专利名称：一种海水淡化装置和海水淡化方法
技术领域：
本发明主要应用于水处理工业中的海水淡化技术领域，具体涉及一种可连续运行的利用水合物技术来进行海水淡化的海水淡化装置和海水淡化方法。
背景技术：
随着我国改革开放步伐的逐渐深入，科学技术的迅猛发展，人民生活水平有了很大提高，沿海城市和地区作为我国对外开放的窗口，经济文化发展更是日新月异，有力地带动了内陆地区经济的发展。但与此同时，我国水资源短缺的问题也日益突出。我国陆地水资源利用强度大、利用率低，资源性缺水、水质性缺水与工程性缺水并存，江河断流、地面沉降现象时有发生。目前，淮河水利用率为60%，辽河为65%，黄河为62%，海河利用率则高达90%，远远超过了国际公认的30% -40%的水资源利用警戒线。我国中东部沿海地区水资源约占全国水资源总量的43.5%，但天津、上海等沿海城市人均水资源占有量尚不足国际公认的1700立方米，资源性缺水问题严重。淡水资源的缺乏已经成为制约中国经济发展和社会进步的瓶颈。我国是一个有着宽广海疆的海洋大国。拥有全长18000多千米的海岸线，北起中朝交界的鸭绿江口，南到中越边界的北仑河口，拥有渤海(内海)、黄海、东海和南海四大海域。如此庞大而丰富的海洋资源如果得到充分的开发利用，将从根本上解决我国沿海城市和地区甚至大陆内部地区的生活及工业用水问题，缓解陆地淡水资源紧缺的资源危机，也会给我国带来丰厚的经济效益和良好的社会效益。因此，海水淡化技术的市场需求很大。海水淡化有多种方法，如蒸馏法、薄膜反渗透法、离子交换法、电渗析法、压渗法、 冷冻法、溶剂萃取法等，其中能耗是直接决定其成本高低的关键。目前投入应用的海水淡化技术主要是低温多效蒸馏法、多级闪蒸法和薄膜反渗透法。但是，目前的海水淡化技术设备比较复杂，能耗较大，导致成本较高。因此，开发新的海水淡化工艺是非常有必要的。
发明内容
有鉴于此，有必要针对目前海水淡化技术成本较高的问题，提供一种能有效降低成本的可连续运行的利用水合物技术来进行海水淡化的海水淡化装置和海水淡化方法。一种海水淡化装置，包括海水供给系统、至少三级水合物生成分解反应器、制冷制热系统、气体循环系统，海水供给系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供海水水源，至少三级水合物生成分解反应器用于使海水和水合反应气体逐级发生化学反应，使海水的盐浓度逐级降低，最终获得淡水，制冷制热系统用于提供各级水合物生成分解反应器中水合物生成或分解所需的冷能和热能，气体循环系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供循环气体。所述的海水淡化装置，其中，海水供给系统包括海水泵，海水泵通过管道连接海水储存罐或直接通入大海。所述的海水淡化装置，其中，至少三级水合物生成分解反应器包括第一级水合物生成分解反应器、第二级水合物生成分解反应器、第三级水合物生成分解反应器；第一级水合物生成分解反应器由第一级水合反应器、第一级反应器隔热垫圈和第一级水合物分解器通过法兰相连组成，第一级水合反应器和海水泵通过管道相连，第一级水合反应器通过管道连接浓盐水收集器或直接通入大海；第二级水合物生成分解反应器由第二级水合反应器、第二级反应器隔热垫圈和第二级水合物分解器通过法兰相连组成，第二级水合反应器与第一级水合物分解器通过管道连接，第二级水合反应器与第一级水合反应器通过管道连接；第三级水合物生成分解反应器由第三级水合反应器、第三级反应器隔热垫圈和第三级水合物分解器通过法兰相连组成，第三级水合反应器与第二级水合物分解器通过管道连接，第三级水合反应器与第二级水合反应器通过管道连接，第三级水合物分解器和淡水储存罐通过管道连接。所述的海水淡化装置，其中，制冷制热系统由制冷压缩机、第一级冷凝器、第二级冷凝器、第三级冷凝器、热力膨胀阀、第一级蒸发器、第二级蒸发器和第三级蒸发器通过管道相连组成；第一级冷凝器为第三级水合物分解器提供热源，第二级冷凝器为第二级水合物分解器提供热源，第三级冷凝器为第一级水合物分解器提供热源；第一级蒸发器为第一级水合反应器提供冷源，第二级蒸发器为第二级水合反应器提供冷源，第三级蒸发器为第三级水合反应器提供冷源。