CN116531950A - 电渗析设备中流体歧管的设计 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种电化学分离设备，包括第一电极、第二电极、包含设置在第一电极和第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室的电池堆、被配置为将流体引入耗尽隔室或浓缩隔室之一的入口歧管、出口歧管，以及流体导流器和第二流体导流器中的一个或更多个，流体导流器设置在入口歧管内并具有被配置为改变被引入到入口歧管中的流体的流动路径且将流体引导到耗尽隔室或浓缩隔室之一中的表面，第二流体导流器设置在出口歧管内并具有被配置为改变经由耗尽隔室或浓缩隔室之一被引入出口歧管中的流体的流动路径的表面。

Description

电渗析设备中流体歧管的设计
本申请是申请日为2018年06月20日，申请号为201880039970.9，发明名称为“电渗析设备中流体歧管的设计”的申请的分案申请。
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年6月21日提交的标题为“DESIGN OFFLOW DIRECTING FEATURES WITHIN THE FLUIDIC MANIFOLDS OF ELECTRODIALYSISDEVICES”的序列号为62/522,732的美国临时申请的优先权，该临时申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本文公开的方面和实施例大体上涉及电化学膜系统及其操作方法。
背景
相关技术的讨论
使用电场净化流体的设备可用于处理水和含有溶解的离子物质的其他液体。以这种方式处理水的两种类型的设备是电去离子和电渗析设备。在这些设备内，浓缩隔室和稀释隔室由离子选择性膜隔开。电渗析设备通常包括交替的电活性半透性阴离子交换膜和阳离子交换膜。在这些膜之间的空间被配置成产生具有入口和出口的液体流动隔室。经由电极强加的外加电场导致被吸引到它们各自的反电极的溶解离子迁移通过阴离子交换膜和阳离子交换膜。这通常导致稀释隔室的液体被耗尽了离子，而浓缩隔室中的液体富含转移的离子。
在结构上类似电渗析设备的设备可以用作反向电渗析(RED)设备。两组隔室被供给由离子选择性膜隔开的不同离子浓度的流体；例如，海水和河水。浓度和化学电势的差异导致在每个膜两端的电压差，当该电压差在设备中的膜的总数上相加时，电压差导致在界定隔室和膜的堆叠的两个电极处产生电压电势。
概述
根据一个或更多个方面，电化学分离系统可以包括第一电极、第二电极、第一电化学分离模块化单元和第二电化学分离模块化单元，该第一电化学分离模块化单元具有第一电池(cell)堆，该第一电池堆限定了由第一框架支撑的多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室，该第一电化学分离模块化单元位于第一电极和第二电极之间，该第二电化学分离模块化单元与第一电化学分离模块化单元相邻并与之协作、具有第二电池堆，该第二电池堆限定由第二框架支撑的多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室，该第二电化学分离模块化单元位于第一电化学分离模块化单元和第二电极之间。
根据一个或更多个方面，组装电化学分离系统的方法可以包括在第一电极和第二电极之间的容器中安装具有被第一框架包围的第一电池堆的第一电化学分离模块化单元，以及在第一电化学分离模块化单元和第二电极之间的容器中安装具有被第二框架包围的第二电池堆的第二电化学分离模块化单元。
根据一个或更多个方面，电化学分离模块化单元可以包括限定多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室的电池堆，以及围绕电池堆并包括歧管系统的框架，该歧管系统被配置为便于流体流动通过电池堆。
根据一个或更多个方面，用于电化学分离的流量分配器可以包括多个第一管路和多个第二管路，该多个第一管路定向在第一方向上并且被配置为将进料输送到电化学分离设备的至少一个隔室，该多个第二管路定向在第二方向上，该多个第二管路与该多个第一管路且与和电化学分离设备相关联的入口歧管流体连通。
根据一个或更多个方面，电化学分离系统可以包括第一电极、第二电极、包含位于第一电极和第二电极之间的多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室的第一电化学分离模块化单元、包含多个交替的耗尽隔室和浓缩隔室的第二电化学分离模块化单元、以及间隔件；该第二电化学分离模块化单元与该第一电化学分离模块化单元协作布置，并且位于该第一电化学分离模块化单元和第二电极之间，该间隔件设置在第一和第二电化学分离模块化单元之间并邻近该第一和第二电化学分离模块化单元，该间隔件被配置为减少系统内的电流损失。
根据一个或更多个实施例，模块化电化学分离系统(其也可以称为电净化设备或装置)可以提高各种处理过程的效率和整体灵活性。在一些实施例中，交叉流电化学分离设备(例如，交叉流电渗析(ED)设备)可以被实现为传统板框式设备的有吸引力的替代物。交叉流设备在US8627560B2、US8741121 B2和US20160346737 A1中有所描述，所有这些文件出于所有目的通过引入以其整体并入本文。在一些实施例中，可以减少交叉流电化学分离设备中的电流低效。在至少某些实施例中，可以解决由于通过入口和出口歧管的电流旁路而导致的电流低效。能耗和膜需求也可以降低，这两者都可以影响各种应用中的生命周期成本。在一些实施例中，可以实现至少85％的膜利用率。膜需求的降低又会导致对于电化学分离设备的制造成本、重量和空间需求的降低。
在一些具体实施例中，交叉流ED设备的过程效率可以显著提高。在一些实施例中，对于从石油和天然气生产中对微咸水、海水和盐水的脱盐，电化学分离系统的效率可以提高。在至少一些实施例中，与反渗透(RO)相比，ED的成本竞争力可以提高，反渗透是目前脱盐的主要技术。
本文公开的一个或更多个实施例涉及可以电净化流体的设备及其制造和使用方法，该设备可以被包含在外壳内。待净化的液体或其他流体进入净化设备，并在电场的影响下被处理以产生离子耗尽的(ion-depleted)液体。来自进入的液体中的物质被收集以产生离子集中的(ion-concentrated)液体。
根据一个或更多个实施例，电化学分离系统或设备可以是模块化的。每个模块化单元通常可以作为整个电化学分离系统的子块来起作用。模块化单元可以包括任何期望数量的电池对。在一些实施例中，每模块化单元的电池对的数量可以取决于分离设备中电池对和通路的总数。它还可能取决于可以被热粘合并封装在框架中且当测试交叉泄漏和其他性能标准时具有可接受故障率的电池对的数量。该数量可以基于制造过程的统计分析，并且可以随着过程控制的改进而增加。在一些非限制性实施例中，模块化单元可以包括约50至约100个电池对。模块化单元可以单独组装，并在结合到更大的系统中之前经过质量控制测试，例如泄漏、分离性能和压降。在一些实施例中，电池堆可以作为可独立测试的模块化单元安装在框架中。然后可以将多个模块化单元组装在一起，以在电化学分离设备中提供总的预期数量的电池对。在一些实施例中，组装方法通常可以涉及将第一模块化单元放置在第二模块化单元上，将第三模块化单元放置在第一和第二模块化单元上，并且重复以获得期望数量的多个模块化单元。在一些实施例中，组件或单独的模块化单元可以插入压力容器中进行操作。在模块化单元之间或模块化单元内放置阻断膜和/或间隔件的情况下，多通路流动配置是可能的。模块化方法可以在时间和成本节约方面提高可制造性。模块性还可以通过允许诊断、隔离、移除和更换单独的模块化单元来便于系统维护。单独的模块化单元可以包括歧管装置和流量分配系统，以促进电化学分离过程。单独的模块化单元可以彼此流体连通，也可以与中央歧管装置和与整个电化学分离过程相关联的其他系统流体连通。
