專利名稱：：用于滲透性溶質(zhì)回收的多級塔蒸餾(mscd)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及使用多個蒸餾塔分離溶質(zhì)和溶劑的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及海水淡化，微咸水淡化，廢水凈化，受污染水補(bǔ)救(remediation),滲透熱機(jī)(0HE)，或者需要分離水溶液中的溶質(zhì)和水的任何其它應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：海水和微咸水淡化技術(shù)對于減輕世界上干旱和人口稠密地區(qū)的缺水問題是很大的希望。人口的日益增長和全球氣候變暖已經(jīng)造成了在可靠的淡水源的供需之間的更大的不均衡。在一些例子中，在共享的水資源方面的沖突加劇了相鄰國家之間的已經(jīng)很嚴(yán)重的緊張關(guān)系。甚至在具有充足水供應(yīng)的地區(qū)，不穩(wěn)定且通常不佳的水質(zhì)是促成疾病和疾苦的因素，如果充分的水處理可更廣泛地獲得的話所述疾病和疾苦將少得多。對減輕缺水和確保好的水質(zhì)的需要對于下世紀(jì)的科學(xué)家和工程師來說是一個主要的挑戰(zhàn)。人們已經(jīng)進(jìn)行了大量的工作，以改進(jìn)現(xiàn)有的水處理技術(shù)，特別是在提高膜處理方法的效率和降低其成本方面。在膜處理方法中，使用半滲透膜，例如膀胱的細(xì)胞壁，所述半滲透膜對它允許通過的物質(zhì)是選擇性的，通常允許小分子(例如水)容易地通過，但防止許多其它的化合物通過。在存在在隔膜兩側(cè)的、各自含有不同濃度的溶解化合物的兩種溶液的情況下，水通常從更稀溶液的一側(cè)移動至更濃的溶液中。最終，滲透壓恰好對抗擴(kuò)散過程，并且形成平衡。一種膜處理方法被稱為反滲透(RO)，該方法已經(jīng)被脫鹽領(lǐng)域的技術(shù)人員充分了解。R0過程促使來自其中存在較大濃度的化合物的水溶液的水分子的凈流通過半滲透膜并且進(jìn)入具有較低濃度的溶解化合物的溶液。利用來源側(cè)的高水壓"逆轉(zhuǎn)"自然或者正向滲透過程。盡管在降低能量需求，從而降低RO成本方面已經(jīng)取得進(jìn)步，但是仍然要克服挑戰(zhàn)。海水和微咸水RO的能量成本對于經(jīng)濟(jì)的廣泛利用仍然太高；大的鹽水排放流仍舊在引起對它們可能造成的環(huán)境影響的擔(dān)憂；并且長期的裝置更換成本仍然是顯著的。在解決依然面對目前的海水和微咸水脫鹽技術(shù)的一些挑戰(zhàn)的努力中，已經(jīng)研究了氨-二氧化碳正向滲透(FO)脫鹽的方法。在例如美國專利6，391，205和美國專利申請出版物2005/0145568中描述了FO方法，它們的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。與RO相比，F(xiàn)O方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括較低的能量成本、高的進(jìn)水回收率以及最低的鹽水排放。在氨-二氧化碳FO方法中，使用類型與RO中所用類型相似的半滲透膜從咸的進(jìn)水源中分離淡水。在RO中，這種分離由跨過膜產(chǎn)生至顯量級的液壓梯度驅(qū)動。F0方法利用水在較高的滲透壓的方向(朝向更濃的溶液)上流動的自然趨向，以將水從咸進(jìn)料流中提取到非常濃的"提取溶液"中，從而從咸進(jìn)料流中分離出淡水滲透物?，F(xiàn)有技術(shù)的氨-二氧化碳FO方法的示意圖示于圖1中。在氨-二氧化碳F0方法中使用的膜類似于在R0方法中使用的那些膜。一個顯著的區(qū)別在于RO膜必須維持的高液壓。這種要求導(dǎo)致在膜申采用支撐織物層(厚度通常至多IOO微米)以增加其強(qiáng)度，另外，當(dāng)6在FO方法中使用這種類型的膜時，顯著降低通量性能。采用為F0特通量性能高達(dá)化學(xué)性質(zhì)^似的織物襯里的R0膜的十倍以上。"'對與RO膜相關(guān)的FO性能的負(fù)面影響是由于在膜織物載體內(nèi)部的提取溶液的內(nèi)部濃差極化(ICP)。在這種現(xiàn)象中，滲透致密膜(排斥層(rejectinglayer))的滲透物稀釋了支撐層內(nèi)部的提取溶液，使得在致密膜表面的有效滲透壓大大減小。在大多數(shù)情況下，在致密層的方向上的溶質(zhì)擴(kuò)散的速度不足以完全消除遠(yuǎn)離它的水流所引起的稀釋。這種現(xiàn)象不能通過增加提取溶液的切向流量或湍流，即，通常在降低外部濃差極化方面有效的步驟來消除，原因是ICP現(xiàn)象發(fā)生在多孔栽體的范圍內(nèi)。盡管從膜構(gòu)造中除去織物層顯著提高了FO通量，但是ICP的效應(yīng)沒有通過這種改進(jìn)得到完全解決。一些效應(yīng)仍然存在于整合到非對稱或薄膜的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)中的非織物多孔性聚合物載體的內(nèi)部。