多級鼓泡塔蒸汽混合物冷凝器和HDH系統(tǒng)

多級泡罩塔蒸汽混合物冷凝器包括至少第一級和第二級。每個(gè)級包括載氣入口和載氣出口，以及包含與載氣入口和載氣出口流體連通的冷凝浴的冷凝室。載氣入口定位成使載氣從載氣入口向上鼓泡通過冷凝浴，克服冷凝浴的靜水壓頭。載氣出口定位有一個(gè)開口，用于在冷凝浴上方提取載氣，

在本世紀(jì)，淡水短缺將超過能源短缺作為全球人類關(guān)注的問題，正如“經(jīng)濟(jì)學(xué)人”2010年5月20日的“水問題特別報(bào)告”所解釋的那樣，這兩個(gè)挑戰(zhàn)是密不可分的。淡水是人類和其他生物最基本的需求之一; 每個(gè)人每天需要消耗至少約2升。世界還面臨著來自農(nóng)業(yè)和工業(yè)過程的更多淡水需求。

供水不足造成的危害尤為嚴(yán)重。淡水短缺可能導(dǎo)致各種危機(jī)，包括饑荒，疾病，死亡，強(qiáng)迫大規(guī)模移民，跨區(qū)域沖突/戰(zhàn)爭以及生態(tài)系統(tǒng)崩潰。盡管淡水需求至關(guān)重要，而且短缺造成嚴(yán)重后果，但淡水供應(yīng)尤其受到限制。地球上97.5％的水是咸的，其余約70％被鎖定為冰（主要是冰蓋和冰川），只留下地球上所有水的一小部分作為可用的新鮮（非鹽水）水。

此外，地球上新鮮和可用的水分布不均勻。例如，印度和中國等人口稠密的國家有許多地區(qū)供應(yīng)稀缺。此外，淡水供應(yīng)通常與季節(jié)性不一致。與此同時(shí)，全球?qū)Φ男枨笳谑站o。水庫正在干涸; 含水層正在下降; 河流正在消亡; 冰川和冰帽正在縮回。人口增長會(huì)增加需求，農(nóng)業(yè)和工業(yè)化程度的提高也會(huì)增加需求。氣候變化在許多地區(qū)構(gòu)成更多威脅。因此，面臨缺水的人數(shù)正在增加。然而，天然存在的淡水通常局限于區(qū)域流域; 水的運(yùn)輸是昂貴且耗能的。

另一方面，許多現(xiàn)有的從海水（或較少程度地來自微咸水）生產(chǎn)淡水的方法需要大量的能量。反滲透（RO）是目前領(lǐng)先的海水淡化技術(shù)。在大型工廠中，所需的比電力可低至4 kWh / m ³，回收率為30％，而理論最低值約為1 kWh / m ³ ; 較小規(guī)模的RO系統(tǒng)（例如，船上）效率較低。

其他現(xiàn)有的海水淡化系統(tǒng)包括基于熱能的多級閃蒸（MSF）蒸餾和多效蒸餾（MED），這兩者都是能源和資本密集型過程。然而，在MSF和MED系統(tǒng)中，最大鹽水溫度和熱輸入的最高溫度是有限的，以避免硫酸鈣沉淀，這導(dǎo)致在傳熱設(shè)備上形成硬垢。

加濕 - 除濕（HDH）脫鹽系統(tǒng)包括加濕器和除濕器作為其主要組分，并使用載氣（例如空氣）在熱源和鹽水之間傳遞能量。在加濕器中，熱海水與干燥空氣直接接觸，并且該空氣變得加熱和加濕。在除濕機(jī)中，加熱和加濕的空氣與冷海水（間接）接觸并被除濕，產(chǎn)生純凈水和除濕空氣。本發(fā)明的一些發(fā)明人也是以下專利申請的發(fā)明人，其包括關(guān)于用于凈化水的HDH方法的另外的討論：美國申請Ser。2009年9月4日提交的第12 / 554,726號(hào)（代理人案卷號(hào)mit-13607）; 美國申請Ser。2009年10月5日提交的第12 / 573,221號(hào)（代理人案卷號(hào)mit-13622）; 和美國申請Ser。2011年2月15日提交的第13 / 028,170號(hào)（代理人案卷號(hào)mit-14295）。