根据一个或更多个实施例，可以提高电化学分离系统的效率。电流损失是低效的一个潜在源。在一些实施例中，例如涉及交叉流设计的实施例，可以解决电流泄漏的可能性。电流效率可以被定义为有效地将离子从稀释液流移出到浓缩液流中的电流百分比。电化学分离系统中可能存在电流低效的各种源。低效的一个潜在源可能涉及通过流动通过稀释液和浓缩液入口和出口歧管来绕过电池对的电流。打开的入口和出口歧管可以与流动隔室直接流体连通，并且可以降低每条流动路径中的压降。从一个电极到另外一个电极的电流的一部分可以通过流动通过开放区域而绕过电池对的堆叠。旁路电流降低电流效率且增加能耗。低效的另一个潜在源可能涉及由于离子交换膜的不完全选择渗透性而从浓缩液进入稀释液流的离子。在一些实施例中，与设备内的膜和筛网的密封和封装相关联的技术可以有助于减少电流泄漏。
在一个或更多个实施例中，可以操纵穿过堆叠的旁路路径，以促进沿着直接路径通过电池堆的电流流动，从而提高电流效率。在一些实施例中，电化学分离设备可以被构造和布置成使得一条或更多条旁路路径比通过电池堆的直接路径更曲折。在至少某些实施例中，电化学分离设备可以被构造和布置成使得一条或更多条旁路路径与通过电池堆的直接路径相比表现出更高的电阻。在涉及模块化系统的一些实施例中，单独的模块化单元可以被配置成提高电流效率。模块化单元可以被构造和布置成提供将有助于电流效率的电流旁路路径。在非限制性实施例中，模块化单元可以包括歧管系统和/或流量分配系统，该歧管系统和/或流量分配系统被配置为提高电流效率。在至少一些实施例中，围绕电化学分离模块化单元中的电池堆的框架可以被构造和布置成提供预定的电流旁路路径。在一些实施例中，促进电化学分离设备内的多通路流动配置可以有助于减少电流泄漏。在至少一些非限制性实施例中，阻断膜或间隔件可以插入模块化单元之间，以将稀释液和/或浓缩液流引导到多通路流动配置中，从而提高电流效率。在一些实施例中，可以实现至少约60％的电流效率。在其他实施例中，可以实现至少约70％的电流效率。在另外其他实施例中，可以实现至少约80％的电流效率。在至少一些实施例中，可以实现至少约85％的电流效率。
根据一个或更多个方面，电化学分离装置可以包括电池堆。电池堆还可以包括多个对准的电池对，多个对准的电池对中的每一个包括离子浓缩隔室和离子稀释隔室，离子浓缩隔室被构造和布置成提供在第一方向上的流体流动，离子稀释隔室被构造和布置成提供在不同于第一方向的第二方向上的流体流动。
根据一个或更多个方面，存在提供的电化学分离设备。电化学分离设备包括第一电极、第二电极、包含设置在第一电极和第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室的电池堆、被配置为将流体引入耗尽隔室或浓缩隔室之一的入口歧管、出口歧管，以及流体导流器和第二流体导流器中的一个或更多个，该流体导流器设置在入口歧管内并具有被配置为改变被引入到入口歧管中的流体的流动路径且将流体引导到耗尽隔室或浓缩隔室之一中的表面，该第二流体导流器设置在出口歧管内并具有被配置为改变经由耗尽隔室或浓缩隔室之一被引入出口歧管中的流体的流动路径的表面。
在一些实施例中，通过耗尽隔室的流体流动路径垂直于通过浓缩隔室的流体流动路径。
在一些实施例中，流体导流器设置在入口歧管内，并且被布置成至少部分地阻断通过入口歧管的旁路电流。流体导流器可以在电池堆的不同部分之间限定穿过入口歧管的流体流动路径，所述流体流动路径的横截面积小于入口歧管的横截面积。
在一些实施例中，电池堆具有至少85％的平均电流效率。
在一些实施例中，电池堆包括多个子块，并且流体导流器包括多个斜坡，该多个斜坡被布置成将流体引导到该多个子块中不同的相应子块中。在斜坡中每一个斜坡的边缘和电池堆之间可以限定小于1mm的间隙。
在一些实施例中，流体导流器还包括彼此流体隔离的多个导管。该多个导管中的每一个终止于多个斜坡中的相应一个斜坡处。该多个导管的横截面积的总和可以小于入口歧管的横截面积。
在一些实施例中，设备还包括设置在出口歧管内的第二流体导流器。第二流体导流器可以被配置成至少部分地阻断通过出口歧管的旁路电流。
在一些实施例中，该设备还包括：第二电池堆，其被设置在电池堆和第二电极之间，该第二电池堆限定了交替的第二耗尽隔室和第二浓缩隔室；第二入口歧管，其与出口歧管对准并被配置为将流体从出口歧管引入第二耗尽隔室或第二浓缩隔室之一；第三流体导流器，其被设置在第二入口歧管内，并且具有被配置为改变被引入第二入口歧管的流体的流动路径并将流体引导到第二耗尽隔室或第二浓缩隔室之一中的表面；第二出口歧管，其被设置在第二电池堆的与第二入口歧管相对的侧上；以及隔板，其将入口歧管与第二出口歧管流体分离。
在一些实施例中，电池堆包括多个子块，并且流体导流器包括多个挡板，该多个挡板被布置成将进入该多个子块中的每个子块的流体的流动与进入该子块中的其他子块的流体的流动隔离。流体导流器还可以包括同心流体导管。
在一些实施例中，流体导流器包括从入口歧管的壁朝向电池堆向内延伸的弯曲突出物。流体导流器可以在入口歧管的端部处将入口歧管的横截面积减小第一量，并且在沿着入口歧管的长度的中点处将入口歧管的横截面积减小比第一量大的第二量。流体导流器可以被配置成降低通过电池堆的中心区域中的隔室的流体流速。
在一些实施例中，该设备还包括设置在出口歧管内的第二流体导流器。
第二流体导流器可以具有沿着通过出口歧管的流动路径减小的横截面积。
第二流体导流器可以被配置成降低通过设备的流体的压降。
在一些实施例中，该设备还包括具有与入口歧管的横截面不同的横截面的流体入口和设置在流体入口和入口歧管之间的流体适配器。流体适配器可以包括导管，该导管具有第一部分和第二部分，第一部分具有向内锥形，在该向内锥形中导管的宽度在第一轴线上减小，第二部分具有向外锥形，在该向外锥形中导管的宽度在第二轴线上增大，第一部分和第二部分不重叠。导管的第一部分的向内锥形可以是椭圆形锥形。
在一些实施例中，该设备还包括再循环管线，该再循环管线被配置成将已经通过浓缩隔室的浓缩液引导回浓缩隔室中。
在一些实施例中，入口歧管被分成流体隔离的导管，该流体隔离的导管被配置为将预定量的流体导向电池堆的不同部分。该流体隔离的导管可以具有被选择成使得通过电池堆的中心区域中的隔室的流体流速小于通过电池堆的上部区域和下部区域中的隔室的流体流速的横截面积。该流体隔离的导管可以具有被选择成使得通过电池堆的上部区域中的隔室的流体流速大体上等于通过电池堆的下部区域中的隔室的流体流速的横截面积。
根据一个或更多个方面，提供了一种提高电化学分离装置内电流效率的方法，该电化学分离装置包括电池堆，电池堆限定设置在第一电极和第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室，通过耗尽隔室的流体流动路径垂直于通过浓缩隔室的流体流动路径。该方法包括将流体导流器插入该装置的入口歧管中，流体导流器具有表面，所述表面被配置成改变被引入到入口歧管中的流体的流动路径并将流体引导到多个耗尽隔室或多个浓缩隔室之一中，并且至少部分地阻断通过入口歧管的旁路电流。
在一些实施例中，该方法还包括通过在入口歧管的入口上安装流体适配器来增加通过电池堆的流体流动的均匀性，该流体适配器包括具有第一部分和第二部分的导管，第一部分具有向内锥形，在该向内锥形中导管的宽度在第一轴线上减小，第二部分具有向外锥形，在该向外锥形中导管的宽度在第二轴线上增大，第一部分和第二部分不重叠。第一轴可以垂直于第二轴。
在一些实施例中，该方法还包括通过在装置的出口歧管中安装锥形流体导流器来降低通过装置的压降。
在一些实施例中，该方法还包括在装置的出口歧管中安装第二流体导流器，第二流体导流器具有弯曲表面，所述弯曲表面在沿着出口歧管的长度的中点处将通过出口歧管的流动路径变窄第一量，并且在出口歧管的端部附近将出口歧管的流动路径变窄比第一量小的第二量。
