受控梯度、加速蒸汽再压缩装置和方法.pdf

本发明提供了一种加速蒸汽再压缩装置(10)，所述装置通过形成保持包含溶解的固体的液体(23)的储罐(30)内的浓度分布(146)而将进入流(35a)转变为浓缩物(35c)。所述分层液体(23)诸如盐水(23)或其他材料(23)的所得饱和温度曲线(160)偏离对应于充分混合条件的曲线(162)。在来自加热器(70)或压缩机(50)的能量未增加的情况下，饱和温度的所述偏移(174，180)导致沸腾增加。本发明提供了一种控制所述系统的方法(90，200)，所述方法在不同的控制层次(92，94，96，98)下提供干预(203，204，205，206)，所述干预从质量流量(35)到压缩机(50)的功、来自加热器(70)的热量以及对用于在算法上控制命令(216)的反馈(217)的预测处理(215)。

权利要求书
1.  一种用于改善蒸汽再压缩过程的方法，所述方法包括：
选择一种过程，所述过程包括可组合为子单元来实施所述过程的多个操作；
测定溶解于所述蒸汽源中的材料的浓度分布；
通过评估具有一组操作参数的所述多个操作中的至少一个操作来确定对所述浓度分布的影响；
基于所述评估，从所述多个操作中选择目标操作；
选择用于控制所述目标操作的控制参数；以及
通过修改所述控制参数操纵所述浓度分布，其中所述控制参数选自质量流量、机械功、热能、热惯性、其变化率以及它们的组合。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中所述评估包括依次评估在所述过程中移动液体的泵、压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机以及对所述源加热的加热器。

3.  根据权利要求1所述的方法，其中：
所述评估包括依次评估在所述过程中移动液体的泵、压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机、对所述源加热的加热器以及所述源的所述响应时间。

4.  根据权利要求1所述的方法，其中所述评估包括依次循序评估：
首先，用于在所述过程中移动液体的泵；
其次，用于压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机；以及
第三，用于对所述源加热的加热器。

5.  根据权利要求1所述的方法，其中所述评估包括依次循序评估：
首先，在所述过程中移动液体的泵；
其次，压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机；以及
第三，对所述源加热的加热器。

6.  根据权利要求1所述的方法，其中所述依次循序评估还包括第四步：评估所述移动、所述压缩和所述增加中的至少一者的变化率。

7.  根据权利要求1所述的方法，还包括分析所述进料的其中至少一种组分、所述组分的时间变化、供应源和递送机制。

8.  根据权利要求1所述的方法，还包括修改与泵、压缩机、加热器及它们的组合中的至少一者相对应的控制。

9.  根据权利要求1所述的方法，还包括设置传感器，以检测与所述过程内的一种操作对应的温度、压力、流量、功率和浓度中的至少一者。

10.  根据权利要求1所述的方法，还包括测定选自压力、温度、风、湿度及它们的组合的环境条件。

11.  根据权利要求1所述的方法，其中所述评估还包括测定基本上所有进入所述过程的能量输入和来自所述过程的能量输出。

12.  根据权利要求11所述的方法，还包括平衡基本上所有进入所述过程的能量输入和来自所述过程的能量输出。

13.  根据权利要求1所述的方法，还包括增加能量回收操作，所述能量回收操作提供相对于至少一个所述操作的能量传递。

14.  一种用于改善蒸汽再压缩过程的方法，所述方法包括：
选择一种过程，所述过程包括用于实施所述过程的多个操作；
测定所述蒸汽源中的组分的浓度分布；
通过评估具有一组操作参数的所述多个操作中的至少一个操作来确定对所述浓度分布的影响；
基于所述评估，从所述多个操作中选择目标操作；
选择用于控制所述目标操作的控制参数；以及
通过修改所述控制参数操纵所述浓度分布，其中所述控制参数表征与质量流量、机械功、热能、热惯性以及它们的组合中的至少一者相对应的值、所述值的变化率或所述值的变化率的变化率。

15.  根据权利要求14所述的方法，其中：
所述评估还包括依次评估在所述过程中移动液体的泵、压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机、对所述源加热的加热器以及所述源的响应时间。

16.  根据权利要求14所述的方法，其中所述评估依次包括评估在所述过程中移动液体的泵、压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机以及对所述源加热的加热器。

17.  根据权利要求14所述的方法，其中所述评估包括依次循序评估：
首先，用于在所述过程中移动液体的泵；
其次，用于压缩来自所述源的所述蒸汽的压缩机；以及
第三，用于对所述源加热的加热器。