這種厚度約為50微米的多孔層位于發(fā)生溶質(zhì)排斥的致密膜層下面。通常僅為幾微米厚的致密層必需通過這種支撐結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)，以保持處理和流體剪切力，否則將撕裂膜的表面。這導(dǎo)致有效滲透壓相對于在單獨(dú)使用致密分離膜時實現(xiàn)的有效滲透壓的繼續(xù)降低。由ICP引起的有效滲透壓的降低可以根據(jù)"膜性能比"(Pm)表示，該"膜性能比"(Pm)被定義為實驗的或測量的通量(JJ與由進(jìn)料和提取溶液之間的滲透壓差計算的理論通量(Juu)的比率JexpJthr即使在使用為FO特別設(shè)計的膜時，在FO中的膜性能比也可能是相當(dāng)?shù)偷?，在有些情況下低至2-3%。然而，只要使用足夠高的提取溶液濃度，低的膜性能比的低效率并不限制FO方法操作。已經(jīng)證明，可以確立等于或超過RO的典型膜通量的膜通量，并且基于水從2摩爾NaCl進(jìn)料流中的有效分離，可以實現(xiàn)高達(dá)75%的海水回收率。對于有效的FO脫鹽，提取溶液必須具有高的滲透壓，并且含有除去薪#利角簡單并且經(jīng)濟(jì)的溶質(zhì)。在氨-二氧化碳FO方法片:，提取溶液由氨和二氧化碳?xì)怏w在水溶液中的混合物所形成的銨鹽組成。所形成的鹽物種包括碳酸氫銨，碳酸銨和氨基甲酸銨。在這些之中，迄今為止氨基甲酸銨最易溶解的。其它提取溶液可以釆用乙醇和其它可熱消除的提取溶質(zhì)。氨-二氧化碳提取溶液的一個重要特性是在銨鹽中氨與二氧化碳的比率。在提取溶液中氨與二氧化碳的比率越高，氨基甲酸銨相對于其它溶解的物種的濃度越高。這允許更高的總銨鹽濃度，從而在溶液中導(dǎo)致更高的滲透壓。碳酸氫銨在例如室溫的最大溶解度為約2摩爾，但是將氨加入這種溶液中有助于氨基甲酸銨的形成(以及在更低的程度上，有助于碳酸銨的形成)，這允許進(jìn)一步加入二氧化碳等，從而允許溶解總濃度高的銨鹽。溶液溫度的升高也導(dǎo)致溶質(zhì)溶解度的一些升高，但是造成高的提取溶液濃度的主要機(jī)制是形成鹽的氣體的比率。高滲透壓的產(chǎn)生轉(zhuǎn)而使得在F0脫鹽過程中產(chǎn)生高的水通量和高的進(jìn)水回收率。一旦由F0過程中產(chǎn)生的滲透壓梯度導(dǎo)致淡水從咸水進(jìn)料中跨過膜流入提取溶液，就必須處理所分離的提取溶液以分離銨鹽。這種分離處理(也稱為回收處理)基于碳酸氫銨、碳酸鹽和氨基甲酸鹽熱分解為當(dāng)在適合的溫度和壓力下加熱含有這些溶質(zhì)的溶液時所產(chǎn)生的氨和二氧化碳?xì)怏w。在氣氛壓力下，這種分解發(fā)生在約60X:。在較低的壓力下，分解溫度成比例地降低。這種氨和二氧化碳?xì)怏w的加熱、分解和提取和再循環(huán)可以在單級或多級蒸餾塔中完成，產(chǎn)生淡水和再濃縮的提取溶液作為其產(chǎn)物以再用于FO膜系統(tǒng)。可以指定來自這種工藝的產(chǎn)物水含有顯著小于lppm的氨和二氧化碳，這對于飲用用途是適合的。從稀釋的F0提取溶液中移除并且再循環(huán)提取溶質(zhì)的筒單的被證實方法是使用蒸餾塔，該蒸餾塔也被稱為再沸吸收塔或汽提塔。這種方法現(xiàn)在用于例如，從廢水和工藝物流中汽提各種揮發(fā)性溶質(zhì)，以及在尿素的生產(chǎn)中再循環(huán)氨基甲酸銨作為氨和二氧化碳?xì)怏w。根據(jù)用于回收系統(tǒng)的熱量的溫度，可以使用一個或幾個蒸餾塔。在F0方法中回收溶質(zhì)的簡單和低能量成本的方法是采對:^』#"空蒸餾塔。典型的現(xiàn)有技術(shù)單一真空蒸餾塔的示意圖顯示在圖2中。當(dāng)熱能源處于約40至約44。C的低溫時，這種構(gòu)造是特別有用的。如圖2中所示，將溫度低至40'C的熱量引入傳熱裝置，在這里為再沸器(l)的熱交換表面的外部，以在稀提取溶液(在塔的頂部引入)(2)以逆流的方式向下落下時，促使水蒸氣在蒸餾塔(a)中上升。能量從上升蒸氣傳遞至落下的液體導(dǎo)致較多的揮發(fā)性氨和二氧化碳與較少的揮發(fā)水的分級分離，使得在塔中較高點(diǎn)，比在塔中的較低點(diǎn)有更多的氨和二氧化碳餾分。在穩(wěn)態(tài)操作下，可以指定離開塔底部的產(chǎn)物水(3)含有少于lppm的氨和二氧化碳。將回收/分離的溶質(zhì)經(jīng)由蒸餾塔(a)的出口(4)反向引入到濃縮的提取溶液中。這種方法所需的能量幾乎完全是熱能，僅有少量額外的電能用于進(jìn)出塔的流體泵送。如前所述，F(xiàn)O方法的主要優(yōu)點(diǎn)包括較低的能量成本，高的進(jìn)水回收率，以及最低的鹽水排放。本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)確定，如果提高熱量利用的效率，則可以更進(jìn)一步降低在FO脫鹽過程中所需的熱能的成本。本發(fā)明人進(jìn)一步確定，這可以通過將高溫?zé)嵩磁c多個蒸餾塔一起使用而實現(xiàn)。