CN1600694A

CN1600694A - 节能喷雾负压蒸馏式海水淡化方法及设备

Info

Publication number: CN1600694A
Application number: CNA031326250A
Authority: CN
Inventors: 田凤山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-22
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2005-03-30

Abstract

本发明涉及一种节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的方法和设备。以节能降低吨水处理成本为目标，营造负压环境、先雾化再蒸发的方式工作的。是以蒸发罐为核心，采用蒸发罐1、冷凝罐2、液位罐3、太阳能加热器4、集水罐5、压力泵6、真空泵7、原水池8、浓盐水池9、淡水池10、加热装置12、喷嘴14、气水分离器22、传热器23、自动控制系统88等组成设备。利用液位罐9M－7M高程水位的变化，使蒸发罐、冷凝罐、集水罐的内部形成负压范围，以降低海水的沸点；利用太阳能加热器给海水加热到50－80℃以节能；利用加热装置补充热能，使雾化后的水温达到沸点；利用喷嘴将海水雾化，使其容易汽化蒸发；利用传热器实现水蒸气的快速冷凝。其工作过程是在自动系统的控制下进行的。它的开发应用将为人类解决淡水资源找到了新的途径。

Description

节能喷雾负压蒸馏式海水淡化方法及设备

技术领域

本发明涉及一种节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的方法和设备，可广泛用于海水淡化及对水纯度要求高的领域。

技术背景

水是万物生存的源泉，也是人类的生命线。地球虽然号称是水球，地球表面有71％的面积被水覆盖，但是其中97.5％的水是海水咸水，2％的水被冰川、冰帽所覆盖，剩下的部分则储藏在地下深处人们难以取用，人类可以使用的淡水仅有0.26％左右。近30年来，由于工业、农业的飞速发展，造成了生存环境的严重破坏和水资源的污染、浪费，加之人口的增加，使得水资源日益匮乏。目前全球有100多个国家缺水，我国也是缺水严重的国家，全国617个城市中有300个城市缺水、50多个城市严重缺水、有180个城市平均年缺水1200万m³，所以如何开发淡水资源越来越成为人类亟待解决的问题。利用海水淡化解决淡水资源历来是科技人员研究的重要课题。目前可进行海水淡化的途径有两种，其一是蒸馏法，但是成本太高；其二是用反渗透膜技术，由于存在着膜污染的问题，使吨水处理费用一直降低不下来。为此两种方法一直不能得到推广，寻找新的途径，降低海水淡化的吨水处理成本，是解决这一问题的关键所在。

为了便于理解和叙述先引出附图。

附图说明：

图1是节能喷雾负压蒸馏式海水淡化设备系统组成图；

图2是节能喷雾负压蒸馏式海水淡化设备结构及工作原理图；

图3是蒸发罐结构图；

图4是冷凝罐结构图；

图5是传热器结构图；

图6是气水分离器结构图。

发明内容

本发明的目的在于：采用节能喷雾负压蒸馏式海水淡化方法及设备，实现海水淡化资源的开发，降低吨水处理成本达到推广使用的程度。

本发明的技术方案在于：节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的设备是由蒸发罐1、冷凝罐2、液位罐3、太阳能加热器4、集水罐5、压力泵6、真空泵7、原水池8、浓盐水池9、淡水池10、压力传感器11、加热装置12、电磁阀13、喷咀14、上液位传感器15、盐浓度传感器16、下液位传感器17、电磁阀18、流量计21、气水分离器22、传热器23、蒸汽截止阀24、单向阀25、上液位传感器31、下液位传感器32、电磁阀33、单向阀34、电磁阀35、电磁阀36、温度传感器41、电磁阀42、上液位传感器51、下液位传感器52、电磁阀53、蓄压罐61、压力表62、单向阀63、电磁阀71、单向阀72、压力表73、自动控制系统88等组成设备。节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的方法其特征是：利用液位罐9米-7米高程水位的变化，使蒸发罐、冷凝罐、集水罐的内部形成较稳定的负压状态范围，以降低海水的沸点；利用太阳能加热器对海水进行加热，使水温加热到50℃-80℃以节能；利用加热装置补充热能，使雾化后的水温达到沸点；利用喷咀将海水雾化，使其容易汽化蒸发；利用传热器的导热特性，使水蒸汽快速冷凝。全部工作过程是在自动控制系统的控制下工作的。

