专利名称：在人工加压辅助脱盐分馏设备中通过水合物离解实现进水的控制冷却的制作方法
相关的申请本申请要求2000年6月26日申请的美国临时申请号为60/214,262申请的优先权。本申请是2000年2月9日申请的序列号09/500,422名称为”脱盐和获取伴生二氧化碳生成液态二氧化碳”的美国申请的继续和组成部分。后者是1999年9月17日申请的申请序列号09/397,500名称为“利用带正浮力或负浮力/辅助浮力的水合物进行脱盐”的美国申请的继续和组成部分。后者又是1999年8月17日申请的序列号09/375,410名称为“利用正浮力或负浮力/带辅助浮力的水合物进行陆地脱盐”的美国申请的继续和组成部分。后者又是1999年7月12日申请的序列号09/350,906名称为“利用有浮力的水合物进行陆地脱盐”的美国申请的继续和组成部分。
发明的领域通常，本发明涉及到通过用水合物来脱盐或进行其他方式的水净化，从含盐水或污水中提取淡水的发明。特别是，本发明涉及实现适合于水合物自然生成的加压方法。更具体说本发明涉及在脱盐设备中如何使自然加压和人为加压相结合以获得水合物生成所需的适当压力。本发明还涉及到引导水流、控制水合物的移动，在离解的各冷却阶段用水平移动法或者用在离解区内提升法处理，以实现水的最有效冷却。
发明的背景通常，用有浮力的气体水合物对含盐水或污水脱盐或净化，是已知技术。例如美国专利号5,873,262以及已经被接受的南非专利申请号为98/5681，其公布部分在本文被参考引用了。根据这种方法对水脱盐或净化，是把一种气体或混合气体(在由深度引起的足够高的压力和/或足够低的温度的条件下与水混合自然生成有浮力的气体水合物)在处理塔较深处的底部与要处理的水混合。根据已有技术，该处理塔被设置于海里。因为水合物是有正浮力的，它从塔里上升进入暖水和较低的压力处。当水合物上升时，即变得不稳定，并离解成为纯水和有浮力的易于生成水合物的气体或气体的混合物。然后提取纯水，气体被处理，在水合物生成的后面循环中被重复使用。(此处的湿气可能用于其他用途，例如就近的发电装置。可以证明，这些气体不用处理，可以在气体通过时使用，只有一小部分气体没有被回收，可以算做操作损失。合适的气体其中包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及其混合物。
以前已知的使用有浮力的气体水合物进行脱盐或净化的方法依赖于自然的高压和自然的低温。如使用纯甲烷气体，开阔海洋海水的深度为在海平面450到500米以下，或在使用混合气体时，海水可以浅一点，如此可以扩大水合物的稳定“保护或包络体”，并且该脱盐装置安装后就不能移动，被固定在输送淡水回陆地的管道上。在有些海域，例如地中海，海水的温度没有冷到足以产生必要的压力，而该压力是在足够浅的深度下产生的，由于海水的深度不够，产生不了低温，如此就要用长很多的塔柱，则很不现实。另外，在很多非常需要淡水的地方，这些地方是靠近广阔的浅水大陆架，海水脱盐装置要安装在距海岸很远的地方。另外固定装置不如移动性装置用途广泛。再者，已有方法对水合物要求太高，其本身须是有浮力的，以便能有效地回收水合物和从中产生的淡水。
除了用水合物脱盐，还有用水合物从混合气体中提取二氧化碳的，例如发电厂燃烧矿物燃料的排出物，可以从中选择性地生成二氧化碳水合物，然后在水合物处于稳定的环境，例如在海底处理该二氧化碳水合物。可见美国专利Nos5,660,603；5,562,891；5,397,553。虽然以水合物的形式深海处理二氧化碳，只要水合物是在海上或近海生产的(如海上钻井平台，或船上或海边的工厂)，可能是经济的，但水合物如果是内陆生产的在经济上就很不合算了。因为运输含水合物的二氧化碳到处理地区费用太高，运输大，包含水的水合物的重量和体积占相当大的部分。(二氧化碳水合物象甲烷水合物或其他类型，一份水合物约含85％分子量的水。换句话说，在这些水合物中该分子的约85％是水，该分子的约15％是气体分子。准确的比例略有些变化，取决于气体分子存在占有“客体”晶格的程度。)因此，深海处理含二氧化碳水合物的成本高，基本上是由于在运输水合物中水的体积和多余的重量的成本引起的(而在本发明中该运输成本是不必要的)。另外，以前的利用二氧化碳水合物处理二氧化碳的已有技术中完全忽略了利用巨大的能量，即通过先生成后熔化(即引起离解)的方法得到脱盐或用其他方法净化的水。
发明的简要说明此处公开的一些发明克服了已有技术的限制，充分利用水合物脱盐分馏法的优点，海水(或污染水的其他净化方法)脱盐系统为陆上安装或可移动型，海水提供给该系统，并使用的是带正浮力或负浮力的水合物。本发明的方法可用于水温过暖的情况，或在合理距离内没有深海可在海洋上安装用气体水合物的脱盐系统的情况，并且可能用生产带正浮力或负浮力的水合物的气体、混合气体甚至是液体来实现本发明的方法。另外，本发明在具体实践中还可用工业废气中的二氧化碳，同时生产出净化水和获得二氧化碳，二氧化碳可用最有效的方法处理(或如需要，派其他用途)。
本发明为使脱盐分馏塔内能生成水合物，需要把海水冷却到相当低的温度，其压力和温度要适合于为生成水合物所使用的特定物料。优选的实施方案是利用水合物的性质，即水合物在深部生成时所释放出的热量，在本质上与其离解(熔化)回到纯水和可生成水合物的物料时所吸收的热量相等。特别是，因为液体或气体生成水合物，而当水合物晶体穿过水柱上升(系起因于水合物固有的浮力或是由于水合物网壳内捕集的气体的“帮助”)并继续生长，那么，水合物生成时释放的热量将会加热该柱周围的海水。当水合物在水柱里上升时，其承受压力降低，该水合物吸热离解，水合物的生成主要由于深部压力上升引起的，并从周围的水柱吸收热量。从根本上说，离解水合物所吸收的热能，本质上与水合物放热反应所释放的热能相等。因此，本质上本系统的热能应没有净变化。
但是根据本发明，水合物生成时所释放的热能是在清除水塔内残存盐水时从系统中去除的，残留盐水被水合物放热反应释放的热能加热。因为水合物生成主要由于压力引起(相对于由于温度引起)，当它穿过该水柱上升时随着压力的降低而变得不稳定，并且发生吸热离解。因为有些散热晶体所释放的能量已从系统中去除，该水合物在熔化时就要从其他来源吸收热量，因此造成偏向。在本发明的优选实施方案中利用了这一偏向，即让进水通过该水柱的离解区，进行热交换，这样可以使进水或给水充分降低温度以便水合物在装置的底部生成。
如上所述，本发明可以使用液体、气体、混合气体，生产有正浮力的水合物或有负浮力的水合物。如果是水合物，水合物晶体自身有浮力，生成时会自然上升，其于脱盐分馏塔内上升至其顶端，水合物即离解为淡水或气体或混合气体。如果是有负浮力的水合物则不同，水合物晶体自身比周围的海水的密度大，一般说会沉降。如果控制气体(混合气体)，液体的注入量，水合物的生成就不完全，气泡或比海水密度小的液体会被水合物网壳捕捉，壳体的全部正浮力会引起该水柱内的水合物上升。
优选的是，上升的有辅助浮力的水合物(有负浮力的水合物亲和有正浮力的气体或液体气泡)从横向被导入一个“收集池”，这样，在离解过程中，一旦网壳分裂，水合物就不会落到脱盐分馏塔内水合物的生成区域。固态有负浮力的水合物在装置底部收集贮槽内沉降后，被注入到收集贮槽的顶部，离解为气体和淡水。(如果需要，按略有不同的方式生成有负浮力的水合物，则将导致全部水合物沉降在该贮槽中，再被注入到离解/热交换收集贮槽。)本发明的实施方案是，进水可能穿过或可能不穿过离解水合物进行热交换而得以冷却。不论是两种中的哪一种情况，用其他、人为制冷方式对进水(加强)冷却，而如此冷却的必要程度部分取决于水合物有浮力或没有浮力的特性。部分热能由清除热水时被从系统里去除，热水在脱盐分馏塔的水夹套内循环，并被水合物生成时释放的热所加热。
在本发明的不同实施方案中，净化水将是极冷的。这些冷却水优选的是用作饮用水，但可以作为一个冷源提供冷却，就是制冷，是热天空调的基础。
陆地上的脱盐或水净化还有一个好处，就是装置不受天气好坏、海洋条件不好的影响，其程度与海上现场一样。另外，进入一个陆上的装置现场要比进入海上现场容易得多。气体处理和储存在陆上要方便得多，陆上有更多空间，有更完善的工程环境。建造在陆上要容易多了，与海上装置相比安全性可得以改善。
另外，因为大量残留海水得以从系统中排出(从系统中去除热能)，水合物浆液得以浓缩。这意味着上部即离解分馏塔的离解区域的盐水量减少，因此水合物离解时与之混合的残留海水也减少。这样，污染由水合物离解时生成的淡水的盐也少了。
另外，因为优选的是残留海水在穿过脱盐分馏塔时至少再循环一次或更多次，海水中的其他组分如微量元素(例如金)被浓缩后从海水中回收就变得现实了。再者，浓缩的海水自身是有用的，或有价值的。例如，海洋工作者就可能购买浓缩海水用于水族馆换水，另外还可以减少个别从海水中重新提取的微生物的困难。
在另一实施例方案中，脱盐装置还可以建成这样的方式，水合物还处于某一层面时离解就发生了。他还承受相当大的压力，生成水合物的气体在此层面就被获取并且依然在此压力下被处理重新使用。
本发明的另外实施方案是，水合物生成所需的适当压力不是靠一条长长的水柱的重量产生的压力，而是采用自身包容、密闭的水合物生成/分离，水合物离解/热交换容器，这些容器均使用适当的液压泵运系统提供机械加压。这样的机械加压装置可以做得相对可移动，可为本发明提供多种调整位置。另外，机械加压系统可用于控制该水合物离解，因此当二氧化碳被用作可生成水合物的中介时，例如，特别是当二氧化碳的提供方式是被获取得到和从废气(即工业来源的废气)中被分离得到时，水合物离解时释放的二氧化碳可以是液态或气态。
在本发明的另外实施方案中，公开了一种脱盐装置，该脱盐装置内同时应用自然和人为加压，达到水合物自然生成所需的压力。压力完全来自水的重量、水合物离解发生在装置的顶部、压力在最顶部低到一个大气压的脱盐分馏塔的缺点之一是，这一竖筒必须足够深，从而能提供水合物自然生成所需的全部压力。这样，它的建造和维修费用就很高了。压力完全来自人为加压的脱盐分馏装置的缺点之一是全部装置必须在正式工作和实验压力下安全地运行。这样，装置要建得非常坚固，其费用要比建一个承受较低压力的装置高的多。
通过把人为加压和自然加压结合起来，可受益非浅。具体地说，任何竖筒的建筑和维修费用，下部比上部都要贵得不成比例。在这个实施方案中把自然和人为加压相结合，仅可有效地建立一个较短的竖筒，因为该竖筒上部的压力已经提高了。这样，水合物生成地点，即竖筒基部的压力就是人为和自然加压之和，适合于生成气体水合物的压力可以从表面以下的深度得到，这一深度要比没有人为加压时所必需的浅得多。另外，在系统部分加压的较低压力下，脱盐分馏塔上部的建造成本就低得多。
