在人工加壓輔助脫鹽分餾設備中通過水合物離解實現進水的控制冷卻的製作方法

2023-05-11 22:06:01 2

專利名稱：在人工加壓輔助脫鹽分餾設備中通過水合物離解實現進水的控制冷卻的製作方法
相關的申請本申請要求2000年6月26日申請的美國臨時申請號為60/214,262申請的優先權。本申請是2000年2月9日申請的序列號09/500,422名稱為」脫鹽和獲取伴生二氧化碳生成液態二氧化碳」的美國申請的繼續和組成部分。後者是1999年9月17日申請的申請序列號09/397,500名稱為「利用帶正浮力或負浮力/輔助浮力的水合物進行脫鹽」的美國申請的繼續和組成部分。後者又是1999年8月17日申請的序列號09/375,410名稱為「利用正浮力或負浮力/帶輔助浮力的水合物進行陸地脫鹽」的美國申請的繼續和組成部分。後者又是1999年7月12日申請的序列號09/350,906名稱為「利用有浮力的水合物進行陸地脫鹽」的美國申請的繼續和組成部分。
發明的領域通常，本發明涉及到通過用水合物來脫鹽或進行其他方式的水淨化，從含鹽水或汙水中提取淡水的發明。特別是，本發明涉及實現適合於水合物自然生成的加壓方法。更具體說本發明涉及在脫鹽設備中如何使自然加壓和人為加壓相結合以獲得水合物生成所需的適當壓力。本發明還涉及到引導水流、控制水合物的移動，在離解的各冷卻階段用水平移動法或者用在離解區內提升法處理，以實現水的最有效冷卻。
發明的背景通常，用有浮力的氣體水合物對含鹽水或汙水脫鹽或淨化，是已知技術。例如美國專利號5,873,262以及已經被接受的南非專利申請號為98/5681，其公布部分在本文被參考引用了。根據這種方法對水脫鹽或淨化，是把一種氣體或混合氣體(在由深度引起的足夠高的壓力和/或足夠低的溫度的條件下與水混合自然生成有浮力的氣體水合物)在處理塔較深處的底部與要處理的水混合。根據已有技術，該處理塔被設置於海裡。因為水合物是有正浮力的，它從塔裡上升進入暖水和較低的壓力處。當水合物上升時，即變得不穩定，並離解成為純水和有浮力的易於生成水合物的氣體或氣體的混合物。然後提取純水，氣體被處理，在水合物生成的後面循環中被重複使用。(此處的溼氣可能用於其他用途，例如就近的發電裝置。可以證明，這些氣體不用處理，可以在氣體通過時使用，只有一小部分氣體沒有被回收，可以算做操作損失。合適的氣體其中包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及其混合物。
以前已知的使用有浮力的氣體水合物進行脫鹽或淨化的方法依賴於自然的高壓和自然的低溫。如使用純甲烷氣體，開闊海洋海水的深度為在海平面450到500米以下，或在使用混合氣體時，海水可以淺一點，如此可以擴大水合物的穩定「保護或包絡體」，並且該脫鹽裝置安裝後就不能移動，被固定在輸送淡水回陸地的管道上。在有些海域，例如地中海，海水的溫度沒有冷到足以產生必要的壓力，而該壓力是在足夠淺的深度下產生的，由於海水的深度不夠，產生不了低溫，如此就要用長很多的塔柱，則很不現實。另外，在很多非常需要淡水的地方，這些地方是靠近廣闊的淺水大陸架，海水脫鹽裝置要安裝在距海岸很遠的地方。另外固定裝置不如移動性裝置用途廣泛。再者，已有方法對水合物要求太高，其本身須是有浮力的，以便能有效地回收水合物和從中產生的淡水。
除了用水合物脫鹽，還有用水合物從混合氣體中提取二氧化碳的，例如發電廠燃燒礦物燃料的排出物，可以從中選擇性地生成二氧化碳水合物，然後在水合物處於穩定的環境，例如在海底處理該二氧化碳水合物。可見美國專利Nos5,660,603；5,562,891；5,397,553。雖然以水合物的形式深海處理二氧化碳，只要水合物是在海上或近海生產的(如海上鑽井平臺，或船上或海邊的工廠)，可能是經濟的，但水合物如果是內陸生產的在經濟上就很不合算了。因為運輸含水合物的二氧化碳到處理地區費用太高，運輸大，包含水的水合物的重量和體積佔相當大的部分。(二氧化碳水合物象甲烷水合物或其他類型，一份水合物約含85％分子量的水。換句話說，在這些水合物中該分子的約85％是水，該分子的約15％是氣體分子。準確的比例略有些變化，取決於氣體分子存在佔有「客體」晶格的程度。)因此，深海處理含二氧化碳水合物的成本高，基本上是由於在運輸水合物中水的體積和多餘的重量的成本引起的(而在本發明中該運輸成本是不必要的)。另外，以前的利用二氧化碳水合物處理二氧化碳的已有技術中完全忽略了利用巨大的能量，即通過先生成後熔化(即引起離解)的方法得到脫鹽或用其他方法淨化的水。
發明的簡要說明此處公開的一些發明克服了已有技術的限制，充分利用水合物脫鹽分餾法的優點，海水(或汙染水的其他淨化方法)脫鹽系統為陸上安裝或可移動型，海水提供給該系統，並使用的是帶正浮力或負浮力的水合物。本發明的方法可用於水溫過暖的情況，或在合理距離內沒有深海可在海洋上安裝用氣體水合物的脫鹽系統的情況，並且可能用生產帶正浮力或負浮力的水合物的氣體、混合氣體甚至是液體來實現本發明的方法。另外，本發明在具體實踐中還可用工業廢氣中的二氧化碳，同時生產出淨化水和獲得二氧化碳，二氧化碳可用最有效的方法處理(或如需要，派其他用途)。
本發明為使脫鹽分餾塔內能生成水合物，需要把海水冷卻到相當低的溫度，其壓力和溫度要適合於為生成水合物所使用的特定物料。優選的實施方案是利用水合物的性質，即水合物在深部生成時所釋放出的熱量，在本質上與其離解(熔化)回到純水和可生成水合物的物料時所吸收的熱量相等。特別是，因為液體或氣體生成水合物，而當水合物晶體穿過水柱上升(系起因於水合物固有的浮力或是由於水合物網殼內捕集的氣體的「幫助」)並繼續生長，那麼，水合物生成時釋放的熱量將會加熱該柱周圍的海水。當水合物在水柱裡上升時，其承受壓力降低，該水合物吸熱離解，水合物的生成主要由於深部壓力上升引起的，並從周圍的水柱吸收熱量。從根本上說，離解水合物所吸收的熱能，本質上與水合物放熱反應所釋放的熱能相等。因此，本質上本系統的熱能應沒有淨變化。
但是根據本發明，水合物生成時所釋放的熱能是在清除水塔內殘存鹽水時從系統中去除的，殘留鹽水被水合物放熱反應釋放的熱能加熱。因為水合物生成主要由於壓力引起(相對於由於溫度引起)，當它穿過該水柱上升時隨著壓力的降低而變得不穩定，並且發生吸熱離解。因為有些散熱晶體所釋放的能量已從系統中去除，該水合物在熔化時就要從其他來源吸收熱量，因此造成偏向。在本發明的優選實施方案中利用了這一偏向，即讓進水通過該水柱的離解區，進行熱交換，這樣可以使進水或給水充分降低溫度以便水合物在裝置的底部生成。
如上所述，本發明可以使用液體、氣體、混合氣體，生產有正浮力的水合物或有負浮力的水合物。如果是水合物，水合物晶體自身有浮力，生成時會自然上升，其於脫鹽分餾塔內上升至其頂端，水合物即離解為淡水或氣體或混合氣體。如果是有負浮力的水合物則不同，水合物晶體自身比周圍的海水的密度大，一般說會沉降。如果控制氣體(混合氣體)，液體的注入量，水合物的生成就不完全，氣泡或比海水密度小的液體會被水合物網殼捕捉，殼體的全部正浮力會引起該水柱內的水合物上升。
優選的是，上升的有輔助浮力的水合物(有負浮力的水合物親和有正浮力的氣體或液體氣泡)從橫向被導入一個「收集池」，這樣，在離解過程中，一旦網殼分裂，水合物就不會落到脫鹽分餾塔內水合物的生成區域。固態有負浮力的水合物在裝置底部收集貯槽內沉降後，被注入到收集貯槽的頂部，離解為氣體和淡水。(如果需要，按略有不同的方式生成有負浮力的水合物，則將導致全部水合物沉降在該貯槽中，再被注入到離解/熱交換收集貯槽。)本發明的實施方案是，進水可能穿過或可能不穿過離解水合物進行熱交換而得以冷卻。不論是兩種中的哪一種情況，用其他、人為製冷方式對進水(加強)冷卻，而如此冷卻的必要程度部分取決於水合物有浮力或沒有浮力的特性。部分熱能由清除熱水時被從系統裡去除，熱水在脫鹽分餾塔的水夾套內循環，並被水合物生成時釋放的熱所加熱。
在本發明的不同實施方案中，淨化水將是極冷的。這些冷卻水優選的是用作飲用水，但可以作為一個冷源提供冷卻，就是製冷，是熱天空調的基礎。
陸地上的脫鹽或水淨化還有一個好處，就是裝置不受天氣好壞、海洋條件不好的影響，其程度與海上現場一樣。另外，進入一個陸上的裝置現場要比進入海上現場容易得多。氣體處理和儲存在陸上要方便得多，陸上有更多空間，有更完善的工程環境。建造在陸上要容易多了，與海上裝置相比安全性可得以改善。
另外，因為大量殘留海水得以從系統中排出(從系統中去除熱能)，水合物漿液得以濃縮。這意味著上部即離解分餾塔的離解區域的鹽水量減少，因此水合物離解時與之混合的殘留海水也減少。這樣，汙染由水合物離解時生成的淡水的鹽也少了。
另外，因為優選的是殘留海水在穿過脫鹽分餾塔時至少再循環一次或更多次，海水中的其他組分如微量元素(例如金)被濃縮後從海水中回收就變得現實了。再者，濃縮的海水自身是有用的，或有價值的。例如，海洋工作者就可能購買濃縮海水用於水族館換水，另外還可以減少個別從海水中重新提取的微生物的困難。
在另一實施例方案中，脫鹽裝置還可以建成這樣的方式，水合物還處於某一層面時離解就發生了。他還承受相當大的壓力，生成水合物的氣體在此層面就被獲取並且依然在此壓力下被處理重新使用。
本發明的另外實施方案是，水合物生成所需的適當壓力不是靠一條長長的水柱的重量產生的壓力，而是採用自身包容、密閉的水合物生成/分離，水合物離解/熱交換容器，這些容器均使用適當的液壓泵運系統提供機械加壓。這樣的機械加壓裝置可以做得相對可移動，可為本發明提供多種調整位置。另外，機械加壓系統可用於控制該水合物離解，因此當二氧化碳被用作可生成水合物的中介時，例如，特別是當二氧化碳的提供方式是被獲取得到和從廢氣(即工業來源的廢氣)中被分離得到時，水合物離解時釋放的二氧化碳可以是液態或氣態。
