专利名称：溶液分离及海水淡化的方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定温蒸馏法，以及使用该方法的多级真空蒸馏、冷却、结冰的溶液分离及海水淡化及其设备，特别是涉及一种利用排液真空法产生的真空容器所提供的真空环境，使脱气溶液经液气界面或液固界面而将脱气溶液蒸发、冷却、及结冰的多级真空蒸馏、冷却、结冰的溶液分离的方法以及海水淡化的方法及其设备。
背景技术：
常规的溶液分离技术，广泛地应用于一般性的蒸馏、药液的浓缩、或海水的淡化等领域，该技术属于溶液的分离。
为达到上述目的而将大量的溶液利用加热法分离时，将消耗相当的能量，且不经济。例如，在水淡化中，直接加热使溶液中的水分成为蒸气，在以真空泵抽出蒸汽，这样需要消耗很大的能量，并在水分分离的过程中盐分将不断的提高，需要不断的能量投入才能将水分分离，此种方式很不经济。
又，在高温加热过程中所产生的各种盐结晶，于制程中将会产生结垢问题，致使凝结器的效率大为下降，造成能分离出的水分有限，不符合大量使用的需求。
由此可见，上述常规方法仍有诸多缺陷，亟待加以改良。
发明内容
首先，本发明提供一种定温蒸馏法，其利用定温蒸馏单元实现，所述的定温蒸馏法包括以脱气溶液实施排液真空法，来设定定温蒸馏单元的初始状态，使脱气溶液、蒸气及凝结液流经的导管、蒸发容器及凝结器产生真空并密闭；将压力调节阀关闭，在真空的蒸发容器内注入脱气溶液达适当高度。设定蒸发容器的真空蒸馏的温度，使脱气溶液在真空蒸馏的温度下进行沸腾蒸发，所述温度低于脱气溶液及热循环溶液流入蒸发容器及液气界面的温度；使蒸发及凝结的热循环维持平衡，且回收蒸发热及凝结液。其中，脱气溶液可以为一般的混合溶液如废溶液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
同时，本发明提供一种实施定温蒸馏法的定温蒸馏单元，所述定温蒸馏单元是真空冷却的定温蒸馏单元，其包括一个蒸发容器，所述蒸发容器以一凝结导管与凝结器连接，使产生的蒸气导入凝结器内；一个压力调节阀，设于凝结导管的适当位置，当蒸发容器在所述设定的真空蒸馏的温度的饱和蒸气压下，控制蒸发容器的蒸气的排出量，并维持蒸发容器内的压力·一个凝结器，所述凝结器以回收蒸发热的热循环溶液，经导管及控制阀门，以相同流量流入及流出凝结器内，吸收蒸发容器产生的蒸气的蒸发热，以提高其温度，并凝结蒸气为凝结液，最后凝结液排入真空容器内而回收；利用低位容器及其附件，在适当高度差下，使脱气溶液、蒸气及凝结液流经的导管、蒸发容器及凝结器产生真空的多个导管及控制阀门；其中，一定温度的脱气溶液经导管及其控制阀门各以一定流量流入及流出所述蒸发容器。
所述定温蒸馏单元还可以进一步包括一个液气界面，所述液气界面设于蒸发容器内，提供蒸发热的热循环溶液经由导管及其控制阀门，以相同流量流入及流出液气界面，并透过液气界面的热质传导，使蒸发容器内的脱气溶液蒸发，这样，该定温蒸馏单元构成一个真空蒸馏的定温蒸馏单元。
本发明的目的在于溶质浓缩。在不耗费过多能源及使用较低的温度范围的原则下，利用多级真空蒸馏装置，以脱气液体实施排液真空法，使蒸发容器产生真空，因真空蒸馏的温度及压力的使用范围增大，所以真空蒸馏的级数得以增加，配合定温蒸馏法、溶液的传递、及热循环溶液的再生，使溶液得以分离及回收一定的能量作重复性地使用，依热循环溶液的温度梯度而设定各级真空蒸馏的温度，使脱气溶液的分离成一多级真空蒸馏，则单位能量分离的溶液得以提高，其排出的低温的浓溶液以真空冷冻干燥法作进一步的溶质浓缩。
本发明的次一目是在降低海水淡化的成本。因温度及压力的使用范围增大，有助于增加真空蒸馏的级数，进而增加水的产出量，另一方面，因为水的蒸发热约为凝固热的7倍，所以结冰法消耗较少能量而产生相同的成品水，多级真空结冰产生的低温浓海水及融化的冰晶可有效降低多级真空蒸馏最后一级排出的热循环溶液的温度，使真空蒸馏的级数增加，增加水的产出量，最后，低温的热循环溶液依级数递减的方式回收蒸发热，使一定的能量作重复性地使用，多级真空结冰所需的低温海水是来自多级真空冷却的最后一级，而多级真空结冰产生的冰晶是由多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸气来融化，因此结合多级真空蒸馏、多级真空冷却、及多级真空结冰可有效降低海水淡化的成本。