根据另一方面，提供了电化学膜设备。电化学膜设备包括第一电极、第二电极、包含设置在第一电极和第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室的电池堆、将耗尽隔室与浓缩隔室分离的离子选择性膜、被配置为将流体引入耗尽隔室或浓缩隔室之一的入口歧管、出口歧管，以及流体导流器和第二流体导流器中的一个或更多个，该流体导流器设置在入口歧管内并具有被配置为改变被引入到入口歧管中的流体的流动路径且将流体引导到耗尽隔室或浓缩隔室之一中的表面，该第二流体导流器设置在出口歧管内并具有被配置为改变经由耗尽隔室或浓缩隔室之一被引入出口歧管中的流体的流动路径的表面。
在一些实施例中，该设备是用于使用电场净化流体的电渗析设备。
在一些实施例中，该设备是用于从具有不同离子浓度的两种或更多种流体流中生成电能的反向电渗析设备。
以下对另外其他方面、实施例以及这些示例性方面和实施例的优点进行详细地讨论。本文中所公开的实施例可以以与本文中所公开的原理中的至少一个一致的任意方式与其他实施例结合，并且对“实施例”、“一些实施例”、“替代实施例”、“各个实施例”、“一个实施例”或类似的引用不一定相互排斥，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可被包括在至少一个实施例中。本文中这类术语的出现不一定都指同一实施例。
附图简述
附图并不意图是按比例绘制。在附图中，在各图中示出的每个相同或近似相同的部件由相似的数字表示。出于清楚的目的，并非每一个部件都会被标记在每一个图中。在附图中：
图1A显示了电渗析设备的子块的示例；
图1B显示了在插入外壳之前图1A的子块中的四个子块的堆叠；
图1C显示了具有透明壳体的组装ED设备；
图1D显示了具有不透明壳体的组装ED设备；
图1E显示了四个子块ED设备的计算流体动力学(CFD)模型；
图2A示出了流体经由外部管道至适配器配件而被输送到ED设备的稀释隔室中；
图2B示出了流体经由入口歧管并行分布在ED设备的所有稀释隔室中；
图2C示出了ED设备的单通路配置；
图2D示出了ED设备的双通路配置；
图3示出了具有低效和水损失的非理想ED过程；
图4示出了ED设备的稀释或浓缩池中电流流动的简化模型；
图5是用于模拟ED设备中电流流动的电阻网络模型；
图6示出了针对具有三角形端口的设计对旁路电流的电阻的计算；
图7是示出电流效率随通路中电池对位置而变化的示例的图表；
图8是示出平均电流效率作为通路中电池对数量的函数的示例的图表；
图9是示出平均电流效率作为稀释液进料浓度和浓缩液中平均浓度/稀释液中平均浓度的比率的函数的示例的图表；
图10A是ED设备的基础设计的横截面；
图10B示出了图10A的基础设计的四个子块的堆叠中的流动的CFD模拟的结果；
图10C是示出在图10A的基础设计中垂直位置相对于通过电池对的流动速率的曲线图；
图11A示出了图10A的基础设计中最上面的电池对中的流动的CFD模拟；
图11B示出了图10A的基础设计中中央的电池对中的流动的CFD模拟；
图11C示出了图10A的基础设计中最下面的电池对中的流动的CFD模拟；
图12A示出了对于以管状导管形式的ED设备的导流特征；
图12B示出了对于以具有挡板的同心管状导管形式的ED设备的导流特征；
图12C示出了对于以具有挡板的同心管状导管形式的ED设备的其他导流特征；
图12D示出了以具有挡板和斜坡的平行导管形式的ED设备的导流特征；
图12E示出了以具有挡板和斜坡的平行导管形式的ED设备的其他导流特征；
图13A示出了图10A的基础设计中歧管的配置；
图13B示出了包括提高电流效率和改善流量分配的特征的改进歧管；
图14是示出在具有四个电隔离子块的单通路ED设备中电流效率相对于电池对位置的示例的图表；
图15A示出了用于ED设备的歧管插入件的侧视图、前视图、顶视图和等距视图，该歧管插入件包括由线性轮廓挡板和椭圆形斜坡限定的流体导管；
图15B示出了包括图15A的歧管的ED设备的CFD模型；
图15C示出了图10的基础设计的歧管和图15A的歧管之间的比较；
图15D示出了用于在具有八个子块的ED设备中使用的图15A的歧管插入件的单件式(single piece)修改的视图；
图15E示出了用于在具有八个子块的ED设备中使用的图15A的歧管插入件的两件式(two piece)修改的视图；
图15F示出了具有基础设计的八个子块ED设备的歧管和包括图15D的歧管插入件中四个歧管插入件的八块ED设备之间的比较；
图16A示出了对于在4m3/hr的流动速率下的基础和优化设计，通过中心ZY平面以及通过顶部、中间和底部ZX平面的分量Z-速度的CFD模拟；
图16B示出了对于在10m3/hr的流动速率下的基础和优化设计，通过中心ZY平面以及通过顶部、中间和底部ZX平面的分量Z-速度的CFD模拟；
图16C示出了对于图15F所示的基础和优化设计，通过中心ZY平面的分量Z-速度的CFD模拟；
图16D示出了对于图15F所示的基础和优化设计的过程效率相对于电流(流体流动速率)的关系；
图17A是对于在4m3/hr的流动速率下的ED设备的基础和优化设计，在不同高度(Y轴位置)处每电池对的流动速率的CFD模拟的结果的图表；
图17B是对于在10m3/hr的流动速率下的ED设备的基础和优化设计，在不同高度(Y轴位置)处每电池对的流动速率的CFD模拟的结果的图表；
图18A是基础ED系统设计中整个电池的压降分布的热图；
图18B是优化ED系统设计中整个电池的压降分布的热图；
图19A示出了在基础和优化ED系统设计的CFD模拟中用于压降相对于流动速率的测量位置；
图19B是对于基础ED系统设计中的不同子块，压降相对于流动速率的CFD模拟的结果的图表；
图19C是对于优化ED系统设计中的不同子块，压降相对于流动速率的CFD模拟的结果的图表；
图19C是在基础和优化ED系统设计二者中的EDI设备的整个模块上的压降的CFD模拟结果的图表；
图20A示出了ED设备的歧管的初始设计的横截面；
图20B示出了ED设备的歧管的替代设计的横截面；
图20C示出了ED设备的歧管的替代设计的横截面；
图20D示出了ED设备的歧管的替代设计的横截面；
图21显示了针对图20A-20C中歧管设计的模拟过程效率；
图22示出了图20的ED设备在ED设备的电池堆的顶部、中间和底部处的电池中的CFD模拟的结果；
图23A是在两通路配置中具有四个子块的ED模块的横截面；
图23B是在两通路配置中具有四个子块的ED模块的横截面，其中弯曲的突出物插入件安装在歧管中；
图24A示出了通过图23A的整个模块的中心的压力分布的模拟结果；
图24B示出了通过图23B的整个模块的中心的压力分布的模拟结果；
图25示出了通过图23B的整个模块的中心的速度分布的模拟结果；
图26示出了通过图23A和图23B的模块的质量流动剖面(每电池对)的模拟结果；
图27示出了可能的出口歧管插入件的几个示例；
图28是在两通路配置中具有四个子块的ED模块的第一通路的横截面，其中弯曲的突出物插入件安装在入口歧管中，并且直的锥形插入件安装在出口歧管中；
图29示出了在具有和不具有出口歧管插入件的情况下通过图28的模块的质量流动剖面(每电池对)的模拟结果；
图30是在如图20B所示的ED设备和如图23B所示的ED设备中，过程效率相对于浓缩液与稀释液的平均浓度的比率的图表；
图31A示出了在没有出口歧管插入件的情况下流体流动通过ED设备的出口歧管；
图31B示出了在具有倾斜的出口歧管插入件的情况下流体流动通过ED设备的出口歧管；
图32A是示出了在第一示例中倾斜形状的出口插入件对ED模块上的压降的影响的表格；
图32B是示出了在第二示例中倾斜形状的出口插入件对ED模块上的压降的影响的表格；
