相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年12月3日遞交的美國臨時專利申請no.62/087,122的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用并入本申請中。

本發(fā)明涉及水凈化和脫鹽領域。尤其是，本發(fā)明的實施例涉及在自動化工業(yè)生產(chǎn)中基本去除水中的所有廣譜雜質(zhì)的系統(tǒng)和方法，該自動化工業(yè)生產(chǎn)幾個月至幾年的時間才需要最小限度的清潔或維護，且每單元的進水具有相對高的產(chǎn)物水產(chǎn)率，能量來源靈活，具有低的工業(yè)占地面積的緊湊設計，以及超低的能量需求。

背景技術(shù)：

由于傳統(tǒng)水資源變得越來越稀少，飲用水的市政分配系統(tǒng)隨著時間惡化，增長的用水量使水井和水庫枯竭，引起海水污染，水凈化技術(shù)迅速成為現(xiàn)代生活的必要方面。此外，由于各種活動，包括，例如，集約農(nóng)業(yè)、汽油添加劑和有毒重金屬，水源的進一步污染正在發(fā)生。這些事件導致水系統(tǒng)中的病菌、細菌和鹽(例如，氯酸鹽、高氯酸鹽、砷、汞，甚至用于飲用水消毒的化學物質(zhì))處于上升和令人討厭的水平。

而且，盡管地球差不多四分之三被海洋覆蓋，新鮮水源僅占所有地球上的水的約3％，并且由于人口增長和氣候變化，水變得越來越稀少。大約69％的新鮮水儲存在冰帽和冰川中，隨著日漸的全球融化，這些冰帽和冰川變得不可恢復，所以實際上只有不到1％是可獲取的，且大部分的(超過90％)水是位于含水層中的地下水，由于人類活動和海水入侵，這些地下水正在被逐漸污染。因此，亟需能夠?qū)Ⅺ}水(包括海水和濃鹽水)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)樾迈r水的技術(shù)，同時去除大范圍的污染物。

傳統(tǒng)的脫鹽和水處理技術(shù)，例如，反滲透(ro)過濾，如多效蒸餾(med)的熱蒸餾系統(tǒng)，多級閃蒸(msf)，或蒸汽壓縮蒸餾(vc)很少能夠處理鹽水環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的各種各樣的水污染物。此外，即使這些技術(shù)是可商業(yè)化獲取的，它們經(jīng)常需要多個處理階段或各項技術(shù)的結(jié)合，以達到可接受的水質(zhì)量。當鹽含量上升時，ro系統(tǒng)有需要高水壓的要求，這使得它們在商業(yè)化脫鹽方面越來越昂貴，而且，它們通常會浪費大于50％的進料水(incomingfeedwater)，當水很稀少時，這使得它們越來越?jīng)]有吸引力。而且，ro裝置產(chǎn)生大量的廢棄濃鹽水，這些廢棄濃鹽水通常被倒進海里，從而造成高鹽濃度，這對于魚類和貝類是致命的。不太傳統(tǒng)的技術(shù)，如紫外光(uv)輻照或臭氧處理，可以有效抵御病毒和細菌，但幾乎不能去除其它污染物，如溶解的氣體、鹽、烴類和不溶性固體。此外，大多數(shù)蒸餾技術(shù)通常無法處理各種類型的污染物，雖然它們在去除某一類污染物的性能優(yōu)越。

由于商業(yè)化脫鹽設備通常是復雜的工程項目，需要1到3年的時間構(gòu)建，它們通常是資本密集型的，難以從一個地方遷移到另一個地方。它們在多項技術(shù)上的復雜性和依賴性也使得它們很可能需要高昂的維護費用。因此，由于ro設備是被設計成在穩(wěn)定的壓力和流速條件下持續(xù)運行的，大的壓強波動或壓力中斷可能會毀壞膜，替換這些膜的成本很高，該項技術(shù)需要對進料水進行大量的預處理，以阻止ro膜的淤塞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及改善的脫鹽和水凈化系統(tǒng)實施例。該系統(tǒng)包括脫鹽部分，所述脫鹽部分結(jié)合了入口、預熱階段、多個蒸發(fā)室和除霧器、產(chǎn)物冷凝器、廢物出口、產(chǎn)物出口、用于熱傳遞和回收的多個熱管和控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可以允許凈化系統(tǒng)持續(xù)地運行，需要最小程度的用戶干預或清洗。脫鹽系統(tǒng)可以使用任意數(shù)量的用于除垢的預處理方法以及用于去除或減少烴類和溶解氣體的脫氣系統(tǒng)運行。該系統(tǒng)能夠從污水樣品中去除多種類型的污染物，包括微生物污染、放射性污染物、金屬和鹽等，或它們的任意組合。在該系統(tǒng)的一些實施例，產(chǎn)生的水的體積位于進水的體積的20％和超過95％之間，這取決于進水流的鹽度。該系統(tǒng)可以包括沸騰室、冷凝器和預熱器管道的嵌套結(jié)構(gòu)，其被壓縮在每天1000加侖(gpd)到5000萬gpd的產(chǎn)水量的范圍內(nèi)。