本发明的另一目的是在降低建厂的土地成本。多级真空蒸馏、多级真空冷却、及多级真空结冰的脱气溶液、蒸气、和凝结液流经的导管、蒸发容器、凝结器、及结冰容器是利用排液真空法使其产生真空，排液真空法是利用拖里切利的压力支撑液体高度的真空原理，因此第一级的蒸发容器或结冰容器叠于第二级之上，第二级叠于第三级之上，以此互相堆栈成一塔状，以增加低位容器及其附件与蒸发容器或结冰容器的高度差，因此降低建厂使用的土地面积，并降低产生真空所需的能量。塔状的多级真空蒸馏、多级真空冷却、及多级真空结冰使热循环溶液、溶液(海水)、及凝结的成品水皆不断的流动，可减少泵的使用量，并减少结垢及腐蚀。
可达成上述发明目的的多级真空蒸馏、冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法及其设备，是由多级真空蒸馏装置、多级真空冷却装置、及多级真空结冰装置所组成，本发明提供了一种实施多级真空蒸馏的溶液分离法的多级真空蒸馏装置，其包括前置处理设备，是将脱气溶液及热循环溶液各别加热至一设定温度的加热器；多个真空蒸馏的定温蒸馏单元以塔状的方式互相堆栈而成，第一级叠于第二级上，第二级叠于第三级的上，以此互相堆栈，成一塔状，其对应的流入及流出的导管相互连接；后置处理设备，包括回收凝结液及浓溶液的真空容器、降低最后一级流出的热循环溶液的温度的热交换器、保持回收凝结液的真空容器的温度的热交换器、多个真空蒸馏的定温蒸馏羊元所共享的一个低位容器及其附件，以便产生真空、及热循环溶液的循环泵。
多级真空蒸馏装置在设定成初始状态下，配合定温蒸馏法、溶液的传递、及热循环溶液的再生，而将溶液分离，依热循环溶液的温度梯度而设定各级真空蒸馏的温度，使溶液的分离成多级真空蒸馏，当降低最后一级流出的热循环溶液的温度后，再依级数递减的方式，连续流入及流出各级的凝结器，以回收蒸发热，使其温度随级数递减而递增，以回收一定的能量作重复性地使用，为了使真空蒸馏的级数增加，进而使单位能量分离的溶液得以提高，则增大热循环溶液的温度的使用范围，也就是多级真空蒸馏的最后一级流出的热循环溶液的温度愈低，则多级真空蒸馏的级数愈多，因此必需要以更低温的溶液来降低最后一级流出的热循环溶液的温度，才能使蒸发与凝结的热循环维持平衡，因此利用多级真空冷却及多级真空结冰作为多级真空蒸馏的辅助，当多级真空冷却装置及多级真空结冰装置在设定成初始状态下，配合定温蒸馏法、溶液的传递及排液真空结冰法、而将溶液作结冰分离，多级真空冷却是利用真空的蒸发冷却作用，使溶液的温度降低，以作为多级真空结冰的低温溶液、及节省预冷的成本，多级真空结冰所需的融化冰晶的凝固热是来自多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸气，或冷凝器排出的热能，而多级真空结冰产生的低温浓溶液及融化的冰晶可用来降低多级真空蒸馏的最后一级流出的热循环溶液的温度，因此多级真空蒸馏及多级真空冷却可与多级真空结冰结合成一溶液分离的方法，以作为海水淡化及溶质浓缩的方法。
以脱气液体实施排液真空法，使脱气溶液、蒸气、及凝结液流经的导管、蒸发容器、结冰容器、及凝结器产生真空，其压力为使用该液体的温度的饱和蒸气压力与非常少量的空气压力的和，利用液体沸点随压力增加而增加的定温蒸馏法，可分级使用热循环溶液的温度梯度，使其成为多级真空蒸馏，其蒸馏温度及压力随级数递增而递减，因此增加传热面积及凝结液，一定温度的热循环溶液，依级数递增方式，连续流入及流出各级的蒸发容器的液气界面，提供蒸发热使脱气溶液蒸发，当降低其最后一级排出的热循环溶液的温度后，依级数递减方式，连续流入及流出各级的凝结器，以回收蒸发热，并将蒸气凝结为液体，其温度随级数递减而递增，使一定能量作重复性地使用，最后流至热循环溶液的加热器内，加热至设定的温度，完成一次循环程序，因为每一级的蒸发容器与凝结器的温度差造成压力差，使蒸发容器产生的蒸气往凝结器流动，当凝结器的温度持续低于蒸发容器的温度，则凝结器持续的将蒸气凝结为液体，其凝结液及蒸气汇集流入下一级的较低温、低压的凝结器继续作降温及凝结，最后凝结液以保持低温的真空容器收集，所以蒸发及凝结的热循环能维持平衡，脱气溶液依级数递增方式，连续流入及流出各级的蒸发容器，其最后一级排出的浓溶液可利用真空冷冻干燥法作进一步的溶质浓缩。
