多级海水冷冻淡化系统及淡化方法与流程

1.本发明涉及海水淡化领域，特别是一种冷冻融化交替运行的多级海水冷冻淡化系统。


背景技术：

2.随着经济全球化的发展和人口的快速增长，淡水资源短缺与生产生活用水之间的矛盾势必日益尖锐。由于天然淡水来源较为局限，人工淡水生产势必成为社会生产活动和大众日常用水的关键。海洋是地球上最大的水资源储备，海水淡化必然会是解决地球淡水资源短缺的关键举措。
3.海水淡化的方法主要有蒸馏法、膜法、冷冻结晶法等，其中冷冻法海水淡化是指将海水冷却后将所得冰晶从浓盐水中分离并将其融化从而得到淡水,在常压下冰的融化潜热为334kj/kg,远低于水的汽化潜热2500kj/kg，因此冷冻法在脱盐过程中需要更少的能量，除此之外，冷冻结晶法淡化海水还具有污染少、无需对海水进行预处理、腐蚀结垢轻以及适用原水浓度范围广等特点，因此冷冻法海水结晶淡化是解决水资源紧张的一条有效途径。
4.冷冻法海水淡化是利用海水冷冻成冰时发生的盐水分离现象来对海水进行淡化，具体原理是海水在冷冻过程中纯水凝结成冰晶，盐分被排除在冰晶之外，将冰晶从高浓度盐水中分离出来融化之后即可得到淡水。但该方法的局限在于海水冷冻过程中所生长出的冰晶内部可能裹挟着一部分盐胞，且在将冰晶与浓盐水分离的过程中其表面容易附着盐分，从而影响所产淡水浓度。
5.现有的利用冷冻结晶对海水的浓溶液进行分离的技术与装置大都分为以下几步：1、通过外加冷源将海水进行冷冻使其结冰；2、将所得的冰块与浓海水进行分离；3、使用已有淡水将所得冰块进行冲洗后冰块融化得到淡水。而在此过程中存在一些局限，如：(1)冷冻结冰过程结束后，需要将冰晶与浓海水分离；(2)需利用原本已有淡水对所的冰晶进行清洗，再将其融化；(3)冷冻过程中所得冰晶始终浸泡在浓海水中，则其内部必然夹杂着大量盐胞，导致融化所得水中依然存在较多盐分。目前缺乏一种可以利用冷冻结晶对海水的浓溶液进行连续分离的可靠技术与装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种多级海水冷冻淡化系统及淡化方法，采用了多级串联的待处理海水循环管路，通过对海水反复冷冻结晶、冲洗融化获得较低盐度的淡海水，实现海水浓度的连续降低，增强了海水的淡化效果，充分利用了电制冷板工作过程中所产生的冷量，节约了海水淡化成本，实现了能量的梯级高效利用。
7.本发明的技术方案是：一种多级海水冷冻淡化系统，其中，包括数级待处理海水循环管路、冷却浓海水储存罐和淡水储存罐，数级待处理海水循环管路之间串联连接，且相邻两海水管路之间通过淡水储存罐连接，各级待处理海水循环管路分别与冷却浓海水储存罐连接；
8.所述每级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器、电磁三通阀门和水泵，冷融交替式冷冻淡化器的入口处设有水泵，冷融交替式冷冻淡化器的出口处连接有电磁三通阀门，电磁三通阀门的入口端与冷融交替式冷冻淡化器的出口连接，电磁三通阀门的第一出口与冷却浓海水储存罐的进液口连接，电磁三通阀门的第二出口与淡水储存罐的进口连接，冷却浓海水储存罐的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器内的冷却水通道连通，其连接管路上设有水泵；
9.所述淡水储存罐的出口通过连接管路与下一级待处理海水循环管路连接，其连接管路上设有水泵；
10.所述冷融交替式冷冻淡化器由数个冷融交替式冷冻淡化模块并联连接而成，冷融交替式冷冻淡化模块包括外壳、制冰流道、翅片式电制冷板、布液器、集液器，外壳内设有空腔，空腔内设有数个制冰流道，制冰流道的外侧与翅片式电制冷板的制冷侧接触，翅片式电制冷板的散热侧与外壳的内表面之间形成冷却水流道，布液器设置在外壳的一端，集液器对应的设置在外壳的另一端，制冰流道的入口与布液器连接，制冰流道的出口与集液器连接。
11.本发明中，采用三级待处理海水循环管路，第一级待处理海水循环管路通过淡水储存罐ⅰ与第二级待处理海水循环管路连接，第二级待处理海水循环管路通过淡水储存罐ⅱ与第三级待处理海水循环管路连接，第一级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅰ、水泵ⅰ、电磁三通阀门ⅰ，第二级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅱ、水泵ⅱ、电磁三通阀门ⅱ，第三级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅲ、水泵ⅲ、电磁三通阀门ⅲ；