在本发明的另一个实施方案中，公开了一种脱盐装置的离解部分，它加快了离解区域内水流的处理，以便得到最佳的进水温度。特别是，通过控制离解室内的水流方向及其运动的大方向，可以把最终进水冷却到低于脱盐分馏装置生产的淡水的温度。这在很大程度上提高了脱盐分馏装置的总效益。
附图的简单说明下面将结合附图对本发明作更详细的描述，其中
图1是陆地脱盐系统的简化示意图；图2是脱盐分馏塔的一个实施方案的侧立面示意图，这个实施方案使用有正浮力的水合物，并可能被应用于图1所示的装置上；图3和4是在图1中所表示的系统中利用的脱盐分馏塔的两个选择性热提取部分的侧立面示意图5是脱盐分馏塔另一个实施方案的侧立面图，这个实施方案使用有正浮力的水合物，并可以应用于图1所示的系统上；图6是表示用于图5的脱盐分馏塔的重叠的水排出口的侧立面示意图；图7是基于有浮力的水合物的脱盐分馏塔的另一个实施方案的侧立面示意图，应用于图1上的系统，这一实施方案与图5所示的相类似；图8是脱盐分馏塔一个实施方案的侧立面图，这个实施方案使用有负浮力的水合物，并可以应用于图1所示的系统上；图9和10分别是立体示意图和侧视示意图，是图8中脱盐分馏塔的离解和热交换部分；图11是压力和温度曲线图，描述一基于有负浮力的CO2水合物的脱盐系统的二氧化碳水合物稳定性，二氧化碳液体和操作状态范围图(envelope)；图12是设计用于促进水合物浆液的洗涤的残留流体置换区的侧立面图。
图13是可以使用有负浮力的水合物的脱盐分馏塔的另一个实施方案的侧立面示意图，该实施方案可促进残留海水与有负浮力的水合物的分离；图14是图13的系统中使用的浆液保持、流体分离设备的侧立面示意图；图15是脱盐分馏塔的另一个实施方案的侧立面示意图，该方案的结构设计成可维持该生成水合物的气体保持在高压下；图16是机械加压脱盐系统的一个实施方案的侧立面示意图，该方案的结构设计成使用有正浮力的水合物；图17是机械加压脱盐系统的一个实施方案的侧立面示意图，与图16相似，但该方案的结构设计成使用有负浮力的水合物；图18是机械加压脱盐系统的一个实施方案的侧立面示意图，该方案的结构设计成可使用有正浮力或有负浮力的水合物；
图19是描绘位于一艘船上的机械加压脱盐系统的简化示意图；图20是图示用生成水合物的二氧化碳的供给的工业废气来生产液体二氧化碳和淡水的系统的组成部分的示意图；图21是相图(phase diagram)，图示硫化氢和二氧化碳水合物生成的有关压力/温度条件；图22是表示一种离解容器的示意图，在容器内二氧化碳水合物被允许离解，从而生成二氧化碳和淡水；图23是相图，显示二氧化碳水合物沿P-T(压力-温度)路径被允许在图22所示的离解容器内离解；并且图24表示液态二氧化碳在不同的压力下其密度的变化的图；图25是部分人为加压脱盐分馏塔的一个实施方案的侧立面示意图，使用有正浮力的或辅助有正浮力的水合物；图26是一个实施方案的侧立面示意图，图解虹吸海水至一在海平面以下的脱盐分馏现场，低洼处的从大约海平面至低洼处的海平面以下的水的落差提供脱盐分馏塔中全部压力的人为加压部分；图27是一脱盐分馏装置离解/热交换部分侧立面示意图，该离解/热交换部分用于以大致水平状态通过水合物离解段的离解/热交换部分的进水的分段冷却。
优选的实施方案的详细描述一座陆地安装的脱盐系统简述于示意图1。该系统可以大致分为三部分或三个区域。取水部分10，水净化部分12，后处理和下游应用部分14。
该取水区10本质上包括从海洋16中提取海水并将海水输送到区12的脱盐/净化系统所必需的设备和各种辅助系统，该辅助系统包括水下输水管道18和泵运机构(未显示)以便从海中抽海水并将海水注入到岸上，待以后处理。大体积的系统可以位于离海较近处，以将进水的管道运输距离减少到最小，该系统的建造要尽可能与海平面接近，从而减少为克服压头付出的泵运费用。
取水管道18优选的是尽可能伸向海内，以取深海里的水，例如从大陆架斜坡20取水，因为深水要比浅水更纯和更冷。或者，也可从离陆地较近处取水，例如从大陆架22上的区域取水，因为跨越浅水区距离太大，不现实。准确的取水深度最终要取决于许多因素，主要包括所采用的脱盐分馏塔的具体装置，如下文所述。理想的是，脱盐系统本身被定位成使流体运输系统最高部分是处于或低于海平面以减少进水的泵运费用。
另外，水可以在予处理站24予处理。予处理主要包括除气脱氧，过滤清除粒状物料，脱气，其中水合物晶核形成和成长所需的必要材料不可从该水中除去。
该净化系统30本身的一个优选的方案显示于图2、3和4，这个系统用有正浮力的水合物从海水中提取淡水。海水自进水点32注入至系统130，并注入至低处的该系统的水合物生成部分34。水合物生成部分的底部不超过约800米深，可能会更浅一点(还取决于所用特定气体或混合气体)。一种适合的、有正浮力的生成水合物的气体(或液体)在36处被注入该水合物生成部分，有正浮力的水合物38自然生成，并开始上升通过水柱，如现有技术中已知的那样。
生成水合物的气体可用串联序列中间压力泵泵送，气体导管贯穿分馏塔而向下延伸，或者贯穿进水管向下延伸，使气体导管的压力可与周围水的压力抵消。事实上不必使用设在地面的昂贵的高压气体泵。另外，也可以于气体一旦已被液化，就可以注入到较大深度而不必进一步加大压缩。
水合物生成(结晶)是放热过程。因此，有正浮力的水合物生成，并从水塔内自动上升，水合物晶体在上升时还继续生成晶核和生长，生成水合物“浆液”直到生成水合物的气体耗尽。周围的水会持续地变成浓缩的含盐“残留物”，并被水合物结晶过程中释放的热量所加热。
在某一含盐量标准之下，被加热的残留海水会相对降低密度，并会在塔内随水合物38而上升。当残留海水中的盐量由于其内淡水的提取出来而高到一定值时，含盐量高的残留海水将沉入该水塔的底部。这些含盐量高的残留海水由该分馏塔的塔底的贮槽40接收，并被清除。
当该水合物浆液和加热的残留海水上升通过分馏塔，加热的残留海水于该分馏塔的热提取部分44的一个点或几个点46从系统中被清除。该热提取部分44在图3表示的更清楚。如图3所示，作为水合物和浆液的分离的一种模式，水从系统里泵出是立式分馏过程的一部分。该过程是分两段完成的。内部套筒45使得首次分离可以发生，因为在套筒的顶部下边形成聚水器49。水合物继续上升，被泵送通过水把该部分44全部淹没。从低于水合物排出处的高度的地方使水从套筒顶部被泵送通过锥形细筛47。该锥形细筛被设计用于阻止粒状水合物通过。(当流动阻力超过设计限度时筛子可以定期加热清除其上的颗粒)。残留水用足够慢的速度抽取，使任何残留在流向筛子的水中的水合物的向上浮力的倾向大于与外抽取水的吸力有关的向下或向侧面移动倾向。浮力非常大的气体上升并停留在塔里。
该热提取区的另一种结构44’见图4。在这个结构中，用一台离心机运行一个单独的机械驱动密度分馏系统。在这个结构中塔的组成部分51设置成可移动的，并且可以做转动运动。此塔的可移动、可转动式离心机部分由轴承53在基座55处以及沿高度隔开间隔处支承，以使其在竖直方向上与整个塔身对准在一条直线上，允许它相对于塔的在它的上面和下面的部分57、59转动。这一部分是由电机驱动，使用一个从地面驱动的液压系统61。离心机部分内的轮叶63将使水柱转动，轮叶的设计取自涡轮机的叶片的设计，能带动这个区内水合物-残留水转动而不产生紊流，转动速度越朝顶部越快，残留水在顶部被取出。重力“沉降”(gravity settling)或分馏在这里是在一个水平的平面内进行的，在该水平面内重一些的残留水朝向塔的边上沉降，而更轻的浮力大一些的水合物则朝向塔的中心沉降。该水合物继续浮动地上升，并集中在离心机中心部位。可以理解能设几个这样的离心机部分。
当水合物升到脱盐分馏塔的上部的离解和热交换区50，迫使或驱使水合物生成的跟深度有关的压力就消除了。因此，此时主要以浆液形式存在的水合物将被迫离解回生成水合物的气体(或气体混合物)和淡水。但是，不管是否使用特殊方法来提取出变暖的残留海水，周围海水中的通常(即在已有技术中)在水合物离解时被水合物吸收的热能，现在不再由水合物来吸收了。因此，因为热量已经在通过该设备的热提取区44排出变暖的残留海水而从系统里被清除掉了，在该系统的上部的离解和热交换区50产生了一个净偏向(net cooling bias)或叫全面偏向(overall cooling bias)。
此偏向可作为明显的优点。特别是，正如图2所示，被注入到系统(在32处)的水经过离解水合物区进行热交换。例如，设想离解和热交换部分50可以建造成一个或几个大的，单独的规模在100米宽的范围内的外壳。进水在导管中通过离解水合物区，将会得到很大程度的冷却。事实上，虽然在此过程的开始需要一些起始制冷，这部分起始制冷可能由热交换机构52提供，该系统最终将达到稳定条件状态，其中从进水转移到离解水合物的热能的数量足够把进水冷却到适合于在离解塔一特定深度自然生成水合物的温度。
理想地，进水是能稳定在摄氏4度或更低。因为低于这个温度水的密度增加，这样就增加了由注入气体所形成的水合物-水浆液的分离。另外，在一定的压力下，水合物在较低温度下晶核化进行得更快。在起始阶段系统将在平衡或稳定状态到达之前以最大热流体提取模式进行运行(产生一个引发热倾向(thermal bias)状态)。虽然启始阶段的时间长短依特定的系统参数之不同而定，设计的目标是，一旦达到稳定状态，系统将连续工作一个很长时间而不必停车，就是说可以达到数年。控制残留水的排放，因此，热量被去除，保持稳定的条件，从而使该设备不必保持冷却到稳定生产条件的温度之下。
一旦水合物被离解为其组分淡水和气或混合气体，该淡水在54处被抽出，而气体被收集并进入再循环。(如有必要可使部分气体液化)。另外，离解和热交换区50的部分水将变为”灰色水”(gray water)，即淡水但含小部分盐，这部分盐在水洗水合物时从水合物中被去除。灰色水或混合水与纯净淡水的界限在示意图上用虚线56表示。灰色水可能供饮用，取决于其含盐的浓度，或者不用进一步处理供工农业使用。冷的灰色水可以返回分馏塔再循环，可以泵回水合物生成部分34，见58所示，也可将它注回如60所示，位于热提取部分44之上的分馏塔区的浓缩水合物浆液中去，从而加强水合物浆液的流体性质并帮助控制系统的热量总平衡。另外，在62处提供灰色水用于稀释间隙残留流体可以达到离解前洗涤的目的。
图1还显示，在后处理和下游应用区14，优选的是将淡水用第二级处理机构64处理。该第二级处理机构可包括，例如，精滤、气体抽取、充气及其他使水达到饮用水标准需要的处理方法。
另外，非常有意义的是，根据下列操作参数的不同，如给水的温度，从排热区44排出的残留海水的量，系统的尺寸规模，和其他参数如系统中流体的粘度；系统中与全部流体相关的水合物的浮力；残留水的含盐量和温度；淡水的设计输出要求；进水的含盐量和温度；设计的冷却要求；影响热平衡的系统低效率等，生产出的淡水将会被深度冷却。冷却水可以用作吸收其他场合或地点的热量，如吸收建筑物内部的热量，因此可以用于提供制冷或用于空调。