多级真空冷却是利用真空的蒸发冷却原理降低溶液的温度，以作为多级真空结冰的低温溶液，配合定温蒸馏法，常温的脱气溶液依级数递增方式，连续流入及流出各级蒸发容器，因此其温度随级数递增而递减，多级真空冷却产生的蒸气可用来融化多级真空结冰产生的冰晶。其中，脱气溶液可以为一般的混合溶液如废溶液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
多级真空结冰所需的低温溶液是来自多级真空冷却，配合溶液的传递、排液真空结冰法、及冷凝器的排热，使结冰容器产生冰晶，而多级真空结冰所排出的低温的浓溶液及融化的冰晶，可用来降低多级真空蒸馏的最后一级流出的热循环溶液的温度，并可用来稳定回收凝结液的真空容器的温度，使蒸发及凝结的热循环维持平衡，而多级真空蒸馏及多级真空冷却所产生的蒸气，将可导入多级真空结冰的结冰容器内以融化冰晶，其低温的浓溶液与融化冰晶以真空容器回收。
为了提高热效率及凝结液的产量，多级真空结冰与多级真空蒸馏及多级真空冷却结合的优点如下1.因为多级真空结冰产生的低温浓溶液及融化的冰晶，可用来降低多级真空蒸馏最后一级流出的热循环溶液的温度、及保持回收凝结液的真空容器的温度，增加热循环溶液使用温度的范围，所以提高多级真空蒸馏的级数，进而提高凝结液的产量；2.多级真空结冰所需低温的脱气溶液是来自多级真空冷却最后一级流出的溶液，减少预冷的成本；3.多级真空结冰所需的融化冰晶的凝固热，是来自多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸气；4.多级真空蒸馏、多级真空冷却、及多级真空结冰可共享产生真空的低位容器及其附件；因此多级真空蒸馏及多级真空冷却可与多级真空结冰结合成一溶液分离的方法，以作为海水淡化及溶质浓缩的方法。
本发明提供一种实施多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化法的多级真空冷却装置，所述多级真空冷却装置是以多个真空冷却的定温蒸馏单元以塔状的方式互相堆栈而成，第一级叠于第二级之上，第二级叠于第三级之上，以此互相堆栈成一塔状，其对应的流入及流出的导管相互连接，多个真空冷却的定温蒸馏单元共享一个低位容器及其附件，以产生真空。
本发明还提供一种实施多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化法的多级真空结冰装置，所述多级真空结冰装置是由多个结冰容器以塔状的方式互相堆栈，第一级叠于第二级之上，第二级叠于第三级之上，以此互相堆栈成一塔状；所述多级真空结冰装置还包括作为热质传递设置于结冰容器内的一个液固界面，以冷凝器使溶液的凝固热及蒸发热排出-多个导管及其控制阀门与多级真空蒸馏装置和多级真空冷却装置连接，使产生的蒸气流入每一级的结冰容器内；配合低位容器及其附件，使脱气溶液、蒸气、及凝结液流经的导管、结冰容器产生真空的多个导管及控制阀门；回收融化的冰晶及低温浓溶液的真空容器。
本发明所提供的多级真空蒸馏、冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法及其设备，与其它常规技术相互比较时，具有下列的优点一、本发明所使用的加热器的热源，可为低温的废余热或太阳能；二、借助脱气液体实施排液真空法，使蒸发容器产生真空，其压力为使用该液体的饱和蒸气压及非常少量的空气压力的和，因此可提高真空蒸馏的级数；三、依排液真空法产生真空的原理，因此第一级蒸发容器叠于第二级蒸发容器之上，第二级叠于第三级之上，以此互相堆栈成一塔状，成一多级真空蒸馏或多级真空冷却的装置，因此减少使用土地的面积；四、堆栈成塔状的多个蒸发容器使脱气溶液、热循环溶液及凝结的蒸馏水皆不断的流动，且工作温度依级数递增而递减，可减少泵的使用量，并减少结垢及腐蚀；
