一种自空气中制取液态水的装置制造方法
【专利摘要】本实用新型属于气体分离【技术领域】，具体为一种自空气中制取液态水的装置。该装置包括：过滤器、升压设备、膜分离器、吸附分离器、真空泵、一些控制阀门及必要的管线，以及可将真空泵出口的水蒸气冷凝、净化等设备。含湿原料空气首先进入过滤器，经过滤后，经升压设备进入膜分离器与吸附分离器；真空泵在膜的渗透侧提供-30KPa～-80KPa的真空压力，水蒸汽优先透过膜分离器经真空泵出口输出为水蒸汽；自真空泵出口排出的水蒸汽采用冷凝技术即可连续、高效的获得饮用水。本实用新型对比单纯以膜分离方法或单纯以吸附分离方法，或直接采用压缩、冷凝等常规方法，效率更高，并且分离过程可连续进行。
【专利说明】一种自空气中制取液态水的装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于气体分离【技术领域】，具体涉及一种自空气中分离水蒸气的方装置，尤其涉及一种从空气中制取液态水的装置。
【背景技术】
[0002]由于人类大规模开采及环境破坏以及由此带来的气候异常，加上我国水资源时间和空间分布极不均匀，以及水体污染的加剧，使得地表水资源严重匮乏，尤其是在一些干旱、沙漠地区、西部缺水区域或在一些岛屿、沿海潮湿但缺少淡水的地区，野外科考、边境兵站、高山雷达站等特种作业模式、环境下，淡水供应非常困难，在这些地区，其获得水的主要方式是依靠少量的降雨蓄积或者基地补给，不方便、不稳定或者费用高，这些，已成为制约这些地区经济社会发展的瓶颈问题。
[0003]目前解决局部地区淡水短缺问题方法主要有:(I)异地送水、机动补给，(2)依赖地表水源采用净化、海水淡化等方法取得饮用水，但不管哪种方法，因为都基于地表水源为基础，都不能从根本上很好的解决上述特定区域、特定应用环境下的淡水水源的问题:
[0004](I)异地送水、机动补给不仅受制于运输条件，还有高昂的运输成本；
[0005](2)依赖地表水源采用净化方法回用，不仅受制于地表水源的有无、有无不可净化的毒素，还有高昂的净化处理费用，比如高山雷达站，只能依赖蓄水再净化取得饮用水，看天喝水，还将承担高昂的费用，比如海水淡化，尽管被视为人类未来主要水源之一，工程上也有大规模的应用，但其制水成本也难以接受，而且还受制于用水区域地理位置的影响，使得该技术无法在上述广阔干旱、沙漠地区、西部缺水区域以及野外科考、边境兵站、高山雷达站等特种作业模式、环境下应用。
[0006]事实上,大气本身就是一个巨大的淡水库,空气中水蒸气清洁且可再生,在没有地表水源的情形下，空气可成为我们获取淡水的重要水源，例如，即使撒哈拉沙漠，其全年平均相对湿度也有20?30%左右，夜晚的空气中的湿度则更大，将空气中的水蒸气分离出来并转化为液态水，即可供生活或工作在上述特定区域、特定环境下的人们使用。
[0007]中国专利CN1131359C描述了一种“吸附式空气取水装置”，其主要由吸附床、冷凝器、净水系统和储水器等构成，并采用了特定的吸附剂以强化取水效果，采用了特定的吸附床、冷凝器结构包括加热器增强了吸附剂的传热与冷凝器的换热以及利用废热或自然能以增强取水效率，实现了一日可多次循环自空气取水的过程，但该方案因仅采用吸附分离技术，并且吸附和解吸单独运行，取水过程不连续，此外，解吸过程仅采用了加热的措施为水蒸汽解吸提供能量，能量消耗大，效率不高，尤其在低湿度干旱地区采用该方案难以高效的制取水并且因为取水的不连续限制了其应用。