該脫鹽部分由沸騰器、冷凝器和帶有外部預熱管道的除霧器組成。該預熱管道能夠?qū)⑦M水的溫度提高到接近沸點，并環(huán)繞沸騰器和冷凝器，因此能夠大幅地減少熱壁損失。存在于預熱池中的水的溫度為至少約90℃。進料水能夠進入到預熱池中，能夠被熱管和表面?zhèn)鲗月?lián)合起來逐漸預熱，直到達到所需的溫度，且能夠通過可選的外部脫氣裝置和內(nèi)部沸騰室排出預熱池，或者，如果沒有必要脫氣的話，直接通過內(nèi)部沸騰室排出。

脫鹽系統(tǒng)具有兩個關鍵的特征：其是緊湊的，且占地面積非常小。在這種情況下，緊湊意味著比表面積被嵌套結(jié)構(gòu)最小化，所述嵌套結(jié)構(gòu)包括圓柱形或方形設計。由于蒸餾階段彼此在內(nèi)部相互配合，該系統(tǒng)的外表面積相對于其內(nèi)部體積被最小化。取決于系統(tǒng)中蒸餾階段的數(shù)目，嵌套結(jié)構(gòu)比由垂直疊加或橫向疊加的蒸餾系統(tǒng)構(gòu)成的可比較的系統(tǒng)緊湊2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12或更多倍。

類似地，工業(yè)系統(tǒng)的占地面積通常是指其部署所需要的表面積。而嵌套結(jié)構(gòu)最小化了所需要的表面積，因為蒸餾和冷凝的各個階段在內(nèi)部彼此配合。自然地，系統(tǒng)的占地面積隨著其工業(yè)產(chǎn)能而變化。在100,000加侖/天(gpd)到5000萬gpd的產(chǎn)物水范圍內(nèi)，取決于蒸餾階段的數(shù)目，嵌套結(jié)構(gòu)的占地面積比由垂直疊加或橫向疊加的蒸餾系統(tǒng)構(gòu)成的可比較的系統(tǒng)的占地面積小2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12或更多倍。

系統(tǒng)的生產(chǎn)力(表示為產(chǎn)物水的gpd)是指從污水流中產(chǎn)生的干凈水的體積。因此，生產(chǎn)力是所供水中存在的污染物的水平的函數(shù)。因此，在海水和沒有必要脫氣的情況下，所回收的產(chǎn)物水的量可以高達所引入的海水的體積的86％。對于更高的鹽度，產(chǎn)物水的回收可以明顯降低，大約達到20％左右，對于鹽度更輕的淡鹽水，可以高達98～99％。

嵌套結(jié)構(gòu)的小的占地面積和緊湊屬性與用于驅(qū)動系統(tǒng)的能量需求直接相關。因此，嵌套結(jié)構(gòu)最小化了外部表面積，熱壁損失(thermalwalllosses)也跟著最小化了。因此，取決于嵌套結(jié)構(gòu)的規(guī)模，能量損失比由垂直疊加或橫向疊加的蒸餾系統(tǒng)構(gòu)成的可比較的系統(tǒng)少5％,10％,20％,30％,40％,50％,60％,70％,80％或更多。由于能量損失最小，能效主要變成蒸餾階段的數(shù)目的函數(shù)。例如，有10個處理階段，能效比單一的蒸餾階段大10倍。

脫氣裝置(緊鄰著脫鹽系統(tǒng)放置)通過進水的對流汽提可以去除氣體以及揮發(fā)性的或非揮發(fā)性的有機污染物，以對抗低壓蒸汽或熱汽。脫氣裝置可以在任意方向，具有進口點和出口點。預熱的水在其進口點可以進入脫氣裝置，被脫氣的水從另一個點排出脫氣裝置。在該系統(tǒng)中，來自最高蒸汽室的蒸汽可以在距進水的進入點一定距離處進入脫氣裝置，且可以在進水的進入點附近從脫氣裝置排出。脫氣裝置包括適于促進水和蒸汽混合的基質(zhì)，通過在脫氣裝置中與以氣體流動相反的方向反流進水，汽提幾乎所有有機物、揮發(fā)物和氣體的進水。該氣體可以是，例如，蒸汽，空氣，氮氣，天然氣，co2等或它們的組合?；|(zhì)可包括基本上球形的顆粒。然而，基質(zhì)也可以包括非球形顆粒。基質(zhì)可包括具有可以在脫氣裝置內(nèi)均衡填充的尺寸的顆粒。所述基質(zhì)也可以包括尺寸不同的顆粒，這些顆粒在脫氣裝置中以大小梯度放置。水可以從脫氣裝置中排出，幾乎不含有有機物和揮發(fā)性氣體。

嵌套結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域可以為整個系統(tǒng)提供能源，并且可由用低壓廢氣控制的冷凝室組成，或者其可以是燃燒室，該燃燒室可以由任何類型的燃料、來自于例如地熱或核能工廠的各類廢熱，或者可以從換熱器、太陽能熱水器或節(jié)能裝置的工作流體吸收熱量的管道控制。

