淡化系统和方法

淡化系统和方法

技术领域

海水淡化。

现有技术

淡化海水的系统和方法为人们所熟知，并且实际上使用所述系统和方法的数千种 淡化装置已在世界范围内投入使用。所采用的主要系统和方法为膜式(基本上为反渗透 (RO))和蒸发式(基本上为多级闪蒸(MSF)和多效蒸馏(MED))。存在与这两种系统和方法可 能相关或可能不相关的其他技术，例如电气技术、化学技术、冷冻技术或"可再生能源"技 术。根据本发明的系统和方法的优点与这些系统和方法中的大多数兼容，但本发明不同于 现有的系统和方法。

具体实施方式

根据本发明的系统和方法的特征在于良好密封的蓄水池的构造和利用。此蓄水池 的壁、顶部和任何支柱必须具有承受置于其上的大量负荷的必要强度。如果待淡化的水是 海水，则蓄水池必须位于海边。所用构造材料必须与海水相容。蓄水池的基部的表面积取决 于待产生的淡化水的量，并且仅受土木工程约束条件的限制。蓄水池仅以下述两种方式与 外部连通：(1)第一连通方式是经由设置在池顶的装置，所述装置允许整个蓄水池被海水灌 注并且所述装置随后关闭以使得蓄水池被良好密封；(2)蓄水池还通过设置在海平面以下 的一个或多个开口以流体连通的方式与海连通。在灌注蓄水池时，这些开口必须被气密密 封(借助于控制系统)。在灌注后，这些开口逐渐打开，从而使池内的海水与海内的水流体连 通。在蓄水池的海水与海内的水之间提供流体连通方式的一种简单解决方案是在构造期间 使蓄水池的基部的水平低于海平面，并且使蓄水池的所述侧向开口低于海平面。同时，蓄水 池的顶部将在海平面以上。

有必要规定蓄水池的顶部将要设置的海拔高度。以下实例将便于此高度的设定： 这种类型的蓄水池(高度为海平面以上13米)被海水灌注并且气密密封。然后，蓄水池的海 水与海内的水之间流体连通的(多个)开口逐渐打开。蓄水池中的水位将降低并且将稳定在 海平面以上的高度h。考虑3个点。第一点A设置在海内的水平面上。第二点B与A设置在相同 的水平面上，但在蓄水池的内部。第三点C设置在蓄水池内的水平面上。点A是露天的，因此 处于大气压力(指定为P_a)。假定蓄水池外部的水和蓄水池中的水流体连通，则与点A位于相 同水平面处的点B处的压力将等于大气压力。由于在使海内的水与蓄水池的水流体连通时 蓄水池被灌满，因此点C处所存在的压力为在蓄水池中的海水温度下由饱和蒸汽所产生的 压力(指定为P_s)。根据流体静力学的基本原理，点B和点C之间的压力差为P_a-P_s＝ρgh，其中ρ 为海水的密度，h为点C和点B之间的水平面差值，g为当地重力加速度(大约9.8m/s/s)。可得 出h＝(P_a-P_s)/pg，并且h的值为大约9.5至10米。其显然与选择用于示例目的的13m无关，如 上式中所示。蓄水池的顶部的海平面以上的高度应等于此高度h加上分配给处理蓄水池中 产生的水蒸汽所需的空间的附加高度。

然后足以使用适于对这种由淡化水构成的蒸汽进行冷凝的系统来经由与闪蒸系 统相当的系统获得淡化水：水蒸汽的冷凝形成压降并且将来自蓄水池表面的水朝向海去 除，同时将蓄水池表面的水的温度维持在海内的水的温度。因此就可利用"闪蒸"现象。可通 过下述方式获得相同的结果：将冷凝操作代替为连续去除位于蓄水池的海水上方的蒸汽的 一部分，同时对来自蓄水池表面的水的排空保持不变。去除的蒸汽随后在蓄水池的外部冷 凝，从而获得淡化水。蒸汽的冷凝速率或所述蒸汽的去除速率形成"可容许的失衡"。期望在 待淡化的水的量与[产物的]品质(例如，应避免包括连同"蒸馏的"水蒸汽的盐水滴)之间实 现折衷。从蓄水池表面排放的一吨水每度温降所释放的能量为