[0008]中国专利CN 101851946 B描述了一种“利用分离膜富集空气水蒸气的制水方法和装置”，包括空气主制水装置与空气辅制水装置，该空气主制水装置包括主制水空气预处理装置、膜除湿组件、吹扫气减压阀、除湿空气预冷器、除湿空气膨胀机、吹扫气预冷器、主制水器以及水箱，该空气辅制水装置包括辅制水空气引风机、辅制水空气滤清器以及辅制水器，并通过特定的工艺连接保证了连续制水，克服吸附法富集水蒸气制水的技术缺点，利用分离膜富集空气中的水蒸气，再通过对富集气体降温从而制造液体水的方法，但是，因该方法仅采用膜分离技术分离从大气中很低水蒸汽分压的混合气体中分离出该水蒸气，效率不高，为了提高制水量与制水效率，对膜分离器的渗透侧提供了吹扫气的形式以增强膜分离过程，但因仍然基于较高压力(典型的，采用压缩机将空气升压至4?15bar的压力)下进行的正压式膜分离过程，能耗高并且系统复杂而限制了其应用，典型的，升压至7bar压力的压缩机的压力比达(7+1) /1=8倍，能耗很大，尤其在低湿度干旱地区采用该方案难以高效的制取水。
【发明内容】
[0009]本实用新型的目的在于克服单纯以吸附法或膜分离方法自空气中富集水蒸气制水的技术缺点，提供一种可高效的、连续的从含湿空气中分离水蒸气制取液态水的装置。
[0010]本实用新型提供的从含湿空气中分离水蒸气制取液态水的方法及其装置，有别于现有技术的简单膜分离过程或吸附分离过程，通过将膜分离技术与吸附分离技术有机结合，形成一种全新的耦合分离方法，是一种针对空气中较低分压水蒸气进行分离的工艺方法。
[0011]本实用新型提供的从含湿空气中分离水蒸气制取液态水的装置，如附图1、2所示，它至少包括:
[0012](I)优选但非必要的至少一个过滤器AFOl ；
[0013](2)至少一个升压设备AB01，设置在膜分离器之前，用以将原料气升压到一定的压力送入膜分离器与/或吸附分离器；升压设备也可放置在膜分离器之后，用以排除自膜分离器排出的滞留气；典型的，可采用鼓风机；
[0014](3)至少一组膜分离器M01，该膜分离器中的膜分离材料至少分成两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧；原料气侧接升压设备ABOl (鼓风机)出口，滞留气侧排向大气；当为多组膜分离器时，其原料气侧可并联连接升压设备，并分别排向大气；膜分离器渗透侧至少2个，一个靠近原料气侧的渗透出口接吸附分离器出口，一个靠近滞留气侧的渗透出口接真空泵入口 ；该膜分离器的膜分离材料对待分离的混合气体组分(空气组分与水蒸气)中的水蒸气具有较高的选择性；
[0015](4)至少一组吸附分离器，并联连接膜分离器入口，其出口接膜分离器渗透气侧；吸附分离器内填装有能吸附水蒸气的吸附剂(分子筛)；
[0016](5)至少一组用于将原料空气送入膜分离器原料气侧及吸附分离器入口的控制阀门及其必要的管线；
[0017](6)至少一组用于将吸附分离器排出的气体经膜分离器渗透侧排向真空泵入口的控制阀门及其必要的管线；
[0018](7)至少一个真空泵AB02，用以建立膜分离器两侧跨膜压力比，并可为吸附分离器提供解吸动力；
[0019](8)优选但非必要的至少一组用以调节控制真空泵出口水蒸气循环返回升压设备ABOl入口的控制阀门VlOl及其必要的管线。[0020]如公知技术，系统还需包含必要的控制组件，以使的系统动力设备能够运行，控制阀门能够按照要求进行切换等。
[0021]如公知技术，系统还包括可将真空泵出口的水蒸气冷凝、净化等设备。
[0022]基于上述从含湿空气中分离水蒸气制取液态水的装置，可高效的、连续的从空气中分离出其中较低分压的水蒸气、制取液态水。根据图1，具体操作步骤如下:
[0023](I)含湿原料空气首先进入过滤器AF01，气体经过过滤器AFOl过滤掉灰尘等杂质，然后经升压设备ABOl升压至IOOpa?15Kpa，该升压主要用以克服膜分离器MOl及其吸附分离器AOl等的流程阻力，提供足额的分离气量，为膜分离器提供气体的升压设备还可安装在膜分离器之后(图中未示出)；