18.  根据权利要求17所述的方法，其中所述依次循序评估还包括第四步：评估所述移动、所述压缩和所述增加中的至少一者的变化率。

19.  根据权利要求18所述的方法，还包括分析所述进料的至少一种所述组分、所述组分的时间变化、供应源和递送机制。

20.  根据权利要求19所述的方法，还包括修改与泵、压缩机、加热器及它们的组合中的至少一者相对应的控制。

21.  根据权利要求20所述的方法，还包括设置传感器，以检测与所述过程内的一种操作对应的温度、压力、流量、功率和浓度中的至少一者。

22.  根据权利要求21所述的方法，还包括测定选自压力、温度、风、湿度及它们的组合的环境条件。

23.  根据权利要求22所述的方法，其中所述评估还包括测定基本上所有进入所述过程的能量输入和来自所述过程的能量输出。

24.  根据权利要求23所述的方法，还包括平衡基本上所有进入所述过程的能量输入和来自所述过程的能量输出。

25.  根据权利要求24所述的方法，还包括增加能量回收操作，所述能量回收操作提供相对于至少一个所述操作的能量传递。

说明书受控梯度、加速蒸汽再压缩装置和方法
1.相关专利申请
本专利申请要求题为“受控梯度、加速蒸汽再压缩装置和方法”的、共同待审的美国专利申请序列号No.13／372,182的权益，该共同待审的美国专利申请要求题为“受控梯度蒸汽再压缩系统”的、于2011年2月15日提交的共同待审的美国临时专利申请序列号No.61／443,245的权益，并且这两项专利申请全文均以引用方式并入本文。
2.技术领域
本发明涉及热传递，更具体地讲，涉及蒸汽再压缩的新型系统和方法。
3.背景技术
热回收是热电联产电厂的基础。同样，许多食品和饮料工艺为了节约成本而要求热回收。同时，海水淡化装置、糖加工、蒸馏系统等等依靠潜热的回收，使净能量需求最小化。热量可通过重加热、预热或者以其他方式通过热交换器系统将出口气流的热量交换到进入气流中来回收。
作为热回收的一种方法，蒸汽再压缩以多种形式使用。例如，在食品加工、工业废料处理、采油盐水处理等中，蒸汽再压缩依靠常规热交换器和技术来交换热、蒸发液体并冷凝馏出物。溶解物质(特别是溶解固体)的化学组成以及各种离子等等会造成能量损失并损害加工设备的能量交换。
例如，石油开采会导致相当多的水泵送到表面。该水通常包含一定量的烃、盐、甲烷、氨、微量元素或它们的组合。因此该水不能未经处理就排放到其他水流中。同时，通过输运、再回注、或经塘或锅炉蒸发进行处置较昂贵。
工业废料处理、食品与饮料工业中的蒸馏过程等等有类似(如果不总是那么严重的话)的问题。即使最新的方法例如蒸汽再压缩和多效蒸馏，面临腐蚀、积垢、结垢，如此等等的问题时，在效率、能量收支和设备维护方面也是举步维艰。需要更好的系统来进行热回收和再利用。
发明内容
考虑到上述情形，根据本文具体体现和宽泛描述的本发明，一种方法和装置在本发明的一个实施例中公开为包括受控的材料梯度，例如在沸腾液柱例如盐水中的总溶解固体(TDS)。相邻柱包含在增大的压力下的冷凝蒸汽。通过控制质量流量、功、热量等等，以及基于平衡质量、功、能量及其变化率预测性地感测和控制，来实现液体的高热传递系数和有效分层稠化，所述变化率包括变化率的变化率(值的二阶导数)。
在根据本发明的方法的一个实施例中，系统可通过提供进料并且以池的形式容纳进料进行操作，所述进料包含含有第一物质的液体，所述第一物质不同于所述液体并溶解于其中。至少部分地浸入池中的芯可以与其热量互通，并且被密封而不与其直接流体连通。
可以通过将池中产生的蒸汽回收成芯内的冷凝物来建立浓度分布，从而反映第一物质在池中池顶和池底液位之间的浓度变化。通常，容纳进料的容器选自塘、储罐、河口和器皿，并且池相对于进料是不活动的。
所述芯还可包括与池热量互通、与其间接流体连通、以及被密封而不与其直接流体连通的封闭通道，所述通道可以被取向成使蒸汽和冷凝物沿垂直方向流动。可通过选择芯在操作中的姿态，控制含有第一物质的组合物的累积。
芯内的池部分可参与有限空间内沸腾，并且通过建立热量从芯到池中的交换而产生分布(其可以被看作梯度，但不必是单调的或线性的)。芯内液体的相的变化通过限制于其中，使液体在从芯的热传递过程中蒸发。
可通过设置多个隔板并选择用于在其间在至少两个维度封闭池的一部分的其间的间距，进行浓度分布优化。例如，这可包括设置多个隔板并选择用于在其间在至少两个维度封闭池的一部分的其间的间距。间距可基于进料的特性。
所述方法可包括基于进料的特性选择以下各项中的至少一者：多个隔板的隔板之间的间距、芯中的隔板的数量、隔板的尺寸、芯的材料、芯的姿态、隔板的其他特性、芯在池中的位置、以及它们的组合。
系统和方法的操作建立了邻近芯并且含有浓度分布中绝大部分变化的活动区，并建立了活动区下方的捕集区，该捕集区基本上被排除将液体交换进活动区内。
可通过将芯完全浸入池，并改变浓度分布来控制或改变芯的有效核态沸腾区，从而进行热传递优化。改变池中的温度分布可通过增加与池上压力变化相对应的热量来进行，并且可与压缩机所做的功平衡，从而在一组所需条件下获得稳定性。
在根据本发明的方法的一个实施例中，过程可包括通过基于第一区域上的压力的变化增加热量，从而改变第一区域中的温度分布。改变芯的沸腾区可通过改变浓度分布来进行，改变浓度分布可用于改变液体的有效饱和温度、压力或这两者。池可相对于进料静止，这意味着流速通常相对较慢，仅局部而非总体出现湍流。
根据本发明的装置的一个实施例，可包括适于接纳进料的容纳装置，所述进料包含含有第一物质的液体，所述第一物质不同于所述液体并溶解于其中。容纳装置可被构成为以具有液位和底位的池形式容纳一批进料。芯可以至少部分地浸入池中以与其热量互通，并且被密封而不与其直接流体连通。
用于处理池的装置可产生浓度分布，反映池中第一物质在液位和底部之间的浓度变化。该处理装置还可包括将池中产生的蒸汽回收成芯内的冷凝物的压缩装置，并且可包括用于增加热能进池的加热装置(例如加热器)。处理装置可包括压缩机，其为用于将池中产生的蒸汽回收成芯内的冷凝物的回收装置的一个实施例。
容纳装置可选自塘、储罐、河口、器皿等等。芯可包括与池热量互通、与其间接流体连通(如以便接纳蒸汽)、及被密封而不与其直接流体连通的封闭通道。芯是可移动的，用于相对于容纳装置移动。当芯参与有限空间内沸腾时，可采用移动来调整芯的隔板之间的间距。移动芯可包括改变其取向、改变封闭通道之间的间距等等。
在根据本发明的装置的一个实施例中，在被构成为适用于配置为流体的介质的热交换器时，热交换器可包括入口、出口和表面。表面可包括外表面和内表面，它们限定与入口和出口流体连通的内部体积。
所述表面可由选择为具有耐热性的材料构成，以便优化从内部体积到介质(流体)的热传递。所考虑的材料性质可包括有效保持表面的几何结构完整性、在包含介质的环境中有效稳定、在介质沸腾过程中有效对其核化最小化或具有上述有效性之组合的热膨胀系数。
入口可将紧贴外表面产生的回收蒸汽传导到内部体积中，外表面在与介质接触时将热量从内部体积传导到由外表面形成的界面层中。例如，材料可选自金属、聚合物、复合物以及它们的组合。一种合适的聚合物为碳氟聚合物，例如四氟乙烯(如，聚四氟乙烯)。
材料可选择为相对于介质具有化学惰性且非反应性的。其还可选择为使介质中产生的化合物的累积最小化。
用于改善蒸汽再压缩过程的方法可包括选择一个包括可组合为子单元来实施该过程的多个操作的过程。测定溶解于蒸汽源中的材料的浓度分布可与测定对浓度分布的影响结合进行。这可通过评估具有一组操作参数的多个操作中的至少一个操作来进行。
从多个操作中选择目标操作可基于该评估。若选择了用于控制目标操作的控制参数，则通过修改控制参数便可以开始操纵浓度分布。对于某些实施例，控制参数可选自质量流量、机械功、热能、热惯性、其变化率以及它们的组合。在其他实施例中，可考虑更大的群组。
评估可包括依次评估在过程中移动液体的泵、压缩来自源的蒸汽的压缩机、以及对源加热的加热器。不必包括比那些措施更多的措施，但可包括评估源的响应时间(如，热惯性)。
在一个实施例中，评估还可为顺序地并按照首先，用于在过程中移动液体的泵、第二为用于压缩来自源的蒸汽的压缩机、第三，用于对源加热的加热器的次序进行。这些可在实际移动液体、压缩来自源的蒸汽和对源加热时进行评估。
所述方法可包括对于进料分析其中的组分、组分的时间变化、供应源、递送机制等中的至少一者。所述方法可包括修改与泵、压缩机、加热 器及它们的组合中的至少一者相对应的控制。其还可包括设置传感器检测与过程内的操作相对应的温度、压力、流量、功率和浓度中的至少一者。其可有利地包括测定选自压力、温度、风、湿度及它们的组合的环境条件。
评估可包括测定基本上所有(或所有)进入过程的能量输入和来自过程的能量输出。因此所述方法可包括平衡基本上所有进入过程的能量输入和来自过程的能量输出。其可增加能量回收操作，对于至少一个操作提供能量传递。
附图说明
根据结合附图作出的下列说明和所附权利要求书，本发明的上述和其他目标与特征将变得更充分明显。应理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应认为是对其范围的限制，本发明将通过利用附图以附加特征和细节进行描述，其中：
图1为根据本发明的受控梯度、蒸汽再压缩系统的示意性框图；
图2A为图1的系统的实施用于关键装置的操作以及参数的传感器和控制器的示意性框图；
图2B为控制系统的示意性框图，示出了最内和最外的控制层次；
图2C为用于根据本发明检测储罐中液位而不会受到来自湍流表面活动的干扰的机构的示意图；
图3为图1-2的系统的部件选择配置的多种实施例的示意图；
图4为根据图1的装置和方法的储罐内的芯的示意图，示出了热量与盐水对流过程的活动；
图5为图表，示出了储罐的液位与出口位之间的图1的系统的储罐中的总溶解固体之间的关系；
图6为曲线图表，示出了在图1的系统中图5的以储罐的浓度梯度或密度梯度表示的归一化总溶解固体增加；
图7A为随图5的储罐中的高度而变化的温度图表，所述储罐在图1的系统中配备有图4的芯；
图7B为支配不纯液体例如生产盐水的饱和温度的拉乌尔定律的说明；
图7C为克劳修斯-克拉佩龙方程的说明，该方程描述了随着对蒸汽的压力增加，在整个压缩机中该蒸汽的温度变化；
图7D为含有多种气体的器皿中的道尔顿分压定律的说明；
图7E为亨利定律的说明，该定律支配吸收的不凝性气体的浓度随处于平衡的液体上的那些气体的压力贡献的变化；
图8为根据图1-7的装置的一个实施例的透视图；
图9为表示实验中的输入变量的表，其中在根据本发明的装置和方法中，盐水从初始给水浓度浓缩到输出盐水浓度。
图10为图表，示出了表示图9概括并在图8的系统中执行的实验中浓度或密度梯度变化的曲线，图中显示随图1-9的系统的储罐中的液位而变化的归一化总溶解固体增加。
图11为图表，示出了图9-10的实验中的饱和温度，并与常规的充分混合型热交换系统的预期性能进行比较；以及
图12为根据图2A-2B中所示控制层次，控制图1-11的系统的方法的示意性框图。
具体实施方式
易于理解的是，如本文附图中总体描述和示出的本发明的组件可以按照多种多样的不同配置进行布置和设计。因此，以下如附图所表示的本发明的系统和方法的实施例的更详细描述并非意图限制本发明的范围，而是仅代表本发明的多种实施例。通过参考附图将最好地理解本发明的所示实施例，其中类似的部件通篇用类似的数字标明。
