一种从含湿空气中分离水蒸气的装置

1.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装置。


背景技术：

2.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。
3.目前解决局部地区淡水短缺问题方法主要有：（1）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：
4.（1）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；
5.（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。
6.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。
7.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。
8.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。


技术实现要素：

9.本实用新型的目的在于克服单纯以吸附法或膜分离方法或直接采用压缩冷凝法自空气中富集水蒸气的技术缺点，提供一种结构紧凑、可连续、高效的直接从含湿空气中分离水蒸气的装置，以便进一步制取液态水。
10.本实用新型提供的直接从含湿空气中分离水蒸气的装置，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、高效的、基于吸附与膜分离材料完全耦合的连续分离装置；并且，耦合分离方法还可机结合常规的压缩冷凝工艺，可高效满足各种湿度环境自空气中制水的要求。
11.本实用新型提供的直接从含湿空气中分离水蒸气的装置，其结构参见图1所示，包括：
12.（1）优选但非必要的至少一个过滤器af01；用于过滤掉空气中灰尘等杂质；
13.（2）至少一个第一升压设备ab01，设置在复合膜分离器之前，用以将原料气升压到一定的压力送入复合膜分离器；升压设备也可放置在复合膜分离器之后，用以排除自复合膜分离器排出的滞留气；典型的，第一升压设备ab01可采用鼓风机；
14.（3）至少一个第二升压设备ab02，用以建立膜分离器两侧跨膜压力比；典型的，第二升压设备ab02可采用压缩机；
15.（4）至少一组复合膜分离器m01a，该膜分离器由担载了吸附分离材料的复合膜材料制作得到；
16.所述复合膜分离器有正压侧，也称原料气侧，即吸附分离层接触侧，也称为高压侧、滞留气侧；
17.所述复合膜分离器有负压侧，也称渗透气侧，即膜分离层接触侧，也称为低压侧；
18.复合膜分离器的原料气侧接第一升压设备ab01出口，滞留气侧排向大气；当有多组复合膜分离器时，其原料气侧可并联连接第一升压设备ab01，集中或分别排向大气；复合膜分离器渗透侧，汇总接入第二升压设备ab02入口；
19.（5）至少一组用于将原料空气送入复合膜分离器原料气侧的控制阀门及其必要的管线；
20.（6）至少一组用于将复合膜分离器渗透侧富集的水蒸气排向压缩机入口的控制阀门及其必要的管线。
21.本实用新型中，所述膜分离材料分为三层：一层为吸附分离层，可由如有机、无机等一切可吸附富集水分并可再生的亲水型吸附材料组成，接触膜分离器的正压侧；一层为膜分离层，可由如硅橡胶、聚枫等一切对水分/空气具有选择性的分离材料组成，接触膜分
离器的负压侧；一层为多孔支撑层，位于吸附分离层及膜分离层之间，支撑层既可担载吸附分离材料，又可涂覆膜分离层，由此获得的复合分离材料制作的膜分离器。
22.本实用新型中，所述复合膜分离器（m01a）的正压侧一端设有原料气入口（a0），复合膜分离器m01a的正压侧另一端设有滞留气出口a1，也即贫湿空气出口，膜分离器（m01a）负压侧设有渗透侧出口a2
‑
1，也即水蒸气出口。
23.本实用新型中，还包括压力监测设备pe01，用于监测第二升压设备ab02入口的压力；该压力监测设备pe01可安装在一切可以实时反映进入第二升压设备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。
24.如公知技术，本实用新型装置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。
25.基于上述从含湿空气中分离水蒸气的装置，可高效的、连续的从空气中分离出其中较低分压的水蒸气。根据附图，具体操作步骤如下：
26.（1）含湿原料空气首先进入过滤器af01，由过滤器af01过滤掉灰尘等杂质；然后，控制第一升压设备ab01升压至100pa～15kpa，用于克服复合膜分离器m01a的流程阻力，提供足额的分离气量；
27.（2）经步骤（1）处理后的含湿空气从原料气入口a0进入复合膜分离器m01a：由于复合膜分离器m01a内复合的吸附材料为多孔、亲水材料，对待分离的混合气体组分中的水蒸气具有吸附性；复合膜分离器m01a对来流空气中水分吸附、富集，并在第二升压设备ab02在复合膜分离器m01a的渗透侧提供
‑
10～
‑
30kpa的真空压力，在复合膜分离器m01a的两侧即高压侧与渗透侧，形成跨膜压差，在该压差吸引下，亲水的吸附分离层的两侧，一侧接触来流空气，吸附水分，另外一侧接触支撑层并与膜分离层及负压侧相连，不断地解吸水分而获得连续再生的富集的水蒸气，水蒸气将优先透过膜分离器经第二升压设备ab02出口输出；
28.同时，因膜分离器至少从渗透侧排出一部分水蒸气，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，适应各种湿度的来流空气尤其低水分压环境条件下水蒸气。
29.经上述分离后从第二自升压设备ab02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。即在第二升压设备ab02（如压缩机）出口处连接冷凝器、净化器等设备，对第二升压设备ab02出口的水蒸气进行冷凝、净化，得到液态水，可供饮用。这样通过压缩、冷凝方法制取液态水；即有机结合了常规的压缩冷凝工艺，与前述过程结合，可高效满足各种湿度环境自空气中制水，提高环境适应性。
30.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。
31.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、冷凝等常规方法有更高效率，并可连续的从含湿空气中分离水蒸气。
32.本实用新型中，选择性也称分离系数、α(阿尔法)值，其一般定义为：
33.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）；
