盐水饱和器的制作方法

1.本发明涉及一种盐水饱和方法。更特别地，但不限于此的是，本发明涉及从例如作为氯碱方法的前体的盐水饱和中使用的液体流产生动力，特别是生成电能。本发明还涉及一种用于这种方法的装置。


背景技术：

2.对于许多使用盐溶液的工业方法，盐溶液的盐度越高越好，并且在一些情况下，溶液要饱和。这种方法之一是其中盐溶液(主要是氯化钠)经过电解的用于工业生产氯气的氯碱方法。总反应如下所示。
3.2nacl+2h2o
→
2naoh+h2+cl24.对于该方法，送入电解槽的盐溶液的浓度应该优选为尽可能高，或完全饱和。较高的盐溶液浓度可以使电解槽以较高的功率效率运行，并在每单位体积的盐溶液中获得较高的氯气产量。
5.因为这些方法同时消耗盐和水，所以必须向系统中加入新的水和盐。盐可以直接加入到耗尽的盐水流中，以增加浓度使其恢复到饱和状态，或者作为新的刚刚准备的盐水，这也给该方法带来新的水。为了将盐溶解在水中(产生新鲜盐水)或耗尽的盐水(直接补充)，使用盐水饱和器。
6.盐水饱和器可以用于提高盐水流的盐度。通常，盐水饱和器分为两类：上流式饱和器和下流式饱和器。
7.在上流式饱和器中，不饱和溶液与盐一起流入饱和器罐的底部。一个以上的流动发生器用以在饱和器罐中产生向上的液体流动。由于向上的流动，在饱和器中形成未溶解的盐的流化床，并且当不饱和溶液通过该溶液向上移动时，其变得饱和。上流式饱和器的极限通常由将盐颗粒带到表面的溶液的流速决定。
8.下流式饱和器是基于通过固体盐床的不饱和溶液的重力流动。此处，固体盐放置在罐中的砾石层上，并且不饱和溶液从罐的顶部进入。通常，要使盐溶液达到饱和，盐层的厚度必须至少有一英尺。下流式饱和器的极限是由通过盐层所能达到的流速决定。
9.提供一种更有效的盐水饱和器将是有利的。额外地或者替代地，提供一种用于盐水饱和的改进方法和/或改进的盐水饱和器将是有利的。


技术实现要素：

10.在本发明的第一方面，提供了一种盐水饱和方法，包括以下的一个以上：
[0011]-通过流过在其中盐溶解到不饱和盐水流中以产生高盐度流的盐水饱和器增加不饱和盐水流的盐度；
[0012]-例如通过流过渗透动力单元将存在于高盐度流中的潜在渗透能转化为动力(例如，电能)，渗透动力单元包括膜，在其中高盐度流在膜的一侧流过，低盐度流在膜的另一侧流过；和/或
[0013]-将从流过渗透动力单元后的高盐度流得到的输出流用作不饱和盐水流。
[0014]
对盐水饱和方法的输入和输出可以平衡以提供具有在系统的(理论)边界有恒定的体积的稳定状态的方法。对该方法的输入是(固体)盐和低盐度输入流(可称为水溶液进料流)。输出是能量(例如以来自渗透动力单元的电能的形式)和盐水流(离开渗透动力单元的方法上游的高盐度流的部分)。因此(并且不希望被理论所束缚)，认为在盐水分离器和渗透动力单元之间的高盐度流/不饱和盐水流的再循环创造了可以被视为类似于热机的溶解熵发动机。
[0015]
与例如只收集高盐度和低盐度流混合产生的熵的现有技术的渗透能量产生方法相比，本发明可以捕获由盐水发生器中的不饱和流溶解盐而产生的溶解熵的至少部分。该能量是使用渗透动力单元捕获的，该渗透动力单元产生可以全部或部分用于为盐水饱和方法提供动力的电能(或其他形式的动力，例如机械功)。在一些情况下，渗透动力单元可以产生用于其他地方的剩余的能量。可以理解的是，术语“将存在于高盐度流中的潜在渗透能转化为动力”是指收集潜在渗透能作为有用功——例如，电能或其他形式的有用功。
[0016]
额外地或替代地，因为低盐度流是用来降低高盐度流的盐度，而不是直接加入盐水饱和器的，所以可以将更多的来源用作低盐度流，只要其盐度低于高盐度流。例如，可以使用海水。
[0017]
方法包括在其中通过流过盐水饱和器增加不饱和盐水流的盐度的盐水饱和步骤，以及在其中潜在渗透能在渗透动力单元中转化为有用的形式(例如，电能)的产生动力的步骤。方法的步骤可以同时执行。
[0018]
来自盐水饱和器的高盐度流(或盐水流)的盐含量可以是任何达到饱和的值。盐含量可以是至少10％wt，优选为至少15％wt，优选为至少20％wt，特别是至少25％wt。因此，高盐度流可以是饱和盐水流。
[0019]
可以理解的是，这种盐水流可以含有多种溶解盐，其中大多为氯化钠，而“盐含量”是指总的盐含量。这种水流中存在的盐的确切性质并不重要。相似地，本文中使用的术语“(较)高盐度”和“(较)低盐度”是指具有相应“盐含量”的水流——这种水流中存在的盐的确切性质并不重要。在本说明书中，除非上下文另有要求，否则“低盐度”应理解为包括零盐度。
[0020]
相似地，可以理解的是，溶解在盐水饱和器中的不饱和盐水流中的盐可以包含多种盐，其中大多为氯化钠。
