[发明专利]逆流式热/质量交换反馈控制

说明书

背景

在本世纪，淡水的短缺将超过能量的短缺而成为全球人道主义的关注点；并且这两项挑战紧密关联，例如在《经济学家》(The Economist)的2010年5月20日发布的“关于水的专题报告(Special Report on Water)”中解释的。淡水是人类和其他生物的最根本的需求之一；每个人每天需要消耗最少约两升水。世界还面临着农业和工业过程中更大的淡水需求。

水供应不足导致的危害是特别尖锐的。淡水的短缺可能导致各种危机，包括饥荒、疾病、死亡、被迫大规模迁徙、地区之间的冲突/战争、以及崩溃的生态系统。尽管对淡水的需要是危急的并且短缺的后果是重大的，但淡水的供应仍是特别受限制的。地球上97.5％的水是咸水，并且剩余部分中约70％作为冰被锁住(大多数在冰冠和冰川中)，从而仅留下地球上所有水中的一小部分作为可供使用的淡水(非咸水)。

此外，地球上作为淡水且可用的水是不均匀分布的。例如，人口稠密的国家，像印度和中国，有许多地区遭遇了供应短缺。还进一步，淡水的供应通常是季节性不一致的。同时，对淡水的需求在全球正变得紧张。水库在干涸；含水层在下沉；河流在干枯；并且冰川和冰冠在消退。增长的人口增大了需求，农业的转变和增大的工业化也是如此。气候变化在许多地区提出了甚至更多威胁。因此，面临水短缺的人口数量在增加。然而，天然存在的淡水总体上被限制在区域性流域中；并且水的运输是昂贵且耗能的。

此外，可以有利地从污染的废水流中(例如，从油和气产物中)提取出水，以便既生产出淡水又浓缩废水流并减小其体积，由此减少污染和污物并降低成本。

尽管如此，许多现有的用于由海水(或盐味水或污染的废水流)生产淡水的工艺要求大量的能量。反渗透(RO)是当前领先的除盐技术。在大规模工厂中，所要求的比电量可以低至30％的回收率4kWh/m³，相比之下理论最小值是约1kWh/m³；较小规模的RO系统(例如，船上的)是效率较低的。

其他现有的海水除盐系统包括基于热能的多级闪蒸(MSF)、以及多效蒸馏(MED)，二者均是能量密集且资本密集的工艺。然而在MSF和MED系统中，最大盐水温度和输入热量的最大温度是受到限制的以避免硫酸钙、氢氧化镁、以及碳酸钙析出，这会导致在热传递设备上形成软垢和硬垢。

增湿-除湿(HDH)除盐系统包括增湿器和冷凝器作为其主要部件并且使用载气(例如，空气)来对盐水流除盐。这种技术的一种简单形式包括增湿器、冷凝器、以及用来加热盐水流的加热器。在增湿器中，热的盐水与干燥空气直接接触，并且此空气变成加热和增湿的。在冷凝器中，使加热和增湿的空气与冷凝剂(例如，冷的盐水)(间接)接触并且变得被除湿，从而产生纯水和除湿的空气。HDH工艺与MSF和MED系统相比在更低的顶部盐水温度下运行，因此在某种程度上避免了结垢组分的析出。

在美国专利号8,119,007B2(A.Bajpayee等人)中描述的另一种途径使用了定向溶解水但不溶解盐的定向溶剂。定向溶剂被加热来从盐溶液中将水溶解到该定向溶剂中。剩余的高度浓缩的盐水被去除，并且定向溶剂与水的这个溶液被冷却来使基本上纯的水从该溶液中脱溶出来。

本申请的发明人也是以下包括对HDH和用于纯化水的其他工艺的额外讨论的专利申请的发明人之一：在2009年9月4日提交的美国申请序列号12/554,726；在2009年10月5日提交的美国申请序列号12/573,221；在2011年2月15日提交的美国申请序列号13/028,170；以及在2011年9月23日提交的美国申请序列号13/241,907；在2012年7月16日提交的美国申请序列号13/550,094；在2013年6月12日提交的美国申请序列号13/916,038；以及在2013年8月5日提交的美国申请13/958,968。

发明内容

在此描述了用于逆流式热及质量同时交换的设备和方法。这些设备和方法的多个不同实施例可以包括下文描述的这些元件、特征和步骤中的一些或全部。

在该方法的一个实施例中，一种逆流式热及质量同时交换装置被通过如下方式来操作：即，引导两种流体流以多个初始质量流速进入一个热及质量交换装置，其中这两种流体的总焓率的理想变化是不相等的。通过一个或多个传感器在这些流体中测量以下状态变量中的至少一者：温度、压力和浓度，这些变量一起限定了这两种流体流在进入和离开该装置的点处的热力学状态。测量这些流体在进入和/或离开该装置的点处的流速；并且改变这两种流体中的至少一者的质量流速，使得穿过该装置的这两种流体的总焓率的理想变化变得更接近是相等的。