最后，一旦海水在脱盐分馏塔循环和用于下游处理了所要求的许多次数后，残留浓缩海水(事实上可能含有大量盐)可直接注回海里。另外，如有人需要也可保留。
关于系统的总设计，工程和建造，预期该脱盐分馏塔130的直径应为15到20米，或更大。采矿和隧道工业通常使用的挖掘和竖井衬里方法可以用于塔130的建造中。总尺寸规模取决于所需要的淡水生产总量和相关的热动力方面的考虑。例如，一立方米的甲烷水合物在它生成时能够把90到100立方米的水提高约1摄氏度，同样立方米的水合物于离解时具有把90到100立方米水冷却约1摄氏度的能力。(合适的气体混合可提高熔解热，使过程更有效)。所需冷却因此部分地决定水合物的生产率，也影响系统的尺寸规模，和达到这些生产率的要求的气体或多种气体的选择。
残留流体清除塔组件部分的直径优选的是大一些。这样有利于浮动的、向上运动的水合物通过水柱，同时先是在排热区44让水合物与残留水分离，然后在离解和热交换区50进行离解和热交换。
离解和热交换区50的构成不止仅仅是一个单独的离解“池子”，如示意图2所示，而更应该包括数个不同的水处理塘或池中的数个相关连的热交换装置。实际的深度、尺寸和通过量等应视生产率而定，而生产率又取决于进水的温度，用来生成水合物的特定气体或混合气体，从系统中把热量排出的速率等。
进入分馏塔底部的进水可以用一个装置控制(未显示)，它改变进水喉部的直径，以助于气和水的混合，促使水合物的生成更快更完全。换句话说或另一方面，水合物的生成可以通过在进水中制造紊流来提高，位置仅在形成水合物的气体注入口36的底部内或在其下方。也可以用改变脱盐分馏塔的直径的办法来使水合物浆液的浮动下降变缓，从而提高水合物的生成。
离解和热交换区50将比脱盐塔的下部更宽和更大许多。因为水合物将要浮到它里面，离解为气体和淡水，其离解速率要比容纳在一个具有塔本身的直径尺寸的池子中能达到的快的多。另外，对热量的要求高，如果提供不了足够的热量，水会结冰，扰乱脱盐过程。对塔的内部采取结构收缩的措施，会保持水合物在自由离解水平以下，如此则能控制到达表面的气体数量。这样做是正常的操作和安全要求。
因为本发明实施方案用的有正浮力的水合物浮起，淡水倾向于在该区的顶部生产，因此会使淡水和含盐水的混合减到最少。为欲抑制不必要的离解，热交换设备可向下延伸到残留水清除区的顶部。离解和热交换池没有必要设置在该水柱上方的中心，另外，一个以上的脱盐分馏塔可以向上给料至一指定的离解和热交换池。简言之，几组脱盐分馏塔可以相互离得很近，以便能够由共同的第一次和第二次水处理设施支持，这样可减少系统成本并提高经济效益。
除了大规模系统，相对小一些的系统也是可能的。对这些系统来说，小直径的脱盐塔可以安装在淡水需要量小的地方。虽然系统的总效益不如大系统好，这些小规模系统的首要优点是它们可以用标准的钻井方法实施。另外，成批生产、预制脱盐设备部件可安装在钻孔的套管内，使系统可在一个比较短的时间内完成。这种系统的基建成本下降，因为设备组件可以在一个工业基地用成批生产的技术来制造。小规模系统的各个运行部分的更换可以通过使用常规的钻井和管道维修技术将它们从套管内取出来进行。
图5表示根据本发明的脱盐分馏塔的略简化的实施方案230。在这实施方案中水合物的生成本质上是在热平衡塔132内进行的。该热平衡塔132有一个开口的较下端134，悬挂在竖筒136内。在此实施方案中，进水在脱盐塔32的底部附近，例如在138处被注入，优选的是在通过塔230的热交换和离解区150之后，类似于图2表示的实施方案。有正浮力的生成水合物的气体被注入到热平衡塔132的较低部分，如在140处，象以前的实施方案几乎一样，水合物生成于塔132内并上升。
该实施方案230是被简化的，其中水合物生成的热被传送给“水套”(water jacket)内的围绕热平衡塔132的水，水套被限定在塔132与竖筒136的壁之间，脱盐分馏塔建于该竖筒内。为此，水合物生成导管优选的是由织造的(即缝合的)人造纤维材料制成，因为它的重量轻并且它有用作稀松织物的可能性，很有利于热平衡塔132内的残留含盐水与循环于水套内的海水之间的热平衡。
如图2所示的实施方案中，热水被泵出系统，这些热水是在水套内循环过的水。然而，与图2表示的实施方案相反，把热水从水套里除去的目的不是把这么多热能除去，致使进水自动冷却到在塔底能适合生成水合物的温度，而是仅仅把足够的热能去掉，以防止有水合物生成的导管内部的水变得太热以致使水合物根本不能生成。因此热水从水套中除去的速率可能要比图2表示的实施方案中热水从排热区44中去除的速率小。其结果是，有必要用人工制冷补充机构152补充热交换和离解区150的冷却。其操作与图2实施方案表示的不一样。淡水是从热交换和离解区150的上部取出的，”灰色水”是从热交换和离解区150的下部被取出的，即从分离线156之下取出的，浓缩盐水从盐水贮槽141除去。
为促进因其浓度和/或变冷的原因而密度足够大以致呈负浮力的盐水“沉降析出”；又为促进热传送和热平衡，热平衡塔132优选的是建有重叠接头，如图6所示。这个结构允许有浮力的水合物穿过该塔内上升，如示意图所示，冷却之后更多的含盐水可从出口142流出。
脱盐分馏塔系统可更简化为，进水加入该系统但不通过图7所示的实施方案330的离解区250。如果进水不够冷，需由制冷机构252提供更多人工制冷，但操作与图5所示实施方案230相同。
虽然上述实施方案描述了利用在适当的温度和压力条件下生成带正浮力的水合物的气体或混合气体，但以水合物为基础的脱盐或净化的多用途性可以通过调整上述描写的方法和设备使其适用于带负浮力的水合物而得以极大扩展。实施方案430为一脱盐分馏“塔”，其结构设计成允许使用带负浮力的水合物来净化水，见图8-10所示。实施方案430和以前的脱盐分馏塔实施方案的主要不同点是系统的热交换和离解部分350相对于水合物生成部分336和热清除部分346被横向地或水平地偏离或偏移布置。水合物生成和热清除区与以上描述的实施方案中相似。
有几种不同操作气体可以用这种结构。如低分子量的气体O2，N2，H2S，Ar，Kr，Xe，CH4，和CO2，都可在不同温度-压力条件下生成水合物。不同的形成水合物的气体系统中的每种气体都需要特殊的水合物塔的设计，水合物塔都是为系统中使用的具体的气体定做的，但为提取淡水的水合物生成的原理是一样的。另外，在最初的生成水合物气体中加少量的添加气体可扩大水合物的稳定性区域，正如甲烷水合物稳定性区通过将较高密度的气态碳氢化合物与甲烷混合得到扩大。
虽然能生成带负浮力水合物的几种不同的气体可以用作水合物脱盐，二氧化碳和其中使用二氧化碳的脱盐塔在此描述以说明应用自然浮力小于海水的水合物的脱盐系统的设计要求和考虑。二氧化碳(或主要含二氧化碳的混合气体，此处为简便称“二氧化碳”)是一种理想的使用气体有多个理由。特别是，二氧化碳在该水合物脱盐设备内物理状态和热条件下不燃烧，因此它本质上是无害的。二氧化碳水合物在浅水处比甲烷水合物稳定(与混合气体的甲烷水合物大约相同)。即使在于较高的浓度中被溶解，对人类消费也是安全的，没有(如硫化氢水合物那样的)另人讨厌的气味或味道。(事实上，用二氧化碳生产的淡水可以生产成带一定数量的二氧化碳，就成了接近许多流行牌子的苏打水，但至少有一点很不一样，就是它含有全部海水中自然生成的矿物，与脱盐工艺中没有除去的盐成正比。)二氧化碳水合物像甲烷水合物一样无味无嗅。近来的相当多的实验信息清楚说明二氧化碳水合物的性能和生成的实际海相性能(marine behavior)。二氧化碳很常用，可以在任何地方生产，也是普通的工业废物-特别是燃烧矿物燃料的排气中大量存在。(用二氧化碳比用甲烷或甲烷混合气还有一个优点是二氧化碳水合物熔解热较高能比甲烷或甲烷混合气更快地加热残留水。因此引发热倾向(thermal bias)会更高，系统会操作得更有效。)脱盐分馏塔的设计和工程将依据所用特定气体的相特性为基础而大量测定的数据。如图11所示，二氧化碳水合物稳定区域叠加在二氧化碳相图之上。相图的阴影区表示二氧化碳水合物(由二氧化碳气体形成)在上限摄氏零度以上，约18个大气压到约摄氏8度以上，约40个大气压之间是稳定的。关于二氧化碳本身，其液相线从摄氏零度以上，约37个大气压到大致摄氏8度以上，约40个大气压。液相线之上，二氧化碳以气态存在，该液相线之下，二氧化碳被自然压缩为液体。
因此，该系统可以这样建造，假定二氧化碳被用作生产气体，二氧化碳被注入该塔的水合物生成区，注入时为周围环境温度和压力，即在生产区450之内，此区含二氧化碳水合物稳定区，该区位于二氧化碳液相线以上，并于水的结冰点之上。此结构的现实意义是，二氧化碳可被用作生产气体的水的深度范围比较小，并且水也比较浅。因此，可以建造一个比较浅的陆上设备，这将减少建造难度和成本。
与上述实施方案相似，二氧化碳(或其他想要的形成带负浮力水合物的气体)被注入近水合物生成区336的底部，(例如352处)并与海水供水或进水混合，海水供水或进水在通过热交换和离解部分350和/或在354处人工制冷时已被冷却。该二氧化碳水合物只有在水合物生成不完全以至于生成一个复杂的、水合物-气体网状物时才会浮起。当气体快速注入，并在相对大的气泡里时这个条件被满足。二氧化碳水合物可使二氧化碳气泡与周围的海水分离，防止更多的水合物生成。气/液结合的二氧化碳和水合物呈正浮力，并如在356处向上浮起，虽然水合物自身是带负浮力的(即比重大于海水)。另外，有些气泡将破裂，并生成新的水合物壳体；带气泡的水合物壳体(hydrate shell)主要生成新的二氧化碳水合物环(hydrate rim)，在二氧化碳气体的帮助下向上浮动，二氧化碳气体倾向于粘附到水合物颗粒上去。
本系统被设计以生产尽可能多的水合物，并产生足够热的、低密度的残留流体以生成一种“流出物”并通过在热提取区346内排出残留海水来取出热。该系统还有能力快速注入液体或气体，注入在时间顺序可能是脉冲的而不是连续。如上文所述，设计成不是所有的气体都生成水合物，以保证水合物生成不完全。因此，基于带负浮力水合物的系统比一个完全的形成水合物的气体系统如上述的基于带正浮力水合物的系统所需要的气体多。
正如在基于带正浮力的水合物的实施方案中，生成带负浮力(辅助浮力)的水合物是放热的。因此，水合物生成过程中放出的热加热了周围的残留海水，这就使得残留海水比引入塔底部的冷却的海水具有更大的浮力。该残留海水随着水合物移动上浮，同时新的、密度更大的进水被输送到该分馏塔的底部，见图中的360处。
周围残留海水与带辅助浮力水合物的最初的向上的移动一起做向上移动时，与之有关的还存在一个冲力(或动量)。它把水合物携带着在塔内向上浮，直至到达横向偏转区362，在这里水合物/残留海水浆液相对于水合物生成和热清除区336和346被水平或横向转向，并进入离解和热交换区350。因此，即使有些水合物“气泡”将破碎或裂开，释放出所包含的二氧化碳气体，并因此失去浮力，水合物的大部分却仍然因冲力的作用继续向上移动直达塔内的热交换和离解区350。当水合物在热交换和离解区350失去冲力，它将沉降并离解为气体和淡水，如下文更详细描述那样，它们将从残留海水分离。