[0024](2)经步骤(I)处理后的含湿空气进入膜分离器与吸附分离器:因膜分离材料对待分离的混合气体组分(空气组分与水蒸气)中的水蒸气具有较高的选择性，真空泵AB02在膜的渗透侧提供_30KPa?-80KPa的真空压力，在膜的两侧(高压侧与渗透侧)形成30KPa?SOKPa的跨膜压差，在该压差吸引下，水蒸气优先透过膜分离器经真空泵出口输出为水蒸气；同时，因膜分离器至少从渗透侧排出了一部分水蒸气，而在膜分离器的滞留侧将排出含水蒸气较少的贫气，故本分离过程是连续进行的；同时，经管线上设置的阀门QDV101A引导进入吸附分离器AOl后的含湿空气，因分离器内填装有能吸附水蒸气的吸附剂(分子筛)，典型的，如填装具有静态水吸附容量75?175% (w/w,重量百分比)的高效水吸附剂，水蒸气将被吸附剂吸附，含湿量更少的贫气经管线上设置的阀门QDV102A引导排除出系统外部，也可少量引入膜分离器的渗透侧作为吹扫气以增强膜分离过程，当吸附剂吸附水蒸气饱和时，通过控制阀门QDV101A将吸附分离器入口封闭，并通过控制阀门QDV102A引导将吸附分离器吸附的水蒸气自膜分离器的A2-2渗透口对膜分离器进行吹扫，同时自A2-1渗透出口经真空泵输出为水蒸气；其中，吹扫可加强膜分离过程，使得分离更有效率，阀门QDV102A可同时控制自吸附分离器抽出的水蒸气进入膜分离器的渗透侧而不至于严重影响膜分离器的分离工况，并且，经真空泵AB02的真空吸引，吸附分离器吸附了水蒸气的吸附剂(分子筛)将获得再生，再生后的吸附分离器即可继续接收经阀门QDV101A引导进入吸附分离器吸附，如此循环往复，耦合的分离系统的分离过程仍然是连续进行的；因为耦合，可更彻底的利用原料空气，将原料空气中的较低分压的水蒸气分离出来；
[0025](3)在极端工况如沙漠地区，因空气中含湿量较低，此时，可将自真空泵出口的至少一部分水蒸气经调节阀VlOl循环返回至鼓风机ABOl之前，与进入膜分离器的含湿原料空气混合后进入膜分离器，这一有益的改良将增强膜分离过程，并经上述步骤连续、高效的分离原料空气中的水蒸气；
[0026](4)经上述分离后的自真空泵出口排出的水蒸气采用常规公知的冷凝技术即可连续、高效的获得饮用水。
[0027]附图2是一种采用双分离器耦合的自空气中分离水蒸气的取水方法及装置，如上述一致，经此耦合的工艺技术可连续、高效的分离原料空气中的水蒸气，并采用常规公知的冷凝技术连续、高效的获得饮用水，其不同之处在于，膜分离器与吸附分离器至少采用了 2组，当其中I组吸附分离器如AOl吸附饱和之后，通过控制阀QDV101A引导将吸附分离器入口封闭，并通过控制阀QDV102A引导将吸附分离器吸附的水蒸气自膜分离器的A2-2渗透口对膜分离器进行吹扫的同时并自A2-1渗透出口经真空泵输出为水蒸气，真空泵AB02对吸附分离器吸附了水蒸气的吸附剂(分子筛)再生，同时，另I组吸附分离器即在控制阀QDV101B引导下进入吸附分离器A02进行吸附，如此循环往复，耦合的分离系统的分离过程仍然是连续进行的，因为耦合，可更彻底的利用原料空气，将原料空气中的较低分压的水蒸气分离出来。
[0028]本实用新型中，所谓较低分压的水蒸气，系指如沙漠地区，空气湿度将低至20%相对湿度的极端工况条件。
[0029]本实用新型中，所谓高效分离水蒸气，系对比如单纯以膜分离方法或单纯以吸附分离方法，或直接采用压缩、冷凝等常规方法更有效率。
[0030]本实用新型中，所说的选择性，也称分离系数、α (阿尔法)值，其一般定义为:
[0031]α (阿尔法)值，空气组分与水蒸气的选择性=(Q水/Q干空气组分)。
