CN1529678A - 再生薄膜净化装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用温差和/或浓度差使含水液体中的水蒸发和冷凝的装置，该装置包括：(a)一蒸汽室，它可以与一冷凝室接触，其中来自含水液体的至少一部分水蒸汽冷凝；以及设置在所述蒸汽室内部的(b)一蒸发室，它至少具有一带有外表面的壁并包括封闭、中空且可透水的薄膜，其中，所述蒸发室适于接收通过直接的太阳辐射产生的热量，该装置包括用于潜热再生的部件，其中在水蒸气冷凝期间释放出的潜热被用来加热该含水液体。
Description
本发明涉及一种用于利用温差和/或浓度差使含水液体中的水蒸发和冷凝的装置，该装置包括：
(a)一蒸汽室，它可以与一冷凝室接触，其中来自含水液体的至少一部分水蒸汽冷凝；以及设置在所述蒸汽室内部的
(b)一蒸发室，它具有至少一个带有外表面的壁，并包括一个封闭、中空且可透水的薄膜。
本发明尤其涉及用于使水能够从含有废物或含盐的含水液体中蒸发出来以及通过该含水液体和用于使水蒸汽冷凝的表面之间的温差和/或浓度差来使所得到的水蒸汽冷凝的装置和方法。
这里术语“蒸发”和“冷凝”描述的是来自液体界面的净蒸汽流量。“蒸发”指的是这样一种非均衡状态，即离开溶液的溶剂分子比进入溶液的溶剂分子更多。同样，术语“冷凝”指的是进入溶液的分子多于离开溶液的分子。
可以通过升高/降低溶液的温度和/或降低/升高蒸汽压力来加强与非均衡状态(纯蒸发或冷凝)的偏差。
对于蒸发而言，需要能量来增加分子的能量水平，以便从溶液中逸出。由于能量水平与分子间的距离增加(更低的密度)相关，而不是与温度增加相关，所以所提供的能量被称为“潜在的”而不是“显式”或“可感知的”。
在自然界，太阳辐照用于使水从海洋中蒸发出来(潜热含量增加)。当水蒸气冷凝时，潜热再次释放出来。在工业上，水净化工艺的效率为一重要因素。这里，效率被定义为与工艺输出和工艺能量输入之比相关的潜热通量。
提高净化工艺效率的一种公知方法是重新利用在溶剂蒸汽的冷凝期间所释放出的潜热，以便其它数量的溶剂蒸发。当在重新使用之前将潜热暂时存储起来时，该过程被称为“再生”，当在没有中间存储的情况下重新使用该潜热时，该过程被称为“余热利用”。在该专利申请中，这两个过程将都被称为“再生”。
非预先公开的国际申请专利PCT/EP01/00421披露了用于使水能够从含有杂质或含有盐的含水溶液(aqueous liquid)中蒸发出来并且利用在该含水液体和用于使水蒸气冷凝的表面之间的温差和/或浓度差使所得到的水蒸气冷凝的装置和方法。根据该申请，该装置包括：
(a)一蒸汽室，它可以与一冷凝室接触，其中来自含水液体的至少一部分水蒸汽冷凝；以及设置在所述蒸汽室内部的
(b)一蒸发室，它具有至少一个带有外表面的壁，并包括一封闭、中空且可透水的薄膜，该蒸汽室具有一外表面，它包括具有内外表面的基本上不透水的隔离裙部，从而在隔离裙部的内表面和蒸发室的外表面之间存在一间隙，并且其中蒸汽室具有一下表面，其有效宽度(w)至少为蒸发室的有效直径(d)的10％。
根据PCT/EP01/00421的发明的关键在于以下事实，即当该装置工作时，在含水液体和可以为一支撑材料的冷凝室之间存在温差和/或浓度差，并且位于蒸汽室下面的该支撑材料的表面的温度明显低于流动系统的上部并且尤其低于包含在蒸发室中的含水液体的温度。由于这种垂直温差和/或浓度差，所以在该装置的下部以及主要在冷凝室中(例如在支撑材料的表面上)出现了冷凝。这样，通过采用薄膜将水蒸馏，该工艺通常被称为薄膜蒸馏。因此，令人惊讶的是，已经发现，可以实现高效冷凝，而不需要任何外部冷却装置。要强调的是，该发明中的术语“下表面”指的是不指向热源的表面。术语“上表面”指的是指向热源的表面。
虽然PCT/EP01/00421的装置是有效且高效的，但是该装置没有有效利用由水蒸气冷凝而产生出的能量。因此，本发明的目的在于进一步改进PCT/EP01/00421的装置。而且，本发明的一个目的在于提供一种适用于直接太阳能加热的方法和装置。