[0021]
低盐度流(或水溶液进料流)可从任何来源获得，但通常是海水，例如从河流或湖泊获得的淡水或咸水，或从工业或市政来源获得的废水(例如，方法冷凝液)。
[0022]
在渗透动力生成步骤之前，低盐度流可以经过任何必要的预处理步骤。例如，过滤以去除固体材料可以是必要的，其他传统方法也是如此，这取决于水流的性质。
[0023]
对盐水饱和步骤的输入是不饱和盐水流和盐。可以理解的是，盐是固体形式的。可以理解的是，不饱和盐水流的特性必须使得盐能溶解到不饱和盐水流中。
[0024]
盐水饱和步骤的输出是高盐度盐水流。可以理解的是，高盐度盐水流的盐度要大于不饱和盐水流的盐度。
[0025]
方法可以包括通过流过渗透动力单元将存在于所述高盐度流的第一部分中的潜在渗透能转换为动力(电能)，将所述高盐度流的第二部分用作其他工业方法(例如，氯碱方
法和/或制备道路除冰用的盐水)中的盐水流。方法可以包括将高盐度流分成第一和第二部分，其中第一部分流过渗透动力单元，并且将第二部分饱和盐水流用于生产氯气。可以将盐水流用作包括一个以上电极(例如，阳极和阴极)的电解池中的电解质，以通过电解产生氯气。
[0026]
方法可以同时包括(1)在流过渗透动力单元之前增加高盐度流的压力和(2)例如通过流过在其中压力从输出流转移到高盐度流的压力交换器来降低输出流的压力。可以是流到压力交换器的第一输出流的流速等于进入渗透动力单元的高盐度流的流速。使用这种压力交换器可以提高方法的效率。
[0027]
方法包括在其中存在于所述高盐度流中的潜在渗透能通过渗透动力单元转换为动力的渗透动力生成步骤。渗透动力单元是将潜在渗透能转换为动力(例如，电能)的单元。任何合适的渗透动力单元都可以用于本发明的方法。对渗透动力生成步骤的输入将是低盐度流和高盐度流。在流过膜(例如，在pro方法中允许水流过的半透膜，或在red方法中允许具有特定电荷的离子流过的半透膜)后，高盐度流的盐度将降低，并且低盐度流的盐度将提高。
[0028]
渗透动力单元可以包括半透膜。半透膜可以允许包含在高盐度或低盐度流中的特定原子和/或分子流过，并且阻止其他原子和/或分子通流过。因此，因为原子和/或分子在水流之间流过，从而导致水流的盐度变化，所以高盐度和低盐度流在流过渗透动力单元时可以混合。渗透动力单元可以配置为从该混合生成电能。
[0029]
渗透动力单元的输出流将从原始高盐度流得到。这种输出流可以包括原始高盐度流的至少一部分，其盐度通过流过渗透动力单元而降低。该水流用作不饱和盐水流。从高盐度流得到的输出流可以包括高盐度流(或其第一部分)和来自低盐度流的溶剂(例如，水)。如果使用pro(见下文)，就是该情况。或者，例如，如果使用red(见下文)，来自高盐度流的输出流可以包括至少一些盐的阳离子和阴离子已经被从其中去除的高盐度流(或其第一部分)。
[0030]
渗透动力单元的一个输出流可以是例如，从低盐度流得到的废料流。废料流的盐度可以具有比低盐度流高的盐度。废料流可以根据需要进行处理，例如排入邻近的海洋、河流或湖泊。根据进入邻近水体的允许排放浓度，可以改变渗透动力单元中的参数(例如，膜和/或渗透单元的数量)，直到废料流中获得允许的盐浓度。或者，废料流可以与从高盐度流得到的输出流组合，用作不饱和流。通过该方式，可以增加盐水流(离开渗透动力单元的方法上游的高盐度流的部分)的体积。
[0031]
渗透动力单元可以通过压力延迟渗透(pro)将存在于所述高盐度流中的潜在渗透能转换为电能。渗透膜可以包括允许水通过，但不允许盐通过半透膜，并且所述高盐度流在半透膜的一侧流过，低盐度流在所述膜的另一侧流过。
[0032]
pro可以是用于捕获当盐在盐水饱和器中由不饱和溶液溶解时生成的溶解能的高效并且有效的方法。额外地和/或替代地，因为水溶液进料流在到达盐水饱和器之前通过膜进行过滤，所以使用半透膜可以使用质量较低的水溶液进料流和/或去除对额外过滤步骤的需要。
[0033]
在pro方法中，半透膜用以将浓度更低的溶液(低盐度或水溶液进料流)与浓度更高的溶液(高盐度流)分开。膜通过渗透使溶剂从更低浓度的溶液(低渗透压)流到更高浓度
的溶液(高渗透压)，并且这导致膜一侧的压力增加，由于密闭空间的体积增加，溶剂扩散到这一侧。该压力可以用来生成电能。溶剂流到更高浓度的溶液也降低了该溶液的盐度。因此，在本发明中，可以通过流过渗透动力单元来降低高盐度流的盐度，从而产生可以被送回盐水饱和器的不饱和盐水流。
[0034]
用于pro的半透膜在市场上可以买到，并且可以使用任何合适的膜。可以有一个以上的膜，也可以使用不同类型的膜的组合。因此，渗透动力单元可以包含一个以上的渗透单元，每个渗透单元包含半透膜。除了至少一个膜之外，渗透动力单元还可以包括将渗透产生的压力或流量转换为电能的装置。通常，该装置是连接到生成电能机的涡轮机，但也可以使用任何合适的装置。