34.式中q 干空气组分与q 水分别代表膜分离材料对待分离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，1大气压，20
℃，α(阿尔法)值即为该渗透量之比。
35.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。
36.本实用新型中，担载在支撑层所用的吸附材料（有机亲水吸附材料、无机材料分子筛）系指能吸附水份并可再生的各种类型的吸附材料。
附图说明
37.图1 本实用新型从空气中分离水蒸气制取液态水的装置及方法图示。
38.图中标号：af01是空气过滤器，ddv01/ ddv02、ddv03是切断阀，ab01是第一升压设备，ab02是第二升压设备，tc01是冷凝设备，pe01是压力监测设备，m01a是复合膜分离器，其中，a0是膜分离器的原料气入口也即含湿空气入口，a1是滞留气出口，也即贫湿空气出口，a2
‑
1是膜分离器负压侧也即渗透侧出口、水蒸气出口。
具体实施方式
39.下面结合附图进一步描述本实用新型。如图1所示，其中：
40.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。
41.ddv01、 ddv02、ddv03是自动切断阀，当然也可以采用同样工艺目的、所需功能的两通阀替代，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的待分离空气；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（未示出）、压力进行流量、时间、温度等控制调节。
42.ab01是第一升压设备，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，ab01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100pa～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）。
43.ab02是第二升压设备，如压缩机，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压缩冷凝并克服流体输送的阻力为设计目标，典型的，吸入压力位
‑
10kpa～
‑
50kpa的压力，输出压力50kpa～200kpa（表压）的压力，优选采用各种形式的压缩机、鼓风机。
44.pe01是压力监测设备，用于监测压缩机入口的压力，可安装在一切可以实时反映进入压缩机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。
45.m01a是一种复合膜分离器，可以是板式膜，卷式膜，中空纤维膜, 膜分离材料至少分成三层，一层吸附层，可由如有机、无机等一切可吸附富集水分并可再生的亲水型吸附材料组成，接触膜分离器的正压侧，另外一层为膜分离层，可由如硅橡胶、聚枫等一切对水分/空气具有选择性的分离材料组成，接触膜分离器的负压侧，中间是多孔支撑层，位于吸附分离层及膜分离层之间，支撑层即可担载吸附分离材料，又可涂覆膜分离层，由此获得的复合
分离材料制作的膜分离器，其正压侧也即膜分离器的原料气侧（吸附分离层接触侧），也称为高压侧、滞留气侧，负压侧也即膜分离器的渗透气侧（膜分离层接触侧），也称为低压侧。
46.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分离过程中，ab01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100pa～1500pa，优选的，建立100pa～500pa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ab01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。
47.与常规技术不同，本实用新型耦合的分离过程，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，本实用新型采用的动力设备如鼓风机、压缩机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。
48.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，本实用新型耦合的分离过程中，压缩机既作为膜分离过程的分离动力来源，又可对复合分离器担载的吸附分离材料进行连续真空再生，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。
49.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，具有更高效率，并且相比于一般都是间歇式操作的吸附分离过程，本分离过程是连续的，无需间断切换再生。
50.本实用新型还包括可将压缩机出口的水蒸气冷凝、净化等设备，优选可将原料空气用于对压缩机出口进行换热等优化的换热设备，可将压缩机出口的水蒸气冷却更有效率，耦合在主体流程上，在如湿度超过80%以上的高湿地区，可直接压缩冷凝制水，具有更强的操作灵活性，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。
51.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。通过本实用新型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/烷烃的分离。
52.实施例一个自空气中取水的制水系统，按附图连接，其中，膜分离器采用上海偲达弗材料科技有限公司生产的mo
‑
20型板式膜分离器，其干空气与水的分离系数为1850，膜面积装填量为5.5m2，采用无纺布作为支撑层，并担载上海偲达弗材料科技有限公司生产的ssat#hg55亲水材料0.5kg，配套选型了1台流量400m3/h，风压600pa的鼓风机，1台抽速200l/min，装机功率750w的真空泵，当运行如下环境温度25℃、空气中相对湿度rh20%的条件下时，空气中含水量如下表，将压缩机出口的水蒸气冷凝后每天可制取饮用水35l：
53.。
54.上面所描述的实施方法仅阐述本实用新型的一些重要特征，本专业的技术人员应该知道，尽管本实用新型结合附图进行了部分描述，但这仅仅是本实用新型的一个应用实例或者一种方法，一切不违反本实用新型阐述的实质的其它变化也属于本实用新型的范畴，本实用新型的范围仅仅受所附的权利要求书范围所限制。