用于净化水及生成水蒸气的系统的制作方法

本发明涉及一种用于净化水及生成水蒸气的系统。尤其，本发明涉及一种改进的方法，该方法使用一系列传感器及控制系统通过水平的水处理容器来蒸发水，去除溶解的固体，以及从污染水最大化地回收饮用水。

背景技术：

1、脱盐(desalinization也称为desalination或desalinisation)是指从水中去除多余的盐、矿物以及其它天然或非天然污染物的许多制程之一。历史上，脱盐将海水转化成船舶上的饮用水。现代的脱盐制程仍被用于船舶及潜艇上，以确保船员的持续饮用水供应。然而，脱盐被越来越多地用于淡水资源稀缺的干旱地区。在这些地区，来自海洋的盐水被脱盐为适于摄取(也就是，可饮用)或灌溉的淡水。来自该脱盐制程的高浓度废物通常被称为盐水(brine)，其中，盐(nacl)为典型的主要副产品。现今对脱盐的兴趣主要集中于开发具有成本效益的制程，以为淡水供应有限的干旱地区提供淡水。

2、大规模脱盐通常成本高昂，且通常需要大量的能量及昂贵的基础设施。例如，世界上最大的脱盐工厂主要使用多级闪蒸(flashdistillation)，且每年可生产3亿立方米(m3)的水。美国最大的脱盐工厂每天脱盐2500万加仑(95,000m3)的水。全球(约13,000家脱盐工厂)每天生产超过120亿加仑(4500万m3)的水。因此，本领域需要不断改进脱盐方法，也就是降低成本以及提高相关系统的效率。

3、可通过许多不同的制程来执行脱盐。例如，一些制程使用简单的基于蒸发的脱盐方法，例如多效蒸发(multi-effect evaporation；med或简称为me)、蒸气-压缩蒸发(vapor-compression evaporation；vc)以及蒸发-冷凝(evaporation-condensation)。一般来说，蒸发-冷凝是在水文循环期间由自然界执行的自然脱盐制程。在水文循环中，水从例如湖泊、海洋及溪流等源头蒸发至大气中。接着，蒸发的水接触较冷的空气并形成露水或雨水。由此形成的水大体上不含杂质。可通过使用一系列蒸发-冷凝制程来人工复制该水文过程。在基本的操作中，盐水被加热至蒸发。盐及其它杂质从水中溶出并在该蒸发阶段期间被留下。该蒸发的水随后被冷凝、收集并储存为淡水。多年来，该蒸发-冷凝系统已得到很大改进，尤其随着促进该制程的更高效技术的出现。然而，这些系统仍需要大量的能量输入来蒸发水。一种替代的基于蒸发的脱盐方法包括多级闪蒸，如上简单所述。多级闪蒸使用真空蒸馏。真空蒸馏是一种通过在蒸发室内形成真空而在低于大气压下煮沸水的制程。因此，真空蒸馏操作于远低于med或vc的温度下，因此需要较少的能量来蒸发水，以从中分离污染物。鉴于不断上升的能量成本，此制程尤其可取。

4、替代的脱盐方法可包括基于膜的制程，例如逆向渗透(reverse osmosis；ro)、电渗析逆转(electrodialisys reversal；edr)、纳滤(nanofiltration；nf)、正向渗透(forward osmosis；fo)以及膜蒸馏(membrane distillation；md)。在这些脱盐制程中，逆向渗透被最广泛地使用。逆向渗透使用半透膜及压力以从水中分离盐及其它杂质。逆向渗透膜被视为有选择性的。也就是说，该膜对于水分子是高度可渗透的，而对于溶解于其中的盐及其它污染物是高度不可渗透的。膜本身被储存于昂贵且高压的容器中。该容器布置该些膜以使表面积以及穿过其中的盐水流速最大化。传统的渗透脱盐系统通常使用以下两种技术的其中一种以在该系统内形成高压：(1)高压泵；或(2)离心机。高压泵有助于通过膜过滤盐水。该系统中的压力依据泵设置以及该盐水的渗透压而变化。渗透压依赖于溶液的温度以及溶解于其中的盐的浓度。作为替代，离心机通常更高效，但更难以实施。离心机以高速率旋转溶液，以分离该溶液内不同密度的物质。与膜结合时，悬浮盐及其它污染物受制于沿该膜的长度的恒定径向加速度。一般来说，逆向渗透的一个常见问题是随着时间推移，悬浮盐的去除及膜的堵塞。

