一種自空氣中制取液態(tài)水的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于氣體分離【技術(shù)領(lǐng)域】，具體為一種自空氣中制取液態(tài)水的方法與裝置。本發(fā)明裝置包括：過濾器、升壓設(shè)備、膜分離器、吸附分離器、真空泵、一些控制閥門及必要的管線，以及可將真空泵出口的水蒸氣冷凝、凈化等設(shè)備。含濕原料空氣首先進(jìn)入過濾器，經(jīng)過濾后，經(jīng)升壓設(shè)備進(jìn)入膜分離器與吸附分離器；真空泵在膜的滲透?jìng)?cè)提供-30KPa～-80KPa的真空壓力，水蒸汽優(yōu)先透過膜分離器經(jīng)真空泵出口輸出為水蒸汽；自真空泵出口排出的水蒸汽采用冷凝技術(shù)即可連續(xù)、高效的獲得飲用水。本發(fā)明對(duì)比單純以膜分離方法或單純以吸附分離方法，或直接采用壓縮、冷凝等常規(guī)方法，效率更高，并且分離過程可連續(xù)進(jìn)行。
【專利說明】一種自空氣中制取液態(tài)水的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體分離【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種自空氣中分離水蒸氣的方法與裝置，尤其涉及一種從空氣中制取液態(tài)水的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于人類大規(guī)模開采及環(huán)境破壞以及由此帶來的氣候異常，加上我國水資源時(shí)間和空間分布極不均勻，以及水體污染的加劇，使得地表水資源嚴(yán)重匱乏，尤其是在一些干旱、沙漠地區(qū)、西部缺水區(qū)域或在一些島嶼、沿海潮濕但缺少淡水的地區(qū)，野外科考、邊境兵站、高山雷達(dá)站等特種作業(yè)模式、環(huán)境下，淡水供應(yīng)非常困難，在這些地區(qū)，其獲得水的主要方式是依靠少量的降雨蓄積或者基地補(bǔ)給，不方便、不穩(wěn)定或者費(fèi)用高，這些，已成為制約這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸問題。
[0003]目前解決局部地區(qū)淡水短缺問題方法主要有:(I)異地送水、機(jī)動(dòng)補(bǔ)給，(2)依賴地表水源采用凈化、海水淡化等方法取得飲用水，但不管哪種方法，因?yàn)槎蓟诘乇硭礊榛A(chǔ)，都不能從根本上很好的解決上述特定區(qū)域、特定應(yīng)用環(huán)境下的淡水水源的問題:
(1)異地送水、機(jī)動(dòng)補(bǔ)給不僅受制于運(yùn)輸條件，還有高昂的運(yùn)輸成本；
(2)依賴地表水源采用凈化方法回用，不僅受制于地表水源的有無、有無不可凈化的毒素，還有高昂的凈化處理費(fèi)用，比如高山雷達(dá)站，只能依賴蓄水再凈化取得飲用水，看天喝水，還將承擔(dān)高昂的費(fèi)用，比如海水淡化，盡管被視為人類未來主要水源之一，工程上也有大規(guī)模的應(yīng)用，但其制水成本也難以接受，而且還受制于用水區(qū)域地理位置的影響，使得該技術(shù)無法在上述廣闊干旱、沙漠地區(qū)、西部缺水區(qū)域以及野外科考、邊境兵站、高山雷達(dá)站等特種作業(yè)模式、環(huán)境下應(yīng)用。
[0004]事實(shí)上,大氣本身就是一個(gè)巨大的淡水庫,空氣中水蒸氣清潔且可再生,在沒有地表水源的情形下，空氣可成為我們獲取淡水的重要水源，例如，即使撒哈拉沙漠，其全年平均相對(duì)濕度也有20?30%左右，夜晚的空氣中的濕度則更大，將空氣中的水蒸氣分離出來并轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，即可供生活或工作在上述特定區(qū)域、特定環(huán)境下的人們使用。
