專利名稱：溶液分離及海水淡化的方法及其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種定溫蒸餾法，以及使用該方法的多級真空蒸餾、冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法及其設備，特別是涉及一種利用排液真空法產生的真空容器所提供的真空環境，使脫氣溶液經液氣界面或液固界面而將脫氣溶液蒸發、冷卻、及結冰的多級真空蒸餾、冷卻、結冰的溶液分離的方法以及海水淡化的方法及其設備。
背景技術：
常規的溶液分離技術，廣泛地應用于一般性的蒸餾、藥液的濃縮、或海水的淡化等領域，該技術屬于溶液的分離。
為達到上述目的而將大量的溶液利用加熱法分離時，將消耗相當的能量，且不經濟。例如，在海水的淡化中，直接加熱使溶液中的水分成為蒸氣，再以真空泵抽出蒸氣，這樣需要消耗很大的能量，并在水分分離的過程中鹽份將不斷的提高，需要不斷的能量投入才能將水分分離，此種方式很不經濟。
又，在高溫加熱過程中所產生的各種鹽結晶，于制程中將會產生結垢問題，致使凝結器的效率大為下降，造成能分離出的水分有限，不符合大量使用的需求。
由此可見，上述常規方法仍有諸多缺陷，亟待加以改良。
發明內容
首先，本發明提供一種定溫蒸餾法，其利用定溫蒸餾單元實現，所述定溫蒸餾法包括以脫氣液體實施排液真空法，來設定定溫蒸餾單元的初始狀態，使脫氣溶液、蒸氣及凝結液流經的導管、蒸發容器及凝結器產生真空并密閉；將壓力調節閥關閉，在真空的蒸發容器內注入脫氣溶液達適當高度；設定蒸發容器的真空蒸餾的溫度，使脫氣溶液在真空蒸餾的溫度下進行沸騰蒸發，所述溫度低于脫氣溶液及熱循環溶液流入蒸發容器及液氣界面的溫度；使蒸發及凝結的熱循環維持平衡，且回收蒸發熱及凝結液。其中，脫氣溶液可以為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
同時，本發明提供一種實施定溫蒸餾法的定溫蒸餾單元，所述定溫蒸餾單元是真空冷卻的定溫蒸餾單元，其包括一個蒸發容器，所述蒸發容器以一凝結導管與凝結器連接，使產生的蒸氣導入凝結器內；一個壓力調節閥，設于凝結導管的適當位置，當蒸發容器在所述設定的真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓下，控制蒸發容器的蒸氣的排出量，并維持蒸發容器內的壓力；一個凝結器，所述凝結器以回收蒸發熱的熱循環溶液，經導管及控制閥門，以相同流量流入及流出凝結器內，吸收蒸發容器產生的蒸氣的蒸發熱，以提高其溫度，并凝結蒸氣為凝結液，最后凝結液排入真空容器內而回收；利用低位容器及其附件，在適當高度差下，使脫氣溶液、蒸氣及凝結液流經的導管、蒸發容器及凝結器產生真空的多個導管及控制閥門；其中，一定溫度的脫氣溶液經導管及其控制閥門各以一定流量流入及流出所述蒸發容器。
所述定溫蒸餾單元還可以進一步包括一個液氣界面，所述液氣界面設于蒸發容器內，提供蒸發熱的熱循環溶液經由導管及其控制閥門，以相同流量流入及流出液氣界面，并透過液氣界面的熱質傳導，使蒸發容器內的脫氣溶液蒸發，這樣，該定溫蒸餾單元構成一個真空蒸餾的定溫蒸餾單元。
本發明的目的在于溶質濃縮。在不耗費過多能源及使用較低的溫度范圍的原則下，利用多級真空蒸餾裝置，以脫氣液體實施排液真空法，使蒸發容器產生真空，因真空蒸餾的溫度及壓力的使用范圍增大，所以真空蒸餾的級數得以增加，配合定溫蒸餾法、溶液的傳遞、及熱循環溶液的再生，使溶液得以分離及回收一定的能量作重復性地使用，依熱循環溶液的溫度梯度而設定各級真空蒸餾的溫度，使脫氣溶液的分離成一多級真空蒸餾，則單位能量分離的溶液得以提高，其排出的低溫的濃溶液以真空冷凍干燥法作進一步的溶質濃縮。
本發明的次一目是在降低海水淡化的成本。因溫度及壓力的使用范圍增大，有助于增加真空蒸餾的級數，進而增加水的產出量，另一方面，因為水的蒸發熱約為凝固熱的7倍，所以結冰法消耗較少能量而產生相同的成品水，多級真空結冰產生的低溫濃海水及融化的冰晶可有效降低多級真空蒸餾最后一級排出的熱循環溶液的溫度，使真空蒸餾的級數增加，增加水的產出量，最后，低溫的熱循環溶液依級數遞減的方式回收蒸發熱，使一定的能量作重復性地使用，多級真空結冰所需的低溫海水是來自多級真空冷卻的最后一級，而多級真空結冰產生的冰晶是由多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣來融化，因此結合多級真空蒸餾、多級真空冷卻、及多級真空結冰可有效降低海水淡化的成本。
本發明的另一目的是在降低建廠的土地成本。多級真空蒸餾、多級真空冷卻、及多級真空結冰的脫氣溶液、蒸氣、和凝結液流經的導管、蒸發容器、凝結器、及結冰容器是利用排液真空法使其產生真空，排液真空法是利用拖里切利的壓力支撐液體高度的真空原理，因此第一級的蒸發容器或結冰容器疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀，以增加低位容器及其附件與蒸發容器或結冰容器的高度差，因此降低建廠使用的土地面積，并降低產生真空所需的能量。塔狀的多級真空蒸餾、多級真空冷卻、及多級真空結冰使熱循環溶液、溶液(海水)、及凝結的成品水皆不斷的流動，可減少泵的使用量，并減少結垢及腐蝕。