如本文所用，术语应广义地理解和解释。然而，替代形式的专用术语可以举例的方式使用，但应解释为意思是更广义的术语。例如，溶剂或液体以水示例，但可解释为任何溶剂、液体、材料、介质、载体等等。相似地，多种材料可以溶质的形式溶解于这种载体中。溶质可称为其中的污染物；污染物仅仅是指要分离出的物质，即使该物质是蒸馏中的所需材料。溶剂或液体可以被视为要通过根据本发明的分离过程处理的任何流体。
溶质可以为溶解于溶剂或载体中的液体、固体、离子、合成材料、天然材料、矿物材料、动物材料、植物材料或其他材料。因此，术语TDS为 代表通常溶解于作为其溶剂的载体中的溶质的例子。溶质和溶剂可出现于食品加工、工业过程流体或废水、酿酒厂、糖加工、石油钻井或产液、饮用水处理、采矿废水或尾矿处理、核冷却剂或废液处理、径流或其他收集池处理等等。盐水代表溶剂中含溶质的任何溶液，即使其是通常适用于水中溶解固体和离子的示例性术语。
芯材料可以为任何合适的材料，其范围涵盖金属、合金、不锈钢、聚合物、弹性体、其他材料、复合物或它们的组合。芯可以有用以改变隔板之间的间距的波纹管结构，或支持定位、枢转、倾斜(如，绕任何轴线的横滚、俯仰或左右偏离的姿态)、滑动或以其他方式通过定位优化芯隔板配置的其他变型。这可以在一些过程中有用，例如蒸汽再压缩、蒸发器蒸馏系统、多效蒸发器、和其他处理系统，即便在某些工业情形中以其他方式存在困难。
出于若干原因，本文所述的芯不是如同汽车用途的“散热器”。例如，穿过这种散热器的空气流与所容纳的被冷却液体完全无关。与此相反，蒸汽再压缩使液相蒸发的蒸汽相通过压缩机并返回，从而紧贴那个容纳沸腾物的壁的外侧冷凝。
流之间是相对静止的，这并不意味着完全不流动或运动，而是比与之相比的流和用于该功能的常规流的运动要缓慢得多。核态沸腾不限于表面成核点处引发的沸腾，还包括由于超出蒸汽压而引起的沸腾。有限空间内沸腾是热传递领域的专门术语，并且以其在该领域中的通常含义使用。还应理解，说的是在至少一个维度受限的空间内的核态沸腾。
同样，流体包括所有气体、蒸汽、液体和液态流。处于热量互通或流体连通状态的系统或装置是指所述系统能够分别交换热量或流体。流体的容纳装置可包括从塘、湖、河和其他河口到衬层塘、储罐、容器、管子、导管等等的任何天然或人造物。
所谓梯度，意思是分布(一个变量如温度或浓度相对于另一个变量如空间或时间的变化)。其不必是线性的或单调的(始终沿单一方向变化)。分布通常趋向于在一个方向上，且由于系统的动态而具有局域变化。通常，分布变化在活动区(在活动区热传输、质量传输、或这两者在流之间主动发生，而不只是通过某容纳装置从一处流到另一处)中更显 著。动态梯度或动态分布是通过本发明操作建立的并受制于局部变化、随时间或条件的变化或这两类变化的组合的分布。
参见图1，同时总体上参照图1-12，根据本发明的系统10可以被设置在永久性设施中，或可以为装箱方式。系统10的基本单元可包括储罐30。
在图示实施例中，储罐30包含已在其中建立溶解固体的浓度梯度的盐水23。最初由进料储罐32经管线33进料至储罐30。通常，在本文中，通过附图标号对项目的任何提及包括带有此数字的此类项目的广义包含。附图标号后跟一个字母表示用附图标号标明的项目的特例。因此，系统10包括多条管线33，所述管线包括例如管线33a、33b、33c，如此等等。
进料储罐32通过管线33到分离器34形成流35。流35通常在分离器34中进行预处理。在一个实施例中，分离器34可被构成为用于移除例如挥发性物质的预处理系统。
在根据本发明的方法的一个实施例中，系统10可通过将非浓缩状态的盐水23引入进料储罐32中来使用。这可以直接来自井口，或者可从各种采油设施输运到特定位置。在图示实施例中，进料储罐32可进而将盐水经管线33运输到预处理系统34，该系统通常用作挥发物分离器34。预处理系统34的其他过程可包括添加多种化学物质以减少积垢、结垢、腐蚀等等。
例如，进料储罐32中接纳的盐水可包括许多材料。分散的石油产品通常为加热时蒸发的挥发物。这些可包括从C6到蜡、焦油、石蜡以及石蜡可溶性有机化合物范围内的原油馏分。可包括少量汽油和柴油范围的有机烃。同样，可包括多种芳烃，例如多环芳烃化合物。BTEX化合物并不罕见。同样，可相似地包括甲醇、酚和甲烷。
不仅可包括那些有机烃，同样也包括多种形式的硫，包括硫化氢(H2S)。这些可能尤其成问题，因为硫酸盐有可能永久性地在固体表面外结垢。为了减少硫酸盐引起的结垢，必须将阻垢剂引入盐水23中以保持干净的进料储罐30。这些操作不是必需的，但对于含有硫的化合物的盐水23而言强烈建议进行这些操作。
相似地，可包括大量或少量的、溶解或不溶解的硅石、粘土和其他无机材料。通常，硅石和粘土是不溶解的，并且可能会形成颗粒。多种盐同 样如此。盐可包括阳离子，其范围涵盖镁、钙、钠和钾。可对应于上述阳离子的阴离子可包括氯离子、硫酸根、碳酸根、硝酸根等等。通常，不存在高浓度的硝酸根。然而，通常在盐水23中接纳到相对较大或更大量的碳酸根。
添加到预处理系统34中的处理化学物质可包括例如铵、氮的多种化合物、凝胶、发泡材料等等。相似地，另外的离子可包括锶、汞、铅、铬、硒、铁、钡，如此等等。可包括多种天然存在的放射性物质，例如铀、镭等等。硼并不那么罕见。
在一些实施例中，可设置多种类型的分离器34以移除其他夹带材料，不论其是固体、气体、液体，或其他类似物。在预处理生产盐水的科学领域，此类预处理系统34众多且无所不在。
例如，Sears在提交于1999年10月19日且名称为“Vapor Compression Distillation System and Method”(蒸汽压缩蒸馏系统和方法)的美国专利No.5,968,321(其以引用方式并入本文中)中，公开了包括预处理过程和装置的蒸馏系统。相似地，Kresnyak等人在提交于2002年3月12日且名称为“Distillation Process with Reduced Fouling”(使积垢减少的蒸馏过程)的美国专利No.6,355,145B1(其以引用方式并入本文中)中，同样讨论了多种预处理过程。
从预处理系统34或分离器34离开后，流35首先通过称为盐水热交换器的热交换器36。盐水热交换器的功能是从离开储罐30的盐水23移除热量，并将该热量回收到进入储罐30的流35中。
最后，由盐水热交换器36从中提取了热量的浓缩盐水被处置进盐水储罐38中。可通过下列方法清空盐水储罐38：运走盐水，将盐水通入蒸发塘，进一步处理盐水的矿物质，加热或以其他方式干燥盐水或其他处置方法。
在图示实施例中，馏出物处理系统40在盐水热交换器36和盐水储罐38的对面操作。即，例如，馏出物处理系统接纳蒸馏水，蒸馏水为来自其被蒸发的部位即系统10特别是储罐30的输出。馏出物处理系统40可包括蒸汽捕集器41。蒸汽捕集器41可为简单的或复杂的并且通常操作方式类似 于液体捕集器(如，P型捕集器)，其中液柱容纳于管线33内，该管线既向下又反向朝上以保持液柱，该液柱不能被进入蒸汽的压力克服。
馏出物储罐42用来收集从芯20的封闭通道24冷凝的所有馏出物。然而，实际情况是，特别是在考虑控制问题时，馏出物贮存器43可首先从蒸汽捕集器41接纳馏出物。因此，馏出物贮存器43可用于测试馏出物的产生水平或产生率。
收集到馏出物贮存器43中之后，馏出物可接着通入热交换器44，该热交换器被构成为可从馏出物提取热量，并将该热量通入进料输入管线33a，进料至储罐30中。在图示实施例中，馏出物热交换器可以在两个方向都以固定流速操作。
例如，从进料储罐32的盐水进给可分成通过馏出物热交换器44的进料F1和通过盐水热交换器36的F2。因此，F1从馏出物接收热量，从而尽可能接近合理地预热到储罐30中的盐水23的温度。同样，从进料储罐32通过盐水热交换器36的进料将热量从以最高浓度离开储罐的盐水朝盐水储罐38提取。F1和F2的预热可升高进料温度，并回收热量，否则热量会分别排放到馏出物储罐42和盐水储罐38中。
在图示实施例中，馏出物处理系统40包括液位控制器45。液位控制器45通过感测贮存器43中的馏出物液位来操作。根据液位控制器45的输出，系统10可以对某些操作参数进行调整以保持恒定的馏出物流速。
在举例说明的实施例中，可以设想从馏出物处理系统40经馏出物热回收系统47流出到馏出物储罐42的馏出物将以固定速率运行。根据本发明的装置和方法的一个有益效果是馏出物的输出率可被固定。同样，进入盐水质量流率在分成流F1、F2的流35中可被固定，不论从进料储罐32进入的盐水浓度如何，也不论排放到盐水储罐38中的盐水浓度如何。
可以实现液位控制器45的多个实施例。例如，下文图2C描述了一种液位控制机构，其适用于在储罐内的蒸汽室和液体室或蒸汽区和液体区之间操作，同时仍然提供准确、可重复、可靠的读数，无需计量器蒸汽侧的排气孔和其他冷凝物移除系统。
用于储罐30中盐水23的蒸发的能量源来自多种来源。实际情况是，辅助热源46提供供给盐水23的热量以使储罐30内的温度升至适当水平。 同时，盐水热交换器36和馏出物热交换器44从出口液流回收热量以分别升高进入储罐30的F2和F1的温度。
因此，馏出物热回收系统47为被回收进管线33a中的热量的来源，因为盐水热回收系统80为被回收进管线33a的流35c中的热量的来源。还可以采用其他热回收系统例如发动机废热回收。热量的实际来源通常仅包括由辅助源46提供热量的加热器70，该辅助源仅为了克服系统中的损失而工作。
储罐30可包括液位控制器48，其可以与馏出物贮存器43上的液位控制器45相似或者完全不同。这些液位控制器45、48各自基本上独立于系统10的其余部分工作。然而，在某些实施例中，液位控制器45、48可直接操作控制通过管线33a的进料35a，以根据质量守恒定律匹配质量流率。
系统10中适当位置处的辅助选件可以为蒸馏柱49。已发现可用于在一些生产水源实施蒸馏柱49以便在汽提段移除较重物质，例如蒸馏水，同时在其顶部的精馏段分离出较轻组分，例如甲醇等等。因此，蒸馏柱49为可以包括或可以不包括的可选单元，具体取决于系统10使用的特定场所。
压缩机50压缩蒸汽27，蒸汽27源于储罐30的盐水23中，并收集在盐水23之上。根据使温度上升与压力上升相关联的克劳修斯-克拉佩龙方程，压缩机50导致蒸汽27压力的升高。因此，蒸汽27通过压缩机50并回送进芯20的歧管19。
压缩机50下游的压力在导管18、歧管19a和封闭通道24处基本上相同。压缩机50上游侧与其下游侧之间的压力差引起与更高饱和温度相对应的饱和压力。
由于压缩蒸汽的封闭通道24与盐水23中的开放通道22之间的温度差，热量发生传递。热量从封闭通道24中的冷凝饱和蒸汽27传递进盐水23。
在一些实施例中，蒸汽处理系统52可以安装在储罐30顶部或其附近。在图示实施例中，蒸汽处理系统52可包括例如除雾器54。通常，除雾器54负责从蒸汽27中移除水的液滴，水的液滴可夹带盐水23的液滴，同时带来将被溶解固体携带到压缩机50的风险。
可考虑蒸汽处理系统52的多个实施例。除了除雾器54之外，还可以包括例如除气器56作为蒸汽处理系统52的一部分。此工位的除气器不必过大，也不必排放大量蒸汽27。
例如，在为实验构造的每天在馏出物储罐42中产生大约100桶馏出物的一种装置和方法中，除气器56的尺寸根据常规化学工程原理设计。与液体内不凝物或其他蒸汽的浓度相关的亨利定律，根据如下文所述的分压和物理常数，需要约二十升的贮存器。因此，除气器56仅需要约五升以便在操作过程中每天排放大约一次。
