纯净水提取方法及其水溶液相变分离系统

摘要

本发明涉及一种纯净水提取方法及其水溶液相变分离系统。本发明目的一是提供了一种从溶液中提取纯净水的水溶液相变分离系统；二是提供了一种从溶液中分离出纯净水的纯净水提取方法。一种水溶液相变分离系统，它包括风机系统、加湿器A、热交换室、加热器、加湿器D和冷凝管。一种纯净水提取方法，它包括如下步骤：（1）对空气加湿；（2）对步骤（1）空气加热；（3）对步骤（2）空气加热；（4）对步骤（3）空气加湿；（5）将步骤（4）空气用于步骤（2）的加热源。本发明克从根本上改变系统内部的传热机制,变水溶液蒸馏蒸发为低压蒸发，强化了其内部的传热传质过程，单位能耗产水率成倍提高。

权利要求

1.一种水溶液相变分离系统，其特征在于：它包括风机系统以及通过管道依次首尾相接的加湿器A(1)、热交换室(5)、加热器(6)、加湿器D(7)和冷凝管(2)；

所述加湿器A(1)用于对初始空气进行加湿，以提高空气的湿度；

所述热交换室(5)用于对经加湿器A(1)加湿后的空气进行加热升温；

所述加热器(6)用于经热交换室(5)加热后的空气进行进一步加热；

所述加湿器D(7)用于对经加热器(6)加热后的空气进一步加湿，以提高空气中的湿度；

所述冷凝管(2)设置在热交换室(5)中，使经加湿器D(7)加湿后的空气与热交换室(5)内经加湿器A(1)加湿的空气进行热交换，冷凝管(2)内对经加湿器D(7)加湿后的空气冷凝以析出纯净水，纯净水经纯净水管道排出，热交换室(5)内经加湿器A(1)加湿的空气受热升温；

所述风机系统用于驱动空气在上述管道内的流动；

所述热交换室(5)内还设置有对热交换室(5)内的空气进行加湿用的加湿器B,该加湿器B为喷雾管(3)。

2.根据权利要求1所述的水溶液相变分离系统，其特征在于：所述加湿器A(1)的进气口前端还连接有空气混合器(13)，空气混合器(13)上设有空气吸入口A和空气吸入口B，所述空气吸入口A用于抽吸室外空气，空气吸入口B吸入所述冷凝管(2)的空气出口端的部分排放空气。

3.根据权利要求1所述的水溶液相变分离系统，其特征在于：所述加热器(6)上还设置有对加热器(6)内的空气进行预加湿用的加湿器C(8)；

所述加湿器A(1)和加湿器D(7)均为湿帘；

所述加热器(6)为太阳能加热器、地热加热器或尾气余热加热器。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的水溶液相变分离系统，其特征在于：所述风机系统包括抽风机A(4)和抽风机B(9)，所述抽风机A(4)设置在加湿器A(1)的出气口端或热交换室(5)的出气口端，所述抽风机B(9)设置在加湿器D(7)的出气口端或冷凝管(2)的出气口端。

5.一种权利要求1-4任意一项所述系统用于纯净水提取的方法，其特征在于它包括如下步骤：(1)对初始空气加湿，以形成湿度饱和的状态一空气；

(2)将状态一空气置于热交换室进行加热升温得到状态二空气；

(3)将状态二空气置于加热器中进行加热升温得到状态三空气；

(4)对状态三空气进行加湿，以形成湿度饱和的状态四空气；

(5)将状态四空气置于步骤(2)中所述的热交换室中，让状态四空气与步骤(2)中的状态一空气进行热交换，使状态一空气吸热被加热升温成状态二空气，同时湿度饱和的状态四空气本身降温并析出冷凝水；

所述步骤(2)中，在对状态一空气进行加热的同时还对其进行加湿，使状态二空气处于湿度饱和空气状态。

6.根据权利要求5所述的纯净水提取方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)中对空气进行加湿是在负压条件下进行的。

7.根据权利要求5所述的纯净水提取方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在对状态二空气进行加热的同时还对空气进行预加湿处理。

