专利名称：自然能海水自动蒸馏装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于环境保护方面的一种海水淡化装置，尤其是一种自然能海水自动蒸 馏装置。其特点是，以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能为动力，通过特定高度的倒u形管道构造，将两个开放的脱盐系统和集盐系统相结合，形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系，实现淡水(蒸馏水)和食盐生产自动化。优点是 1、利用清洁而无限量的自然能源作动力，同时获得淡水和食盐两种产品，达到O排 放，既可节药大量燃料资源，又可保护环境。2、在负压下蒸馏，可降低沸点，节约能耗和防止结垢。3、利用分子吉布斯自由能制取食盐，能防止容器结垢，提高生产 力。4、管道作业，高度自动化，可确保生产安全和提高劳动效率。总之，无需能源 投资和原料投资，只需一次性设备投资，即可长期获利。本发明也实用于苦咸水地区。也可安装在各类大型船泊上，利用动力余热，在江 河湖海上沿途制取淡水。也可安装在各种居民楼上，利用自来水制取饮用水。市场前 景广阔。二、 背景技术随着社会对水资源需求的迅速增加，海水淡化技术近年来发展很快。据统计，1995 年全世界的海水和苦咸水的淡化处理以蒸馏法为主，到2005年则蒸馏法占45%，反 渗透法占43%。此外，电渗析法、超过滤法、生物膜法等都在开发推广中。反渗透法的优点是，淡化效率高，不结垢，适合大规模生产。缺点是，它的高效 率是靠高压力维持的，如淡化苦咸水需压力约1000X101.33KPa，而海水则需约5500 X101.33KPa。显然，高压则高能耗。此外，高压设备的维护和半透膜的定期清洗与 更换，技术难度较大都提高了生产成本。蒸馏法的优点是，技术简单，设备费用较低，适于大规模生产。缺点是，能耗高 效率低，易结垢。为防止结垢，常要求流速不低于2.5m/s，则造成海水通过量过大的 无效操作，增加了生产成本。为此，近年来，开发出负压压汽蒸馏法，能使海水在真 空状态下淡化，操作温度低于70°C，缓解了结垢状态，提高了产水效率，延长了设备,命。美国发明专利"除盐系统"(Desalatibnsystem;JnitedPaten:4285776)等，在 负压下海水淡化效果较好。显然抽真空的耗能又提高了生产成本，是其缺点。在已知的制盐(包括食盐和非食盐)技术中，主要是晒制法和熬制法。前者周期 长，受天气影响较大，场地面积也大；后者能耗较大而且晶体较小，晶形不完全。特 别是制盐过程损失了绝大部分的淡水，是其最大缺点。三、发明内容1、基本思路应用馏蒸法淡化海水的技术实质是，加热海水，通过沸腾汽化使之盐分与热蒸汽 分离，然后将热蒸汽冷凝为淡水(蒸馏水)。显然，沸腾汽化是关键。应用晒制法和 熬制法制盐的技术实质是，加热海水(苦咸水)蒸发水分，提高浓度，析出盐分。显 然，提高浓度是关键。据此，本发明的思路如下。(1) 海水气化效率与温度呈正相关。温度越高效率也越高。特别是达到沸点时， 发生沸腾气化效率最高。然而，温度高能耗也高，而且容器容易结垢。(2) 海水气化效率与压力呈负相关。压力越低效率越高。这是因为压力越低沸 点越低。实验证明，当压力为101.33kPa (—个大气压力)时，沸点为IO(TC，当压 力为4.2455kPa时，沸点为3(TC。显然，沸点低能耗也低，而且在常温下沸腾容器不 会结垢。(3) 受著名的托里拆利实验的启示，将水银换成水—，当托氏管的高度大于10.33m 时，则在管顶产生托氏真空区。区内有自由膨胀的水汽。此时10.33m的水重压强恰 好等于外界的一个大气压的压强。由于高度10.33m是管内的水与水汽的分界限，本 发明暂称10.33m为临界高H。同样，当充满海水的倒U形管高度大于H时，其管顶 也将产生托氏真空区。临界高H处的海水沸点将大为下降。那么，在其左侧海水的 上层加热时，必在常温下沸腾，热海水的蒸汽升到真空区后向外界放热，在右侧自由 水面上冷凝为蒸馏水流向下端，而热海水中的盐分却留在左侧管内。从而实现了利用 自然能(大气压力和地球重力)在常温负压下的盐、水分离，获榑淡水产品。(4) 左侧海水管内，随着蒸汽的连续逸出，表面水的盐分将逐渐增加，与下层 相比就形成了浓度梯度，即形成了分子吉布斯自由能的分布差异，于是就产生了扩散 作用。使得上层盐分自动地向下迁移，—而不会附着在管壁上结垢。