Многоступенчатый барботажный колонный увлажнитель
MULTI-STAGE BUBBLE COLUMN HUMIDIFIER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В этом веке дефицит пресной воды может значительно превысить дефицит энергии, являясь для человечества проблемой мирового масштаба; и эти две сложные проблемы неразрывно связаны, как объясняется, например, в статье «Special Report on Water», опубликованной в выпуске журнала The Economist от 20 мая 2010 года. Пресная вода является одной из самых необходимых вещей для людей и других организмов; у каждого человека существует потребность в потреблении ее в количестве не менее приблизительно двух литров в день. Растущие потребности в потреблении пресной воды в мировом масштабе также связаны с технологическими процессами в сельском хозяйстве и промышленности.
Опасные последствия недостаточного водоснабжения чрезвычайно ощутимы. Дефицит пресной воды может вести к целому ряду кризисных ситуаций, в том числе к голоду, болезням, смерти, вынужденной массовой миграции, межрегиональным конфликтам и/или войнам и разрушению экосистем. Несмотря на критическое значение потребности в пресной воде и серьезные последствия ее дефицита, снабжение пресной водой является очень ограниченным. На земном шаре 97,5% воды является соленой и около 70% остальной воды заключено во льдах (главным образом в ледниковых покровах и ледниках), и только часть всей воды на земном шаре остается доступной в виде пресной (несоленой) воды.
3
3
Кроме того, имеющаяся на земном шаре вода, являющаяся пресной и доступной, распределяется неравномерно. Например, в густонаселенных странах, таких как Индия и Китай, многие районы имеют недостаточное водоснабжение. Более того, снабжение пресной водой часто нестабильно по сезонам. Между тем потребности в пресной воде во всем мире возрастают. Водоемы пересыхают; водоносные пласты гибнут; реки высыхают; и ледники и ледниковые покровы отступают. С ростом численности населения потребность растет, поскольку происходят изменения в сельскохозяйственном производстве, и повышается уровень индустриализации. Во многих районах еще большую угрозу представляет изменение климатических условий. Следовательно, увеличивается число людей, которым недостает воды. Однако места, где пресная вода встречается в природе, как правило, ограничиваются региональными водосборными бассейнами; и транспортировка воды дорого обходится и является энергоемкой. При всем том для многих из существующих процессов получения пресной воды из морской воды (или из солоноватой воды или потоков загрязненной сбросной воды) требуются огромные количества энергии. В настоящее время основной технологией опреснения является обратный осмос (RO). В крупных установках удельное потребление электроэнергии может составлять до 4 кВт⋅ч/м при 30% рекуперации по сравнению с расчетным минимумом, составляющим приблизительно 1 кВт⋅ч/м; более малогабаритные системы RO (например, находящиеся на борту судна) являются менее экономичными.
Другие существующие системы опреснения морской воды включают основанные на тепловой энергии многоступенчатую дистилляцию с мгновенным вскипанием (MSF) и многоколонную дистилляцию (MED), и та и другая из которых являются энергоемкими и дорогостоящими процессами. Однако в системах MSF и MED максимальная температура рассола и максимальная температура подводимой теплоты являются ограниченными для предотвращения выпадения осадка сульфата кальция, гидроксида магния и карбоната кальция, которое приводит к образованию мягких и твердых отложений на теплообменном оборудовании.
Увлажнительно-осушительные (HDH) системы опреснения содержат в качестве основных компонентов увлажнитель и осушитель, и в них применяется газ-носитель (например, воздух) для передачи энергии между источником тепла и рассолом. Простой вариант этой технологии включает в себя увлажнитель, осушитель и нагреватель для нагрева потока морской воды. В увлажнителе горячая морская вода вступает в непосредственный контакт с сухим воздухом, и этот воздух нагревается и увлажняется. В осушителе нагретый и увлажненный воздух вступает в (непрямой) контакт с холодной морской водой и осушается, в результате чего образуются чистая вода и осушенный воздух. Как и в случае применения систем MSF и MED, внутри системы может иметь место выпадение в осадок компонентов, образующих отложения, с последующим возникновением повреждения, если температура поднимается до очень высокого уровня.