该目的通过使蒸发室适于接收来自太阳直接辐射的热量来实现，该装置包括用于使潜热再生的部件，其中在水蒸气冷凝期间释放出的潜热用来加热该含水液体。
适用于本发明的薄膜为可透水的并且优选为耐盐的。盐分只要溶解在水中就可以输送穿过薄膜。另外，要指出的是，薄膜的外表面与一蒸发室接触。该腔室填充有运载气体例如空气，或者为真空。当薄膜为耐盐薄膜时，这意味着该薄膜聚合物在温暖的含盐水溶液下不会降解。更优选的是，该薄膜为均一的非多孔亲水薄膜。该薄膜优选由在WO00/28807中所述的材料制成。
冷凝室可以为器皿、容器、盆等。优选的是，该蒸汽室包括用于获得对流以提高蒸发室的蒸发作用和/或水蒸气从蒸汽室输送到冷凝室的部件，例如通风机、风扇等。要指出的是，WO00/72947披露了利用薄膜蒸馏来净化液体的方法和装置，尤其是用于从海水或微咸水中生产淡水的方法和装置。在根据该专利申请的方法中，相对温暖的水流在多孔薄膜上经过。蒸汽将通过薄膜孔流到所述薄膜的另一侧。之后，所述蒸汽将在相对较冷的冷凝器表面上冷凝从而形成蒸馏水流，其中所述冷凝器表面在所要净化的输入流和所述蒸馏水流之间形成非多孔隔离。这种公知方法的目的在于确保可知比例的潜热将被传送给输入流。根据WO00/72947，用于实施该方法的装置由多个彼此连接的部分构成，每个部分由多层用于输入流的基本上平行的非多孔纤维薄膜层和多层用于保留物流的基本上平行的多孔纤维薄膜层构成，其中这些多孔纤维薄膜的一层或每一层布置在两个相邻非多孔薄膜层之间。这种布置是为了确保传递潜热。由于多孔和非多孔薄膜层是顺序布置的，从而形成一薄膜叠层，所以WO00/72947的装置不适于通过太阳直接加热。太阳热能不仅会提高多孔薄膜的温度，而且还会提高非多孔薄膜的温度，从而降低在这两种薄膜之间的温差，而该温差是该工艺所必需的。因此，该装置采用一外部加热装置在使流体返回至多孔薄膜之前加热薄膜叠层外面的流体。
名称为“采用用于内热回收的内部多重管式热交换器的多效太阳能蒸馏器的性能和分析”的文章(ISES Solar World Congress 1999，Vol.III，Mink e.a.)披露了一种太阳能蒸馏器，它适用于通过太阳直接加热，其中利用了潜热再生来改进该装置的效率。根据Mink的文章，通过非多孔输送管道将所要净化的流体注入在该系统中。通过太阳热能在一黑色的弯曲输送管道中对该流体进行预热。然后，该液体在太阳热能的作用下从输送管道中排出，并流到一黑色织物芯上。该液体然后在太阳能热量的作用下将从该织物芯上蒸发。如此形成的水蒸气的至少一部分将在设在弯曲输送管道下面的冷凝表面上冷凝。潜热将在冷凝期间释放出来并且将预热位于输送管道内的液体。这样，实现了某种程度上的潜热再生。
根据Mink的系统的一个缺点在于，液体的净化不是通过薄膜来实现的，而只是通过织物芯进行蒸发和冷凝。
根据本发明，该装置可以包括用于将含水液体朝着蒸发室输送的输送管道，其中该输送管道的至少端部延伸穿过冷凝室，该输送管道的部分外部提供了冷凝表面。
在一优选实施例中，可以设置加热部件来为输送管道提供热量，该加热部件设置在冷凝表面的下游，其中所述蒸发室设置在蒸汽室的第一部分中，并且其中输送管道的冷凝表面设置在蒸汽室的第二部分中。由此，蒸汽室的第一部分可以用来接收由直接的太阳能加热产生的热量。
优选的是，该装置由一气密外罩包围住，该外罩由半透明材料(translucent material)制成。
根据本发明，可以通过一分隔壁将蒸汽室的第一和第二部分隔开。由此该分隔壁可以形成一聚光镜，用来将太阳热能聚集到蒸发室上。
在一优选实施例中，从蒸汽室中将不可冷凝的气体除去。由此，可改善流体在该装置中的输送。
根据本发明，该装置可以包括通风装置，例如风扇，以便迫使蒸汽室中的蒸汽朝着冷凝室流动。
本发明的一优选实施例的特征在于，它包括至少第一和第二蒸发室，其中第二蒸发室的外部的第一部分提供了一冷凝表面，以便使由第一蒸发室蒸发的蒸汽冷凝。