[0035]
该类型的渗透动力单元也可以看作熵的收集器。溶剂从低盐度流流向高盐度流，从而增加(或生成)之后使用高盐度流增加的压力来收集以例如通过涡轮机生成电能的熵。
[0036]
在半透膜用于渗透动力单元的情况下，盐水饱和器中使用的溶剂(例如，水)在用于盐水饱和器之前可以流过渗透动力单元的膜。也可以是，一旦方法开始，新的溶剂只有在流过渗透动力单元的半透膜后才会才会加入到盐水饱和器中。
[0037]
在半透膜上的一次通过的输出流具有比原来的高盐度流更低的盐度以及比原来的低盐度流更高的盐度。在平衡状态下，两股水流将具有相同的盐度，但这在实践中不太可能实现。因此，任何一个输出流都可以重复用作在同一膜上二次通过的第一水流或第二水流，或者作为第一水流或第二水流在另一个膜上流过。这些重复使用的水流可以单独使用，或与其他输入流合并使用。渗透动力生成方法可以是多步骤的方法，每个步骤都包括相对高盐度流和相对低盐度流在渗透动力单元中的膜上流过。从盐水分离器产生的水流的高浓度可以促进这种多步骤方法的使用。每个步骤可以有不同的压力和/或流量设置，这取决于每次通过的初始输入流之间的盐度差。以这种方式定制压力和/或流量设置可以提高方法的效率。只要从渗透单元的传出流具有比初始的低盐度流更高的盐度，可以操作额外的渗透单元。最佳的循环次数将取决于水流的初始含量、膜的效率和选择的流速。
[0038]
渗透动力单元可以包含一个以上的渗透单元，每个渗透单元包括膜。每个渗透单元的输出将是来自膜的第一(初始的更高盐度)侧的第一传出流和来自膜的第二(初始的更低盐度)侧的第二传出流。这些水流可以单独处理或至少部分合并。
[0039]
在方法使用压力交换器的情况下，可以是输出流的第一部分流过压力交换器，并且输出流的第二部分流过渗透动力单元中的涡轮机。在流过涡轮机的过程中，可以通过输出流的第二部分的膨胀来生成电能。输出流的第一部分可以通过压力交换器，用作不饱和盐水流流到盐水饱和器。输出流的第二部分可以通过涡轮机用作不饱和盐水流流到盐水饱和器。方法可以包括在分别流过压力交换器和涡轮机后将输出流的第一和第二部分重新组合，用作不饱和盐水流。返回到压力交换器的输出流的第一部分的流速可以等于进入渗透动力单元的高盐度流的流速。流到涡轮机的输出流的第二部分的流速可以等于在渗透动力单元的进口和出口处的低盐度流之间的流速之差。
[0040]
可以理解的是，只要施加在高盐度溶液上的压力低于渗透压差，水流就会从低盐度穿过半透膜流向高盐度流。如果饱和氯化钠用作高盐度流，渗透压可以超过400bar。
[0041]
在流过渗透动力单元之前，可以用进料泵对低盐度流进行加压。
[0042]
渗透动力单元可以通过反向电渗析(red)将所述高盐度流中存在的潜在渗透能转
换为电能。在配置为通过red产生电能的渗透动力单元中，堆叠的离子交换膜位于阳极和阴极之间。每个离子交换膜都是阳离子交换膜(允许阳离子流过而不允许阴离子流过)或阴离子交换膜(允许阴离子流过而不允许阳离子流过)。因此，每个离子交换膜都是允许带负电的离子或带正电的离子通过的半透膜。堆叠包括多个单元，每个单元(依次)包括高盐度通道、阳离子交换膜(cem)，低盐度通道和阴离子交换膜(aem)。在使用中，来自高盐度通道的阳离子流过cem进入相同单元的低盐度通道，同时来自高盐度通道的阴离子通过相邻单元的aem进入相邻单元的低盐度通道。这种离子的流动可以用以生成电流。举例来说，如果本方法的盐包括氯化钠，带正电的钠离子将从高盐度流到低盐度流流过cem，带负电的氯离子将从高盐度流到低盐度流流过aem。因此，通过流过渗透动力单元而降低高盐度流的盐度，以产生可以被送回盐水饱和器的不饱和盐水流。
[0043]
渗透动力单元可以包括阳离子交换膜和阴离子交换膜。高盐度的流经过阳离子交换膜的一侧，低盐度流经过阳离子交换膜的另一侧和阴离子交换膜的一侧。渗透动力单元可以包括布置为与多个阴离子交换膜交替堆叠的多个阳离子交换膜。堆叠可以位于阳极和阴极之间。
[0044]
red可以是用于捕获当盐由盐水饱和器中不饱和溶液溶解时生成的溶解能的高效并且有效的过程。额外地和/或替代地，与通过稀释降低高盐度流的盐度的方法相比，使用red可以减少盐水饱和方法的淡水需求。
[0045]
在本发明的第二方面，提供了一种盐水饱和系统。系统可包括配置为增加不饱和盐水流的盐度以产生高盐度流的盐水饱和器。系统可以包括配置为利用低盐度流和高盐度流之间的盐度差产生动力(例如，电能)的渗透动力单元。系统可以布置为使得来自渗透动力单元的输出流用作不饱和盐水流流到盐水饱和器，所述输出流在流过渗透动力单元后从高盐度流得到。