可達成上述發明目的的多級真空蒸餾、冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化的方法及其設備，是由多級真空蒸餾裝置、多級真空冷卻裝置、及多級真空結冰裝置所組成，本發明提供了一種實施多級真空蒸餾的溶液分離法的多級真空蒸餾裝置，其包括前置處理設備，是將脫氣溶液及熱循環溶液各別加熱至一設定溫度的加熱器；多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元以塔狀的方式互相堆棧而成，第一級疊于第二級上，第二級疊于第三級的上，以此互相堆棧成一塔狀，其對應的流入及流出的導管相互連接；后置處理設備，包括回收凝結液及濃溶液的真空容器、降低最后一級流出的熱循環溶液的溫度的熱交換器、保持回收凝結液的真空容器的溫度的熱交換器、多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元所共享的一個低位容器及其附件，以便產生真空、及熱循環溶液的循環泵。
多級真空蒸餾裝置在設定成初始狀態下，配合定溫蒸餾法、溶液的傳遞、及熱循環溶液的再生，而將溶液分離，依熱循環溶液的溫度梯度而設定各級真空蒸餾的溫度，使溶液的分離成多級真空蒸餾，當降低最后一級流出的熱循環溶液的溫度后，再依級數遞減的方式，連續流入級流出各級的凝結器，以回收蒸發熱，使其溫度隨級數遞減而遞增，以回收一定的能量作重復性地使用，為了使真空蒸餾的級數增加，進而使單位能量分離的溶液得以提高，則增大熱循環溶液的溫度的使用范圍，也就是多級真空蒸餾的最后一級流出的熱循環溶液的溫度愈低，則多級真空蒸餾的級數愈多，因此必需要以更低溫的溶液來降低最后一級流出的熱循環溶液的溫度，才能使蒸發與凝結的熱循環維持平衡，因此利用多級真空冷卻及多級真空結冰作為多級真空蒸餾的輔助，當多級真空冷卻裝置及多級真空結冰裝置在設定成初始狀態下，配合定溫蒸餾法、溶液的傳遞、及排液真空結冰法、而將溶液作結冰分離，多級真空冷卻是利用真空的蒸發冷卻作用，使溶液的溫度降低，以作為多級真空結冰的低溫溶液、及節省預冷的成本，多級真空結冰所需的融化冰晶的凝固熱是來自多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣，或冷凝器排出的熱能，而多級真空結冰產生的低溫濃溶液及融化的冰晶可用來降低多級真空蒸餾的最后一級流出的熱循環溶液的溫度，因此多級真空蒸餾及多級真空冷卻可與多級真空結冰結合成一溶液分離的方法，以作為海水淡化及溶質濃縮的方法。
以脫氣液體實施排液真空法，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流經的導管、蒸發容器、結冰容器、及凝結器產生真空，其壓力為使用該液體的溫度的飽和蒸氣壓力與非常少量的空氣壓力的和，利用液體沸點隨壓力增加而增加的定溫蒸餾法，可分級使用熱循環溶液的溫度梯度，使其成為多級真空蒸餾，其蒸餾溫度及壓力隨級數遞增而遞減，因此增加傳熱面積及凝結液，一定溫度的熱循環溶液，依級數遞增方式，連續流入及流出各級的蒸發容器的液氣界面，提供蒸發熱使脫氣溶液蒸發，當降低其最后一級排出的熱循環溶液的溫度后，依級數遞減方式，連續流入及流出各級的凝結器，以回收蒸發熱，并將蒸氣凝結為液體，其溫度隨級數遞減而遞增，使一定能量作重復性地使用，最后流至熱循環溶液的加熱器內，加熱至設定的溫度，完成一次循環程序，因為每一級的蒸發容器與凝結器的溫度差造成壓力差，使蒸發容器產生的蒸氣往凝結器流動，當凝結器的溫度持續低于蒸發容器的溫度，則凝結器持續的將蒸氣凝結為液體，其凝結液及蒸氣匯集流入下一級的較低溫、低壓的凝結器繼續作降溫及凝結，最后凝結液以保持低溫的真空容器收集，所以蒸發及凝結的熱循環能維持平衡，脫氣溶液依級數遞增方式，連續流入及流出各級的蒸發容器，其最后一級排出的濃溶液可利用真空冷凍干燥法作進一步的溶質濃縮。
多級真空冷卻是利用真空的蒸發冷卻原理降低溶液的溫度，以作為多級真空結冰的低溫溶液，配合定溫蒸餾法，常溫的脫氣溶液依級數遞增方式，連續流入及流出各級蒸發容器，因此其溫度隨級數遞增而遞減，多級真空冷卻產生的蒸氣可用來融化多級真空結冰產生的冰晶。其中，脫氣溶液可以為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
多級真空結冰所需的低溫溶液是來自多級真空冷卻，配合溶液的傳遞、排液真空結冰法、及冷凝器的排熱，使結冰容器產生冰晶，而多級真空結冰所排出的低溫的濃溶液及融化的冰晶，可用來降低多級真空蒸餾的最后一級流出的熱循環溶液的溫度，并可用來穩定回收凝結液的真空容器的溫度，使蒸發及凝結的熱循環維持平衡，而多級真空蒸餾及多級真空冷卻所產生的蒸氣，將可導入多級真空結冰的結冰容器內以融化冰晶，其低溫的濃溶液與融化冰晶以真空容器回收。