在根据本发明的装置中，薄膜材料优选为光谱选择性的。这可以通过在薄膜材料上涂覆特定的涂层来实现。该涂层同时可以用作薄膜的加强部分。或者，在薄膜材料的生产期间可以将染料加入到其中。
该装置可以包括一层结构，每层包括一液体通道和一蒸汽通道，液体通道在其第一侧面处与一不透水箔邻接而在其另一个侧面处与一可透水薄膜邻接，蒸汽通道在其第一侧面上与所述可透水薄膜邻接并且在另一个侧面处与相邻层的不透水箔邻接。
另外，蒸发室还可以由第一中空部件(例如圆筒)和设置在第一部件内的第二中空部件(例如第二圆筒)形成，其中所述第一部件的内部和第二部件的外部形成用于容纳含水液体的空间，并且其中所述第一部件的外部的一第一元件和所述第二部件的内部提供了一蒸发室，所述第一部件的外部的第二元件和所述第二部件的内部提供了一冷凝室。
本发明还涉及利用温差和/或浓度差来使来自含水液体的水冷凝的方法。
下面将参照附图对本发明进行详细说明，其中：
图1显示出连续再生潜热的基本原理；
图2显示出逐步再生潜热的基本原理；
图3显示出利用连续(逐渐)再生的基本原理的本发明的装置；
图4涉及本发明的优选实施例，显示出采用了薄膜、太阳能吸收器和强制输送水对流装置的连续再生太阳能蒸馏器；
图5显示出具有内部热交换器和强制输送水对流装置的连续再生装置；
图6显示出基于辐射热源或内部热交换器和强制蒸汽循环和/或蒸汽压缩的连续再生装置；
图7显示出与太阳能收集器相连的逐步再生装置；
图8显示出利用了逐步再生基本原理的装置；
图9显示出采用了平坦层叠薄膜和外部热源的逐步再生装置；
图10显示出用于逐步再生系统的螺旋结构；
图11A和11B显示出两个实施例，其中该装置包括第一中空元件和设置在第一中空元件中的第二中空元件；以及
图12a和12b为一种多级系统的两个可能实施例，其中根据本发明的第一装置与另一个装置相连。
图1显示出连续再生潜热的基本原理。图2显示出逐步再生潜热的基本原理。图3的装置采用根据图1的再生原理。该装置类似于半渗透薄膜1(可选地由织物层加强)，它吸收太阳能辐射并且从包含杂质的溶液中将溶剂蒸发出来。外罩3可以形成为管状或袋箱形式。
包含在一外壳中的溶剂蒸汽在自然对流的作用下(或者通过风扇或压缩机(未示出)推动)向上流动。可以呈管状、袋状或者箱形的外壳3至少在前侧是透明的，以可传送太阳辐射。在外罩的顶部处，将蒸汽流转移至后侧(参见箭头5)，在此蒸汽在冷凝器2(它也可以呈管状或袋状形状)的作用下冷凝。当蒸汽冷却时，它下降至该装置的下部，在此它再次被转移至前部，由此完成了蒸汽循环回路。以逆流的方式将受污染的溶液输送给冷凝器的底部。在冷凝器2中，通过冷凝蒸汽来预热该溶液。在冷凝器的顶部处，通过管道4将溶液转移至装置的前侧，在此它进入薄膜吸收器1。在该位置处，溶剂开始蒸发，由此使薄膜外罩内的溶液冷却。在薄膜外罩的底部出口处，集中或浓缩的溶液可以通过管道6和阀门7重新转移至冷凝器，或者排出。可选地，可以通过热交换器8将浓缩溶液的显热量传递给输入溶液。通过相对输入流使蒸汽冷凝并将浓缩溶液的热量传递给输入流，该装置利用了潜热的复原或回收。
作为一例子，根据图4的装置为在图3中所示的连续再生装置的一管状变型。为了提高日光辐射热通量，蒸发部分的背面可以设有聚光镜16，其将太阳热能聚集到薄膜吸收器外罩1上。另外，从外罩壳体中可将外罩空气部分除去，以提高蒸汽输送能力。
薄膜1下面的壁部件16的存在将装置3的内部空间分成包含管状薄膜1的第一区域和位于元件1下面的第二区域。在使用中，第一区域受到直接太阳能加热。因此，该第一区域将相对温暖。通过壁元件16来保护第二区域免受直接的太阳能加热。因此在使用中，第二区域将完全或部分被遮住。由于将空间分成所述第一和第二区域，所以在所述区域之间将形成温差。该温差对于使水蒸气能够在第二区域内冷凝是必要的。冷凝优选出现在输送管道2的圆周处，该输送管道延伸穿过第二区域。这样，潜热得到了有效利用，以便将向着薄膜1输送的液体预热。
