海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
待高盐度海水排放完毕，关闭气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的阀门，打开气体水合物合成耐压反应釜底部的耐压球阀，将压实成块的二氧化碳水合物转移至下方的淡化水与二氧化碳气体收集釜，然后迅速关闭耐压球阀，二氧化碳水合物落入淡化水与二氧化碳气体收集釜后，快速分解为二氧化碳气体和纯净水，二氧化碳气体沿出气管道排出，纯净水通过排水管道排出，分别完成了二氧化碳气体和纯净水的收集，从而完成海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
所述二氧化碳水合物形成所需的压力条件为将气体水合物合成耐压反应釜加压至5MPa，将气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在10±2℃。
所述气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在10±2℃时，当气体水合物合成耐压反应釜的压力低于3.5MPa即可认为二氧化碳水合物合成完毕。
本发明的有益效果是：
(1)利用二氧化碳气体较容易形成水合物的特点，通过控制温度压力，将其以固态形式捕捉，经济、高效、安全；
(2)针对水合物法海水淡化所面临的合成水合物后盐粒子污染的问题，采用控制进气量和过饱和水量的方法，按比例形成水合物，再以压实和过滤等手段进行水合物固体脱盐，提高海水的淡化效果；
(3)通过该方法，不仅实现了海水的淡化，而且实现了混合气的脱碳和二氧化碳气体的收集，有效地实现了混合气中二氧化碳气体的分离。
附图说明
图1是海水淡化与二氧化碳气体分离系统的结构示意图。
图中：1气体水合物合成反应釜；2排气口；3高盐度海水缓冲釜；4透水滤网；5出气管道；6排水管道；7淡化水与二氧化碳气体收集釜；8耐压球阀；9开关阀门；10透明可视窗口；11注液口；12注气口；13活塞。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
如图1所示，本发明所述的海水淡化与二氧化碳气体分离系统包括气体水合物合成反应釜1、高盐度海水缓冲釜3、淡化水与二氧化碳气体收集釜7，其中气体水合物合成反应釜1 位于淡化水与二氧化碳气体收集釜7的正上方，气体水合物合成反应釜1与淡化水与二氧化碳气体收集釜7之间设有耐压球阀8，气体水合物合成反应釜1的下部外侧，即靠近气体水合物合成反应釜1和淡化水与二氧化碳气体收集釜7的连接处的外侧设有高盐度海水缓冲釜 3，气体水合物合成反应釜1和高盐度海水缓冲釜3之间设有开关阀门9，开关阀门9设置在气体水合物合成反应釜1的侧壁上，开关阀门9的外侧设有透水滤网。
本实施例中，气体水合物合成反应釜1呈圆柱形，采用耐压防腐蚀的材料制成，釜壁的厚度根据工作压力设计。气体水合物合成反应釜1的顶部表面设有活塞13，活塞13的横截面直径与气体水合物合成反应釜1的内径一致，且活塞13的环形外表面与气体水合物合成反应釜1的内表面之间设有密封圈，通过设置密封圈，可以防止活塞向下挤压过程中海水向上倒灌。气体水合物合成反应釜1的底部表面设有耐压球阀8。气体水合物合成反应釜1的侧面上部设有注液口11、注气口12和排气口2，通过注液口11向气体水合物合成反应釜1内注入海水，通过注气口12向气体水合物合成反应釜1内注入包含有二氧化碳的混合气体，脱碳以后的气体通过排气口2进行释放。同时，气体水合物合成反应釜1的侧面还设有透明可视窗口10，通过透明可视窗口10可以随时观测反应釜内二氧化碳水合物的形成情况。气体水合物合成反应釜1的的下部侧壁设有开关阀门9，当活塞向下挤压固、液混合物时，液态的浓海水会通过开关阀门9流入高盐度海水缓冲釜3，而其中液态浓海水中掺杂的固态二氧化碳水合物会被开关阀门9外侧的透水滤网4过滤阻止，无法进入高盐度海水缓冲釜3内。
本实施例中，高盐度海水缓冲釜3呈圆环形，由防腐蚀金属材质制成，其固定设置在气体水合物合成反应釜1的下部外侧，高盐度海水缓冲釜3的侧壁上设有排水管道。
本实施例中，淡化水与二氧化碳气体收集釜7呈圆柱形，其顶部与气体水合物合成反应釜1的底部固定连接，淡化水与二氧化碳气体收集釜7的侧壁上部设有出气管道5，淡化水与二氧化碳气体收集釜7的侧壁下部设有排水管道6。
在实际使用过程中，可以同时采用多套上述系统，多套系统同时动作，可以实现连续高效生产。另外为了提高海水的淡化效果，针对高盐度海水，上述系统之间可以串联连接使用，实现海水的多极分离。