為了提高熱效率及凝結液的產量，多級真空結冰與多級真空蒸餾及多級真空冷卻結合的優點如下1.因為多級真空結冰產生的低溫濃溶液及融化的冰晶，可用來降低多級真空蒸餾最后一級流出的熱循環溶液的溫度、及保持回收凝結液的真空容器的溫度，增加熱循環溶液使用溫度的范圍，所以提高多級真空蒸餾的級數，進而提高凝結液的產量；2.多級真空結冰所需低溫的脫氣溶液是來自多級真空冷卻最后一級流出的溶液，減少預冷的成本；3.多級真空結冰所需的融化冰晶的凝固熱，是來自多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣；4.多級真空蒸餾、多級真空冷卻、及多級真空結冰可共享產生真空的低位容器及其附件；因此多級真空蒸餾及多級真空冷卻可與多級真空結冰結合成一溶液分離的方法，以作為海水淡化及溶質濃縮的方法。
本發明提供一種實施多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的多級真空冷卻裝置，所述多級真空冷卻裝置是以多個真空冷卻的定溫蒸餾單元以塔狀的方式互相堆棧而成，第一級疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀，其對應的流入及流出的導管相互連接，多個真空冷卻的定溫蒸餾單元共享一個低位容器及其附件，以產生真空。
本發明還提供一種實施多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的多級真空結冰裝置，所述多級真空結冰裝置是由多個結冰容器以塔狀的方式互相堆棧，第一級疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀；所述多級真空結冰裝置還包括作為熱質傳遞設置于結冰容器內的一個液固界面，以冷凝器使溶液的凝固熱及蒸發熱排出；多個導管及其控制閥門與多級真空蒸餾裝置和多級真空冷卻裝置連接，使產生的蒸氣流入每一級的結冰容器內；配合低位容器及其附件，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流經的導管、結冰容器產生真空的多個導管及控制閥門；回收融化的冰晶及低溫濃溶液的真空容器。
本發明所提供的多級真空蒸餾、冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化的方法及其設備，與其它常規技術相互比較時，具有下列的優點一、本發明所使用的加熱器的熱源，可為低溫的廢余熱或太陽能；二、借助脫氣液體實施排液真空法，使蒸發容器產生真空，其壓力為使用該液體的飽和蒸氣壓及非常少量的空氣壓力的和，因此可提高真空蒸餾的級數；三、依排液真空法產生真空的原理，因此第一級蒸發容器疊于第二級蒸發容器之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀，成一多級真空蒸餾或多級真空冷卻的裝置，因此減少使用土地的面積；四、堆棧成塔狀的多個蒸發容器使脫氣溶液、熱循環溶液及凝結的蒸餾水皆不斷的流動，且工作溫度依級數遞增而遞減，可減少泵的使用量，并減少結垢及腐蝕；五、熱循環溶液提供脫氣溶液的蒸發熱及回收蒸發熱，可將一定的能量作重復使用；六、多級真空冷卻裝置提供排液真空結冰裝置所使用的低溫的脫氣溶液，可節省預冷的成本；七、排液真空結冰裝置所排出的低溫的濃溶液及融化的冰晶，可降低多級真空蒸餾最后一級流出的熱循環溶液的溫度，提高多級真空蒸餾的級數。
參閱以下有關本發明優選實施例的詳細說明及其附圖，將可進一步了解本發明的技術內容及其目的功效；有關附圖為圖1為本發明的真空蒸餾的定溫蒸餾單元實施定溫蒸餾法的示意圖；圖2為本發明的多級真空蒸餾裝置實施多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法的配置示意圖；圖3為本發明的多級真空冷卻裝置及多級真空結冰裝置實施多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的配置示意圖。
具體實施例方式
請參閱圖1，圖1為本發明的真空蒸餾的定溫蒸餾單元實施定溫蒸餾法的示意圖，定溫蒸餾法是利用液體沸點隨壓力增加而增加，及真空的溫度差造成飽和蒸氣的壓力差的原理，利用真空蒸餾的定溫蒸餾單元，使脫氣溶液在真空的蒸發容器內，在一設定的溫度下持續沸騰蒸發而不改變蒸發容器的壓力，使蒸發及凝結的熱循環維持平衡的方法。其中，脫氣溶液可以為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
如圖1所示，真空蒸餾的定溫蒸餾單元是由一個蒸發容器21、一個流量調節閥22、一個凝結器4、一個液氣界面211、一個凝結導管a、及多個導管b、c、e、f、g、h、i、j、k、l和控制閥門23、24、25、26、27、28、29、30組合而成，蒸發容器21以一凝結導管a與凝結器4連接，使其產生的蒸氣導入凝結器4內，流量調節閥22設于凝結導管a的適當位置，當蒸發容器21在該設定的真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓下，控制蒸發容器21產生的蒸氣，經由凝結導管a排入凝結器4內，并維持蒸發容器21內的壓力；凝結器4以回收蒸發熱的熱循環溶液，經導管g、h，以相同流量流入及流出凝結器4，吸收蒸發容器21產生的蒸氣的蒸發熱，以提高其溫度，并凝結蒸氣為凝結液，最后凝結液排入真空容器8內而回收；以一定溫度的脫氣溶液，經由導管i、j及其控制閥門23、24，各以一定流量流入及流出蒸發容器21，液氣界面211設于蒸發容器21內，提供蒸發熱