[0005]中國專利CN1131359C描述了一種“吸附式空氣取水裝置”，其主要由吸附床、冷凝器、凈水系統(tǒng)和儲(chǔ)水器等構(gòu)成，并采用了特定的吸附劑以強(qiáng)化取水效果，采用了特定的吸附床、冷凝器結(jié)構(gòu)包括加熱器增強(qiáng)了吸附劑的傳熱與冷凝器的換熱以及利用廢熱或自然能以增強(qiáng)取水效率，實(shí)現(xiàn)了一日可多次循環(huán)自空氣取水的過程，但該方案因僅采用吸附分離技術(shù)，并且吸附和解吸單獨(dú)運(yùn)行，取水過程不連續(xù)，此外，解吸過程僅采用了加熱的措施為水蒸汽解吸提供能量，能量消耗大，效率不高，尤其在低濕度干旱地區(qū)采用該方案難以高效的制取水并且因?yàn)槿∷牟贿B續(xù)限制了其應(yīng)用。
[0006]中國專利CN 101851946 B描述了一種“利用分離膜富集空氣水蒸氣的制水方法和裝置”，包括空氣主制水裝置與空氣輔制水裝置，該空氣主制水裝置包括主制水空氣預(yù)處理裝置、膜除濕組件、吹掃氣減壓閥、除濕空氣預(yù)冷器、除濕空氣膨脹機(jī)、吹掃氣預(yù)冷器、主制水器以及水箱，該空氣輔制水裝置包括輔制水空氣引風(fēng)機(jī)、輔制水空氣濾清器以及輔制水器，并通過特定的工藝連接保證了連續(xù)制水，克服吸附法富集水蒸氣制水的技術(shù)缺點(diǎn)，利用分離膜富集空氣中的水蒸氣，再通過對(duì)富集氣體降溫從而制造液體水的方法，但是，因該方法僅采用膜分離技術(shù)分離從大氣中很低水蒸汽分壓的混合氣體中分離出該水蒸氣，效率不高，為了提高制水量與制水效率，對(duì)膜分離器的滲透?jìng)?cè)提供了吹掃氣的形式以增強(qiáng)膜分離過程，但因仍然基于較高壓力(典型的，采用壓縮機(jī)將空氣升壓至4?15bar的壓力)下進(jìn)行的正壓式膜分離過程，能耗高并且系統(tǒng)復(fù)雜而限制了其應(yīng)用，典型的，升壓至7bar壓力的壓縮機(jī)的壓力比達(dá)(7+1) /1=8倍，能耗很大，尤其在低濕度干旱地區(qū)采用該方案難以高效的制取水。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于克服單純以吸附法或膜分離方法自空氣中富集水蒸氣制水的技術(shù)缺點(diǎn)，提供一種可高效的、連續(xù)的從含濕空氣中分離水蒸氣制取液態(tài)水的方法及裝置。
[0008]本發(fā)明提供的從含濕空氣中分離水蒸氣制取液態(tài)水的方法及其裝置，有別于現(xiàn)有技術(shù)的簡(jiǎn)單膜分離過程或吸附分離過程，通過將膜分離技術(shù)與吸附分離技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成一種全新的耦合分離方法，是一種針對(duì)空氣中較低分壓水蒸氣進(jìn)行分離的工藝方法。
[0009]本發(fā)明提供的從含濕空氣中分離水蒸氣制取液態(tài)水的裝置，如附圖1、2所示，它至少包括:
(1)優(yōu)選但非必要的至少一個(gè)過濾器AFOl；
(2)至少一個(gè)升壓設(shè)備AB01，設(shè)置在膜分離器之前，用以將原料氣升壓到一定的壓力送入膜分離器與/或吸附分離器；升壓設(shè)備也可放置在膜分離器之后，用以排除自膜分離器排出的滯留氣；典型的，可采用鼓風(fēng)機(jī)；
(3)至少一組膜分離器M01，該膜分離器中的膜分離材料至少分成兩側(cè)，一側(cè)為正壓側(cè)，一側(cè)為負(fù)壓側(cè)，正壓側(cè)也即膜分離器的原料氣側(cè)，也稱為高壓側(cè)、滯留氣側(cè)，負(fù)壓側(cè)也即膜分離器的滲透氣側(cè)，也稱為低壓側(cè)；原料氣側(cè)接升壓設(shè)備ABOl (鼓風(fēng)機(jī))出口，滯留氣側(cè)排向大氣；當(dāng)為多組膜分離器時(shí)，其原料氣側(cè)可并聯(lián)連接升壓設(shè)備，并分別排向大氣；膜分離器滲透?jìng)?cè)至少2個(gè)，一個(gè)靠近原料氣側(cè)的滲透出口接吸附分離器出口，一個(gè)靠近滯留氣側(cè)的滲透出口接真空泵入口 ；該膜分離器的膜分離材料對(duì)待分離的混合氣體組分(空氣組分與水蒸氣)中的水蒸氣具有較高的選擇性；