Другой подход, описанный в патенте США №8119007 В2 (авторы изобретения - A. Bajpayee и др.), предусматривает применение растворителя направленного действия, который направленно растворяет воду, но не растворяет соль. Растворитель направленного действия нагревается для разложения воды из солевого раствора и перевода ее в растворитель направленного действия. Оставшаяся высококонцентрированная соленая вода удаляется, и раствор растворителя направленного действия и воды охлаждается, в результате чего из раствора выделяется по существу чистая вода.
Некоторые из авторов настоящего изобретения были указаны как авторы изобретения в заявках на патент по следующим патентным документам, в которых дополнительно рассмотрены процесс HDH и другие процессы очистки воды: патент США №8465006 В2; патент США №8252092 В2; заявки на патент US 2012/0205236 A1; US 2013/0074694 А1; и патент США №8496234 В1.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В описании изобретения описаны способы и устройства для выделения жидкости (например, чистой воды) из подаваемой жидкости (например, морской воды, солоноватой воды, сбросной воды или возвратной или пластовой воды) способом, эффективным с точки зрения затрат. Различные варианты осуществления способов и устройств могут включать несколько или все из элементов, признаков и этапов, описанных ниже.
В способе увлажнения испаряемого компонента из подаваемой жидкости подаваемую жидкость, содержащую испаряемый компонент, подают в камеру увлажнения второй ступени, в результате чего образуется ванна увлажнения второй ступени при второй температуре увлажнения. Первый остаток подаваемой жидкости затем подают из камеры увлажнения второй ступени в камеру увлажнения первой ступени, в результате чего образуется ванна увлажнения первой ступени при первой температуре увлажнения, причем первая температура увлажнения ниже второй температуры увлажнения. Затем удаляют из камеры увлажнения первой ступени второй остаток подаваемой жидкости.
При этом нагнетают газ-носитель в ванну увлажнения первой ступени в камере увлажнения первой ступени и барботируют его через ванну увлажнения первой ступени, где газ-носитель собирает испаряемый компонент в виде пара из первого остатка подаваемой жидкости, тем самым частично увлажняют газ-носитель испаряемым компонентом. После этого частично увлажненный газ-носитель направляют из камеры увлажнения первой ступени в ванну увлажнения второй ступени в камере увлажнения второй ступени и барботируют его через ванну увлажнения второй ступени, где газ-носитель собирает из подаваемой жидкости дополнительное количество испаряемого компонента в виде пара, тем самым дополнительно увлажняют газ-носитель испаряемым компонентом; затем удаляют увлажненный газ-носитель из камеры увлажнения второй ступени.
В многоступенчатом барботажном колонном устройстве увлажнения источник подаваемой жидкости содержит подаваемую жидкость; и камера увлажнения второй ступени выполнена с возможностью приема подаваемой жидкости из источника подаваемой жидкости и вмещает распределитель газовых пузырьков. Кроме того, камера увлажнения первой ступени выполнена с возможностью приема остатка подаваемой жидкости из камеры увлажнения второй ступени и вмещает распределитель газовых пузырьков. Источник газа-носителя содержит газ-носитель, причем камера увлажнения первой ступени выполнена с возможностью приема газа-носителя из источника газа-носителя и диспергирования газа-носителя посредством распределителя газовых пузырьков камеры увлажнения первой ступени, и при этом камера увлажнения второй ступени выполнена с возможностью приема газа-носителя из камеры увлажнения первой ступени и диспергирования газа-носителя посредством распределителя газовых пузырьков камеры увлажнения второй ступени.
Многоступенчатый барботажный колонный увлажнитель, который здесь описан, может заменить теплообменник со слоем насадки, применявшийся на момент создания изобретения в увлажнительно-осушительных системах для эффективного увлажнения сухого воздуха. Преимущества, которые может дать применение вариантов осуществления описанных здесь способов и устройства, включают снижение расходов на осушение, при этом могут быть снижены как расходы на оборудование, так и расходы на оплату стоимости потребляемой энергии, затрачиваемой для эксплуатации. В частности, энергия для увлажнения может быть предоставлена непосредственно подаваемой жидкостью в камерах увлажнения. Кроме того, очень высокие скорости теплопередачи и массопередачи в многоступенчатом увлажнителе дают возможность сконструировать и применить очень малогабаритное устройство увлажнения. Более того, для дополнительного увеличения рекуперации тепла в многоступенчатой барботажной колонне может быть применен многократный отбор.