蒸发罐：用不锈钢制成，由壳体101、锥形板102、环形进水管103、隔板104、孔板105、压力传感器11、加热装置12，喷咀14，上液位传感器15、盐浓度传感器16、下液位传感器17等组成，其内部分三个区：加热区a、蒸汽区b、浓盐水区c。加热区是用来补充热能，并设有加热装置、喷咀、环形进水管等；蒸汽区是用来储存蒸汽；浓盐水区是用来将分离出来的盐晶体颗粒重新溶于水中，便于盐的排放。

冷凝罐：用不锈钢制成，由壳体201、隔板202、传热器23等组成，其内部分两个区：冷却区d和冷凝区e。冷却区是用来释放冷凝过程中的蒸汽热能；冷凝区是用来吸收蒸汽热能，将蒸汽冷凝成水。在冷凝区和冷却区之间由隔板隔开，其上面安装有若干个传热器。

传热器：用不锈钢管制成，是由壳体231、散热片232、工作介质233等组成。在真空状态下其内部封存氟里昂或氨水等沸点低的工作介质。用来快速吸收蒸汽热能和快速放掉蒸汽热能。

加热装置：是以微波的形式进行加热，使热能转换效率达到最高，能耗降至最低。

液位罐：是由不锈钢制成，罐顶上液位传感器距原水池液面的高度为9米，下液位传感器距原水池液面的高度为7米，利用液位罐9米-7米高程水位的变化，使蒸发罐、冷凝罐、集水罐的内部形成较稳定的负压状态范围0.101325×10⁵pa-0.303975×10⁵pa。

气水分离器：用不锈钢制成，是由壳体221、传热器222、聚四氟乙烯非亲水膜223、限流器224等组成，用来分离水蒸汽和空气。

蓄压罐：是由不锈钢制成，其内部有活塞，并将罐分成两个区：储气区f和储水区g，储气区充有一定压力的空气；储水区存有一定压力的海水，以保证海水雾化过程压力和流量的平稳。

集水罐：是由不锈钢制成，用来储存冷凝水即淡水。

太阳能加热器：是由若干根太阳能吸热管构成，将太阳的光能转换为热能给海水加热，使其温度达到50--80℃，实现节能的目的。

喷咀：是将有压力的海水变成雾化状态。

自动控制系统：是以单片机为核心，用来储存各种工作状态的程序，实现实时监测和程序控制。

本发明的工作原理与特点

初始状态：原水池8和浓盐池9注满海水、淡水池10盛满淡水；电磁阀13为常闭、电磁阀18为常闭、蒸汽截止阀24常开、电磁阀33为常开、电磁阀35常闭、电磁阀36常闭、电磁阀42常闭、电磁阀53常闭、电磁阀71常闭；蒸发罐1的底部、冷凝罐2的冷却区、液位罐3、集水罐5、太阳能加热器4等均为无水状态。

注水过程：打开电磁阀42，起动压力泵6工作，原水池8的水被压入蓄压罐61、冷凝罐2的冷却区及太阳能加热器4的内部，并从喷咀14喷出存于蒸发罐1的底部。当蒸发罐1的底部水位升至上液位传感器15时，液位传感器15发出信号，控制关闭电磁阀42，并停止压力泵6工作，此时冷凝罐2的冷却区、太阳能加热器4的内部均充满水，注水过程结束。

负压形成：打开电磁阀71、起动真空泵7工作，蒸发罐1、冷凝罐2的冷凝区、液位罐3和集水罐5内部的空气被吸出，压力随之下降，原水池8的水在大气压的作用下压入液位罐中，液位罐的水位不断上升，当水位升到9米，即：上部液位传感器31时。上部液位传感器31发出信号，控制关闭电磁阀71、停止真空泵7工作，此时蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、液位罐和集水罐的内部压力由1.01325×10⁵pa降低到0.101325×10⁵pa。全系统形成负压状态。