所述的海水淡化装置，其中，气体循环系统包括气体压缩机和多个气体管道，气体压缩机通过气体管道分别与第一级水合反应器和第三级水合物分解器连接，第一级水合物分解器和第二级水合反应器通过气体管道连接，第二级水合物分解器和第三级水合反应器通过气体管道连接，气体压缩机、三级水合物生成分解反应器、多个气体管道构成了气体循环通路。所述的海水淡化装置，其中，气体循环系统还包括储气罐、截止阀、三通，储气罐和截止阀通过气体管道连接，截止阀通过三通连接至气体循环通路。一种海水淡化方法，包括提供海水和水合反应气体；海水和水合反应气体进入第一级水合物生成分解反应器得到浓度较低的盐水；该浓度较低的盐水进入第二级水合物生成分解反应器后，与在第一级水合物生成分解反应器中水合物分解得到的水合反应气体反应后获得浓度更低的盐水；该浓度更低的盐水进入后一级水合物生成分解反应器后，与在前一级水合物生成分解反应器中水合物分解得到的水合反应气体反应，如此重复，直至得到淡水。所述的海水淡化方法，其中，水合物生成分解反应器至少有三级。所述的海水淡化方法，其中，水合反应气体为甲烷、乙烷或丙烷。本发明与现有技术相比，具有如下优点1、设备简单、紧凑、成本低；2、海水淡化工质为甲烷、乙烷或丙烷等，无毒，不溶于水、易处理；3、工艺流程简单，操作方便；4、不需要分离水合物和浓盐水，能量效率较高；5、系统各部分功能明确，具有良好的可升级性和可扩充性。
图1是本发明海水淡化装置的示意图。
具体实施例方式本发明主要是提供一种通过结合水合物的物性和形成分解条件，利用水合物和海水密度之差及气泡的提升作用，使水合物生成和分解在一个容器内迅速进行，并能连续生产淡水的海水淡化装置。请参阅图1，本发明连续式水合物法海水淡化装置由海水供给系统、至少三级水合物生成分解反应器、制冷制热系统、气体循环系统、浓盐水收集器1、淡水储存罐21组成。以下是以三级水合物生成分解反应器的情况为例进行说明。海水供给系统由海水泵2和海水储存罐3通过管道相连组成，海水泵2也可以通过管道直接通入大海，海水供给系统用于为第一级水合物生成分解反应器提供海水水源。第一级水合物生成分解反应器由第一级水合反应器7、第一级反应器隔热垫圈8 和第一级水合物分解器9通过法兰相连组成。第一级水合反应器7和海水泵2通过管道相连，第一级水合反应器7和浓盐水收集器1通过管道相连，第一级水合反应器7也可以通过管道直接通入大海。第二级水合物生成分解反应器由第二级水合反应器14、第二级反应器隔热垫圈 13和第二级水合物分解器12通过法兰相连组成，第二级水合反应器14与第一级水合物分解器9通过管道连接，第二级水合反应器14与第一级水合反应器7通过管道连接。第三级水合物生成分解反应器由第三级水合反应器17、第三级反应器隔热垫圈 18和第三级水合物分解器19通过法兰相连组成。第三级水合反应器17与第二级水合物分解器12通过管道连接，第三级水合反应器17与第二级水合反应器14通过管道连接，第三级水合物分解器19和淡水储存罐21通过管道连接。制冷制热系统由制冷压缩机22、第一级冷凝器20、第二级冷凝器11、第三级冷凝器10、热力膨胀阀5、第一级蒸发器6、第二级蒸发器15和第三级蒸发器16通过管道相连组成，制冷制热系统用于提供各级水合物生成分解反应器中水合物生成或分解所需的冷能和热能。其中，第一级冷凝器20为第三级水合物分解器19提供热源，第二级冷凝器11为第二级水合物分解器12提供热源，第三级冷凝器10为第一级水合物分解器9提供热源；第一级蒸发器6为第一级水合反应器7提供冷源，第二级蒸发器15为第二级水合反应器14提供冷源，第三级蒸发器16为第三级水合反应器17提供冷源。气体循环系统包括气体压缩机4和多个气体管道，气体压缩机4通过气体管道分别与第一级水合反应器7和第三级水合物分解器19连接，第一级水合物分解器9和第二级水合反应器14通过气体管道连接，第二级水合物分解器12和第三级水合反应器17通过气体管道连接。