Следует добавить, что описанные здесь способы могут быть применены преимущественно для извлечения воды из загрязненных потоков сбросной воды (например, продуктов добычи нефти и газа) как для получения пресной воды, так и для концентрирования и уменьшения объема потоков сбросной воды, тем самым уменьшения загрязнения окружающей среды и сокращения расходов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 представлено схематическое изображение в разрезе варианта осуществления многоступенчатого барботажного колонного увлажнителя.
На фиг. 2 представлено изображение в разрезе варианта осуществления камеры увлажнения первой ступени в многоступенчатом барботажном колонном увлажнителе.
На фиг. 3 представлено схематическое изображение в разрезе многоступенчатой одноколонной увлажнительно-осушительной (HDH) системы.
На фиг. 4 представлено схематическое изображение в разрезе многоступенчатой одноколонной HDH-системы, содержащей трубопроводы для многократного отбора для подаваемой жидкости и газа-носителя.
В прилагаемых графических материалах на всех разных видах одни и те же или схожие части обозначены одинаковыми позициями. Графические материалы не обязательно выполнены в масштабе, вместо этого основное внимание обращено на иллюстрацию конкретных принципов, рассмотренных ниже.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Упомянутые выше и другие признаки и преимущества различных аспектов изобретения(ий) очевидны из приведенного ниже более конкретного описания различных концепций и конкретных вариантов осуществления изобретения в пределах объема изобретения(ий). Различные аспекты предмета изобретения, упомянутые выше и более подробно рассмотренные ниже, могут быть реализованы любыми из многочисленных способов, так как предмет изобретения не ограничивается никаким конкретным способом реализации. Примеры конкретных вариантов реализации и применения представлены главным образом для пояснительных целей.
Если не оговорено иное, употребляемые или охарактеризованные в данном описании изобретения термины, которые здесь употребляются (в том числе технические и научные термины), должны толковаться как имеющие значение, которое согласуется с их значением, являющимся общеупотребительным в рамках рассматриваемой области техники, и не должны толковаться идеализированно или слишком формально, если только это не указано в явной форме в описании изобретения. Например, если упоминается конкретная композиция, то эта композиция может быть в основном, хотя и не совершенно чистой, насколько это практически возможно, и в действительности могут иметь место несовершенства; например, потенциальное присутствие по меньшей мере следов примесей (например, в количестве менее 1 или 2%) можно считать охватываемым рамками описания изобретения; аналогично, если упоминается конкретная форма, то эта форма предполагает наличие дефектных отклонений от идеальных форм, например вследствие производственных допусков. Указанные в данном описании изобретения процентные содержания или концентрации могут быть представлены выраженными или по массе, или по объему.
Несмотря на то, что для описания различных элементов в данном описании изобретения могут употребляться термины «первый», «второй», «третий» и т.д., эти элементы не ограничиваются этими терминами. Эти термины употребляются просто для различения одного элемента от другого. Так, первый элемент, рассмотренный ниже, можно назвать вторым элементом, не отступая от идей, реализованных в иллюстративных вариантах осуществления.
Термины, имеющие отношение к пространственным соотношениям, такие как «над», «под», «левый», «правый», «впереди», «сзади» и подобные им, могут употребляться в данном описании изобретения для облегчения описания при описании взаимосвязи одного элемента с другим элементом, которая показана на чертежах. Очевидно, что термины, имеющие отношение к пространственным соотношениям, а также изображенные конфигурации предполагают охват различных ориентаций устройства при эксплуатации или работе в дополнение к описанным здесь и показанным на чертежах ориентациям. Например, если устройство на чертежах перевернуть, элементы, описанные как расположенные «ниже» или «под» другими элементами или конструктивными признаками, будут в таком случае ориентированы так, что будут расположены «над» другими элементами или конструктивными признаками. Таким образом, иллюстративный термин «над» может охватывать как ориентацию с расположением выше, так и ориентацию с расположением ниже. Устройство может быть ориентировано иначе (например, повернуто на 90° или с другими ориентациями), и соответственно могут истолковываться употребляемые в данном описании изобретения дескрипторы пространственных соотношений.