(4)至少一組吸附分離器，并聯(lián)連接膜分離器入口，其出口接膜分離器滲透氣側(cè)；吸附分離器內(nèi)填裝有能吸附水蒸氣的吸附劑(分子篩);
(5)至少一組用于將原料空氣送入膜分離器原料氣側(cè)及吸附分離器入口的控制閥門及其必要的管線；
(6)至少一組用于將吸附分離器排出的氣體經(jīng)膜分離器滲透?jìng)?cè)排向真空泵入口的控制閥門及其必要的管線；
(7)至少一個(gè)真空泵AB02，用以建立膜分離器兩側(cè)跨膜壓力比，并可為吸附分離器提供解吸動(dòng)力；
(8)優(yōu)選但非必要的至少一組用以調(diào)節(jié)控制真空泵出口水蒸氣循環(huán)返回升壓設(shè)備ABOl入口的控制閥門VlOl及其必要的管線。
[0010]如公知技術(shù)，系統(tǒng)還需包含必要的控制組件，以使的系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備能夠運(yùn)行，控制閥門能夠按照要求進(jìn)行切換等。
[0011]如公知技術(shù)，系統(tǒng)還包括可將真空泵出口的水蒸氣冷凝、凈化等設(shè)備。
[0012]基于上述從含濕空氣中分離水蒸氣制取液態(tài)水的裝置，可高效的、連續(xù)的從空氣中分離出其中較低分壓的水蒸氣、制取液態(tài)水。根據(jù)圖1，具體操作步驟如下:
(1)含濕原料空氣首先進(jìn)入過濾器AF01，氣體經(jīng)過過濾器AFOl過濾掉灰塵等雜質(zhì)，然后經(jīng)升壓設(shè)備ABOl升壓至IOOpa?15Kpa，該升壓主要用以克服膜分離器MOl及其吸附分離器AOl等的流程阻力，提供足額的分離氣量，為膜分離器提供氣體的升壓設(shè)備還可安裝在膜分離器之后(圖中未示出)；
(2)經(jīng)步驟(I)處理后的含濕空氣進(jìn)入膜分離器與吸附分離器:因膜分離材料對(duì)待分離的混合氣體組分(空氣組分與水蒸氣)中的水蒸氣具有較高的選擇性，真空泵AB02在膜的滲透?jìng)?cè)提供_30KPa?-80KPa的真空壓力，在膜的兩側(cè)(高壓側(cè)與滲透?jìng)?cè))形成30KPa?SOKPa的跨膜壓差，在該壓差吸引下，水蒸氣優(yōu)先透過膜分離器經(jīng)真空泵出口輸出為水蒸氣；同時(shí)，因膜分離器至少從滲透?jìng)?cè)排出了一部分水蒸氣，而在膜分離器的滯留側(cè)將排出含水蒸氣較少的貧氣，故本分離過程是連續(xù)進(jìn)行的；同時(shí)，經(jīng)管線上設(shè)置的閥門QDV101A引導(dǎo)進(jìn)入吸附分離器AOl后的含濕空氣，因分離器內(nèi)填裝有能吸附水蒸氣的吸附劑(分子篩)，典型的，如填裝具有靜態(tài)水吸附容量75?175% (w/w,重量百分比)的高效水吸附劑，水蒸氣將被吸附劑吸附，含濕量更少的貧氣經(jīng)管線上設(shè)置的閥門QDV102A引導(dǎo)排除出系統(tǒng)外部，也可少量引入膜分離器的滲透?jìng)?cè)作為吹掃氣以增強(qiáng)膜分離過程，當(dāng)吸附劑吸附水蒸氣飽和時(shí)，通過控制閥門QDV101A將吸附分離器入口封閉，并通過控制閥門QDV102A引導(dǎo)將吸附分離器吸附的水蒸氣自膜分離器的A2-2滲透口對(duì)膜分離器進(jìn)行吹掃，同時(shí)自A2-1滲透出口經(jīng)真空泵輸出為水蒸氣；其中，吹掃可加強(qiáng)膜分離過程，使得分離更有效率，閥門QDV102A可同時(shí)控制自吸附分離器抽出的水蒸氣進(jìn)入膜分離器的滲透?jìng)?cè)而不至于嚴(yán)重影響膜分離器的分離工況，并且，經(jīng)真空泵AB02的真空吸引，吸附分離器吸附了水蒸氣的吸附劑(分子篩)將獲得再生，再生后的吸附分離器即可繼續(xù)接收經(jīng)閥門QDV101A引導(dǎo)進(jìn)入吸附分離器吸附，如此循環(huán)往復(fù)，耦合的分離系統(tǒng)的分離過程仍然是連續(xù)進(jìn)行的；因?yàn)轳詈?，可更徹底的利用原料空氣，將原料空氣中的較低分壓的水蒸氣分離出來；