因此，气体压缩机4、三级水合物生成分解反应器、多个气体管道构成了气体循环通路。为了及时补充随淡水带出的少量气体，气体循环系统还包括储气罐M、截止阀 23、三通25，储气罐M和截止阀23通过气体管道连接，截止阀23通过三通25连接至气体循环通路。当气体循环通路中的气体压力过低时，开启截止阀23并通过三通25给气体循环通路补充气体。本发明的水合物生成分解反应器不限于三级，可根据具体的海水条件采用四级或更多级水合物生成分解反应器来实现。本发明中生成水合物的密度要求小于1且气体不溶于水，代表气体有甲烷、乙烷和丙烷，也可以使用具有相同性质的气体。以下举例说明海水淡化方法本实施例中，海水的温度为25°C，使用的水合物工质为乙烷气，乙烷生成水合物的工况温度为4-5°C，压力为1.6-2. OMPa。乙烷生成水合物的工况温度为15_20°C，压力为 1. 4-1. 8MPa0乙烷气由气体压缩机4加压到2. OMI^a进入第一级水合反应器7。海水则由海水泵 2从海水储存罐3中泵入第一级水合反应器7。高压乙烷气体和海水混合并在第一级蒸发器6的作用下降温到4°C，高压乙烷气体和海水在低温高压环境中生成气体水合物，同时排除盐份和杂质。由于气体水合物的密度小于海水，水合物在浮力和循环气体的作用下上浮， 在第一级水合物分解器9中升温到15-20°C分解，并释放出淡水和气体，淡水和未反应的海水混合成浓度较低的盐水由第一级水合物分解器9的出口排出并进入第二级水合反应器 14，而分解得到的乙烷气体则由第二级水合反应器14的底部进入第二级水合反应器14，完成一级脱盐过程。从第二级水合反应器14进来的高压乙烷气体(压力在1. SMPa左右)和从第一级水合物分解器9进来的较浓盐水混合，并在低温高压环境中生成气体水合物，同时进一步排除盐份和杂质。同样，水合物在浮力和循环气体的作用下上浮，在第二级水合物分解器12 中分解并释放出淡水和乙烷气体，淡水和未反应的海水混合成浓度较低的盐水由第二级水合物分解器12的出口排出并进入第三级水合反应器17，而分解得到的乙烷气体则由第三级水合反应器17的底部进入第三级水合反应器17，完成二级脱盐过程。为有效提高海水利用率，第二级水合反应器14底部排出的较高浓度盐水再进入第一级水合反应器7参与反应。从第三级水合反应器17进来的高压乙烷气体(压力在1. 6MPa左右)和从第二级水合物分解器12进来的低浓度盐水混合，并在低温高压环境中生成气体水合物，同时进一步排除盐份和杂质。同理，水合物在浮力和循环气体的作用下上浮，在第三级水合物分解器 19中分解并释放出淡水和气体，得到的淡水由管道输送到淡水储存罐21，完成最后的脱盐过程。乙烷气体(压力在1. 4MPa左右)则经过气体压缩机4加压后再次进入第一级水合反应器7继续反应，进行下一轮循环。同理，为有效提高海水利用率，第三级水合反应器17 底部排出的较高浓度盐水进入第二级水合反应器14继续参与水合物反应。本发明与现有技术相比，具有如下优点1、设备简单、紧凑、成本低；2、海水淡化工质为甲烷、乙烷或丙烷等，无毒，不溶于水、易处理；3、工艺流程简单，操作方便；4、不需要分离水合物和浓盐水，能量效率较高；5、系统各部分功能明确，具有良好的可升级性和可扩充性。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种海水淡化装置，其特征在于包括海水供给系统、至少三级水合物生成分解反应器、制冷制热系统、气体循环系统，海水供给系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供海水水源，至少三级水合物生成分解反应器用于使海水和水合反应气体逐级发生化学反应，使海水的盐浓度逐级降低，最终获得淡水，制冷制热系统用于提供各级水合物生成分解反应器中水合物生成或分解所需的冷能和热能，气体循环系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供循环气体。