然而，有些水合物由于没有捕集到气体而形成固态物质，并沉入到塔的最底部的贮槽部364。浓缩的盐水也沉降到沉降贮槽部364。沉降下来的水合物和浓缩残留盐水在365处泵出，并由适当结构的分离机构366来分离。废盐水368适当排放，含沉降的水合物的浆液在370处向上被泵压并在372处被排放到热交换和离解室350，在这里该水合物再离解成气体和淡水。
在离解和热交换室350内，不论是经由塔内横向偏转部分362被转向或运送到室内的水合物，或从脱盐分馏塔的贮槽部分364泵送的水合物，都将离解成淡水和生成水合物的气体。
为加快从含盐水中分离淡水，有必要输送尽可能多的水合物到达离解和热交换室350的上部；在离解和热交换室350保持水合物尽可能高，直到水合物的离解完成；把离解生产的淡水和含盐量更高一些的残留水的混合控制在最少。图9和10表示的离解和热交换室结构有助于这些目的。
具体说，当带辅助浮力的水合物浆液从脱盐分馏塔中上升，在偏转部362被转为横向后在360处进入该室，见图9。另外，从贮槽里被泵送的水合物浆液在372处被注入到该离解室，在那里它有可能被置入一个特别的流体分离装置。离解和热交换室建有数个倾斜的分离器架子380，架子从室内一端伸向另一端，从室的一侧伸向另一侧。倾斜的架子有利于密度较大的盐水沉降，也有利于较轻一些的淡水从架子内或架子间上升，因此可最大限度减少浑浊度和盐水与淡水的混合。该分离器架子380顺斜坡向下倾斜，都是从室内的一端到另一端，从室的一侧到另一侧。分离器架子上有可通过的开口382，该开口使得当水合物离解为淡水和气体时，密度较大的盐水在系统中沉降，密度小一些的淡水上升到该离解和热交换室的顶部。
如描述带正浮力的水合物实施方案时所述的，由于热的残留水被除去时产生的偏向而被冷却的淡水在384处被除去，并可以用作冷却水或饮用水。“灰色的”水和含盐的残留水从热交换和离解室350的底部即386和388处除去，并且可以象带正浮力的水合物实施方案中所描述的那样处理，例如灰色水可以用作饮用水或工业用水，而残留盐水可以被再循环注入脱盐分馏塔的底部。
作为可代替气态二氧化碳的物质，液态二氧化碳可以用于生成带辅助浮力的水合物。在较浅的适合于分离淡水的水合物的生成的深度，液态的二氧化碳比海水的浮力大(虽然没有气态二氧化碳的浮力大)。对把液体二氧化碳有力地注入海水中可生成带正浮力的水合物和液态二氧化碳的网状物(meshwork)。该网状物一旦形成马上以整体自然上升，其行为本质上与气体二氧化碳和二氧化碳水合物生成的水合物网状物相同。
(液体二氧化碳优于气体二氧化碳的优点基于以下事实二氧化碳一旦被压缩，就可以输送到较深的深度处而不必再压缩。这样就可以把液体二氧化碳注入到500米或更深，远在液相线以下，而不需要深的串联管道泵。另外，更深的(即更高压力)注入液体二氧化碳将促进很快结晶和水合物晶体的成长。)当液态二氧化碳被用来生成带辅助的浮力的水合物时，离解是较激烈的，因为，当混合物超过液相线，捕集在网状物内的未被水合的液态二氧化碳产生大量的二氧化碳气体。因此，除了离解水合物(发生在二氧化碳液相线以上)释放的二氧化碳气体，液态二氧化碳转化为气态二氧化碳时产生的附加气体能引起明显的紊流和混合。因此水合物的流动应当受到控制，即当它进入离解区时应仍保持在水合物稳定区域之内，这样则可避免在残留的间隙盐水还存在于浆液中时，产生大量的离解。
另外，当二氧化碳液体被用来生成带辅助浮力的水合物时，要注意，一旦水合物上升到液相线压力深度以上，要让残留的流体改变形态到气相，但其时水合物必须保持稳定。如此则可在水合物最终离解时减少紊流和混合。
理想状态是，应先由淡水替换残留盐水，然后水合物上升到气体稳定区，然后是二氧化碳水合物相图(图11)的离解区。如图12所示，可以在多个残留水或间隙水去除段之间用交替地安排多个注水点的方法来做到这一点。换句话说，该流体去除部分44(图2)被建造得如在图3或图4所示的使淡水注入分段412和流体去除分段414以交替的顺序排列。除去间隙含盐流体的好处包括有除去更多热；用流体置换洗涤浆液(即从水合物晶体表面除去污染物或黏附离子或颗粒物质)；并直接从水合物浆液中除去间隙盐水，并且稀释或置换由水合物生成过程产生的最初间隙盐水流体。
虽然对于液态二氧化碳和二氧化碳水合物的浆液混合物以及对于用于水净化的水合物，可能时极力推荐间隙水洗涤，以便将从液态二氧化碳转化为气态二氧化碳所引起的紊流和混合减到最小，洗涤浆液并冲洗间隙含盐流体也会给任何基于带正浮力水合物的或基于带辅助浮力水合物的系统带来好处。特别是，将来自于离解部分的冷水(淡水或灰色水)注入水合物浆液中会于间隙含盐水从水合物浆液中冲洗去的同时，从水合物中除去更多热量。还有，多次残留水冲洗能保证更高的淡水产量。
另一个脱盐分馏“塔”实施方案的结构被设计成利用带负浮力水合物并且有助于促进水合物和残留海水的分离，见图13和14。该“塔”是个不对称的，U型系统，主要包括海水进水导管432，一个水合物生成和捕集贮槽区434和残留流体上升导管436。如在前面介绍的实施方案中的情况，海水进水导管穿过离解和热交换区438，在本实施方案中离解和热交换区438被构造成水合物“捕集容器”。如前面实施方案那样，进水穿过离解和热交换捕集容器438，与离解中的水合物进行热交换以便冷却进入的海水。
海水被泵压到塔的底部440，在那里转而上流并横向通过弯头区442，然后于进入水合物生成和捕集贮槽434。带负浮力的生成水合物液体或气体在444处被注入在水合物生成和捕集贮槽中的进入的海水中。(提供用于液化一定气体的机构945；残留流体可用于热交换器457中为液化过程提供冷源。)气或液的注入是受控的，使水合物生成完全(相反，前述带辅助浮力的实施方案所述的情况水合物生成是不完全的)，即全部气体都用来生成水合物。带负浮力的水合物沉降到捕集贮槽434的底部。水合物沉降时，置换出残留海水，残留海水被水合物生成时放出的热加热。因此，残留海水有浮力地通过残留流体上升导管436上升，并被泵压出系统以除去热、造成一个如前文面实施方案所述的偏向。
水合物生成和沉降速率是受控的，使它向下“聚集”到颗粒支持的程度。机械设备如震动盘被置于水合物残留流体室434的沉降区的斜坡表面439上。如此则浓缩了水合物并把余下的残留流体减到最少，以致水合物可通过浆液泵运导管446快速地以浆液方式从贮槽底向上泵至离解和热交换捕集容器438。水合物浆液泵到该离解/热交换捕集容器438的速率总的来说要快于带正浮力水合物在前面描绘的实施方案中的上升的速率。减少从生成区(水合物的稳定性最大)将水合物输送到离解区(水合物的稳定性最小)的时间可以保证大部分水合物在捕集容器中得到比较高的离解。从而减少了淡水和残留水的混合量并相对提高淡水的回收率。
泵出的水合物浆液到达离解/热交换容器时呈浓缩状，带很少量的晶间含盐水。采取分离措施让含盐水向下，淡水向上，从而使得混合减到最少。作到这一点的办法是，在离解和热交换室438的上方设一浆液保持和流体分离罐。使带负浮力的水合物开始离解，从而使含盐水被送到离解室438的底部并收集在那里，在离解室装备有浆液保持和流体分离罐，含盐水不会与淡水混合。
理想的浆液保持和流体分离器包括一个或几个固定的、大口的向上开口的罐(图14)，其接收上面来的水合物浆液。每个罐都装着从水合物浆液输送系统446来的带负浮力的水合物，并防止它沉降到离解室438的底部。水合物浆液由管道448输送给设计用于分散粒状水合物468的由叶轮或转动叶片组成的水合物撒布器。带负浮力的水合物于落到罐内的筛架470时分离。使含盐水穿过筛架沉入进水循环进水中间冷却器系统474的底部，该中间冷却器系统将进水的热传给在离解的水合物，并向下给出被冷却的水供处理。
数根残留水输送管道475从浆液保持罐的底部向下延伸，使较重的含盐水流到容器的底部而不会干扰这些管子周围的水。这样，即使是淡水-含盐水在容器里的界面位于浆液保持罐之下，从每一次水合物浆液输入冲洗来的残留水之间因为物理的分离也不会发生混合。于淡水和咸水之间的主界面477(虚线)将落在离解和热交换室438的下部，在那里含盐水由于密度的不同在淡水下面自然聚集。含盐水在480室的底部被除去，灰色水也由设施在482处除去。
多个浆液保持罐可以安装在一个指定的离解/热交换室里，使水合物浆液的流动足够快，从而防止任何一个罐发生堵塞和冻结。循环进水可能首先穿过一个浆液保持罐，然后穿过另一个，使进水离开离解/热交换室时温度达到最低。
根据自然浮力或通过分馏过程全部流体都将找到它们的相关位置。容器内的所有内部管道可以用便宜的塑料或其他材料制造。如图8所示的实施方案中，流体分离装置也可以安装在带辅助浮力和泵送贮槽的离解/热交换区。
优选的是，浆液泵运导管446采用可变容量的管子，以便能定期地泵运水合物，而不会造成缓慢沉降或向上移动。这种可变容量管子可以比较容易地制造出来在浆液泵运导管446的里面插一根柔软的衬套，当衬里面的压力减低，流体就会围绕衬套将其淹没。
应当指出，生成水合物的液体和气体的注入点444定位在塔底440的上面，因此如果水合物生成不完全(这将造成带辅助浮力的水合物生成)、任何没有生成水合物的多余气体(与带辅助浮力水合物一起)将从残留流体上升导管436上升。(很少水合物会随着气体沿残留流体上升管436上升，并且这样的水合物将于到达残留物上升区顶部之前已经离解。因此，由于被这样的水合物输送而“损失”的淡水量是很少的；那部分淡水的回收是不可行的；因此在残留流体上升导管436的排出口和离解/热交换捕集容器438之间是没有联系的。)为了正常地运行这个实施方案，流速控制，如使用收缩器等，可以控制流体通过系统时，流体的流速能低到使固态水合物不会被卷起沿残留流体上升导管436上升。另外，水合物生成和捕集贮槽434的设计，以及残留流体上升导管下部的设计，应该设计成可促成水合物从残余流体中”清洁”分离。所以水合物生成和捕集贮槽434设计成使残留流体做横向运动，也允许残留流体向上运动。这样，导致水合物残留流体混合物最初有相对少的向上移动的组成成分，这样就有助于水合物的沉降出来并且与前面描述的实施方案大不相同，那些实施方案提供更多的纵向流体运动，比较浑浊，沉降和分离特性较差。
至此所描述的实施方案中，水柱的重量产生水合物生成所需的压力。在这些实施方案中，水合物呈稳定状态的最浅压强深度，均远大于海平面处。海平面压强是一个大气压。所以，水合物在相对提高了的压强下开始离解。