的熱循環溶液經由導管b、c，以相同流量流入及流出液氣界面211，并透過液氣界面211的熱質傳導，使蒸發容器21內的脫氣溶液蒸發，提供蒸發熱的熱循環溶液的溫度高于回收蒸發熱的熱循環溶液的溫度，因此蒸發容器21的工作溫度高于凝結器4的工作溫度，其溫度差造成飽和蒸氣的壓力差，驅使蒸發容器21產生的蒸氣往凝結器4流動，使蒸發及凝結的熱循環維持平衡，導管i及其控制閥門23連接上一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元或脫氣溶液的加熱器，導管j及其控制閥門24連接下一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元或真空容器9，其功能如同導管i及其控制閥門23，使脫氣溶液流入下一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元，導管e及其控制閥門25連接上一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元，若沒上一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元，則在實施排液真空法時，作為排氣用，導管f及其控制閥門26連接下一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元或真空容器8，其功能如同導管e及其控制閥門25，使蒸氣及凝結液流入下一級真空蒸餾的定溫蒸餾單元、導管b、h連接上一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元或熱循環溶液的加熱器，導管c、g連接下一級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元或熱交換器以降低其溫度，控制閥門27、30為防止其它級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元產生真空時，造成脫氣液體逆流入蒸發容器21及凝結器4內，所以蒸發容器21以排液真空法產生真空后，關閉控制閥門27、30使其密閉。
如圖1所示，真空蒸餾的定溫蒸餾單元的初始狀態是以脫氣液體實施排液真空法(請參考中國第02106683.3號，題為“具多用途密閉式洗凈真空干燥的方法及裝置”的專利申請)，使脫氣溶液、蒸氣、和凝結液流經的導管a、e、f、i、j、蒸發容器21、凝結器4產生真空，低位容器3及其附件以導管k、l及其控制閥門27、28、29、30各與導管j、f相連，在適當高度差下，實施排液真空法而產生真空，當控制閥門24、26關閉后，脫氣液體注滿蒸發容器21、凝結器4、及導管a、e、f、i、j、k、l，關閉控制閥門23、25，調整低位容器3內的壓力，開始實施排液真空法，最后，將流量調節閥22關閉，控制閥門27、30關閉，并在真空的蒸發容器21內注入脫氣溶液達適當高度，并設定蒸發容器21的真空蒸餾的溫度，其溫度低于脫氣溶液及熱循環溶液流入蒸發容器21及液氣界面211的溫度，若脫氣液體與脫氣溶液為相同的液體，則實施排液真空法時，使蒸發容器21的部份體積產生真空即可。
定溫蒸餾法在適當的液氣界面211的條件下，其蒸發量依脫氣溶液及熱循環溶液的流量、及流入與流出的溫度差而定，如圖所示，當脫氣溶液及熱循環溶液持續流入及流出蒸發容器21及其液氣界面211時，蒸發容器21持續產生蒸氣，并達該設定的真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓時，打開流量調節閥22使蒸發容器21產生的蒸氣排入凝結器4內，當凝結器4持續的將蒸氣凝結為液體，流量調節閥22必須維持蒸發容器21內壓力的穩定，同時依脫氣溶液或熱循環溶液流出的溫度來調整流量調節閥22，當流出的溫度低于真空蒸餾的溫度，調整流量調節閥22，減少蒸氣的排出量，當流出的溫度高于真空蒸餾的溫度，調整流量調節閥22，增加蒸氣的排出。
若真空蒸餾的定溫蒸餾單元去除提供蒸發熱的熱循環溶液的液氣界面211及其導管b、c，則成為真空冷卻的定溫蒸餾單元；其脫氣溶液以自身的溫度作為熱源，當脫氣溶液蒸發時，脫氣溶液的溫度降低，形成真空冷卻的作用，真空冷卻的定溫蒸餾單元的初始狀態如同真空蒸餾的定溫蒸餾單元的初始狀態。
在真空蒸餾或真空冷卻的過程中，殘留在脫氣溶液的空氣會持續累積在脫氣溶液、蒸氣、和凝結液流經的導管a、e、f、i、j、蒸發容器21、凝結器4內，若其壓力影響脫氣溶液的真空蒸餾的溫度時，應再次以脫氣溶液實施真空蒸餾或真空冷卻的定溫蒸餾單元的初始狀態，使其恢復真空度，因此脫氣愈完全的溶液，可減少實施初始狀態的次數。