12.所述冷融交替式冷冻淡化器ⅰ的入口与水泵ⅰ连接，冷融交替式冷冻淡化器ⅰ的出口与电磁三通阀门ⅰ的入口连接，电磁三通阀门ⅰ的第一出口与冷却浓海水储存罐的进液口连接，电磁三通阀门ⅰ的第二出口与淡水储存罐ⅰ的进口连接，冷却浓海水储存罐的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅰ的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵ⅳ；
13.所述淡水储存罐ⅰ的出口与冷融交替式冷冻淡化器ⅱ的入口连接，其连接管路上设有水泵ⅱ，冷融交替式冷冻淡化器ⅱ的出口与电磁三通阀门ⅱ的入口连接，电磁三通阀门ⅱ的第一出口与冷却浓海水储存罐的进液口连接，电磁三通阀门ⅱ的第二出口与淡水储存罐ⅱ的进口连接，冷却浓海水储存罐的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅱ的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵
ⅴ
；
14.所述淡水储存罐ⅱ的出口与冷融交替式冷冻淡化器ⅲ的入口连接，其连接管路上设有水泵ⅲ，冷融交替式冷冻淡化器ⅲ的出口与电磁三通阀门ⅲ的入口连接，电磁三通阀门ⅲ的第一出口与冷却浓海水储存罐的进液口连接，冷却浓海水储存罐的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅲ的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵
ⅵ
。
15.所述外壳上设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水入口和冷却水出口均与冷却水流道连通；
16.所述冷却水入口和冷却水出口分别设置在外壳的两侧对称侧壁上。
17.所述数个并联连接的冷融交替式冷冻淡化模块的布液器之间通过布液管连接，布液管与水泵连接；数个集液器之间通过集液管连接，集液管与电磁三通阀连接；数个冷却水流道入口之间通过冷却水进液管连接，数个冷却水流道出口之间通过冷却水出液管连接；
待处理海水通过水泵和布液器均匀流入各冷融交替式冷冻淡化模块内，经翅片式电制冷板的冷冻淡化处理后通过集液器流出。
18.所述制冰流道的截面形状可以但不限于圆形、方形或者多边形、也可以采用其他形状。
19.本发明还包括一种利用上述冷融交替多级海水冷冻淡化系统淡化海水的方法，其中，该方法包括以下步骤：
20.s1.冷冻过程:
21.待处理海水在一级待处理海水循环管路中的水泵的作用下流入冷融交替式冷冻淡化器ⅰ，通过布液器使待处理海水均匀流入各冷融交替式冷冻淡化模块的制冰流道内，翅片式电制冷板启动，海水沿着制冰流道的冷却流道表面形成并生长成整块冰晶，冷冻过程中冰晶的生长作用使溶质被排放到液体侧，海水持续流入制冰流道，将此部分浓溶液持续冲刷出去，并通过电磁三通阀门ⅰ使集液器与冷却浓海水储存罐连通，将所得过冷高浓度海水不断排放至冷却浓海水储存罐，冷却浓海水储存罐内的过冷浓海水被水泵不断输送至冷融交替式冷冻淡化器ⅰ中的各冷融交替式冷冻淡化模块的冷却水入口，并在冷却水流道内持续冲刷翅片式电制冷板的散热侧，对其进行冷却，而后从冷却水出口流出；
22.s2.融化过程:
23.当整个制冰流道内部所生长的冰晶使制冰流道内部开始出现冰堵现象时，电磁三通阀门ⅰ控制翅片式电制冷板停止制冷，并阻断集液器与冷却浓海水储存罐之间的连通，使集液器与淡水储存罐之间开始连通，待处理海水持续流入制冰流道内，来流的冲刷作用将制冰流道内的冰晶融化，融化后的低浓度海水被待处理海水一起冲刷至淡水储存罐ⅰ内；
24.s3.二级待处理海水循环管路中进行海水冷冻淡化：
25.在水泵ⅱ的作用下，淡水储存罐ⅰ中的待处理海水流入二级待处理海水循环管路中的冷融交替式冷冻淡化器ⅱ，重复步骤s1的冷冻过程和步骤s2的融化过程；
26.s4.在接下来的各级待处理海水循环管路中，重复上述步骤s1的冷冻过程和步骤s2的融化过程，经过数级冷融交替处理之后，海水盐度达到所要求的标准。