8.根据权利要求5所述的纯净水提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中是通过湿帘加湿方式对空气进行加湿的；所述步骤(2)中是通过喷雾装置对状态一空气进行喷雾加湿的；所述步骤(4)中是通过湿帘加湿方式对状态三空气进行加湿的。

9.根据权利要求5-8任意一项所述的纯净水提取方法，其特征在于：所述步骤(1)中的初始空气为室外空气或室外空气与所述步骤(5)中析出冷凝水后的空气混合体。

说明书

纯净水提取方法及其水溶液相变分离系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纯净水提取方法及其水溶液相变分离系统。

背景技术

[0002] 水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。在世界许多地方，对水的需求已经超过水资源所能负荷的程度，同时有许多地区也濒临水资源利用之不平衡。海水淡化是一个将水溶液（通常为海水）转化为淡水的过程。最常见的方式是蒸馏法与反渗透法。到目前为止，海水淡化的成本较其他方式高，而且提供的淡水量仅能满足极少数人的需求。水溶液相变分离系统在海水淡化和污水处理时,可以完全利用太阳能驱动,无需其它辅助能源。

[0003] 目前对海水或苦咸水进行淡化的方法很多，较常规的方法有蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等。归纳起来有：

[0004] 表一：一般海水淡化方法

[0005]

[0006]

[0007] 上述四种蒸馏法的优缺点对比是:

[0008] 1、竖管蒸馏的优点是热利用效率高，缺点是锅垢危害严重，设备费用高。

[0009] 2、蒸汽压缩蒸馏是热利用效率高，但锅垢危害严重。特点是除了开工之初需辅助热源产生蒸汽作为起动外，不需要外部热源。即蒸汽的凝结潜热被重新利用。

[0010] 3、多级闪蒸特点是加热与蒸发过程分离，设备构造较简单，费用较低，特别适用于大规模生产；缺点是盐水循环量大，运行费用较高。

[0011] 4、太阳能蒸馏优点是运行费用最省，设备也很简单。缺点是装置占地面积大，单位面积产水量低，受气候影响大。

[0012] 归纳起来上述传统的海水淡化技术有三个严重缺陷：

[0013] 1、除蒸汽压缩蒸馏外，蒸汽的凝结潜热未被重新利用或利用率低。

[0014] 2、蒸馏器自然对流的换热模式，限制热性能的提高。

[0015] 3、待蒸发海水热容量大，限制运行温度的提高,从而减弱了蒸发的驱动力。

发明内容

[0016] 本发明的目的一在于提供一种从溶液中提取纯净水和溶质浓缩液的水溶液相变分离系统。

[0017] 本发明的目的二在于提供一种通过气、液之间的相变来实现从溶液中分离出纯净水的纯净水提取方法。

[0018] 本发明的目的一是通过如下技术方案实现：一种水溶液相变分离系统，它包括风机系统以及通过管道依次首尾相接的加湿器A、热交换室、加热器、加湿器D和冷凝管；

[0019] 所述加湿器A用于对初始空气进行加湿，以提高空气的湿度；

[0020] 所述热交换室用于对经加湿器A加湿后的空气进行加热升温；

[0021] 所述加热器用于经热交换室加热后的空气进行进一步加热；

[0022] 所述加湿器D用于对经加热器加热后的空气进一步加湿，以提高空气中的湿度；

[0023] 所述冷凝管设置在热交换室中，使经加湿器D加湿后的空气与热交换室内经加湿器A加湿的空气进行热交换，冷凝管内经加湿器D加湿后的空气冷凝以析出纯净水，纯净水经纯净水管排出，热交换室内经加湿器A加湿的空气受热升温；

[0024] 所述风机系统用于驱动空气在上述管道内的流动。

[0025] 所述风机系统包括抽风机A和抽风机B，所述抽风机A设置在加湿器A后端或热交换室后端，所述抽风机B设置在加湿器D后端或冷凝管后端。

[0026] 所述热交换室内还设置有对热交换室内的空气进行加湿用的加湿器B，该加湿器B为喷雾管。

[0027] 所述加湿器A的进气口还连接有空气混合器，空气混合器上设有空气吸入口A和空气吸入口B，所述空气吸入口A用于抽吸室外空气，空气吸入口B吸入所述冷凝管（2）的空气出口端的部分排放空气。