图33是具有设置在入口歧管和外部管道之间的流体适配器的ED设备的横截面；
图34A是用于ED设备的非优化流体适配器的基础实施例的等距视图；
图34B是图34A的流体适配器的部分透明视图；
图34C是图34A的流体适配器的自顶向下视图；
图34D是图34A的流体适配器的自底向上视图；
图34E是穿过图34A的流体适配器的第一轴线的横截面；
图34F是穿过图34A的流体适配器的第二轴线的横截面；
图35A是用于ED设备的改进的流体适配器的实施例的等距视图；
图35B是图35A的流体适配器的部分透明视图；
图35C是穿过图35A的流体适配器的第一轴线的横截面；
图35D是穿过图35A的流体适配器的第二轴线的横截面；
图36A示出了通过包括图34A的流体适配器的ED设备的入口歧管的流体流动的模拟结果；
图36B示出了通过包括图35A的流体适配器的ED设备的入口歧管的流体流动的模拟结果；
图37A示出了在包括图34A的流体适配器的ED设备中流体通过电池的分量Z-速度分布的模拟结果；以及
图37B示出了在包括图35A的流体适配器的ED设备中流体通过电池的分量Z-速度分布的模拟结果。
详细描述
本文中公开的方面和实施例不限于在下面描述中阐述的或者在附图中示出的部件的结构和布置的细节。本文公开的方面和实施例能够具有其它实施例，并且能够以各种方式实践或实施。
电去离子(EDI)是一种使用电活性介质和影响离子输送的电势从水中去除或至少减少一种或更多种离子化或可电离的物质的过程。电活性介质典型地用于交替地收集和排出离子物质和/或可电离的物质，并且在一些情况下，用于通过离子或电子取代机制促进离子的输送，该离子的输送可以是持续的。EDI设备可以包括永久带电(charge)或暂时带电的电化学活性介质，并且可以分批地、间歇地、连续地和/或甚至以反极性模式操作。EDI设备可以被操作以促进专门被设计成实现或增强性能的一个或更多个电化学反应。此外，这种电化学设备可以包括电活性膜，诸如半渗透的或选择性渗透的离子交换膜或双极性膜。连续电去离子(CEDI)设备是本领域技术人员已知的EDI设备，其以这样的方式操作，在该方式中，当离子交换材料被连续地再充电(recharge)时，水净化可以连续地进行。CEDI技术可以包括诸如连续去离子、填充床(filled cell)电渗析或电透析(electrodiaresis)的过程。在CEDI系统中，在受控的电压和盐度条件下，水分子可以被分裂以生成氢或水合氢离子或物质以及氢氧化物或羟基离子或物质，它们可以使设备中的离子交换介质再生，并且因此促进从其中释放被捕获的物质。以这种方式，待处理的水流可以被连续地净化，而不需要离子交换树脂的化学再充电。
电渗析(ED)设备基于与CEDI类似的原理来操作，除了ED设备通常在膜之间不含电活性介质。由于缺乏电活性介质，ED的基于低盐度的进料水的操作可能由于升高的电阻而被妨碍。此外，因为ED在高盐度进料水上的操作可以导致升高的电流消耗，所以迄今为止ED装置已经被最有效地用于中等盐度的水源水(source waters)。在基于ED的系统中，因为不存在电活性介质，所以分裂水是低效的，并且通常避免以这样的方案操作。
在CEDI和ED设备中，多个相邻的电池或隔室通常由选择性渗透膜隔开，该选择性渗透膜允许带正电荷的物质或带负电荷的物质通过，但通常不允许两者都通过。在这样的设备中，稀释隔室或耗尽隔室通常与浓缩(concentrating)隔室或浓液(concentration)隔室相互间隔。在一些实施例中，电池对可以指一对相邻的浓缩和稀释隔室。当水流过耗尽隔室时，离子和其他带电荷的物质在电场(例如DC场)的影响下通常可以被吸入浓缩隔室中。带正电荷的物质被吸向通常位于多个耗尽和浓液隔室的堆叠的一端处的阴极，而带负电荷的物质同样被吸向这种设备的通常位于该隔室的堆叠的相对端处的阳极。电极通常被容纳在电解质隔室中，该电解质隔室通常与和耗尽隔室和/或浓液隔室的流体连通部分地隔离。一旦在浓液隔室中，带电荷的物质通常被至少部分地限定浓液隔室的选择性渗透膜的屏障捕获。例如，阴离子通常被阳离子选择性膜阻止进一步朝向阴极迁移而离开浓液隔室。一旦在浓缩隔室中被捕获，则被捕获的带电荷的物质可以在浓缩液流中被去除。
在CEDI和ED设备中，DC场通常从施加到电极(阳极或正电极，以及阴极或负电极)的电压和电流的源施加到电池。电压和电流源(统称为“电源”)本身可以通过各种装置(诸如，AC功率源或例如从太阳能、风能或波浪能得到的功率源)来供电。在电极/液体界面处，发生电化学半电池反应，该电化学半电池反应引发和/或促进离子通过膜和隔室的转移。在电极/界面处发生的特定电化学反应可以通过容纳电极组件的专用隔室中的盐浓度在一定程度上得到控制。例如，向氯化钠高的阳极电解质隔室的进料将倾向于生成氯气和氢离子，而向阴极电解质隔室的这种进料将倾向于生成氢气和氢氧离子。通常，在阳极隔室处生成的氢离子将与自由阴离子(诸如氯离子)结合以保持电荷中性并产生盐酸溶液，以及类似地，在阴极隔室处生成的氢氧离子将与自由阳离子(诸如钠离子)结合以保持电荷中性并产生氢氧化钠溶液。电极隔室的反应产物(诸如生成的氯气和氢氧化钠)可以根据需要在过程中使用，用于消毒目的、用于膜清洁和除污目的、以及用于pH调节目的。
板框式和螺旋缠绕式设计已经被用于各种类型的电化学去离子设备，包括但不限于电渗析(ED)和电去离子(EDI)设备。可商购的ED设备典型地具有板框式设计，而EDI设备在板框式和螺旋构造方面都可获得。
在先前的专利中已经描述了“交叉流”电渗析(ED)设备，其中稀释液流和浓缩液流在垂直方向上流动。设备中的电池对的堆叠可以由一个或更多个模块化单元(称为子块)组装。图1A显示了子块的示例。图1B显示了在插入外壳之前四个子块的堆叠。如本文使用的术语“电池堆”是指单个子块或指多个子块的堆叠。图1C显示了具有透明壳体的组装ED设备。图1D显示了具有不透明壳体的组装ED设备。图1E显示了四个子块ED设备的计算流体动力学(CFD)模型。
如图2A所示，流体可以经由外部管道至适配器配件而被输送到ED设备的稀释隔室中。然后，如图2B所示，流体经由入口歧管并行分布在所有稀释隔室当中。类似地，来自所有稀释隔室的产物可以在出口歧管中被收集，并经由适配器配件被输送到外部管道。进出浓缩隔室的流动可以类似地布置。这种流动配置通常称为“单通路”。图2C示出了ED设备的单通路配置。
使用隔板，通过稀释和浓缩隔室的流动可以以蛇形方式布置。例如，图2D显示了对于稀释液流的“两通路”布置，并且通过添加隔板可以实现更多通路。设备中的多个通路增加了流动路径长度、停留时间、离子转移和离子去除，同时仍将速度保持在最佳过程范围内。
对于ED设备中的电池对的电流效率可定义如下：
其中：
qdi＝在入口处每稀释隔室的流动速率
qdo＝在出口处每稀释隔室的流动速率
Ci＝离子i的浓度
ηi＝电流效率
|zi|＝离子ⅰ的化合价的绝对值(例如，对于Na+为zi–1)
F＝法拉第常数＝96485库仑/当量
I＝电流
下标in＝在入口处，out＝在出口处
在理想的ED设备中，所有施加的电流都串联地流过每个电池对，离子交换膜具有完美的选择性，稀释液和浓缩液之间没有机械交叉泄漏，且没有外部泄漏。因此，由方程1定义的电流效率是100％。
在实际的ED设备中，电流效率不会是100％，因为膜不具有完美的选择性。例如，选择性为98％的阳离子交换膜将导致约98％的由阳离子携带的电流从稀释液转移到浓缩液，而2％的由阴离子携带的电流从浓缩液转移回稀释液中。因此，电流效率将降低约2％。从浓缩液到稀释液的机械交叉泄漏还会降低从稀释液离开的净离子转移速率，从而降低整体的电流效率。此外，因为通过入口和出口歧管流入和流出电池对的溶液是导电的，所以一部分电流将通过流过歧管而绕过电池对；它不会参与离子转移，因此电流效率会降低。图3显示了非理想的ED过程，其中电流旁路的位置由虚线椭圆指示。