請參閱圖2，圖2為本發明的多級真空蒸餾裝置實施多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法的配置示意圖，如圖2所示，本發明多級真空蒸餾裝置1包括一前置處理設備，是將去除雜質及脫氣的溶液、及熱循環溶液分別加熱至一設定溫度的加熱器12，13；多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元2，所述多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元2以塔狀的方式互相堆棧成一多級真空蒸餾裝置1，第一級疊于第二級上，第二級疊于第三級的上，以此互相堆棧成一塔狀，其對應的流入及流出的導管c相互連接，多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元2共享一個低位容器3及其附件，以產生真空；一后置處理設備，包括回收凝結液及濃溶液的真空容器8，9、降低最后一級排出的熱循環溶液的溫度的熱交換器51、保持回收凝結液的真空容器8的溫度的熱交換器52、多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元2所共享的一個低位容器3及其附件、及熱循環溶液的循環泵53。
如圖2所示，多級真空蒸餾裝置1的初始狀態是依級數遞減的方式，逐級實施真空蒸餾的定溫蒸餾單元2的初始狀態，依脫氣溶液的液氣平衡曲線，設定熱循環溶液的溫度梯度，再依熱循環溶液的溫度梯度，設定每一級真空蒸餾的溫度，其溫度隨級數遞增而遞減，因此真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓隨級數遞增而遞減。其中，脫氣溶液可以為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
如圖2所示，其溶液的傳遞是以加熱至設定溫度的脫氣溶液，依級數遞增的方式，各以一定流量，連續流入及流出各級的蒸發容器21，隨著脫氣溶液的蒸發，其濃度隨級數遞增而增加，或析出結晶，最后一級排出的濃溶液，以真空容器9回收，其濃溶液可利用真空冷凍干燥法作進一步的溶質濃縮，若蒸發容器21有結晶析出時，則在流入下一級的蒸發容器21前，先濾出結晶物，其結晶物以真空容器回收，而溶解在脫氣溶液的殘留空氣會持續累積在真空蒸餾的定溫蒸餾單元2內，并影響脫氣溶液的真空蒸餾的溫度時，尤其是第一、二級的真空蒸餾的定溫蒸餾單元2，應再次以脫氣溶液實施真空蒸餾的定溫蒸餾單元2的初始狀態，使其恢復真空度，因此接近完全脫氣的溶液，可減少實施真空蒸餾的定溫蒸餾單元2的初始狀態的次數。
如圖2所示，熱循環溶液的再生是以加熱至設定溫度的熱循環溶液，依級數遞增的方式，以相同流量，連續流入及流出各級的液氣界面211，提供脫氣溶液的蒸發熱，其溫度隨級數遞增而遞減，最后一級排出的熱循環溶液，以熱交換器51降低其溫度，再以循環泵53作功，依級數遞減的方式，使其連續流入及流出各級的凝結器4，以吸收蒸發熱，并將蒸氣凝結為凝結液，其溫度隨級數遞減而遞增，最后回流入熱循環溶液的加熱器13內；為了回收一定的能量，作重復性地使用，所以熱循環溶液的循環方式為A.加熱至一設定溫度；B.提供蒸發熱，其溫度依級數遞增而遞減；C.降低溫度；D.回收蒸發熱，其溫度依級數遞減而遞增；若最后一級流出的溫度低于常溫，多級真空蒸餾可與多級真空冷卻、結冰結合，熱循環溶液以多級真空冷卻、結冰產生的低溫的濃溶液及融化的冰晶降低其溫度；若最后一級流出的溫度高于常溫，則以常溫液體降低熱循環溶液的溫度。
提供蒸發熱的熱循環溶液的溫度梯度是依脫氣溶液的液氣平衡曲線而設定的，依此設定每一級真空蒸餾使用的溫度，因使用的溫度范圍不重疊，所以熱循環溶液流經每一級真空蒸餾所形成的溫度曲線為梯型曲線，這就是熱循環溶液的溫度梯度。
請參閱圖3，圖3為本發明的多級真空冷卻裝置及多級真空結冰裝置實施多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的配置示意圖，所述多級真空冷卻、結冰的溶液分離法，是利用結冰及融化的方法，產生凝結液，并可用來輔助多級真空蒸餾，使其增大熱循環溶液的溫度的使用范圍，進而增加級數，及增加凝結液的產量及熱效率，同時使整體的凝結液產出更多，多級真空冷卻裝置的最后一級流出的低溫溶液導入初級的多級真空結冰裝置內，可節省預冷的能量，配合溶液的傳遞、定溫蒸餾法、排液真空結冰法，使脫氣溶液產生冰晶，其脫氣溶液的濃度隨真空結冰的級數遞增而遞增，因此其溫度隨級數遞增而遞減。其中，脫氣溶液可以為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
如圖3所示，多級真空冷卻裝置6，是由多個真空冷卻的定溫蒸餾單元61以塔狀的方式互相堆棧而成一多級的真空冷卻裝置6，其對應的流入及流出的導管相互連接，以脫氣溶液自身的溫度作真空的蒸發冷卻，常溫的脫氣溶液依級數遞增的方式，連續流入及流出各級蒸發容器611，配合定溫蒸餾法，脫氣溶液的溫度隨級數遞增而遞減，但其濃度沒有明顯的改變，最后一級流出的脫氣溶液的溫度接近結冰的溫度，鄉個真空冷卻的定溫蒸餾單元61共享一個低位容器3a及其附件，當結冰容器71產生冰晶后，其溫度低于蒸發容器611的溫度，因此蒸發容器611產生的蒸氣可順利導入結冰容器71內，并融化冰晶。