应该注意的是，根据图3和4的薄膜可以为如在WO00/72947中所建议的微孔薄膜或者如在WO00/28807中所披露的连续薄膜。
或者，可以通过一杜瓦型(真空)绝缘件来使壳体与周围环境隔绝。
图5的装置基于如图3中示出的逆流蒸汽和溶液输入流来工作。但是，在该实施例中，薄膜外罩1没有用作一太阳能吸收器。该整个壳体都可以是不透明的。通过位于壳体内部或外部的单独热交换器将热量提供给溶液流。热供给可以来自任意热源(日光、废热、矿物燃料)。
图6的装置也基于图3(太阳热能供给)或图6(内部热交换器)中所示出的逆流蒸汽和溶液输入流来工作。但是在该实施例中，通过风扇或压缩机来推进蒸汽流。相对于蒸发/冷凝循环，该液流不需要被推动。但是，当系统内容物需要频繁更新以避免杂质结晶、结垢或者沉淀，该液流也可以通过该系统循环，由此如前所述将热量从排出的流体中传递给输入流。由于在该实施例中蒸汽流被推动，所以如图中所示，蒸汽可以直接冷凝到蒸发器外罩的背面。
在使用风扇的情况下，只是试图推动蒸汽再循环，而不会影响蒸发器和冷凝温度。压缩机可以用来在冷凝温度上实现相当大的向下偏移。利用压缩机和限制孔或阀门，该壳体外罩被分隔成高压(冷凝器管)和低压(蒸发器)部分。由于在蒸发器处压力降低而在冷凝器部分处压力增加，所以蒸发/冷凝过程在相当低的温度下进行，由此通过壳体的透明部分降低了蒸发器的热损耗。
在图7的实施例中，将外部热源、逐步再生薄膜蒸发器/冷凝器装置直接连接在一太阳能收集器上。蒸发器/冷凝器单元可以沿着侧面、顶部、底部或者在太阳能收集器的后面设置。太阳能收集器可以采取任何类型。
根据图8的装置利用了图2的再生原理。它包括薄膜、运载气体/蒸汽间隙、液体和不透蒸汽箔或片和液体层的重复结构。在薄膜表面处产生出的蒸汽通过对流或扩散输送至不渗透薄膜或片，在此进行冷凝，由此释放出其潜热。冷凝热累积在相邻的下一个低温液体层中，并且被重新用于进行蒸发。薄膜可以为多孔或非多孔型，并且通过层压到基底上或者在该薄膜的一个或两个侧面处由加强层支撑来进行机械稳固。液体和气体/蒸汽间隙可以由间隔材料保持。
顶部的不透层由太阳能收集器吸收器板代替。该系统的顶部设有透明盖板，以提供气隙并且由此使太阳能吸收器与周围环境隔绝。在盒子的背面，设有不透液体箔、片或板，以能够实现最低温度逐步冷凝。该系统的内压作用在前吸收器板和背面冷凝器板上。通过壳体来均衡该压力，从而通过条带或拉杆等将前后板牢牢连接在一起。通过包含在壳体中的进出口来控制进料、盐水和产品的供应和排放流量，这将在后面详细说明。冷凝器废热可以用于室内热水加热。
根据该实施例的装置采用了根据图2和图4的再生原理，它包括薄膜、空气/蒸汽间隙、不透液体薄膜或片和液体层的重复结构。但是，在该实施例中，该装置没有与一太阳能收集器结合为一整体。相反，通过一外部热源来加热外部液体层，以为蒸发提供能量。
根据该实施例的装置利用根据图10的再生原理。但是，在该实施例中，薄膜-不透水片夹层螺旋缠绕，以在液体间隙的背面提供冷凝。将溶液输入流送进内部或外部绕组。在向外或向内盘旋期间，液体的温度随着溶液通过薄膜蒸发而降低。
图11显示出一实施例，其中蒸发室由第一中空部件(例如圆筒)和设置在第一部件内的第二中空部件(例如第二圆筒)形成。第一部件的内部和第二部件的外部形成用于容纳含水液体的空间。根据图11a，第一部件的外部提供一蒸发室。第二部件的内部提供一冷凝室。这意味着，较大圆筒的外部形成蒸发表面，而较小圆筒的内部形成冷凝表面。
根据图11b，第二部件的内部提供一蒸发室。第一部件的外部提供一冷凝室。这意味着，较小圆筒的内部形成一蒸发表面，而较大圆筒的外部形成一冷凝表面。
在图12a和12b的两个可能实施例中显示出一多级系统，其中根据本发明的第一装置与另一个装置相连。每个装置将具有特定的蒸汽压力。