[0046]
渗透动力单元可以布置为使用高盐度流和低盐度流之间的盐度差通过压力延迟渗透(pro)生成电能。渗透动力单元可以包括允许水流过，但不允许溶解的盐流过的半透膜。系统可以布置为使得高盐度流在半透膜的一侧流过，低盐度水流在另一侧流过。
[0047]
渗透动力单元可以布置为使用高盐度流和低盐度流之间的盐度差通过反向电渗析(red)生成电能。渗透动力单元可以包括位于阳极和阴极之间的堆叠的离子交换膜。每个离子交换膜都是阳离子交换膜(允许阳离子流过而不允许阴离子流过)或阴离子交换膜(允许阴离子流过而不允许阳离子流过)。堆叠包括多个单元，每个单元(依次)包括高盐度通道、阳离子交换膜(cem)、低盐度通道和阴离子交换膜(aem)。
[0048]
盐水饱和器可以包括用于接收不饱和盐水流的间室。
[0049]
盐水饱和器可以是上流式饱和器。上流饱和器可以包括位于间室下部区域的进口，并且配置为这种不饱和盐水流和/或盐通过进口进入间室。上流发生器可包括配置为在间室内提供液体的向上流动的一个以上的流动发生器。流动发生器可以包括泵、喷射器、喷嘴或用于生成向上的流动的任何其他合适的装置。上流发生器可以包括位于间室中的上部区域的出口，并且配置为使得高盐度流通过出口离开间室。
[0050]
盐水饱和器可以包括下流式饱和器。间室可以配置为接收和/或包含砾石层。间室可以配置为例如在砾石层的顶部接收和/或包含盐层。下流饱和器可以包括位于间室的下部区域的出口，并且配置为使得高盐度流通过出口离开间室。下流式饱和器可以包括位于
间室的上部区域的进口，并且配置为使得不饱和盐水流通过进口进入间室。下流式饱和器可以配置为使得(初始)不饱和盐水流从进口处经砾石和/或盐层向下流向出口。下流式饱和器可以配置为使得不饱和盐水流在重力作用下向下流动。
[0051]
盐水饱和器可以组合上述有关上流式和下流式饱和器的任何特征。
[0052]
系统可以包括进料泵、压力交换器和/或与第一方面的方法有关的所述的任何其他元件。
[0053]
在本发明的第三方面，提供了一种包括根据第二方面的动力产生系统的生产氯气的系统。氯气可以使用氯碱方法生产。第三方面的系统可以进一步包括配置为从盐水的电解中生产氯气的至少一个电解池，其中，系统布置为使得电解池从盐水饱和器接收高盐度流的至少一部分，用作电解池的电解质。
[0054]
因为不饱和盐水流(以及由此产生的盐水流)由于流过渗透动力单元而含有较少的杂质，从而提高了氯碱方法的效率和/或减少或消除在氯碱方法中使用前对盐水进行额外过滤/处理的需要，所以在氯气生产中使用根据第二方面的系统可以是特别有利的。
[0055]
电解池可以包括允许阳离子(例如na
+
)流过，但不允许阴离子(例如oh-)流过的离子选择膜，反之亦然。电解池可以包括阳极和阴极，例如位于离子选择膜的每一边。在盐水用于生产氯气的情况下，盐可以主要是氯化钠。氯碱方法是众所周知的工业方法，方法的操作也为技术人员所理解。
[0056]
可以理解的是，虽然方法在本文中称为盐水饱和方法，但它也是生成动力或生成电能的方法，并且可以这样称呼。相似地，虽然设备称为盐水饱和系统，但它也是生成动力和/或生成电能的系统，并且可以这样称呼。可以理解的是，本发明的方法可以描述为生成动力的方法，因为渗透动力单元将潜在渗透能以有用的形式收集。可以理解的是，本发明的方法可以描述为电能生成的方法，因为渗透动力单元产生电能。可以理解的是，产生的电量将根据方法参数而变化。渗透动力单元可以提供足够的电能以为盐水饱和方法提供动力，并且提供剩余的电能用于其他地方，或者只提供足够的电能为盐水饱和方法提供动力，或者除了渗透动力单元提供的电能外，还需要外部电源来运行盐水饱和方法。
[0057]
当然，可以理解的是，本发明的一方面所描述的特征可以并入本发明的其他方面。例如，本发明的方法可以并入参照本发明的设备所描述的任何特征，反之亦然。
附图说明
[0058]
现在将仅以举例的方式参考附图描述本发明的实施方式，其中：
[0059]
图1示出根据本发明的示例方法；
[0060]
图2示出图1的方法的变体；
[0061]
图3示出图1的方法的变体；
[0062]
图4示出适用于图1方法的渗透动力单元；
[0063]
图5示出适用于图1或图7的方法的(a)下流式盐水饱和器和(b)上流式盐水饱和器；
[0064]
图6示出适用于图1或图7的方法的电解池；
[0065]
图7示出根据本发明的第二示例方法；并且
[0066]
图8示出适用于图7的方法的渗透动力单元。
具体实施方式
[0067]