五、热循环溶液提供脱气溶液的蒸发热及回收蒸发热，可将一定的能量作重复使用；六、多级真空冷却装置提供排液真空结冰装置所使用的低温的脱气溶液，可节省预冷的成本；七、排液真空结冰装置所排出的低温的浓溶液及融化的冰晶，可降低多级真空蒸馏最后一级流出的热循环溶液的温度，提高多级真空蒸馏的级数。
参阅以下有关本发明优选实施例的详细说明及其附图，将可进一步了解本发明的技术内容及其目的功效；有关附图为图1为本发明的真空蒸馏的定温蒸馏单元实施定温蒸馏法的示意图；图2为本发明的多级真空蒸馏装置实施多级真空蒸馏的溶液分离及海水淡化法的配置示意图；图3为本发明的多级真空冷却装置及多级真空结冰装置实施多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化法的配置示意图。
具体实施例方式
请参阅图1，图1为本发明的真空蒸馏的定温茶馆单元实施定温蒸馏法的示意图，定温蒸馏法是利用液体沸点随压力增加而增加，及真空的温度差造成饱和蒸气的压力差的原理，利用真空蒸馏的定温蒸馏单元，使脱气溶液在真空的蒸发容器内，在一设定的温度下持续沸腾蒸发而不改变蒸发容器的压力，使蒸发及凝结的热循环维持平衡的方法。其中，脱气溶液可以为一般的混合溶液如废容液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
如图1所示，真空蒸馏的定温蒸馏单元是由一个蒸发容器21、一个流量调节阀22、一个凝结器4、一个液气界面211、一个凝结导管a、及多个导管b、c、e、f、g、h、i、j、k、l和控制阀门23、24、25、26、27、28、29、30组合而成，蒸发容器21以一凝结导管a与凝结器4连接，使其产生的蒸气导入凝结器4内，流量调节阀22设于凝结导管a的适当位置，当蒸发容器21在该设定的真空蒸馏的温度的饱和蒸气压下，控制蒸发容器21产生的蒸气，经由凝结导管a排入凝结器4内，并维持蒸发容器21内的压力；凝结器4以回收蒸发热的热循环溶液，经导管g、h，以相同流量流入及流出凝结器4，吸收蒸发容器21产生的蒸气的蒸发热，以提高其温度，并凝结蒸气为凝结液，最后凝结液排入真空容器8内而回收；以一定温度的脱气溶液，经由导管i、j及其控制阀门23、24，各以一定流量流入及流出蒸发容器21，液气界面211设于蒸发容器21内，提供蒸发热的热循环溶液经由导管b、c，以相同流量流入及流出液气界面211，并透过液气界面211的热质传导，使蒸发容器21内的脱气溶液蒸发，提供蒸发热的热循环溶液的温度高于回收蒸发热的热循环溶液的温度，因此蒸发容器21的工作温度高于凝结器4的工作温度，其温度差造成饱和蒸气的压力差，驱使蒸发容器21产生的蒸气往凝结器4流动，使蒸发及凝结的热循环维持平衡，导管i及其控制阀门23连接上一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元或脱气溶液的加热器，导管j及其控制阀门24连接下一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元或真空容器9，其功能如同导管i及其控制阀门23，使脱气溶液流入下一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元，导管e及其控制门25连接上一级的真空蒸锚的定温蒸馏单元，若没上一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元，则在实施排液真空法时，作为排气用，导管f及其控制阀门26连接下一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元或真空容器8，其功能如同导管e及其控制阀门25，使蒸气及凝结液流入下一级真空蒸馏的定温蒸馏单元、导管b、h连接上一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元或热循环溶液的加热器，导管c、g连接下一级的真空蒸馏的定温蒸馏单元或热交换器以降低其温度，控制阀门27、30为防止其它级的真空蒸馏的定温蒸馏单元产生真空时，造成脱气液体产生真空后，关闭控制阀门口27、30使其密闭。