上述许多实施方案可经改进，从而收集由该水合物释放的淡水，并捕集在发生离解的分馏塔区释放的气体，而不是在塔顶回收(地表水平；环境压力为一个大气压)那样会带来很多好处。特别是，需要相对大量的生成水合物的气体和气体混合物，以便给大量的水脱盐。因此，如果气体被捕集，处理后再注入，被保存并保持在高的压力(达到水合物开始离解的压力)下，必须处理的气体量会比下面的情况少的多，即当气体上升到该地表水平就完全地膨胀，压力就降到大气压。所以，如果生成水合物的气体压力保持为被压缩状态，将压力升高到注入生成水合物区所需的压力而需要的气体再压缩就少的多，因此费用就减少了。
在优选的实施方案600中离解和气体捕集和处理是受控的，系统保持为高的压强，如图15所示。在此实施方案中有形挡板610延伸过分馏塔并阻挡水合物浆液的向上移动。该有形挡板610的位置取决于具体使用的生成水合物的物质的稳定性极限，但是将位于水合物稳定区之上(即在较低压强深度)。当水合物离解时，释放的气体捕集构造620处形成一个气袋620，并进入一个气体回收和处理系统626，其时压强深度仍然远在表面1个大气压之上。(气体处理系统626可包含有液化某些气体的机构)。与以上所述的实施方案相同的方式，气体被处理并于629处再次被注入水合物生成区628，不同点是气体系统被维持在相当高的压强之下。
水合物离解区630向下延伸到某一特定深度，这由所用特定生成水合物的气体决定。因为水合物的离解是被“控制”在高的压力之下，离解反应通常比上述实施方案中所述的更慢些。因此，出现在离解/热交换区的热交换器632(与前述实施方案描述的有关)被设计成能适合特定的较慢的反应速度。进水634在热交换器632内穿过离解/热交换区，在636处被注入到脱盐分馏塔的底部，如前面的实施方案所述。
一个或更多的淡水旁流管640与离解区在641点相通，该点641位于淡水/含盐水界面644之上，但于水合物稳定区上界线648之下。该管子640带筛子或以其他结构方式防止水合物进入，把水合物释放出来的淡水输送到淡水积聚储存区666。灰色水回水管650把密度较大的、含盐更多的灰色水放回位于淡水/含盐水界面644之下的含盐流体中。含盐更多的残留水和/或带负浮力的水合物从该贮槽654中抽取，于658处被处理或移动除去，如以前描述的实施方案所述相同。输出的淡水的一部分可返回流体清除区，洗涤晶间盐水，如前面的实施方案所述(没有表示)，输出的淡水从660处抽出，该660处位于靠近淡水积聚储存区666顶部，远在有形挡板610的上方。
据现在构想，有形挡板610、淡水和灰色水回流管640，645、以及离解/热交换区630里的热交换器可以是这样的结构使得它们的位置可有不同，因此，允许不同的生成水合物液体、气体或混合气体用在同一装置中。有形挡板610和热交换器可纵向调节，而一系列有不同入口位置的旁流和回流管640、650可被设置并用合适的入口阀和出口阀设置为遥控开和关。用这种方式，从一种生成水合物的物质改变成另一种就很快和很方便地实现了。
在生成水合物的气体仍然在压力下，通过保存并充分处理以便再注入，可以得到很好的经济运行。液体或气体的从水合物生成所需要的压力降到从水合物内释放出淡水的压力的压力之变化可以控制在最小。而这又可使把捕集到的生成水合物气体从离解/热交换区之上泵回到设备底部的水合物生成区所需的能量消耗最小，特别是考虑到这样的事实以百分数计，液压塔(如上述任何一个实施方案)内最大的压力变化发生在塔的上部。另外，要处理输送的气体量(并因而气体处理设备和设施的规模尺寸)也将明显地减小。
作为可代替图15所示的结构的情况(没图示)，脱盐分馏塔的上部可以密闭，用一根连结的液压立管加压，从而使设备内近表面的压力与立管内压力高度相等。立管是安装在高的结构里的(如脱盐设施附近的建筑物)相对较高的压力可出现在位于地面的离解/热交换区的最顶部。
在本发明的另外的实施方案中，水可以在设备齐全的、机械加压的容器内脱盐或净化。这样的实施方案有几个明显的优点，包括这样的事实系统可以是任何不同大小的尺寸和形状以适应当地的条件、容量的限制以及淡水的要求等。另外，上述实施方案的系统是相对大规模的，因此是固定的、永久性的性质；设备齐全的加压实施方案以其建造和地点来说可以是临时的。单独的压力系统可占空间小、有效地生产淡水，即使在低容量的情况下。这样的系统可以在中心制造厂里制造，并在现场安装时只需最少的当地现场建造工作，现场可以是一座建筑物、甚至是一艘船，或其他的移动平台。
图16中示出一种机械加压的系统，其被制成使用带正浮力的水合物从水中提取淡水。进水用泵704被泵送，并把进水的压力从进水压力提高到操作系统压力。水从进水口711进入加压的水合物生成和分离容器710，一种合适的、生成带正浮力的水合物的物质在注入点712处被注入。(机构713的作用是液化一定的气体，当对脱盐过程有利可设该机构)。带正浮力的水合物714自然生成，并从残留水中上升到容器710的顶部，正如前述实施方案所描述的，然后聚集并浓缩。
有浮力的水合物浆液然后被允许进入输送和洗涤区720，然后进入离解/热交换容器722。(水合物浆液的流量由阀门734调节。)在输送和洗涤区720，水合物可用从淡水输出728中抽出的淡水726洗去残留的、晶间含盐流体。可用一个以上的洗涤循环完全冲洗残留流体，虽然洗涤的次数决定于分馏过程中分离的有效程度(对不同的气体和气体混合物的效果可能不同)，及浆液晶体组分的性质。
在水合物生成和分离容器710内和在离解/热交换容器722均由压力平衡贮存器系统732(一个容器一个)来保持压力，流体自一个容器到另一个容器的运动靠变化压力并使用串联的阀门734来控制。732系统每一个都有一台压力泵733，一个隔膜或气液界面736，用于提高或降低每一容器里的压力。容器里的压力是被控制的，使水合物保持为稳定的水合物直至它最终在离解容器722的顶部被收集和浓缩。这是因为过早发生的离解会释放出大量的气体，因此会引起不希望有的混合。另外，离解容器里的压力条件应控制住，从而将流体-气体混合物中产生的紊流减到最少，并促进含盐水和淡水的有效分离。
离解和热交换容器722可由数个在不同的水处理室中的数个连接的热交换装置组成。实际尺寸，通过量等取决于全系统的生产率，而全系统的生产率又决定于进水的温度、用于生成水合物的特定液体、气体或混合气体、热从系统中被除去的速率等。生成水合物的气体的分馏、浓缩、分离、干燥以及再利用均如前面的实施方案所述相同的方式下运行。所以，液化生成水合物的气体产生的热可以被吸收并用含有残留或含盐流体的热交换器除去。
机械加压的过程本身就不是如前面的实施方案那样连续的，本质上是分批过程。系统的压力是控制的，以便模拟如前面的实施方案中所述的压力的变化待处理的水被加压，并被注入到设备里，然后压力被提高和降低以控制水合物生成和离解反应的速率。
机械加压的实施方案具有多用性，压力可以控制为水合物生成提供最佳压力，并控制离解的速度。另外，不同的液体，气体和气体混合物可以在同一个设备里使用，同样的水可以用不同的液体、气体、及气体混合物处理数次。
还有一个机械加压实施方案800，这个实施方案利用带负浮力的水合物从待处理水中提取淡水，见图17。进水用泵804，从进水压力升到操作系统压力，并泵送进入加压的水合物生成和分离容器810，一种生成带负浮力的水合物的气体从点812注入。(提供机构813用于液化某些气体)。带负浮力的水合物814自然生成并经残留水沉降，如前述带负浮力的水合物实施方案描述，在带闸门的贮槽分离部分816收集和浓缩，而贮槽分离部分被打开和关闭来控制水合物的通过。
如同前面描述的机械加压实施方案，在系统内，压力通过压力平衡贮存器系统832(每容器一个)来维持，流体的运动可以由变化系统隔室内压力来控制。压力泵830和隔膜或气液界面836用以单独地提高和降低每一容器的压力。
当水合物浆液穿过输送和洗涤部分820并进入离解/热交换容器822，可以用从淡水出口828放出的淡水洗去含盐的晶粒间流体，淡水在水合物浆液离解之前从水合物浆液中除去它里面含的盐。
然后，允许水合物从输送和洗涤部820向下流，并进入水合物离解和热交换容器822，在那里水合物被离解，淡水、灰色水和含盐水被除去。进水和离解水合物浆液之间的热交换如同前面实施方案的描述的那样发生。离解在控制的压力条件下进行，以将气液混合物中产生的紊流减到最少并促进含盐水和淡水的有效分离。
优选的是能在离解/热交换容器822的上部提供一个浆液保持器和流体分离容器860，其构造上与上文描述及图13和14所示相似。罐860通过使用一根导管把残留含盐水沉降到容器底部使淡水和含盐水的混合减到最少，导管能使含盐水与较低密度的淡水分开。
如同机械加压带正浮力水合物实施方案的例子，离解和热交换容器822可由在数个不同的水处理室中的数个连接的、热交换装置组成。实际尺寸，通过量等取决于生产率，而生产率又决定于进水的温度、用于生成水合物的特定液体、气体或混合气体，热从系统中被除去的速度等。生成水合物的物质的分馏、浓缩、分离、干燥以及再利用均如前面的实施方案所述相同方式进行。
另一个实施方案900如图18所示，其更具有多用性，它用带正或负浮力的水合物从海水或污染的水中提取淡水。泵P和串联阀门914设置成分布在系统内。其操作视具体使用的生成水合物的物质，如在使用正或负浮力气体水合物的压力容器系统中说明的。
当可以使用多种不同的气体而所提供的气体或混合气体是不确定之时，这个实施方案是特别有用的。这种类型的实施方案可用于救灾，或远征军事行动，或者某个需要临时供应淡水但无须有重大的工程要求的地方。该实施方案包括有全部正、负浮力水合物的特性，机械加压脱盐分馏实施方案，包括使用来自淡水出口928处的淡水926洗涤残留含盐水。提供多个液体或气体注入点908，以及处理运输带正或负浮力的水合物的设施等。特别是，提供多个泵运单元P和流体控制阀门914来引导流体和水合物浆液在流体控制和洗涤单元916和水合物浆液控制单元918中流体和水合物的流动。气体处理系统944包括用于液化某些回收的气体和气体混合物所需的机构。
如上述实施方案所示，水柱的重量产生必要的压力，任何机械加压容器系统都可通过在将进水注入系统时使水不通过离解区进行热交换而使系统简化。需要提供更人工化的制冷装置，但操作与图16、17的带正、负浮力的水合物实施方案及图18所示“组合”加压力设备相同。
如以上所述，本发明的机械加压实施方案可能会极为灵活的。例如图19的装在船上的系统，待处理水的处理如以上实施方案所述，但是在更小的更紧凑而且建在船1000上的系统内进行处理。
由在这个系统中的压力和温度下及在周围的大气条件下是不可燃烧的液体或气体(如二氧化碳)生成的带负浮力的水合物是优选的，特别是当系统被安装在船上或可燃气体的运输处理构成灾害的情况下。