在许多情况下，必须将固体溶解到溶液中。在该方法中，锁定在固体中的原子或分子将与溶剂相互作用，并作为溶解类型移出到溶液中。从由固体和溶剂两个相对纯净的相组成的系统转变为混合溶液，将导致熵的增加。
[0068][0069]
根据固体和固体、溶剂和溶剂以及固体和溶剂之间相互作用的能量的相对差异，焓可以增加、减少或保持不变，因为热量从系统中加入或移除，所以这能够导致熵的进一步变化。只要熵的净变化是增加的，溶解方法将是自发的。
[0070]
熵的生成是以gibbs自由能的形式存在的，在这种情况下称为混合能，由以下公式描述：
[0071][0072]
其中，g
mix
是混合的gibbs自由能，r是气体常数，t是绝对温度，xi是类型“i”的摩尔分数，ai是类型“i”的活性，φa和φb分别是溶液a和b的摩尔数与系统中总摩尔数之比，并且溶液m是溶液a和b的混合。
[0073]
可以用来提取混合能量的一种方法是压力延迟渗透，但可以使用能够利用混合能量的任何方法。
[0074]
图1示出根据本发明的实施方式的示例盐水饱和方法。不饱和盐水15进入其与固体盐10混合以产生饱和溶液11的水流(下文的饱和流11)的盐饱和器5。在其他实施方式中，离开盐饱和器5的溶液可以低于饱和。在一些实施方式中，盐饱和器5是上流式饱和器或下流式饱和器，或上流式和下流式饱和器的元件的组合。输出流13从饱和流11中分离出来，并且送去进一步处理，而饱和流11的剩余部分被送到渗透动力单元20(图1中用虚线框表示)，在本实施方式中，渗透动力单元20使用pro生成电能。
[0075]
在进入渗透动力单元20时，压力交换器1将饱和流11加压到低于饱和流11的渗透压的压力。然后，饱和流11流到半透膜2的一侧。进料泵4用以将盐度低于饱和流11的进料溶液12用泵输送到膜的另一侧。可选地，进料溶液12在流到半透膜2之前可以经过各种预处理步骤。由于渗透压梯度，进料溶液12中的水渗透到半透膜2，并与饱和流11混合，以产生可以从饱和流11得到的稀释的出口水流18。没有渗透到半透膜2的进料溶液12作为浓缩进料溶液14离开渗透动力单元。稀释的出口水流18分成两部分；第一水流18a流到压力交换器1，第二水流18b流到电能生成装置3。在一些实施方式中，电能生成装置3是涡轮机，在其他实施方式中可以使用其他装置。在流过压力交换器1和电能生成装置3后，第一和第二水流18a、18b作为不饱和盐水15重新组合，并流到盐饱和器5。浓缩的输出流14被适当地处理。由于水从进料溶液12流向饱和流11，因此，来自膜2的出口水流18的流速大于进入膜的饱和流11的流速。回到压力交换器1的第二部分18a的流速等于饱和流11在进入压力延迟渗透单元20时的流速，而进入涡轮机3的水流的流速等于通过膜的渗透流速，其等于进料溶液12和浓缩进料溶液14之间的流速差。
[0076]
在一些实施方式中，水流13被送到氯碱方法的电解池16中使用，以生产氯气17。在其他实施方式中，水流13可以用于任何其他需要盐水流的工业方法(例如制备用于道路除
冰的盐水)。
[0077]
在一些实施方式中，浓缩的进料溶液14可以与涡轮机3下游的不饱和盐水15混合，从而增加作为水流13产生的盐水的体积。
[0078]
根据本示例实施方式的方法和系统通过压力延迟渗透单元向盐水饱和器中加入水。因此，在溶解方法中释放的熵的一部分可以被捕获并用于生成动力。因为水是通过半透膜加入的，所以任何杂质都可以被拒绝，其程度与使用反渗透的程度相同，从而确保加入盐水饱和器的水具有很高的纯度。该方法固有的水过滤可以省去作为进料流的预处理的像反渗透、离子交换或蒸发器这样的水净化设备。固有的过滤可以使不同的废水(例如，方法冷凝水和冷却水)使用并循环到方法中，从而节省资源。根据本示例实施方式的方法也可以允许使用更多的进料流来源，只要进料流具有比饱和流和稀释的出口水流低的盐度。例如，可以使用海水。
[0079]
在本实施方式中，压力延迟渗透系统是基于使用压力交换器1对水流11进行加压，这使得系统的效率总体提高，并且因此产生的净能量更大。在其他实施方式中，压力交换器可以不存在，或者水流11可以以其他方式加压。
[0080]