在本發明的另外實施方案中，公開了一種脫鹽裝置，該脫鹽裝置內同時應用自然和人為加壓，達到水合物自然生成所需的壓力。壓力完全來自水的重量、水合物離解發生在裝置的頂部、壓力在最頂部低到一個大氣壓的脫鹽分餾塔的缺點之一是，這一豎筒必須足夠深，從而能提供水合物自然生成所需的全部壓力。這樣，它的建造和維修費用就很高了。壓力完全來自人為加壓的脫鹽分餾裝置的缺點之一是全部裝置必須在正式工作和實驗壓力下安全地運行。這樣，裝置要建得非常堅固，其費用要比建一個承受較低壓力的裝置高的多。
通過把人為加壓和自然加壓結合起來，可受益非淺。具體地說，任何豎筒的建築和維修費用，下部比上部都要貴得不成比例。在這個實施方案中把自然和人為加壓相結合，僅可有效地建立一個較短的豎筒，因為該豎筒上部的壓力已經提高了。這樣，水合物生成地點，即豎筒基部的壓力就是人為和自然加壓之和，適合於生成氣體水合物的壓力可以從表面以下的深度得到，這一深度要比沒有人為加壓時所必需的淺得多。另外，在系統部分加壓的較低壓力下，脫鹽分餾塔上部的建造成本就低得多。
在本發明的另一個實施方案中，公開了一種脫鹽裝置的離解部分，它加快了離解區域內水流的處理，以便得到最佳的進水溫度。特別是，通過控制離解室內的水流方向及其運動的大方向，可以把最終進水冷卻到低於脫鹽分餾裝置生產的淡水的溫度。這在很大程度上提高了脫鹽分餾裝置的總效益。
附圖的簡單說明下面將結合附圖對本發明作更詳細的描述，其中

圖1是陸地脫鹽系統的簡化示意圖；圖2是脫鹽分餾塔的一個實施方案的側立面示意圖，這個實施方案使用有正浮力的水合物，並可能被應用於圖1所示的裝置上；圖3和4是在圖1中所表示的系統中利用的脫鹽分餾塔的兩個選擇性熱提取部分的側立面示意圖5是脫鹽分餾塔另一個實施方案的側立面圖，這個實施方案使用有正浮力的水合物，並可以應用於圖1所示的系統上；圖6是表示用於圖5的脫鹽分餾塔的重疊的水排出口的側立面示意圖；圖7是基於有浮力的水合物的脫鹽分餾塔的另一個實施方案的側立面示意圖，應用於圖1上的系統，這一實施方案與圖5所示的相類似；圖8是脫鹽分餾塔一個實施方案的側立面圖，這個實施方案使用有負浮力的水合物，並可以應用於圖1所示的系統上；圖9和10分別是立體示意圖和側視示意圖，是圖8中脫鹽分餾塔的離解和熱交換部分；圖11是壓力和溫度曲線圖，描述一基於有負浮力的CO2水合物的脫鹽系統的二氧化碳水合物穩定性，二氧化碳液體和操作狀態範圍圖(envelope)；圖12是設計用於促進水合物漿液的洗滌的殘留流體置換區的側立面圖。
圖13是可以使用有負浮力的水合物的脫鹽分餾塔的另一個實施方案的側立面示意圖，該實施方案可促進殘留海水與有負浮力的水合物的分離；圖14是圖13的系統中使用的漿液保持、流體分離設備的側立面示意圖；圖15是脫鹽分餾塔的另一個實施方案的側立面示意圖，該方案的結構設計成可維持該生成水合物的氣體保持在高壓下；圖16是機械加壓脫鹽系統的一個實施方案的側立面示意圖，該方案的結構設計成使用有正浮力的水合物；圖17是機械加壓脫鹽系統的一個實施方案的側立面示意圖，與圖16相似，但該方案的結構設計成使用有負浮力的水合物；圖18是機械加壓脫鹽系統的一個實施方案的側立面示意圖，該方案的結構設計成可使用有正浮力或有負浮力的水合物；
圖19是描繪位於一艘船上的機械加壓脫鹽系統的簡化示意圖；圖20是圖示用生成水合物的二氧化碳的供給的工業廢氣來生產液體二氧化碳和淡水的系統的組成部分的示意圖；圖21是相圖(phase diagram)，圖示硫化氫和二氧化碳水合物生成的有關壓力/溫度條件；圖22是表示一種離解容器的示意圖，在容器內二氧化碳水合物被允許離解，從而生成二氧化碳和淡水；圖23是相圖，顯示二氧化碳水合物沿P-T(壓力-溫度)路徑被允許在圖22所示的離解容器內離解；並且圖24表示液態二氧化碳在不同的壓力下其密度的變化的圖；圖25是部分人為加壓脫鹽分餾塔的一個實施方案的側立面示意圖，使用有正浮力的或輔助有正浮力的水合物；圖26是一個實施方案的側立面示意圖，圖解虹吸海水至一在海平面以下的脫鹽分餾現場，低洼處的從大約海平面至低洼處的海平面以下的水的落差提供脫鹽分餾塔中全部壓力的人為加壓部分；圖27是一脫鹽分餾裝置離解/熱交換部分側立面示意圖，該離解/熱交換部分用於以大致水平狀態通過水合物離解段的離解/熱交換部分的進水的分段冷卻。
優選的實施方案的詳細描述一座陸地安裝的脫鹽系統簡述於示意圖1。該系統可以大致分為三部分或三個區域。取水部分10，水淨化部分12，後處理和下遊應用部分14。
該取水區10本質上包括從海洋16中提取海水並將海水輸送到區12的脫鹽/淨化系統所必需的設備和各種輔助系統，該輔助系統包括水下輸水管道18和泵運機構(未顯示)以便從海中抽海水並將海水注入到岸上，待以後處理。大體積的系統可以位於離海較近處，以將進水的管道運輸距離減少到最小，該系統的建造要儘可能與海平面接近，從而減少為克服壓頭付出的泵運費用。
取水管道18優選的是儘可能伸向海內，以取深海裡的水，例如從大陸架斜坡20取水，因為深水要比淺水更純和更冷。或者，也可從離陸地較近處取水，例如從大陸架22上的區域取水，因為跨越淺水區距離太大，不現實。準確的取水深度最終要取決於許多因素，主要包括所採用的脫鹽分餾塔的具體裝置，如下文所述。理想的是，脫鹽系統本身被定位成使流體運輸系統最高部分是處於或低於海平面以減少進水的泵運費用。
另外，水可以在予處理站24予處理。予處理主要包括除氣脫氧，過濾清除粒狀物料，脫氣，其中水合物晶核形成和成長所需的必要材料不可從該水中除去。
該淨化系統30本身的一個優選的方案顯示於圖2、3和4，這個系統用有正浮力的水合物從海水中提取淡水。海水自進水點32注入至系統130，並注入至低處的該系統的水合物生成部分34。水合物生成部分的底部不超過約800米深，可能會更淺一點(還取決於所用特定氣體或混合氣體)。一種適合的、有正浮力的生成水合物的氣體(或液體)在36處被注入該水合物生成部分，有正浮力的水合物38自然生成，並開始上升通過水柱，如現有技術中已知的那樣。
生成水合物的氣體可用串聯序列中間壓力泵泵送，氣體導管貫穿分餾塔而向下延伸，或者貫穿進水管向下延伸，使氣體導管的壓力可與周圍水的壓力抵消。事實上不必使用設在地面的昂貴的高壓氣體泵。另外，也可以於氣體一旦已被液化，就可以注入到較大深度而不必進一步加大壓縮。
水合物生成(結晶)是放熱過程。因此，有正浮力的水合物生成，並從水塔內自動上升，水合物晶體在上升時還繼續生成晶核和生長，生成水合物「漿液」直到生成水合物的氣體耗盡。周圍的水會持續地變成濃縮的含鹽「殘留物」，並被水合物結晶過程中釋放的熱量所加熱。
在某一含鹽量標準之下，被加熱的殘留海水會相對降低密度，並會在塔內隨水合物38而上升。當殘留海水中的鹽量由於其內淡水的提取出來而高到一定值時，含鹽量高的殘留海水將沉入該水塔的底部。這些含鹽量高的殘留海水由該分餾塔的塔底的貯槽40接收，並被清除。
當該水合物漿液和加熱的殘留海水上升通過分餾塔，加熱的殘留海水於該分餾塔的熱提取部分44的一個點或幾個點46從系統中被清除。該熱提取部分44在圖3表示的更清楚。如圖3所示，作為水合物和漿液的分離的一種模式，水從系統裡泵出是立式分餾過程的一部分。該過程是分兩段完成的。內部套筒45使得首次分離可以發生，因為在套筒的頂部下邊形成聚水器49。水合物繼續上升，被泵送通過水把該部分44全部淹沒。從低於水合物排出處的高度的地方使水從套筒頂部被泵送通過錐形細篩47。該錐形細篩被設計用於阻止粒狀水合物通過。(當流動阻力超過設計限度時篩子可以定期加熱清除其上的顆粒)。殘留水用足夠慢的速度抽取，使任何殘留在流向篩子的水中的水合物的向上浮力的傾向大於與外抽取水的吸力有關的向下或向側面移動傾向。浮力非常大的氣體上升並停留在塔裡。
該熱提取區的另一種結構44』見圖4。在這個結構中，用一臺離心機運行一個單獨的機械驅動密度分餾系統。在這個結構中塔的組成部分51設置成可移動的，並且可以做轉動運動。此塔的可移動、可轉動式離心機部分由軸承53在基座55處以及沿高度隔開間隔處支承，以使其在豎直方向上與整個塔身對準在一條直線上，允許它相對於塔的在它的上面和下面的部分57、59轉動。這一部分是由電機驅動，使用一個從地面驅動的液壓系統61。離心機部分內的輪葉63將使水柱轉動，輪葉的設計取自渦輪機的葉片的設計，能帶動這個區內水合物-殘留水轉動而不產生紊流，轉動速度越朝頂部越快，殘留水在頂部被取出。重力「沉降」(gravity settling)或分餾在這裡是在一個水平的平面內進行的，在該水平面內重一些的殘留水朝向塔的邊上沉降，而更輕的浮力大一些的水合物則朝向塔的中心沉降。該水合物繼續浮動地上升，併集中在離心機中心部位。可以理解能設幾個這樣的離心機部分。
當水合物升到脫鹽分餾塔的上部的離解和熱交換區50，迫使或驅使水合物生成的跟深度有關的壓力就消除了。因此，此時主要以漿液形式存在的水合物將被迫離解回生成水合物的氣體(或氣體混合物)和淡水。但是，不管是否使用特殊方法來提取出變暖的殘留海水，周圍海水中的通常(即在已有技術中)在水合物離解時被水合物吸收的熱能，現在不再由水合物來吸收了。因此，因為熱量已經在通過該設備的熱提取區44排出變暖的殘留海水而從系統裡被清除掉了，在該系統的上部的離解和熱交換區50產生了一個淨偏向(net cooling bias)或叫全面偏向(overall cooling bias)。
此偏向可作為明顯的優點。特別是，正如圖2所示，被注入到系統(在32處)的水經過離解水合物區進行熱交換。例如，設想離解和熱交換部分50可以建造成一個或幾個大的，單獨的規模在100米寬的範圍內的外殼。進水在導管中通過離解水合物區，將會得到很大程度的冷卻。事實上，雖然在此過程的開始需要一些起始製冷，這部分起始製冷可能由熱交換機構52提供，該系統最終將達到穩定條件狀態，其中從進水轉移到離解水合物的熱能的數量足夠把進水冷卻到適合於在離解塔一特定深度自然生成水合物的溫度。