這種方法提高了熱量利用效率，并且相對于使用單一蒸餾塔，將回收處理(從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水)的能量消耗削減70°/。以上。發(fā)明概迷本發(fā)明的一個目的是使用多個蒸餾塔分離提取溶液(drawsolution)的溶質(zhì)和溶劑。例如，本發(fā)明的一個目的是提供用于海水淡化、孩史咸水淡化、廢水純化和污染的水(contaminatedwater)補(bǔ)救的改進(jìn)布置和方法。本發(fā)明的另一個目的是使用多個蒸餾塔提高F0脫鹽過程的熱效率。本發(fā)明的又一個目的是以固定量的熱量產(chǎn)生最大的產(chǎn)物溶劑產(chǎn)量。因此，本發(fā)，包括將在下面闡述的構(gòu)造、圖示說明和描述中舉例''9說明的構(gòu)造特征、要素組合、部件布置和步驟順序，并且本發(fā)明的范圍將由權(quán)利要求書指明。為此，一般而言并且根據(jù)第一個實施方案，本發(fā)明涉及一種裝置，所述裝置包括第一蒸餾塔，其包括第一入口，其連接到提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第一蒸餾塔的第一端；第一傳熱裝置，其連接到所述第一蒸餾塔的第二端，所述第一傳熱裝置具有連接到熱能源的入口；和出口，其與所述第一蒸餾塔連接以將熱能引入所述第一蒸餾塔中，以使所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)；第一出口，其用于從所述第一蒸餾塔移除所述提取溶液的蒸發(fā)的部分；以及至少第二蒸餾塔，其包括笫一入口，其連接到所述提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第二蒸餾塔的第一端；第二傳熱裝置，其連接到所迷第二蒸餾塔的笫二端，所述第二傳熱裝置具有入口，其連接到所述第一蒸餾塔的所述第一出口以提供用于所述第二蒸餾塔的熱能源；和出口，其與所述第二蒸餾塔連接以將熱能引入所述第二蒸餾塔中，以使第二蒸餾室中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)。本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于從F0脫鹽方法中的提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑以提高熱量利用效率的方法。為此，又一般而言，在另一個優(yōu)選實施方案中，本發(fā)明還涉及一種方法，該方法包括下列步驟將提取溶液引入到至少第一蒸餾塔和至少第二蒸餾塔的每一個中；將來自熱能源的熱能施加于所述第一蒸餾塔的第一傳熱裝置，以蒸發(fā)所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；將來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至所述第二蒸餾塔的第二傳熱裝置，使得來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于所述第二蒸餾塔的熱能源，以蒸發(fā)所迷笫二蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；由此分離在至少第一和第二蒸餾塔中的所述提取溶液中所含的提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑?？紤]到下面的詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求書，本發(fā)明的另外的特征、優(yōu)點(diǎn)和實施方案可以得到說明，或者是顯而易見的。而且，應(yīng)理解，上面的發(fā)明概述和下面的詳細(xì)描述都是示例性的，并且意在提供進(jìn)一步的解釋，而不限制所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍。附圖簡要說明為了更完全理解本發(fā)明，應(yīng)參考結(jié)合附圖做出的以下描述，在附圖中圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的氨-二氧化碳FO脫鹽方法的示意圖。圖2是同樣根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的單一真空蒸餾塔的示意圖。圖3是本發(fā)明的一個實施方案的示意圖。圖4是本發(fā)明的另一個實施方案的示意圖。圖5是供給到F0回收/分離方法的熱量的溫度和從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑所需的能量的量-G0R之間的關(guān)系的圖示。G0R是熱脫鹽系統(tǒng)效率的經(jīng)常采用的量度，G0R值越高表示熱效率越高。圖6是F0脫鹽方法的當(dāng)量功的圖示。圖7是稀提取溶液濃度和作為GOR的熱負(fù)荷之間的關(guān)系的圖示。