那么，将自动而连续向下扩散的盐分集中在一个池内V即可连续提高浓度，.直至饱和过饱和，析出盐晶。 显然，用此法制盐是无需加热的。从而实现了利用自然能(分子自由能)提高浓度获 得食盐产品。2、基本构造及其功能本发明自然能海水自动蒸馏装置的构造如图l所示，主要由真空室⑥、分离室④、 沸腾室⑩、海水管O)、集盐管③和淡水管0等部分组成。(1) 真空室⑥为一个传热性良好的球形金属壳体。功能为冷凝作用。室内置多 层冷凝盘⑧，盘内保持自由水面，便于水汽凝结。真空室⑥内为托氏真空，室外为大 气低温热源。底部正下方与分离室④相通。真空室⑥利用自身的负压吸入从分离室④ 冲进来的热蒸汽，通过周壁的金属壳体向外界放热，并使之在冷凝盘⑧内凝结为淡水(蒸馏水)。受重力作用，淡水流入下方的淡水管 。真空室⑥顶部设置出水阀⑦， 为注水时所用。(2) ^^离室④为一个传热性不良的球形壳体。主要功能是分离海水中的盐分和 热蒸汽。室内盐水的自由水面距海平面的高为临界高H^0.33m，分离室④上部与真 空室⑥相通，底部的侧方与集盐管③相通。室外为绝热层⑤包装，以防热量散失， 室内安装沸腾室⑩，其整体为盐水所包围。从沸腾室⑩涌出的热海水与分离室④内的 盐水混合后，受上方真空室⑥负压作用，沸点降低，迅速汽化冲入真空室⑥，而其盐 分却留在盐水中，逐渐提高浓度。(3) 沸腾室⑩，为一个传热性不良的球形金属壳体，安装在分离室④的盐水内。 沸腾室⑩顶部的喷嘴与盐水相通，底部与海水管(O)相通。室内装有高温热源⑨，可对 室内的水 r供热。由于水的热导性较差，故可防止热量向下传入海水中。沸腾室 ⑩内的海水加热温度控制在5(TC以下达到真空室⑥内的水汽饱和。受真空室⑥负压 的作用，热海水涌入分离室④与热盐水混合。(4) 海水管 ，上端与沸腾室⑩相通，下端与海水相通。功能是，向沸腾室⑩ 补给海水。(5) 集盐管③，上端与分离室④底部相通，下部与盐水池②相通。功能是把从 分离室④扩散下来的盐分继续扩散到盐水池②。显然集盐管③内只有盐分下移，没冰的流出，即没有无效的海水通过量，也不会结堀。:'(6) 盐水池②是个体积较小的水池。承接并排出集盐管③排下来的盐分。池内 水面与海平面等高。始终淹埋着集盐管③的下端，以防止大气进入，破坏真空度。(7) 制盐池①为体积较大的深水池。池内水面与盐水池②水面持平，并相连通，当盐分从盐水池②排入制盐池①后，盐分将继续向池底扩散开去。于是随着时间的推 移，池内浓度渐增加。浓度增加则比重增加，则下沉至饱和。当达到过饱和时，即析 出盐晶。由此可知，本发明的制盐机理是增加盐分，提高浓度。而常用的机理则是减 少水分，提高浓度。.(8) 淡水管 ，上端与真空室⑥底部相通，下端与淡水池0相通。功能是把从 真空室⑥流下来的水导入淡水池0，若在下端进行过滤，可得饮用水。(9) 淡水池(D，为体积不大的水池。池内水面与海平面等高。始终淹埋着淡水管 的下端，以防大气进入，破坏真空度。当流下的淡水充满后，即可排入贮水池o 。需要特别指出的是，本发明自然能海水自动蒸馏装置，完全实用于苦咸水地区。 也可安装在各类大型船泊上，利用动力余热，在江河湖海上将沿途的原水制取淡水。 也可安装在居民楼上，将自来水制取饮用水。3、基本流程及其能量配置本发明自然能海水自动蒸馏装置的基本流程及其能量配置如图2所示(1) 工艺流程海水在沸腾室⑩内加热后，涌入分离室④分离为热蒸汽和盐分。热蒸汽冲入真空 室⑥冷凝为淡水，经淡水管 流入淡水池 ，形成开放的脱盐系统。留在分离室④ 内的盐分，经集盐管③扩散到盐水池②和制盐池①，形成开放的制盐系统。沸腾室 内的热海水涌入分离室④后，压力下降。大气压力将海水经海水管G)压入沸腾室⑩进行补充。从两逦过共用的动力和厚料(海水)将两个开放的.脱竭与制盐系统结合薛来 形成一个海水自动蒸馏体系。(2) 能量配置在倒U形管道构造的支持下，整个蒸馏装置受到大气压力A和地球重力B的双向作用> 重力向下，大气压力向上，以临界高H40.33m为界，.以上的真空室(D.內为 托氏真空。以下的分离室④，沸腾室⑩，海水管(11)、集盐管③和淡水管(12)都 充满水，它们处于静态平衡。当静态平衡受到高温热源的作用时，转化为如下各种相关的动态平衡。海水在沸腾室⑩内吸收高温热源提供的汽化热后在分离室④汽化,又在真空室⑥ 膨胀，向室外的低温热源大气放出汽化热。分离室④与集盐管③之间存在浓度差和温度差。浓度差即分子吉布斯自由能差 C，它在向集盐管③中扩散盐分作功。温度差能提高扩散速度，它在扩散过程中而作 功。 .盐分吸收外界的溶解热后溶于水中，成为海水，又有制盐池①内向外界放出溶解 热而析出盐晶。