Более того, в данном описании изобретения, когда элемент упоминается как находящийся «на», «соединенный с» или «связанный с» другим элементом, он может находиться на другом элементе, быть соединенным или связанным с другим элементом непосредственно или между ними могут присутствовать промежуточные элементы, если не указано иное.
Употребляемая здесь терминология служит в целях описания конкретных вариантов осуществления изобретения и не предполагает ограничение иллюстративных вариантов осуществления. Употребляемые здесь формы единственного числа предполагают также включение форм множественного числа, если только из контекста не следует иное. Кроме того, термины «включает», «включающий», «содержит» и «содержащий» описывают присутствие указанных элементов или этапов, но не исключают присутствие или дополнение одного или нескольких других элементов или операций.
На фиг. 1 представлен вариант осуществления многоступенчатого барботажного колонного увлажнителя 12 с четырьмя ступенями. В других вариантах осуществления может быть последовательно связано большее или меньшее количество ступеней увлажнения, как описано ниже, предназначенных для осуществления процесса увлажнения. Подаваемая жидкость, содержащая растворенные компоненты, подается из источника 14 подаваемой жидкости (например, океана, водоема или резервуара для хранения) в камеру 22 увлажнения четвертой ступени увлажнителя 12, где подаваемая жидкость образует ванну 24, содержащуюся внутри камеры 22. В первом варианте осуществления подаваемая жидкость подается в камеру 22 увлажнения четвертой ступени при температуре 70°C. Испаряемый компонент (например, вода) подаваемой жидкости испаряется в газ-носитель, который барботируется через ванну 24, как описано ниже.
Остаток подаваемой жидкости (с увеличенной концентрацией растворенных компонентов) подается из камеры 22 увлажнения четвертой ступени через трубопровод 26 в камеру 20 увлажнения третьей ступени, в которой остаток подаваемой жидкости образует другую ванну 24, через которую барботируется газ-носитель. В первом варианте осуществления остаток подаваемой жидкости подается в камеру 20 увлажнения третьей ступени при температуре, составляющей в этом варианте осуществления 62°C; температура остающейся подаваемой жидкости от ступени к ступени понижается, частично из-за использования энергии для испарения испаряемого компонента из подаваемой жидкости в газ-носитель в каждой ступени.
В свою очередь остаток подаваемой жидкости (с еще большей концентрацией растворенных компонентов) подается из камеры 20 увлажнения третьей ступени через трубопровод 28 в камеру 18 увлажнения второй ступени, в которой остаток подаваемой жидкости образует следующую ванну 24, через которую барботируется газ-носитель. Остаток подаваемой жидкости в этом варианте осуществления подается в камеру 18 увлажнения второй ступени при температуре 56°C.
И наконец, остаток подаваемой жидкости (с еще более повышенной концентрацией растворенных компонентов) подается из камеры 18 увлажнения второй ступени через трубопровод 30 в камеру 16 увлажнения первой ступени, в которой остаток подаваемой жидкости образует другую ванну 24, через которую барботируется газ-носитель. В первом варианте осуществления остаток подаваемой жидкости подается в камеру 16 увлажнения первой ступени при температуре, составляющей в этом варианте осуществления 51,3°C. Остаток подаваемой жидкости, который теперь присутствует в виде холодного рассола, может быть удален из камеры увлажнения первой ступени (например, в этом варианте осуществления при температуре 45,7°C) через трубопровод 32 в емкость 33 для хранения рассола. Соответственно понижение температуры подаваемой жидкости на каждой ступени может составлять, например, приблизительно 5-15%.