根据图12a，第一装置的输送管道与第二装置的输送管道相连。在图12b中显示出一实施例，其中第一装置的排放管道与第二装置的输送管道相连。在图12b中，显示出一热交换器8。可以选择将热交换器拆除。在该情况下，“预热”溶液将被转送给第二装置的输送管道。
Claims (16)
1.一种用于利用温差和/或浓度差使含水液体中的水蒸发和冷凝的装置，该装置包括：
(a)一蒸汽室，它可以与一冷凝室接触，其中来自含水液体的至少一部分水蒸汽冷凝；以及设置在所述蒸汽室内部的
(b)一蒸发室，它具有至少一个带有外表面的壁，并包括一封闭、中空且可透水的薄膜，其特征在于，所述蒸发室适于接收直接的太阳辐射所产生的热量，该装置包括用于潜热再生的部件，其中在水蒸气冷凝期间释放出的潜热被用来加热该含水液体。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括用于将含水液体向着蒸发室输送的输送管道，其中至少所述输送管道的端部延伸穿过冷凝室，该输送管道的部分外部形成一冷凝表面。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，设有加热部件，用来向输送管道提供热量，该加热部件设置在所述冷凝表面的下游。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述蒸发室设置在所述蒸汽室的第一部分中，并且其中所述输送管道的冷凝表面设置在所述蒸汽室的第二部分中。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述蒸汽室的第一部分适于接收由直接的太阳能加热产生的热量。
6.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置由一气密外罩封闭，该外罩由半透明材料制成。
7.如权利要求4或5所述的装置，其特征在于，通过一分隔壁将蒸汽室的第一和第二部分隔开。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述分隔壁形成一聚光镜，其适于将太阳能热量聚集到蒸发室中。
9.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该装置包括通风装置例如风扇，以迫使蒸汽室中的蒸汽向着冷凝室流动。
10.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，从所述蒸汽室中将不可冷凝的气体除去。
11.如前述权利要求中任一项所述的装置，包括至少第一和第二蒸发室，其中所述第二蒸发室的外部的一第一部分提供一冷凝表面，以便使由第一蒸发室蒸发的蒸汽冷凝。
12.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述薄膜材料为光谱选择性的。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，该装置包括一层结构，每个层包括一液体通道和一蒸汽通道，该液体通道在一第一侧面处与一不透水箔邻接而在另一个侧面处与一可透水薄膜邻接，该蒸汽通道在一第一侧面处与所述可透水薄膜邻接并在另一个侧面处与相邻层的不透水箔邻接。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蒸发室可以由第一中空部件例如圆筒和设置在第一部件内的第二中空部件例如第二圆筒构成，其中所述第一部件的内部和第二部件的外部形成用于容纳含水液体的空间，并且其中所述第一部件的外部的一第一元件和所述第二部件的内部提供一蒸发室，所述第一部件的外部的第二元件和所述第二部件的内部提供一冷凝室。
15.一种由如前述权利要求中任一项所述的第一和第二装置构成的组件，其中这些装置连接在一起，以便形成一多级系统。
16.一种利用温差和/或浓度差使来自含水液体的水冷凝的方法。
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