預熱的水首先被預熱至接近沸點，或者進入脫氣裝置，其中氣體和烴類被除去，或者直接進入內(nèi)部沸騰室，其中部分進水被轉(zhuǎn)換成蒸汽；在內(nèi)部沸騰室中產(chǎn)生的部分蒸汽可以用于提供脫氣所需要的蒸汽，而剩余的蒸汽進入可以去除夾帶的微滴的除霧器，在緊緊圍繞沸騰室的冷凝室中被冷凝成純凈水。由于內(nèi)部沸騰室中部分進水蒸發(fā)，剩余的水的可溶性鹽的濃度逐漸升高，且持續(xù)地向外流進一系列的外部沸騰器，直到它作為接近鹽溶液的可溶性極限的重鹽水流出最外側(cè)的沸騰器。

隨著進水向外流出，在嵌套結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域提供熱量，熱量通過熱管逐漸向外轉(zhuǎn)移。熱管是高效的熱焓轉(zhuǎn)移裝置，其利用它們的熱端和冷端之間微小的溫度差操控。多個熱管能夠?qū)⒅行墓艿捞峁┑臒崃哭D(zhuǎn)移到內(nèi)部沸騰器。在內(nèi)部沸騰器產(chǎn)生的蒸汽可以大部分回收作為圍繞內(nèi)部沸騰器的冷凝器中的冷凝熱量，其中另一套熱管將熱量轉(zhuǎn)移到同軸的外部沸騰器，因此不斷地重復利用熱量，供給多個蒸發(fā)和冷凝室。

附圖說明

圖1是嵌套結(jié)構(gòu)圖。

圖2是帶有同軸管道的嵌套結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3是嵌套結(jié)構(gòu)的立視圖。

圖4是沸騰器和冷凝器的可選組裝圖。

圖5是嵌套結(jié)構(gòu)的費馬螺旋選項。

圖6是嵌套結(jié)構(gòu)中沸騰器、冷凝器和預熱管道的可選設置。

圖7是嵌套結(jié)構(gòu)的可選實施例。

圖8是嵌套結(jié)構(gòu)的方形實施例。

圖9是嵌套結(jié)構(gòu)的可選實施例。

圖10是嵌套結(jié)構(gòu)中固定薄板管道的可選擇的方法。

具體實施方式

熱蒸餾系統(tǒng)，例如，那些被legolf等人(us6,635,150b1)描述的熱蒸餾系統(tǒng)，包括多效蒸餾系統(tǒng)(med)，依靠在真空下操作的多個蒸發(fā)和冷凝步驟以在溫度低于正常的水的沸點下進行蒸發(fā)。這樣的技術(shù)在多個國家被用于商業(yè)化用于脫鹽，但是它們均是根據(jù)不同的物理化學原理操作的。例如，med系統(tǒng)以及多階段閃蒸(msf)和蒸汽壓縮(vc)系統(tǒng)均需要真空，這決定了產(chǎn)物水不是無菌的，因為蒸發(fā)是在低于滅菌所需的溫度下發(fā)生的；而且，真空系統(tǒng)容易泄漏，需要機械加固物。此外，med,msf和vc中的熱轉(zhuǎn)移和熱回收涉及通過膜或薄金屬表面熱交換，但是這種熱交換容易污染和結(jié)垢，需要頻繁的維護。

最近，thiers(us8,771,477b2；uspto申請no14/309,722；以及wo2013/036804pct/us2012/054221)描述了脫鹽系統(tǒng)的大規(guī)模的實施例，所述脫鹽系統(tǒng)是基于蒸餾階段的垂直設置，其多次重復利用了蒸發(fā)熱量。但是，即使thiers描述的用于大規(guī)模脫鹽和水處理實施例從能量消耗的角度是相當高效的，顯著高于傳統(tǒng)的脫鹽效率(例如，ro和熱蒸餾系統(tǒng)(如，msf,med和vc))，這些結(jié)構(gòu)仍保留了大的表面積，這導致不期望的熱壁損失。需要一種可以最小化表面積和工業(yè)占地面積的工業(yè)結(jié)構(gòu)，進一步優(yōu)化能量消耗。

目前已有多種預處理方法被用于在水處理和脫鹽之前減少水垢形成的化合物。一些方法是基于鈣、鎂和類似二價離子的化學性沉淀(例如，thierswo2010/118425a1/pctus2010/030759)，另一些方法是依靠離子交換，還有一些其他方法利用用于水軟化的電磁活化作用。通常，預處理方法的選擇是地點特異性的和工業(yè)特異性的，本發(fā)明可以采用它們中的任何一種操作。

需要不貴且高效脫鹽和水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以持續(xù)使用且很大程度上自我清潔，可以抵制腐蝕和結(jié)垢，其是模塊化的，因此很緊湊，其回收大部分的進水，同時產(chǎn)生高濃度的廢鹽水，這些廢鹽水被結(jié)晶成固態(tài)的鹽餅(saltcake)，其相對便宜且維護成本低。