如圖3所示，多級真空結冰裝置7，是由多個結冰容器71以塔狀的方式互相堆棧而成，結冰容器71內設一液固界面711，利用冷凝器72透過液固界面711的熱質傳遞，使脫氣溶液的凝固熱排出，利用導管5與多級真空蒸餾裝置連接，使多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣分別流入每一級的結冰容器71內，與多級真空冷卻裝置6共享一個低位容器3a及其附件，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流動的導管及結冰容器71產生真空，排液真空結冰法產生的融化的冰晶及低溫的濃溶液以真空容器10、11回收，并可用來降低多級真空蒸餾最后一級排出的熱循環溶液的溫度，及保持其回收凝結液的的溫度。
如圖3所示，多級真空結冰裝置7的初始狀態是依級數遞減的方式，逐級以脫氣液體實施排液真空法，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流經的導管、及結冰容器71產生真空，并避免脫氣液體回流，多級真空冷卻裝置6的初始狀態是依級數遞減的方式，逐級實施真空冷卻的定溫蒸餾單元61的初始狀態，然后設定每一級真空冷卻的蒸餾溫度，其溫度隨級數遞增而遞減，因此真空冷卻的蒸餾壓力隨級數遞增而遞減。
排液真空結冰法是以冷凝器72排熱及排液真空的下落液膜的結冰方式使脫氣溶液在液固界面711形成組成較均勻的冰晶，如圖3所示，是以多級真空冷卻最后一級流出的低溫的脫氣溶液注滿第一級的真空的結冰容器71，結冰容器71內提供液固界面711供冰晶形成，利用冷凝器72及液固界面711的熱質傳遞，將結冰容器71內的凝固熱及蒸發熱排出，并以排液真空法逐漸將脫氣溶液排出，其脫氣溶液流入第二級，第二級流入第三級，則最后一級的脫氣溶液流入真空容器11，結冰容器71的液面高度隨脫氣溶液的排出而逐漸降低，因此其產生的真空體積逐漸增加，由于冷凝器72的排熱，如同下落液膜結冰方式使液相的脫氣溶液在液固界面711形成組成較均勻的冰晶，同時結冰容器71內產生真空的體積逐漸增加，由于冷凝器72持續的排熱，使真空的體積的壓力比平衡蒸氣壓低，則脫氣溶液表面會開始蒸發，由于蒸發吸熱的結果會導致剩余的母液變冷，就會因蒸發冷卻的作用而降低溫度，其水蒸氣(平衡蒸氣壓)被液固界面711的表面吸附，冷凝器72帶走水蒸氣的熱量，使水蒸氣轉為固相的冰晶，促使脫氣溶液持續蒸發，以維持其蒸氣壓的平衡，并產生更多的冰晶，逐漸變濃的母液緩慢地被排出后，真空的體積逐漸增多，促使更多質量的水蒸氣產生，加速冰晶的產生，愈來愈濃的母液排出，最后在結冰容器71內只有冰晶。
如圖3所示，溶液的傳遞依級數遞增的方式，流經每一個結冰容器71，當結冰容器71將未凝結冰晶的脫氣溶液完全排入次一級的結冰容器71后，次一級的結冰容器71才開始實施排液真空結冰法，而多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣才開始導入結冰容器71內，將冰晶融化，最后凝結液以真空容器10回收，因此多級真空結冰的冰晶的凝結與融化是非連續的，若結冰容器71有結晶析出時，則脫氣溶液在流入下一級的結冰容器71前，先濾出結晶物，其結晶物以真空容器回收，而溶解在脫氣溶液的殘留空氣會持續累積在真空冷卻的定溫蒸餾單元內，并影響脫氣溶液的真空蒸餾的溫度時，尤其是第一、二級的真空冷卻的定溫蒸餾單元，應再次以脫氣溶液實施真空冷卻的定溫蒸餾單元61的初始狀態使其恢復真空度，因此接近完全脫氣的溶液，可減少實施真空冷卻的定溫蒸餾單元的初始狀態的次數。
權利要求
1.一種定溫蒸餾法，其利用定溫蒸餾單元實現，所述定溫蒸餾法包括以脫氣液體實施排液真空法，來設定定溫蒸餾單元的初始狀態，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流經的導管、蒸發容器、及凝結器產生真空并密閉；將壓力調節閥關閉，在真空的蒸發容器內注入脫氣溶液達適當高度；設定蒸發容器的真空蒸餾的溫度，使脫氣溶液在真空蒸餾的溫度下進行沸騰蒸發，所述溫度低于脫氣溶液及熱循環溶液流入蒸發容器及液氣界面的溫度；使蒸發及凝結的熱循環維持平衡，且回收蒸發熱及凝結液；其中當脫氣溶液及提供蒸發熱的熱循環溶液持續流入及流出蒸發容器及液氣界面時，蒸發容器持續產生蒸氣并達該真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓力時，打開流量調節閥使蒸發容器產生的蒸氣排入凝結器內，并使蒸發容器內的壓力維持穩定，若脫氣溶液或提供蒸發熱的熱循環溶液的流出的溫度低于真空蒸餾的溫度，調整流量調節閥，減少蒸氣的排出量，若其溫度高于真空蒸餾的溫度，調整流量調節閥，增加蒸氣的排出。
2.如權利要求1所述的定溫蒸餾法，其中該蒸發及凝結的熱循環維持平衡時，蒸發熱的熱循環溶液的溫度高于回收蒸發熱的熱循環溶液的溫度，因此蒸發容器的工作溫度高于凝結器的工作溫度。
3.如權利要求1所述的定溫蒸餾法，當該脫氣液體與脫氣溶液為相同的液體時，則實施排液真空法，使蒸發容器的部份體積產生真空。
4.如權利要求1所述的定溫蒸餾法，當殘留在脫氣溶液的空氣持續累積在脫氣溶液、蒸氣、和凝結液流經的導管、蒸發容器、凝結器內，且其壓力影響脫氣溶液的真空蒸餾的溫度時，再次以脫氣溶液實施定溫蒸餾單元的初始狀態，使其恢復真空度。
5.如權利要求1至4中任一項所述的定溫蒸餾法，其中所述脫氣溶液為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