本发明还包括利用海水淡化与二氧化碳气体分离系统进行海水淡化与二氧化碳气体分离的方法，该方法包括以下步骤。
第一步，为获得二氧化碳气体水合物最高转化率，采用海水过量条件进行二氧化碳水合物的合成。
二氧化碳等气体水合物合成的相平衡临界条件受温度、压力及盐水浓度等因素确定，相平衡条件受气相逸度影响，可将Peng-Robinson(PR)状态方程计算的二氧化碳气相逸度引入 Chen-Guo水合物相平衡热力学模型后获得。由于二氧化碳具有高压易液化的特征(10℃时的液化压力为3.97MPa)，液化后的二氧化碳更容易与海水混合形成水合物。综合考虑二氧化碳水合物合成相平衡临界条件和液化临界条件，本方案建议水合物合成条件为温度10℃、压力 5MPa。
将气体水合物合成耐压反应釜1由室温降温至10℃，并加压至5MPa，由于二氧化碳相比与其他气体容易形成水合物，因此在该温度和压力范围下，空气中的二氧化碳与海水反应生产二氧化碳水合物，实现了气体的脱碳。
设气体水合物合成耐压反应釜1的内部半径为r，高度为h，则一次处理过程中需加入的海水质量msw为：
msw＝πr2hρsw (1)
其中ρsw为海水密度。
设完全合成二氧化碳水合物的海水占比为φ，注入的混合气体二氧化碳含量为α，二氧化碳水合物的水合指数为n,水的摩尔质量为Mw，忽略含盐量对注入水总质量的影响情况下，标准状况下气体摩尔体积为Vmol,一次处理需加入的标准状况下的气体体积Vt为：
Figure BDA0003496288130000051
其中式(1)决定了向气体水合物合成耐压反应釜1内注入海水的质量，式(2)决定了向气体水合物合成耐压反应釜1内注入混合气的体积。根据式(1)向气体水合物合成耐压反应釜1注入海水，根据式(2)向气体水合物合成耐压反应釜1注入混合气后，关闭注气口12，使用增压泵通过注液口10向气体水合物合成耐压反应釜1加压至5MPa。将整个系统安置于控温试验箱内，将气体水合物合成耐压反应釜1的温度控制在10±2℃。
通过透明可视窗口4可观测二氧化碳水合物的形成情况，由于水合物的密度小于海水，形成后的二氧化碳水合物均处于反应釜上方。
第二步，挤压固态二氧化碳水合物，挤压后剩余的高盐度海水进入到高盐度海水缓冲釜2中。
水合物合成过程中，随着二氧化碳逐渐被消耗，反应釜内压力逐渐降低。当压力低于该温度下水合物合成的相平衡临界条件时，可认为水合物合成完毕。在本方案建议的温度即气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在10±2℃下，当气体水合物合成耐压反应釜的压力低于3.5MPa时即可认为合成结束。
待二氧化碳水合物合成完毕，通过气体水合物合成耐压反应釜的排气口2，释放掉脱碳以后的气体。打开气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的开关阀门9，启动气体水合物合成耐压反应釜顶部的活塞13，活塞13向下挤压二氧化碳水合物和高浓度盐水组成的固、液混合物。挤压后剩余的高盐度海水通过开关阀门9进入高盐度海水缓冲釜2中，由于开关阀门 9的外侧安装了透水滤网6，可有效地防止固态二氧化碳水合物挤压过程中进入高盐度海水缓冲釜2中。而固态二氧化碳水合物在挤压过程中逐步压实压干，从而起到较好的脱盐水效果。
第三步，固态二氧化碳水合物快速分解为二氧化碳气体和纯净水，分别完成二氧化碳气体和纯净水的收集，从而实现海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
待高盐度海水排放完毕，关闭气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的阀门7，打开气体水合物合成耐压反应釜底部的耐压球阀8，将压实成块的二氧化碳水合物转移至下方的淡化水与二氧化碳气体收集釜7，然后迅速关闭耐压球阀8。淡化水与二氧化碳气体收集釜7内的温度控制在室温下即可，淡化水与二氧化碳气体收集釜7内的压力控制在室压即可。二氧化碳水合物落入淡化水与二氧化碳气体收集釜7后，会快速分解为二氧化碳气体和纯净水，二氧化碳气体沿出气管道12排出，纯净水通过排水管道6排出，分别完成了二氧化碳气体和纯净水的收集，从而完成海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