(3)在極端工況如沙漠地區(qū)，因空氣中含濕量較低，此時(shí)，可將自真空泵出口的至少一部分水蒸氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥VlOl循環(huán)返回至鼓風(fēng)機(jī)ABOl之前，與進(jìn)入膜分離器的含濕原料空氣混合后進(jìn)入膜分離器，這一有益的改良將增強(qiáng)膜分離過程，并經(jīng)上述步驟連續(xù)、高效的分離原料空氣中的水蒸氣；
(4)經(jīng)上述分離后的自真空泵出口排出的水蒸氣采用常規(guī)公知的冷凝技術(shù)即可連續(xù)、高效的獲得飲用水。
[0013]附圖2是一種采用雙分離器耦合的自空氣中分離水蒸氣的取水方法及裝置，如上述一致，經(jīng)此耦合的工藝技術(shù)可連續(xù)、高效的分離原料空氣中的水蒸氣，并采用常規(guī)公知的冷凝技術(shù)連續(xù)、高效的獲得飲用水，其不同之處在于，膜分離器與吸附分離器至少采用了 2組，當(dāng)其中I組吸附分離器如AOl吸附飽和之后，通過控制閥QDV101A引導(dǎo)將吸附分離器入口封閉，并通過控制閥QDV102A引導(dǎo)將吸附分離器吸附的水蒸氣自膜分離器的A2-2滲透口對(duì)膜分離器進(jìn)行吹掃的同時(shí)并自A2-1滲透出口經(jīng)真空泵輸出為水蒸氣，真空泵AB02對(duì)吸附分離器吸附了水蒸氣的吸附劑(分子篩)再生，同時(shí)，另I組吸附分離器即在控制閥QDV101B引導(dǎo)下進(jìn)入吸附分離器A02進(jìn)行吸附，如此循環(huán)往復(fù)，耦合的分離系統(tǒng)的分離過程仍然是連續(xù)進(jìn)行的，因?yàn)轳詈希筛鼜氐椎睦迷峡諝?，將原料空氣中的較低分壓的水蒸氣分離出來。
[0014]本發(fā)明中，所謂較低分壓的水蒸氣，系指如沙漠地區(qū)，空氣濕度將低至20%相對(duì)濕度的極端工況條件；
本發(fā)明中，所謂高效分離水蒸氣，系對(duì)比如單純以膜分離方法或單純以吸附分離方法，或直接采用壓縮、冷凝等常規(guī)方法更有效率。
[0015]本發(fā)明中，所說的選擇性，也稱分離系數(shù)、α (阿爾法)值，其一般定義為: α (阿爾法)值，空氣組分與水蒸氣的選擇性=(Q水/Q干空氣組分)。
[0016]式中Q干空氣組分與Q水分別代表膜分尚材料對(duì)待分尚的干空氣組分與水蒸氣在單位時(shí)間、壓力下純組分干空氣和水蒸氣通過膜材料的滲透量，典型的如，I大氣壓，20V, a (阿爾法)值即為該滲透量之比。
[0017]本發(fā)明中，所用膜分離材料系指空氣組分與水蒸氣的分離系數(shù)達(dá)50?5000的各種形式的膜分離材料。
[0018]本發(fā)明中，所用吸附劑(分子篩)系指能吸附水的各種類型的吸附劑，優(yōu)選高性能水吸附劑，其靜態(tài)水吸附量可達(dá)重量百分比75%?175% (w/w)。
[0019]本發(fā)明中所說吸附塔，也可稱為吸附器、吸附床、分離器，是指裝填了至少一種可吸附水蒸氣的容器，吸附劑對(duì)混合氣體中較易吸附的水蒸氣組分有較強(qiáng)的吸附能力；吸附塔可以是任何要求的構(gòu)造形式的吸附塔，通過吸附塔的氣流型式可用軸向流、徑向流、側(cè)向流或其它的型式，可以單個(gè)吸附塔，可以是兩塔、三塔，甚至多塔，而且每個(gè)都可包括有多個(gè)主要吸附層，或者也可沒有或設(shè)有一個(gè)或更多的預(yù)處理層用以優(yōu)化吸附過程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是一種自空氣中分離水蒸氣的取水方法及裝置(單分離器耦合)。
[0021]圖2是一種自空氣中分離水蒸氣的取水方法及裝置(雙分離器耦合)。