如图1所示，真空蒸馏的定温蒸馏单元的初始状态是以脱气液体实施排液真空法(请参考中国第02106683.3号，题为“具有多用途密闭式洗净真空干燥的方法及其装置”的专利深申请)，使脱气溶液、蒸气、和凝结液流经的导管a、e、f、i、j、蒸发容器21、凝结器4产生真空，低位容器3及其附件以导管k、l及其控制阀门27、28、29、30各与导管j、f相连，在适当高度差下，实施排液真空法而产生真空，当控制阀门24、26关闭后，脱气液体注满蒸发容器21、凝结器4、及导管a、e、f、i、j、k、l，关闭控制阀门23、25，调整低位容器3内的压力，开始实施排液真空法，最后，将流量调节阀22关闭，控制阀门27、30关闭，并在真空的蒸发容器21内注入脱气溶液达适当高度，并设定蒸发容器21的真空蒸馏的温度，其温度低于脱气溶液及热循环溶液流入蒸发容2521及液气界面211的温度，若脱气溶液与脱气液体为相同的溶液，则实施排液真空法时，使蒸发容器21的部份体积产生真空即可。
定温蒸馏法在适当的液气界面211的条件下，其蒸发量依脱气溶液及热循环溶液的流量、及流入与流出的温度差而定，如图所示，当脱气溶液及热循环溶液持续流入及流出蒸发容器21及其液气界面211时，蒸发容器21持续产生蒸气，并达该设定的真空蒸馏的温度的饱和蒸气压时，打升流量调节阀22使蒸发容器21产生的蒸气排入凝结器4内，当凝结器4持续的将蒸气凝结为液体，流量调节阀22必须维持蒸发容器21内压力的稳定，同时依脱气溶液或热循环溶液流出的温度来调整流量调节阀22，当流出的温度低于真空蒸馏的温度，调整流量调节阅22，减少蒸气的排出量，当流出的温度高于真空蒸馏的温度，调整流量调节阀22，增加蒸气的排出。
若真空蒸馏的定温蒸馏单元去除提供蒸发热的热循环溶液的液气界面211及其导管b、c，则成为真空冷却的定温蒸馏单元；其脱气溶液以自身的温度作为热源，当脱气溶液蒸发时，脱气溶液的温度降低，形成真空冷却作用，真空冷却的定温蒸馏单元的初始状态如同真空蒸馏的定温蒸馏单元的初始状态。
在真空蒸馏或真空冷却的过程中，残留在脱气溶液的空气会持续累积在脱气溶液、蒸气、和凝结液流经的导管a、e、f、i、j、蒸发容器21、凝结器4内，若其压力影响脱气溶液的真空蒸馏的温度时，应再次以脱气溶液实施真空蒸馏或真空冷却的定温蒸馏单元的初始状态，使其恢复真空度，因此脱气愈完全的溶液，可减少实施初始状态的次数。
请参阅图2，图2为本发明的多级真空蒸馏装置实施多级真空蒸馏的溶液分离及海水淡化法的配置示意图，如图2所示，本发明多级真空蒸馏装置1包括一前置处理设备，是将去除杂质及脱气的溶液、及热循环溶液分别加热至一设定温度的加热器12，13；多个真空蒸馏的定温蒸馏单元2，所述多个真空蒸馏的定温蒸馏单元2以塔状的方式互相堆栈成一多级真空蒸馏装置1，第一级叠于第二级上，第二级叠于第三级的上，以此互相堆栈成一塔状，其对应的流入及流出的导管c相互连接，多个真空蒸馏的定温蒸馏单元2共享一个低位容器3及其附件，以产生真空；一后置处理设备，包括回收凝结液及浓溶液的真空容器8，9、降低最后一级排出的热循环溶液的温度的热交换器51、保持回收凝结液的真空容器8的温度的热交换器52、多个真空蒸馏的定温蒸馏单元2所共享的一个低位容器3及其附件、及热循环溶液的循环泵53。
如图2所示，多级真空蒸馏装置1的初始状态是依级数递减的方式，逐级实施真空蒸馏的定温蒸馏单元2的初始状态，依税气溶液的液气平衡曲线，设定热循环溶液的温度梯度，再依热循环溶液的温度梯度，设定每一级真空蒸馏的温度，其温度随级数递增而递减，因此真空蒸馏的温度的饱和蒸气压随级数递将而递减。其中，脱气溶液可以为一般的混合溶液如废溶液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