При этом холодный сухой газ-носитель барботируется через ванну 24 каждой ступени, чтобы удалить испаряемый компонент из ванн 24 (как показано на фиг. 2), причем поток газа-носителя между камерами показан на фиг. 1 стрелками 36. Газом-носителем может быть, например, воздух, и вначале он может подаваться в камеру 16 увлажнения первой ступени из емкости 35 для газа-носителя, в которой поддерживается повышенное давление с помощью воздуходувки 34, подающей воздух в емкость 35. Газ-носитель заполняет нижнюю газовую зону 38 внутри камеры 16 увлажнения первой ступени и проходит через распределитель газовых пузырьков (в данном случае тарельчатый барботер) 40 в виде пузырьков 42 (как показано на фиг. 2) в ванну 24, где газ-носитель нагревается и увлажняется (при этом нагрев и увлажнение обеспечиваются подаваемой жидкостью). Испаряемый компонент (например, вода) подаваемой жидкости испаряется в пузырьки 42 на границе раздела газ-жидкость ванны 24 и пузырьков 42. Пузырьки 42 поднимаются вверх через ванну 24, получая тепловую энергию и испаряемый компонент (в виде пара) из ванны 24, до момента вхождения газа-носителя в верхнюю зону 44 для газа над ванной 24 и затем выхода его через трубопровод 46 для газа в камеру 18 увлажнения второй ступени. Остальные камеры 18, 20 и 22 увлажнения по конструкции и работе аналогичны или тождественны камере 16 увлажнения первой ступени; и ванна 24 в каждой из камер 16, 18, 20 и 22 увлажнения может иметь ширину (w), значительно превышающую (например, по меньшей мере в два раза больше) ее высоту (h) для повышения эффективности испарения и переноса испаряемого компонента в газ-носитель. Падение давления на стороне газа-носителя (нижней стороне) тарельчатого барботера 40 в значительной степени зависит от высоты ванны 24, потому что воздух должен преодолеть гидростатическую высоту ванны 24 для исключения возможности «просачивания» жидкости, содержащейся в ванне, через тарельчатый барботер 40 в ступень, расположенную ниже. Основное преимущество малой высоты ванны 24, следовательно, заключается в меньшем потреблении энергии в устройстве для подачи воздуха (воздуходувке) 34 из-за более низкого падения давления. Поддержание малой высоты ванны в данном случае целесообразно также потому, что характеристический размер теплопередачи составляет величину порядка нескольких миллиметров.
На фиг. 3 представлен вариант осуществления, в котором многоступенчатый барботажный колонный увлажнитель 12 и осушитель 48 расположены друг над другом. В этом варианте осуществления увлажнитель 12 включает четыре ступени 16, 18, 20 и 22 и работает так, как описано в вариантах осуществления, описанных выше. Однако здесь осушенный газ-носитель 66 из камеры 22 увлажнения четвертой ступени подается насосом из камеры 22 увлажнения четвертой ступени в камеру 50 осушения первой ступени осушителя 48. Осушитель 48 может иметь такую же или в основном такую же конструкцию, как и многоступенчатый барботажный колонный осушитель по заявке на патент США №13/241907. Ванны 58 в камерах 50, 52, 54 и 56 осушения могут быть образованы из жидкости такого же композиционного состава (например, воды), что и компонент, испаряемый из подаваемой жидкости в увлажнителе 12.
У камер 50, 52, 54 и 56 осушения температура ванны 58 в камере 50 осушения первой ступени выше температуры ванны 58 в камере 52 осушения второй ступени; температура ванны 58 в камере 52 осушения второй ступени выше температуры ванны 58 в камере 54 осушения третьей ступени; и температура ванны 58 в камере 54 осушения третьей ступени выше температуры ванны 58 в камере 56 осушения четвертой ступени. Чистая конденсированная жидкость (например, жидкая вода) отводится из осушителя 48 через выпускной трубопровод 76, в который поступает конденсат из каждой из камер 50, 52, 54 и 56 осушения.
Ванны 58 могут нагреваться за счет тепловой энергии, отдаваемой увлажненным газом-носителем 66, последовательно нагнетаемым в и пропускаемым через каждую из ванн 58, где конденсируемый компонент в паровой фазе из увлажненного газа-носителя 66 конденсируется и переходит в жидкое состояние в ванны 58, по мере того как происходит последовательное охлаждение газа-носителя 66 в результате прохождения его через ступени. При этом подаваемая жидкость подается насосом из источника 14 подаваемой жидкости через трубопровод-змеевик 60, который змеевидно проходит через ванну 58 в каждой ступени; тепловая энергия поступает из ванн 58 через трубопровод 60 в подаваемую жидкость для постепенного предварительного нагрева подаваемой жидкости по пути в нагреватель 62, который нагнетает подаваемой жидкости дополнительную тепловую энергию, вызывая повышение ее температуры, например, до 70°C перед нагнетанием подаваемой жидкости в камеру 22 увлажнения четвертой ступени для образования в ней ванны 24.