圖8是稀提取溶液濃度和當(dāng)量功之間的關(guān)系的圖示。而且，盡管在每一個圖中并沒有標(biāo)記全部單元，但是具有相同的附圖標(biāo)記的全部單元表示類似或相同的部分。優(yōu)選實施方案的描述ii本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將多個蒸餾塔用于從提取溶液中分離/回收提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑具有優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)較高溫度的熱源可以以有利于它們的使用的成本得到或者主要的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是以固定量的熱量獲得最大的水輸出量時。(MED)熱脫鹽方法，即本領(lǐng)域技術(shù)人員充分了解的方法中所使用的原理類似的原理。在MSF和MED方法中，能量和物料流都串聯(lián)地通過遞減壓力的多個級，這些級是各種設(shè)計的"閃蒸"或蒸發(fā)室。在MSF/MED方法中，將熱量引入單一蒸餾塔的"頂部"級以蒸發(fā)一部分進(jìn)料水，并且這樣產(chǎn)生的蒸氣在與第二級(在更低的溫度和壓力下)接觸的傳熱表面上冷凝，從而引起另外的進(jìn)料水等的蒸發(fā)。該過程重復(fù)進(jìn)行，而級的數(shù)目由在頂部和底部級之間的溫度范圍和在每一級之間的溫差決定。級數(shù)越高，通過該設(shè)計所實現(xiàn)的能量效率越大。在MSF和MED方法中，能量和物料流都串聯(lián)地通過遞減壓力的多個級，這些級是各種設(shè)計的"閃蒸"或蒸發(fā)室。本發(fā)明用多個蒸餾塔代替F0中的溶質(zhì)移除的單一蒸餾塔裝置，相對于單一閃蒸室實現(xiàn)了與MSF/MED的那些類似的效率收益。在一個實施方案中，本發(fā)明涉及一種用于從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的裝置，其中所述裝置包括第一蒸餾塔，其包括第一入口，其連接到提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第一蒸餾塔的第一端；第一傳熱裝置，其連接到所述第一蒸餾塔的第二端，所述第一傳熱裝置具有連接到熱能源的入口；和出口，其與所述第一蒸餾塔連接以將熱能引入所述笫一蒸餾塔中，以使所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)；第一出口，其用于從所述第一蒸餾塔移除所述提取溶液的蒸發(fā)的部分；以及^少第二蒸餾塔，其包括12第一入口，其連接到所述提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第二蒸餾塔的第一端；第二傳熱裝置，其連接到所述第二蒸餾塔的第二端，所述第二傳熱裝置具有入口，其連接到所述第一蒸餾塔的所述第一出口以提供用于所述第二蒸餾塔的熱能源；和出口，其與所述第二蒸餾塔連接以將熱能引入所迷第二蒸餾塔中，以使第二蒸餾室中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)。在描述了第一蒸餾塔(a)和第二蒸餾塔(b)的圖3中闡明了該裝置的各個單元。每個蒸餾塔與稀提取溶液流(2)、(3)連接，所述稀提取溶液流(2)、(3)與來自F0工藝的膜系統(tǒng)或前端的稀提取溶液源(27)連接。從所述稀提取溶液源分出所迷提取溶液流，并且將其平行引入兩個蒸餾塔(a)和(b)的每一個中。將來自外部來源(5)的熱或熱能施加于蒸餾塔(a)的傳熱裝置，在這里為再沸器(l)的外部熱交換表面，由此傳遞用作用于蒸餾塔(a)的熱能源的潛熱。所述熱能使蒸餾塔(a)中的提取溶液的一部分蒸發(fā)，從而允許從蒸餾塔(a)中的提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水。將來自蒸餾塔(a)的提取溶液的蒸發(fā)的部分(6)與蒸餾塔(b)的傳熱裝置(在這里為再沸器(7))連接這種布置允許來自蒸餾塔(a)的提取溶液的蒸發(fā)的部分在蒸餾塔(b)的再沸器C7)的外部熱交換表面上冷凝，由此傳遞潛熱，用作用于蒸餾塔(b)的熱能源。所述熱量/熱能使蒸餾塔(b)中的提取溶液的一部分蒸發(fā)，從而允許從蒸餾塔(b)中的提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水。因此，能量被串聯(lián)地引導(dǎo)至蒸餾塔中。應(yīng)指出，用作用于蒸餾塔(b)的熱能源的蒸發(fā)的提取溶液(6)與經(jīng)由入口(3)引入蒸餾塔(b)的提取溶液是完全分開的。將來自蒸餾塔(b)再沸器的冷凝的提取溶液蒸發(fā)部分(8)連接回F0工藝的膜系統(tǒng)或前端，在此將其加入到濃的提取溶液中。將來自蒸餾塔(b)中的提取溶液的回收/分離的溶質(zhì)經(jīng)由蒸餾塔(b)的出口(9)引入回濃的提取溶液中。