图2示出图1的方法的变体的一部分，其中渗透动力单元5包括串联的多个渗透单元19a、19b和19c。相同的元件用相同的附图标记来表示。此处将仅讨论图2实施方式中与图1实施方式不同的那些元件。每个渗透单元19a、19b和19c包含允许水流过但不允许盐流过的半透膜(未示出)。进料流12分成三个水流，12a、12b、12c，每个水流都进入渗透单元19a、19b、19c中各不不同的一个。原始的高盐度流11在第一单元19a的半透膜的一侧流动，而从原始的低盐度流12获得的低盐度流12a在另一侧流动。从低盐度流12a得到的来自渗透单元19a的输出流14a被适当地处理。具有低于原始输入流11的盐含量的来自渗透单元19a的输出流11a被送入第二渗透单元19b，在该处其流过半透膜的一侧。从水流12获得的相对低盐度的第二输入流12b在另一侧流动。尽管水流11a和12b之间的盐度差低于水流11和12a之间的盐度差，但仍然存在盐度差，并且可以通过渗透生成电能。从盐度较低的水流12b得到的来自渗透单元19b的输出流14b被适当地处理。具有低于原始输入流11，也低于水流11a的盐含量的来自渗透单元19b的输出流11b被送入第三渗透单元19c，在该处相对低盐度水的进一步输入流12c流过半透膜的另一侧。尽管水流11b和12c之间的盐度差低于水流11和12a之间或水流11a和12b之间的盐度差，但仍然存在盐度差，并且可以通过渗透生成电能。从更低盐度的水流12c得到的来自渗透单元19c的输出流14c被适当地处理。图2方法的输出流是从进料溶液12得到的水溶液出口流14a、14b、14c和从饱和溶液11得到的稀释的输出流11c。输出流11c可选地通过如上文与图1有关的讨论的压力交换器被回收到盐水饱和器(图2中未示出)。
[0081]
图3示出在其中提供了相对低盐度水的输入流12a、12b和12c作为分开的输入流的图2的变体，每个输入流都经过一个以上的预处理步骤(未示出)。此处将仅讨论图3实施方式的与图2实施方式不同的那些元件。
[0082]
在图3的系统中，输出流也以不同的方式处理。来自渗透单元19a的出口水流14a和11a合并，并且合并后的水流的至少一部分作为输入流22提供给渗透单元19b。合并后的水流22将具有低于原始输入流11的盐含量，并且虽然水流22和水流12b之间的盐度差低于水流11和12a之间的盐度差，但仍有盐度差，并且可以通过渗透生成电能。相似地，来自渗透单
元19b的出口水流14b和11b合并，合并后的水流的至少一部分作为输入流23提供给渗透单元19c。
[0083]
可以理解的是，图2和图3示出由三个渗透单元19组成的渗透动力单元20，每个渗透单元都包含半透膜，但也可以使用任何合适数量的单元，该选择由技术和经济因素的组合决定。通常，盐水流1的初始盐度越高，可以使用的渗透单元的数量越多。
[0084]
图4示出渗透动力单元20(例如，图1中使用的类型)的更多细节。盐水流31(例如，可以是图1中的饱和流11)流到包含允许水流过但不允许盐流过的半透膜30的渗透单元29，并在膜30的一侧流动。盐度比水流31(例如，图1中的进料流12)低的水溶液33进入渗透单元29并且在膜30的另一侧流动。箭头示出水穿过膜30通过渗透运输的方向。从原始输入流33得到并且现在包含更高浓度的盐的输出流35(例如，图1中的水流14)离开渗透单元29。由原始输入流31组成并且现在包含更低浓度的盐(例如，图1中的输出流18)的输出流36通过驱动发电机38从而产生电能的涡轮机37离开渗透单元29。
[0085]
图5(a)示出下流式盐水饱和器5的更多细节，其类型适合用作图1或图7的盐水饱和器。罐40包括位于罐40上部区域的入口41和位于罐下部区域的出口42。在进口41和出口42之间的位置，砾石床43延伸穿过罐40的宽度。盐层44延伸穿过砾石床43的顶部。在使用中，不饱和盐水流45(例如图1中的不饱和盐水流15)通过进口41进入罐40的顶部，并且在作为饱和盐水流46(例如，高盐度流11)通过出口42离开罐40之前，在重力作用下向下流过盐层44和砾石床43。盐层44中的盐在流过时溶解到不饱和盐水流45中，从而增加水流的盐度。只要盐层44有适当的厚度，盐水流在到达出口42时就饱和了。
[0086]
图5(b)示出上流式盐水饱和器的更多细节，其类型适合用作图1或7的盐水饱和器。罐40包括位于罐40下部区域的进口41和位于罐上部区域的出口42。多个流动发生器47(例如，连接到泵(未示出)的喷嘴和/或喷射器)位于罐40的底部。在使用中，盐和不饱和盐水流45(例如，不饱和盐水流15)通过进口41进入罐40的底部，并且在罐的下部区域与盐形成流化床。随着盐溶解到水流45中，溶液的浮力和流动发生器46的作用使更多的高饱和溶液向上升起，形成通过出口42离开罐40的饱和盐水流46。
[0087]