[0028] 本发明的目的二是通过如下技术方案实现：一种纯净水提取方法，它包括如下步骤：

[0029] （1）对初始空气加湿，以形成湿度饱和的状态一空气；

[0030] （2）将状态一空气置于热交换室进行加热升温得到状态二空气；

[0031] （3）将状态二空气置于加热器中进行加热升温得到状态三空气；

[0032] （4）对状态三空气进行加湿，以形成湿度饱和的状态四空气；

[0033] （5）将状态四空气置于步骤（2）中所述的热交换室中，让状态四空气与步骤（2）中的状态一空气进行热交换，使状态一空气吸热被加热升温成状态二空气，同时湿度饱和的状态四空气本身降温并析出冷凝水。

[0034] 较之现有技术而言，本发明的优点在于：

[0035] 本发明的整体设计理念与传统的水加热汽化，再从蒸气冷凝而得水的过程相近，但加热管理的对象却从水态转为汽态，变热传导交换为汽态的加温加湿和降温降湿管理，从而解决了传统方法的下列问题：

[0036] 分离系统的进出空气在热交换室进行全热湿交换，水蒸汽凝结潜热直接用于热交换室内空气的加热，水蒸汽的凝结潜热达到了最大的回收,一般热回收率达80%左右，最大可达90%以上。

[0037] 系统外部加热方式改传统热传导的换热模式为直接加热空气，变间接加热为直接加热，大大提高加热效率。

[0038] 采用湿帘降温进气方式，降低了运行温度，使系统与外部的热交换发生根本变化，如此，热交换室内的温度有时低于室外环境温度。

[0039] 当外部地下水水温低于空气湿球温度时，可以直接采用水冷却末端空气。提高淡水回收率。

[0040] 本发明的特点之一是：整个系统内运行平均温度（特别是热交换室内）等于或低于室外温度时热损失几乎为零。因此系统运行后，所需要外部热源达到极小。

[0041] 本发明的特点之二是:溶液分离的相变及其管理是在常温下完成,因此可以直接利用太阳能、地热、烟囱尾气等热源。

[0042] 本发明由于克服了传统系统蒸汽的凝结潜热未被重新利用的缺点,从根本上改变系统内部的传热机制,变水溶液蒸馏蒸发为低压蒸发（通过风机的抽吸形成负压状态）。因此强化了其内部的传热传质过程，单位能耗产水率成倍提高。

[0043] 由于克服了传统蒸馏系统三大缺点的固有缺陷,大大改善了蒸馏系统的热性能,无疑是太阳能海水淡化技术的又一场革命,本系统不仅多次利用了蒸气的凝结潜热,而且由于强化了其内部的传热传质过程,提高了其运行温度,因而必然具有较高的产水率。

[0044] 本发明的特征是进出气湿帘降温增湿系统在热交换室进行热交换，使水在汽态状态下完成水化汽，汽凝水的全湿热交换，达到水和溶质的分离。

附图说明

[0045] 图1是本发明水溶液相变分离技术的原理示意图。

[0046] 图2是本发明一种水溶液相变分离系统的结构简图。

[0047] 图3是本发明一种水溶液相变分离系统的一种实施例结构示意图。

[0048] 图4是图3中所示加湿器A（湿帘）的结构示意图。

[0049] 标号说明：1加湿器A；1-2供水管；1-3回水管；1-4电控阀门；1-5水泵；2冷凝管；3喷雾管；4抽风机A；5热交换室；6加热器；7加湿器D；8加湿器C；9抽风机B；10-1排空阀；10-2排气阀；10-3进气阀；13空气混合器；14浓缩水箱；15待分离溶液池；16冷凝水箱。

具体实施方式

[0050] 本发明所示水溶液相变分离技术就是为了解决上面三个问题而设计的新型从水溶液中分离出淡水的系统。其整体设计方法是要实现分离溶液中溶质和水的过程,可以通过气、液之间的相变来实现。不管采用什么方法，溶质与水的分离均是一非自发的过程，需要消耗一定的能量。本方法是为最大限度的减少这一能量的过程而设计的新型溶液分离系统，尤其适用于在沸点以下(低温)分离的水溶液。