從蒸餾塔(a)和蒸餾塔(b)的每一個分別經(jīng)由出口(4)和(10)收集產(chǎn)物水。設(shè)計所述的塔，使得它們在它們的操作壓力和溫度方面不同，蒸餾塔(a)具有最高的溫度和壓力，而蒸餾塔(b)具有比蒸餾塔(a)的溫度和壓力低的溫度和壓力。圖3中所示的裝置本質(zhì)上是示例性的，而并不意圖是限制性的。如果可從外部熱源得到的熱源的溫度(典型地也稱為熱能品位)較高，本發(fā)明可以采用多于2個蒸餾塔來從FO工藝的提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水。蒸餾塔的具體數(shù)量還取決于提取溶液的濃度和環(huán)境溫度。圖4是包括6個蒸餾塔(a)至(f)的這樣一種本發(fā)明實施方案的圖。每一個塔接收從稀提取溶液源(27)分出的獨(dú)立的平行的稀提取溶液流(2)，(3)，(11),(12)，(13)，(14)并且從中分離溶質(zhì)和產(chǎn)物水。設(shè)計所述的塔，使得它們在操作壓力和溫度方面不同，蒸餾塔(a)具有最高的溫度和壓力，并且其余的蒸餾塔的每一個在比它前面的蒸餾塔低的溫度和壓力下操作。應(yīng)指出，任何給定的蒸餾塔的操作壓力取決于該蒸餾塔的操作溫度。還應(yīng)指出，任何給定的蒸餾室的操作溫度取決于由外部熱源所供給的熱能的溫度以及外部熱源的溫度和環(huán)境溫度間的差。在這種布置中，將分別來自蒸餾塔(a)至(f)的提取溶液的蒸發(fā)的部分(5),(6)，(15)，(16),(17),(18)連接至下一個蒸餾塔的傳熱裝置。提取溶液的蒸發(fā)的部分在下一個蒸餾塔的再沸器的外部熱交換表面上冷凝，由此傳遞被用于從蒸餾塔中的提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)(8)，(19)，(20)，(21)，(22)和產(chǎn)物水(4)，(10)，(23)，(24)，(25)，(26)的潛熱。將來自蒸餾塔(b)至(f)的再沸器的、冷凝的提取溶液蒸發(fā)部分(8)，(19)，(20)，(21)，(22)分別連接回FO工藝的膜系統(tǒng)或前端，在此將其加入到濃的提取溶液中。以這種方式-平行引導(dǎo)物料流和串聯(lián)引導(dǎo)能量流-與單獨(dú)使用單一塔相比，可以實現(xiàn)顯著的效率方面的收益。圖4本質(zhì)上也是示例性的，并且不意圖是限制性的。本發(fā)明的另一個實施方案提供了用于從提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的方法，該方法包括下列步驟將提取溶液引入到至少第一蒸餾塔和至少第二蒸餾塔的每一個中；將來自熱能源的熱能施加于所述第一蒸，餾^^的第一傳熱裝置，以蒸發(fā)所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；將來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至所述第二蒸餾塔的第二傳熱裝置，使得來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于所述第二蒸餾塔的熱能源，以蒸發(fā)所迷第二蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；由此分離在至少第一和第二蒸餾塔中的所述提取溶液中所含的提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑。本發(fā)明的另一個實施方案提供了用于從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的方法，該方法包括下列步驟將提取溶液引入到至少第一蒸餾塔、至少第二蒸餾塔和至少第三蒸餾塔的每一個中；將來自熱能源的熱能施加于第一蒸餾塔的第一傳熱裝置，以蒸發(fā)第一蒸餾塔中的提取溶液的至少一部分；將來自第一蒸餾塔的提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至第二蒸餾塔的第二傳熱裝置，使得來自第一蒸餾塔的提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于第二蒸餾塔的熱能源，以蒸發(fā)第二蒸餾塔中的提取溶液的至少一部分；將來自第二蒸餾塔的提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至第三蒸餾塔的第三傳熱裝置，使得來自第二蒸餾室的提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于第三蒸餾室的熱能源，以蒸發(fā)第三蒸餾塔中的提取溶液的至少一部分；由此分離在至少第一、第二和第三蒸餾塔中的提取溶液中所含的提取溶液溶/t和產(chǎn)物溶劑。在一個優(yōu)選實施方案中，如這里所述將提取溶液平行引入到每一個蒸餾塔中。換言之，將提取溶液從單一來源引入到每一個蒸餾塔中，如上面所討論的，該單一來源通常是來自F0工藝的膜系統(tǒng)或前端的稀提取溶液源。