电阻网络模型被开发来模拟电流旁路，并估计在ED设备中的不同操作条件下的电流效率。该模型简单地假设稀释或浓缩电池中的电流流动如图4所示，其中，箭头指示电流流动。图5中显示了电池对的网络模型。电压源VDP表示膜两端的唐南(Donnan)电势，该电势必须被包括在电池对两端的压降中。
可以使用图6中的方程2来计算在ED设备的通道(channel)内的电阻。电阻随着通道宽度的减小、在歧管和活性膜区域之间的距离的增大、液体电导率的减小和/或通道厚度的减小而增大。对应于电池对的歧管切片(slice)中的电阻同样可以使用图6中的方程3来计算。电阻随着歧管的横截面积的减小、液体电导率的减小和/或歧管切片的厚度的增加而增大。
当通道和/或歧管的电阻增大，绕过每个电池对的电流减小，并且总电流的更大部分将优先流过活性膜区域，从而在离子转移中变得有效。
模拟已经被执行，并且指示最高的电流效率是在通路中的单个子块的电流效率。电流效率在通路内变化，并且在末端处的电池对中最高，而在中间的电池对处最低。(参见图7)。平均电流效率随着在通路中的电池对数量的增加而降低。(参见图7和图8)。电流效率是施加的电流、稀释液和电流流动速率、稀释液和浓缩液入口浓度以及温度的函数。(参见图8)。电流效率随着平均浓缩液浓度与平均稀释液浓度的比率的增大而线性降低。(参见图9)。平均浓度各自是入口和出口浓度的数学平均值。
如图2A和图2B所示，针对前面描述的四个子块、单通路、交叉流ED设备开发了CFD模型。该模型随后将被称为基础设计。
图10A显示了基础设计的中心横截面。为了简化计算，每100电池对子块被分成10个部分；每个部分代表10个电池对。然后在这种几何形状上进行流动模拟。从图10B所示的曲线图中可以看出，在ZY平面中通过每个电池的流速的Z分量是不均匀的，导致每电池对的流动速率变化，如图10C所示，每电池对的流动速率在歧管的流体进口附近的顶部电池对处最低。
使用穿过堆叠的顶部、中间和底部的ZX截面平面进一步表征了Z-速度的分布(图11A-11C)，其中顶部截面的整体Z-速度大约是底部的一半。
如图7所示，在通路的顶端和底端处的电池对中，电流效率最高，因此流过膜的电流的比例最高。较高的电流密度会增加低流速区中电流限幅(limiting)和结垢(scaling)的风险。此外，通过通路的初始稀释池的较低流动速率将阻止这些池以其最高的电流效率操作以去除盐。因此，确保所有电池对都针对流量进行优化将是有利的。
如前所讨论，可以通过增加通道和歧管中的电阻来降低通过歧管绕过电池对的堆叠的外加电流的比例。已经提出了通过减小入口和出口歧管的横截面积来减少电流旁路的先前设计。尽管在提高电流效率方面很有效，但这些改变导致通过歧管和在ED设备两端的压降增加。
图7和图8显示了电流效率随着与一组公共歧管电连通的电池对的数量的增加而降低。
在流体歧管的理想设计中，流体阻力将被最小化，而对旁路电流的电阻将被最大化。这可以通过流体并行地但彼此电绝缘地(除了穿过电池对)操作子块来实现。
因此，技术挑战是减少单个子块内的电流旁路，减少通过子块之间的流体歧管的电流旁路，确保通路中有足够的流量流向第一电池对，改善通路中所有电池对之间的流量分配，以及使操作这种ED设备所需的压力最小化。本文公开的方面和实施例包括应对这些挑战的结构和方法。
本文公开的方面和实施例包括可以设置在ED设备的流体歧管内的导流特征，以最大化电流效率、标准化流量分配和最小化压降。
如本文中使用的术语，导流特征或流体导流器可以包括任何导管、通道、斜坡、管道、管子、挡板、叶片或其他实施例，或由任何导管、通道、斜坡、管道、管子、挡板、叶片或其他实施例组成。这些特征的轮廓可以是数学函数(例如：线性、多项式、三角、对数、圆锥曲线)或自由生成的。
流体歧管的设计可以由形成一个或更多个导管的上述特征组成，导管导向一个或更多个子块，并且其中每个导管内的流量可以通过使用额外的导流特征进一步细分。
这些特征的制造可以通过多种技术(包括但不限于：3D打印、CNC加工或注射成型)中的任何一种来完成。
流体导流器的示例可以包括：管状流体导管(图12A)、具有挡板1205的同心管状流体导管1215(图12B和图12C)、以及具有壁1220和斜坡1230的平行导管1225(图12D和图12E)。
如图12B所示，成对的挡板1205可以沿着流体导流器的长度限定不同的流体输送区域1210。在其他实施例中，例如，如图12B所示，多个挡板1205可以被包括在单个流体输送区域1210中。各个同心管状导管1215(在其他实施例中，其可以具有除圆形以外的横截面)可以将流体输送到不同的流体输送区域1210。在一些实施例中，最下面的流体输送区域1210L可以不包括流体导管1215。每个流体输送区域1210可以将流体输送到电池堆的单个子模块或子块(图13A和图13B中的SB1、SB2、SB3、SB4)。同心管状导管1215的尺寸(例如，直径)和相邻的同心管状导管1215之间的空间可以被选择成将预定量的流体输送到电池堆的不同子块或不同区域。在一些实施例中，同心管状导管1215的尺寸被选择成使得相同量或基本相同量的流体流量或流体流速被提供给电池堆的不同子块或不同区域。在其他实施例中，同心管状导管1215的尺寸被选择成使得相同量或基本相同量的流体流量或流体流速被提供给子组，例如电池堆的上部和下部区域中的子块或区域，而不同量的(例如，较少量的)流体流量或流体流速被提供给电池堆中的其他子块或区域，例如电池堆的中心区域中的子块或区域。
如图12D所示，流体导流器的实施例可以包括位于由壁1220限定的导管1225的下端处的斜坡1230。导管1225可以终止于斜坡1230处。斜坡1230可以由壁1220的限定导管1225的区域形成，该区域朝向电池堆弯曲，曲率轴在壁1220的电池堆侧(图12D)，或者曲率轴与壁1220的电池堆侧相对(图12E)。在一些实施例中，如图13B所示，斜坡1230可以是水平布置的板，其以大致90°的角度与壁1220相交。在其他实施例中，例如如图15A所示，壁1220可以通过沿着它们的整个长度或基本上整个长度弯曲来形成斜坡1230。同样如图15A所示，附加壁1220可以将由斜坡1230限定的流体输送区域1210分成两个或更多个部分。
导管1225的尺寸(例如，长度、宽度和/或横截面积)可以被选择成将预定量的流体输送到电池堆的不同子块或不同区域。在一些实施例中，导管1225的尺寸被选择成使得相同量或基本相同量的流体流量或流体流速被提供给电池堆的不同子块或不同区域。在其他实施例中，导管1225的尺寸被选择成使得相同量或基本相同量的流体流量或流体流速被提供给子组，例如电池堆的上部和下部区域中的子块或区域，而不同量的(例如，较少量的)流体流量或流体流速被提供给电池堆中的其他子块或区域，例如电池堆的中心区域中的子块或区域。
在图10A所示的基础设计中，入口歧管具有初始横截面积Ai和堆叠高度Hi(图13A)。在图13B所示的实施例中，流动歧管被分成具有横截面积A1、A2、A3和A4的四个导管1225。导管由内部挡板或壁1220形成，内部挡板或壁1220在底部处拐弯以形成斜坡1230，该斜坡1230可以接触子块SB1、SB2、SB3和SB4之间的界面。因此，每根导管1225仅与一个子块流体连通。图12C、图12D或图13B中任一个的导管1225或图12A和图12B中在不同的同心管1215之间或内部限定的导管可以彼此流体隔离。图12C、图12D或图13B中任一个的导管1225或图12A和图12B中在不同的同心管1215之间或内部限定的导管的横截面积的总和可以小于流动歧管的横截面积。
在其他实施例中，流体导流器的斜坡1230可以不完全延伸到电池堆，而是可以终止于距电池堆的一定距离例如在0.5mm和2mm之间、小于2mm(或约2mm)、小于1mm(或约1mm)、或小于0.5mm(或约0.5mm)处，并且在斜坡1230和电池堆之间形成具有这些尺寸的间隙。间隙可以有助于流体导流器从流动歧管中插入或移除。流体导流器因此可以在电池堆的不同部分之间限定通过流动歧管的流体流动路径，该流体流动路径具有比流动歧管的横截面积小的横截面积。