通常，储罐30中的盐水23上的充气室58的尺寸可被设计为提供蒸汽27的驻留时间或累积时间以增强除雾。许多制造商生产恒位移、正位移等等的压缩机。例如，英格索兰(Ingersoll Rand)、德莱赛(Dresser)和其他公司生产适合应用于根据本发明的系统10的压缩机50。同样，充气室58的尺寸可根据压缩机50的额定值来确定。
最后，通过将盐水23煮沸并蒸发为蒸汽27来浓缩盐水23。当蒸汽27以气泡形式离开盐水23并进入充气室58时，盐水23内的残余溶解固体在蒸发气泡周围的区域中增加。在该周围盐水23中溶解固体的这种增加导致更高密度且产生该更浓盐水23的净向下流动。
最后，储罐30建立了浓度分布或梯度，其中最低浓度的盐水23存在于盐水23与蒸汽27之间的界面处。因此，最重或最浓的盐水23建立在储罐30的输出液位处。系统10的功能是将盐水23从进料储罐32中存在的任何浓度浓缩至大得多的浓度。
当盐水23丧失的水变成收集到充气室58中的蒸汽27时，在形成的每个气泡周围发生局部浓缩过程。这些局部浓缩导致较重盐水23相对于较轻盐水出现局部下降。
例如，与盐水储罐38中的盐水相比，进料储罐32中的盐水23每立方英寸或立方厘米具有更少的溶解固体并且更轻。在气泡附近，在已蒸发的气泡旁形成密度差。气泡留下的那份溶解固体被盐水23中的相邻液体水分子吸收。最后，随着由于从封闭通道24传递的热量而在开放通道22内发生持续的加热和蒸发过程，在每个开放通道22内发生持续的浓缩过程。
直接结果是，更重、更浓的盐水23向下流动，在同等搅拌的沸腾或接近沸腾的邻近盐水之间寻求密度平衡。因此，处于稳态时，最大浓度的溶解固体存在于储罐30的出口处，并且溶解固体的最小密度和最小浓度存在于盐水23与充气室27之间的界面处。这已在实验中证明。
浓缩液处理系统60负责处理离开储罐30的浓缩盐水23。在图示实施例中，浓缩液处理系统60包括浆液处理系统62。浆液处理系统62负责处理诸如可形成污泥的高密度沉淀物或液体中其他高浓度的悬浮固体之类的物质。因此，此类材料可从储罐30的盐水23分离并被引导以与盐水储罐38中的盐水不同的方式处置。
相似地，贮存器64可充当沉降槽64以及浓缩器64。实际情况是，具有或造成最大分层的浓度在发现浓缩活动例如沸腾蒸发的区域出现。在图示实施例中，该区域为开放通道22内的区域。相比之下，缺少任何加热或蒸发机构浓缩物的贮存器64可以用作为沉降区，并且通常不会进一步大幅浓缩。
同样，盐水浓缩系统60可包括浆液处理系统62内的多种机构以帮助从多种部件的壁、底等移除沉淀和其他固体。
固体移除设备是本领域已知的并且可包括振动系统、刮除系统、螺旋输送器、它们的组合等等。最后，浆液保持系统66可实际上通过阀门与浆液处理系统62分离，并且仅将固相流的短暂和周期性排放接纳到浆液保持系统66中。此类系统可为手动的、自动的。
通过预处理系统34之后，盐水23可通过分流器74，例如将来自进料储罐32的管线33中的所有流分成F1和F2(以通过管线33a的进料35a说明)的阀门或阀门系统。分流器74负责保持馏出物热回收系统47中的恒流和盐水热交换器36中的变流。这些流的相对比例的控制将在下文讨论。
在图示实施例中，通过管线33a的流35a代表两条流。通过馏出物热交换器44的固定速率与通过馏出物热交换器44的馏出物的固定流速相匹配。
与之相反，来自进料储罐32的通过盐水热交换器36的新鲜盐水是可调节的，并与离开储罐30通过管线33c进入盐水热交换器36的盐水浓缩液流相称。在所有情况下，通常被固定排量泵76控制的计量泵可被设置在管 线33中，以控制进入和离开储罐30的流35的速率。例如，进料泵76a可控制从进料储罐32通过馏出物热交换器44的盐水的流速。
同样，泵76b控制从盐水热交换器36通入储罐30的扩散器68中的F2或流35a。相似地，盐水泵76d可控制从储罐30通过盐水热交换器36的浓缩盐水的进给。泵76c可控制进入馏出物热交换器44中的馏出物流，并且可以为盐水泵76a的质量流量所匹配。
继续参见图1，同时总体上参照图1-12，根据本发明的系统10通常将预热盐水23通过管线33a进料至扩散器68中。扩散器68在图3的多个选件中描述。无论选择何种机构，扩散器68都具有以一定方式分布盐水33a的效果，从而允许盐水23从管线33a分布到芯20的最大范围。
例如，储罐30中的芯20的横截面积或占位面积代表所关注的特定面积。该面积表示所有开放通道22的底部开口。因此，扩散器68可以导致在芯20内分布管线33a的流35a。如果所有的流35a通入单个开放通道22中，则芯27的效率将会不同于在芯20的所有开放通道22都具有合理的均等机会接纳流35a的一部分时所实现的效率。
辅助加热器70可导致增加从热源46或辅助热源46接收的热量。在图示实施例中，辅助加热器70设置在芯20的底部之下。
在某些实施例中，辅助加热器70可被设置在储罐的壁31上，而不是储罐30的内部。同样，辅助加热器70可相对于扩散器68分别设置，使得辅助热源46将热量直接输送进储罐70底部的浓缩盐水中，而不是输送进流入扩散器68的进入盐水35a中。
在一些实施例中，可能不需要扩散器68。在其他方面，可在如下两者之间作出设计选择：用辅助加热器70加热进入盐水35a和在不受益于任何热量携带的情况下使进入盐水流35a仅仅由于芯20顶部盐水对流(TDS含量对流)而升温。
在图1中，扩散器68设置在辅助加热器70以下的层面上。因此，从扩散器排出的来自输入管线33a的流35a通过由辅助加热器70产生的被加热盐水的层。这提供了用于加热储罐盐水23的热传递机制。在一些实施例中，辅助加热器实际上可位于扩散器中。在其他实施例中，辅助加热器70 可附装在储罐30的壁31的内侧或外侧。在其他实施例中，辅助加热器70可实际上位于向储罐30内供料的管线33a中。
为了监测系统10并随后控制该系统的操作，可在系统10中安装传感器72。传感器72可包括用以监测溶解固体的压力、温度、浓度以及它们的组合等的传感器72。在系统10中，借助甚小的浓度差，浓度就能有效改善热传递和质量传递(例如，蒸发和冷凝)。因此，温度、压力和浓度量值作为盐水23和蒸汽27中的控制参数是有意义的。系统10的控制可需要多种多样的这些传感器72。
然而，对于诸如压缩机50、管线33、导管18和其他固定装置之类的物品而言，压力可能在整个系统10发生变化。同时，由于系统10在大致饱和的压力和温度下运行，温度是压力的指标，反之亦然。因此，可以各自被感测，并可采取措施根据建立的函数关系施加(assert)主动控制。
在储罐30的盐水23内建立溶解固体的浓度分布(可称为梯度)，从而可通过那些浓度推测局部密度。因此，密度变化、海拔高度变化连同充气室58内的任何压力变化可以加到一起来提供整个储罐30中各位点的与混合储罐30相比相对更多种多样的压力和饱和温度变化。因此，监测器和控制系统可位于适当位置以读取传感器72并将该数据传输到致动装置。
在图示实施例中，传感器72a设置在暴露于储罐30的自由流或体积中的开放通道22内。传感器72b位于封闭通道27内。传感器72c检测壁31附近的储罐30内的条件。传感器72c可以被设置在壁的部位，但更通常地被与壁31隔开设于盐水23中，但被安装在壁31上。传感器72d存在于充气室58中以检测其中的状况。
同样，蒸汽处理系统52中的传感器72e检测其中的状况，而传感器72f监测浓缩在储罐30底部的最重盐水23。容纳传感器72f的区域不具有在其中活动的芯20的任何部分，但在系统10的控制方面可能是重要的。
压缩机50可通过其上游或入口侧上的传感器72g及其下游或出口侧上的传感器72h监测。环境条件可通过位于环境中的储罐30外部的传感器72j感测环境和大气条件来监测。
导管18将蒸汽27从充气室58输送进压缩机50中，并从压缩机50输送进封闭隔板24或封闭通道24的充气室19a中。封闭通道24内的蒸汽27 最后在封闭通道24的底部中冷凝形成冷凝物25。最后，封闭通道24的下充气室19b可完全充满液体。
然而，可能的情况是一些蒸汽27可循环通过封闭通道24的底部的馏出物25或冷凝物25。因此，从封闭通道24进入蒸汽捕集器41的流可包含气相和液相的冷凝物25。
同时，液位控制器45监测贮存器43中冷凝物25的液位。最后，由泵76c控制的贮存器43使馏出物通过馏出物热交换器44并到达馏出物储罐42上。
参见图2A，同时继续总体上参照图1-12，系统10可包括控制器84。通常，控制器84包括至少一个处理器以及计算机一般具有的完整的输入系统、输出系统、处理设备、存储器等等。控制器84可接收数据、处理数据、存储数据，如此等等。控制器84负责接收来自整个系统10的传感器72的输入。
特别地，控制器84将从以上针对系统10描述的多种组件接收其形式为与温度、压力、浓度等以及流速等相关的数据的信息。在图示实施例中，控制器84示出了多次，其可为基于单处理器的系统或多处理器。控制器84可为整合式、分布式或任何其他构成方式。控制器84可为单控制器、多控制器或控制器的系统84。
同时，控制器84还负责将指令信号发送回多种泵76，并发送回辅助热源46、辅助加热器70或这两者。控制器84可控制从辅助热源46的热量输入，以及对压缩机50的功率输入。
通常，控制器84命令86或发送输出86作为对系统10内的多种装置和组件的指令86，并从那些和其他组件接收输入88或读取88输入88。在图示实施例中，控制器同样从诸如液位控制器48和液位控制器45之类的组件接收输入。然而，通常液位控制器45、48在其本体内动作，以按照本领域中被充分理解的方式直接控制液位。
参见图2b，控制策略90确定了四个控制层次。在零层次92，控制系统90或控制策略90用来控制液体质量。因此，零层次92也可以称为液体质量控制层次92。同样，零层次之上的第一控制层次为蒸汽质量控制层次 94。液体质量控制可完全独立于任何其他控制系统操作，但作为策略90中控制的基础层次即零层次被包括在内。
同样，第一层次94即蒸汽质量控制层次94处理充气室58中、通过压缩机50并进入芯20的封闭通道24中的蒸汽27。这些取决于将压缩机50所做的功与通过压缩机50的蒸汽27内的压力和温度关联的公式。因此，零层次系统只需跟踪并控制液位的值，然而蒸汽质量控制94具有更复杂的功能。其必须跟踪液位控制器45、48中的液位，并且还根据这些液位操作压缩机50以对系统10的理论能量输入(principle energy input)、压缩机50的值(worth)施加控制。
第二层次控制96即能量控制96负责控制系统的能量输入变化率，例如进入辅助加热器70的热量。因此，能量控制96必须基于公式、算法、计算机程序根据储罐30和系统10的其他组件内的温度、压力、浓度等条件进行，并对通过加热器70的热量的调节施加控制，作为系统10的能量控制的一部分。
能量控制操作上的重大问题在于事实上储罐30的响应时间是以小时为单位的，有时是以数小时为单位的。相比之下，充气室中的传感器72g、72h报告的压力可促使压缩机在数秒内作出响应。因此，可调整压缩机50的最大电流，进而调整速度或速率。因此，可几乎立即调整体积流量。相比之下，通过能量控制系统96增加能量在相当长时间段内将不明显。