[0032]式中Q干空气组分与Q水分别代表膜分尚材料对待分尚的干空气组分与水蒸气在单位时间、压力下纯组分干空气和水蒸气通过膜材料的渗透量，典型的如，I大气压，20V, a (阿尔法)值即为该渗透量之比。
[0033]本实用新型中，所用膜分离材料系指空气组分与水蒸气的分离系数达50?5000的各种形式的膜分离材料。
[0034]本实用新型中，所用吸附剂(分子筛)系指能吸附水的各种类型的吸附剂，优选高性能水吸附剂，其静态水吸附量可达重量百分比75%?175% (w/w)。
[0035]本实用新型中，所说吸附塔，也可称为吸附器、吸附床、分离器，是指装填了至少一种可吸附水蒸气的容器，吸附剂对混合气体中较易吸附的水蒸气组分有较强的吸附能力；吸附塔可以是任何要求的构造形式的吸附塔，通过吸附塔的气流型式可用轴向流、径向流、侧向流或其它的型式，可以单个吸附塔，可以是两塔、三塔，甚至多塔，而且每个都可包括有多个主要吸附层，或者也可没有或设有一个或更多的预处理层用以优化吸附过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1是一种自空气中分离水蒸气的取水方法及装置(单分离器耦合)。
[0037]图2是一种自空气中分离水蒸气的取水方法及装置(双分离器耦合)。
[0038]图中标号:AFOl是空气过滤器，QDV101A/ QDV101B、QDV102A/ QDV102B 是三通阀，QDV103A/ QDV103B是两通阀，ABOl是升压设备，AB02是真空泵，VlOl是调节阀，PEOl是压力监测设备，TEO1、TEOIA、TEOIB是温度监测设备；M01、M01A/B是一种4 口薄膜分离器，其中，AO是膜分离器的原料气入口也即含湿空气入口，Al是滞留气出口，也即贫湿空气出口，Α2，Α2-1，Α2-2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口、水蒸气出口 ；A01、A02是吸附分离器(吸附塔)。
【具体实施方式】
[0039]下面结合附图以说明本实用新型与现有技术的不同，并进一步描述本实用新型。附图中:
[0040]AF01，是空气过滤器，可以是各种形式的过滤器，包括纤维形式、滤料形式、袋式过滤，优选采用可自清洁形式或者各种组合形式的过滤器，用于过滤、清洁进入分离器的原料空气，保证分离器对原料空气的清洁度要求。[0041]QDVlOIA/ QDV101B, QDV102A/ QDV102B是三通阀，当然也可以采用同样工艺目的、所需功能的两通阀替代，QDV103A/ QDV103B是两通阀，当双分离器耦合时，QDV103A/QDV103B可合并采用一个三通阀，前述阀门可以是各种形式的手动、自动控制、调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的自动调节阀，可以是气动的、电动的、液动控制的自动阀，用于切换、隔离、调节进入与排出膜分离器或吸附分离器的待分离空气、中间工艺气体、废气等；其中，如果是自动调节阀门，它们可根据预先设定的逻辑开启、调节或关闭以及按照监测的温度、压力进行流量、时间、温度等控制调节。
[0042]AB01，是升压设备，可以是各种形式的压缩设备，如活塞式、离心式、螺杆、涡旋、罗茨、液环等等压缩形式，将气体升压到适当的压力，其中，ABOl用于将待分离组分升压到进入分离器所需的分离压力，优选采用各种形式的鼓风机将待分离含湿空气升压至IOOpa?15Kpa，以克服流程阻力并提供足额的分离气量为优选设计目标，还可安装在膜分离器之后吸附分离器之前的工艺管道上(图中未示出)。