在图13B所示的配置(此后称为“优化设计”)中，电流经由歧管从一个子块到另一个子块的流动受到限制。在每个子块内，电流仍然可以穿过与该子块流体连通的歧管部分来绕过电池堆。为了计算电流效率，每个子块因此可以被建模为好像它是仅具有一个子块的ED设备。图14显示了对具有四个子块的设备的电流效率计算的结果；平均电流效率等于图7的单个子块的电流效率。
在各种实施例中，本文所公开的ED设备可以包括流体导流器和第二流体导流器中的一个或更多个，该流体导流器设置在入口歧管内并且具有被配置为改变被引入入口歧管中的流体的流动路径并将流体引导到耗尽隔室或浓液隔室之一中的表面，该第二流体导流器设置在出口歧管内并且具有被配置为改变经由耗尽隔室或浓缩隔室之一被引入出口歧管中的流体的流动路径的表面。
图15A显示了优化设计的一个非限制性实施例，其包括由线性轮廓挡板和椭圆形斜坡限定的流体导管。包括图15A所示挡板和斜坡的结构可以形成为插入件，该插入件可以可移除地插入到基础设计的歧管中。图15B显示了当被结合到CFD模型时的优化设计。图15C示出了对于基础设计和优化设计二者的ED设备的中心横截面的比较。在优化设计中，导管是电气隔离的并且是液压并行的。
图15A的优化设计可以扩展用于具有比图15B和图15C所示的四个子块大的ED模块。例如，图15D示出了对于八个子块插入件的单件式设计，而图15E示出了对于八个子块插入件的两件式设计。图15D和图15E以等轴视图、顶视图、底视图、后视图、侧视图和正视图示出了这些设计。在八个子块设计中，小导管1505保持在歧管的后部、沿着插入件的后部向下、在每个单独的斜坡1510处切断流动。与例如图12D、图12E和图15A所示的实施例的弯曲斜坡相反，图15D和图15E所示的实施例中的斜坡基本上是平面的。本文使用的术语“斜坡”包括弯曲的和平坦的或平面的斜坡。
图15F示出了对于基础设计和优化设计二者的八个子块ED设备的中心横截面的比较。
如上所讨论，在不同的操作流动速率下模拟流量的分布，然后使用CFD软件进行优化。然后对分量Z-速度、每平均电池对的流动速率和压降进行表征。
图16A和图16B示出了对于分别具有4m3/hr和10m3/hr的设备流动速率、对于图15A-15C的基础设计和优化设计，通过中心ZY平面以及通过顶部、中间和底部ZX平面的分量Z-速度。对于基础设计，在所有流动速率下，通过中心ZY平面的Z-速度如在顶部、中间和底部ZX平面中的Z-速度那样变化大致2-4倍。相比之下，对于优化设计中的所有流动速率，Z-速度在所有平面上都显现出恒定。
图16C示出了对于图15F所示的基础设计和优化设计，通过中心ZY平面的分量Z-速度的CFD模拟。通过优化设计的中心ZY平面的Z-速度大体上比基础设计的更均匀。图16D示出了对于图15F所示的基础设计和优化设计，过程效率相对于电流(流体流动速率)的关系。对于测量到的流体流动速率中的每一个，优化设计的过程效率比基础设计的过程效率高大约5％。
图17A是对于在4m3/hr的流动速率下的ED设备的基础设计和优化设计在不同高度(Y轴位置)处每电池对的流动速率的CFD模拟结果的图表，并且图17B是对于在10m3/hr的流动速率下的ED设备的基础设计和优化设计在不同高度(Y轴位置)处每电池对的流动速率的CFD模拟结果的图表。强化上述内容，对于优化设计，每平均电池的流动速率更接近均匀。
图18A和图18B显示了在中心横截面处的压力分布，以最大压力的百分比表示。在基础设计中(图18A)，子块的入口压力是均匀的，而出口压力变化使得从顶部子块到底部子块在子块两端的压降增加(也参见图19B)。在优化设计中(图18B)，子块的入口和出口压力变化，使得在子块两端的压降几乎是均匀的(也参见图19C)。
图19A显示了用于CFD模拟中的压力测量的位置，并定义了对于各个子块和整个设备的压差。图19B和图19C显示了对于不同的进料流动速率，在子块1到4两端的压降变化。正如预期每电池对的流动速率的分布更均匀那样，在优化设计中，压降更均匀。
在另一方面，提供了改善通路中电池对之间的流量分配的特征。在懿华水(EvoquaWater)技术公司制造的现有交叉流设备中，入口和出口歧管的横截面大致为三角形，如图4所示。适配器配件将管道中的进料流转移到入口歧管。这种设计将被称为初始设计。
图10B和图10C显示了来自对四个子块的堆叠中流量的CFD模拟的结果，每个子块具有100个电池对。流量在电池当中分布不均匀。三个水平面(一个靠近歧管的进口，一个在堆叠的中间，一个在堆叠的底部)上流速分布的比较表明通过前几个电池对的流量较低，具有相对大的低速区(参见图11A-11C)。
如图7更早示出的，在通路的两端的电池对处，电流效率最高(因此流过膜的电流的比例最高)。由此产生的较高的电流密度会增加低流速区中电流限幅和结垢的风险。通过通路中前几个稀释池的较低流动速率也将意味着没有充分利用较高电流效率在去除盐方面的潜力。
因此，技术挑战是减少通过入口和出口歧管的电流旁路，并且改善通路中电池对之间的流量分配，特别是确保有足够的流量流向前几个电池对。
本文公开的是用于ED设备中的入口和出口流动歧管的设计，以改善电流效率和流向电池对的流量分配。
如更早所讨论，电池对中的电流效率可以通过增加入口和出口通道和歧管中的电阻来提高。从如图20A所示的初始设计开始，对于歧管横截面积A1和从活性膜区域的边缘到歧管的边缘的距离L1，存在可提高电流效率的替代设计。例如，如图20B所示，较小的歧管将增加距离为L2>L1的通道中的电阻，并且还增加具有A2<A1的歧管中的电阻。如图20C所示的较小歧管将增加具有A3<A1的歧管中的电阻。在L3＝L1的情况下，通道中的电阻不会改变。具有“翼部”的等腰梯形横截面如图20D所示。图20D的歧管的横截面积小于图20B中的横截面积，而歧管距活性区域的平均距离大致相同。图6中的针对电阻的方程可能不适用于这种设计，即使假设平均距离为L4，因为旁路电流的流动模式可能更复杂。翼部可以将流动导向活性膜区域中的低速区。
图21显示了对于图20A-20C中的歧管设计的模拟过程效率。如预期的那样，随着歧管横截面的减小，过程效率提高，并且具有相同较小面积的两种设计具有相似的效率。过程效率与电流效率相关，并且由图21中的方程定义。
图22显示了初始设计中电池对之间的流量分配是不均匀的。电池堆的顶部附近的电池对比电池堆中较低位置处的电池对具有更低的进料流动速率。
在初始设计中，增加通过不同电池的流量的均匀性的一个潜在解决方案是将突出物结合到歧管中以影响通路中电池对的流量分配。突出物可以是楔形物、叶片、挡板、隆起(bump)或它们的组合。突出物还可以具有孔或槽，以允许流的一部分直接通过，从而减少下游的旋涡或涡流。
在图23A和图23B中示出了现有设计和在双通路ED设备的入口歧管中包括突出物的设计之间的比较，其中在图23B中呈现了包括突出物2305的设计。每个突出物2305的轮廓是从歧管的起始端延伸到末端的弧形。弧形可以是圆形或椭圆形的，也可以是自由生成的。如本文使用的术语，“流体导流器”包括诸如突出物2305的实施例。
对图23A和图23B所示的两个ED设备进行CFD分析，每个ED设备具有布置在两个流体通路中的四个子块。每个子块包含100个电池对，因此每通路的电池对总数为200个。第一设备具有如图23A所示的歧管横截面，第二设备具有插入到具有如图23B所示相同横截面的歧管中的圆形轮廓的突出物。