如图2所示，其溶液的传递是以加热至设定温度的脱气溶液，依级数递增的方式，各以一定流量，连续流入及流出各级的蒸发容器21，随着脱气溶液的蒸发，其浓度随级数递增而增加，或析出结晶，最后一级排出的浓溶液，以真空容器9回收，其浓溶液可利用真空冷冻干燥法作进一步的溶质浓缩，若蒸发容器21有结晶析出时，则在流入下一级的蒸发容器21前，先滤出结晶物，其结晶物以真空容器回收，而溶解在脱气溶液的残留空气会持续累积在真空蒸馏的定温蒸馏单元2内，并影响脱气溶液的真空蒸馏的温度时，尤其是第一、二级的真空蒸馏的定温蒸馏单元2，应再次以脱气溶液实施真空蒸馏的定温蒸馏单元2的初始状态，使其恢复真空度，因此接近完全脱气的溶液，可减少实施真空蒸馏的定温蒸销单元2的自初始状态，使其恢复真空度，因此接近完全脱气的溶液，可减少实施的真空蒸馏的定温蒸销单元2的初始状态的次数。
如图2所示，热循环溶液的再生是以加热至设定温度的热循环溶液’依级数递增的方式，以相同流量，连续流入及流出各级的液气界面211，提供脱气溶液的蒸发热，其温度随级数递增而递减，最后一级排出的热循环溶液，以热交换器51降低其温度，再以循环泵53做功，依级数递减的方式，使其连续流入及流出各级的凝结器4，以吸收蒸发热，并将蒸气凝结为凝结液，其温度随级数递减而递增，最后回流入热循环溶液的加热器13内；为了回收一定的能量，作重复性地使用，所以热循环溶液的循环方式为A.加热至一设定温度；B.提供蒸发热，其温度依级数递增而递减；C.降低温度；D.回收蒸发热，其温度依级数递减而递增；若最后一级流出的温度低于常温，多级真空蒸馏可与多级真空冷却、结冰结合，热循环溶液以多级真空冷却、结冰产生的低温的浓溶液及融化的冰晶降低其温度；若最后一级流出的温度高于常温，则以常温液体降低热循环溶液的温度。
提供蒸发热的热循环溶液的温度梯度是依脱气溶液的液气平衡曲线而设定的，依此设定每一级真空蒸馏使用的温度，因使用的温度范围不重叠，所以热循环溶液流经每一级真空蒸馏所形成的温度曲线为梯型曲线，这就是热循环溶液的温度梯度。
请参阅图3，图3为本发明的多级真空冷却装置及多级真空结冰装置实施，多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化法的配置示意图，所述多级真空冷却、结冰的溶液分离法，是利用结冰及融化的方法，产生凝结液，并可用来辅助多级真空蒸馏，使其增大热循环溶液的温度的使用范围，进而增加级数，及增加凝结液的产量及热效率，同时使整体的凝结液产出更多，多级真空冷却装置的最后一级流出的低温溶液导入初级的多级真空结冰装置内，可节省预冷的能量，配合溶液的传递、定温蒸馏法、排液真空结冰法，使脱气溶液产生冰晶，其脱气溶液的浓度随真空结冰的级数递增而递增，因此其温度随级数递增而递减。其中，脱气溶液可以为一般的混合溶液如废溶液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
如图3所示，多级真空冷却装置6，是由多个真空冷却的定温蒸馏单元61以塔状的方式互相堆栈而成一多级的真空冷却装置6，其对应的流入及流出的导管相互连接，以脱气溶液自身的温度作真空的蒸发冷却，常温的脱气溶液依级数递增的方式，连续流入及流出各级蒸发容器611，配合定温蒸馏法，脱气溶液的温度随级数递增而递减，但其浓度没有明显的改变，最后一级流出的脱气溶液的温度接近结冰的温度，多个真空冷却的定温蒸馏单元61共享一个低位容器3a及其附件，当结冰容器71产生冰晶后，其温度低于蒸发容器611的温度，因此蒸发容器611产生的蒸气可顺利导入结冰容器71内，并融化冰晶。
如图3所示，多级真空结冰装置7，是由多个结冰容器71以塔状的方式互相堆栈而成，结冰容器71内设一液固界面711，利用冷凝器72透过液固界面711的热质传递，使脱气溶液的凝固热排出，利用导管5与多级真空蒸儒装置连接，使多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸气分别流入每一级的结冰容器71内，与多级真空冷却装置6共享一个低位容异3a及其附件，使脱气溶液、蒸气、及凝结液流动的导管及结冰容器71产生真空，排液真空结冰法产生的融化的冰晶及低温的浓溶液以真空容器10、11回收，并可用来降低多级真空蒸馏最后一级排出的热循环溶液的温度，及保持其回收凝结液的的温度。