[0043]AB02，是真空泵，用于将工艺气体自膜分离器负压侧减压至分离所需的压力并克服后续流程的流体输送的阻力为设计目标，同时，该设备还用于吸附分离器内气体的解吸真空需求，典型的，减压至_30KPa?-SOKPa的压力，优选采用各种形式的真空泵。
[0044]VlOl是调节阀，用于将真空泵后输出的高湿含量的水蒸气循环返回升压设备ABOl (鼓风机)入口，这些阀门可以是各种形式的阀门，如各种手动、自动控制、调节的截止阀、蝶阀、闸阀等，优选采用各种形式的自动调节阀，可以是气动的、电动的、液动的，它们可根据预先设定的逻辑，如按照监测的压力、温度或流量等进行控制调节，以控制循环返回ABOl鼓风机入口的流量增强分离效果。
[0045]PE01，是压力监测设备，用于监测真空泵入口的压力，可安装在一切可以实时反映进入真空泵气体压力的任意位置，可以是压敏或其它任意形式的压力监测设备；TE01\TEOlA \TE01B，是温度监测设备，用于监测吸附分离器的温度，可安装在一切可以实时反映吸附分离器内吸附剂温度的任意位置，包括安装在吸附分离器入口、出口通过监视进出口气体温度来监视吸附剂温度的任意位置。
[0046]M01、M01A/B，是一种4 口薄膜分离器，可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜，膜分离器中的膜分离材料至少分成了两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也即膜分离器的原料气侧，也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧，也称为低压侧、负压侧，其中，AO是膜分离器的原料气入口也即含湿空气入口，Al是滞留气出口，也即贫湿空气出口，A2，A2-1，A2-2是膜分离器负压侧也即渗透侧出口，水蒸气出口。
[0047]AOl、A02是一种吸附分离器(吸附塔)，每个吸附分离器至少由I个气体入口与I个气体出口，吸附分离器内装填有吸附剂(分子筛)，可以是能吸附水分的任何分子筛，当含有水蒸气的混合气体进入吸附分离器后，因吸附塔内的吸附剂将吸附水分而使得流出吸附分离器的气体较进入的混合气体中水蒸气更少，吸附分离器内至少吸附了一部分混合气体的水蒸气。
[0048]与常规技术不同，一个典型的如采用卷式或板式的分离器进行的膜分离过程中，ABOl主要以满足提供新鲜空气为主要目的，克服流体输送的阻力，典型的，升压IOOPa?1500Pa，优选的，建立IOOPa?500Pa a的风压以克服膜分离器本身具有的气体流通阻力，如采用板式膜，甚至仅需建立数十到几百帕的风压，更有将ABOl放置在板式膜之后作为废气排放风机的做法，目的也仅仅是为了克服原料空气进入膜分离器的阻力以不断的提供含湿空气的目的，与其它采用更高的压力进行的膜分离过程不一样，通常采用本方法因无需将空气压缩至更高的压力(典型的，如压缩至7bar的较高压力)而具有更低的能耗。
[0049]与常规技术不同，本发明通过膜分离过程与吸附分离过程耦合的工艺技术，使得分离水蒸气的过程是连续的，并且，因与其它技术相比较，更彻底的分离了含湿空气中的水蒸气，或者说，如与单一膜分离过程相比较，可以采用更少的膜面积、更低的分离压力，与单一采用吸附分离过程相比较，可以采用更少的吸附剂，此外，本发明采用的动力设备如鼓风机、真空泵在分离过程中是连续运行的，分离系统更具有效率，这在诸如沙漠干旱等含湿量非常低的地区，水蒸气分压极低，采用本系统在可连续获得水蒸气上更具有技术优势。
[0050]对比采用加热再生吸附分离器中的吸附剂(分子筛)的分离水蒸气的方法，本系统与膜分离系统耦合，真空泵既作为膜分离过程的分离动力来源，又可对吸附分离器的分子筛进行真空再生，而这点真空动力对比加热再生的能源来说，不仅微不足道，而且系统更为简便。