27.本发明的有益效果是：
28.(1)采用了冷冻
‑
融化交替式运行方式进行海水结晶淡化，冷冻过程中，定向冰晶沿制冷壁面逐层生长，冰晶生长过程中不断将盐分排放至冰层表面，而整个过程中持续有海水流动并冲刷冰层表面，不断将析出的盐分排出，可大大降低冰晶内部夹杂的盐胞数量；融化过程中，利用来流的冲刷作用将制冰流道内部产生的冰晶融化，从而分离出低浓度海水，有效降低了海水浓度；
29.(2)采用了管式制冰流道作为海水冷冻淡化的制冷设备，应用电制冷板直接冷冻法进行渐近冷冻，冷却的海水会沿着冷却表面形成并生长成整块冰晶，该渐进式冷冻能形成一整块冰晶，使得冰晶与母液分离更彻底，冰晶内部所夹杂盐胞数量更少，可提升脱盐效果；
30.(3)冷冻过程结束过后，冰晶已充满制冰流道，无需进行冰晶与浓海水分离；
31.(4)融化过程中，可直接使用现有海水对冰晶冲刷，使冰晶融化，无需使用原有淡水；
32.(5)采用了多级串联的待处理海水循环管路，通过对海水反复冷冻结晶、冲洗融化
来获得较低盐度的淡海水，可以实现海水浓度的连续降低，增强了海水的淡化效果；
33.(6)采用了以所得低温高浓度海水作为冷却水的方式来冷却电制冷板，其实质上是利用了电制冷板工作过程中所产生的冷量降低制冷板散热端温度，是一种冷量的回收利用，节约了海水淡化成本，实现了能量的梯级高效利用。
附图说明
34.图1是本发明的循环流程图；
35.图2是冷融交替式冷冻淡化器的结构示意图；
36.图3是冷融交替式冷冻淡化模块的主视图；
37.图4是冷融交替式冷冻淡化模块的俯视图；
38.图5是冷融交替式冷冻淡化模块的左视图；
39.图6是实施例1中图3的a
‑
a向剖视图；
40.图7是实施例1中图5的b
‑
b向剖视图；
41.图8是实施例2中图3的a
‑
a向剖视图；
42.图9是实施例2中图5的b
‑
b向剖视图；
43.图10是实施例3中图3的a
‑
a向剖视图；
44.图11是实施例3中图5的b
‑
b向剖视图；。
45.图中：1冷融交替式冷冻淡化器ⅰ；2冷融交替式冷冻淡化器ⅱ；3冷融交替式冷冻淡化器ⅲ；4淡水储存罐ⅰ；5淡水储存罐ⅱ；6冷却浓海水储存罐；7水泵ⅰ；8水泵ⅱ；9水泵ⅲ；10水泵ⅳ；11水泵
ⅴ
；12水泵
ⅵ
；13电磁三通阀门ⅰ；14电磁三通阀门ⅱ；15电磁三通阀门ⅲ；16制冰流道；17翅片式电制冷板；18冷却水流道；19冷却水入口；20冷却水出口；21布液器；22集液器；23外壳。
具体实施方式
46.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
47.在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
48.本发明所述的多级海水冷冻淡化系统包括数级待处理海水循环管路、冷却浓海水储存罐6和淡水储存罐，数级待处理海水循环管路之间串联连接，且相邻两海水管路之间通过淡水储存罐连接，各级待处理海水循环管路分别与冷却浓海水储存罐6连接。每级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器、电磁三通阀门和水泵，冷融交替式冷冻淡化器的入口处设有水泵，通过水泵经待淡化的海水引入冷融交替式冷冻淡化器内，冷融交替式冷冻淡化器的出口处连接有电磁三通阀门，电磁三通阀门的入口端通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器的出口连接，电磁三通阀门的第一出口通过连接管路与冷却浓海水储存罐6的进液口连接，电磁三通阀门的第二出口通过连接管路与淡水储存罐的进口连接。冷却浓海水储存罐6的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器内的冷却水通道连通，其连接管路上设有水泵，用于将冷却浓海水储存罐6内的低温海水引入冷却水通道内。
49.在电磁三通阀门的控制作用下，海水冷冻淡化过程中产生的冷却浓海水直接进入冷却浓海水储存罐6内，被淡化后的海水直接进入下一级待处理海水循环管路中或者海水盐度达到要求标准后进入后续处理程序。淡水储存罐的出口通过连接管路与下一级待处理海水循环管路连接，淡水储存罐与下一级冷融交替式冷冻淡化器的连接管路上设有水泵，通过水泵将淡水储存罐内的海水引入冷融交替式冷冻淡化器，进行下一级的冷冻海水淡化过程。