2.根据权利要求1所述的海水淡化装置，其特征在于海水供给系统包括海水泵，海水泵通过管道连接海水储存罐或直接通入大海。
3.根据权利要求2所述的海水淡化装置，其特征在于至少三级水合物生成分解反应器包括第一级水合物生成分解反应器、第二级水合物生成分解反应器、第三级水合物生成分解反应器；第一级水合物生成分解反应器由第一级水合反应器、第一级反应器隔热垫圈和第一级水合物分解器通过法兰相连组成，第一级水合反应器和海水泵通过管道相连，第一级水合反应器通过管道连接浓盐水收集器或直接通入大海；第二级水合物生成分解反应器由第二级水合反应器、第二级反应器隔热垫圈和第二级水合物分解器通过法兰相连组成，第二级水合反应器与第一级水合物分解器通过管道连接，第二级水合反应器与第一级水合反应器通过管道连接；第三级水合物生成分解反应器由第三级水合反应器、第三级反应器隔热垫圈和第三级水合物分解器通过法兰相连组成，第三级水合反应器与第二级水合物分解器通过管道连接，第三级水合反应器与第二级水合反应器通过管道连接，第三级水合物分解器和淡水储存罐通过管道连接。
4.根据权利要求3所述的海水淡化装置，其特征在于制冷制热系统由制冷压缩机、第一级冷凝器、第二级冷凝器、第三级冷凝器、热力膨胀阀、第一级蒸发器、第二级蒸发器和第三级蒸发器通过管道相连组成；第一级冷凝器为第三级水合物分解器提供热源，第二级冷凝器为第二级水合物分解器提供热源，第三级冷凝器为第一级水合物分解器提供热源；第一级蒸发器为第一级水合反应器提供冷源，第二级蒸发器为第二级水合反应器提供冷源， 第三级蒸发器为第三级水合反应器提供冷源。
5.根据权利要求3或4所述的海水淡化装置，其特征在于气体循环系统包括气体压缩机和多个气体管道，气体压缩机通过气体管道分别与第一级水合反应器和第三级水合物分解器连接，第一级水合物分解器和第二级水合反应器通过气体管道连接，第二级水合物分解器和第三级水合反应器通过气体管道连接，气体压缩机、三级水合物生成分解反应器、 多个气体管道构成了气体循环通路。
6.根据权利要求5所述的海水淡化装置，其特征在于气体循环系统还包括储气罐、截止阀、三通，储气罐和截止阀通过气体管道连接，截止阀通过三通连接至气体循环通路。
7.—种海水淡化方法，其特征在于，包括提供海水和水合反应气体；海水和水合反应气体进入第一级水合物生成分解反应器得到浓度较低的盐水；该浓度较低的盐水进入第二级水合物生成分解反应器后，与在第一级水合物生成分解反应器中水合物分解得到的水合反应气体反应后获得浓度更低的盐水；该浓度更低的盐水进入后一级水合物生成分解反应器后，与在前一级水合物生成分解反应器中水合物分解得到的水合反应气体反应，如此重复，直至得到淡水。
8.根据权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于水合物生成分解反应器至少有三级。
9.根据权利要求7所述的海水淡化方法，其特征在于水合反应气体为甲烷、乙烷或丙焼。
全文摘要
本发明涉及一种可连续运行的利用水合物技术来进行海水淡化的海水淡化装置和海水淡化方法，海水淡化装置包括海水供给系统、至少三级水合物生成分解反应器、制冷制热系统、气体循环系统，海水供给系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供海水水源，至少三级水合物生成分解反应器用于使海水和水合反应气体逐级发生化学反应，使海水的盐浓度逐级降低，最终获得淡水，制冷制热系统用于提供各级水合物生成分解反应器中水合物生成或分解所需的冷能和热能，气体循环系统用于为至少三级水合物生成分解反应器提供循环气体。本发明与现有技术相比，具有如下优点设备简单、紧凑、成本低；不需要分离水合物和浓盐水，能量效率较高。
文档编号C02F103/08GK102351255SQ20111017981
公开日2012年2月15日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者李栋梁, 梁德青 申请人:中国科学院广州能源研究所