來自佛羅里達(dá)大學(xué)的方法，其在美國專利No.5,199,480中有所描述。美國專利No.6,919,000 B2通過使用直接接觸式冷凝器代替標(biāo)準(zhǔn)的間接接觸式除濕器降低了與不可冷凝氣體相關(guān)的熱阻。該方法以能量效率為代價(jià)提高了冷凝器中的傳熱速率，因?yàn)閬碜赃M(jìn)入除濕器的潮濕空氣的能量不能直接回收以預(yù)熱海水。因此，盡管降低了除濕裝置的成本，但是能量成本增加。

摘要

本文描述了單級和多級泡罩塔蒸汽混合物冷凝器（在本文其他地方簡稱為冷凝器）和加濕 - 除濕（HDH）系統(tǒng)及其操作。裝置和方法的各種實(shí)施例可包括下面描述的元件，特征和步驟中的一些或全部。

A multi-stage bubble-column vapor mixture condenser comprises at least a first stage and a second stage. Each stage includes a carrier-gas inlet and a carrier-gas outlet, as well as a condenser chamber containing a condensing bath in fluid communication with the carrier-gas inlet and the carrier-gas outlet. The carrier-gas inlet is positioned to bubble carrier gas from the carrier-gas inlet up through the condensing bath, overcoming a hydrostatic head of the condensing bath. The carrier-gas outlet is positioned with an opening for carrier-gas extraction above the condensing bath, wherein the first-stage carrier-gas outlet is in fluid communication with the carrier-gas inlet of the second stage to facilitate flow of the carrier gas through the condensing bath in the condenser chamber of the first stage and then through the condensing bath in the condenser chamber of the second stage.

多級泡罩塔冷凝器可以在加濕 - 除濕系統(tǒng)中與加濕器連接。

該裝置和方法可用于以成本有效的方式從液體混合物（包括但不限于海水，微咸水和廢水）中分離純水，與先前的方法相比，這可以導(dǎo)致顯著降低的成本。該裝置和方法的實(shí)施例可以提供許多優(yōu)點(diǎn)。首先，根據(jù)公開文獻(xiàn)中給出的氣泡柱數(shù)據(jù)，多級泡罩塔冷凝器的傳熱系數(shù)估計(jì)為7 kW / m ².K（即，比現(xiàn)有技術(shù)水平高至少一個(gè)數(shù)量級）。該傳熱系數(shù)與蒸汽的薄膜冷凝相當(dāng)，如果不高于該溫度。其次，使用新穎的多階段技術(shù)可以保持高能量回收。第三，可以在設(shè)備和方法中采用多次提取以進(jìn)一步提高熱回收率。第四，隨著能源成本和設(shè)備成本的降低，系統(tǒng)的總成本降低。

附圖的簡要說明

圖。1 圖1是單級泡罩塔冷凝器的剖視圖。

圖。2 圖1是包括多級泡罩塔冷凝器的加濕 - 除濕水凈化系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖。

圖。3 從鼓泡塔頂部繪制多級泡罩塔冷凝器中各柱的溫度分布圖。

圖。4 從鼓泡塔頂部繪制單級泡罩塔冷凝器的溫度曲線。

圖。五 圖1是包括多級泡罩塔冷凝器的多提取加濕 - 除濕水凈化系統(tǒng)的實(shí)施方案的示意圖。

圖。6 圖2是與垂直方向成角度的氣泡柱冷凝器的剖視圖。

在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在不同的視圖中指代相同或相似的部分; 和撇號(hào)用于區(qū)分共享相同參考數(shù)字的相同或相似項(xiàng)目的多個(gè)實(shí)例。附圖不一定按比例繪制，而是將重點(diǎn)放在說明下面討論的特定原理上。