如图3所示，多级真空结冰装置7的初始状态是依级数递减的方式，逐级以脱气液体实施排液真空法，使脱气溶液、蒸气、及凝结液流经的导管、及结冰容器71产生真空，并避免脱气液体回流，多级真空冷却装置6的初始状态是依级数递减的方式，逐级实施真空冷却的定温蒸馏单元61的初始状态，然后设定每一级真空冷却的蒸馏温度，其温度随级数递增而递减，因此真空冷却的蒸馏压力随级数递增而递减。
排液真空结冰法是以冷凝器72排热及排液真空的下落液膜的结冰方式使脱气溶液在液固界面711形成组成较均匀的冰晶，如图3所示，是以多级真空冷却最后一级流出的低温的脱气溶液注满第一级的真空的结冰容器71，结冰容器71内提供液固界面711供冰晶形成，利用冷凝器72及液固界面711的热质传递，将结冰容器71内的凝固热及蒸发热排出，并以排液真空法逐渐将脱气溶液排出，其脱气溶液流入第二级，第二级流入第三级，则最后一级的脱气溶液流入真空容器11，结冰容器71的液面高度随脱气溶液的排出而逐渐降低，因此其产生的真空体积逐渐增加，由于冷凝器72的排热，如同下落液膜结冰方式使液相的脱气溶液在液固界面711形成组成较均匀的冰晶，同时结冰容器71内产生真空的体积逐渐增加，由于冷凝器72持续的排热，使真空的体积的压力比平衡蒸气压力比平衡蒸汽压低，则脱气溶液表面会升始蒸发，由于蒸发吸热的结果会导致剩余的母液变冷，就会因蒸发冷却的作用而降低温度，其水蒸气(平衡蒸气压)被液固界面711的表面吸附，冷凝器72带走水蒸气的热量，使水蒸气转为固相的冰晶，促使脱气溶液持续蒸发，以维持其蒸气压的平衡，并产生更多的冰品，逐渐变浓的母液缓慢地被排出后，真空的体积逐渐增多，促使更多质量的水蒸气产生，加速冰晶的产生，愈来愈浓的母液排出，最后在结冰容器71内只有冰晶。
如图3所示，溶液的传递依级数递增的方式，流经每一个结冰容器71，当结冰容器71将未凝结冰晶的脱气溶液完全排入次一级的结冰容器71后，次一级的结冰容器71才升始实施排液真空结冰法，而多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸气才升始导入结冰容器71内，将冰晶融化，最后凝结液以真空容器10回收，因此多级真空结冰的冰晶的凝结与融化是非连续的，若结冰容器71有结晶析出时，则脱气溶液在流入下一级的结冰容器71前，先滤出结晶物，其结晶物以真空容器回收而溶解在脱气溶液的残留空气会持续累积在真空冷却的定温蒸馏单元内，并影响脱气溶液的真空蒸馏的温度时，尤其是第一、二级的真空冷却的定温蒸馏单元，应再次以脱气溶液实施真空冷却的定温蒸馏单元61的初始状态使其恢复真空度，因此接近完全脱气的溶液，可减少实施真空冷却的定温蒸馏单元的初始状态的次数。
权利要求
1.一种多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其利用结冰及融化的手段，产生凝结液，该方法包括将塔状的多级真空冷却装置与塔状的多级真空结冰装置结合，将其设定为初始状态，配合溶液的传递、定温蒸馏法、排液真空结冰法，使脱气溶液产生冰晶；多级真空结冰所需的初始溶液是来自多级真空冷却的最后一级流出的低温溶液，多级真空结冰融化冰晶所需的凝固热是来自多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸汽或冷凝器排出的热能；多级真空结冰产生的低温的浓溶液及融化的冰晶用来降低多级真空蒸馏的最后一级流出的热循环溶液的温度及保持回收凝结液的真空容器的温度，使蒸馏温度范围的增加，提高了多级真空蒸馏的级数，单位能量分离的溶液得以提高。
2.如权利要求1所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中该多级真空冷却装置的初始状态是依级数递减的方式，逐级实施真空冷却的定温蒸馏单元的初始状态，然后设定每一级真空冷却的温度，其温度随级数递增而递减，因此真空冷却的温度的饱和蒸汽压随级数递增而递减。