在装在船上的实施方案中，由水合物生成反应产生的一些热被水合物生成和浓缩容器内的热交换器所提取。因海水可以直接取得，所以是可能的。尚存在的热将在水合物浆液输送系统中，从水合物浆液中被提取。这个离解前的热量提取，使水合物离解的冷却效应达到最大，因为与残留被处理流体一起被除去的热量以外的其他热量的去除使得水合物浆液的离解过程从一个较低温度的水合物浆液开始，该较低的温度比存在的其它方式中的水合物浆液的温度更低。这样，所生产的淡水会被冷却很大程度。冷却水可用于吸收热并用以提供制冷或空调。淡水的处理如上述实施方案所述，热的残留水可用作低级的热源(虽然它更有可能被泵回大海。)对于机械加压的水合物分馏脱盐法安装在船上的系统是理想的。因为作为残留物处理的水可以立即直接被返回到海里去，使热除去过程达到最大效率。用于脱盐的进水口优选的是设在船的龙骨1010上越低越好，以分离进水和残留水返回，并使污染物的摄入减到最少，因为有些油类产品和许多工业化学品或漂浮在接近海表面处或随着接近海面而成比例地增加。
在船上返回大海的流体可有多个出口1020，使流体返回到近海面，较暖的水将漂流得远离进水口。另外船的移动产生极大的湍流，在船行进中湍流会把残留水和靠水平面的水混合起来。当船被系住，可以使用靠岸边的一个水源，或系统用淡水再循环尽量减少残留水的返回，或者脱盐分馏系统按最小水平生产，即维持一个能快速获得正常操作所要求的热平衡便可。如果船是锚定的或处于静止状态，残留水可以直接返回排到海里去。可以考虑风和浪来选择使用的残留水排放口，尽量减少对环境的影响，让残留水被最有效地带到远离船处。
类似的小型紧凑的系统可以制造成预先打包好的组件，这些组件可以被空运、海运或用卡车运到一个特定地点，例如说在灾害如地震之后，可很快地组装起来。在有的地方使用临时的或可移动的系统，与图1所示相似可以更紧凑的更小型的进水、排水、气体处理设备被采用。这些设计的特点是重量轻，便于安装，在不同的条件下都可操作。适用于从近岸的动力船上或其他供电点得到电力的发电单元或电力电缆，也是这一可移动系统的一部分，也可能是更大型的临时设施的一部分。
加压容器脱盐分馏系统也可以安装在托架上便于装到飞机和船上，也可装在商用集装箱里(全世界使用的运货集装箱)便于空运和路上运输。可以安装在车辆上或堤坝上或任何地点只要靠近海水或其他要脱盐或要净化的水。
最后，一旦海水通过加压的容器脱盐分馏塔和下游处理设施被循环所需的次数后，残留的海水即被直接泵送返回海里或保留给需要它的人。
如上所述，二氧化碳作为理想的水合物脱盐或净化的气体的原因之一是，它是极为普通的，事实上，是极典型的工业废物-特别是在燃烧矿物燃料时产生的废气之中。(对于大部分来说，燃烧矿物燃料的废气中含水蒸汽、硫化氢、二氧化碳和一氧化碳、氮氧化物(NOx)和氮气，除烟灰和其它粒状废物之外这些物质贯穿燃烧过程。
当用工业废气作为二氧化碳的来源进行脱盐和净化水时-这样的净化可能是处理的主要目的，例如生产可饮用水，或者仅仅是为了从废气排出物中捕集二氧化碳以便减少“温室气体”及其对环境的危害，而淡水只是个副产品-尽管如此，必须设置对气体的进行予处理的设备。具体说，用于同时从工业废气中捕集二氧化碳、生产脱过盐的、净化过的淡水的系统1100在图20中说明。废气1102由烧矿物燃料的工厂1104生产，该废气被输送通过干燥处理/予处理装置1105。原始废气予处理使用的是过滤器、吸收剂、静电机构、化学吸附技术、和/或催化作用，以除去大多数非二氧化碳组分。废气必须充分冷却，使二氧化碳水合物生成，该处理机构1105可包括用于这种冷却的机构1106，即让废气流通过热交换器。
被引入水合物生成容器1111之前，废气通过洗涤/形成水合物前置室1108。前置室1108可以是能被加压的大部分充满水的室。当前置室1108事实上承受压力时，废气在足以生成硫化氢水合物的压力状态下通过该室里面的水。见图21，硫化氢水合物在比二氧化碳水合物形成所需的温度/压力高许多的条件下形成，因此，在以前初步处理中没有被除去的该废气中大部分硫化氢通过以下方式被除去在前置室1108中生成硫化氢水合物，然后在通过洗涤固体水合物时除去。
来自废气的洗涤残留物，包括烟灰、部分燃烧了的碳氢化合物、少量的金属和盐形成的固体颗粒，以及当前置室1108被适当加压且废气中有硫化氢时硫化氢水合。(固体颗粒仅占废气中的很少部分。)硫化氢水合物生产出来后，然后离解为硫化氢和水，同时生成的还有硫酸和其它的氢-氧-硫的化合物，这些附属品与留下的固体废物一起构成浓缩的有害物质，需用本领域普通技术人员公知的方法处理排除有害物质。
硫化氢水合物的密度，没有深入研究过，计算值是1.05克/立方厘米，曾测定为在1兆帕斯卡下的1.004克/立方厘米和在100兆帕斯卡下的1.087克/立方厘米之间。因此其密度就和淡水差不多。所以，如果1108前置室里充满了水，硫化氢水合物在沉降中不会与前置室1108里的水分离，特别是当大量的气体快速上升从前置室里通过时。在低浊度条件下随着气泡上升通过水浴，硫化氢水合物倾向于上升到前置室1108的近水面处，在那里聚集并形成一个富水合物层，废气通过该层时会冒气泡。另一方面，因为上升通过前置室里的水的大量的废气，将会引起极大的浊度，硫化氢水合物似不会因重力分馏而自然分离。因此，在水充满的前置室1108的情况下，就必须定期冲洗前置室，这样生产就不会是连续的了。
或者，如果前置室1108是加压的、并大部分是气充满的(实际上这是优选的)，可以用热交换系统1107取出的喷淋水1109以有效地洗涤和冷却废气，同时让硫化氢水合物生成。喷淋水将充满前置室的全部，但下部除外，带有落入容器的底部的雾滴。(从水雾中蒸发出来并随后进入水合物生成容器1111的水将直接成为淡水产品的部分。)固体物质和形成的任何硫化氢水合物从洗涤水中分离出来，当洗涤水冷却该废气时它也被分离过滤器1110加热。(分离过滤器1110也可用于一个上文刚刚提到过的实施方案，其中前置室1108是加压的、充满水的，用以过滤洗涤水。)固体废物含有浓缩的有害物质必须根据有关公认的方法予以处理，加热了的洗涤水可返回热交换系统1107。
废气1102通过中间冷却器1113已被充分冷却，以便在操作压力和温度条件下例如通过象前述冷却进水的过程一样自然生成水合物，然后充分予处理过的废气1102′进入水合物生成容器1111。水合物生成容器1111是被加压的并被构造成与图17所示被加压的水合物生成容器基本相同，或它的结构达到图18所示生产带负浮力的水合物的要求的加压容器。就这两个实施方案来说，含盐或污水和含二氧化碳的废气被引进到水合物生成容器1111，控制压力和温度条件，以便生成二氧化碳水合物，如上文所述。(象刚提到的实施方案，操作是分批的不是连续的。)残留气体如氧化氮被排放出系统。
二氧化碳水合物1112然后被输送到被加压水合物离解容器1114，该容器1114可如图17所示设置于水合物生成容器下方，或如图20所示接近水合物生成容器(与图18所示相似)。图22更详细地表示出水合物离解容器1114。大体上与图17和18所示的加压水合物离解容器相似，不同点在于一个加热元件1115，加热元件1115优选的是构成系统里的热交换子系统1107的一部分，加热元件1115被提供，同时还有一个附加出口1120用于从容器里除去液态二氧化碳。浓缩的二氧化碳水合物浆液被引入容器1114，如上所述，它进入容器是由阀门机构1122控制的，使得二氧化碳水合物浆液以分批的方式进入。(这是必要的，因为水合物离解容器中的压力要上升到比水合物生成容器1111的压力高。)或者，可用串联浆液泵以保持下游水合物离解容器内的高压力。水合物由浅槽1124中的隔离屏1113保持在容器1114的上部，在那里水合物离解。
通过控制容器1114内的压力和温度条件，二氧化碳水合物的离解被控制以生成淡水(如前述实施方案所述)和液态二氧化碳(与气态二氧化碳相反)。特别是如图23所示，当水合物被引入离解容器1114时，是在A点附近水合物稳定区域中的压力和温度条件下，即在水合物保持稳定的条件下被引入的。(用阀门1128让一种惰性气体进入气压立管1126，就可能以该立管来控制该离解容器1114内的压力。)离解容器1114内的温度被用升高，即通过吸收周围的热量提高温度，但更理想的是通过热交换器1115把从热的废气除去的热主动加回到系统里来提高温度。或者，也可在废气在机构1106和1108中被予处理之前，使离解容器1114周围的废气流动通过导管(图上未表示)而有利地升高温度。
当从热交换器中被引入的热使得温度上升，系统沿P-T曲线1130向右移动并越过相区边界1132，在此点水合物离解生成二氧化碳气体和淡水。但是因为容器是密闭的所以当水合物继续离解，压力和相应的温度都继续上升。当温度和压力提高时，系统继续沿P-T路径1130向右移动，但是压力提高的速度已经足够高，使系统沿着移动的P-T曲线向下跨过二氧化碳液相线，以及该二氧化碳气体在点B冷凝成二氧化碳液体。(点B正好代表一个离解在此完成的系统温度和压力条件的一个例子；确切的条件比起确保水合物离解容器内最终压力/温度条件处于液态二氧化碳稳定区是次要的。在操作中系统可能会较快地穿过相图中二氧化碳气体存在的部分。在那些情况下，水合物将基本上直接离解为二氧化碳液体和纯净水。
或者，用气体阀门1128控制离解容器1114的增压，压力可足够快地提高，使二氧化碳不进入气相。系统将沿P-T曲线1130移动通过水合物稳定区1132并直接进入液态二氧化碳/水区1134。但是两种情况的结果本质上都是立即生产液态二氧化碳和淡水。
当液态二氧化碳和水从系统中被除去时，废气中的不生成水合物的成分例如氮氧化物和氮气，将通过用阀门控制的排放系统1150从系统中释放。
(至此还有另一个不是很优选的选择，如果系统里的压力升高被控制在不是如这两个实施方案那样高，气体二氧化碳而不是液体二氧化碳将被释放。如此则气体二氧化碳可在容器中的较高气体压力下，但低于水合物稳定需要的压力下，(例如200到300个大气压)，从水合物离解容器1114除去，并用工业上使用的标准设备和方法以较低的温度压成液态。将加压的二氧化碳从已加压的气态压缩成液态是比较容易的，因此费用也比将气态二氧化碳从接近标准大气压的条件下压缩成液体二氧化碳要低些。)如图23所示，当在离解的终点B所存在的压力和温度条件，液态二氧化碳相对于二氧化碳水合物离解生成的淡水来说，将带正浮力。另外，液态二氧化碳和淡水本质上是不混溶的。所以液态二氧化碳将浮在由水合物释放出的淡水的上面，界面1152(图22)处于二者之间。然后通过阀控制的出口1154取出淡水，而液态二氧化碳则通过阀控制的出口1120被取出。该淡水会饱含溶解的二氧化碳，并可能含有能在压力下排出的二氧化碳的微滴。淡水可以用作任何想用的目的，如饮用水，二氧化碳因是液态的可以很方便地运走，并可用作不同的已知商业用途或处理掉(即泵到深海里用于多价螯合作用)。沉降到系统最底上的任何残留含盐水通过阀门控制的出口1156提取并被处理，如上述。优选的是，虽然二氧化碳和水基本上不混溶，可以用一根导管1158从塔盘1124延伸出去把密度大一些的淡水引向密度小一些的液态二氧化碳之下，这样分离出来的水就可以向下流而不必流过二氧化碳。