50.本实施例中，该系统了采用了三级待处理海水循环管路，如图1所示，第一级待处理海水循环管路通过淡水储存罐ⅰ4与第二级待处理海水循环管路连接，第二级待处理海水循环管路通过淡水储存罐ⅱ5与第三级待处理海水循环管路连接。其中第一级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1、水泵ⅰ7、电磁三通阀门ⅰ13，第二级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅱ2、水泵ⅱ8、电磁三通阀门ⅱ14，第三级待处理海水循环管路包括冷融交替式冷冻淡化器ⅲ3、水泵ⅲ9、电磁三通阀门ⅲ15。冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1的入口通过连接管路与水泵ⅰ7连接，冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1的出口通过连接管路与电磁三通阀门ⅰ13的入口连接，电磁三通阀门ⅰ13的第一出口通过连接管路与冷却浓海水储存罐6的进液口连接，电磁三通阀门ⅰ13的第二出口通过连接管路与淡水储存罐ⅰ4的进口连接。冷却浓海水储存罐6的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵ⅳ10。
51.淡水储存罐ⅰ4的出口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅱ2的入口连接，其连接管路上设有水泵ⅱ8。冷融交替式冷冻淡化器ⅱ2的出口通过连接管路与电磁三通阀门ⅱ14的入口连接，电磁三通阀门ⅱ14的第一出口通过连接管路与冷却浓海水储存罐6的进液口连接，电磁三通阀门ⅱ14的第二出口通过连接管路与淡水储存罐ⅱ5的进口连接。冷却浓海水储存罐6的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅱ2的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵
ⅴ
11。
52.淡水储存罐ⅱ5的出口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅲ3的入口连接，其连接管路上设有水泵ⅲ9。冷融交替式冷冻淡化器ⅲ3的出口通过连接管路与电磁三通阀门ⅲ15的入口连接，电磁三通阀门ⅲ15的第一出口通过连接管路与冷却浓海水储存罐6的进液口连接，电磁三通阀门ⅲ15的第二出口通过连接管路将盐度达到所要求标准的海水输送至其他工序中。冷却浓海水储存罐6的出液口通过连接管路与冷融交替式冷冻淡化器ⅲ3的冷却水流道连通，其连接管路上设有水泵
ⅵ
12。
53.实际操作过程中，本系统并不局限于三级待处理海水循环管路，可进行多级串联，直至海水盐度达到所要求淡化程度。
54.冷融交替式冷冻淡化器由数个冷融交替式冷冻淡化模块并联连接而成。如图2至图5所示，冷融交替式冷冻淡化模块包括外壳23、制冰流道16、翅片式电制冷板17、布液器21、集液器22，外壳23内设有空腔，空腔内设有数个间隔设置的制冰流道16，制冰流道16的外侧与翅片式电制冷板17的制冷侧接触，翅片式电制冷板17的散热侧与外壳23的内表面之间形成冷却水流道18。布液器21设置在外壳23的一端，集液器22对应的设置在外壳23的另一端，制冰流道16的入口与布液器21连接，制冰流道16的出口与集液器22连接。
55.外壳23上设有冷却水入口19和冷却水出口20，冷却水入口19和冷却水出口20均与冷却水流道18连接，冷却浓海水储存罐6内的低温海水通过冷却水入口19流入冷却水流道
18内，随后通过冷却水出口20流出。翅片式电制冷板17工作过程中其散热侧温度升高，冷却浓海水储存罐6内的低温海水被水泵抽入冷却水流道18内，持续冲刷翅片式电制冷板17的散热侧，对其进行冷却。通过在散热侧均匀设置数个散热翅片，增大了电制冷板与冷却水的接触面积，充分降低电制冷板散热侧的温度。为了实现冷却海水的冷量被充分利用，冷却水入口19和冷却水出口20分别设置在外壳23的两侧对称侧壁上。