相比之下，可在测压计或计量器中通过视觉观察液位。然而，通常不能实际观察到能量流，系统10内的变化率和关系既不明显，也不直观。
控制的第三层次98即系统预测控制98在其实施中具有严格的算法和计算性。所需的复杂性较高。多个参数、多个传感器、热力学考虑因素、材料性质等等全部用于通过系统10的关于正在何处操作和应在何处操作的系统预测控制98来算法测定。
例如，系统预测控制系统98负责从所有来源(包括系统10的操作历史)查看控制器84中的所有数据。系统预测控制98可内插、外推或使用其他数值方法解决方案来求解与变量任何值、变化率或变化率的变化率的偏微分相关的复杂方程，以精确且充分地预测控制设定点。其可对加热器70、压缩机50、液位控制器45、48、泵和其他体积流量施加控制。
系统10足够稳固、甚至有弹性，可适应输入的大幅变化。例如，从大约10,000ppm的总溶解固体直到大于150,000ppm的总溶解固体的盐水浓度比率可提供作为系统10的输入。同样，可适应基本上任何输出浓度，从此类值到大于200,000ppm。
该预测控制系统98通过计算经由指令86发送到组件的控制参数的最佳设定点，可使系统10具备实质性优点。系统10可因此获得最佳的能量效率、获得馏出物25的盐水23通过量，如此等等。
参见图2c，沸腾区例如盐水23与蒸汽27之间的储罐30的蒸汽-液体界面100的常见问题为液位的多变性质。计量表93的配置克服了该问题。这对于控制策略90可能是重要的。
在系统10的一个实施例中，充气室58可为计量表93提供压力源。计量表93可检测压力差，从而通过控制器84或通过嵌入式处理，提供储罐30中的液位100的处理。相似地，这种计量表93可被嵌装或附装作为液位控制器45或48。
在图示实施例中，来自蒸汽区(此例中为充气室58)的管线95将充满蒸汽27，蒸汽27将冷凝并填充管线95。同时，储罐30内的盐水23可通过管线97进给。两条管线95、97因此在任何配置的计量器93例如测压计的两侧进料。这种仪表可以为测压计、计量器、计量表等等。同样，管线97可用作系统其他位置的其他计量器93的共同参考。
参见图3，在根据本发明的装置10的一个实施例中，储罐30可将输入流35a接纳到扩散器68中。那些输入流35a从进料储罐32接纳，并可通过预处理系统34。在一个本发明优选实施例中，通过盐水热交换器36的盐水流35a从离开储罐30通过管线33c的盐水23(如由泵76d控制和驱动的)接收热量。在这种实施例中，热交换器36可以按若干可供选择的配置中的任何一者设置。
在一个实施例中，热交换器36可配置为单个热交换器，其中进入盐水的流35a沿着来自储罐30的底部在管线33c中流动的出口盐水流35c的方向相反的方向逆向流动。在这种配置中，驻留时间、热传递系数、可用表面积等等可全部为固定的，受限于热交换器36不能被重新构造。
然而，在大多数本发明设想的实施例中，流量35a及其对应流量35c可用作控制变量。如图2B所示，能量的控制通常包括对被热交换器36预热的进入盐水23的热量增加的控制。同时，图2B中的零层次94包括液位控制。那些液位控制器48中的一个控制储罐30中的盐水23的液位100。因此，进入储罐30中的流35a可用作控制变量。
如所阐释的，通过馏出物热交换器44的流量35a与通过馏出物热交换器44的馏出物25的对应输出流可以为固定的并且彼此匹配。用于调整储罐30中的盐水23的液位的质量流率可以为通过液位控制器48改变通过泵76b和热交换器36的F2的流速的控制。
因此，在通过盐水热交换器36的进入流35a相对较低的条件下，F2可减少到小于通过馏出物热交换器44的流的三分之一。在这种实施例中，需要相对较小的热交换表面积。因此，简化为单个热交换器36可为适当的。
在其中与馏出物热交换器44从F1中接纳的相比，盐水热交换器36接纳更大比例的F2中的流的情况下，与带有其控制泵76a的热交换器44相比，而盐水热交换器36可载运进入流35a的体积流量的两倍或更多倍。
因此，可取的是：在与馏出物热交换器44相比有更大流量(相对的)通过盐水热交换器36时的状态期间，提供更长驻留时间、更大表面积或这两者。同样，当流变动时，热交换器的数量、可用的面积、驻留时间或它们的某种组合可以改变。
再次参见图3，多个热交换器36可以串行或并行配置，可设置阀门系统以接合并行配置的一个、两个、三个或更多个热交换器36。这样，可接合所需的热交换器的数量，而不必使流35a或流35c流经过远距离而因此要克服通过泵76b、76d的附加流体动力学阻力。
相比之下，通过将热交换器布置为串行配置，可降低流速，增加驻留时间，同时还增加可用的表面积。在串行配置中，压力损失可相对较大。另外，阀门不能用于引导热交换器36之间的流，因为所有流通过所有热交换器36。
取决于可影响系统10的操作参数范围，可在管线33a、33c中配置单个、多个、串行或并行布置的热交换器36以适应流35a、35c之间的热传递。
作为参考，在根据本发明的装置和方法的一个实施例中，通过盐水热交换器36的流量的六倍变化必然改变流速和流分布。正因如此，流可为部分层流和部分湍流。本领域技术人员将认识到，此类变化影响净驻留时间(在此期间可发生热传递)、热交换器36中的流35a、35c之间存在的对数平均温差等等。
因此，馏出物热交换器44可针对适于使系统连续操作的流量输出设计。相比之下，必须让盐水热交换器36负责如下的控制过程：根据进入与流出盐水23的盐水浓度比率来匹配通过系统的净流。
继续具体地参见图3，同时总体上参照图1-12，根据本发明的装置10中的扩散器68可导致将流35a引入储罐30中。已经发现可考虑若干配置，它们各具有稍微不同的效应。
这是因为储罐30建立了从储罐30液位顶部的最低浓度的总溶解固体到储罐30底部的最高浓度的溶解固体的浓度梯度。两种机制往往会运行成交换进入流35a与储罐30自身中的盐水23之间的热量和质量。
借助流35a引入储罐30中的初速度，在进入流35a与储罐30中基本上静止的盐水23之间进行动量传递。因此，质量可在射流及其随后的羽流和储罐30中的盐水23之间交换。当射流与周围盐水23相互作用时发生动量传递，从而在与储罐30中的盐水23混合时混合、扩大和增加射流中的浓度。
同样，在其驱动力和能量方面与此完全不同的另一种机制为盐水的密度羽流。储罐30中密度较大的盐水23与来自进料储罐32的密度较小的引入盐水流35a之间的浮力差使进入盐水流35a产生浮力。因此，盐水流35a往往会上升为静止储罐30的较重盐水23内的较轻流体35a。
该上升还使得进入盐水流35a的速度上升，产生具有射流状行为形态的羽流。例如，上升的较轻的流35a上升通过储罐30中较重的静止盐水23，与之混合，扩大羽流，夹带周围盐水23，并导致动量以及含量(溶解固体)的交换。
扩散器68的功能是根据流35a的进入速度来减小基于速度的动量射流的效应。然而，在某些实施例中，扩散器68可以简单地用射流取代。
在图3中，管线33可连接至扩散器68，其中管线和扩散器68的横截面均为圆形。例如，图示最上方实施例中所示的扩散器示出了将直径从管线33直径扩大为钟状物，例如喇叭上的钟状物。
因此，有效横截面积逐渐增加，导致扩散器68引入的流35a的速度相应降低。在图示实施例中，壁31被穿透，以便安装扩散器68。因此，扩散器68通过壁31引入流35a。
在图1的示意图中，扩散器68示于芯20下方。每个可能位置都有益处。
扩散器68没有水平表面。其事实上未提供来自储罐30的浓缩盐水23的沉降物质可积聚于其上的可及表面。
图3中间所示的扩散器68的实施例被构成得更为扇形，其中管线33的净面积在扩散器68处增大，但不具有圆形横截面。此处，可选择扇状扩散器68的厚度和宽度以提供所需的流35a的流速。
在一个实施例中，此类扩散器68可被取向成在芯20的下方沿垂直方向排放流35a。在另一个实施例中，扩散器68的出口的矩形横截面可配置为正方形，并且可覆盖芯下面的相对较大比率的面积。然而，在图示实施例中，扩散器68将流35a直接通过壁31排放，在储罐30自身内不存在其任何结构。
图3中的扩散器68的下部配置可构造为若干布置中的任何一种。图示实施例示出了管线33，该管线被端接成直接通过壁31，产生进入储罐30中的喷射流35a。当然，可选择从管线33至扩散器68输出的横截面积的任何程度变化并且可以是适当的。正如其他实施例可被布置成使流35a通过壁31或者从芯20下方径直向上进入芯20中，该实施例可以任何此类方式进行布置。
事实上，流35a可相对于芯20的底部可以为径直的、水平的、垂直的或倾斜的。在一些实施例中，流35a可被引入通过具有小孔的板、通过多条管线33、通过多个扩散器68、通过一排扩散器等等。然而，在图3所示的实施例中，扩散器68保持在壁31的外侧。就此而言，它们能够进一步减轻组件受到浓缩盐水化学物质的破坏力的影响。它们还减小了结垢、积垢、沉淀剂积聚等等的趋势。
参见图4，同时继续总体上参照图1-12，根据本发明的系统10可包括通道22，这些通道对储罐周围敞开，从储罐30中的顶部液位100到最低出口位101。同时，每个封闭通道24周围的每个隔板102在封闭通道24内的蒸汽27和冷凝物25与开放通道22中的盐水23(其是储罐30的有效内容物)之间形成机械屏障。
每个隔板102存在与开放通道22中的盐水23接触的外表面104。壁26的内表面106与内通道即封闭通道24中的蒸汽27或冷凝物25接触。热量从封闭通道24中具有更高饱和压力和更高饱和温度的高压区传递。如针对图1所述的，压缩机50将来自充气室58的蒸汽27压缩至更高压力及根据图7C所示的克劳修斯-克拉佩龙方程的对应温度。更低压力和温度的区域以储罐30中的充气室58和开放通道22为代表。
因此，从封闭通道24传递的热量通过壁26，其受到壁26的内表面106和外表面104上的热传递系数的管制。最后，可出现由于热对流产生的对流单体。热对流是浮力作用(即受热的流体与其周围且相对较冷的邻近流体相比密度降低)的结果。
例如，就储罐30所代表的已分层盐水23来说，响应盐水密度差而产生的分层要比由于温度差造成的浮力差的作用显著若干倍。因此，较热的盐水23可仍然保持在储罐内的低位或较低液位，原因在于事实上其溶解固体含量阻止其响应于热浮力效应而上升。
然而，由于热量增加造成的浮力差使较热的材料具有较低密度而更轻，这可形成贝纳尔单体108或贝纳尔对流单体108。然而，这些将仅局部存在于具有相对于溶解固体的相同密度的材料内。该单体108往往会将热量从壁26移至开放通道22中的盐水23的本体中。
由溶解固体浓度随储罐30和开放通道22内的深度而增加所形成的分布(如，盐水浓度梯度或密度随深度的变化)的一个优点是事实上并非沿壁26立即上升，而是被加热盐水23可保持在局部，因此有助于以较低的程度升温。
这样，可将热量连续从壁26转移到开放通道22的盐水23中，即使封闭通道24中的蒸汽27之间的温度差可接近开放通道22中的邻近盐水23的 温度。热传递仍然继续，因为对流单体108不一定成为大致沿着隔板102的整个高度116。更确切地说，能量被“泵送”离开壁104。
换句话说，开放通道22中特定液位的盐水23仍可继续接收热量，并且可导致在壁26的外表面104处产生气泡100，在其他情况下这可能不会发生。与图示实施例和根据本发明的处于自由对流的装置相比，如果储罐30充满干净水，则在存在相对较冷液体的情况下受热液体将始终上升。因此，所有最热液体将上升至顶部。