[0022]圖中標(biāo)號(hào):AFOl是空氣過濾器，QDV101A/ QDV101B、QDV102A/ QDV102B 是三通閥，QDV103A/ QDV103B是兩通閥，ABOl是升壓設(shè)備，AB02是真空泵，VlOl是調(diào)節(jié)閥，PEOl是壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，TEO1、TEOIA、TEOIB是溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備；M01、M01A/B是一種4 口薄膜分離器，其中，AO是膜分離器的原料氣入口也即含濕空氣入口，Al是滯留氣出口，也即貧濕空氣出口，Α2，Α2-1，Α2-2是膜分離器負(fù)壓側(cè)也即滲透?jìng)?cè)出口、水蒸氣出口 ；A01、A02是吸附分離器(吸附塔)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖以說明本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的不同，并進(jìn)一步描述本發(fā)明。附圖中: AF01，是空氣過濾器，可以是各種形式的過濾器，包括纖維形式、濾料形式、袋式過濾，
優(yōu)選采用可自清潔形式或者各種組合形式的過濾器，用于過濾、清潔進(jìn)入分離器的原料空氣，保證分離器對(duì)原料空氣的清潔度要求。
[0024]QDVlOIA/ QDV101B, QDV102A/ QDV102B是三通閥，當(dāng)然也可以采用同樣工藝目的、所需功能的兩通閥替代，QDV103A/ QDV103B是兩通閥，當(dāng)雙分離器耦合時(shí)，QDV103A/QDV103B可合并采用一個(gè)三通閥，前述閥門可以是各種形式的手動(dòng)、自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)的截止閥、蝶閥、閘閥等，優(yōu)選采用各種形式的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可以是氣動(dòng)的、電動(dòng)的、液動(dòng)控制的自動(dòng)閥，用于切換、隔離、調(diào)節(jié)進(jìn)入與排出膜分離器或吸附分離器的待分離空氣、中間工藝氣體、廢氣等；其中，如果是自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門，它們可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯開啟、調(diào)節(jié)或關(guān)閉以及按照監(jiān)測(cè)的溫度、壓力進(jìn)行流量、時(shí)間、溫度等控制調(diào)節(jié)。
[0025]AB01，是升壓設(shè)備，可以是各種形式的壓縮設(shè)備，如活塞式、離心式、螺桿、渦旋、羅茨、液環(huán)等等壓縮形式，將氣體升壓到適當(dāng)?shù)膲毫?，其中，ABOl用于將待分離組分升壓到進(jìn)入分離器所需的分離壓力，優(yōu)選采用各種形式的鼓風(fēng)機(jī)將待分離含濕空氣升壓至IOOpa?15Kpa，以克服流程阻力并提供足額的分離氣量為優(yōu)選設(shè)計(jì)目標(biāo)，還可安裝在膜分離器之后吸附分離器之前的工藝管道上(圖中未示出)。
[0026]AB02，是真空泵，用于將工藝氣體自膜分離器負(fù)壓側(cè)減壓至分離所需的壓力并克服后續(xù)流程的流體輸送的阻力為設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)，該設(shè)備還用于吸附分離器內(nèi)氣體的解吸真空需求，典型的，減壓至_30KPa?-SOKPa的壓力，優(yōu)選采用各種形式的真空泵。
[0027]VlOl是調(diào)節(jié)閥，用于將真空泵后輸出的高濕含量的水蒸氣循環(huán)返回升壓設(shè)備ABOl (鼓風(fēng)機(jī))入口，這些閥門可以是各種形式的閥門，如各種手動(dòng)、自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)的截止閥、蝶閥、閘閥等，優(yōu)選采用各種形式的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可以是氣動(dòng)的、電動(dòng)的、液動(dòng)的，它們可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的邏輯，如按照監(jiān)測(cè)的壓力、溫度或流量等進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，以控制循環(huán)返回ABOl鼓風(fēng)機(jī)入口的流量增強(qiáng)分離效果。