本文公開了本發(fā)明的實施例，在某些情況下以示例性的形式或者參考一幅或多幅附圖的形式。但是，特定實施例的任何此類揭示內(nèi)容均僅僅是示例性的，并不表示本發(fā)明的全部范圍。

本發(fā)明的實施例包括用于水凈化和脫鹽的系統(tǒng)、方法和裝置。一些實施例提供廣譜的水凈化，其是完全自動化的，除了定期或例行維護，其在很長一段時間內(nèi)都不需要清理或用戶干擾。例如，本發(fā)明公開的系統(tǒng)在沒有用戶控制或干擾的情況下可以運行1，2，4，6，8，10或12個月甚至更長。在優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)可以自動運行1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14或15年，或者更長。

因此，本發(fā)明的實施例提供了一種水凈化和脫鹽系統(tǒng)，其包括至少一個用于鹽水、污水或海水的入口，預熱器，可選的脫氣裝置，一個或多個蒸發(fā)室，一個或多個可選的除霧器，一個或多個具有一個或多個產(chǎn)物出口的產(chǎn)物冷凝器，廢物出口和控制系統(tǒng)，其中排出出口的產(chǎn)物水基本上是純的，且其中所述控制系統(tǒng)允許連續(xù)地操作凈化系統(tǒng)而不需要用戶干預。在一些實施例中，產(chǎn)生的產(chǎn)物水的體積至少為進水體積的約20％，25％，30％，35％，40％，45％，50％，55％，60％，65％，70％，75％，80％，85％，90％，95％，96％，97％，98％或99％及以上。因此，在獲得進水和/或廢水處理相關的費用相對較高或不便的條件下，該系統(tǒng)是非常有益的。與其它系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)在生產(chǎn)每單位進水或廢水的產(chǎn)物水生產(chǎn)方面明顯更有效。

水凈化和產(chǎn)物水質(zhì)量

在一些實施方案中，基本純凈的水可以是滿足以下任意標準的水：相對于任何污染物，水被純化至其純度比進水的純度至少高25，30，35，40，45，50，55，60，65，70，75，80，85，90，95，100，125，150，175，200，250，500，750，1000或更多倍。在其它實施例中，基本上純凈的水是相對于進水中存在的多種污染物被純化至前述標準之一的水。也就是說，在這些實施例中，水純度或水質(zhì)量是一種或多種污染物的陣列的濃度的函數(shù)，并且基本上純凈的水是這樣的水：例如，與產(chǎn)物水中相同污染物的濃度相比，其具有25倍或更高比例，介于進水中這些污染物的濃度和產(chǎn)物水中相同污染物的濃度之間。

在其它實施例中，水純度可以通過電導率來測量，其中超純水的電導率通常小于約1μ西門子，蒸餾水通常具有約5的電導率。在這樣的實施例中，產(chǎn)物水的電導率通常在約1和7之間，通常在約2和6之間，優(yōu)選為在約2和5之間，2和4之間，或2和3之間。電導率為總?cè)芙夤腆w(tds)的量度，并且是涉及鹽、離子、礦物質(zhì)等的水純度的良好指標。

可選擇地，可以通過各種標準測量水純度，例如，如表1和表2中所列的現(xiàn)行美國環(huán)境保護局(epa)標準，以及表2中所列的其它公認標準。因此，本發(fā)明的優(yōu)選實施例能夠從寬范圍的污染物(包括，例如表1所列的任何污染物)中減少一種或多種污染物中的任何污染物，針對那些污染物，最終產(chǎn)物水具有等于或低于標為“mcl”(最高濃度水平)的欄中指定的水平，而進水具有比指定的mcl高達約25倍以上的水平。同樣地，在一些實施例中，對于一些污染物，當進水具有比mcl或產(chǎn)物水高30-，40-，50-，60-，70-，80-，90-，100-，150-，250-，500-，1000-，或20000-倍或更多倍的污染時，本發(fā)明的系統(tǒng)可以將污染物去除至mcl水平。

雖然任何系統(tǒng)從進水中除去污染物的能力在某種程度上是進水中總雜質(zhì)水平的函數(shù)，但本發(fā)明的系統(tǒng)特別適合于從單一原料流中去除多種不同類型的不同污染物，產(chǎn)生與蒸餾水相當?shù)乃?，并且在一些情況下產(chǎn)生與超純水相當?shù)乃撟⒁獾氖?，?中的“挑戰(zhàn)水(challengewater)”欄含有epa測試中使用的水中污染物的濃度水平。本發(fā)明的水凈化系統(tǒng)的一些實施例通常可以除去比該列中列出的量更多的初始污染物。然而，當然，對應于“挑戰(zhàn)水”欄中提到的污染物水平同樣在本發(fā)明的實施例的能力范圍之內(nèi)。