相比之下，对于分层盐水，热液体可能存在并保持在底部。事实上，颠倒的温度梯度(其中最热的温度位于隔板102的下端)是完全可能的，具体取决于系统10的热传递动力学。
通常，无论何时局部盐水23实现对于其局部压力的饱和温度，都可在隔板102的壁26的外表面104处产生气泡110。压力随盐水深度和密度以及充气室58内的塔顶压力而变化。因此，在开放通道22的下部，可预期观察到较高压力。
此外，由于密度分布(例如梯度分布)或浓度分布(例如梯度分布)，饱和压力和温度更进一步上升。然而，由于封闭通道24内的温度高于开放通道22中的温度，在壁26的两侧仍可发生热传递，并且可在隔板102的下端产生气泡。
该现象已在实践中在实验过程中观察到。例如，在与封闭通道24内的冷凝蒸汽27的自由对流中，其中外通道22即开放通道22不含盐水(saline)梯度，仅在隔板的高度116的顶部5％内出现气泡100的形成。相比之下，当开放通道22包含分层盐水23时，在底部开放通道22的20％内观察到气泡形成。
当每个气泡100形成时，其将通常在隔板102的壁26的外表面104上的部位成核。然而，当气泡长大时其将迅速分离，并从气泡100a所示的位置移至气泡100b所示的开放通道22的自由流中的位置。
已观察到，当由于热量增加、质量增加，甚至由于反映周围压力降低的单纯的海拔高度升高，气泡100长大时，观察到气泡100从隔板102的表面104剥离界面层。这就引起了气泡云的产生，如图4的气泡100d所示。这些气泡100d同样看起来能够长大并上升。然而，它们不一定在壁26 处成核，但可通过热量注入由于热和流体界面层的破坏而产生，如热传递领域内所理解的。
当气泡100继续上升时，它们往往会增大，并往往会彼此聚结。它们开始形成较大的气泡，并往往会朝向开放通道22中的盐水23并离开壁26。事实上，实际情况是当气泡流112上升时，盐水迁移，并且出现周围盐水的对应的向下流动114。简单的质量或体积分析说明，当开放通道22中的质量上升时，一定量的质量一定会下沉并占据其位置。这就产生了每个气泡100周围的流动114，如图所示。
每个气泡100形成的结果是，蒸汽27离开盐水23。盐、上文列出的可包含于盐水中的化学物质等等可为挥发性的和非挥发性的。诸如甲醇之类的污染物可蒸发为蒸汽27。然而，盐、溶解固体等等必然会保留下来并且不蒸发。
因此，在气泡100形成时每个气泡100周围的流动114必然接纳不能蒸发的溶解固体。对根据本发明的装置和方法进行的实验证实了较重盐水的向下流动114，从而形成在液体顶部表面100或液位100具有最低浓度的溶解固体并且在储罐30的底部具有最高浓度的溶解固体的净梯度。
通常，隔板102的高度116可以被选择成可优化热传递。同样，跨越壁26的距离即厚度118可考虑结构和热学因素作出选择。相似地，开放通道22的宽度120可被选择成使得聚结在一起的气泡100c不会阻塞通道22，也不会干燥隔板102的外表面104。表面104的这种干燥会导致更多结垢，并且已观察到加重了壁26的腐蚀。
可选择封闭通道124的宽度122或厚度122以优化热传递并允许通过自然对流流动，从而限制或消除了常规热交换的需要，在常规热交换中使用泵能量来驱动所有流动。相比之下，在图示实施例中，开放通道22通过与盐水(brine)的盐水(saline)对流或溶解固体对流而运行。这基于在盐水23的各种流动和区域之间的浮力差。相似地，封闭通道24内的蒸汽27在其冷凝于隔板102的内表面106上时最终形成收集于其底部并离开液体的充气室19b的冷凝物25。
已经发现的是隔板102顶部与液位100之间的高度124或距离124可为正数。在一些实施例中，已经发现的是热传递速率可受到邻近隔板102 顶部的气泡100c的剧烈沸腾影响。已经发现的是在本发明设想的实施例中能最有效保持隔板102顶部之上的液位100，如实验所证实的。
芯20将通常与储罐30的出口位102间隔距离126。通常，液位100之上的充气室58中的大量体积往往提供压缩机50可对其进行抽取的体积。相似地，与本文示意性示出的相比，与储罐出口位101之间更大的深度126是需要的。
高度126由切割线示出，表明可在其中增加任何附加距离。虽然未在图示中示出，这种增加提供了从开放通道22朝向储罐30的出口位101底部的最高密度盐水23增多的可能性。
然而，储罐30内的活动却不是这样，特别是当开放通道22的盐水23的溶解固体的浓度稠化或增加时。已经总体上发现的是浓缩过程活动的高度116所示的区域为观察到密度分布最大变化的区域。因此，隔板102之下的区域的高度126内的密度未显示具有陡峻梯度的强度。
因为充气室19a、19b载运不同密度，它们具有不同尺寸。事实上，上充气室19a可以被简单看作歧管19a，其将相对较大比容、较低比密度的蒸汽送进封闭通道24中。相似地，冷凝物25的密度几乎为蒸汽27密度的1,000倍，相当于比容为蒸汽27的体积的约千分之一。因此，从封闭隔板27接纳冷凝物25的歧管19b即充气室19b不需要具有与上歧管19a相同的容量。
通常，液滴130紧贴隔板102中的壁26的内表面106形成。液滴130往往会朝下迁移并且可同样地聚结成液流或细流流动到收集在隔板102的底部的冷凝物25中，导致冷凝物液位128在隔板102中累积。封闭通道24的壁26的内表面106上的冷凝蒸汽27导致非常高的热传递速率，大约是穿过固体表面的液体之间的热传递速率的20倍。
因此，例如，当仅仅导致热传递进液体盐水22中时，从壁26的外表面104到盐水22中的热传递速率较低。相比之下，当核态沸腾且气泡100形成时，热传递速率进而热传递系数为相较该速率的大约20倍，并且对应于包围封闭通道24的隔板102中的壁26的内表面106上的冷凝热传递速率。
参见图5，图表134示出了轴线136、138。高度轴线136示出了从储罐的出口位101到高于液位100(包括充气室58)的高度。同时，TDS轴线即总溶解固体轴线138示出了储罐内的总溶解固体的浓度。
曲线140为浓度或密度的梯度或分布。在图5的图示中，芯20的位置以虚线示出，储罐30的外部形状也是如此。储罐30的外部液位连同芯20的外部液位一起示出，以显示密度分布140沿高度轴线136对海拔高度或高度136的响应。
在图5的图表134中，曲线140表示浓度，所述浓度从与TDS轴线138上与垂直轴线136即高度轴线136交点处的最小值处的值对应的最小量开始变化。同时，在液位100处，储罐20中的盐水23的浓度因而密度处于根据本发明的装置和方法中的溶解固体的最小值处。
然而，在混合环境中，储罐30中的盐水23充分混合的环境中，分布140缩减为一条垂直线，从液位100至出口位101全部具有恒定浓度和恒定密度。因此，液位100处的浓度与出口浓度142相同。
在可理想地建立梯度分布的环境中，可根据曲线140b建立静态线性密度分布。在这种情况下，浓度从液位100处的最小值开始变化并增加到出口位102处的最大出口浓度142。
为了建立分布140b所示的理想梯度，有必要在出口位101和液位100之间的基本上每个高度处保持浓度连续且等量地变化。这将需要极强的控制，虽然其也可提供储罐30中可预测、可用且一致的梯度。
根据本发明的实际装置10的实验结果以动态密度梯度分布140c示出。在该分布140c中，观察到了与芯下方的区域中所示的变化相比，芯区域内的密度梯度的变化。在液位、芯20的底部与出口位101之间，归一化的浓度差从液位处的最低浓度连续增加至出口位101。
因此，分布140b和140c两者的出口浓度142开始并结束于相等的值。然而，相比之下，图中显示密度梯度曲线140c以不同形状稳定，其中大部分浓度增加发生于芯20的海拔高度内，并且很少变化发生于芯部以下。因此，芯20下方的储罐30的区域可以仍然保持梯度。
然而，在这些实验中，观察到总体差异远不如芯20内获得的那样显著。这可以视为指示若干事实，包括这样的事实：芯20为开放通道22通 过蒸发掉蒸汽27而浓缩盐水23的区域。在芯的下方没有发生显著的蒸发，浓度差异大大减小。
在根据图4中所示现象查看图5的图表134中，可以确定开放通道22内发生的混合程度，这与储罐30中其他部位形成对比。另外，如果图1-3的扩散器68位于芯20的下方，将发生盐水对流或盐水密度浮力对流。
同样，例如，进入输入流35a中的盐水23轻于储罐30内的任何盐水23。因此，不论流35a以何种速度引入储罐30中，它将立即开始上升通过芯20，或其所引入的储罐30内的任何其他地方。
因此，入口盐水流35a形成的盐水浮力羽流将朝向液位100上升，与其通过的周围盐水23交换动量、质量密度和热量。动态密度梯度分布140c因而表明储罐30内的浓度或密度的实际值既不是理想的静态线性密度分布140b，也不是混合非梯度140a。
因此，动态密度分布140c(梯度140c)在根据本发明的系统10的控制和稳定方面很有用。当然，理想的静态线性密度梯度140b也很有用，但难以实现、保持或这两者都难。然而，就此做的一些实验证实远离曲线140a中所示的混合、非梯度条件可以实现、容易保持并提供很有用的结果。
参见图6，图表145示出了总溶解固体(TDS)随其进料浓度而增加的曲线146。公式148说明了由每条曲线146所表示的归一化总溶解固体增加。曲线146a表示在使用根据本发明的装置10的实验中，在溶解固体相对最小的进料浓度条件下储罐30中盐水23中的总溶解固体的增加。
相比之下，曲线146e说明了在实验中，在溶解固体相对最高的输入浓度的条件下储罐30的盐水23中的归一化总溶解固体含量的增加。如图5中那样，高度轴线136仍然从储罐30中的或储罐30的出口位101直到高于液位100测量。
液位100为最大高度，在此处液体盐水23的总量存在于储罐30中。因此，仅有容纳蒸汽27的充气室58紧邻液位100之上存在。因此，溶解固体含量在液位100处具有值150。在根据本发明的实验系统10中，最低浓度的溶解固体出现于液位100处。因此，所有沿轴线138测得的值对于溶解固体的最小浓度150归一化。
曲线146的形状反映出浓度增加率随着朝向出口位101的深度的变化。因此，曲线146b、146c、146d反映了曲线族146内的中间输入TDS曲线。实验数据包含于曲线146a、146e中。然而，通过多个实验获得的一致曲率表明储罐30内的浓度分布和梯度与输出TDS无关。
例如，曲线146a对应于50,000ppm的输入进料浓度以及100,000ppm的进料浓度。同样，曲线146e表示100,000ppm的储罐浓度和200,000ppm输出盐水浓度。然而，输入溶解固体浓度146在接近溶解固体的出口浓度时，似乎对混合的作用较小。
同样，入口流35a与出口盐水流35c之间的浓度差异越大，越表明：储罐30中更浓缩的盐水快速抑制进入流35a的浓缩作用的趋势。因此，当输入TDS增加时，曲线146从曲线146a朝向曲线146e移动。
同时，溶解固体的最小和最大输出浓度均形成曲线146a。因此，归一化的TDS增加与储罐30中的出口位101处的总溶解固体的输出浓度152无关。