图6示出电解池50的更多细节，其类型适合用作图1或图7的电解池。电解池50由离子选择膜53分成第一间室51和第二间室52。阴极54位于第一间室51，阳极55位于第二间室52。每个间室51、52具有流体进口56、流体出口57和气体出口58。在使用中，盐水63(主要包括作为盐的氯化钠)分别通过第一间室的流体进口56和流体出口57进入和(以降低的盐度)离开。水59通过流体进口56进入第二间室52。离子选择膜53允许带正电的钠离子流过，但阻止其他带负电的离子(包括氢氧化物和氯气)流过。在阴极54和阳极55之间施加电压，使钠离子流过膜，并且在第一腔室51中产生氯气30，氯气30通过气体出口58离开。同时，在第二腔室52中产生氢气61(通过气体出口58离开)和氢氧化钠62(通过液体出口56离开)。除了此处描述的用于氯碱生产的膜电池方法外，还可以使用隔膜电池(其中阳极与阴极被可渗透的隔膜分离)和汞电池(其中钠在阴极与汞形成汞合金，然后在分解器中分离以产生氢气和苛性钠溶液)方法。
[0088]
在图1的实施方式中，使用了pro渗透动力单元。在其他实施方式中，可以使用red渗透动力单元以通过反向电渗析从饱和或高盐度流和进料流之间的盐度差生成电能。图7示出这种系统的示例。此处将仅讨论图7实施方式与图1实施方式不同的那些元件。在图7
中，半透膜2被阳离子交换膜2a和阴离子交换膜2b取代。图7中没有涡轮机3。至于图1，与饱和流11相比，输出流18的盐度降低，与进料流12相比，废液流14的盐度增加。然而，在图7中，这是因为带正负电荷的离子(例如，钠离子和氯离子)已经从饱和流11流到进料流12。该穿过阳离子交换膜2a和阴离子交换膜2b的运动生成电荷。图7的系统中没有压力交换器。
[0089]
根据本示例实施方式的方法和系统提供了在盐水饱和器和red渗透单元之间的高盐度流/不饱和盐水流的再循环，在流回盐水饱和器之前使用渗透单元降低水流的盐度。因此，溶解方法中释放的熵的一部分可以被捕获并用于生成能量。该再循环(即，盐水饱和器进料的封闭特性)可以保持不饱和盐水流的纯度，从而减少和/或去除过滤的需要，和/或可以允许使用更多的进料流来源，只要进料流具有低于饱和流和稀释的出口水流(特别是因为进料流不混入盐水饱和器进料)的盐度。例如，可以使用海水。
[0090]
图8示出渗透动力单元20的更多细节，例如图7中使用的类型。渗透动力单元20包括由阳离子交换膜75和阴离子交换膜76交替组成的堆叠70。堆叠70位于阴极79(在图8的左边)和阳极80(在图8的右边)之间。盐水流71(例如，可以是饱和流11)在允许阳离子(例如，钠离子)而不是阴离子(例如，氯离子)流过的每个阳离子交换膜75(图7中水流71的左边)和阴离子交换膜76(图8中水流71的右边)之间流动。盐度比水流71(例如，进料流12)低的水溶液流73在每个阳离子交换膜75和阴离子交换膜76的另一侧流动。因此，有一系列交替的盐水流71和水溶液流73流过堆叠70。为了清楚起见，图8中只示出四个膜，但堆叠可以包括更多的膜。箭头示出钠离子在阳离子交换膜75中的传输方向和氯离子在阴离子交换膜76中的传输方向。该阳离子和阴离子在膜之间运动生成电流。从原始输入流73得到并且现在包含更高浓度的盐的输出流77(例如，图7中的水流14)离开渗透动力单元70。由原始输入流71组成的输出流78并且现在含有更低浓度的盐(例如，图7中的输出流18)离开渗透动力单元70。
[0091]
与渗透动力系统组合的盐水饱和器能量输出取决于具体的配置。使用混合能量的方程式可以表明，可以示出每生产一立方米盐水的能量势可以高达9kwh，相当于每消耗一吨的nacl的29kwh。因为组件的效率将限制可用于提取的能量，所以并非所有这些能量都能被提取。对于pro系统，众所周知的是，最佳的操作压力是200bar。下面的表1示出可以与传统盐水饱和器的性能进行比较的图1的系统的平衡情况。
[0092]
假设进料泵(4)的效率为0.7，能量产生装置(3)的效率为0.84，并且能量回收装置(1)的效率为0.95，图1中说明的系统在80bar下运行，每生产一立方米盐水可生成1.3kwh，或每消耗一吨nacl可生成4.2kwh，而在200bar下运行的系统每立方米盐水将生成3.5kwh，或每吨nacl生成11.4kwh。对于年消耗量为1,000,000吨nacl的氯碱设备，这相当于每年4.2-11.4gwh的能量势。
[0093]
相比之下，标准的盐水饱和器每年具有0gwh的能量势。
[0094][0095]
虽然本发明已经参照特定的实施方式进行了描述和说明，但本领域的一般技术人员将理解的是，本发明可以有许多不同的变化，而在本文中没有具体说明。
[0096]
在上述描述中，如果提到的整数或元件有已知的、明显的或可预见的等同物，那么这些等同物就像单独描述的一样并入本文。在确定本发明的真正范围时，应参考权利要求书，其应被解释为包括任何此类等同物。读者也将理解的是，被描述为优选的、有利的、方便的等本发明的整数或特征是可选的，并不限制独立的权利要求的范围。此外，应该理解的是，这种可选的整数或特征，尽管在本发明的一些实施方式中可能有优点，但在其他实施方式中可能不可取，因此在其他实施方式中可以不存在。