以上对本发明所提供的海水淡化与二氧化碳气体分离系统及分离方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种海水淡化与二氧化碳气体分离系统，其特征在于，包括气体水合物合成反应釜(1)、高盐度海水缓冲釜(3)、淡化水与二氧化碳气体收集釜(7)，气体水合物合成反应釜(1)位于淡化水与二氧化碳气体收集釜(7)的正上方，气体水合物合成反应釜(1)与淡化水与二氧化碳气体收集釜(7)之间设有耐压球阀(8)，气体水合物合成反应釜(1)的下部外侧固定设有高盐度海水缓冲釜(3)，气体水合物合成反应釜(1)和高盐度海水缓冲釜(3)之间设有开关阀门(9)，开关阀门(9)设置在气体水合物合成反应釜(1)的侧壁上，开关阀门(9)的外侧设有透水滤网(4)；
所述气体水合物合成反应釜(1)的顶部表面设有活塞(13)，活塞(13)的横截面直径与气体水合物合成反应釜(1)的内径一致，且活塞(13)的环形外表面与气体水合物合成反应釜(1)的内表面之间设有密封圈，气体水合物合成反应釜(1)的底部表面设有耐压球阀(8)，气体水合物合成反应釜(1)的侧面上部设有注液口(11)、注气口(12)和排气口(2)；
所述淡化水与二氧化碳气体收集釜(7)的侧壁上部设有出气管道(5)，淡化水与二氧化碳气体收集釜(7)的侧壁下部设有排水管道(6)。
2.根据权利要求1所述的海水淡化与二氧化碳气体分离系统，其特征在于，所述气体水合物合成反应釜(1)的侧面还设有透明可视窗口(10)。
3.根据权利要求1所述的海水淡化与二氧化碳气体分离系统，其特征在于，所述高盐度海水缓冲釜(3)的外侧壁上设有排水管道。
4.一种利用权利要求1-3任意权利要求所述海水淡化与二氧化碳气体分离系统进行海水淡化与二氧化碳气体分离的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.为获得二氧化碳气体水合物最高转化率，采用海水过量条件进行二氧化碳水合物的合成：
设气体水合物合成耐压反应釜的内部半径为r，高度为h，则一次处理过程中需加入的海水质量msw为：
msw＝πr2hρsw (1)
其中ρsw为海水密度；
设完全合成二氧化碳水合物的海水占比为φ，注入的混合气体二氧化碳含量为α，二氧化碳水合物的水合指数为n,水的摩尔质量为Mw，忽略含盐量对注入水总质量的影响情况下，标准状况下气体摩尔体积为Vmol,一次处理需加入的标准状况下的气体体积Vt为：
Figure FDA0003496288120000021
根据式(1)控制向气体水合物合成耐压反应釜的注海水量，根据式(2)控制向气体水合物合成耐压反应釜的注混合气量，关闭注气口，使用增压泵通过注液口向气体水合物合成耐压反应釜加压至二氧化碳水合物形成所需的压力条件，将气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在二氧化碳水合物形成所需的温度范围内；
S2.挤压固态二氧化碳水合物，挤压后剩余的高盐度海水进入到高盐度海水缓冲釜中：
待二氧化碳水合物合成完毕，通过气体水合物合成耐压反应釜的排气口，释放掉脱碳以后的气体，打开气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的开关阀门，启动气体水合物合成耐压反应釜顶部的活塞，活塞向下挤压二氧化碳水合物和高浓度盐水组成的固、液混合物，挤压后剩余的高盐度海水通过开关阀门进入高盐度海水缓冲釜中；
S3.固态二氧化碳水合物快速分解为二氧化碳气体和纯净水，分别完成二氧化碳气体和纯净水的收集，从而实现海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
待高盐度海水排放完毕，关闭气体水合物合成耐压反应釜下部侧面的阀门，打开气体水合物合成耐压反应釜底部的耐压球阀，将压实成块的二氧化碳水合物转移至下方的淡化水与二氧化碳气体收集釜，然后迅速关闭耐压球阀，二氧化碳水合物落入淡化水与二氧化碳气体收集釜后，快速分解为二氧化碳气体和纯净水，二氧化碳气体沿出气管道排出，纯净水通过排水管道排出，分别完成了二氧化碳气体和纯净水的收集，从而完成海水的淡化和二氧化碳气体的分离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述二氧化碳水合物形成所需的压力条件为将气体水合物合成耐压反应釜加压至5MPa，将气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在10±2℃。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述气体水合物合成耐压反应釜的温度控制在10±2℃时，当气体水合物合成耐压反应釜的压力低于3.5MPa即认为二氧化碳水合物合成完毕。
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