理想地，進水是能穩定在攝氏4度或更低。因為低於這個溫度水的密度增加，這樣就增加了由注入氣體所形成的水合物-水漿液的分離。另外，在一定的壓力下，水合物在較低溫度下晶核化進行得更快。在起始階段系統將在平衡或穩定狀態到達之前以最大熱流體提取模式進行運行(產生一個引發熱傾向(thermal bias)狀態)。雖然啟始階段的時間長短依特定的系統參數之不同而定，設計的目標是，一旦達到穩定狀態，系統將連續工作一個很長時間而不必停車，就是說可以達到數年。控制殘留水的排放，因此，熱量被去除，保持穩定的條件，從而使該設備不必保持冷卻到穩定生產條件的溫度之下。
一旦水合物被離解為其組分淡水和氣或混合氣體，該淡水在54處被抽出，而氣體被收集並進入再循環。(如有必要可使部分氣體液化)。另外，離解和熱交換區50的部分水將變為」灰色水」(gray water)，即淡水但含小部分鹽，這部分鹽在水洗水合物時從水合物中被去除。灰色水或混合水與純淨淡水的界限在示意圖上用虛線56表示。灰色水可能供飲用，取決於其含鹽的濃度，或者不用進一步處理供工農業使用。冷的灰色水可以返回分餾塔再循環，可以泵回水合物生成部分34，見58所示，也可將它注回如60所示，位於熱提取部分44之上的分餾塔區的濃縮水合物漿液中去，從而加強水合物漿液的流體性質並幫助控制系統的熱量總平衡。另外，在62處提供灰色水用於稀釋間隙殘留流體可以達到離解前洗滌的目的。
圖1還顯示，在後處理和下遊應用區14，優選的是將淡水用第二級處理機構64處理。該第二級處理機構可包括，例如，精濾、氣體抽取、充氣及其他使水達到飲用水標準需要的處理方法。
另外，非常有意義的是，根據下列操作參數的不同，如給水的溫度，從排熱區44排出的殘留海水的量，系統的尺寸規模，和其他參數如系統中流體的粘度；系統中與全部流體相關的水合物的浮力；殘留水的含鹽量和溫度；淡水的設計輸出要求；進水的含鹽量和溫度；設計的冷卻要求；影響熱平衡的系統低效率等，生產出的淡水將會被深度冷卻。冷卻水可以用作吸收其他場合或地點的熱量，如吸收建築物內部的熱量，因此可以用於提供製冷或用於空調。
最後，一旦海水在脫鹽分餾塔循環和用於下遊處理了所要求的許多次數後，殘留濃縮海水(事實上可能含有大量鹽)可直接注回海裡。另外，如有人需要也可保留。
關於系統的總設計，工程和建造，預期該脫鹽分餾塔130的直徑應為15到20米，或更大。採礦和隧道工業通常使用的挖掘和豎井襯裡方法可以用於塔130的建造中。總尺寸規模取決於所需要的淡水生產總量和相關的熱動力方面的考慮。例如，一立方米的甲烷水合物在它生成時能夠把90到100立方米的水提高約1攝氏度，同樣立方米的水合物於離解時具有把90到100立方米水冷卻約1攝氏度的能力。(合適的氣體混合可提高熔解熱，使過程更有效)。所需冷卻因此部分地決定水合物的生產率，也影響系統的尺寸規模，和達到這些生產率的要求的氣體或多種氣體的選擇。
殘留流體清除塔組件部分的直徑優選的是大一些。這樣有利於浮動的、向上運動的水合物通過水柱，同時先是在排熱區44讓水合物與殘留水分離，然後在離解和熱交換區50進行離解和熱交換。
離解和熱交換區50的構成不止僅僅是一個單獨的離解「池子」，如示意圖2所示，而更應該包括數個不同的水處理塘或池中的數個相關連的熱交換裝置。實際的深度、尺寸和通過量等應視生產率而定，而生產率又取決於進水的溫度，用來生成水合物的特定氣體或混合氣體，從系統中把熱量排出的速率等。
進入分餾塔底部的進水可以用一個裝置控制(未顯示)，它改變進水喉部的直徑，以助於氣和水的混合，促使水合物的生成更快更完全。換句話說或另一方面，水合物的生成可以通過在進水中製造紊流來提高，位置僅在形成水合物的氣體注入口36的底部內或在其下方。也可以用改變脫鹽分餾塔的直徑的辦法來使水合物漿液的浮動下降變緩，從而提高水合物的生成。
離解和熱交換區50將比脫鹽塔的下部更寬和更大許多。因為水合物將要浮到它裡面，離解為氣體和淡水，其離解速率要比容納在一個具有塔本身的直徑尺寸的池子中能達到的快的多。另外，對熱量的要求高，如果提供不了足夠的熱量，水會結冰，擾亂脫鹽過程。對塔的內部採取結構收縮的措施，會保持水合物在自由離解水平以下，如此則能控制到達表面的氣體數量。這樣做是正常的操作和安全要求。
因為本發明實施方案用的有正浮力的水合物浮起，淡水傾向於在該區的頂部生產，因此會使淡水和含鹽水的混合減到最少。為欲抑制不必要的離解，熱交換設備可向下延伸到殘留水清除區的頂部。離解和熱交換池沒有必要設置在該水柱上方的中心，另外，一個以上的脫鹽分餾塔可以向上給料至一指定的離解和熱交換池。簡言之，幾組脫鹽分餾塔可以相互離得很近，以便能夠由共同的第一次和第二次水處理設施支持，這樣可減少系統成本並提高經濟效益。
除了大規模系統，相對小一些的系統也是可能的。對這些系統來說，小直徑的脫鹽塔可以安裝在淡水需要量小的地方。雖然系統的總效益不如大系統好，這些小規模系統的首要優點是它們可以用標準的鑽井方法實施。另外，成批生產、預製脫鹽設備部件可安裝在鑽孔的套管內，使系統可在一個比較短的時間內完成。這種系統的基建成本下降，因為設備組件可以在一個工業基地用成批生產的技術來製造。小規模系統的各個運行部分的更換可以通過使用常規的鑽井和管道維修技術將它們從套管內取出來進行。
圖5表示根據本發明的脫鹽分餾塔的略簡化的實施方案230。在這實施方案中水合物的生成本質上是在熱平衡塔132內進行的。該熱平衡塔132有一個開口的較下端134，懸掛在豎筒136內。在此實施方案中，進水在脫鹽塔32的底部附近，例如在138處被注入，優選的是在通過塔230的熱交換和離解區150之後，類似於圖2表示的實施方案。有正浮力的生成水合物的氣體被注入到熱平衡塔132的較低部分，如在140處，象以前的實施方案幾乎一樣，水合物生成於塔132內並上升。
該實施方案230是被簡化的，其中水合物生成的熱被傳送給「水套」(water jacket)內的圍繞熱平衡塔132的水，水套被限定在塔132與豎筒136的壁之間，脫鹽分餾塔建於該豎筒內。為此，水合物生成導管優選的是由織造的(即縫合的)人造纖維材料製成，因為它的重量輕並且它有用作稀鬆織物的可能性，很有利於熱平衡塔132內的殘留含鹽水與循環於水套內的海水之間的熱平衡。
如圖2所示的實施方案中，熱水被泵出系統，這些熱水是在水套內循環過的水。然而，與圖2表示的實施方案相反，把熱水從水套裡除去的目的不是把這麼多熱能除去，致使進水自動冷卻到在塔底能適合生成水合物的溫度，而是僅僅把足夠的熱能去掉，以防止有水合物生成的導管內部的水變得太熱以致使水合物根本不能生成。因此熱水從水套中除去的速率可能要比圖2表示的實施方案中熱水從排熱區44中去除的速率小。其結果是，有必要用人工製冷補充機構152補充熱交換和離解區150的冷卻。其操作與圖2實施方案表示的不一樣。淡水是從熱交換和離解區150的上部取出的，」灰色水」是從熱交換和離解區150的下部被取出的，即從分離線156之下取出的，濃縮鹽水從鹽水貯槽141除去。
為促進因其濃度和/或變冷的原因而密度足夠大以致呈負浮力的鹽水「沉降析出」；又為促進熱傳送和熱平衡，熱平衡塔132優選的是建有重疊接頭，如圖6所示。這個結構允許有浮力的水合物穿過該塔內上升，如示意圖所示，冷卻之後更多的含鹽水可從出口142流出。
脫鹽分餾塔系統可更簡化為，進水加入該系統但不通過圖7所示的實施方案330的離解區250。如果進水不夠冷，需由制冷機構252提供更多人工製冷，但操作與圖5所示實施方案230相同。
雖然上述實施方案描述了利用在適當的溫度和壓力條件下生成帶正浮力的水合物的氣體或混合氣體，但以水合物為基礎的脫鹽或淨化的多用途性可以通過調整上述描寫的方法和設備使其適用於帶負浮力的水合物而得以極大擴展。實施方案430為一脫鹽分餾「塔」，其結構設計成允許使用帶負浮力的水合物來淨化水，見圖8-10所示。實施方案430和以前的脫鹽分餾塔實施方案的主要不同點是系統的熱交換和離解部分350相對於水合物生成部分336和熱清除部分346被橫向地或水平地偏離或偏移布置。水合物生成和熱清除區與以上描述的實施方案中相似。
有幾種不同操作氣體可以用這種結構。如低分子量的氣體O2，N2，H2S，Ar，Kr，Xe，CH4，和CO2，都可在不同溫度-壓力條件下生成水合物。不同的形成水合物的氣體系統中的每種氣體都需要特殊的水合物塔的設計，水合物塔都是為系統中使用的具體的氣體定做的，但為提取淡水的水合物生成的原理是一樣的。另外，在最初的生成水合物氣體中加少量的添加氣體可擴大水合物的穩定性區域，正如甲烷水合物穩定性區通過將較高密度的氣態碳氫化合物與甲烷混合得到擴大。
雖然能生成帶負浮力水合物的幾種不同的氣體可以用作水合物脫鹽，二氧化碳和其中使用二氧化碳的脫鹽塔在此描述以說明應用自然浮力小於海水的水合物的脫鹽系統的設計要求和考慮。二氧化碳(或主要含二氧化碳的混合氣體，此處為簡便稱「二氧化碳」)是一種理想的使用氣體有多個理由。特別是，二氧化碳在該水合物脫鹽設備內物理狀態和熱條件下不燃燒，因此它本質上是無害的。二氧化碳水合物在淺水處比甲烷水合物穩定(與混合氣體的甲烷水合物大約相同)。即使在於較高的濃度中被溶解，對人類消費也是安全的，沒有(如硫化氫水合物那樣的)另人討厭的氣味或味道。(事實上，用二氧化碳生產的淡水可以生產成帶一定數量的二氧化碳，就成了接近許多流行牌子的蘇打水，但至少有一點很不一樣，就是它含有全部海水中自然生成的礦物，與脫鹽工藝中沒有除去的鹽成正比。)二氧化碳水合物像甲烷水合物一樣無味無嗅。近來的相當多的實驗信息清楚說明二氧化碳水合物的性能和生成的實際海相性能(marine behavior)。二氧化碳很常用，可以在任何地方生產，也是普通的工業廢物-特別是燃燒礦物燃料的排氣中大量存在。(用二氧化碳比用甲烷或甲烷混合氣還有一個優點是二氧化碳水合物熔解熱較高能比甲烷或甲烷混合氣更快地加熱殘留水。因此引發熱傾向(thermal bias)會更高，系統會操作得更有效。)脫鹽分餾塔的設計和工程將依據所用特定氣體的相特性為基礎而大量測定的數據。如圖11所示，二氧化碳水合物穩定區域疊加在二氧化碳相圖之上。相圖的陰影區表示二氧化碳水合物(由二氧化碳氣體形成)在上限攝氏零度以上，約18個大氣壓到約攝氏8度以上，約40個大氣壓之間是穩定的。關於二氧化碳本身，其液相線從攝氏零度以上，約37個大氣壓到大致攝氏8度以上，約40個大氣壓。液相線之上，二氧化碳以氣態存在，該液相線之下，二氧化碳被自然壓縮為液體。