6.如權利要求1至4中任一項所述的定溫蒸餾法，其中所述定溫蒸餾單元為真空蒸餾的定溫蒸餾單元或真空冷卻的定溫蒸餾單元。
7.一種實施如權利要求1至6中任一項所述的定溫蒸餾法的定溫蒸餾單元，其中所述定溫蒸餾單元是真空冷卻的定溫蒸餾單元，其包括一個蒸發容器，所述蒸發容器以一凝結導管與凝結器連接，使產生的蒸氣導入凝結器內；一個壓力調節閥，設于凝結導管的適當位置，當蒸發容器在所述設定的真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓下，控制蒸發容器的蒸氣的排出量，并維持蒸發容器內的壓力；一個凝結器，所述凝結器以回收蒸發熱的熱循環溶液，經導管及控制閥門，以相同流量流入及流出凝結器內，吸收蒸發容器產生的蒸氣的蒸發熱，以提高其溫度，并凝結蒸氣為凝結液，最后凝結液排入真空容器內而回收；利用低位容器及其附件，在適當高度差下，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流動的導管、蒸發容器、及凝結器產生真空的多個導管及控制閥門；其中，一定溫度的脫氣溶液經導管及其控制閥門各以一定流量流入及流出所述蒸發容器。
8.如權利要求7所述的定溫蒸餾單元，其進一步包括一個液氣界面，所述液氣界面設于蒸發容器內，提供蒸發熱的熱循環溶液經由導管及其控制閥門，以相同流量流入及流出液氣界面，并透過液氣界面的熱質傳導，使蒸發容器內的脫氣溶液蒸發，該定溫蒸餾單元構成一個真空蒸餾的定溫蒸餾單元。
9.一種多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其利用塔狀的多級真空蒸餾裝置實現，該方法包括將多級真空蒸餾裝置設定成初始狀態；配合定溫蒸餾法、溶液的傳遞、及熱循環溶液的再生，使溶液得以分離及回收一定的能量作重復性地使用；依熱循環溶液的溫度梯度而設定各級真空蒸餾的溫度，使溶液的分離成為多級真空蒸餾；其中真空蒸餾的溫度及壓力隨級數遞增而遞減，因真空蒸餾的溫度及壓力的使用范圍增大，所以級數得以增加，則單位能量分離的溶液得以提高。
10.如權利要求9所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其中所述多級真空蒸餾裝置的初始狀態，是依級數遞減的方式、逐級實施真空蒸餾的定溫蒸餾單元的初始狀態，依熱循環溶液的溫度梯度，設定每一級的真空蒸餾的溫度，其溫度隨級數遞增而遞減，因此真空蒸餾的溫度的飽和蒸氣壓隨級數遞增而遞減。
11.如權利要求9所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其中溶液的傳遞是以加熱至適當溫度的脫氣溶液，依級數遞增方式，各以一定流量，連續流入及流出各級的蒸發容器，隨著脫氣溶液的蒸發，其濃度隨級數遞增而增加，或析出結晶，最后一級排出的為濃溶液，以真空容器回收，其濃溶液可利用真空冷凍干燥法作進一步的溶質濃縮，若蒸發容器有結晶析出時，則脫氣溶液在流入下一級的蒸發容器前，先濾出結晶物，其結晶物以真空容器回收。
12.如權利要求9所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其中熱循環溶液的再生是以加熱至設定溫度的熱循環溶液，依級數遞增方式，以相同流量，連續流入及流出各級的液氣界面，提供脫氣溶液的蒸發熱，其溫度隨級數遞增而遞減，最后一級排出的熱循環溶液，以熱交換器降低其溫度，再以循環泵作功，依級數遞減的方式，連續流入及流出各級的凝結器，以吸收蒸發熱，并將蒸氣凝結為凝結液，其溫度隨級數遞減而遞增，最后回流入熱循環溶液的加熱器內。
13.如權利要求9所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其中熱循環溶液的溫度梯度是依脫氣溶液的液氣平衡曲線而設定的，再依熱循環溶液的溫度梯度設定每一級真空蒸餾使用的溫度，因使用的溫度范圍不重疊，所以熱循環溶液流經每一級真空蒸餾所形成的溫度曲線為梯型曲線，即為熱循環溶液的溫度梯度。
14.如權利要求9至13中任一項所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法，其中所述脫氣溶液為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
15.一種實施如權利要求9至14中任一項所述的多級真空蒸餾的溶液分離及海水淡化法的多級真空蒸餾裝置，其包括前置處理設備，是將脫氣溶液及熱循環溶液各別加熱至一設定溫度的加熱器；多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元以塔狀的方式互相堆棧而成，第一級疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀，其對應的流入及流出的導管相互連接；后置處理設備，包括回收凝結液及濃溶液的真空容器、降低最后一級流出的熱循環溶液的溫度的熱交換器、保持回收凝結液的真空容器的溫度的熱交換器、多個真空蒸餾的定溫蒸餾單元所共享的一個低位容器及其附件，以便產生真空、及熱循環溶液的循環泵。