图24A显示了通过基础示例模块的压力分布。每通路的压力从顶部到底部逐渐增加，这与通过堆叠的相似速度曲线相对应。图24B展示了使用歧管中的突出物压力场被操纵得如何。弯曲插入件的这个示例显示了期望的抛物线压力场，其中在通路的顶部和底部处具有最高的压力，而在通路的中间具有最低的压力。这对应于图25所示的流量场。图26分别显示了在具有和不具有图23B所示突出物的ED设备中，每通路的进入活性区域的每电池对的流动速率的曲线。如果没有突出物，每电池的流动速率在通路中的第一个电池处最低，而在通过通路时增加。突出物改变了流量分配，使得每电池的流动速率在歧管的两端处最高，在歧管的两端处活性膜区域中的电流效率和电流密度预期是最高的(参见图7中200个电池对的曲线)。较高的流动速率将降低在末端处的电池中电流限幅和结垢的风险，并改善在通路中的整体盐去除。
对于具有均匀横截面积的歧管，更早描述的网络模型预测出旁路电流在通路的中途最高。减小横截面积将减小旁路电流并提高电流效率。图23B的ED设备中的突出物导致入口歧管横截面积在通过每个通路时变化、在歧管的中点处最小，这将限制旁路电流。
为了进一步减小旁路电流，可以在每个通路的出口歧管中结合额外的插入件。插入件的形状可以被优化以在出口歧管中占据最大体积，同时保持期望的流动剖面。与入口插入件相似，用在出口歧管的中点处产生小的横截面积的插入件来设置ED设备，将会大大减少电流旁路。入口歧管插入件或出口歧管插入件的几何形状可以包括楔形物、叶片、挡板、隆起或它们的组合。还可以结合孔或槽，以允许流的一部分直接通过，从而减少下游的旋涡/涡流或分散流。各种可能的歧管出口插入件设计如图27所示。
使用相同的先前CFD设置(setup)对初步出口歧管插入件设计进行了CFD分析：两阶段、两个子块/阶段模块。图28显示了具有入口和出口歧管插入件的模块的第一阶段。入口歧管插入件2805呈弧形，出口歧管插入件2810具有线性锥形，其最宽部分在模块的顶部处，最窄部分在模块的底部处。如本文使用的术语，“流体导流器”包括诸如入口歧管插入件2805和出口歧管插入件2810的实施例。入口插入件是在通路的中间具有顶点的平滑的连续曲线，将歧管缩小到5mm的通道。出口插入件具有直锥形，其将出口歧管限制为在顶部处具有4mm的通道，并在底部处提供敞开的通道。模拟的流动速率设置为12gpm。图29中绘制了质量流动速率曲线(每电池对)，并显示如果出口插入件的几何形状是平滑的且平缓的，则当设置出口插入件时流量剖面基本保持不变。
实验用两个交叉流式ED设备进行，每个ED设备具有两个通路，每通路有两个子块。第一设备具有如图20B所示的歧管横截面，第二设备具有如图23B所示的圆形轮廓的突出物，该突出物插入具有相同横截面的歧管中。
稀释液和浓缩液流动速率在40-41升/分钟的范围内，对应于隔室中～2.5cm/s的平均速度。稀释隔室和浓缩隔室从含有NaCl溶液的独立罐中进料。稀释进料罐中的起始浓度为556摩尔/m3，浓缩进料罐中的起始浓度为796摩尔/m3。施加的电流是10A。
来自稀释隔室的产物再循环回到稀释进料罐，来自浓缩隔室的废料再循环到浓缩进料罐。在实验期间，稀释罐中溶解盐的浓度降低，浓缩罐中溶解盐的浓度升高。
图30显示了过程效率相对于浓缩液中平均浓度与稀释液中平均浓度的比率的关系。随着脱盐的进展，这一平均浓度比率增加了。在带有插入件的设备中，效率大约高10％，这是流量分配改善和每个通路中间的歧管横截面积减小的结果。
进行了额外的测试，其中将出口插入件结合到电化学分离装置中以改善流量分配。放置在子块中的出口插入件具有倾斜或被篡改(tampered)的表面，使得在没有插入件时为90°的转弯被转换成引导水流转向而不会在转弯的拐角处产生湍流的倾斜。图31A和图31B示出了带有和不带有出口插入件的流体流动之间的比较。发现在ED设备的出口歧管中以插入件来引导水流有助于降低模块内的压降。然而，出口插入件对通过出口歧管的液体流动造成限制，类似于通过将物体放置在管道的流动路径中来阻塞水管路径中的流动。总的综合效果在于，与没有出口插入件相比，压降实际上略有降低，这是一个意想不到的结果。倾斜或锥形出口插入件的使用还提高了过程效率并降低了ED装置的能耗。该数据显示在图32A和图32B中。
另一方面包括流体适配器，用于将液流从具有一种几何横截面形状的外部管道转移到具有不同几何横截面形状的ED设备的入口歧管。流体适配器包括流体管路，该流体管路包括至少一个锥形部分，或者在一些实施例中，包括两个锥形部分。每个锥形部分都有用于发展流动的特征长度。在一些实施例中，两个锥形部分不重叠。
流入ED设备的稀释隔室中的液流可以经由外部管道输送到流体适配器，然后经由入口歧管并行分布在所有稀释隔室中，如图33所示。类似地，来自所有稀释隔室的产物可以在出口歧管中被收集，并通过流体适配器输送到外部管道。进出浓缩隔室的液流可以类似地布置。
从外部管道到入口歧管的高速度湍流的过渡带来了特别的困难，因为外部管道的横截面通常是圆形的，而入口歧管可以具有大致圆形、矩形、三角形或某个其他形状的横截面。图4以及图20A和图20B示出了大致三角形的入口歧管。因此，通常提供具有专门导流特征的流体适配器。
在图34A的等轴视图、图34B的部分透明视图、图34C的自顶向下视图和图34D的自底向上视图中示出了流体适配器的一个示例，该流体适配器提供了从圆形横截面到大致三角形横截面的过渡。这种设计的入口横截面为圆形(图34C)，而出口横截面大致为三角形(图34D)。在内部，流动直径在第一轴线(图34E，D1-D2)上经由陡峭的成角度的锥形在第一特征长度(图34E，L1)上减小。然后允许它在第二轴线(图34F，D3-D4)上，经由与第一锥形重叠的宽的成角度的锥形，在第二特征长度(图34F，L2)上扩展和发展。
图35A-35D示出了用于本文公开的ED设备的实施例的流体适配器的改进设计。这种设计的入口横截面也是圆形的，而出口也大致是三角形的。在这种设计中，在第一轴线(图35C，D1-D2)上流动也被减少，然而，第一特征长度(图35C，L1)更大，并且锥形比图34A-34F所示的先前设计中的更平缓且具椭圆形。流动再次被允许在第二轴线(图35D，D3-D4)上扩展和发展，并且流动发展的第二特征长度(图35D，L2)再次比先前设计中的更大。在这种设计中，锥形不重叠。
图36A和图36B分别显示了对于基础设计和优化设计的入口歧管内在入口端口处均匀萌芽的各个流线的速度大小的模拟结果。由于喷射效应，入口歧管速度在基础设计(左)中明显高于优化设计(右)。
图37A和图37B分别显示了对于包括基础设计和优化设计的ED设备的通过中心ZY平面以及通过顶部、中间和底部ZX平面的流体流动的Z-速度分量的模拟结果。比较Z-速度的分布，相比于优化设计，包括基础流体适配器的ED设备中有更大的变化。
本文公开的方面和实施例不限于电渗析装置。所有电化学分离设备都可以受益于改进的流量分配。电化学分离设备包括但不限于电渗析、电渗析反转、连续去离子、连续电去离子、电去离子、电透析和电容去离子。将受益于改进的流量分配的其他电化学设备包括液流电池、燃料电池、电氯化电池和苛性氯电池。
本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应被认为是限制性的。如本文使用的，术语“多个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“具有(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指包括在其后列出的项目和其等效物，以及另外的项目。相对于权利要求，仅过渡词组“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡词组。在权利要求中修饰权利要求要素的序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”及类似物的使用，本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个的任何优先、在先或顺序或其中方法的动作被执行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但用于使用序数术语)以区分权利要求要素。