В варианте осуществления по фиг. 4 устройство содержит также трубопроводы 72 и 74 для многократного отбора, проходящие между промежуточными местоположениями (то есть местоположениями, находящимися между начальной и конечной камерами) в многоступенчатом увлажнителе 12 и осушителе 48. Трубопровод 74 отбирает часть остатка подаваемой жидкости из трубопровода 26, ведущего из четвертой ступени в третью ступень (хотя он может также и/или в соответствии с другим вариантом отбирать его из трубопровода 28 или трубопровода 30), и обеспечивает рециркуляцию отобранного остатка подаваемой жидкости (при более высокой температуре) подачей его обратно в трубопровод 60 для подаваемой жидкости между ступенями (в данном случае между камерами 50 и 52 осушения первой и второй ступеней) многоступенчатого осушителя 48. При многократном отборе отбор/нагнетание подаваемой жидкости из местоположения, находящегося между ступенями барботажной(ых) колонны(н), через трубопроводы 72 способствует достижению термодинамического равновесия системы при работе. Аналогично этому часть газа-носителя может быть отобрана из по меньшей мере одного промежуточного местоположения в увлажнителе 12 (в данном случае из камеры 28 увлажнения второй ступени) через трубопровод 74 и нагнетена в ступень (в данном случае в камеру 52 осушения второй ступени) многоступенчатого осушителя 12.
При описании вариантов осуществления изобретения для ясности употребляется специальная терминология. Для целей описания специальные термины имеют целью по меньшей мере включение технических и функциональных эквивалентов, которые действуют аналогичным образом для достижения аналогичного результата. Следует добавить, что в некоторых случаях, где конкретный вариант осуществления изобретения включает ряд элементов системы или этапов способа, эти элементы или этапы могут быть заменены на один элемент или этап; точно так же один элемент или этап может быть заменен на ряд элементов или этапов, которые служат для той же цели. К тому же, там, где в данном описании изобретения для вариантов осуществления изобретения указаны параметры для различных характеристик или другие значения, эти параметры или значения могут регулироваться вверх или вниз на 1/100, 1/50, 1/20, 1/10, 1/5, 1/3, 1/2, 2/3, 3/4, 4/5, 9/10, 19/20, 49/50, 99/100 и т.д. (или вверх с коэффициентом 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 20, 50, 100 и т.д.) или на их округленные приближения, если не указано иное. Кроме того, для специалистов в области техники, к которой относится изобретение, является очевидным, что конкретные варианты осуществления изобретения, на которых проиллюстрировано и описано изобретение, допускают выполнение замен и внесение изменений в форму исполнения и детали, не выходя за пределы объема изобретения. Более того, другие аспекты, функции и преимущества также находятся в пределах объема изобретения; и все варианты осуществления изобретения не обязательно должны обеспечивать все из преимуществ или обладать всеми из вышеуказанных характеристик. Следует добавить, что этапы, элементы и признаки, рассмотренные в данном описании изобретения в связи с одним вариантом осуществления изобретения, точно так же могут быть использованы в отношении других вариантов осуществления изобретения. Содержание источников информации, на которые даны ссылки, включая ссылочные тексты, журнальные статьи, патенты, заявки на патенты и т.д., которые цитированы в любом месте в тексте, тем самым включено путем ссылки в данное описание изобретения в полном объеме; и соответствующие компоненты, этапы и характеристики из этих ссылочных источников информации могут быть или включены или не включены в варианты осуществления изобретения. Еще следует добавить, что компоненты и этапы, указанные в разделе «Предпосылки создания изобретения», являются неотъемлемой частью данного описания изобретения и могут использоваться вместе с компонентами и этапами, описанными в другом месте в данном описании изобретения, или вместо них в пределах объема изобретения. В пунктах формулы изобретения, относящихся к способу, там, где операции изложены в определенном порядке, с добавлением или без добавления для упрощения упоминания последовательных вводных символов, операции не должны толковаться как являющиеся временно ограниченными порядком, в котором они изложены, если только не указано иное или следует из терминов и формулировки.