曲线146a对应于四组实验数据。两个实验涉及在50,000ppm盐水输入到储罐30中时根据本发明的装置中的蒸汽再压缩。在一对实验中，输出盐水浓度接近或处于200,000ppm，其他为100,000ppm。同时，曲线146e对应于两个实验，其中输出TDS浓度为200,000ppm。在这些实验的每一个中输入进料速率为100,000ppm，并且输出分别为180,000ppm和200,000ppm。
参见图7A，图表154示出了沿轴线156测得的温度对于沿轴线136测得的高度的分布。在图表154中，在多个位置处示出了平均储罐温度158，包括线158a标识的T1或第一温度的值，以及线158b处的第二温度或T2。此处，曲线160反映了储罐30的分层浓度分布中的饱和温度。
曲线162示出了储罐30中的混合盐水23的饱和温度。这些曲线160与162之间的差异反映了根据图示182中所示的拉乌尔定律，随相对于充分混合盐水的分层盐水浓度变化的饱和温度差异。两者均说明了饱和压力随深度和密度的变化。因此，曲线160、162适应储罐30内不同位置处的深度差异。
参照图7A-7E时，将它们放在一起最便于理解。图7A为图表154，示出了分层储罐中饱和温度之间的饱和温度差(曲线160)，其不是直线，而是非线性曲线；饱和温度曲线162描述了充分混合的储罐30。因此，这两条曲线160、162分别对应于图5的动态密度分布曲线140c和图5的混合非梯度曲线140a。
通过参考图7B所述的拉乌尔定律182，将最好地理解两条曲线160、162之间的差异。此处，方程说明了盐水内的饱和温度变化等于以下两者的乘积：与组成盐水的化学组分相对应的离子常数，和与摄氏度乘以千克除以水的摩尔数的单位相对应的沸点升高常数。
相似地，克劳修斯-克拉佩龙方程184描述了(根据汽化潜热除以温度和比容(每单位质量的体积)变化的因变量)压力随温度的变化率。该方程可以多种形式书写，包括指示压力变化等于体相流体内的压力乘以自然对数次幂的形式。在这个最后实施例中，系数“m”最多分离为图7C中的低版本的方程184。
因此，拉乌尔定律支配由于液体内的杂质所引起的饱和温度的变化。克劳修斯-克拉佩龙方程对应于由于蒸汽压缩造成的压力随温度的变化。
图7D示出了道尔顿定律186，有时称为道尔顿分压定律186。此处，任何体积内的压力等于任何特定蒸气(通常为理想气体)所占据的体积的比率乘以该气体的蒸气压。因此，充气室58中的压力为存在于其中的所有被蒸发蒸气27的分压的组合。
参见图7E，亨利定律188描述了溶解于溶剂中的溶质(溶解气体)的浓度之间的关系。因此，小写字母“i”表示的特定物质的浓度为体积中该组分的分压或蒸气压除以亨利定律常数的函数。
因此，亨利定律188描述了根据推测实际吸收了多少不凝性气体。亨利定律也适用于其他可凝性气体。
因此，当考虑图7A时，储罐30内的饱和温度对应于储罐30内任何位点(深度)处的饱和压力。然而，根据上述方程，饱和压力随溶解于盐水中的组分、其挥发性离子以及观察温度、压力等等时的深度而变化。
仍然参见图7A，同时继续总体上参照图1-12，T1和T2平均储罐温度158a和158b仅仅用作参考点。曲线160、162的效应适用于储罐30内的任 何特定位置或深度。因此，储罐温度158对于在通道22中使液体沸腾成为蒸汽27所需的饱和温度的局部效应是显著的。因此，温度158a、158b的显著性实际上为其与局部饱和温度的关系，如曲线160和162所给定的。
实际上，曲线162为与充分混合储罐30中的盐水23的饱和温度相对应的计算值。因此，与曲线162相对应的盐水23被充分混合并对应于如图5所示的分布140a并示出了分布或梯度的缺失。
在储罐温度158a处，饱和温度162对应于沸腾液位100或沸腾表面点164。保持在混合条件中并且从液位100向下朝向出口位101下降时，饱和温度162上升至最大的156。该上升是由于沿曲线162的任何特定位置之上的液柱的端头液位或高度。
此例中，表面沸腾点164恰好位于表面，因为没有浸没于液位100之下，因此根据饱和温度的定义饱和温度162出现于沸腾表面164。此例中，饱和温度曲线162考虑了拉乌尔定律182及其对沸腾温度162的效应。
如果储罐温度从值158a升高到更高温度158b，则由液位100强制于同一顶部高度。因此，新沸腾点166对应于在温度值158b处经盐水进入充气室58的表面沸腾。因此，如果温度分布162或温度曲线162右移(对应于增加的温度158b)，则当充气室58中的饱和压力也上升至适当饱和压力时，曲线162会仅通过位点166。
如果充气室58中的饱和压力未上升，则对应于位点166的液位100和对应于位点168的沿轴线136的高度之间的区域将全部沸腾。换句话讲，芯核态沸腾会发生在上部芯区176。
然而，又如，可以想到储罐30处于平均温度158b并且让压缩机50将蒸汽27引入充气室58中。这会导致饱和压力下降。因此，让充气室58处于对应曲线162的饱和压力，当平均储罐温度处于158b时，表面点166与曲线162上的位点168之间的芯区176通常全部沸腾。
曲线160表示储罐30中动态密度分布或梯度140c中存在的饱和温度。曲线160在位点170处与储罐平均温度158a相交，该条件下储罐30内的饱和温度160恰好处于储罐平均温度。同样，位点172对应于饱和温度曲线160与升高的储罐平均温度158b的交点。
这两个储罐温度158a、158b在整个储罐30海拔高度中以常数示出，并且仅以举例的方式使用。由于具有动态密度分布140c(参见图5)，储罐30内的分层可形成多种温度分布中的任何一种。还可以在储罐30的整个高度具有非恒定的温度。在其他实施例中，可以具有颠倒的梯度，其中最热的温度处于储罐的底部。
另外，无论何时局部饱和温度160或162低于局部温度158a、158b等，该位置的储罐中的盐水23都将处于沸腾形态。
在图7A中，假定在以下讨论通篇中充气室58中的压力始终为相同的恒定值。在图表154中，可以选择储罐30内的温度158a。
现在考虑伴随出现根据本发明的梯度的饱和温度曲线160，所述梯度表示图5的由于储罐30中的盐水23分层引起的动态密度分布140c。该曲线160的交点不在位点164处，而是在轴线156上的温度下方的某点处与表面100相交。根据上述讨论，沸腾现在开始于低至位点170处，在该点处储罐温度158a与盐水梯度140c的饱和压力160相交。
考虑到该条件存在于位点170处，高于位点170的全部区域174处于完全沸腾条件，无需引入附加能量。在图表154所表示的配置中，将充分混合的饱和温度162设置为在表面100处沸腾。相比之下，在相同的储罐温度158a处，分层盐水在高于位点170的整个区域中沸腾。因此，与充分混合的系统中实现的相比，更多的芯参与高热传递核态沸腾。
当然，如果升高温度以使更多的芯20参与沸腾(如对应于将储罐温度升高至值158b)，则位点166为储罐中所需的温度值158b。
然而，在对应于曲线160的分层条件中，位点172反映了这样的位点，在该位点之上在储罐30的整个芯20中会发生完全核态沸腾。因此，区域180代表附加有益效果，或者芯20的附加区域，其中完全核态沸腾普遍处于如区域178给定的芯20中。
正如位点170之上的区域174代表当储罐平均温度对应于值158a时处于完全核态沸腾的芯20的部分，该增加的有益效果得以在沿曲线160的所有位点持续。不论区域176的深度如何，在对应于饱和温度曲线162的充分混合储罐中，分层饱和温度曲线160始终提供区域174、180或两条曲线160、162之间其他对应差异代表的改善性能。
该有益效果可以若干可供选择的方式中的一种实现，例如在降低的温度下运行系统10获得相同性能的能力。或者，可降低压缩机50所做的功，因为对液位100之上的充气室58中的饱和压力的需求降低。
参见图8，实验系统10配置有带电动发电机系统的壳体12。最后，还包括依赖于线路功率的辅助加热器。设置储罐30，使其中放置的芯20连接到上方的蒸汽歧管19a和下方的液体冷凝物歧管19b。芯20包括与储罐30的周围区域保持液体相通的开放通道26，而封闭通道24被密封而隔离储罐盐水23。
芯20之上的充气室58累积从芯20的开放通道22沸腾的蒸汽。除雾器54(未在图8中示出)设置在充气室58内。同时，安装了热交换器15，但不在图3-7E报告的实验中使用。导管18将蒸汽从充气室58引导至压缩机50，进而在增大的压力下使这些蒸汽通入蒸汽充气室19a或歧管19a中。
歧管19a将蒸汽27分配到隔板102的封闭通道24中进行冷凝。冷凝物25以冷凝物形式通过底部歧管19b离开封闭通道24。最后，在容纳于贮存器43后，最终将来自封闭通道24的馏出物或冷凝物25传递到馏出物储罐中。
在芯20上设置了充气室58并容纳除雾器54。在通过除雾器之后，使充气室58中的蒸汽27通过热交换器15，该热交换器在图4-7E中报告的实验过程中未工作。相反，蒸汽27传递进导管18送往压缩机50。压缩机50增大了蒸汽的压力和温度，使在该增大的饱和温度和压力下的蒸汽返回到芯20顶部的歧管19a中。
歧管19a将蒸汽通入隔板102的封闭通道24中，在该处通过将汽化潜热释放到储罐30的开放通道22中的周围盐水23中，而将蒸汽冷凝。
冷凝物25然后被从封闭通道24送入芯20底部的歧管19b，最后通过贮存器43排放到热回收系统47(如图1所示)再到馏出物储罐42(其未在图8中示出)。
同时，系统在芯20的中心布局附近装有传感器72。加热器沿储罐30的壁31设置。驱动压缩机50的电机17由控制系统控制，所述控制系统可 改变流入电机17的电流，从而改变压缩机50的速度、通过量和体积流量。
传感器72被放置在芯20中心的开放通道22中。同样，传感器72如图中所示沿壁放置，在图1中示意性地分布。传感器72被配置成可检测芯中及壁31附近的储罐20的盐水23内的温度和浓度。其他温度和压力在充气室58、压缩机50上游侧和下游侧上的导管18等中检测。在建立图6的数据的过程中，在图8的装置10上进行了多种实验。
参见图9，质量平衡反映了引入储罐20中的流量35a的输入和离开盐水热交换器36的输出流35c，以及大量的馏出物25或冷凝物25通过馏出物热交换器44到达馏出物储罐42。
得到图5和6的图表134、145的实验分别对应于在实验条件194a和194b、位置194c和194d的条件以及194e、194f的条件下获得的数据。条件194a、194b对应于50,000ppm的输入进料。输出对应于离开储罐30的总溶解固体中100,000ppm的盐水浓度。
同时，条件194c和194d对应于50,000ppm的输入盐水浓度和200,000ppm的输出浓度。同样，条件194e和194f对应于100,000ppm的输入浓度以及分别为180,000ppm和200,000ppm的输出浓度。
图9的表190的数据条件对应于每天100桶(168升)的馏出物25的恒定输出。尽管如此，条件194e和194f的输出盐水浓度不仅设为200,000，实验的条件194e被设为180,000ppm的输出盐水浓度。
参见图10，在图8的系统10中实施与图9的条件194相对应的实验。图10的图表根据其上所示的公式148通过六个实验194或六组实验条件194，绘制了总溶解固体的归一化增加。
溶解固体的归一化浓度在TDS轴线138上示出，并且对从储罐30中的出口位101直到液位100的高度绘制。液线100或液位100之上的区域对应于正好位于芯20的上方的位置，芯20完全浸入盐水23中。