工作情形：当太阳能加热器4内部的水温达到50℃以上时，温度传感器41发出信号，控制打开电磁阀42，同时起动压力泵6和加热装置12工作，经过太阳能加热器的水从喷咀14喷出，形成雾化状态，并由加热装置进行补充加热，被雾化的水很快达到沸点而迅速蒸发上升，充满蒸发罐1和冷凝罐2下部的冷凝区。水中的盐分形成晶体颗粒而下落，沿锥形板102滑入蒸发罐的底部并与水重新溶解。冷凝罐冷凝区的蒸汽与传热器23接触后，其热量迅速传递到冷凝罐的冷却区，放热后的蒸汽凝结成水，沿传热器的表面而下落到冷凝罐的底部，最后经过单向阀25流入集水罐5中。当集水罐的水位升到上部液位传感器51时，液位传感器51发出信号，控制关闭蒸汽截止阀24，中断了蒸汽向冷凝罐2的流入，由于蒸发罐内的蒸汽不断增加，压力也不断增加，集水罐内部的压力随之增加。当压力增加到超过大气压力时，压力传感器11发出信号，控制打开电磁阀53，集水罐中的水排入淡水池10中，当水位降到下液位传感器52时，液位传感器52发出信号，控制关闭电磁阀53、打开蒸汽截止阀24，排放淡水过程结束。当蒸发罐1的底部盐水浓度增加到一定值时，盐浓度传感器16发出信号，控制关闭蒸汽截止阀24，中断了蒸汽向冷凝罐的流入，蒸发罐内部的蒸汽不断增加，压力也随之增加，当增加到超过大气压力时，压力传感器11发出信号，控制打开电磁阀18，蒸发罐底部的浓盐水，排入浓盐水池9中，当水位降到下液位传感器17时，液位传感器17发出信号，控制关闭电磁阀18、打开蒸汽截止阀24，蒸发罐内的压力迅速降低，与此同时打开电磁阀13，由于蒸发罐内部为负压状态，原水池8中的水在大气压的作用下，经环形进水管103进入蒸发罐的底部，当水位升到上液位传感器15时，液位传感器15发出信号，控制关闭电磁阀13停止加水，浓盐水的排放过程结束。随着蒸发过程时间的增长，海水中所吸收的空气不断的释放到蒸发罐1和冷凝罐2的冷凝区内，系统内的压力逐渐升高，液位罐3内部的水位逐渐下降，蒸发罐和冷凝罐中的部分空气被吸到液位罐内，由于液位罐具有一定的容积，系统的压力上升的非常缓慢，延长了系统维持负压范围的时间，当液位罐的水位降至下液位传感器32时，即：水位降至7米，蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、液位罐和集水罐的内部压力从0.101325×10⁵pa上升到0.303975×10⁵pa，液位传感器32发出信号，控制关闭电磁阀33、打开电磁阀36，向液位罐内注水，与此同时打开电磁阀71，起动真空泵7工作。蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、液位罐和集水罐的内部的空气被吸出，液位罐的水位不断上升，当水位升到上部液位传感器31时。上部液位传感器31发出信号，控制关闭电磁阀36停止注水，关闭电磁阀71和停止真空泵7工作结束抽真空，此时系统内部的压力又恢复到0.101325×10⁵pa的负压工作状态。

本发明的主要性能：

1.节能喷雾负压蒸馏式海水淡化设备的自动控制以单片机为核心，各种工作状态以编程实现；

2.节能喷雾负压蒸馏式海水淡化设备的负压范围0.101325×10⁵pa-0.303975×10⁵pa；

3.太阳能加热器的出水水温50℃-80℃；

4.加热装置是以微波的形式进行加热，并根据蒸发罐内的负压状态补充所需要的热能；

5.液位罐的最高液面距原水池液面的高度为9米，最低液面距原水池液面的高度为7米；

6.海水转化为淡水的比为：10∶9。

本发明的优点在于：

1.利用液位罐的容积和水面的高度变化使蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、集水罐的内部形成0.101325×10⁵pa--0.303975×10⁵pa的负压范围，即可保证压力变化平稳，又可延长压力变化的时间，减少了抽真空的次数，降低电能损耗。