技术特征：
1.一种盐水饱和方法，包括以下步骤：-通过流过盐水饱和器增加不饱和盐水流的盐度，在所述盐水饱和器中盐溶解到所述不饱和盐水流中以产生高盐度流；-通过流过渗透动力单元将存在于所述高盐度流中的潜在渗透能转化为动力，所述渗透动力单元包括膜，在所述膜中，所述高盐度流在所述膜的一侧流过，低盐度流在所述膜的另一侧流过；并且其特征在于，所述方法还包括：-将从流过所述渗透动力单元后的所述高盐度流得到的输出流用作所述不饱和盐水流。2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过流过所述渗透动力单元将潜在渗透能转换为电能。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法包括使所述高盐度流的第一部分流到所述渗透动力单元；所述高盐度流的第二部分从所述方法输出。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述高盐度流的第二部分用于生产氯气。5.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述高盐度流的第二部分用作配置为通过电解生产氯气的电解池中的电解质。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下两个步骤：(i)在流过所述渗透动力单元之前，增加所述高盐度流的压力；以及(ii)通过流过压力交换器降低所述输出流的压力，在所述压力交换器中压力从所述输出流转移到所述高盐度流。7.根据权利要求4所述的方法，还包括使所述输出流的第一部分流过所述压力交换器，并且使所述输出流的第二部分流过涡轮机，在所述涡轮机中通过所述输出流的膨胀生成电能。8.根据权利要求5所述的方法，在分别流过所述压力交换器和所述涡轮机后，还将所述输出流的第一部分和第二部分重新组合，以用作所述不饱和盐水流。9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，流到所述压力交换器的所述输出流的第一部分的流量等于进入所述渗透动力单元的所述高盐度流的流量。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，渗透动力膜包括允许水通过但不允许盐通过的半透膜，并且其中，所述高盐度流在所述半透膜的一侧流过，所述低盐度流在所述膜的另一侧流过。11.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述渗透动力单元包括阳离子交换膜和阴离子交换膜，并且其中，所述高盐度流在所述阳离子交换膜的一侧和所述阴离子交换膜的一侧流过，所述低盐度流在所述阳离子交换膜的另一侧和所述阴离子交换膜的另一侧流过。12.一种盐水饱和系统，包括：-盐水饱和器，配置为增加不饱和盐水流的盐度以产生高盐度流；以及-渗透动力单元，配置为使用低盐度流和所述高盐度流之间的盐度差产生动力；并且其中，所述系统布置为使得来自所述渗透动力单元的输出流流到所述盐水饱和器以用作所述不饱和盐水流，所述输出流从流过所述渗透动力单元的所述高盐度流得到。13.根据权利要求12所述的盐水饱和系统，其中，所述渗透动力单元配置为使用所述低
盐度流和所述高盐度流之间的盐度差生成电能。14.根据权利要求13所述的盐水饱和系统，其中，所述渗透动力单元布置为通过压力延迟渗透(pro)生成电能。15.根据权利要求13所述的盐水饱和系统，其中，所述渗透动力单元布置为通过反向电渗析(red)生成电能。16.根据权利要求12至15中任一项所述的盐水饱和系统，其中，所述盐水饱和器配置为产生高盐度流，所述高盐度流为饱和盐水流。17.一种用于生产氯气的系统，包括根据权利要求12至16中任一项所述的盐水饱和系统以及配置为从盐水的电解中生产氯气的至少一个电解池，其中，所述系统布置为使得所述电解池从所述盐水饱和系统接收所述高盐度流的至少一部分。

技术总结
公开了一种盐水饱和方法。该方法包括通过流过在其中盐溶解到不饱和盐水流(15)中以产生高盐度流(11)的盐水饱和器(5)增加不饱和盐水流(15)的盐度；然后通过流过渗透动力单元(20)将存在于所述高盐度流(11)中的潜在渗透能转换为动力。该方法进一步包括将从流过渗透动力单元(12)的高盐度流(11)得到的输出流用作不饱和盐水流(15)。作不饱和盐水流(15)。作不饱和盐水流(15)。


技术研发人员：H
受保护的技术使用者：盐动力控股有限公司
技术研发日：2021.05.25
技术公布日：2023/5/11