[0051] 如图1所示，本发明所采用的技术方案原理是:以空气循环系统为平台,使水溶液在负压状态下完成水化汽，汽凝水的全湿热交换，达到水和溶质的分离。具体的说通过空气流动和热湿交换的过程完成水汽化为水蒸汽,通过热回收区（即热交换室5）和加热器6时的加热加湿,使饱和气体达到一定相对较高的温度，然后通过冷凝区冷凝使水蒸汽凝结成水,并放出热。

[0052] 它克服了现有技术之不足，综合了上述四种蒸馏法的优点，为通过海水、沼液、污水等提取纯净水提供一种新的高效、绿色、环保、节能的分离技术。

[0053] 本发明所使用的方法归类为蒸馏法,是蒸馏法的新形式，其实施方法如下：

[0054] 一种纯净水提取方法，它包括如下步骤：

[0055] （1）对初始空气加湿，以形成湿度饱和的状态一空气；

[0056] （2）将状态一空气置于热交换室进行加热升温得到状态二空气；

[0057] （3）将状态二空气置于加热器中进行加热升温得到状态三空气；

[0058] （4）对状态三空气进行加湿，以形成湿度饱和的状态四空气；

[0059] （5）将状态四空气置于步骤（2）中所述的热交换室中，让状态四空气与步骤（2）中的状态一空气进行热交换，使状态一空气吸热被加热升温成状态二空气，同时湿度饱和的状态四空气本身降温并析出冷凝水。

[0060] 为了增加空气中的相对湿度，所述步骤（1）和步骤（2）中对空气进行加湿是在负压条件下进行的。

[0061] 在对状态一空气进行加热的同时还对其进行加湿，使状态二空气处于湿度饱和空气状态；

[0062] 所述步骤（3）中，在对状态二空气进行加热的同时还对空气进行预加湿处理。

[0063] 所述步骤（1）中是通过湿帘加湿方式对空气进行加湿的；所述步骤（2）中是通过喷雾装置（比如喷雾管）对状态一空气进行喷雾加湿的；所述步骤（4）中是通过湿帘加湿方式对状态三空气进行加湿的。

[0064] 所述步骤（1）中的初始空气为室外空气或室外空气与所述步骤（5）中析出冷凝水后的空气混合体。

[0065] 下面结合说明书附图和实施例对本发明内容进行详细说明：

[0066] 如图2所示，本发明针对上述纯净水提取方法提供了相应的水溶液相变分离系统；它包括风机系统以及通过管道依次首尾相接的加湿器A1、热交换室5、加热器6、加湿器D7和冷凝管2；

[0067] 所述加湿器A1用于对初始空气进行加湿，以提高空气的湿度；

[0068] 所述热交换室5用于对经加湿器A1加湿后的空气进行加热升温；

[0069] 所述加热器6用于经热交换室5加热后的空气进行进一步加热；

[0070] 所述加湿器D7用于对经加热器6加热后的空气进一步加湿，以提高空气中的湿度；

[0071] 所述冷凝管2设置在热交换室5中，使经加湿器D7加湿后的空气与热交换室5内经加湿器A1加湿的空气进行热交换，冷凝管2内对经加湿器D7加湿后的空气冷凝以析出纯净水，纯净水经纯净水管道排出（纯净水管道的设置方式有很多，一般是直接连接在冷凝管上），热交换室5内经加湿器A1加湿的空气受热升温；

[0072] 所述风机系统用于驱动空气在上述管道内的流动。该风机系统包括抽风机A4和抽风机B9，所述抽风机A4设置在加湿器A1的出气口端或热交换室5的出气口端，所述抽风机B9设置在加湿器D7的出气口端或冷凝管2的出气口端。

[0073] 所述加湿器A1的进气口前端还连接有空气混合器13，空气混合器13上设有空气吸入口A和空气吸入口B，所述空气吸入口A用于抽吸室外空气，空气吸入口B吸入所述冷凝管2的空气出口端的部分排放空气。