再換言之，不將來自提取溶液源的提取溶液連續(xù)引入每一個上述蒸餾塔中。而且，將用作用于每一個后續(xù)蒸餾塔的熱能源的i發(fā)的提取溶液與由稀提取溶液源引入每一個lt餾塔的提取溶液分15開，并且在整個工藝中保持這樣。用于從本發(fā)明F0方法中的提取溶液分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水的蒸餾塔的數(shù)量，由第一(即外部熱能源)和最后的蒸餾塔(即環(huán)境溫度)之間的溫度范圍以及每一個蒸餾塔之間的溫差決定。這可以通過使用商業(yè)化學(xué)工藝模擬軟件(Hysys，Cambridge,MA)模擬FO方法的回收/分離系統(tǒng)的能量要求來確定，該軟件與被設(shè)計用于模擬高濃度和物種復(fù)雜性的電解質(zhì)溶液的電解質(zhì)性質(zhì)程序包(OLI，MorrisPlains,NJ)一起運(yùn)行。應(yīng)指出，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以明白在本文中這種可商購的軟件的使用。在所測試的模擬情況中，運(yùn)算基礎(chǔ)是以75%的回收率從0.5M的海水回收的新鮮飲用水的生產(chǎn)。濃的提取溶液含有5摩爾/升的銨鹽(基于C0》，而氨與二氧化碳的比率為1.4。改變所使用的濃提取溶液的量，以產(chǎn)生在0.5M和1.5M之間的不同的稀提取溶液濃度，如由F0膜前端的提取溶液的產(chǎn)物水稀釋所產(chǎn)生的。將這些稀提取溶液流作為原料引導(dǎo)至多個蒸餾塔。假定海水(或環(huán)境)溫度為2(TC。將F0膜方法操作溫度指定為25X:?；趯峤粨Q器、管道、閥、蒸餾塔級以及其它工藝設(shè)備所預(yù)期的典型壓力降，計算工藝泵送要求(即電能)。規(guī)定蒸餾塔含有空隙率為0.945，比面積為580ft7ft3，靜滯留量為5%并且壓力降為15nunHg/ft的Goodloe⑧結(jié)構(gòu)填料(可獲自Koch-0ttoYork)。填料高度為約7.7ft?；诒恢付楹猩儆趌ppm的氨的產(chǎn)物水質(zhì)量，通過模擬軟件計算熱能和電能要求。假定水蒸氣是用于塔再沸器的熱源，并且將冷凝物返回到水蒸氣源。將所有熱交換器中的最小溫度逼近(fflinimumtemperatureapproach)設(shè)定為2.5-3.0°C，略高于熱脫鹽方法中典型的那些值。表1提供了實例，對于外部熱量/熱能源的給定溫度和最低水蒸氣壓力、提取溶液的濃度和201C的環(huán)境溫度，指明了用于根據(jù)本發(fā)明分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的蒸餾塔的最佳數(shù)量。16表1<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>表1意在是示例性的而非限制性的。例如，已想到的是，在低的環(huán)境溫度下，可以將兩個蒸餾塔與溫度為50'C的外部熱量/熱能源一起使用。還想到的是，采用本發(fā)明可以使用最高達(dá)6.OM的提取溶液濃度。而且，假設(shè)外部熱量/熱能源有足夠高的溫度和要求充分高的效率目標(biāo)，本發(fā)明的實踐中可以采用高達(dá)至少約15個蒸餾塔。在模擬本發(fā)明的能量要求中，本發(fā)明人還考慮了在供給到FO回收/分離系統(tǒng)的熱量的溫度(通常也被稱為"品位")和從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物水所需的能量的量之間的關(guān)系。這種關(guān)系的單位是獲得的產(chǎn)出比(gainedoutputratio)(GOR)或者在再沸器中冷凝的每千克水蒸氣所產(chǎn)生的水的千克數(shù)。這是熱脫鹽系統(tǒng)的效率的經(jīng)常采用的量度，數(shù)值越高表示效率越高。圖5是這種關(guān)系的圖示。在70至120。C的溫度下，MSF和MED的典型近似值是在8和15之間的G0R。表2提供了采用單一蒸餾塔的FO方法的GOR值的范圍，以及采用多個蒸餾塔的本發(fā)明的GOR值的范圍。顯而易見的是，與當(dāng)前的脫鹽方法相比，在70至250'C之間的溫度下具有在14.2和7之間的GOR值的本發(fā)明具有提高的熱量利用效率。GOR受到返回到外部熱源:的冷凝物流^H影響。這里提供的實例基于溫度與作為熱能源提供的水蒸氣的溫度相同的冷凝物返回流(即能量源(水蒸氣)和水返回流均被假定在20(TC的溫度)。如果冷凝物返回流在比水蒸氣低的溫度下返回，則GOR增加，特別是在較高的溫度下。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>FO工藝所使用的熱量的溫度不僅影響所需要的量，而且影響所使用的熱量的值，因此影響所使用的熱量的成本。用于估算熱脫鹽系統(tǒng)中的工藝熱的值的一種有效方法包括"當(dāng)量功"的計算。使用這種方法，基于熱能在汽輪機(jī)中產(chǎn)生電力的能力，熱能被賦予電能值。