[0028]PE01，是壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)真空泵入口的壓力，可安裝在一切可以實(shí)時(shí)反映進(jìn)入真空泵氣體壓力的任意位置，可以是壓敏或其它任意形式的壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備；TE01\TEOlA \TE01B，是溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)吸附分離器的溫度，可安裝在一切可以實(shí)時(shí)反映吸附分離器內(nèi)吸附劑溫度的任意位置，包括安裝在吸附分離器入口、出口通過監(jiān)視進(jìn)出口氣體溫度來監(jiān)視吸附劑溫度的任意位置。
[0029]M01、M01A/B，是一種4 口薄膜分離器，可以是板式膜，卷式膜，中空纖維膜，膜分離器中的膜分離材料至少分成了兩側(cè)，一側(cè)為正壓側(cè)，一側(cè)為負(fù)壓側(cè)，正壓側(cè)也即膜分離器的原料氣側(cè)，也稱為高壓側(cè)、滯留氣側(cè)，負(fù)壓側(cè)也即膜分離器的滲透氣側(cè)，也稱為低壓側(cè)、負(fù)壓側(cè)，其中，AO是膜分離器的原料氣入口也即含濕空氣入口，Al是滯留氣出口，也即貧濕空氣出口，A2，A2-1，A2-2是膜分離器負(fù)壓側(cè)也即滲透?jìng)?cè)出口，水蒸氣出口。
[0030]AOl、A02是一種吸附分離器(吸附塔)，每個(gè)吸附分離器至少由I個(gè)氣體入口與I個(gè)氣體出口，吸附分離器內(nèi)裝填有吸附劑(分子篩)，可以是能吸附水分的任何分子篩，當(dāng)含有水蒸氣的混合氣體進(jìn)入吸附分離器后，因吸附塔內(nèi)的吸附劑將吸附水分而使得流出吸附分離器的氣體較進(jìn)入的混合氣體中水蒸氣更少，吸附分離器內(nèi)至少吸附了一部分混合氣體的水蒸氣。
[0031]與常規(guī)技術(shù)不同，一個(gè)典型的如采用卷式或板式的分離器進(jìn)行的膜分離過程中，ABOl主要以滿足提供新鮮空氣為主要目的，克服流體輸送的阻力，典型的，升壓IOOPa?1500Pa，優(yōu)選的，建立IOOPa?500Pa a的風(fēng)壓以克服膜分離器本身具有的氣體流通阻力，如采用板式膜，甚至僅需建立數(shù)十到幾百帕的風(fēng)壓，更有將ABOl放置在板式膜之后作為廢氣排放風(fēng)機(jī)的做法，目的也僅僅是為了克服原料空氣進(jìn)入膜分離器的阻力以不斷的提供含濕空氣的目的，與其它采用更高的壓力進(jìn)行的膜分離過程不一樣，通常采用本方法因無需將空氣壓縮至更高的壓力(典型的，如壓縮至7bar的較高壓力)而具有更低的能耗。
[0032]與常規(guī)技術(shù)不同，本發(fā)明通過膜分離過程與吸附分離過程耦合的工藝技術(shù)，使得分離水蒸氣的過程是連續(xù)的，并且，因與其它技術(shù)相比較，更徹底的分離了含濕空氣中的水蒸氣，或者說，如與單一膜分離過程相比較，可以采用更少的膜面積、更低的分離壓力，與單一采用吸附分離過程相比較，可以采用更少的吸附劑，此外，本發(fā)明采用的動(dòng)力設(shè)備如鼓風(fēng)機(jī)、真空泵在分離過程中是連續(xù)運(yùn)行的，分離系統(tǒng)更具有效率，這在諸如沙漠干旱等含濕量非常低的地區(qū)，水蒸氣分壓極低，采用本系統(tǒng)在可連續(xù)獲得水蒸氣上更具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