因此，該系統可以這樣建造，假定二氧化碳被用作生產氣體，二氧化碳被注入該塔的水合物生成區，注入時為周圍環境溫度和壓力，即在生產區450之內，此區含二氧化碳水合物穩定區，該區位於二氧化碳液相線以上，並於水的結冰點之上。此結構的現實意義是，二氧化碳可被用作生產氣體的水的深度範圍比較小，並且水也比較淺。因此，可以建造一個比較淺的陸上設備，這將減少建造難度和成本。
與上述實施方案相似，二氧化碳(或其他想要的形成帶負浮力水合物的氣體)被注入近水合物生成區336的底部，(例如352處)並與海水供水或進水混合，海水供水或進水在通過熱交換和離解部分350和/或在354處人工製冷時已被冷卻。該二氧化碳水合物只有在水合物生成不完全以至於生成一個複雜的、水合物-氣體網狀物時才會浮起。當氣體快速注入，並在相對大的氣泡裡時這個條件被滿足。二氧化碳水合物可使二氧化碳氣泡與周圍的海水分離，防止更多的水合物生成。氣/液結合的二氧化碳和水合物呈正浮力，並如在356處向上浮起，雖然水合物自身是帶負浮力的(即比重大於海水)。另外，有些氣泡將破裂，並生成新的水合物殼體；帶氣泡的水合物殼體(hydrate shell)主要生成新的二氧化碳水合物環(hydrate rim)，在二氧化碳氣體的幫助下向上浮動，二氧化碳氣體傾向於粘附到水合物顆粒上去。
本系統被設計以生產儘可能多的水合物，並產生足夠熱的、低密度的殘留流體以生成一種「流出物」並通過在熱提取區346內排出殘留海水來取出熱。該系統還有能力快速注入液體或氣體，注入在時間順序可能是脈衝的而不是連續。如上文所述，設計成不是所有的氣體都生成水合物，以保證水合物生成不完全。因此，基於帶負浮力水合物的系統比一個完全的形成水合物的氣體系統如上述的基於帶正浮力水合物的系統所需要的氣體多。
正如在基於帶正浮力的水合物的實施方案中，生成帶負浮力(輔助浮力)的水合物是放熱的。因此，水合物生成過程中放出的熱加熱了周圍的殘留海水，這就使得殘留海水比引入塔底部的冷卻的海水具有更大的浮力。該殘留海水隨著水合物移動上浮，同時新的、密度更大的進水被輸送到該分餾塔的底部，見圖中的360處。
周圍殘留海水與帶輔助浮力水合物的最初的向上的移動一起做向上移動時，與之有關的還存在一個衝力(或動量)。它把水合物攜帶著在塔內向上浮，直至到達橫向偏轉區362，在這裡水合物/殘留海水漿液相對於水合物生成和熱清除區336和346被水平或橫向轉向，並進入離解和熱交換區350。因此，即使有些水合物「氣泡」將破碎或裂開，釋放出所包含的二氧化碳氣體，並因此失去浮力，水合物的大部分卻仍然因衝力的作用繼續向上移動直達塔內的熱交換和離解區350。當水合物在熱交換和離解區350失去衝力，它將沉降並離解為氣體和淡水，如下文更詳細描述那樣，它們將從殘留海水分離。
然而，有些水合物由於沒有捕集到氣體而形成固態物質，並沉入到塔的最底部的貯槽部364。濃縮的鹽水也沉降到沉降貯槽部364。沉降下來的水合物和濃縮殘留鹽水在365處泵出，並由適當結構的分離機構366來分離。廢鹽水368適當排放，含沉降的水合物的漿液在370處向上被泵壓並在372處被排放到熱交換和離解室350，在這裡該水合物再離解成氣體和淡水。
在離解和熱交換室350內，不論是經由塔內橫向偏轉部分362被轉向或運送到室內的水合物，或從脫鹽分餾塔的貯槽部分364泵送的水合物，都將離解成淡水和生成水合物的氣體。
為加快從含鹽水中分離淡水，有必要輸送儘可能多的水合物到達離解和熱交換室350的上部；在離解和熱交換室350保持水合物儘可能高，直到水合物的離解完成；把離解生產的淡水和含鹽量更高一些的殘留水的混合控制在最少。圖9和10表示的離解和熱交換室結構有助於這些目的。
具體說，當帶輔助浮力的水合物漿液從脫鹽分餾塔中上升，在偏轉部362被轉為橫向後在360處進入該室，見圖9。另外，從貯槽裡被泵送的水合物漿液在372處被注入到該離解室，在那裡它有可能被置入一個特別的流體分離裝置。離解和熱交換室建有數個傾斜的分離器架子380，架子從室內一端伸向另一端，從室的一側伸向另一側。傾斜的架子有利於密度較大的鹽水沉降，也有利於較輕一些的淡水從架子內或架子間上升，因此可最大限度減少渾濁度和鹽水與淡水的混合。該分離器架子380順斜坡向下傾斜，都是從室內的一端到另一端，從室的一側到另一側。分離器架子上有可通過的開口382，該開口使得當水合物離解為淡水和氣體時，密度較大的鹽水在系統中沉降，密度小一些的淡水上升到該離解和熱交換室的頂部。
如描述帶正浮力的水合物實施方案時所述的，由於熱的殘留水被除去時產生的偏向而被冷卻的淡水在384處被除去，並可以用作冷卻水或飲用水。「灰色的」水和含鹽的殘留水從熱交換和離解室350的底部即386和388處除去，並且可以象帶正浮力的水合物實施方案中所描述的那樣處理，例如灰色水可以用作飲用水或工業用水，而殘留鹽水可以被再循環注入脫鹽分餾塔的底部。
作為可代替氣態二氧化碳的物質，液態二氧化碳可以用於生成帶輔助浮力的水合物。在較淺的適合於分離淡水的水合物的生成的深度，液態的二氧化碳比海水的浮力大(雖然沒有氣態二氧化碳的浮力大)。對把液體二氧化碳有力地注入海水中可生成帶正浮力的水合物和液態二氧化碳的網狀物(meshwork)。該網狀物一旦形成馬上以整體自然上升，其行為本質上與氣體二氧化碳和二氧化碳水合物生成的水合物網狀物相同。
(液體二氧化碳優於氣體二氧化碳的優點基於以下事實二氧化碳一旦被壓縮，就可以輸送到較深的深度處而不必再壓縮。這樣就可以把液體二氧化碳注入到500米或更深，遠在液相線以下，而不需要深的串聯管道泵。另外，更深的(即更高壓力)注入液體二氧化碳將促進很快結晶和水合物晶體的成長。)當液態二氧化碳被用來生成帶輔助的浮力的水合物時，離解是較激烈的，因為，當混合物超過液相線，捕集在網狀物內的未被水合的液態二氧化碳產生大量的二氧化碳氣體。因此，除了離解水合物(發生在二氧化碳液相線以上)釋放的二氧化碳氣體，液態二氧化碳轉化為氣態二氧化碳時產生的附加氣體能引起明顯的紊流和混合。因此水合物的流動應當受到控制，即當它進入離解區時應仍保持在水合物穩定區域之內，這樣則可避免在殘留的間隙鹽水還存在於漿液中時，產生大量的離解。
另外，當二氧化碳液體被用來生成帶輔助浮力的水合物時，要注意，一旦水合物上升到液相線壓力深度以上，要讓殘留的流體改變形態到氣相，但其時水合物必須保持穩定。如此則可在水合物最終離解時減少紊流和混合。
理想狀態是，應先由淡水替換殘留鹽水，然後水合物上升到氣體穩定區，然後是二氧化碳水合物相圖(圖11)的離解區。如圖12所示，可以在多個殘留水或間隙水去除段之間用交替地安排多個注水點的方法來做到這一點。換句話說，該流體去除部分44(圖2)被建造得如在圖3或圖4所示的使淡水注入分段412和流體去除分段414以交替的順序排列。除去間隙含鹽流體的好處包括有除去更多熱；用流體置換洗滌漿液(即從水合物晶體表面除去汙染物或黏附離子或顆粒物質)；並直接從水合物漿液中除去間隙鹽水，並且稀釋或置換由水合物生成過程產生的最初間隙鹽水流體。
雖然對於液態二氧化碳和二氧化碳水合物的漿液混合物以及對於用於水淨化的水合物，可能時極力推薦間隙水洗滌，以便將從液態二氧化碳轉化為氣態二氧化碳所引起的紊流和混合減到最小，洗滌漿液並衝洗間隙含鹽流體也會給任何基於帶正浮力水合物的或基於帶輔助浮力水合物的系統帶來好處。特別是，將來自於離解部分的冷水(淡水或灰色水)注入水合物漿液中會於間隙含鹽水從水合物漿液中衝洗去的同時，從水合物中除去更多熱量。還有，多次殘留水衝洗能保證更高的淡水產量。
另一個脫鹽分餾「塔」實施方案的結構被設計成利用帶負浮力水合物並且有助於促進水合物和殘留海水的分離，見圖13和14。該「塔」是個不對稱的，U型系統，主要包括海水進水導管432，一個水合物生成和捕集貯槽區434和殘留流體上升導管436。如在前面介紹的實施方案中的情況，海水進水導管穿過離解和熱交換區438，在本實施方案中離解和熱交換區438被構造成水合物「捕集容器」。如前面實施方案那樣，進水穿過離解和熱交換捕集容器438，與離解中的水合物進行熱交換以便冷卻進入的海水。
海水被泵壓到塔的底部440，在那裡轉而上流並橫向通過彎頭區442，然後於進入水合物生成和捕集貯槽434。帶負浮力的生成水合物液體或氣體在444處被注入在水合物生成和捕集貯槽中的進入的海水中。(提供用於液化一定氣體的機構945；殘留流體可用於熱交換器457中為液化過程提供冷源。)氣或液的注入是受控的，使水合物生成完全(相反，前述帶輔助浮力的實施方案所述的情況水合物生成是不完全的)，即全部氣體都用來生成水合物。帶負浮力的水合物沉降到捕集貯槽434的底部。水合物沉降時，置換出殘留海水，殘留海水被水合物生成時放出的熱加熱。因此，殘留海水有浮力地通過殘留流體上升導管436上升，並被泵壓出系統以除去熱、造成一個如前文面實施方案所述的偏向。
水合物生成和沉降速率是受控的，使它向下「聚集」到顆粒支持的程度。機械設備如震動盤被置於水合物殘留流體室434的沉降區的斜坡表面439上。如此則濃縮了水合物並把餘下的殘留流體減到最少，以致水合物可通過漿液泵運導管446快速地以漿液方式從貯槽底向上泵至離解和熱交換捕集容器438。水合物漿液泵到該離解/熱交換捕集容器438的速率總的來說要快於帶正浮力水合物在前面描繪的實施方案中的上升的速率。減少從生成區(水合物的穩定性最大)將水合物輸送到離解區(水合物的穩定性最小)的時間可以保證大部分水合物在捕集容器中得到比較高的離解。從而減少了淡水和殘留水的混合量並相對提高淡水的回收率。
泵出的水合物漿液到達離解/熱交換容器時呈濃縮狀，帶很少量的晶間含鹽水。採取分離措施讓含鹽水向下，淡水向上，從而使得混合減到最少。作到這一點的辦法是，在離解和熱交換室438的上方設一漿液保持和流體分離罐。使帶負浮力的水合物開始離解，從而使含鹽水被送到離解室438的底部並收集在那裡，在離解室裝備有漿液保持和流體分離罐，含鹽水不會與淡水混合。