最后，图22显示，系统进水象先前的实施方案描述的那样穿过离解容器1114。但是，因为热通过热交换系统1007加入到系统里，从而温度移向如图23所示的相图的右边，水合物吸热离解过程将从水里吸收较少的热，因此进水不会被冷却到先前描述的实施方案中的相同程度。所以，为了水合物的生成可能还需加上一些补充的冷却。
最后，尽管干燥处理/予处理设备1105、前置室1108、水合物生成容器1111、和/或水合物离解容器1114中的每一个虽然只是表示出一个，在单独一个系统里可能使用很多个。例如，可能是理想的甚或是必要的，为了减少水中的非二氧化碳物质的浓度，废气在引入水合物生成容器1111之前经过数次循环，否则，非二氧化碳物质可能会使水的味道变坏。
本发明还有一个实施方案，该实施方案公开的脱盐设备使用自然和人为两种增压方式达到适合于水合物自然生成的压力。本实施方案，在图25中示出，由水合物生成和残留水分离部分1200及离解部分1204组成，如上文所述，例如与图2有关的描述等。但在此实施方案中，整个脱盐分馏塔用人工和自然两种方式增压，以期取得两种方法的有益特点。具体说，设备的上半部是人为增压，竖筒的下部同时利用水柱重量和该水柱顶部的压力来增压。(约10米的海水产生的压力相当于一个大气压。)这些条件都是随着当地的重力场和待处理水的密度的不同而不同。这些区别将在设计每一个系统时考虑。如图25所示压力平衡储存器1219产生的人工压力“X”大气压(大气中的压力)加上水1206的重量(用‘Y’米深度表示)产生的竖筒压力，得到一个较低的塔1208的底部的压力‘X’+‘Y’大气压，这个压力适合于使气体水合物自然生成。例如，如果来自泵1219的人为增压大约是20个大气压，分馏塔1206大约是300米(“Y”)，那么塔1208的底部的压力就是约50个大气压，或20个大气压“X”和30个大气压“Y”。
如图示25，一个进水设备进水给脱盐设备1200。在一个实施方案中，进水是通过进水口TI(1215)提供的，它优选的是安装在浅水区。从TI进的水用泵和压力调节设备1216被泵送并注入到如图25所示的靠近水合物生成区的脱盐设备1200。从TI抽入的进水将被泵压到的压力(使用的泵没有表示出来但本领域的技术人员都知道和理解)与分馏区1204上部人工保持的压力大致相等。
在本发明的一个优选的实施方案中，进水是从水进口1210处的深进水口T2取得的。深水进水T2达到海洋1212的压强深度X(X压强深度是用米深表示的)，就是说，优选的是与设备顶部的最小压力，或者是用人工保持的分馏区1204上部的压力(大气里的‘X’压力)相等。例如，如果脱盐分馏设备顶部的最小压力是20个大气压(与200米水深相等)那么进水点T2的深度‘X’优选的是是200米。从深处取水将起到节省大量用于抽水到达脱盐设备1200的上部的操作压力‘X’所需的能量。其他的从深部取水的优点是，深部的水更干净，并含更少的现代工业污染和化合物(例如PCB)，比表层水更冷所以冷却需要少，并且保持更稳定的全年温度使得脱盐分馏设备的运行更有效。这个实施方案，除了其他优点，还促使整个系统的压力平衡，从深部取水处到加压脱盐分馏塔，可能还包括其他地方。
如图25所示，进水可以来自T1或T2，或者二者的结合。在进水从T2来的实施方案中，进水装置包括一根或数根大直径的取水管1214，取水管的强度要足够以能安全地承担全部人为增压。管子装置的下部和初级过滤设备(如前面的实施方案所述)优选的是在设计时考虑到更高的环境压力，因此制造的时候就没有必要有同样的强度。进水管优选的是要足够大，使遥控的水下车辆可以开进去检查和维修，特殊形式的这类车辆在近海工业使用已很普遍，并能为这些目的进行改造。为了提供脱盐分馏塔的连续操作并提供连续的淡水供应，优选的是设有多个加压设施1216，该设施将提供维修，泵的载荷共享和应急情况时的备用设施。例如，在一个实施方案(没表示)中，进水管可用集管分成三个分开的平行的分支来，每一个分支都包含有相似的泵和流体压力控制装置。一种实施方案是，一个分支用作当前的生产，一个用于维修，以及一个分支作为备用。这样的结构，可以保证进水的连续流动。
在进水泵现场(没表示)或进水装置的其他地方的单向阀将防止系统泄压，虽然进水处的压力应平衡整个装置的任何压力损失。如果脱盐分馏塔有压力损失，当从T1进水时，因为泵装置的进水口在低于海平面的1218处，或在等于或低于人为增压下进水在进水口不会放空。
水合物脱盐分馏设备中的压力通过压力平衡储存器系统1219来保持，在一个实施方案中压力平衡储存器系统1219压缩一定量的气体，从而把液压力完整地施加到流体的体积上，这与前述实施方案描写的相同。与已介绍的实施方案相似，每一个水合物生成塔可以使用一个以上的离解室。在离解是在压力控制条件下发生的情况下，气液混合物中的紊流及气液的最有效分离都达到性能最佳化。前面的实施方案中也介绍过，通过减少离解阶段和水合物生成阶段的压力差，压缩生成水合物的气体的所需要的泵运也随之减少，这在很大程度上减少了生产成本。另外，可以通过控制人为加压的变化来控制水合物离解的速率。
在这个实施方案中回收在高压下离解产生的生成水合物的气体，是很有利于减少为了把气体泵压到其能被注入到脱盐分馏系统的水合物形成区的压力所需要的能量。如上所述，要处理的气体体积减少了，因为压力已经增到大大超过于大气压。另外，优选的是其体积只需通过泵压来减少到小于其体积的一半，如此可以比从大气压力下用泵将其打到水合物生成压力少用许多能量，体积也可以小许多倍。
因为输出水1220将与它从设备里输出液面的压力相等，在这个压力下保存的能量可以用几种方式利用。虽然一些予处理脱盐分馏塔泵1216和后处理脱盐分馏塔泵1222和其他设备可能需要增加能量，这些设备优选的是包括双向压力关闭阀，生产出来的水中含的位能将是大量的能量。首先它可用来使水克服其重力向上，例如通过输出口1224到达一个约等于那一等值高度的大气压的液面。这样，如果输出水保持为20个大气压，(相当于200米水深的压力)，水的压头就将很自然地使它向上到这一高度。
从被加压产品水和排出的残留水中直接回收能量可以有许多方法。例如，在其中的一个实施方案里，被加压的输出水，如出口1228，可以穿过水力发电厂，作为当地利用的水的压力逐步下降过程的一部分。鉴于事实上这里讨论的脱盐系统优选的是大型的，发电的规模也是很大的。
在本发明的另一个实施方案里，可用部分人工加压的设备，安装在有些地形上的低洼低于海平面的地方，例如南加州的撒耳顿海(Salton Sea)、死海(Dead Sea)洼地以及中东(Middle East)流域一带。如图26所示脱盐设备1302，人工加压是由进水设备内的水重量压头产生的，而不是人工泵压产生的。在这样的地理位置中，脱盐分馏系统可在离海较远的地方建立不必付出泵运水的费用。进水管1306一旦用旁通泵抽满了水就成了一条虹吸管(图上未表示)。旁通泵优选的是与主水液流中分离，以减少紊流并于进水管道装置需要再注水时保持为一台应急泵。本质上，一旦管道1306注满就变成一条虹吸管子，水可以通过该虹吸管自然地从海里流到低于海平面的地形上的低地1310。
图26表示的脱盐设备1302结合前面介绍的实施方案的建造。
进水管1306的开口优选的是放在尽量浅的水里，使虹吸作用能提升水上升的地形高度高于海平面，从而使洼地里的水压头达到尽可能高。所有的进水优选的是都有初级过过筛系统，应可以在原地维修和清洁而不会使整个进水装置系统停工。或者，进水上可以用一个水提升器执行，它在进水的浅水区通过虹吸作用引起的负压的吸力而工作。如此则可在抽取浅水时，同时抽取深水，从深海取出的水更冷些和更清洁些。水提升器进水装置可包括进水管子，它延伸到深水但包括可以变化浅水取水规模大小的措施。水提升器进水的原理与用于挖掘沉积细粒而不会破坏挖掘地点的清晰度的由潜水员操作的气提装置挖掘细粒沉积的原理相似。在一个气提设备里，压缩空气被压入管子的底部，管子总的来说是直立的，只有顶部顺流下倾。当空气上升把水带上来，在管子的下开口对水和沉积物就形成了吸力。
在水提升器进水装置里，水在浅水的开口处被虹吸效应的负压吸入，虹吸效应是进水端与进水处洼地端之间的压差产生的，从而给在管子里的更深处的水带来轻微的二次吸入效应。可以用滑动或转动筛、闸阀、其他形式的阀门或水流控制装置来变化进水的体积，二次吸入效应得到控制，从而使进水系统的深部水提升达到最佳化，其他操作事项再做整体考虑。吸入是可以变化的，以便产生深水上升活塞的动量。轻微的抽吸力已足以提起大量的深水，特别是一旦在管子内产生深水活塞向上的动量以后，因为重量压头只是深海水和表层海水的不同密度的函数，这种不同是很小的(虽然随现场和季节不同而不同)。水能被提升的深度是由开始虹吸效应必须的水的较大重量来平衡的。这意味着进水管子(虹吸效应要低于它才会起作用)的洼地侧的海平面之下的地形高程是低于如果全部水从浅水取的深度。
或者，当在脱盐分馏塔现场的需要的压力可能高于水压头全部压降的需要的压力的情况下，进水口可以被设置在海的更深的水中。在压力可以比洼地里水压头全部压降的需要的压力高的情况下，水力发电装置可以设立在洼地和脱盐分馏塔所在的海平面以下还要低的中间高度上。脱盐分馏塔的每一个进水现场、水力发电厂的位置、以及为取得满意的水压头作的有关地形的布置都是随现场不同而不同的，许多变换的方案都是可能的，这要看需要的水产量、结合的水力发电和附属的工厂的需要。
在效果上，本实施方案的总压力完全是自然增压的结果，但是受控制以使效果上是部分人工加压的设备。首先人工加压是洼地里低于海平面的进水装置的水的重量提供的，或者说由在进水装置的某一部分中的水重量提供以提供了需要的压力。然而，这在该设备里被视作为一个整体，而压力是脱盐分馏本身以外引进来的。泵和压力调整装置1316除了具有控制脱盐分馏塔水流的能力，还具有切断和分流进入的高压水的设施，因为不然的话会出现超出设计要求的超高压。
也是如图26所示，最大的能量能通过把产品水和残留水(例如图25中的产品水1220和残留水1224)都穿过在1320处的水电厂而回收。虽然有可能一些产品水将在自身固有的压力下自动向上泵压，本质上全部残留水都可于在进入洼地的沉降和干燥盘之前经过水力发电厂。水力发电设备的布置可能决定于工程和电力输送方面的考虑，水力发电设备也起减低压力的作用。水力发电设备在进入的线路上优选的是与保持脱盐分馏设备自身内部压力的设施分开。
在图26显示的实施方案中，优选的是没有残留水作为水合物脱盐工艺的副产品被返回。这样，要被处理的水的提取环境不会受到影响，只是有更多的海水流入。脱盐装置可以在生产中生产尽可能多的淡水，因为残留水优选的是作为工业原料生产海盐，提高它的含盐量到最大值是理想的。在上两个实施方案的装置可以安装的地点中，工业盐的生产已经确立。淡水和高含盐的残留水都可满意地交付使用了。