Claims (23)

1.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；
其中，所述电池堆包括多个子块，并且所述多个斜坡将流体引导到所述多个子块中不同的相应子块中；
其中，所述流体导流器还包括彼此流体隔离的多个导管。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个导管中的每一个终止于所述多个斜坡中的相应一个处。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述多个导管的横截面积的总和小于所述入口歧管的横截面积。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第二流体导流器被配置成至少部分地阻断通过所述出口歧管的旁路电流。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括：
第二电池堆，其限定设置在所述电池堆和所述第二电极之间的交替的第二耗尽隔室和第二浓缩隔室；
第二入口歧管，所述第二入口歧管与所述出口歧管对准，并且被配置为将流体从所述出口歧管引入到所述第二耗尽隔室或所述第二浓缩隔室之一；
第三流体导流器，其设置在所述第二入口歧管内，所述第三流体导流器包括多个斜坡以改变被引入所述第二入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述第二耗尽隔室或所述第二浓缩隔室之一中；
第二出口歧管，其设置在所述第二电池堆的与所述第二入口歧管相对的侧上；以及
隔板，其将所述入口歧管与所述第二出口歧管流体分离。
6.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；
其中，所述电池堆包括多个子块，并且所述流体导流器包括多个挡板，所述多个挡板被布置成将进入所述多个子块中的每个子块的流体的流动与进入所述多个子块中的其他子块的流体的流动隔离。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述流体导流器还包括同心流体导管。
8.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；
其中，所述流体导流器包括从所述入口歧管的壁朝向所述电池堆向内延伸的弯曲突出物。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述流体导流器在所述入口歧管的端部处将所述入口歧管的横截面积减小第一量，并且在沿着所述入口歧管的长度的中点处将所述入口歧管的横截面积减小比所述第一量大的第二量。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述流体导流器被配置成降低通过所述电池堆的中心区域中的隔室的流体流速。
11.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；
其中，所述第二流体导流器具有沿着通过所述出口歧管的流动路径减小的横截面积。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述第二流体导流器被配置成降低通过所述设备的流体的压降。
13.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；以及
再循环管线，所述再循环管线被配置成将已经通过所述浓缩隔室的浓缩液引导回所述浓缩隔室中。
14.一种电化学分离设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；
其特征在于，所述电化学分离设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径；
其中，所述入口歧管被分成流体隔离的导管，所述流体隔离的导管被配置为将预定量的流体导向所述电池堆的不同部分。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述流体隔离的导管具有被选择成使得通过所述电池堆的中心区域中的隔室的流体流速小于通过所述电池堆的上部区域和下部区域中的隔室的流体流速的横截面积。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述流体隔离的导管具有被选择成使得通过所述电池堆的上部区域中的隔室的流体流速大体上等于通过所述电池堆的下部区域中的隔室的流体流速的横截面积。
17.一种提高电化学分离装置内电流效率的方法，所述电化学分离装置包括电池堆，所述电池堆限定设置在第一电极和第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室，通过所述耗尽隔室的流体流动路径垂直于通过所述浓缩隔室的流体流动路径，所述方法包括：
将流体导流器可移除地插入所述装置的入口歧管中，所述流体导流器包括多个斜坡以改变被引入到所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到多个耗尽隔室或多个浓缩隔室之一中，并且至少部分地阻断通过所述入口歧管的旁路电流。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括通过在所述入口歧管的入口上安装流体适配器来增加通过所述电池堆的流体流动的均匀性，所述流体适配器包括导管，所述导管具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有向内锥形，在该向内锥形中所述导管的宽度在第一轴线上减小，所述第二部分具有向外锥形，在该向外锥形中所述导管的宽度在第二轴线上增大，所述第一部分和所述第二部分不重叠。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括通过在所述装置的出口歧管中安装锥形流体导流器来降低通过所述装置的压降。
20.根据权利要求18所述的方法，还包括在所述装置的出口歧管中安装第二流体导流器，所述第二流体导流器具有弯曲表面，所述弯曲表面在沿着所述出口歧管的长度的中点处将通过所述出口歧管的流动路径变窄第一量，并且在所述出口歧管的端部附近将通过所述出口歧管的流动路径变窄比所述第一量小的第二量。
21.一种电化学膜设备，包括：
第一电极；
第二电极；
电池堆，其包括设置在所述第一电极和所述第二电极之间的交替的耗尽隔室和浓缩隔室；
离子选择性膜，其将所述耗尽隔室与所述浓缩隔室分开；
入口歧管，其被配置为将流体引入所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一；
出口歧管；其特征在于，所述电化学膜设备还包括：
流体导流器，其可移除地设置在所述入口歧管内，并包括多个斜坡以改变被引入所述入口歧管中的流体的流动路径并将所述流体引导到所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一中，以及
第二流体导流器，其可移除地设置在所述出口歧管内，并包括多个斜坡以改变经由所述耗尽隔室或所述浓缩隔室之一被引入所述出口歧管中的流体的流动路径。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述设备是用于使用电场净化流体的电渗析设备。
23.根据权利要求21所述的设备，其中，所述设备是用于从具有不同离子浓度的两种或更多种流体流中生成电能的反向电渗析设备。
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