表1

水純度和/或純化性能的效率的測定可以基于系統(tǒng)去除寬范圍污染物的能力。對于許多生物污染物，目的是去除基本上所有的活污染物。表2列出了水源的其它常見污染物和用于測試這些污染物水平的標準方案。對于常見的水污染物，表1和表2中列出的方案可以在超文本傳輸協(xié)議www.epa.gov/safewater/mcl.html#mcls中公開獲取；“飲用水中有機化合物測定方法(methodsforthedeterminationoforganiccompoundsindrinkingwater)，epa/600/4-88-039，1988年12月，1991年7月修訂”。方法547、550和550.1在“飲用水中有機化合物的測定方法-附錄i(methodsforthedeterminationoforganiccompoundsindrinkingwater—supplementi)，epa/600-4-90-020，1990年7月”中。方法548.1、549.1、552.1和555在“飲用水中有機化合物測定方法-附錄ii(methodsforthedeterminationoforganiccompoundsindrinkingwater—supplementii)，epa/600/r-92-129，1992年8月”中。方法502.2、504.1、505、506、507、508、508.1、515.2、524.2、525.2、531.1、551.1和552.2在“飲用水中有機化合物測定方法-附錄iii(methodsforthedeterminationoforganiccompoundsindrinkingwater—supplementiii)，epa/600/r-95-131,1995年8月”中。方法1613的標題為“tetra-throughoctachlorinateddioxinsandfuransbyisotope-dilutionhrgc/hrms”，epa/821-b-94-005，1994年10月。上述每一項的全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。

表2

表3：用于系統(tǒng)驗證的典型污染物

1、mclg＝最高濃度限制指導

2、mfl＝百萬纖維/升

3、pci/l＝皮居里(picocuries)/升

4、基本上無可檢測的生物污染物

水預處理

預處理系統(tǒng)的目的是將結(jié)垢化合物減少至在后續(xù)處理中(尤其是在脫鹽期間)不會被結(jié)垢干擾的程度。水硬度通常定義為存在于水中的鈣(ca⁺⁺)，鎂(mg⁺⁺)和其他二價離子的量，通常以這些離子或其作為碳酸鈣(caco3)的等價物的百萬分比(ppm)表示。水垢形成是因為水溶解了來自從大氣的二氧化碳，該二氧化碳提供了結(jié)合形成碳酸鈣和碳酸鎂的碳酸根離子；在加熱時，碳酸鈣和碳酸鎂的溶解度顯著降低，作為水垢而沉淀。實際上，水垢包括從溶液中析出的任何化合物。因此，磷酸鐵或硫酸鈣(石膏)也產(chǎn)生水垢。關于預處理的附加信息由thiers(wo2010/118425a1/pctus2010/030759)提供，其全部內(nèi)容通過引用在此并入本文。

傳統(tǒng)的除垢技術(shù)包括化學法和電磁法。化學法利用ph調(diào)節(jié)，用多磷酸鹽化學螯合(sequestration)，沸石等，或離子交換，以及通常這些方法的組合。通常，化學法的目的在于通過降低ph和使用化學螯合來防止水垢沉淀，但通常不是100％有效。電磁法依賴于碳酸鈣或碳酸鎂的電磁激發(fā)，從而有利于非粘附的結(jié)晶形態(tài)。例如，電磁激發(fā)有利于霰石而不是方解石的沉淀，前者是較軟、較不粘附的碳酸鈣形式。然而，電磁法僅在相對較短的距離和停留時間內(nèi)有效。離子交換，顧名思義，用某些離子交換其它離子，包括交換陽離子的陽離子交換樹脂(如，用鈣或鎂交換鈉)，或交換陰離子的陰離子離子交換樹脂(如氯化物或硫酸鹽)。

水脫鹽系統(tǒng)的概述

圖1示出了水凈化和脫鹽系統(tǒng)的簡化圖，所述系統(tǒng)設置有沸騰器(2)和冷凝器(3)的嵌套結(jié)構(gòu)，配有中央熱輸入?yún)^(qū)域(1)和多個熱管(4)，所述熱管將來自冷凝器中蒸汽冷凝的熱轉(zhuǎn)移到圍繞冷凝器的相鄰的沸騰器。對于本領域技術(shù)人員來說，同軸嵌套結(jié)構(gòu)的各種可替代結(jié)構(gòu)是可能的，例如，同軸方形沸騰器、冷凝器和預熱器管道等的嵌套結(jié)構(gòu)。