[0033]對(duì)比采用加熱再生吸附分離器中的吸附劑(分子篩)的分離水蒸氣的方法，本系統(tǒng)與膜分離系統(tǒng)耦合，真空泵既作為膜分離過程的分離動(dòng)力來源，又可對(duì)吸附分離器的分子篩進(jìn)行真空再生，而這點(diǎn)真空動(dòng)力對(duì)比加熱再生的能源來說，不僅微不足道，而且系統(tǒng)更為簡(jiǎn)便。
[0034]本發(fā)明以相對(duì)廉價(jià)的建造成本解決了單一以膜分離方法或者吸附分離方法進(jìn)行的針對(duì)含濕空氣中較低分壓水蒸氣的技術(shù)缺陷，提供的耦合的分離工藝方法更具效率，并且分離過程連續(xù)。
[0035]本發(fā)明還包括可將真空泵出口的水蒸氣冷凝、凈化等設(shè)備，優(yōu)選可將原料空氣用于對(duì)真空泵出口進(jìn)行換熱等優(yōu)化的換熱設(shè)備，可將真空泵出口的水蒸氣冷卻更有效率，同時(shí)，也不排除將廢氣熱能、太陽能用于加速吸附分離器解吸的一切措施，以進(jìn)一步提高能效比。
[0036]本發(fā)明優(yōu)先應(yīng)用于空氣含濕組分的分離過程，但是所公開的基本原則可用于很多其它的分離場(chǎng)合。通過本發(fā)明的方法可以實(shí)現(xiàn)分離的典型實(shí)例包括氧氣/氮?dú)獾姆蛛x、氣體干燥、二氧化碳/甲烷的分離、二氧化碳/氮?dú)獾姆蛛x、氫氣/氮?dú)獾姆蛛x和烯烴/烷烴的分離。
[0037]實(shí)施例一個(gè)自空氣中取水的制水系統(tǒng)，按附圖1連接，其中，膜分離器采用上海傯達(dá)弗材料科技有限公司生產(chǎn)的板式膜分離器，其干空氣與水的分離系數(shù)為1850，膜面積裝填量為5.5m2，吸附塔內(nèi)裝有上海傯達(dá)弗材料科技有限公司生產(chǎn)的SSAT#AW100高吸水性分子篩2.5kg，其堆積密度，0.297g/ml，靜態(tài)水吸附容量75%wt，配套選型了 I臺(tái)流量400m3/h，風(fēng)壓600Pa的鼓風(fēng)機(jī)，I臺(tái)抽速100L/min，裝機(jī)功率300W的真空泵，當(dāng)運(yùn)行如下環(huán)境溫度25°C、空氣中相對(duì)濕度RH20%的條件下時(shí)，空氣中含水量如下表，將真空泵出口的水蒸氣冷凝后每天可制取飲用水30L:
【權(quán)利要求】
1.一種自空氣中制取液態(tài)水的裝置，其特征在于，包括: (1)至少一個(gè)過濾器； (2)至少一個(gè)升壓設(shè)備，設(shè)置在膜分離器之前，用以將原料氣升壓到一定的壓力送入膜分離器與/或吸附分離器；或者設(shè)置在膜分離器之后，用以排除自膜分離器排出的滯留氣； (3)至少一組膜分離器，該膜分離器中的膜分離材料至少分成兩側(cè)，一側(cè)為正壓側(cè)，一側(cè)為負(fù)壓側(cè)，正壓側(cè)也稱為原料氣側(cè)、高壓側(cè)、滯留氣側(cè)，負(fù)壓側(cè)也稱為滲透氣側(cè)、低壓側(cè)；原料氣側(cè)接升壓設(shè)備出口，滯留氣側(cè)排向大氣；當(dāng)為多組膜分離器時(shí)，其原料氣側(cè)并聯(lián)連接升壓設(shè)備，并分別排向大氣；膜分離器滲透?jìng)?cè)至少2個(gè)，一個(gè)靠近原料氣側(cè)的滲透出口接吸附分離器出口，一個(gè)靠近滯留氣側(cè)的滲透出口接真空泵入口 ；該膜分離器的膜分離材料對(duì)待分離的混合氣體組分中的水蒸汽具有較高的選擇性； (4)至少一組吸附分離器，并聯(lián)連接膜分離器入口，其出口接膜分離器滲透氣側(cè)；吸附分離器內(nèi)填裝有能吸附水蒸汽的吸附劑； (5)至少一個(gè)真空泵，用以建立膜分離器兩側(cè)跨膜壓力比，并可為吸附分離器提供解吸動(dòng)力； (6)至少一組用于將原料空氣送入膜分離器原料氣側(cè)及吸附分離器入口的控制閥門及其必要的管線； (7)至少一組用于將吸附分離器排出的氣體經(jīng)膜分離器滲透?jìng)?cè)排向真空泵入口的控制閥門及必要的管線； (8)至少一組用以調(diào)節(jié)控制真空泵出口水蒸汽循環(huán)返回升壓設(shè)備入口的控制閥門及其必要的管線。`