2.蒸发罐内形成负压状态，使海水的沸点降低，有利于海水的汽化蒸发，充分利用太阳能资源以降低吨水转化成本。

3.利用加热装置对雾化后的水进行补充热能，可由自动控制系统根据雾化后的水温及蒸发罐内的压力，实现实时补充所需要的热量。

4.利用喷咀将海水雾化，形成细小的水“颗粒”，即容易补充热能又有利于汽化蒸发。

5.以传热器作为蒸汽的冷凝元件，其传热效率高冷凝速度快。

6.结晶的盐颗粒的排出，是以先结晶再溶解方法排放的，有利于蒸发罐负压状态的保持和稳定。

7.利用气水分离器的特殊结构和使用聚四氟乙烯非亲水膜，实现蒸汽与空气的分离。以保证蒸发和冷凝过程的顺利实施。

8.运用程序控制实现各种工作状态下的衔接和转换，使操作变得简单容易，可做到实时监测和控制海水转化工作的全过程。

具体实施方式

先将原水池8和浓盐池9注满海水，淡水池10注满淡水。按下起动按钮自动控制系统进入注水工作过程的程序控制：打开电磁阀42，起动压力泵6工作，原水池8的水被压入蓄压罐61、冷凝罐2的冷却区以及太阳能加热器4的内部，并从喷咀14喷出。当蒸发罐的底部水位升至上液位传感器15时，关闭电磁阀42、停止压力泵6工作，此时冷凝罐的冷却区、太阳能加热器的内部均充满水，注水过程结束。自动控制系统又进入负压形成的程序控制：打开电磁阀71、起动真空泵7工作，蒸发罐1、冷凝罐2的冷凝区、液位罐3以及集水罐5内部的空气被吸出，液位罐的水位升到上部液位传感器31时，关闭电磁阀71、停止真空泵7工作，此时蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、液位罐和集水罐的内部压力降低到0.101325×10⁵pa，系统处于负压待命工作状态。当太阳能加热器4的水温达到50℃以上时，自动控制系统又进入海水转化淡水的程序控制：起动压力泵6工作，打开电磁阀42和起动加热装置12工作，经过太阳能加热器的水从喷咀14喷出，形成雾化状态，并由加热装置12进行补充加热，被雾化的水达到沸点而蒸发，充满蒸发罐1和冷凝罐2下部的冷凝区。水中的盐分形成晶体颗粒而下落，沿锥形板103滑入蒸发罐的底部并与水重新溶解。冷凝罐冷凝区的蒸汽与传热器23接触放热后，凝结成水沿传热器的表面下落到冷凝罐2的底部，最后经过单向阀25而流入集水罐5中。当集水罐的水位升到上部液位传感器51时，关闭蒸汽截止阀24，蒸发罐1和集水罐5的内部压力不断增加，当压力增加到超过大气压力时，打开电磁阀53，集水罐中的水排入淡水池10中，当水位降到下液位传感器52时，关闭电磁阀53、打开蒸汽截止阀24，排放淡水过程结束。当蒸发罐1底部的盐水浓度增加到一定值时，关闭蒸汽截止阀24，蒸发罐内部的压力不断增加，当增加到超过大气压力时，打开电磁阀18，蒸发罐1底部的浓盐水，排入浓盐水池9中，当水位降到下液位传感器17时，关闭电磁阀18、打开蒸汽截止阀24和电磁阀13，原水池8中的水在大气压的作用下经环形进水管103进入蒸发罐1的底部，当液位升到上液位传感器15时，关闭电磁阀13停止注水，浓盐水的排放过程结束。随着蒸发过程时间的增长，海水中所吸收的空气不断的释放到蒸发罐1和冷凝罐2的冷凝区内，系统内的压力逐渐升高，液位罐3内部的水位逐渐下降，当液位罐的水位降至下液位传感器32时，系统内部压力从0.101325×10⁵pa上升到0.303975×10⁵pa，液位传感器32发出信号，控制关闭电磁阀33、打开电磁阀36，向液位罐内注水，与此同时打开电磁阀71，起动真空泵7工作。蒸发罐、冷凝罐的冷凝区、液位罐和集水罐的内部的空气被吸出，液位罐的水位不断上升，当水位升到上部液位传感器31时，关闭电磁阀36停止注水，关闭电磁阀71和停止真空泵7工作结束抽真空，此时系统内部的压力又恢复到0.101325×10⁵pa的负压工作状态。