圖2提供了沸騰器(2)，冷凝器(3)，熱管(4)，中央熱輸入?yún)^(qū)域(1)，污染的鹽水進水(5)，在沸騰器中蒸發(fā)并且在進入冷凝室(3)并冷凝成產(chǎn)物水(8)之前由除霧器(未示出)清潔的蒸汽(6)，和分離沸騰室和冷凝室的薄金屬板(7)的同軸嵌套結(jié)構(gòu)的剖視圖(a)和平面圖(b)。如圖2所述的嵌套結(jié)構(gòu)的有利特征很多：(a)首先，在嵌套結(jié)構(gòu)的中心提供整個系統(tǒng)的能量，從而最小化壁損耗；(b)第二，配有熱管的沸騰器和冷凝器的嵌套結(jié)構(gòu)將冷凝熱傳遞到下一個沸騰器階段，這意味著連續(xù)沸騰的所需要的幾乎所有的熱量需求都可以通過遠優(yōu)于傳統(tǒng)熱交換器的高性能傳熱裝置獲得；(c)第三，由于階段之間的溫度差(因此壓力差)非常小，所以分隔沸騰器和冷凝器的薄壁是可能的，這也意味著熱量可以通過熱傳導傳遞，從而減少所需的熱管數(shù)量；(d)第四，隨著階段的數(shù)目增加，溫度和壓力的逐漸降低，意味著外部沸騰器和冷凝器處于與沸點一致的最低溫度，從而再次最小化壁損耗。

本領域技術(shù)人員應該清楚，所需的熱管的數(shù)量是脫鹽系統(tǒng)的尺寸和熱傳遞所需的表面積的函數(shù)。嵌套設計結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是可以大大減少所需熱管的數(shù)量，或者如果在階段之間用于傳遞熱量的表面積足夠高，則甚至不需要熱管。然而，在這種熱傳遞中增添熱管可以增強系統(tǒng)的熱性能。對于本領域技術(shù)人員來說，熱虹吸管、散熱器或多種其它類型的傳熱裝置可以用來代替熱管或者和熱管一起使用。

圖3示出了嵌套同軸結(jié)構(gòu)的可替代實施例。將進入沸騰器(2)的預熱和脫氣的水(5)通過熱管(4)進一步加熱至沸騰，所述熱管傳遞來自中央加熱室(1)的熱量。沸騰器(2)中產(chǎn)生的蒸汽(6)在下述除霧器(10)中被清潔并在冷凝器(3)中冷凝成產(chǎn)物水(8)。隨著水在每個同軸沸騰器(2)中蒸發(fā)，溶解的鹽的濃度增加。每個同軸沸騰器(2)中的沸水水平通過壓力調(diào)節(jié)器(未示出)保持在恒定水平，其允許水通過這些沸騰器之間的壓力差從一個沸騰器流到下一個沸騰器。

圖3的實施例的另一個特征是使用中間水預熱室(9)，所述中間水預熱室也與沸騰器和冷凝器同軸，并且利用了分隔沸騰室和冷凝室的薄金屬板(7)的高熱導率優(yōu)勢，從而確保產(chǎn)物水(8)中所含的熱量被回收以作為預熱的進水循環(huán)。如果必要的話，分隔預熱室與相鄰的沸騰器的金屬板可以涂覆熱絕緣體，以防止沸騰室中的熱損失。合適的熱絕緣體包括但不限于某些陶瓷組合物(其也不受高鹽度水影響)，例如，氧化鋁、氧化鋯和類似的金屬氧化物或氮化物。

圖4描述了組裝同軸沸騰器和冷凝器的可選方法，當分隔這種沸騰器和冷凝室的板是薄的，其依然保持剛度和機械強度。該方法包括使用分隔所述板(7)的小管(11)，小管可以安裝在平面上，隨后形成圓柱形表面，以制備沸騰器和冷凝室。

圖5示出了嵌套結(jié)構(gòu)的可替代實施例，其基于具有中壓調(diào)節(jié)器或不具有中壓調(diào)節(jié)器的連續(xù)螺旋，中壓調(diào)節(jié)器可以降低一組沸騰器和圍繞它的相鄰沸騰器之間的壓力。一個具體的替代實施例是使用“費馬特”螺旋，其特征在于：由薄壁(7)分隔的螺旋隨著其與中心的距離增加而逐漸變薄，從而允許在靠近中心具有更大的蒸發(fā)表面，其中，在更高的溫度下熱量可用于更有效的沸騰作用。由于這個原因，用于預熱進入的鹽水的螺旋可以分成兩部分：一部分專用于攜帶將逐步預熱的進入鹽水(9)，一部分專用于收集與進入的鹽水進行熱交換從而逐步變冷的產(chǎn)物水(8)。螺旋的中心包含可用于脫氣、預處理或類似功能的區(qū)域。緊密圍繞這個內(nèi)部部分有一個用于熱輸入(可以包括低壓蒸汽、廢熱或燃燒氣體)的環(huán)。進入的預熱鹽水(9)進入靠近熱源的內(nèi)部沸騰區(qū)域，并蒸發(fā)成蒸汽，然后冷凝成產(chǎn)物水(8)。該蒸汽的冷凝熱通過熱管(未示出)轉(zhuǎn)移到相鄰的沸騰器部分，該過程被重復，直到廢鹽水的鹽度接近該鹽水中可溶性鹽的溶解度極限，此時廢鹽水要么被排放，要么在最終排放之前經(jīng)受額外的冷卻。