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自空氣中制取液態(tài)水的裝置，其特征在于，所用膜分離材料，其空氣組分與水蒸氣的分離系數(shù)達(dá)50~5000。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自空氣中制取液態(tài)水的裝置，其特征在于，所用吸附劑，其靜態(tài)水吸附量達(dá)重量百分比75%~175% (w/w)0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自空氣中制取液態(tài)水的裝置，其特征在于，所述吸附分離器為單個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)，或更多。
5.一種基于權(quán)利要求1-4之一所述的裝置，自空氣中制取液態(tài)水的方法,其特征在于具體步驟為: (1)含濕原料空氣首先進(jìn)入過濾器，氣體經(jīng)過過濾器過濾掉雜質(zhì)，然后經(jīng)升壓設(shè)備升壓至 IOOpa ~15Kpa ； (2)經(jīng)步驟(1)處理后的含濕空氣進(jìn)入膜分離器與吸附分離器:真空泵在膜的滲透?jìng)?cè)提供-30KPa~-80KPa的真空壓力，在膜的兩側(cè)形成30KPa~80KPa的跨膜壓差，在該壓差吸引下，水蒸汽優(yōu)先透過膜分離器經(jīng)真空泵出口輸出為水蒸氣；同時(shí)，因膜分離器至少從滲透?jìng)?cè)排出了一部分水蒸汽，而在膜分離器的滯留側(cè)將排出含水蒸汽較少的貧氣，故本分離過程是連續(xù)進(jìn)行的；同時(shí)，經(jīng)管線上設(shè)置的第一閥門(QDV101A)引導(dǎo)進(jìn)入吸附分離器后的含濕空氣，因分離器內(nèi)填裝有能吸附水蒸汽的吸附劑，水蒸汽將被吸附劑吸附，含濕量更少的貧氣經(jīng)管線上設(shè)置的第二閥門(QDV102A)引導(dǎo)排除出系統(tǒng)外部，少量貧氣引入膜分離器的滲透?jìng)?cè)作為吹掃氣以增強(qiáng)膜分離過程； 當(dāng)吸附劑吸附水蒸汽飽和時(shí)，通過控制第一閥門(QDV101A)將吸附分離器入口封閉，并通過控制第二閥門(QDV102A)引導(dǎo)將吸附分離器吸附的水蒸汽自膜分離器的第二滲透?jìng)?cè)出口(A2-2)對(duì)膜分離器進(jìn)行吹掃，同時(shí)自第一滲透?jìng)?cè)出口(A2-1)經(jīng)真空泵輸出為水蒸汽；第二閥門(QDV102A)可同時(shí)控制自吸附分離器抽出的水蒸汽進(jìn)入膜分離器的滲透?jìng)?cè)；并且，經(jīng)真空泵的真空吸引，吸附分離器吸附了水蒸汽的吸附劑而獲得再生，再生后的吸附分離器可繼續(xù)接收經(jīng)第一閥門(QDV101A)引導(dǎo)進(jìn)入吸附分離器吸附，如此循環(huán)往復(fù)，耦合的分離系統(tǒng)的分離過程是連續(xù)進(jìn)行的； (3)在極端工況如沙漠地區(qū)，空氣中含濕量較低時(shí)，將自真空泵出口的至少一部分水蒸汽經(jīng)調(diào)節(jié)閥循環(huán)返回至升壓設(shè)備之前，與進(jìn)入膜分離器的含濕原料空氣混合后進(jìn)入膜分離器；經(jīng)上述步驟連續(xù)、高效的分離原料空氣中的水蒸汽； (4)經(jīng)上述分離后的自真空泵出口排出的水蒸汽采用常規(guī)公知的冷凝技術(shù)即可連續(xù)、高效的獲得飲用水。
【文檔編號(hào)】E03B3/28GK103510575SQ201310475185
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月13日
【發(fā)明者】陳宗蓬, 羅二平, 申廣浩, 王晨, 賈吉來, 謝東紅, 俞曉峰 申請(qǐng)人:上海穗杉實(shí)業(yè)有限公司