对于所有流，盐水23顶部或液位100处的总溶解固体值150被归一化，或用作归一化值。因此，总溶解固体的归一化增加表示成超过液位100处浓度值的比率。
如可从图10的图表中看出，曲线195、196、197反映了对所获得数据的拟合。曲线195对应于对实验194a和实验194b的数据的拟合。曲线196为对于根据条件194c和194d的实验的拟合。同样，曲线197为对与条件194e和194f相对应的数据的拟合。
曲线195、196、197对应于图6的曲线186。同时，F135a和F235a以其沿高度轴线136的相对高度示出。可以注意到，盐水浮力羽流效应能显著改变储罐30中的梯度内的总溶解固体。还可从与图10中的实验194相对应的原始数据图表获得附加信息。
例如，在进料流35a引入实验储罐30的位置处，没有可用的扩散器68。因此，流35作为若干管线引入，每个管线从进料储罐32注入输入进料盐水35a的水平射流。水平方向的动量和垂直方向的浮力都影响了进入储罐30的盐水23的输入流35a的整合。
此外，实验条件194c和194d旨在对应于200,000ppm的输出盐水浓度。相比之下，条件194a、194b旨在对应于100,000ppm的输出盐水浓度。输入流35a中的盐水浓度的效应是显著的。当储罐30中的盐水浓度为进入盐水流35a的浓度的四倍时，储罐盐水23非常迅速地调整进入流35a的浓度。在进料35a的位置之上，曲线195、196、197与原始数据的匹配度非常接近。
然而，在进入流35a附近，从浓度下降到曲线195、196、197之下可以看出混合的破坏性效应。这表明系统10非常稳固。例如，曲线195、196、197高度依赖于进入流35a的进入浓度，并且表现出几乎不依赖于输出浓度。
因此，可依靠为曲线146(参见图6)所详细说明的动态密度分布140c(参见图5)来为系统10提供稳定、可预测的输出条件。可调整压缩机50中的热输入和功以适应进入进料流35a，从而达到输出期望。值得注意的是，输出结果没有实质问题。
图10的数据还证实了在面对进入盐水浓度有很大差异时储罐30中的梯度的稳固性能和弹性。这在实际生产设施中尤其明显，其中进入盐水流35a可随裂隙水、生产盐水等而变化。这些数据表明系统10的输出和控制不必受此类随意输入的制约。
参见图11，图表198示出了在轴线136上所示的各个深度处，对沿温度轴线150的温度的效应。未将温度归一化为与其他图一样的无量纲形式。此处，饱和温度曲线160、162对应于图7A的那些。这些值反映了从对应于图9-10的实验194得出的实际数据。图中，位点199表示储罐30的表面100或液位100处的饱和温度。位点199处的条件造成了充分混合储罐的液位100处的饱和温度。这对应于曲线162的条件。
相似地，位点200表示液位100之上的充气室58中的压力处的饱和温度。沿曲线162的液位100处的饱和条件同样如此，对于图9-10的动态梯度配置，位点200对应于充气室58中压力下存在的饱和温度的曲线160。
图11的经验数据证实了相对于图7A讨论的操作特性。例如，区域176对应于相对于图7A对区域176的描述。区域178同样如此。相似地，图7A的区域180为区域176与区域178的深度之间的差值。
这体现了热传递区域中的优势所在，及芯中核态沸腾的区域中大大增加的热传递系数。芯20以虚线示出，所述虚线围绕反映实验194过程中储罐30中的芯20的实际深度和位置的区域。
参见图12，同时继续总体上参照图1-12，用于控制根据本发明的装置10的过程202可以有若干控制层次。例如，零层次203表示通过跟踪和调整储罐30中和馏出物贮存器48中液位的连续过程来平衡质量。通过常规测量和控制技术，这些可及时地直接进行观察和调整。
同时，示出了第一层次控制204以及第二层次控制205和第三层次控制206。第一层次控制204涉及对压缩机50所做的功的控制。在所示过程202中，第一层次在系统10中操作的过程202的操作中以干预204示出。
主要控制机理是降低211或以其它方式改变211压缩机50在从充气室58移除蒸汽27时所做的功。通常，降低211操作对应于控制干预204，该控制干预随着含有馏出物的贮存器43的液位的非期望上升而引发。对压缩机50所做的功的改变211引起系统10中的响应212。例如，降低211压缩机50所做的功引起充气室58中压力上升。同样，在压缩机中和充气室58之外将出现减小的质量流率。这有点违背常理。
例如，减小211或降低211压缩机所做的功使充气室58中的压力增大，造成芯沸腾减少，并且馏出物温度和饱和压力减小。这些系统响应212 导致系统10的操作点的重新调整。具体地讲，这改变了充气室58中的压力，从而迫使盐水23中的饱和压力和饱和温度的重新调整。
实际情况是，图12所示的过程202是控制系统10的一个例子。因此，用于控制装置10或系统10的操作的最具响应性的要素是第一层次控制204。
第二层次控制205、或第二层次控制方案中的干预205，涉及调节213辅助加热器70提供的辅助热量。此例中，调节213体现于降低由辅助加热器70输出的辅助热量。这可以通过控制加热器70或辅助热源46来完成。
通过降低213辅助热量，干预205在更快速且更具响应性211的干预204之后进行。然而，在第二层次控制的干预205中，辅助热量的降低213导致系统慢得多的响应。这包括降低储罐中的温度，降低馏出物25的质量流率，以及减少芯沸腾。
在图11中，温度158a左移。然而，通常将随系统响应212而发生从曲线162偏离。通过降低213辅助热量，温度线158a左移，这与储罐30的净冷却相对应。线158a左移的结果是区域176减小以及区域176、178之间的区域180增加。
或许，移动温度或降低213热量连同其对应的温度158a降低的最明显效应是通过移动温度线158a与曲线160相交的交点172的位置减小了区域178。因此，更少的芯20参与沸腾。因此，根据图12，降低质量流率和降低芯沸腾将随系统响应214而发生。
如参考图2B所述的第三层次控制处的干预206可涉及计算机处理器的处理215以便提供对其他控制层次的预测修正。因此，控制器84可从任何一种或全部传感器72接受信号。该控制器可提供指示，命令216对系统中的功、热量或任选的质量流率进行修改。
命令216改变这些控制自变量可导致因变量变化。因此，将数据馈送217回或提供217压力、温度、质量流率、浓度等值的反馈将反映出由功和热量等自变量在进行控制的因变量。
在根据本发明的装置的某些实施例和根据其的方法202中，在第三层次控制的干预206可涉及数值方法，通过实施所述方法来预测并稳步推进命令216至设定点，所述设定点经预计、计划、预测或以其它方式计算以 固定系统10内任何特定位点处的压力、温度、质量流率和浓度的因变量的适当值。
干预206之后，系统(具体而言是控制器84)可对系统10是否稳定作出判定207。如果系统10稳定，则第三层次控制的继续干预206可涉及以预测方式修正任何必要的自变量。然而，如果判定207为系统10不表现为完全稳定，则过程202可进行到检测209对此负有责任的事件208。
例如，如果系统10显得不稳定，将发生某些事件208，其可能是大气压、进入流35a的浓度变化等效应。偏离干预206的预测修正控制的系统10的任何漂移，通常将是改变系统10的条件的事件208的结果。
因此，对结果的检测209通常将会涉及来自压力、温度、质量流率、浓度、其组合或其间的关系的传感器的反馈217。例如，系统可能遭遇大气压下降。同样，系统10可检测到馏出物质量流率增大。此例中，传感器72将检测到这些变化并作为反映事件208结果的数据输入报告回控制器84。
在检测209这些结果之后，适当的操作是通过控制器84来启动210控制。出于说明目的，零层次控制203被排除在过程202的控制回路之外。零层次控制涉及对那些容易观察、控制且立即被影响的参数的控制。通过调整流过泵76b的流速来增加液体将导致进入储罐30中的流35a增加。同样，通过使泵76d的控制受制于体积流量、速度、电流或泵76b的其他控制机制，泵76d的速度可增加。
相比之下，准确地测定应将多少热量加到辅助加热器70不必是直观的方法，也一定不是可直接观察的或手动或通过简单的反馈传感器可控制的。对芯20或储罐30中的温度响应的时间相对较长(例如4.6小时)，并且压缩机50的响应性相当快(数秒)以致充气室58中的传感器72d上的测量值不一定能提供第一层次的干预204或第二层次的干预205的明显方向。
零层次控制还可通过第三层次的干预206进行修正。可对损耗、误算、校准等等作出轻微调整。然而，实际情况是，零层次控制不需要包括在过程202的控制回路中。
考虑第三层次控制的干预206的一种方法可以说是基于系统需要移至哪里的算法预测，预测应调整什么控制参数和它们应在什么方向调整。因 此，预测修正控制干预206不是简单地跟踪因变量并调整单个自变量，而是非常复杂的函数，反映了系统10内和其多种组件中的热量与质量传输之间的复杂相互关系。
考虑控制过程202的另一种方式是根据热力学第一定律用零层次的控制203保持质量平衡。系统内的质量必为流入质量减去流出质量。
同样，第一层次控制处的干预204表现为能量平衡。也就是说，将正在被输入的功修改211为系统10运行中的主要能量源。也就是说，来自辅助加热器70的热量并不操作系统10。系统10由压缩机50的功率或功操作，并补足其热力学循环所需的损耗能量。
第二层次控制处的干预205实际上不是系统10的原理控制。相反，通过调节213辅助热量进行的干预205是用于根据外部效应调整系统10的操作参数的机制。
例如，如果风暴前沿席卷而来，则大气压将下降。由于储罐30未被密封成压力容器，充气室58中的压力可能跟随环境或大气压力。充气室58中的压降很可能会大于充气室58大气之上控制的温差的效应。
因此，在第二层次的干预205涉及调整储罐盐水23的温度以便使系统10的整体运行适应改变的外部条件。在第二层次的干预205可以重新设置系统以适应在其环境内新的稳态运行。环境不受系统控制。相反，系统10必须适应于其环境并通过干预205来适应。因此，就由于第一层次处的干预204而引发的干预而言，干预205是预期的。然而，其可能仍然涉及重新调整系统10的参数，使得系统10可及时到达新的和将来的平衡和稳态条件。
因此，在第三层次控制的干预206几乎完全可预测。考虑所有较低层次的控制并对操作特性建模以便确定非显而易见的设定点(自变量必须被设定的设定点)。因变量从而以最有效和及时的方式到达其稳态和适当条件。
因此，各个层次(包括零层次的干预203、第一层次的干预204、第二层次的干预205和第三层次的干预206)分离出控制器84的控制。控制从可测量参数的直接值更进一步并且离开对当前条件的直接响应。
考虑该控制过程202的另一种方式是让零层次直接有效地独立于对质量平衡的闭环控制，直接控制该值。第一层次的干预204通过功的变化直接对自变量施加控制并间接对因变量施加控制。
同时，第二层次的干预205涉及处理影响变化率和变化方向而不是影响自身观察到的变量的参数。最后，第三层次的干预206涉及预测受到控制的参数的变化率的变化率。
本发明在不脱离其基本的功能或基本特征的情况下可以以其他具体形式来体现。所描述的实施例在其所有方面应被认为仅是说明性的，而不是限制性的。示意性实施例的等同物的含义和范围内的所有改变在其范围之内。