如果假定從汽輪機(jī)中提取用于將熱能供給到脫鹽工藝的水蒸氣，則可以計算水蒸氣為產(chǎn)生電力所能夠做的功。這種功值可以用于熱工藝效率以及供給到脫鹽工藝的工藝水蒸氣的實際成本的理論比較。下式用于計算這種當(dāng)量功產(chǎn)fe^^i2W^^Bffi2a^^^孤卿〃鵬"^""從奉被提取并且引導(dǎo)至脫鹽工藝中的點(diǎn)的水蒸氣的焓中減去在通常進(jìn)入渦，參凝器的點(diǎn)的水蒸氣的焓。該焓差值乘以渦輪機(jī)的效率(在這種情況下假定為95°/。)，從而對熱量賦予以kWh/kg水蒸氣計的當(dāng)量功值。產(chǎn)生1立方米的水所需的水蒸氣的量由該熱方法在該水蒸氣溫度的G0R給出。將結(jié)果乘以1000kg的水，從而得到以11113水計的比熱負(fù)荷。基于冷凝器溫度與海水冷卻溫度相關(guān)的表格數(shù)據(jù)，假定冷凝器溫度為35'C。一旦計算出由該工藝釆用的水蒸氣的當(dāng)量功值，就將其加到任何工藝電功率要求中。這提供了所消耗的總能量值的統(tǒng)一值。在表3中概括了包括熱負(fù)荷部分和電能部分的當(dāng)量功的計算。圖6顯示了相對于所供給的熱量的性質(zhì)，基于1M(稀提取溶液)塔進(jìn)料濃度的FO脫鹽過程的當(dāng)量功。隨著所使用的熱量的溫度增加，其功值抵消了可以通過使用多個蒸餾塔產(chǎn)生的增加的效率。凈趨勢是當(dāng)量功增加。與GOR類似，當(dāng)量功也受到返回到外部熱源的冷凝物流的溫度的影響。這里提供的實例基于溫度與作為熱能源提供的水蒸氣溫度相同的冷凝物返回流(即能量源(水蒸氣)和水返回流均被假定在200'C的溫度)。如果冷凝物返回流在比水蒸氣低的溫度下返回，則當(dāng)量功增加，特別是在較高的溫度下。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>在進(jìn)入溶質(zhì)和產(chǎn)物水回收/分離系統(tǒng)的稀提取溶液的濃度和由F0脫鹽工藝使用的能量的量之間存在直接關(guān)系。如前所述，所需的提取溶液的濃度與FO膜的性能比直接相關(guān)，因此直接受到膜結(jié)構(gòu)的影響。圖7顯示了在稀提取溶液濃度和作為G0R的熱負(fù)荷之間的關(guān)系。圖8顯示了在稀提取溶液濃度和當(dāng)量功之間的關(guān)系。所示的值是在160。C下操作的本發(fā)明的多級塔蒸餾系統(tǒng)和在40-44。C(最低的真空塔溫度隨著進(jìn)料濃度變化)之間操作的單一真空蒸餾塔的值。相對于當(dāng)前的技術(shù)，在本發(fā)明中使用高溫?zé)嵩磳?dǎo)致顯著增加的FO效率。這主要是由于以下事實在FO中，如MSF和MED中一樣，利用能量蒸發(fā)提取溶液溶質(zhì)，而非進(jìn)料水溶劑。在本發(fā)明的FO方法的使用中發(fā)現(xiàn)的另外的優(yōu)點(diǎn)在于該方法的低電能消耗量。當(dāng)前的方法使用在1.6-3.02kWh/ii^之間的電功率，而如表2中所示，采用本發(fā)明的FO方法僅需要O.24kWh/ffl3的電功率。盡管具體顯示了本發(fā)明，并且對其優(yōu)選實施方案進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以在其中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的變更。例如，本發(fā)明與適用于這里論述的FO脫鹽和水處理方法一樣，可適用于滲透熱機(jī)(OHE)。權(quán)利要求1.一種用于從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的裝置，其中所述裝置包括第一蒸餾塔，其包括第一入口，其連接到提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第一蒸餾塔的第一端；第一傳熱裝置，其連接到所述第一蒸餾塔的第二端，所述第一傳熱裝置具有連接到熱能源的入口；和出口，其與所述第一蒸餾塔連接以將熱能引入所述第一蒸餾塔中，以使所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)；第一出口，其用于從所述第一蒸餾塔移除所述提取溶液的蒸發(fā)的部分；以及至少第二蒸餾塔，其包括第一入口，其連接到所述提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第二蒸餾塔的第一端；第二傳熱裝置，其連接到所述第二蒸餾塔的第二端，所述第二傳熱裝置具有入口，其連接到所述第一蒸餾塔的所述第一出口以提供用于所述第二蒸餾塔的熱能源；和出口，其與所述第二蒸餾塔連接以將熱能引入所述第二蒸餾塔中，以使第二蒸餾室中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)。2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二蒸餾塔包括用于從所述第二蒸餾塔溶液中移除所述提取溶液的蒸發(fā)的部分的第一出口。