理想的漿液保持和流體分離器包括一個或幾個固定的、大口的向上開口的罐(圖14)，其接收上面來的水合物漿液。每個罐都裝著從水合物漿液輸送系統446來的帶負浮力的水合物，並防止它沉降到離解室438的底部。水合物漿液由管道448輸送給設計用於分散粒狀水合物468的由葉輪或轉動葉片組成的水合物撒布器。帶負浮力的水合物於落到罐內的篩架470時分離。使含鹽水穿過篩架沉入進水循環進水中間冷卻器系統474的底部，該中間冷卻器系統將進水的熱傳給在離解的水合物，並向下給出被冷卻的水供處理。
數根殘留水輸送管道475從漿液保持罐的底部向下延伸，使較重的含鹽水流到容器的底部而不會干擾這些管子周圍的水。這樣，即使是淡水-含鹽水在容器裡的界面位於漿液保持罐之下，從每一次水合物漿液輸入衝洗來的殘留水之間因為物理的分離也不會發生混合。於淡水和鹹水之間的主界面477(虛線)將落在離解和熱交換室438的下部，在那裡含鹽水由於密度的不同在淡水下面自然聚集。含鹽水在480室的底部被除去，灰色水也由設施在482處除去。
多個漿液保持罐可以安裝在一個指定的離解/熱交換室裡，使水合物漿液的流動足夠快，從而防止任何一個罐發生堵塞和凍結。循環進水可能首先穿過一個漿液保持罐，然後穿過另一個，使進水離開離解/熱交換室時溫度達到最低。
根據自然浮力或通過分餾過程全部流體都將找到它們的相關位置。容器內的所有內部管道可以用便宜的塑料或其他材料製造。如圖8所示的實施方案中，流體分離裝置也可以安裝在帶輔助浮力和泵送貯槽的離解/熱交換區。
優選的是，漿液泵運導管446採用可變容量的管子，以便能定期地泵運水合物，而不會造成緩慢沉降或向上移動。這種可變容量管子可以比較容易地製造出來在漿液泵運導管446的裡面插一根柔軟的襯套，當襯裡面的壓力減低，流體就會圍繞襯套將其淹沒。
應當指出，生成水合物的液體和氣體的注入點444定位在塔底440的上面，因此如果水合物生成不完全(這將造成帶輔助浮力的水合物生成)、任何沒有生成水合物的多餘氣體(與帶輔助浮力水合物一起)將從殘留流體上升導管436上升。(很少水合物會隨著氣體沿殘留流體上升管436上升，並且這樣的水合物將於到達殘留物上升區頂部之前已經離解。因此，由於被這樣的水合物輸送而「損失」的淡水量是很少的；那部分淡水的回收是不可行的；因此在殘留流體上升導管436的排出口和離解/熱交換捕集容器438之間是沒有聯繫的。)為了正常地運行這個實施方案，流速控制，如使用收縮器等，可以控制流體通過系統時，流體的流速能低到使固態水合物不會被捲起沿殘留流體上升導管436上升。另外，水合物生成和捕集貯槽434的設計，以及殘留流體上升導管下部的設計，應該設計成可促成水合物從殘餘流體中」清潔」分離。所以水合物生成和捕集貯槽434設計成使殘留流體做橫向運動，也允許殘留流體向上運動。這樣，導致水合物殘留流體混合物最初有相對少的向上移動的組成成分，這樣就有助於水合物的沉降出來並且與前面描述的實施方案大不相同，那些實施方案提供更多的縱向流體運動，比較渾濁，沉降和分離特性較差。
至此所描述的實施方案中，水柱的重量產生水合物生成所需的壓力。在這些實施方案中，水合物呈穩定狀態的最淺壓強深度，均遠大於海平面處。海平面壓強是一個大氣壓。所以，水合物在相對提高了的壓強下開始離解。
上述許多實施方案可經改進，從而收集由該水合物釋放的淡水，並捕集在發生離解的分餾塔區釋放的氣體，而不是在塔頂回收(地表水平；環境壓力為一個大氣壓)那樣會帶來很多好處。特別是，需要相對大量的生成水合物的氣體和氣體混合物，以便給大量的水脫鹽。因此，如果氣體被捕集，處理後再注入，被保存並保持在高的壓力(達到水合物開始離解的壓力)下，必須處理的氣體量會比下面的情況少的多，即當氣體上升到該地表水平就完全地膨脹，壓力就降到大氣壓。所以，如果生成水合物的氣體壓力保持為被壓縮狀態，將壓力升高到注入生成水合物區所需的壓力而需要的氣體再壓縮就少的多，因此費用就減少了。
在優選的實施方案600中離解和氣體捕集和處理是受控的，系統保持為高的壓強，如圖15所示。在此實施方案中有形擋板610延伸過分餾塔並阻擋水合物漿液的向上移動。該有形擋板610的位置取決於具體使用的生成水合物的物質的穩定性極限，但是將位於水合物穩定區之上(即在較低壓強深度)。當水合物離解時，釋放的氣體捕集構造620處形成一個氣袋620，並進入一個氣體回收和處理系統626，其時壓強深度仍然遠在表面1個大氣壓之上。(氣體處理系統626可包含有液化某些氣體的機構)。與以上所述的實施方案相同的方式，氣體被處理並於629處再次被注入水合物生成區628，不同點是氣體系統被維持在相當高的壓強之下。
水合物離解區630向下延伸到某一特定深度，這由所用特定生成水合物的氣體決定。因為水合物的離解是被「控制」在高的壓力之下，離解反應通常比上述實施方案中所述的更慢些。因此，出現在離解/熱交換區的熱交換器632(與前述實施方案描述的有關)被設計成能適合特定的較慢的反應速度。進水634在熱交換器632內穿過離解/熱交換區，在636處被注入到脫鹽分餾塔的底部，如前面的實施方案所述。
一個或更多的淡水旁流管640與離解區在641點相通，該點641位於淡水/含鹽水界面644之上，但於水合物穩定區上界線648之下。該管子640帶篩子或以其他結構方式防止水合物進入，把水合物釋放出來的淡水輸送到淡水積聚儲存區666。灰色水回水管650把密度較大的、含鹽更多的灰色水放回位於淡水/含鹽水界面644之下的含鹽流體中。含鹽更多的殘留水和/或帶負浮力的水合物從該貯槽654中抽取，於658處被處理或移動除去，如以前描述的實施方案所述相同。輸出的淡水的一部分可返回流體清除區，洗滌晶間鹽水，如前面的實施方案所述(沒有表示)，輸出的淡水從660處抽出，該660處位於靠近淡水積聚儲存區666頂部，遠在有形擋板610的上方。
據現在構想，有形擋板610、淡水和灰色水回流管640，645、以及離解/熱交換區630裡的熱交換器可以是這樣的結構使得它們的位置可有不同，因此，允許不同的生成水合物液體、氣體或混合氣體用在同一裝置中。有形擋板610和熱交換器可縱向調節，而一系列有不同入口位置的旁流和回流管640、650可被設置並用合適的入口閥和出口閥設置為遙控開和關。用這種方式，從一種生成水合物的物質改變成另一種就很快和很方便地實現了。
在生成水合物的氣體仍然在壓力下，通過保存並充分處理以便再注入，可以得到很好的經濟運行。液體或氣體的從水合物生成所需要的壓力降到從水合物內釋放出淡水的壓力的壓力之變化可以控制在最小。而這又可使把捕集到的生成水合物氣體從離解/熱交換區之上泵回到設備底部的水合物生成區所需的能量消耗最小，特別是考慮到這樣的事實以百分數計，液壓塔(如上述任何一個實施方案)內最大的壓力變化發生在塔的上部。另外，要處理輸送的氣體量(並因而氣體處理設備和設施的規模尺寸)也將明顯地減小。
作為可代替圖15所示的結構的情況(沒圖示)，脫鹽分餾塔的上部可以密閉，用一根連結的液壓立管加壓，從而使設備內近表面的壓力與立管內壓力高度相等。立管是安裝在高的結構裡的(如脫鹽設施附近的建築物)相對較高的壓力可出現在位於地面的離解/熱交換區的最頂部。
在本發明的另外的實施方案中，水可以在設備齊全的、機械加壓的容器內脫鹽或淨化。這樣的實施方案有幾個明顯的優點，包括這樣的事實系統可以是任何不同大小的尺寸和形狀以適應當地的條件、容量的限制以及淡水的要求等。另外，上述實施方案的系統是相對大規模的，因此是固定的、永久性的性質；設備齊全的加壓實施方案以其建造和地點來說可以是臨時的。單獨的壓力系統可佔空間小、有效地生產淡水，即使在低容量的情況下。這樣的系統可以在中心製造廠裡製造，並在現場安裝時只需最少的當地現場建造工作，現場可以是一座建築物、甚至是一艘船，或其他的移動平臺。
圖16中示出一種機械加壓的系統，其被製成使用帶正浮力的水合物從水中提取淡水。進水用泵704被泵送，並把進水的壓力從進水壓力提高到作業系統壓力。水從進水口711進入加壓的水合物生成和分離容器710，一種合適的、生成帶正浮力的水合物的物質在注入點712處被注入。(機構713的作用是液化一定的氣體，當對脫鹽過程有利可設該機構)。帶正浮力的水合物714自然生成，並從殘留水中上升到容器710的頂部，正如前述實施方案所描述的，然後聚集並濃縮。
有浮力的水合物漿液然後被允許進入輸送和洗滌區720，然後進入離解/熱交換容器722。(水合物漿液的流量由閥門734調節。)在輸送和洗滌區720，水合物可用從淡水輸出728中抽出的淡水726洗去殘留的、晶間含鹽流體。可用一個以上的洗滌循環完全衝洗殘留流體，雖然洗滌的次數決定於分餾過程中分離的有效程度(對不同的氣體和氣體混合物的效果可能不同)，及漿液晶體組分的性質。
在水合物生成和分離容器710內和在離解/熱交換容器722均由壓力平衡貯存器系統732(一個容器一個)來保持壓力，流體自一個容器到另一個容器的運動靠變化壓力並使用串聯的閥門734來控制。732系統每一個都有一臺壓力泵733，一個隔膜或氣液界面736，用於提高或降低每一容器裡的壓力。容器裡的壓力是被控制的，使水合物保持為穩定的水合物直至它最終在離解容器722的頂部被收集和濃縮。這是因為過早發生的離解會釋放出大量的氣體，因此會引起不希望有的混合。另外，離解容器裡的壓力條件應控制住，從而將流體-氣體混合物中產生的紊流減到最少，並促進含鹽水和淡水的有效分離。
離解和熱交換容器722可由數個在不同的水處理室中的數個連接的熱交換裝置組成。實際尺寸，通過量等取決於全系統的生產率，而全系統的生產率又決定於進水的溫度、用於生成水合物的特定液體、氣體或混合氣體、熱從系統中被除去的速率等。生成水合物的氣體的分餾、濃縮、分離、乾燥以及再利用均如前面的實施方案所述相同的方式下運行。所以，液化生成水合物的氣體產生的熱可以被吸收並用含有殘留或含鹽流體的熱交換器除去。