圖6示出了具有圖3所示的替代實施例的沸騰器(2)和冷凝器(3)的剖面圖和平面圖。在圖6中，沸騰器(2)和冷凝器(3)部分被薄板(17)所分隔，所述薄板(17)頂部開口以允許蒸汽通過。放置在所述金屬板(17)頂部的除霧器(10)將清潔的蒸汽與可能被沸騰作用夾帶的水滴分離。所述蒸汽在所述冷凝器部分(3)中冷凝，并且冷凝熱被熱管(4)有效地傳遞到圍繞所述冷凝器(3)的相鄰的沸騰部分和狹窄的預熱室(9)。橫穿所述預熱室(9)的所述熱管(4)的部分可以是絕熱的，以防止熱從所述冷凝器(3)傳遞到周圍的所述沸騰器(2)時的熱損失。薄金屬板(12)將所述冷凝室(3)與所述預熱室(9)隔開，使得冷凝的產(chǎn)物水可以將熱量通過熱傳導傳遞到所述預熱室(9)。兩個較厚的垂直金屬板(7)將所述沸騰器和所述冷凝室與周圍的蒸餾和冷凝階段分開，兩個水平板(13)密封每個蒸餾和冷凝階段的頂部和底部。板(7)和(13)的厚度足以承受相鄰的沸騰和冷凝階段之間的壓力差。

圖7示出了嵌套結(jié)構(gòu)中的沸騰器(2)和冷凝器(3)階段略微不同的實施例的剖面。在圖7中，預熱室(9)位于底板和頂板(13)附近，以減少熱壁損耗。在該特定實施例中，分隔各個階段的垂直板(7)不需要絕熱，而頂板和底板(13)具有絕緣層(14)。如圖6的情況，除霧器(10)放置在靠近沸騰室的頂部，并且熱管(4)將冷凝熱傳遞到相鄰的沸騰階段。

圖8示出了嵌套結(jié)構(gòu)的替代實施例，其中蒸餾和冷凝階段的同軸排列不是圓形而是方形。在圖8中，進入的鹽水通過預熱室(9)進入并向內(nèi)流動，變得越來越熱，直到其到達提供熱能的所述嵌套結(jié)構(gòu)的中心。在內(nèi)部沸騰階段，預熱的進水沸騰，蒸汽在外部冷凝室中冷凝成產(chǎn)物水(8)，由此通過熱管(4)和熱傳導將冷凝熱傳遞到下一個沸騰室。階段之間的壓力調(diào)節(jié)器(15)控制壓力從內(nèi)部沸騰室到外周逐漸降低。隨著沸騰濃縮鹽水，具有可溶性鹽的鹽水變得越來越飽和，但處于不超過其溶解度極限的水平，鹽水最終作為廢鹽水(5)排出。

圖9示出了嵌套結(jié)構(gòu)的替代剖視圖。在圖9中，一組同軸式沸騰器或螺旋式沸騰器(2)被安裝在同軸冷凝器或螺旋式冷凝器(3)的頂部，如此位于沸騰器和冷凝室之間的連接處的一組熱管(4)將冷凝熱從冷凝室轉(zhuǎn)移到沸騰室中。在沸騰期間，產(chǎn)生蒸汽(6)，并且這種蒸汽由除霧器(10)清潔。一連串的板(7)分隔了不同的沸騰器和冷凝器階段。所述嵌套結(jié)構(gòu)的中心包含熱源，外周標志著嵌套結(jié)構(gòu)的外部邊界，其接近環(huán)境溫度。進入的污水(9)進入外周，并被從所述沸騰室(2)中的蒸汽(6)傳遞的熱量預熱至其沸點附近。在冷凝室內(nèi)冷凝的蒸汽(6)成為產(chǎn)物水(8)，存在于嵌套結(jié)構(gòu)的底部。底板和頂板(13)防止泄漏，并為整個系統(tǒng)提供必要的隔熱。當進水從中心附近移動到系統(tǒng)的外周(圖9中未示出)時，沸騰濃縮進水的鹽度。

圖10是示意圖，示出了當使用薄板分隔多個蒸餾階段時，組裝沸騰器和冷凝器的嵌套結(jié)構(gòu)的方法。在圖9中，垂直板(7)可以通過按壓固定在安裝板(13)上，直到兩個同軸橡膠環(huán)(16)或類似結(jié)構(gòu)嚙合，提供不泄漏的密封。這是焊接或密封不同板的類似方法的可選替代，但它本身有利于輕松地維護和修理。

本領域技術(shù)人員將理解，這些方法和裝置適合于并且可能適于實現(xiàn)目的并獲得所提到的目的和優(yōu)點，以及各種其它優(yōu)點和益處。本發(fā)明所述的方法，程序和裝置目前表示優(yōu)選實施例，并且是示例性的，并不意圖限制本發(fā)明的范圍。本領域技術(shù)人員將想到其中的變化和其它用途，這些變化和其他按用途包括在本發(fā)明的精神內(nèi)，并且由本公開內(nèi)容的范圍限定。