5、逆向渗透水脱盐工厂的运营费用主要取决于驱动高压泵或离心机所需的能量成本。可将水能(hydraulic energy)回收系统集成于逆向渗透系统中，以抑制与已是能量密集的工艺关联的不断上升的能量成本。这包括回收部分输入能量。例如，涡轮机尤其能够在需要高操作压力及大量盐水的系统中回收能量。涡轮机在水压降期间回收能量。因此，基于在膜的相对侧之间的压差，在逆向渗透系统中回收能量。在盐水侧上的压力远高于在脱盐水侧上的压力。该压降产生相当大的水能，其可由涡轮机回收。因此，在逆向渗透膜的高压与低压部分之间产生的能量被利用，而不是完全浪费。回收的能量可用以驱动任意系统组件，包括高压泵或离心机。涡轮机有助于减少执行脱盐所需的总体能量支出。

6、一般来说，逆向渗透系统与热蒸馏相比通常消耗较少的能量，因此更具成本效益。尽管逆向渗透在稍咸水(brackish water)溶液中作用良好，但在用于重盐溶液(例如海洋盐水)时，逆向渗透可能变得过载且效率低下。其它效率较低的脱盐方法可包括离子交换、冷冻、地热脱盐、太阳能加湿(hdh或meh)、甲烷水合物结晶、高品质水再循环或rf诱发高热。不论何种工艺，脱盐仍为能量密集的。未来的成本及经济可行性继续依赖于脱盐技术的价格与操作该系统所需的能量的成本两者。

7、在另一种替代脱盐方法中，burke,jr.的美国专利号4,891,140公开一种通过分解蒸馏从水中分离并去除溶解的矿物及有机物质的方法。这里，水在受控压力下被加热成蒸气。当水蒸发时，溶解的盐粒及其它污染物脱离溶液。集成的水力旋流离心机加速该分离制程。该加热的高压的洁净水通过热交换及水力马达将能量传送回系统。因此，净能量使用相对低于上述工艺。事实上，净能量使用基本等同于来自设备运行的泵损失及热损失。此设计的一个特别优点是不需要更换膜。此工艺去除了化学物质和其他物质，否则这些物质会损伤或破坏基于膜的脱盐装置。

8、另一专利(wallace的美国专利号4,287,026)公开一种用于从盐水及其它微咸水中去除溶解固体形式的盐及其它矿物以生产饮用水的方法及装置。迫使水在高温且在高离心速率下通过数个脱盐阶段。优选地，内部部件以高达2马赫的速度旋转该水，以高效地从蒸发的水中分离及悬浮溶解的盐以及其它溶解的固体。该悬浮盐及其它矿物受到向外的离心力作用而被独立于水蒸气排出。接着，将该分离且净化的蒸气(vapor)或蒸汽(steam)冷凝回饮用水。与逆向渗透及类似的过滤系统相比，该系统需要显著较少的操作能量以高效且经济地净化水。此设计的一个缺点是旋转轴构建于垂直室中。因此，旋转轴部分仅通过轴承及轴承盖被牢固地锚定于基本单元上。在高转速下(例如超过1马赫)，振动导致过度的轴承轴及密封失效。另一个缺点是一系列室在壳体部分中被栓接在一起。穿孔板通过o形环密封与这些部分耦接。由于该多个室及壳体部分通过多个螺母及螺栓连接，因此由于盐渗透，该壳体及o形环密封往往随着时间推移而磨损。尤其，华莱士(wallace)设计的组装尤其费力。维护同样是劳动密集的，因为拆卸各该壳体部分(包括该o形环、螺母及螺栓)花费大量时间。当然，该装置必须在执行必要的维护之后重新组装。必须将各壳体部分小心地放回到一起，以确保它们之间适当的密封。随着该装置老化，系统也容易出现各种扭矩及维护问题，例如o形环泄漏。而且，旋转轴通过齿轮驱动与电源连接，其导致上述与轴承、轴及密封件关联的可靠性问题。该系统也未公开用于依据被脱盐的盐水的渗透压来调控旋转轴部分的速度的方式。因此，wallace脱盐机的静态操作不如其它现今的脱盐装置高效。

9、因此，本领域需要一种改进的系统，其包括用于监测实时系统信息的传感器以及用于调节该系统的机械操作的控制器，以使水的净化(例如水的脱盐)最大化以及使能量消耗最小化。此类系统还应当包含多个再循环的循环(recycling cycle)，以将饮用水的回收率从约80％增加至约96％至99％之间；应当包含聚合物辅助回收系统，以提取残留化合物的微量元素；以及与本领域已知的其它脱盐系统相比应当消耗较少的能量。本发明满足这些需求并提供进一步的相关优点。