機械加壓的過程本身就不是如前面的實施方案那樣連續的，本質上是分批過程。系統的壓力是控制的，以便模擬如前面的實施方案中所述的壓力的變化待處理的水被加壓，並被注入到設備裡，然後壓力被提高和降低以控制水合物生成和離解反應的速率。
機械加壓的實施方案具有多用性，壓力可以控制為水合物生成提供最佳壓力，並控制離解的速度。另外，不同的液體，氣體和氣體混合物可以在同一個設備裡使用，同樣的水可以用不同的液體、氣體、及氣體混合物處理數次。
還有一個機械加壓實施方案800，這個實施方案利用帶負浮力的水合物從待處理水中提取淡水，見圖17。進水用泵804，從進水壓力升到作業系統壓力，並泵送進入加壓的水合物生成和分離容器810，一種生成帶負浮力的水合物的氣體從點812注入。(提供機構813用於液化某些氣體)。帶負浮力的水合物814自然生成並經殘留水沉降，如前述帶負浮力的水合物實施方案描述，在帶閘門的貯槽分離部分816收集和濃縮，而貯槽分離部分被打開和關閉來控制水合物的通過。
如同前面描述的機械加壓實施方案，在系統內，壓力通過壓力平衡貯存器系統832(每容器一個)來維持，流體的運動可以由變化系統隔室內壓力來控制。壓力泵830和隔膜或氣液界面836用以單獨地提高和降低每一容器的壓力。
當水合物漿液穿過輸送和洗滌部分820並進入離解/熱交換容器822，可以用從淡水出口828放出的淡水洗去含鹽的晶粒間流體，淡水在水合物漿液離解之前從水合物漿液中除去它裡面含的鹽。
然後，允許水合物從輸送和洗滌部820向下流，並進入水合物離解和熱交換容器822，在那裡水合物被離解，淡水、灰色水和含鹽水被除去。進水和離解水合物漿液之間的熱交換如同前面實施方案的描述的那樣發生。離解在控制的壓力條件下進行，以將氣液混合物中產生的紊流減到最少並促進含鹽水和淡水的有效分離。
優選的是能在離解/熱交換容器822的上部提供一個漿液保持器和流體分離容器860，其構造上與上文描述及圖13和14所示相似。罐860通過使用一根導管把殘留含鹽水沉降到容器底部使淡水和含鹽水的混合減到最少，導管能使含鹽水與較低密度的淡水分開。
如同機械加壓帶正浮力水合物實施方案的例子，離解和熱交換容器822可由在數個不同的水處理室中的數個連接的、熱交換裝置組成。實際尺寸，通過量等取決於生產率，而生產率又決定於進水的溫度、用於生成水合物的特定液體、氣體或混合氣體，熱從系統中被除去的速度等。生成水合物的物質的分餾、濃縮、分離、乾燥以及再利用均如前面的實施方案所述相同方式進行。
另一個實施方案900如圖18所示，其更具有多用性，它用帶正或負浮力的水合物從海水或汙染的水中提取淡水。泵P和串聯閥門914設置成分布在系統內。其操作視具體使用的生成水合物的物質，如在使用正或負浮力氣體水合物的壓力容器系統中說明的。
當可以使用多種不同的氣體而所提供的氣體或混合氣體是不確定之時，這個實施方案是特別有用的。這種類型的實施方案可用於救災，或遠徵軍事行動，或者某個需要臨時供應淡水但無須有重大的工程要求的地方。該實施方案包括有全部正、負浮力水合物的特性，機械加壓脫鹽分餾實施方案，包括使用來自淡水出口928處的淡水926洗滌殘留含鹽水。提供多個液體或氣體注入點908，以及處理運輸帶正或負浮力的水合物的設施等。特別是，提供多個泵運單元P和流體控制閥門914來引導流體和水合物漿液在流體控制和洗滌單元916和水合物漿液控制單元918中流體和水合物的流動。氣體處理系統944包括用於液化某些回收的氣體和氣體混合物所需的機構。
如上述實施方案所示，水柱的重量產生必要的壓力，任何機械加壓容器系統都可通過在將進水注入系統時使水不通過離解區進行熱交換而使系統簡化。需要提供更人工化的製冷裝置，但操作與圖16、17的帶正、負浮力的水合物實施方案及圖18所示「組合」加壓力設備相同。
如以上所述，本發明的機械加壓實施方案可能會極為靈活的。例如圖19的裝在船上的系統，待處理水的處理如以上實施方案所述，但是在更小的更緊湊而且建在船1000上的系統內進行處理。
由在這個系統中的壓力和溫度下及在周圍的大氣條件下是不可燃燒的液體或氣體(如二氧化碳)生成的帶負浮力的水合物是優選的，特別是當系統被安裝在船上或可燃氣體的運輸處理構成災害的情況下。
在裝在船上的實施方案中，由水合物生成反應產生的一些熱被水合物生成和濃縮容器內的熱交換器所提取。因海水可以直接取得，所以是可能的。尚存在的熱將在水合物漿液輸送系統中，從水合物漿液中被提取。這個離解前的熱量提取，使水合物離解的冷卻效應達到最大，因為與殘留被處理流體一起被除去的熱量以外的其他熱量的去除使得水合物漿液的離解過程從一個較低溫度的水合物漿液開始，該較低的溫度比存在的其它方式中的水合物漿液的溫度更低。這樣，所生產的淡水會被冷卻很大程度。冷卻水可用於吸收熱並用以提供製冷或空調。淡水的處理如上述實施方案所述，熱的殘留水可用作低級的熱源(雖然它更有可能被泵回大海。)對於機械加壓的水合物分餾脫鹽法安裝在船上的系統是理想的。因為作為殘留物處理的水可以立即直接被返回到海裡去，使熱除去過程達到最大效率。用於脫鹽的進水口優選的是設在船的龍骨1010上越低越好，以分離進水和殘留水返回，並使汙染物的攝入減到最少，因為有些油類產品和許多工業化學品或漂浮在接近海表面處或隨著接近海面而成比例地增加。
在船上返回大海的流體可有多個出口1020，使流體返回到近海面，較暖的水將漂流得遠離進水口。另外船的移動產生極大的湍流，在船行進中湍流會把殘留水和靠水平面的水混合起來。當船被系住，可以使用靠岸邊的一個水源，或系統用淡水再循環儘量減少殘留水的返回，或者脫鹽分餾系統按最小水平生產，即維持一個能快速獲得正常操作所要求的熱平衡便可。如果船是錨定的或處於靜止狀態，殘留水可以直接返回排到海裡去。可以考慮風和浪來選擇使用的殘留水排放口，儘量減少對環境的影響，讓殘留水被最有效地帶到遠離船處。
類似的小型緊湊的系統可以製造成預先打包好的組件，這些組件可以被空運、海運或用卡車運到一個特定地點，例如說在災害如地震之後，可很快地組裝起來。在有的地方使用臨時的或可移動的系統，與圖1所示相似可以更緊湊的更小型的進水、排水、氣體處理設備被採用。這些設計的特點是重量輕，便於安裝，在不同的條件下都可操作。適用於從近岸的動力船上或其他供電點得到電力的發電單元或電力電纜，也是這一可移動系統的一部分，也可能是更大型的臨時設施的一部分。
加壓容器脫鹽分餾系統也可以安裝在託架上便於裝到飛機和船上，也可裝在商用貨櫃裡(全世界使用的運貨貨櫃)便於空運和路上運輸。可以安裝在車輛上或堤壩上或任何地點只要靠近海水或其他要脫鹽或要淨化的水。
最後，一旦海水通過加壓的容器脫鹽分餾塔和下遊處理設施被循環所需的次數後，殘留的海水即被直接泵送返回海裡或保留給需要它的人。
如上所述，二氧化碳作為理想的水合物脫鹽或淨化的氣體的原因之一是，它是極為普通的，事實上，是極典型的工業廢物-特別是在燃燒礦物燃料時產生的廢氣之中。(對於大部分來說，燃燒礦物燃料的廢氣中含水蒸汽、硫化氫、二氧化碳和一氧化碳、氮氧化物(NOx)和氮氣，除菸灰和其它粒狀廢物之外這些物質貫穿燃燒過程。
當用工業廢氣作為二氧化碳的來源進行脫鹽和淨化水時-這樣的淨化可能是處理的主要目的，例如生產可飲用水，或者僅僅是為了從廢氣排出物中捕集二氧化碳以便減少「溫室氣體」及其對環境的危害，而淡水只是個副產品-儘管如此，必須設置對氣體的進行予處理的設備。具體說，用於同時從工業廢氣中捕集二氧化碳、生產脫過鹽的、淨化過的淡水的系統1100在圖20中說明。廢氣1102由燒礦物燃料的工廠1104生產，該廢氣被輸送通過乾燥處理/予處理裝置1105。原始廢氣予處理使用的是過濾器、吸收劑、靜電機構、化學吸附技術、和/或催化作用，以除去大多數非二氧化碳組分。廢氣必須充分冷卻，使二氧化碳水合物生成，該處理機構1105可包括用於這種冷卻的機構1106，即讓廢氣流通過熱交換器。
被引入水合物生成容器1111之前，廢氣通過洗滌/形成水合物前置室1108。前置室1108可以是能被加壓的大部分充滿水的室。當前置室1108事實上承受壓力時，廢氣在足以生成硫化氫水合物的壓力狀態下通過該室裡面的水。見圖21，硫化氫水合物在比二氧化碳水合物形成所需的溫度/壓力高許多的條件下形成，因此，在以前初步處理中沒有被除去的該廢氣中大部分硫化氫通過以下方式被除去在前置室1108中生成硫化氫水合物，然後在通過洗滌固體水合物時除去。
來自廢氣的洗滌殘留物，包括菸灰、部分燃燒了的碳氫化合物、少量的金屬和鹽形成的固體顆粒，以及當前置室1108被適當加壓且廢氣中有硫化氫時硫化氫水合。(固體顆粒僅佔廢氣中的很少部分。)硫化氫水合物生產出來後，然後離解為硫化氫和水，同時生成的還有硫酸和其它的氫-氧-硫的化合物，這些附屬品與留下的固體廢物一起構成濃縮的有害物質，需用本領域普通技術人員公知的方法處理排除有害物質。
硫化氫水合物的密度，沒有深入研究過，計算值是1.05克/立方釐米，曾測定為在1兆帕斯卡下的1.004克/立方釐米和在100兆帕斯卡下的1.087克/立方釐米之間。因此其密度就和淡水差不多。所以，如果1108前置室裡充滿了水，硫化氫水合物在沉降中不會與前置室1108裡的水分離，特別是當大量的氣體快速上升從前置室裡通過時。在低濁度條件下隨著氣泡上升通過水浴，硫化氫水合物傾向於上升到前置室1108的近水面處，在那裡聚集並形成一個富水合物層，廢氣通過該層時會冒氣泡。另一方面，因為上升通過前置室裡的水的大量的廢氣，將會引起極大的濁度，硫化氫水合物似不會因重力分餾而自然分離。因此，在水充滿的前置室1108的情況下，就必須定期衝洗前置室，這樣生產就不會是連續的了。
或者，如果前置室1108是加壓的、並大部分是氣充滿的(實際上這是優選的)，可以用熱交換系統1107取出的噴淋水1109以有效地洗滌和冷卻廢氣，同時讓硫化氫水合物生成。噴淋水將充滿前置室的全部，但下部除外，帶有落入容器的底部的霧滴。(從水霧中蒸發出來並隨後進入水合物生成容器1111的水將直接成為淡水產品的部分。)固體物質和形成的任何硫化氫水合物從洗滌水中分離出來，當洗滌水冷卻該廢氣時它也被分離過濾器1110加熱。(分離過濾器1110也可用於一個上文剛剛提到過的實施方案，其中前置室1108是加壓的、充滿水的，用以過濾洗滌水。)固體廢物含有濃縮的有害物質必須根據有關公認的方法予以處理，加熱了的洗滌水可返回熱交換系統1107。