16.一種多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，該方法利用結冰及融化的方法，產生凝結液，該方法包括將塔狀的鄉級真空冷卻裝置與塔狀的多級真空結冰裝置結合，將其設定為初始狀態，配合溶液的傳遞、定溫蒸餾法、排液真空結冰法，使脫氣溶液產生冰晶，多級真空結冰所需的初始溶液是來自多級真空冷卻的最后一級流出的低溫溶液，可節省預冷的能量，多級真空結冰融化冰晶所需的凝固熱是來自多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣，或冷凝器排出的熱能，而多級真空結冰產生的低溫的濃溶液及融化的冰晶可用來降低多級真空蒸餾的最后一級流出的熱循環溶液的溫度及保持回收凝結液的真空容器的溫度，因蒸餾溫度范圍的增加，所以提高多級真空蒸餾的級數，則單位能量分離的溶液得以提高。
17.如權利要求16所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，其中該多級真空冷卻裝置的初始狀態是依級數遞減的方式，逐級實施真空冷卻的定溫蒸餾單元的初始狀態，然后設定每一級真空冷卻的溫度，其溫度隨級數遞增而遞減，因此真空冷卻的溫度的飽和蒸氣壓隨級數遞增而遞減。
18.如權利要求16所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，其中該多級真空結冰裝置的初始狀態是依級數遞減的方式，逐級以脫氣液體實施排液真空法，使脫氣溶液、冰晶融化的凝結液、及蒸氣流經的結冰容器及導管產生真空并密閉。
19.如權利要求16所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，其中溶液的傳遞是以多級真空冷卻裝置的最后一級排出的低溫溶液注滿第一級的結冰容器，以排液真空結冰法使第一級結冰容器產生冰晶，當結冰容器將未凝結冰晶的脫氣溶液完全排入下一級或真空容器后，多級真空蒸餾及多級真空冷卻產生的蒸氣才開始導入結冰容器內，將冰晶融化，最后融化的冰晶以真空容器回收，而下一級才開始實施排液真空結冰法或以真空容器回收其濃溶液，若結冰容器有結晶析出時，則脫氣溶液在流入下一級的結冰容器前，先濾出結晶物，其結晶物以真空容器回收。
20.如權利要求16所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，其中該排液真空結冰法，是以適量的低溫的溶液注入具有液固界面的真空的結冰容器內，以排液真空法將低溫溶液以適當流速排入下一級的真空結冰容器或真空容器，利用冷凝器不斷排出結冰容器內的凝固熱及蒸發熱，則溶液在液固界面的表面凝結冰晶，當結冰容器內產生的真空體積逐漸增加時，也加速冰晶的產生，最后結冰容器的液固界面為組織均勻的冰晶。
21.如權利要求16至20中任一項所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法，其中所述脫氣溶液為一般的混合溶液如廢溶液、藥液等經脫氣后得到的液體，或為海水經脫氣后得到的液體。
22.一種實施如權利要求16至21中任一項所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的多級真空冷卻裝置，所述多級真空冷卻裝置是以多個真空冷卻的定溫蒸餾單元以塔狀的方式互相堆棧而成，第一級疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀，其對應的流入及流出的導管相互連接，多個真空冷卻的定溫蒸餾單元共享一個低位容器及其附件，以產生真空。
23.一種實施如權利要求16至21中任一項所述的多級真空冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法的多級真空結冰裝置，所述多級真空結冰裝置是由多個結冰容器以塔狀的方式互相堆棧，第一級疊于第二級之上，第二級疊于第三級之上，以此互相堆棧成一塔狀；所述多級真空結冰裝置還包括作為熱質傳遞設置于結冰容器內的一個液固界面，以冷凝器使溶液的凝固熱及蒸發熱排出；多個導管及其控制閥門與多級真空蒸餾裝置和多級真空冷卻裝置連接，使產生的蒸氣流入每一級的結冰容器內；配合低位容器及其附件，使脫氣溶液、蒸氣、及凝結液流經的導管、結冰容器產生真空的多個導管及控制閥門；回收融化的冰晶及低溫濃溶液的真空容器。
全文摘要
本發明涉及一種定溫蒸餾法，使用該方法的多級真空蒸餾、冷卻、結冰的溶液分離及海水淡化法及其設備，該方法利用多級真空蒸餾裝置、多級真空冷卻裝置及多級真空結冰裝置，在初始狀態下，配合定溫蒸餾法、排液真空結冰法、溶液的傳遞、及熱循環溶液的再生，而將溶液分離，依熱循環溶液的溫度梯度而設定各級真空蒸餾的溫度，使溶液的分離成一多級真空蒸餾，并回收一定的能量作重復性地使用，為了增加真空蒸餾的級數，則降低多級真空蒸餾的最后一級流出的熱循環溶液的溫度，因此利用多級真空冷卻及多級真空結冰輔助多級真空蒸餾，使蒸發與凝結的熱循環維持平衡，本發明的方法及設備的使用可降低海水淡化的成本。
文檔編號B01D3/10GK1506314SQ0215671
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月12日 優先權日2002年12月12日
發明者周政明 申請人:周政明