詳細(xì)說明

本發(fā)明的各個(gè)方面的前述和其他特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下對本發(fā)明的更廣泛范圍內(nèi)的各種概念和具體實(shí)施方案的更具體描述中變得顯而易見。以上介紹并在下面更詳細(xì)討論的主題的各個(gè)方面可以以多種方式中的任何一種來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹黝}不限于任何特定的實(shí)現(xiàn)方式。提供特定實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的示例主要是出于說明性目的。

除非本文中另外定義，使用或表征，否則本文使用的術(shù)語（包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語）應(yīng)被解釋為具有與其在相關(guān)領(lǐng)域的上下文中的可接受含義一致的含義，并且不應(yīng)被解釋為理想化或過于正式的意義，除非在此明確定義。例如，如果參考特定的組合物，則組合物可以是實(shí)質(zhì)的，但不是完全純的，因?yàn)閷?shí)際和不完美的現(xiàn)實(shí)可能適用; 例如，至少痕量雜質(zhì)的潛在存在（例如，按重量或體積小于1或2％）可以理解為在說明書的范圍內(nèi); 同樣地，如果參考特定形狀，則該形狀旨在包括與理想形狀不完美的變化，例如，由于加工公差。

盡管這里可以使用術(shù)語“第一”，“第二”，“第三”等來描述各種元件，但是這些元件不受這些術(shù)語的限制。這些術(shù)語僅用于區(qū)分一個(gè)元素。因此，在不脫離示例性實(shí)施例的教導(dǎo)的情況下，下面討論的第一元件可以被稱為第二元件。

在此可以使用空間相對術(shù)語，例如“上方”，“下方”，“左側(cè)”，“右側(cè)”，“前方”，“后方”等，以便于描述以描述一個(gè)元件的關(guān)系。另一個(gè)元素，如圖所示。應(yīng)當(dāng)理解，除了本文所述和圖中所示的取向之外，空間相對術(shù)語以及所示配置旨在涵蓋使用或操作中的裝置的不同取向。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)，則被描述為在其他元件或特征“下方”或“下方”的元件將被定向在其他元件或特征“上方”。因此，示例性術(shù)語“上方”可以包括上方和下方的方向。該裝置可以以其他方式定向（例如，

此外，在本公開中，當(dāng)元件被稱為“接通”，“連接到”或“耦合到”另一元件時(shí)，它可以直接在另一元件上，連接或耦合到另一元件，或者可以存在中間元件。除非另有規(guī)定。

這里使用的術(shù)語是為了描述特定實(shí)施例的目的，而不是要限制示例性實(shí)施例。如本文所用，除非上下文另有說明，否則諸如“一個(gè)”和“一個(gè)”的單數(shù)形式也旨在包括復(fù)數(shù)形式。另外，術(shù)語“包括”，“包括”，“包含”和“包含”指定所述元件或步驟的存在，但不排除存在或添加一個(gè)或多個(gè)其他元件或步驟。

不可冷凝氣體的存在可以極大地增加與冷表面上的蒸汽膜冷凝相關(guān)的熱阻。對于在加濕除濕系統(tǒng)的除濕器（冷凝器）空氣（不可冷凝氣體）本的典型摩爾分?jǐn)?shù)（約70％），熱傳遞系數(shù)可低至1 /第100次的，對于純蒸汽冷凝（在多效蒸餾和多級閃蒸系統(tǒng)中）。在絕對值中，傳熱系數(shù)可低至10 W / m ² .K。因此，有利的是降低與不可冷凝氣體相關(guān)的熱阻，同時(shí)保持由背景技術(shù)人員在先前專利申請中描述的方法所帶來的能量效率的有利提高。