在本发明的另一个实施方案中，进水通过上升经过离解室中离解的水合物的热交换器冷却(即通过一系列的进水立管或管子)。当进水在热交换器中上升，它连续与更冷的水相互接触，使进水得到充分冷却。这样可以减少冷却离解生产的淡水的需要，离解区不能把进水冷却到离解室(假定温度平衡)生产的淡水的温度以下。当离解室下部生产出来的水与处于那一高度的热交换器中的进水温度达到平衡，它并不再次与已经交换过热量的水接触，因为粒间水浆液中的水的总的流动是在水合物浆液中向下流，而被冷却的进水在热交换器中上升。换句话说，当进水在热交换器中上升时，它继续冷却，温度平衡的生产出来的水继续向下移动。这样水合物浆液/生产出来的水中可以得到有效的温度分层，它们上行会进一步冷却。因为该过程是高度动态的，水合物继续与离解出来的气体向上行，生产出来的水下行时持续不断地被新生产出来的水取代位置，不同温度的生产出来的水的密度差并不明显不同，在生产的水中从重力分馏引起很小的混合和浊度是可以预期的。
本发明还有一个实施方案，公开了一个离解区使进水穿过离解区分级冷却。如图27所示，离解区1404带有导流板1402，导流板安装成沿进水1406移动的方向横跨离解室。导流板1402优选的是封闭离解室的顶部，能有效地对除了离解区1404较低部分以外分段。图27所示仅是个例子，导流板1402把冷却分成四段，分别用1、2等数字表示。当然，分段还可多可少。
在离解区1404，充满水合物，水合物由于其自身的浮力向下洗涤间隙残留流体，将起到整体上驱动在设备里的淡水和含盐水之间界面向下的作用。进水的热交换器1407穿过在冷却段1-4的离解室1404的顶部连续聚集和离解的水合物。当进水1406继续沿着热交换器的管子1407前进，它继续冷却，温度平衡的产出的水继续向下移动。在第一冷却段(用1表示)中靠近进水1406的入口处的生产出来的水将与热交换器管子1407里的进水达到温度平衡。第一冷却段“1”中生产出来的水优选的是不要再次与穿过离解区1404的热交换器1407接触。
进水1406在经过离解区1404的段1-4的每个时变得逐渐地更冷。产出水1408在跨过最后一阶段被进一步冷却。冷却可以根据进水的温度、离解反应对热的需求(决定于具体的水合物和气体或混合气体)和离解在部分人为增压实施方案的控制状态下进行的速率，有几种分段方式。例如，在一种实施方案中，在几段的出口的温度分别是，第一段，摄氏15度；第二段，摄氏10度；第三段，摄氏5度；第四段，摄氏1-2度。进水在经过离解室或各离解室的过程中准确的温度分布是否进水被再循环和分级的数量影响设计的其他的操作方面的考虑，取决于以下情况水的产量、由水合物提取的水的程度、其它无效热能和流动，进水的温度以及进水温度和其他性质将变化的程度等。
本实施方案的另一方面，提供了用机械来分布水合物到离解或热交换器各段的方案。机械分布水合物的结构优选的是设置在设备竖筒的上部，在那里水合物靠浮力向上流动，或者被设置在离解室1404的下部。例如，方向可以转变的转向式导流板(未表示)可用来或多或少地接收带浮力的水合物到需要的离解室。控制过程优选的是相互作用的，用计算机作实时监控控制水合物分布，达到需要的冷却效果。
理想地，进水的稳定温度约是优选的摄氏4度或更低(优选的目标温度约是摄氏1到2度。)。因为在那个温度以下水的密度提高，会提高注入气体生成的水合物-水浆液的分离。
在图27所示的实施方案中，淡水、灰色水和残留水以与前面的实施方案所述相似的方式从该系统中被取出。例如，淡水是在放水阀1410处被取出，灰色水是在放水阀1412处取出的，残留水是从竖筒1420取出的。另外，根据这个实施方案，从离解的水合物中来的气体被气体收集器1416收集，并从离解区输出。气体压力平衡泵和压力罐系统由1426表示。输出的气体返回进行气体处理且返回系统在1428处说明。
本发明还有一个实施方案，水合物离解是受控的，以能使进水提高冷却程度，提高淡水的产量，减少流体浆液内的浊度，降低浊度也提高淡水的产量。可以用两种优选的方法控制水合物的离解，两种方法在操作时可以结合也可以互换。其中的一种操作方式是通过控制设备离解区上部的压力从而使压力在生产淡水的全过程中基本相同以保持竖筒1208(见图25)底部的水合物的生成连续不断。用泵压缩(人工方式)维持离解区的增压，当把压力加到竖筒中水的重量产生的自然加压时，产生适合于水合物连续、自然生成的压力(在足够低的水温下)。水合物连续生成与连续的水合物离解和连续的淡水生成相对应。
当人工加压在严密的控制条件下变化时，可以产生显著的益处。变化的目的是提高进水冷却或二次制冷系统的冷却效果。效果是通过提高设备里的人工加压达到的，这将使竖筒底部增加生成水合物并使水合物在离解分馏设备内升到更高的液面。人工增压的提高具有提高水合物稳定区的深度和相边界的作用。施加适当的人工加压可以使水合物保持稳定或中等稳定状态，直至水合物完全置于离解区之中。这样，离解的吸热冷却效果被集中在设备的最上部分，在那里设置着装有进水的热交换器。控制压力还将使水合物在离解时变得浓度更高，从而使生成水合物颗粒之间的液体的间隙水的混合减少，这样可以增加淡水的产量。阻止离解区之下的离解活动也可以减少流体浆液内的浊度并防止混合，这样也可以提高淡水的产量。
用控制的方式变化压力也提供了对离解过程本身的严密控制，此法可以视情况需要使淡水生产和冷却均最佳化。在比较高的压力维持低的离解速率，会抑制冷却和淡水生产，但是生产出来的水可能更纯净。在高速离解时，当水合物开始在竖筒内更向下一层离解，淡水的产量提高了但是冷却效果被减少到最低点。准确的操作程序取决于进水的温度、使用的生成水合物的气体或混合气体以及水产量的需要等。
变化人工增压可能会产生变化竖筒底部水合物生产速率的效果。在某些情况下，当压力的人工提供部分充分降低了，竖筒底部的压力不足以使水合物自然生成。这是因为，在塔的水重量造成的压力之外还需要有足够的人工增压。在这种情况下，如果需要使用最大冷却或有其他的操作方面的要求可能利用人工增压，水合物的生产可以是间断的或周期性的，而不是连续的。淡水的生产也可以是间断的或周期性的，而且可以在人工加压足够高的时候，让水合物在压力被允许降低到水合物开始自然离解之前在离解区顶部利用其自身浮力聚集。
虽然本发明的特定的和具体的实施方案已详细地公开了，对本领域普通技术人员来说可以做许多的改进，而这些改进包含了本发明的构思。这样的改进也被认为是在下面的权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种用于对含盐水或其他污染了的进水进行脱盐或净化的系统，上述系统包括一个具有较低的水合物生成区的脱盐分馏系统；一条进水导管，该进水导管被布置成将进水提供给上述水合物生成区；和一条供气导管，该供气导管被布置成将生成水合物的气体提供给上述水合物生成区；上述系统还包括一个水合物离解区，该水合物离解区设在上述系统的上部，并且与上述水合物生成区流体连通，其中上述水合物离解区是人工加压的；并且其中在该离解区的人工加压和在该水合物生成区的自然加压相结合以便在该系统的水合物生成区产生适合于水合物自然生成的加压状态。
2.如权利要求1所述的系统，其中上述水合物离解区通过一种压力平衡贮存器系统被人工加压。
3.如权利要求2所述的系统，其中上述压力平衡贮存器系统压缩一定体积量的气体，以便将液压力施加到遍及在上述脱盐分馏系统中的流体量。
4.如权利要求2所述的系统，其中上述压力平衡贮存器系统位于上述离解区的上部。
5.如权利要求1所述的系统，还包括一台泵送和压力调整设备，其将进水在一个压力下泵入到该系统里，该压力约与上述系统离解区内人工保持的压力相等。
6.如权利要求1所述的系统，其中上述进水导管在其一端有一个进水设备，并且其中上述进水设备能定位在一个压强深度，该压强深度约与上述系统离解区人工保持的压力相等。
7.如权利要求1所述的系统，其中上述水合物离解区是通过在进水导管中所含的水的重量的水柱压力被人工加压。
8.如权利要求7所述的系统，其中上述进水导管将水虹吸到该系统中以在该离解区中产生该人工加压状态。
9.一种用于对含盐水或其他污染了的进水进行脱盐或净化的系统，上述系统包括一个具有一较低水合物生成区的脱盐分馏系统；一条进水导管，该进水导管被设置成将进水供给到上述水合物生成区；并且一条进气导管，该进气导管被设置得将生成水合物的气体供给到上述水合物生成区；上述系统还包括一个水合物离解区，其设在上述系统的上部，并且与上述水合物生成区流体连通；并且其中该进水至少部分被冷却，冷却靠着下述方式实现使进水通过该离解区而与该离解区有热交换关系，从而当位于该离解区的水合物作吸热离解时，就从上述进水中吸收热量。
10.如权利要求9所述的系统，其中上述水合物离解区包括与上述进水存在热交换关系的多个冷却段。
11.如权利要求10所述的系统，其中上述冷却段被隔壁分隔开，这样就可防止水合物从一个冷却段横向移到另一个冷却段。
12.如权利要求10所述的系统，其中上述冷却段与水合物生成区流体连通。
13.如权利要求10所述的系统，其中上述进水被输入到一个热交换设备中，该热交换设备横向延伸跨过上述多个冷却段。
14.如权利要求13所述的系统，其中上述进水在穿过上述多个冷却段中的每一个冷却段时逐渐地变得更冷。
15.如权利要求14所述的系统，其中被布置成将进水输送到上述进水导管后面的上述水合物生成区的上述进水导管穿过上述多个冷却段中的每一个冷却段。
全文摘要
本发明公开了用于盐水(和污水净化)脱盐的方法和设备。含盐水(或其它污水)被注入到一脱盐系统中并降到一脱盐分馏塔的底部，在此处，上述含盐水等与生成水合物的气体或液体混合就生成了有正浮力的(也称为辅助浮力)或有负浮力的水合物。该水合物上升或下沉或进入较低压力区并离解(熔化)成气体和纯水。在优选的实施方案中当该水合物在较浅层吸热离解时，被水合物生成过程释放的热量加热的残留的盐水从系统中被除去，产生一种全面冷却的倾向，并且进水被通过与热交换有关的离解区，从而被充分冷却，以便压强深度处生成水合物。由该系统所产生的淡水充分地冷却就可能被用于冷冻、空调或其它需要冷却的地方；从具有被加热的残留水的系统中除去的热量可以用于加热或其它应用场合中。在其它实施方案中，脱盐或其它纯化在“人工”或机械加压容器中进行，这些实施方案可能相当地灵活。这样的压缩系统可以用于捕集工业废气中的二氧化碳并提供液态二氧化碳。
文档编号C02F1/52GK1703373SQ01813727
公开日2005年11月30日 申请日期2001年6月25日 优先权日2000年6月26日
发明者迈克尔·D·马克思 申请人:海水脱盐系统有限责任公司