有效的傳熱機理

本發(fā)明所述系統(tǒng)的重要優(yōu)點是使用熱管的傳熱機理。熱管提供了一種接近熱力學可逆的傳遞熱量的手段，也就是說，作為遷移焓而幾乎沒有效率損失的系統(tǒng)。因此，除了大部分但不完全是從產(chǎn)物水的熱量回收的預熱能量之外，幾乎所有由嵌套結(jié)構(gòu)中心的熱輸入部分提供的熱量通過最小化系統(tǒng)表面的熱損失，在每一個沸騰和冷凝階段被重新使用。由于嵌套結(jié)構(gòu)中的表面被最小化，并且由于該表面可以通過預熱處于環(huán)境溫度下的進入水而被包圍，所以由于表面損耗而損失的熱量可以接近于零。因此，可以容易地將在沸騰和冷凝的多個階段期間所使用的能量近似于水的蒸發(fā)熱除以系統(tǒng)的階段數(shù)。

顯然，能夠使本發(fā)明的沸騰和冷凝階段的數(shù)目最大化是有利的，并且熱管允許這樣做，只要這種熱管的冷凝和沸騰端之間的溫度差(δt)足以保持通過熱管的最大熱通量。商購的熱管通常具有約8c(15f)的δt，盡管有些熱管具有低至3c的δt。在給定溫度下可獲得的給定的熱量下，δt限定了最大的可行的階段的數(shù)目。因此，需要那些能在盡可能小的δt起作用的熱管。因此，檢查熱管中的熱現(xiàn)象是有用的。

商用熱管通常由部分抽真空的密封管組成，管中含有少量工作流體，通常為水，但也可以是醇或其它揮發(fā)性液體。當以焓的形式將熱量施加到高溫端時，熱首先穿過所述管的金屬障礙物，然后用于向工作流體提供蒸發(fā)熱。當工作流體蒸發(fā)時，所產(chǎn)生的氣體(在水的情況下是蒸汽)填充管并到達低溫端，其中低溫導致冷凝，并因此釋放與冷凝熱相同的熱量。為了促進連續(xù)操作，管內(nèi)部通常包括芯，所述芯可以是任何多孔和親水的層，通過毛細管作用將冷凝相的工作流體轉(zhuǎn)移回到管的熱端。

實驗上，熱管中熱傳遞的最大障礙包括：第一，緊靠所述熱管外部的層；第二，由所述熱管材料呈現(xiàn)的傳導障礙；第三，將工作流體返回所述熱管的熱端的芯材料的限制。熱管被廣泛用于大量的熱傳遞應用，例如，阿拉斯加石油管道，在衛(wèi)星上，用于冷卻電腦的集成電路芯片，以及類似的應用，但除了sylvansourceinc.所申請和獲得專利的那些應用以外，通常還未用于脫鹽或水凈化應用。熱管遠優(yōu)于用于傳熱的熱交換器。加州大學洛杉磯分校(ucla)，斯坦福國際研究所(sriinternational)和先進能源研究計劃署(arpa-e)的獨立研究已經(jīng)顯示，熱管比具有相似尺寸的銀的傳導性高幾千到30000倍。

此外，在高性能熱管方面已經(jīng)做出了重大改進，溫度差低至3～4℃，每根熱管能夠傳遞高達200瓦特。熱管設計和制造方面的進一步發(fā)展已由thiers(美國專利no：8,771,477；0088520-018wo0，標題為“industrialwaterpurificationanddesalination”，申請?zhí)枺簆ct/us12/54221，申請日：2012年9月7日；和美國臨時no：62041556)提出。上述各個專利和申請的全部內(nèi)容通過引用并入本文。

即使用常規(guī)/商用熱管，由緊湊的嵌套結(jié)構(gòu)帶來的低的熱損失允許了極為有效的脫鹽系統(tǒng)。在處理海水的具有14個階段的圓形同軸結(jié)構(gòu)中，凈能量損耗可低至每立方米產(chǎn)物水4.5kwh。使用高性能熱管可以實現(xiàn)更低的能量水平。

在本文中示例性地描述的本發(fā)明可以在不存在本文沒有具體公開的任何元件或多個元件，限制或多個限制的情況下被適當?shù)貙嵺`。已經(jīng)使用的術(shù)語和表達用作描述的術(shù)語而不是限制，并且使用這些術(shù)語和表達并不是為了表示排除所示出和描述的特征或其部分的等同物。認識到在所公開的本發(fā)明的范圍內(nèi)可以進行各種修改。因此，應當理解的是，盡管本發(fā)明通過優(yōu)選實施例和可選特征進行了具體描述，但是在本文中所公開的概念的修改和變化可以由本領域技術(shù)人員采用，并且將這些修改和變化視為在公開內(nèi)容所限定的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

本領域技術(shù)人員認識到，在此所闡述的本發(fā)明的方面和實施例可以彼此分離或彼此結(jié)合實施。因此，單獨實施例的組合在本文所公開的本發(fā)明的范圍之內(nèi)。

所有專利和出版物通過引用并入本文，其程度如同每項單獨的出版物被明確和單獨地指明通過引用并入。