3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二蒸餾塔包括用于從所述笫二蒸餾室中移除產(chǎn)物溶劑的出口。4.權(quán)利要求2所述的裝置，該裝置包括至少第三蒸餾塔，其包括第一入口，其連接到所述提取溶液源以將所述提取溶液引入所述第三蒸餾塔的第一端；第三傳熱裝置，其連接到所述第三蒸餾塔的第二端，所述第三傳熱裝置具有入口，其連接到所述第二蒸餾塔的所述第一出口以提供用于所述第三蒸餾塔的熱能源；和出口，其與所述第三蒸餾塔連接以將熱能引入所述第三蒸餾塔中，以使第三蒸餾室中的所述提取溶液的至少一部分蒸發(fā)。5.權(quán)利要求l所述的裝置，其中所述熱能源供給溫度為至少約50°(3的熱量。6.權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述熱能源供給溫度為9(TC至約25(TC的熱量。7.—種使用多個蒸餾塔從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的方法，其中所述方法包括下列步驟將提取溶液引入到至少第一蒸餾塔和至少第二蒸餾塔的每一個中；將來自熱能源的熱能施加于所述第一蒸餾塔的第一傳熱裝置，以蒸發(fā)所述第一蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；將來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至所述第二蒸餾塔的第二傳熱裝置，使得來自所述第一蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于所述第二蒸餾塔的熱能源，以蒸發(fā)所述第二蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；由此分離在至少第一和第二蒸餾塔中的所述提取溶液中所含的提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑。8.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述提取溶液被用在正向滲透脫鹽工藝中。9.權(quán)利要求7所述的方法，其中輸入所述至少第一蒸餾塔的熱能源是水蒸氣。10.權(quán)利要求7所述的方法，其中將所述提取溶液以至少約0.5M的濃度引入到所述至少第一和第二蒸餾塔中。11.權(quán)利要求8所述的方法，其中將所述提取溶液以約0.5M至約6.OM的濃度引入到所述至少第一和第二蒸餾塔中。12.權(quán)利要求7所迷的方法，其中所述提取溶液包含由氨和二氧化碳的混合物形成的銨鹽水溶液。13.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述提取溶液包含乙醇。14.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述產(chǎn)物溶劑是水。15.權(quán)利要求12所述的方法，其中所述產(chǎn)物溶劑含有少于lppm的氨和二氧化碳。16.權(quán)利要求7所述的方法，其中所述方法包括將提取溶液引入到至少第三蒸餾塔中；將來自所述第二蒸餾塔的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分引導(dǎo)至所述第三蒸餾塔的第三傳熱裝置，使得來自第二蒸餾室的所述提取溶液的蒸發(fā)的部分作為用于第三蒸餾室的熱能源，以蒸發(fā)第三蒸餾塔中的所述提取溶液的至少一部分；由此分離在所述第三蒸餾塔中的所述提取溶液中所含的提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑。17.權(quán)利要求7所述的方法，其中將所述提取溶液平行地引入到所述至少第一蒸餾塔和所述至少第二蒸餾室的每一個中。18.權(quán)利要求15所述的方法，其中將所述提取溶液平行地引入到所述至少笫一蒸餾塔、所述至少第二蒸餾塔和所述至少第三蒸餾塔的每一個中。19.按照權(quán)利要求7所述的方法生產(chǎn)的脫鹽水。20.按照權(quán)利要求7所述的方法生產(chǎn)的凈化水。全文摘要一種使用多個蒸餾塔從提取溶液中分離提取溶液溶質(zhì)和產(chǎn)物溶劑的方法和裝置。在一個實施方案中，所述提取溶液被用在正向滲透(FO)水脫鹽工藝中。在該實施方案中，將所述提取溶液平行地引導(dǎo)到所述多個蒸餾塔中，同時將能量流(熱量)串聯(lián)地引導(dǎo)至所述多個蒸餾塔中，使得熱量的利用效率被改進(jìn)，進(jìn)而熱量的成本被降低。文檔編號C02F1/00GK101489937SQ200780026027公開日2009年7月22日申請日期2007年6月7日優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日發(fā)明者M(jìn)·埃里梅勒奇,R·L·麥克金尼斯申請人:耶魯大學(xué)