E＝m C_p At，

其中m为去除的水的重量(此处为1000kg)，C_p为去除的海水在恒压下的比热(其等 于约4.2千焦/千克/摄氏度)，At等于去除的水的温降(此处为At为1℃)。此能量损耗取决于 海水的盐浓度和温度，并且在这种情况下为约420万焦耳。水在此温度下的汽化潜热等于约 240万焦耳，由此，420万焦耳将释放约1.75kg蒸汽。可根据已公布的表格来计算或绘制作为 各种不同参数(例如可被处理的海水的温度或盐浓度)的函数的p、C_p和汽化潜热的精确值。

将来自蓄水池表面的一吨水朝向海去除仅需少量的能量，因为这样做时，势能被 转换成压能(当其转回大气压力时，水将具有所述压能)。在从蓄水池表面的水平向海转移 期间，仅需补偿摩擦能(由于水的粘度所致)。

为了限制可夹带在水蒸汽中的海水滴的存在，必须限制从蓄水池的水面去除水蒸 汽的速度。此速度的容许值通常为每秒数米。通过限制由来自蓄水池的水蒸汽的冷凝而导 致的压降来获得此结果。安装金属网格(de-mister)将致使可夹带在蒸汽中的盐水滴得以 保持。应该指出的是，[最终]从蓄水池去除并[返回]海中的水的盐分浓度的增加与在其他 淡化系统和方法中所历经的增加相比非常低。本发明的淡化方法对环境非常友好。

可通过加入一个或多个叠置的低高度(大约40cm)的水槽来增加蓄水池中处理的 水量，所述水槽在蓄水池的内部、高于蓄水池中的水的表面并且与所述表面平行。蓄水池内 部的海水(其温度为海内的水的温度)被泵送到这些水槽中。每个水槽中的冷凝系统使水蒸 汽冷凝。这些水槽中的水朝向海连续地去除。因此，对于相同的蓄水池覆盖面积而言，水槽 的堆叠增加淡化水的量，所述淡化水的量与层级数量成比例。可以前述情况相同的方式去 除水蒸汽。

还可加入操作方式与第一蓄水池相同的第二蓄水池。向此第二蓄水池供给通过尺 寸足够的泵和管道从海内部泵入的海水。海内部的进水点处于海平面以下的深度Z。进水点 的深度越深，海水的温度越低，压力越高。向蓄水池供水无需大量的能量，因为随深度减小 而减小的压能被转换成势能。泵所消耗的能量用于补偿管道中由于水的粘度导致的摩擦而 损耗的能量。

因此，提供两个蓄水池：第一蓄水池，其中温度为位置邻近蓄水池的海内的水的温 度，所述水用于供给所述蓄水池；和第二蓄水池，其中水处于较低温度。可通过设定进水点 的深度Z来选择此温度。在这种情况下，来自第二蓄水池的冷水用于冷凝第一蓄水池的水蒸 汽。这可通过若干方式来实现。这两个蓄水池可通过防漏管道来连接，所述防漏管道将用于 以与MSF或MED设备中所用方案类似的方案进行冷凝。例如，如果将冷水注入设置在包含第 一蓄水池的水蒸汽的空间中的管道，则所述蒸汽的一部分会冷凝，并且如此冷凝的水可通 入用于收集其的其他蓄水池(池或其他容器)。来自第二蓄水池的冷水排放到海中；在此操 作期间，此冷水的温度已升高。

如果面朝蓄水池与海的连通开口的海平面的大的波动趋于干扰淡化操作，则可对 此海平面进行稳定。为此，可向海中加入提供闭合围堵空间的壁，所述壁与蓄水池与海之间 的连通开口相对。还可加入海水处理系统以对进入这些围堵空间并进入以供给(多个)蓄水 池的水进行处理；此处理系统可安装在所述壁本身内。

采用本发明进行海水淡化的投资成本和操作成本显著低于所有其他所用方法的 成本。此类设施几乎无需维护，但当需要维护时，可由水下作业人员进行，维护方式使得不 会中断设施操作，并且特别是使得蓄水池无需排空和重新灌注。