技术实现思路

1、本发明涉及一种用于处理流体(例如净化或脱盐废水)及生成水蒸气(包括蒸汽)的系统。用于净化废水源的该系统开始于废水源与产生过滤废水流的废水过滤器装置上的入口流体连接。分离罐与该废水过滤器装置上的出口流体连接，其中，该分离罐将该过滤废水流分成重组分、轻组分，以及中间组分。第一净化单元包括大体上水平的细长容器，该细长容器具有在邻近第一废水入口的该细长容器的第一端与邻近第一污染物出口及第一蒸气出口的该细长容器的第二端之间沿该细长容器垂直设置的多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板。该第一净化单元上的该第一废水入口与该分离罐上的中间出口流体连接并且将该中间组分分离成流向该第一污染物出口的污染物流以及流向该第一蒸气出口的净化蒸气流。

2、污染物罐与该第一污染物出口流体连接，以及热交换管与该第一蒸气出口流体连接并与该污染物罐热连接。来自该热交换管中该净化蒸气流的热将该污染物罐中的该污染物流干燥为污染物矿渣(mineralresidue)。净化水回收罐在该污染物罐之后与该热交换管流体连接。矿物分离器与该污染物罐上的出口连接，其中，该矿物分离器将该污染物矿渣分离成商业矿物。

3、再循环线将该第一净化单元上的该第一污染物出口与该第一废水入口流体连接。该再循环线将该污染物流的至少75％转移至该第一废水入口。

4、在该净化单元内，各该旋转托盘具有多个勺，各勺具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口，且各该固定挡板具有多个孔，各孔具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口。该纯化单元还可包括设于该多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板的下游的该细长容器中的内部套筒，该内部套筒形成通向该第一污染物出口的环形通道。

5、该系统可包括第二净化单元，该第二净化单元具有大体上水平的细长容器，该细长容器具有在邻近第二废水入口的该细长容器的第一端与邻近第二污染物出口及第二蒸气出口的该细长容器的第二端之间沿该细长容器垂直设置的多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板。该第二废水入口与该第一净化单元上的该第一污染物出口流体连接，该第二污染物出口与该污染物罐流体连接，以及该第二蒸气出口与该第一蒸气出口流体合并。在该第二净化单元中的各该多个托盘具有多个勺，各勺具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口，且在该第二净化单元中的各该多个挡板具有多个孔，各孔具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口。

6、本发明还涉及一种用于净化废水源的制程。该制程开始于滤网过滤该废水源，以产生过滤废水流。在密度分离罐中将该过滤废水流分离成重组分、轻组分，以及中间组分。通过净化单元处理该中间组分，其中，该净化单元将该中间组分分离成污染物流及净化蒸气流。通过使用来自该净化蒸气流的热在热交换单元中干燥该污染物流。接着，将该净化蒸气流冷凝成纯净水，以及处理干燥的污染物流，以从中回收矿物。

7、该制程还包括通过该净化单元再循环该污染物流的部分。通过该净化单元的该污染物流的该再循环部分包括该污染物流的至少75％。该制程还包括通过第二净化单元处理该污染物流，其中，该第二净化单元将该污染物流分离成浓缩污染物流及第二净化蒸气流。具有第二净化单元包括组合该净化蒸气流与该第二净化蒸气流，且该干燥步骤包括使用来自该组合净化蒸气流与第二净化蒸气流的热在该热交换器中干燥该浓缩污染物流。

8、优选地，该净化单元具有大体上水平的细长容器，该细长容器具有在该细长容器的第一端与第二端之间沿该细长容器垂直设置的多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板。该多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板还可包括：各该多个旋转托盘上的多个勺，各勺具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口；以及各该多个固定挡板上的多个孔，各孔具有第一直径的入口以及第二较小直径的出口。该净化单元可包括设于该多个交替隔开的旋转托盘与固定挡板的下游的该细长容器中的内部套筒，该内部套筒形成通向该污染物出口的环形通道。

9、在该净化单元中，该些托盘的至少其中之一可包括导流器，该导流器自其正面延伸并经配置以将该流体流引向该托盘的周边。可旋转轴穿过该挡板，并附着至该托盘，以在内室内旋转该托盘，同时该挡板保持不动。驱动装置旋转该轴。通常，在该挡板与该轴之间设置间隙或低摩擦材料层或套筒，或轴承。

10、在一个优选实施例中，可使用控制器调节该轴的旋转速度或至该容器中的水输入。至少一个传感器与该控制器通信。至少一个传感器经配置以确定下列至少其中之一：1)该轴或托盘的旋转速度，2)该内室的压力，3)该流体的温度，4)流体输入速率，或5)该待处理流体中的污染物含量。

11、从下面结合示例说明本发明的原理的附图所作的详细说明，本发明的其它特征及优点将变得更加清楚。