[0051]本实用新型以相对廉价的建造成本解决了单一以膜分离方法或者吸附分离方法进行的针对含湿空气中较低分压水蒸气的技术缺陷，提供的耦合的分离工艺方法更具效率，并且分离过程连续。
[0052]本实用新型还包括可将真空泵出口的水蒸气冷凝、净化等设备，优选可将原料空气用于对真空泵出口进行换热等优化的换热设备，可将真空泵出口的水蒸气冷却更有效率，同时，也不排除将废气热能、太阳能用于加速吸附分离器解吸的一切措施，以进一步提高能效比。
[0053]本实用新型优先应用于空气含湿组分的分离过程，但是所公开的基本原则可用于很多其它的分离场合。通过本发明的方法可以实现分离的典型实例包括氧气/氮气的分离、气体干燥、二氧化碳/甲烷的分离、二氧化碳/氮气的分离、氢气/氮气的分离和烯烃/烧烃的分离。
[0054]实施例一个自空气中取水的制水系统，按附图1连接，其中，膜分离器采用上海傯达弗材料科技有限公司生产的板式膜分离器，其干空气与水的分离系数为1850，膜面积装填量为5.5m2，吸附塔内装有上海傯达弗材料科技有限公司生产的SSAT#AW100高吸水性分子筛2.5kg，其堆积密度，0.297g/ml，静态水吸附容量75%wt，配套选型了 I台流量400m3/h，风压600Pa的鼓风机，I台抽速100L/min，装机功率300W的真空泵，当运行如下环境温度25°C、空气中相对湿度RH20%的条件下时，空气中含水量如下表，将真空泵出口的水蒸气冷凝后每天可制取饮用水30L:
[0055]
【权利要求】
1.一种自空气中制取液态水的装置，其特征在于，包括: (1)至少一个过滤器； (2)至少一个升压设备，设置在膜分离器之前，用以将原料气升压，送入膜分离器与/或吸附分离器；或者设置在膜分离器之后，用以排除自膜分离器排出的滞留气； (3)至少一组膜分离器，该膜分离器中的膜分离材料至少分成两侧，一侧为正压侧，一侧为负压侧，正压侧也称为原料气侧、高压侧、滞留气侧，负压侧也称为渗透气侧、低压侧；原料气侧接升压设备出口，滞留气侧排向大气；当为多组膜分离器时，其原料气侧并联连接升压设备，并分别排向大气；膜分离器渗透侧至少2个，一个靠近原料气侧的渗透出口接吸附分离器出口，一个靠近滞留气侧的渗透出口接真空泵入口 ； (4)至少一组吸附分离器，并联连接膜分离器入口，其出口接膜分离器渗透气侧；吸附分离器内填装有能吸附水蒸汽的吸附剂； (5)至少一个真空泵，用以建立膜分离器两侧跨膜压力比，并可为吸附分离器提供解吸动力； (6)至少一组用于将原料空气送入膜分离器原料气侧及吸附分离器入口的控制阀门及管线； (7)至少一组用于将吸附分离器排出的气体经膜分离器渗透侧排向真空泵入口的控制阀门及管线； (8)至少一组用以调节控制真空泵出口水蒸汽循环返回升压设备ABOl入口的控制阀门及管线。
2.根据权利要求1所述的自空气中制取液态水的装置，其特征在于，所用膜分离材料，其空气组分与水蒸气的分离系数达50?5000。
3.根据权利要求1所述的自空气中制取液态水的装置，其特征在于，所用吸附剂，其静态水吸附量达重量百分比75%?175%。
4.根据权利要求1所述的自空气中制取液态水的装置，其特征在于，所述吸附分离器为单个、两个、三个，或更多。
【文档编号】B01D53/22GK203525542SQ201320629334
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年10月13日 优先权日:2013年10月13日
【发明者】陈宗蓬, 罗二平, 申广浩, 王晨, 贾吉来, 谢东红, 俞晓峰 申请人:上海穗杉实业有限公司