56.在每一个冷融交替式冷冻淡化器内，数个并联连接的冷融交替式冷冻淡化模块的布液器21之间通过一根布液管连接，布液管通过连接管路与水泵连接。数个集液器22之间通过一根集液管连接，集液管通过连接管路与电磁三通阀连接。数个冷却水流道入口19之间通过一根冷却水进液管连接，数个冷却水流道出口20之间通过一根冷却水出液管连接。待处理海水通过水泵和布液器均匀流入各冷融交替式冷冻淡化模块内，经翅片式电制冷板17的冷冻淡化处理后通过集液器22流出。
57.采用冷冻融化交替运行的方式进行海水淡化过程中，待处理海水通过布液器21持续流入冷融交替式冷冻淡化模块，在电磁三通阀门的控制作用下，启动冷冻过程，此时翅片式电制冷板持续制冷，冷融交替式冷冻淡化器与下一级淡水储存罐之间的通道关闭，冷融交替式冷冻淡化器与冷却浓海水储存罐间的连接通道开启，冷冻过程中冰晶沿过冷壁面持续生长，冰晶的生长作用会使溶质被排放到液体侧，海水持续流入制冰流道16，将此部分浓溶液持续冲刷出去，并通过电磁三通阀门13流入冷却浓海水储存罐6内，由此得到夹杂盐胞数目较少的冰晶。制冰流道16内的冰晶到达一定体积即产生冰堵现象后，再次在电磁三通阀门的控制作用下，启动融化过程，此时翅片式电制冷板停止工作，冷融交替式冷冻淡化器与冷却浓海水储存罐6之间的连接通道关闭，冷融交替式冷冻淡化器与淡水储存罐之间的通道开启，待处理海水持续流入制冰通道，来流的冲刷作用将制冰通道内的冰晶融化，并存至淡水储存罐内。冷冻过程中海水冲刷冰层表面所得到的过冷浓海水流入冷却浓海水储存罐6内后，通过水泵泵入各冷融交替式冷冻淡化模块的冷却水流道18内，对翅片式电制冷片17的散热侧进行降温。过冷海水的冷量被充分利用后，作为该机海水淡化过程中的废水被排出。
58.本发明还包括一种利用上述冷融交替多级海水冷冻淡化系统进行海水淡化的方法，该方法包括以下步骤。
59.第一步，冷冻过程。待处理海水在一级待处理海水循环管路中的水泵7的作用下流入冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1，并通过布液器21使待处理海水均匀流入各冷融交替式冷冻淡化模块的制冰流道16内，翅片式电制冷板17启动，海水沿着制冰流道16的冷却流道表面形成并生长成整块冰晶，冷冻过程中冰晶的生长作用使溶质被排放到液体侧，海水持续流入制冰流道，将此部分浓溶液持续冲刷出去，并通过电磁三通阀门ⅰ13使集液器22与冷却浓海水储存罐6连通，将所得过冷高浓度海水不断排放至冷却浓海水储存罐6，冷却浓海水储存罐6内的过冷浓海水被水泵10不断输送至冷融交替式冷冻淡化器ⅰ1中各冷融交替式冷冻淡化模块的冷却水入口19，并在冷却水流道18内持续冲刷翅片式电制冷板17的散热侧，对其进行冷却，而后从冷却水出口20流出，此时该部分浓海水的冷量已被充分利用，作为该级海水淡化过程中的废水被排出。
60.第二步，融化过程。当整个制冰流道16内部所生长冰晶达到一定的体积后，制冰流道内部开始出现冰堵现象，此时电磁三通阀门ⅰ13控制翅片式电制冷板17停止制冷，并阻断
集液器22与冷却浓海水储存罐6之间的连通，同时使集液器22与淡水储存罐之间开始连通，使待处理海水持续流入制冰流道16内，来流的冲刷作用将制冰流道内的冰晶融化，融化后的低浓度海水被待处理海水一起冲刷至淡水储存罐ⅰ4内；
61.第三步，在二级待处理海水循环管路中的水泵ⅱ8的作用下流入该级管路中的冷融交替式冷冻淡化器ⅱ2，并均匀流入各冷融交替时冷冻淡化模块的16制冰流道，重复第一步的冷冻过程和第二步的融化过程，完成二级待处理海水循环管路的冷融交替式海水冷冻淡化。
62.第四步，重复上述步骤，实现接下来各级待处理海水循环管路的冷融交替式海水冷冻淡化。经过多级冷融交替处理之后，海水盐度可以达到所要求的标准。
63.实施例1
64.如图6和图7所示，本实施例中，制冰流道16的截面形状为圆形，此时制冰流道16为圆形流道。
65.实施例2
66.如图8和图9所示，本实施例中，制冰流道16的截面形状为方形，此时制冰流道16为方形流道。
67.实施例3
68.如图10和图11所示，本实施例中，制冰流道16的截面形状为星形，此时制冰流道16为星形流道。
69.制冰流道的形状并不限于上述实施例中的形状，也可以为其他形状的流道，或者渐缩形流道、渐阔形流道。
70.以上对本发明所提供的多级海水冷冻淡化系统及淡化方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。