3.如权利要求1所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中该多级真空结冰装置的初始状态是依级数递减的方式，逐级以脱气液体实施排液真空法，使脱气溶液、冰晶融化的凝结液、及蒸汽流经的结冰容器及导管产生真空并密闭。
4.如权利要求1所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中溶液的传递是以多级真空冷却装置的最后一级排出的低温溶液注满第一级的结冰容器，以排液真空结冰法使第一级结冰容器产生冰晶，当结冰容器将未凝结冰晶的脱气溶液完全排入下一级或真空容器后，多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸汽才开始导入结冰容器内，将冰晶融化，最后融化的冰晶以真空容器回收，而下一级才开始实施排液真空结冰法或以真空容器回收其浓溶液，若结冰容器有结晶析出时，则脱气溶液在流入下一级的结冰容器前，先滤出结晶物，其结晶物以真空容器回收。
5.如权利要求1所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中该排液真空结冰法，是以适量的低温的溶液注入具有液固界面的真空的结冰容器肉，以排液真空法将低温溶液以适当流速排入下一级的真空结冰容器或真空容器，利用冷凝器不断排出结冰容器内的凝固热及蒸发热，则溶液在液固界面的表面凝结冰晶，当结冰容器内产生的真空体积逐渐增加时，也加速冰晶的产生，最后结冰容器的液固界面为组织均匀的冰晶。
6.如权利要求1至5中任一项所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中所述脱气溶液为混合溶液。
7.如权利要求6所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其中所述混合溶液为废溶液、药液等经脱气后得到的液体，或为海水经脱气后得到的液体。
8.一种实施如权利要求1至7中任一项所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化方法的多级真空冷却装置，所述多级真空冷却装置是以多个真空冷却的定温蒸馏单元以塔状的方式互相堆栈而成，第一级叠于第二级之上，第二级叠于第二级之上，以此互相堆栈，成一塔状，其对应的流入及流出的导管相互连接，多个真空冷却的定温蒸馏单元共享一个低位容器及其附件，以产生真空。
9.一种实施如权利要求1至7中任一项所述的多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化方法的多级真空结冰装置，所述多级真空结冰装置是由多个结冰容器以塔状的方式互相堆栈，第一级叠于第二级之上，第二级叠于第三级之上，以此互相堆栈，成一塔状；所述多级真空结冰装置还进一步包括作为热质传递设置于结冰容器内的一个液固界面，以冷凝器使溶液的凝固热及蒸发热排出；多个导管及其控制阀门与多级真空蒸馏装置和多级真空冷却装置连接，使产生的蒸汽流入每一级的结冰容器内；配合低位容器及其附件，使脱气溶液、蒸气、及凝结液流经的导管、结冰容器产生真空的多个导管及控制阀门；回收融化的冰晶及低温浓溶液的真空容器。
全文摘要
本发明为一种多级真空冷却、结冰的溶液分离及海水淡化的方法，其利用结冰及融化的手段，产生凝结液，该方法将塔状的多级真空冷却装置与塔状的多级真空结冰装置结合，将其设定为初始状态，配合溶液的传递、定温蒸馏法、排液真空结冰法，使脱气溶液产生冰晶；多级真空结冰所需的初始溶液是来自多级真空冷却的最后一级流出的低温溶液，多级真空结冰融化冰晶所需的凝固热是来自多级真空蒸馏及多级真空冷却产生的蒸汽或冷凝器排出的热能；产生的低温的浓溶液及融化的冰晶用来降低多级真空蒸馏的最后一级流出的热循环溶液的温度及保持回收凝结液的真空容器的温度，使蒸馏温度范围的增加，提高了多级真空蒸馏的级数，单位能量分离的溶液得以提高。
文档编号C02F103/08GK1935676SQ200610001848
公开日2007年3月28日 申请日期2002年12月12日 优先权日2002年12月12日
发明者周政明 申请人:周政明