廢氣1102通過中間冷卻器1113已被充分冷卻，以便在操作壓力和溫度條件下例如通過象前述冷卻進水的過程一樣自然生成水合物，然後充分予處理過的廢氣1102′進入水合物生成容器1111。水合物生成容器1111是被加壓的並被構造成與圖17所示被加壓的水合物生成容器基本相同，或它的結構達到圖18所示生產帶負浮力的水合物的要求的加壓容器。就這兩個實施方案來說，含鹽或汙水和含二氧化碳的廢氣被引進到水合物生成容器1111，控制壓力和溫度條件，以便生成二氧化碳水合物，如上文所述。(象剛提到的實施方案，操作是分批的不是連續的。)殘留氣體如氧化氮被排放出系統。
二氧化碳水合物1112然後被輸送到被加壓水合物離解容器1114，該容器1114可如圖17所示設置於水合物生成容器下方，或如圖20所示接近水合物生成容器(與圖18所示相似)。圖22更詳細地表示出水合物離解容器1114。大體上與圖17和18所示的加壓水合物離解容器相似，不同點在於一個加熱元件1115，加熱元件1115優選的是構成系統裡的熱交換子系統1107的一部分，加熱元件1115被提供，同時還有一個附加出口1120用於從容器裡除去液態二氧化碳。濃縮的二氧化碳水合物漿液被引入容器1114，如上所述，它進入容器是由閥門機構1122控制的，使得二氧化碳水合物漿液以分批的方式進入。(這是必要的，因為水合物離解容器中的壓力要上升到比水合物生成容器1111的壓力高。)或者，可用串聯漿液泵以保持下遊水合物離解容器內的高壓力。水合物由淺槽1124中的隔離屏1113保持在容器1114的上部，在那裡水合物離解。
通過控制容器1114內的壓力和溫度條件，二氧化碳水合物的離解被控制以生成淡水(如前述實施方案所述)和液態二氧化碳(與氣態二氧化碳相反)。特別是如圖23所示，當水合物被引入離解容器1114時，是在A點附近水合物穩定區域中的壓力和溫度條件下，即在水合物保持穩定的條件下被引入的。(用閥門1128讓一種惰性氣體進入氣壓立管1126，就可能以該立管來控制該離解容器1114內的壓力。)離解容器1114內的溫度被用升高，即通過吸收周圍的熱量提高溫度，但更理想的是通過熱交換器1115把從熱的廢氣除去的熱主動加回到系統裡來提高溫度。或者，也可在廢氣在機構1106和1108中被予處理之前，使離解容器1114周圍的廢氣流動通過導管(圖上未表示)而有利地升高溫度。
當從熱交換器中被引入的熱使得溫度上升，系統沿P-T曲線1130向右移動並越過相區邊界1132，在此點水合物離解生成二氧化碳氣體和淡水。但是因為容器是密閉的所以當水合物繼續離解，壓力和相應的溫度都繼續上升。當溫度和壓力提高時，系統繼續沿P-T路徑1130向右移動，但是壓力提高的速度已經足夠高，使系統沿著移動的P-T曲線向下跨過二氧化碳液相線，以及該二氧化碳氣體在點B冷凝成二氧化碳液體。(點B正好代表一個離解在此完成的系統溫度和壓力條件的一個例子；確切的條件比起確保水合物離解容器內最終壓力/溫度條件處於液態二氧化碳穩定區是次要的。在操作中系統可能會較快地穿過相圖中二氧化碳氣體存在的部分。在那些情況下，水合物將基本上直接離解為二氧化碳液體和純淨水。
或者，用氣體閥門1128控制離解容器1114的增壓，壓力可足夠快地提高，使二氧化碳不進入氣相。系統將沿P-T曲線1130移動通過水合物穩定區1132並直接進入液態二氧化碳/水區1134。但是兩種情況的結果本質上都是立即生產液態二氧化碳和淡水。
當液態二氧化碳和水從系統中被除去時，廢氣中的不生成水合物的成分例如氮氧化物和氮氣，將通過用閥門控制的排放系統1150從系統中釋放。
(至此還有另一個不是很優選的選擇，如果系統裡的壓力升高被控制在不是如這兩個實施方案那樣高，氣體二氧化碳而不是液體二氧化碳將被釋放。如此則氣體二氧化碳可在容器中的較高氣體壓力下，但低於水合物穩定需要的壓力下，(例如200到300個大氣壓)，從水合物離解容器1114除去，並用工業上使用的標準設備和方法以較低的溫度壓成液態。將加壓的二氧化碳從已加壓的氣態壓縮成液態是比較容易的，因此費用也比將氣態二氧化碳從接近標準大氣壓的條件下壓縮成液體二氧化碳要低些。)如圖23所示，當在離解的終點B所存在的壓力和溫度條件，液態二氧化碳相對於二氧化碳水合物離解生成的淡水來說，將帶正浮力。另外，液態二氧化碳和淡水本質上是不混溶的。所以液態二氧化碳將浮在由水合物釋放出的淡水的上面，界面1152(圖22)處於二者之間。然後通過閥控制的出口1154取出淡水，而液態二氧化碳則通過閥控制的出口1120被取出。該淡水會飽含溶解的二氧化碳，並可能含有能在壓力下排出的二氧化碳的微滴。淡水可以用作任何想用的目的，如飲用水，二氧化碳因是液態的可以很方便地運走，並可用作不同的已知商業用途或處理掉(即泵到深海裡用於多價螯合作用)。沉降到系統最底上的任何殘留含鹽水通過閥門控制的出口1156提取並被處理，如上述。優選的是，雖然二氧化碳和水基本上不混溶，可以用一根導管1158從塔盤1124延伸出去把密度大一些的淡水引向密度小一些的液態二氧化碳之下，這樣分離出來的水就可以向下流而不必流過二氧化碳。
最後，圖22顯示，系統進水象先前的實施方案描述的那樣穿過離解容器1114。但是，因為熱通過熱交換系統1007加入到系統裡，從而溫度移向如圖23所示的相圖的右邊，水合物吸熱離解過程將從水裡吸收較少的熱，因此進水不會被冷卻到先前描述的實施方案中的相同程度。所以，為了水合物的生成可能還需加上一些補充的冷卻。
最後，儘管乾燥處理/予處理設備1105、前置室1108、水合物生成容器1111、和/或水合物離解容器1114中的每一個雖然只是表示出一個，在單獨一個系統裡可能使用很多個。例如，可能是理想的甚或是必要的，為了減少水中的非二氧化碳物質的濃度，廢氣在引入水合物生成容器1111之前經過數次循環，否則，非二氧化碳物質可能會使水的味道變壞。
本發明還有一個實施方案，該實施方案公開的脫鹽設備使用自然和人為兩種增壓方式達到適合於水合物自然生成的壓力。本實施方案，在圖25中示出，由水合物生成和殘留水分離部分1200及離解部分1204組成，如上文所述，例如與圖2有關的描述等。但在此實施方案中，整個脫鹽分餾塔用人工和自然兩種方式增壓，以期取得兩種方法的有益特點。具體說，設備的上半部是人為增壓，豎筒的下部同時利用水柱重量和該水柱頂部的壓力來增壓。(約10米的海水產生的壓力相當於一個大氣壓。)這些條件都是隨著當地的重力場和待處理水的密度的不同而不同。這些區別將在設計每一個系統時考慮。如圖25所示壓力平衡儲存器1219產生的人工壓力「X」大氣壓(大氣中的壓力)加上水1206的重量(用『Y』米深度表示)產生的豎筒壓力，得到一個較低的塔1208的底部的壓力『X』+『Y』大氣壓，這個壓力適合於使氣體水合物自然生成。例如，如果來自泵1219的人為增壓大約是20個大氣壓，分餾塔1206大約是300米(「Y」)，那麼塔1208的底部的壓力就是約50個大氣壓，或20個大氣壓「X」和30個大氣壓「Y」。
如圖示25，一個進水設備進水給脫鹽設備1200。在一個實施方案中，進水是通過進水口TI(1215)提供的，它優選的是安裝在淺水區。從TI進的水用泵和壓力調節設備1216被泵送並注入到如圖25所示的靠近水合物生成區的脫鹽設備1200。從TI抽入的進水將被泵壓到的壓力(使用的泵沒有表示出來但本領域的技術人員都知道和理解)與分餾區1204上部人工保持的壓力大致相等。
在本發明的一個優選的實施方案中，進水是從水進口1210處的深進水口T2取得的。深水進水T2達到海洋1212的壓強深度X(X壓強深度是用米深表示的)，就是說，優選的是與設備頂部的最小壓力，或者是用人工保持的分餾區1204上部的壓力(大氣裡的『X』壓力)相等。例如，如果脫鹽分餾設備頂部的最小壓力是20個大氣壓(與200米水深相等)那麼進水點T2的深度『X』優選的是是200米。從深處取水將起到節省大量用於抽水到達脫鹽設備1200的上部的操作壓力『X』所需的能量。其他的從深部取水的優點是，深部的水更乾淨，並含更少的現代工業汙染和化合物(例如PCB)，比表層水更冷所以冷卻需要少，並且保持更穩定的全年溫度使得脫鹽分餾設備的運行更有效。這個實施方案，除了其他優點，還促使整個系統的壓力平衡，從深部取水處到加壓脫鹽分餾塔，可能還包括其他地方。
如圖25所示，進水可以來自T1或T2，或者二者的結合。在進水從T2來的實施方案中，進水裝置包括一根或數根大直徑的取水管1214，取水管的強度要足夠以能安全地承擔全部人為增壓。管子裝置的下部和初級過濾設備(如前面的實施方案所述)優選的是在設計時考慮到更高的環境壓力，因此製造的時候就沒有必要有同樣的強度。進水管優選的是要足夠大，使遙控的水下車輛可以開進去檢查和維修，特殊形式的這類車輛在近海工業使用已很普遍，並能為這些目的進行改造。為了提供脫鹽分餾塔的連續操作並提供連續的淡水供應，優選的是設有多個加壓設施1216，該設施將提供維修，泵的載荷共享和應急情況時的備用設施。例如，在一個實施方案(沒表示)中，進水管可用集管分成三個分開的平行的分支來，每一個分支都包含有相似的泵和流體壓力控制裝置。一種實施方案是，一個分支用作當前的生產，一個用於維修，以及一個分支作為備用。這樣的結構，可以保證進水的連續流動。
在進水泵現場(沒表示)或進水裝置的其他地方的單向閥將防止系統洩壓，雖然進水處的壓力應平衡整個裝置的任何壓力損失。如果脫鹽分餾塔有壓力損失，當從T1進水時，因為泵裝置的進水口在低於海平面的1218處，或在等於或低於人為增壓下進水在進水口不會放空。