大气压力A将海水压入沸腾室⑩，使之具有动能，沸腾室⑩又将海水加热，汽 化升入真空室⑥使之具有更大动能的。然后，又在真空室⑥内凝结为淡水，将动能转化为势能B，流出淡出管 。4、有益效果(1) 理想的生态效益大气压力、地球重力、分子自由能和太阳能都是纯净和无限量的能源，而且在生 产过程中，没有任何污染物的排放，因此本发明不仅能节约大量燃料能源，而且能保 护生态环境。(2) 最佳的经济效益①清洁而无限的大气压力、地球重力、分子自由能和太阳能无需开采运输贮存。 作为原料的海水也可就地获取。②在生产过程中，可同时得到淡水和食盐两个产品， 实现零排放。③负压下的管道作业，高度自动化无需人工操作，既可防止结垢，又可 提高劳动效率。总之，无需能源、原料和人力投资，只需一次性设备投资，即可长期 获利，因此，本发明具有最佳的经济效益。(3) 良好的社会效益采用本发明，沿海地区，在获取淡水的同时，可获取大量食盐；苦咸水地区在获取盐分(包括食盐和非食盐).的同时，可获取大量的淡水。大量淡水的获得，对于沿. 海和苦咸水地区的居民生活和社会生产都至关重要。因此，具有良好的社会效益。四
图1为自然能海水自动蒸馏装置的构造示意2为自然能海水自动蒸馏装置的流程框图五具体实施方式
第一步高度检验必须保证装置的真空室⑥底部和分离室④的顶部连接处位于临界高H=10.33m的 高度。第二步真空度检验 '1、 注水真空度检验是最关键的，检验方法很多，在此介绍一个古典又省事的注水方法。 首先将真空室⑥顶部的出水阀⑦打开，将集盐管③下端的阀门关上，将淡水管 下端的阀门关上，然后将海水管 下端与高压泵对接。开动水泵，海水慢慢地依次涌入海水管O)、沸腾室⑩、分离室 ，待充满集盐管③后，水位继续升高，进入真空室⑥充满淡水管o，最后充满整个真空室⑥，直至从顶端出水阀⑦流出。2、 测压注水后静置一段时间，当没有气泡从出水口⑦冒出，而且水位与出水口⑦持平时， 封死出水阀⑦。将海水管o下端与水泵连接处浸在海水中，慢慢脱离连接。真空室⑥内的海水慢 慢下降，流入海水中。观察真空室⑥内置的气压计，当负压稳定时，记录之。说明真 空室⑥、分离室 、沸腾室⑩、海水管o、集盐管 和淡水管 都不漏气。此时可分别放开集盐管③和淡水管I2下端阀门于盐水池②和淡水池G中。至此，整个装置的真空度可以确信。并且，分离室④自由水面以下集盐管③、海水管fl)的水和淡水管◎内的水都处于静态平衡。3、 试运行(1) 加热、加热过程要慢，坚持从低温到.高温。随时观察沸腾室⑩内的水温， 和真空室⑥的压力变化。(2) 测流速 当淡水管 内的流速仪开始运转时，要耐心等待海水管O)内的流速仪运转。只有当二者流速相等时，才可认定运转基本正常。此时可继续加热，观 察压力与流速的关系。直到流速不再增加为止。说明已达饱和。记录饱和温度和压力。(3) 测浓度当淡水管 和海水管(0>运转正常时，可在集盐管③下端的盐水池②内，通过浓度计观察盐水的浓度变化。如果看到盐水浓度逐渐增加，即可认定整个 装置的试运行成功。
权利要求
1、一种自然能海水蒸馏装置，其特征是以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能等自然能为动力，通过特定高度的倒U形管道构造，形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系。
全文摘要
本发明公开了一种自然能海水自动蒸馏装置。其特点是，以大气压力、地球重力、分子吉布斯自由能和太阳能等自然能为动力，通过特定高度的倒U形管道构造，将两个敞开的脱盐系统和集盐系统相结合，形成一个常温负压下的海水自动蒸馏体系，实现淡水(蒸馏水)和食盐生产自动化。优点是1.利用自然能作动力，生产淡水和食盐，达到污物零排放，既可节约燃资源，又可保护环境。2.管道作业高度自动化无需人工操作，既可安全生产又可提高劳动效率。总之，无需能源、原料和人工投资，只需一次性设备投资，即可长期获利。本发明也实用于苦咸水地区。也可安装在各类大型船泊上，利用动力余热，在江河湖海中沿途用原水制取淡水，也可安装在居民楼上，用自来水制取饮用水，具有良好的生态效益，经济效益和社会效益。市场广阔。
文档编号C02F1/14GK101224913SQ200810049199
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月1日 优先权日2008年2月1日
发明者徐祯祥, 范爱民 申请人:徐祯祥