[0074] 所述热交换室5内还设置有对热交换室5内的空气进行加湿用的加湿器B，该加湿器B为喷雾管3。

[0075] 所述加热器6上还设置有对加热器6内的空气进行预加湿用的加湿器C8；

[0076] 所述加湿器A1和加湿器D7均为湿帘；

[0077] 所述加热器6为太阳能加热器、地热加热器或尾气余热加热器。

[0078] 为使本发明更加清晰完整,下面结合附图3,列举本发明提供的一种水溶液相变分离系统的施工概图，做进一步描述,本发明按功能主次其包括两个部分,即室内部分热交换室5和室外部分加热器6（即加温加湿室）。

[0079] 按其作用包括湿帘降温加湿器A1、热交换室5、喷雾管3、加热器6、湿帘加湿器D7、热交换器（即冷凝管2）、水回收系统、空气混合回收室（即空气混合器13）、浓缩水箱14、待分离溶液池15以及冷凝水箱16；其中，热交换器2设置在热交换室5内。

[0080] （1）湿帘降温加湿器A：其为蒸发器湿帘组件，如图4示，湿帘组件包含与湿帘相连的供水管1-2、回水管1-3、设在供水管1-2上的电控阀门1-4和水泵1-5。供水管1-2从待分离溶液池15中抽吸溶液至湿帘上。同时经设置在热交换室5出气口端的抽风机A4抽吸力，空气由湿帘的前端穿过湿帘流入换交换室5中。湿帘的作用是使空气降温加湿，使热交换室5的内部空气形成低于室外环境温度的饱和气体状态（即空气从状态一转化为湿度饱和的状态二）。抽风机A4一般设置在热交换室5后面，这样热交换室5内的空气会相对形成负压状态。

[0081] （2）热交换室：在热交换室5内设置有冷凝管2和喷雾管3。由湿帘降温加湿器A1过来的空气在热交换室5内，与冷凝管2进行热交换，空气本身升温，同时，喷雾管3直接从待分离溶液池15中抽吸溶液并在热交换室5内喷洒出来，对热交换室5内的空气进行加湿处理（空气由状态一转化成湿度饱和的状态二）。其功能是通过全热湿交换，加热进气，冷凝排气，实现全热湿交换。

[0082] （3）加热器：主要是接收太阳能、地热、烟囱尾气等热源来加热空气，对经喷雾管3加湿保持饱和状态的空气进行加热，加热的同时由设置在加温加湿室内的加湿器C（本实施例的加湿器C选用喷雾管）进行加湿。

[0083] （4）冷凝去湿和水回收系统：其包括湿帘降温加湿器D7，该加湿器D7的结构与加湿器A1的结构设计是一样的。通过设置在冷凝管2后侧的抽风机B9和抽风机A4的作用，经加温加湿室加热升温的空气穿过湿帘，并流入冷凝管2。加湿器D的作用是循环空气经加热室加热后，成非饱和态，通过该加湿器D7时，达到饱和状态是预降温。冷凝管2中被冷凝析出的纯净水通过管道（图3中未示出）引出流入冷凝水箱中，冷凝管2尾端的空气经抽风机B9排出。如果抽风机A4的动力够的话，抽风机B9可以不用。

[0084] （5）空气混合回收室：它设置有进气阀10-3（即空气吸入口A）、排气阀10-2（即空气吸入口B）和排空阀10-1,作用是根据室外空气环境状态（比如空气的温度、湿度），结合抽风机B9的出口空气状态，调节两种空气的混合，提高能源利用率。

[0085] 本实施例的工作原理是：室外空气与抽风机B9排出的部分气体混合后，经湿帘A1加湿饱和后形成状态一空气；状态一空气在热交换室5内与受热升温，并由喷雾管3喷雾加湿形成湿度饱和的状态二空气；状态二空气经加热加湿室再次升温加湿后，并由加湿器D加湿至湿度饱和的状态四空气；最后状态四空气进入冷凝管2中进行冷凝并放热，状态四空气自身冷凝析出纯净水，同时其释放出的冷凝热作为前述状态一空气的热源。

[0086] 本实施例中空气的流动走向为：室外、加湿器A1、热交换室5、抽风机A4、空气加热器6、加湿器D7、热交换器2、抽风机B9、室外。