Claims

1、一种节能喷雾负压蒸馏式海水淡化的方法和设备，采用蒸发罐(1)、冷凝罐(2)、液位罐(3)、太阳能加热器(4)、集水罐(5)、压力泵(6)、真空泵(7)、原水池(8)、浓盐水池(9)、淡水池(10)、压力传感器(11)、加热装置(12)、电磁阀(13)、喷咀(14)、上液位传感器(15)、盐浓度传感器(16)、下液位传感器(17)、电磁阀(18)、流量计(21)、气水分离器(22)、传热器(23)、蒸汽截止阀(24)、单向阀(25)、上液位传感器(31)、下液位传感器(32)、电磁阀(33)、单向阀(34)、电磁阀(35)、电磁阀(36)、温度传感器(41)、电磁阀(42)、上液位传感器(51)、下液位传感器(52)、电磁阀(53)、蓄压罐(61)、压力表(62)、单向阀(63)、电磁阀(71)、单向阀(72)、压力表(73)、自动控制系统(88)等组成设备，其特征是：利用液位罐9M-7M高程水位的变化，使蒸发罐、冷凝罐、集水罐的内部形成较稳定的负压状态范围，以降低海水的沸点；利用太阳能加热器给海水加热到50-80℃以节能；利用加热装置补充热能，使雾化后的水温达到沸点；利用喷咀将海水雾化，使其容易汽化蒸发；利用传热器的导热特性，使水蒸汽快速冷凝；全部工作过程是在自动控制系统的控制下工作的。

2、根据权利要求1中所述的蒸发罐，用不锈钢制成，采用壳体(101)、锥形板(102)、环形进水管(103)、隔板(104)、孔板(105)、压力传感器(11)、加热装置(12)，喷咀(14)，上液位传感器(15)、盐浓度传感器(16)、下液位传感器(17)等组成设备，其特征是：蒸发罐内部分三个区：加热区(a)、蒸汽区(b)、浓盐水区(c)，加热区是用来补充热能，并设有加热装置、喷咀、环形进水管等；蒸汽区是用来储存蒸汽；浓盐水区是用来将分离出来的盐晶体颗粒重新溶于水中，便于盐的排放。

3、根据权利要求1中所述的冷凝罐，用不锈钢制成，采用壳体(201)、隔板(202)、传热器(23)等组成设备，其特征是：冷凝罐内部分两个区，冷却区(d)和冷凝区(e)，冷却区是用来释放冷凝过程中的蒸汽热能；冷凝区是用来吸收蒸汽热能，将蒸汽冷凝成水；在冷凝区和冷却区之间由隔板隔开，其上面安装有若干个传热器。

4、根据权利要求1中所述的气水分离器，用不锈钢制成，采用壳体(221)、传热器(222)、聚四氟乙烯非亲水膜(223)、限流器(224)等组成设备，其特征是：用来分离水蒸汽和空气。

5、根据权利要求1中所述的传热器：用不锈钢管制成，是由壳体(231)、散热片(232)、工作介质(233)等组成设备，其特征是：在真空状态下其内部封存氟里昂或氨水等沸点低的工作介质，用来快速吸收蒸汽热能和快速放掉蒸汽热能。

6、根据权利要求1中所述的液位罐，其特征是：用不锈钢制成，其罐顶上液位传感器距原水池液面的高度为9米，下液位传感器距原水池液面的高度为7米，利用水位9M-7M的高程和自身的容积给蒸发罐、冷凝罐、集水罐的内部形成稳定的负压范围0.101325×10⁵pa-0.303975×10⁵pa。