水合物脫鹽分餾設備中的壓力通過壓力平衡儲存器系統1219來保持，在一個實施方案中壓力平衡儲存器系統1219壓縮一定量的氣體，從而把液壓力完整地施加到流體的體積上，這與前述實施方案描寫的相同。與已介紹的實施方案相似，每一個水合物生成塔可以使用一個以上的離解室。在離解是在壓力控制條件下發生的情況下，氣液混合物中的紊流及氣液的最有效分離都達到性能最佳化。前面的實施方案中也介紹過，通過減少離解階段和水合物生成階段的壓力差，壓縮生成水合物的氣體的所需要的泵運也隨之減少，這在很大程度上減少了生產成本。另外，可以通過控制人為加壓的變化來控制水合物離解的速率。
在這個實施方案中回收在高壓下離解產生的生成水合物的氣體，是很有利於減少為了把氣體泵壓到其能被注入到脫鹽分餾系統的水合物形成區的壓力所需要的能量。如上所述，要處理的氣體體積減少了，因為壓力已經增到大大超過於大氣壓。另外，優選的是其體積只需通過泵壓來減少到小於其體積的一半，如此可以比從大氣壓力下用泵將其打到水合物生成壓力少用許多能量，體積也可以小許多倍。
因為輸出水1220將與它從設備裡輸出液面的壓力相等，在這個壓力下保存的能量可以用幾種方式利用。雖然一些予處理脫鹽分餾塔泵1216和後處理脫鹽分餾塔泵1222和其他設備可能需要增加能量，這些設備優選的是包括雙向壓力關閉閥，生產出來的水中含的位能將是大量的能量。首先它可用來使水克服其重力向上，例如通過輸出口1224到達一個約等於那一等值高度的大氣壓的液面。這樣，如果輸出水保持為20個大氣壓，(相當於200米水深的壓力)，水的壓頭就將很自然地使它向上到這一高度。
從被加壓產品水和排出的殘留水中直接回收能量可以有許多方法。例如，在其中的一個實施方案裡，被加壓的輸出水，如出口1228，可以穿過水力發電廠，作為當地利用的水的壓力逐步下降過程的一部分。鑑於事實上這裡討論的脫鹽系統優選的是大型的，發電的規模也是很大的。
在本發明的另一個實施方案裡，可用部分人工加壓的設備，安裝在有些地形上的低洼低於海平面的地方，例如南加州的撒耳頓海(Salton Sea)、死海(Dead Sea)窪地以及中東(Middle East)流域一帶。如圖26所示脫鹽設備1302，人工加壓是由進水設備內的水重量壓頭產生的，而不是人工泵壓產生的。在這樣的地理位置中，脫鹽分餾系統可在離海較遠的地方建立不必付出泵運水的費用。進水管1306一旦用旁通泵抽滿了水就成了一條虹吸管(圖上未表示)。旁通泵優選的是與主水液流中分離，以減少紊流並於進水管道裝置需要再注水時保持為一臺應急泵。本質上，一旦管道1306注滿就變成一條虹吸管子，水可以通過該虹吸管自然地從海裡流到低於海平面的地形上的低地1310。
圖26表示的脫鹽設備1302結合前面介紹的實施方案的建造。
進水管1306的開口優選的是放在儘量淺的水裡，使虹吸作用能提升水上升的地形高度高於海平面，從而使窪地裡的水壓頭達到儘可能高。所有的進水優選的是都有初級過過篩系統，應可以在原地維修和清潔而不會使整個進水裝置系統停工。或者，進水上可以用一個水提升器執行，它在進水的淺水區通過虹吸作用引起的負壓的吸力而工作。如此則可在抽取淺水時，同時抽取深水，從深海取出的水更冷些和更清潔些。水提升器進水裝置可包括進水管子，它延伸到深水但包括可以變化淺水取水規模大小的措施。水提升器進水的原理與用於挖掘沉積細粒而不會破壞挖掘地點的清晰度的由潛水員操作的氣提裝置挖掘細粒沉積的原理相似。在一個氣提設備裡，壓縮空氣被壓入管子的底部，管子總的來說是直立的，只有頂部順流下傾。當空氣上升把水帶上來，在管子的下開口對水和沉積物就形成了吸力。
在水提升器進水裝置裡，水在淺水的開口處被虹吸效應的負壓吸入，虹吸效應是進水端與進水處窪地端之間的壓差產生的，從而給在管子裡的更深處的水帶來輕微的二次吸入效應。可以用滑動或轉動篩、閘閥、其他形式的閥門或水流控制裝置來變化進水的體積，二次吸入效應得到控制，從而使進水系統的深部水提升達到最佳化，其他操作事項再做整體考慮。吸入是可以變化的，以便產生深水上升活塞的動量。輕微的抽吸力已足以提起大量的深水，特別是一旦在管子內產生深水活塞向上的動量以後，因為重量壓頭只是深海水和表層海水的不同密度的函數，這種不同是很小的(雖然隨現場和季節不同而不同)。水能被提升的深度是由開始虹吸效應必須的水的較大重量來平衡的。這意味著進水管子(虹吸效應要低於它才會起作用)的窪地側的海平面之下的地形高程是低於如果全部水從淺水取的深度。
或者，當在脫鹽分餾塔現場的需要的壓力可能高於水壓頭全部壓降的需要的壓力的情況下，進水口可以被設置在海的更深的水中。在壓力可以比窪地裡水壓頭全部壓降的需要的壓力高的情況下，水力發電裝置可以設立在窪地和脫鹽分餾塔所在的海平面以下還要低的中間高度上。脫鹽分餾塔的每一個進水現場、水力發電廠的位置、以及為取得滿意的水壓頭作的有關地形的布置都是隨現場不同而不同的，許多變換的方案都是可能的，這要看需要的水產量、結合的水力發電和附屬的工廠的需要。
在效果上，本實施方案的總壓力完全是自然增壓的結果，但是受控制以使效果上是部分人工加壓的設備。首先人工加壓是窪地裡低於海平面的進水裝置的水的重量提供的，或者說由在進水裝置的某一部分中的水重量提供以提供了需要的壓力。然而，這在該設備裡被視作為一個整體，而壓力是脫鹽分餾本身以外引進來的。泵和壓力調整裝置1316除了具有控制脫鹽分餾塔水流的能力，還具有切斷和分流進入的高壓水的設施，因為不然的話會出現超出設計要求的超高壓。
也是如圖26所示，最大的能量能通過把產品水和殘留水(例如圖25中的產品水1220和殘留水1224)都穿過在1320處的水電廠而回收。雖然有可能一些產品水將在自身固有的壓力下自動向上泵壓，本質上全部殘留水都可於在進入窪地的沉降和乾燥盤之前經過水力發電廠。水力發電設備的布置可能決定於工程和電力輸送方面的考慮，水力發電設備也起減低壓力的作用。水力發電設備在進入的線路上優選的是與保持脫鹽分餾設備自身內部壓力的設施分開。
在圖26顯示的實施方案中，優選的是沒有殘留水作為水合物脫鹽工藝的副產品被返回。這樣，要被處理的水的提取環境不會受到影響，只是有更多的海水流入。脫鹽裝置可以在生產中生產儘可能多的淡水，因為殘留水優選的是作為工業原料生產海鹽，提高它的含鹽量到最大值是理想的。在上兩個實施方案的裝置可以安裝的地點中，工業鹽的生產已經確立。淡水和高含鹽的殘留水都可滿意地交付使用了。
在本發明的另一個實施方案中，進水通過上升經過離解室中離解的水合物的熱交換器冷卻(即通過一系列的進水立管或管子)。當進水在熱交換器中上升，它連續與更冷的水相互接觸，使進水得到充分冷卻。這樣可以減少冷卻離解生產的淡水的需要，離解區不能把進水冷卻到離解室(假定溫度平衡)生產的淡水的溫度以下。當離解室下部生產出來的水與處於那一高度的熱交換器中的進水溫度達到平衡，它並不再次與已經交換過熱量的水接觸，因為粒間水漿液中的水的總的流動是在水合物漿液中向下流，而被冷卻的進水在熱交換器中上升。換句話說，當進水在熱交換器中上升時，它繼續冷卻，溫度平衡的生產出來的水繼續向下移動。這樣水合物漿液/生產出來的水中可以得到有效的溫度分層，它們上行會進一步冷卻。因為該過程是高度動態的，水合物繼續與離解出來的氣體向上行，生產出來的水下行時持續不斷地被新生產出來的水取代位置，不同溫度的生產出來的水的密度差並不明顯不同，在生產的水中從重力分餾引起很小的混合和濁度是可以預期的。
本發明還有一個實施方案，公開了一個離解區使進水穿過離解區分級冷卻。如圖27所示，離解區1404帶有導流板1402，導流板安裝成沿進水1406移動的方向橫跨離解室。導流板1402優選的是封閉離解室的頂部，能有效地對除了離解區1404較低部分以外分段。圖27所示僅是個例子，導流板1402把冷卻分成四段，分別用1、2等數字表示。當然，分段還可多可少。
在離解區1404，充滿水合物，水合物由於其自身的浮力向下洗滌間隙殘留流體，將起到整體上驅動在設備裡的淡水和含鹽水之間界面向下的作用。進水的熱交換器1407穿過在冷卻段1-4的離解室1404的頂部連續聚集和離解的水合物。當進水1406繼續沿著熱交換器的管子1407前進，它繼續冷卻，溫度平衡的產出的水繼續向下移動。在第一冷卻段(用1表示)中靠近進水1406的入口處的生產出來的水將與熱交換器管子1407裡的進水達到溫度平衡。第一冷卻段「1」中生產出來的水優選的是不要再次與穿過離解區1404的熱交換器1407接觸。
進水1406在經過離解區1404的段1-4的每個時變得逐漸地更冷。產出水1408在跨過最後一階段被進一步冷卻。冷卻可以根據進水的溫度、離解反應對熱的需求(決定於具體的水合物和氣體或混合氣體)和離解在部分人為增壓實施方案的控制狀態下進行的速率，有幾種分段方式。例如，在一種實施方案中，在幾段的出口的溫度分別是，第一段，攝氏15度；第二段，攝氏10度；第三段，攝氏5度；第四段，攝氏1-2度。進水在經過離解室或各離解室的過程中準確的溫度分布是否進水被再循環和分級的數量影響設計的其他的操作方面的考慮，取決於以下情況水的產量、由水合物提取的水的程度、其它無效熱能和流動，進水的溫度以及進水溫度和其他性質將變化的程度等。
本實施方案的另一方面，提供了用機械來分布水合物到離解或熱交換器各段的方案。機械分布水合物的結構優選的是設置在設備豎筒的上部，在那裡水合物靠浮力向上流動，或者被設置在離解室1404的下部。例如，方向可以轉變的轉向式導流板(未表示)可用來或多或少地接收帶浮力的水合物到需要的離解室。控制過程優選的是相互作用的，用計算機作實時監控控制水合物分布，達到需要的冷卻效果。
理想地，進水的穩定溫度約是優選的攝氏4度或更低(優選的目標溫度約是攝氏1到2度。)。因為在那個溫度以下水的密度提高，會提高注入氣體生成的水合物-水漿液的分離。
在圖27所示的實施方案中，淡水、灰色水和殘留水以與前面的實施方案所述相似的方式從該系統中被取出。例如，淡水是在放水閥1410處被取出，灰色水是在放水閥1412處取出的，殘留水是從豎筒1420取出的。另外，根據這個實施方案，從離解的水合物中來的氣體被氣體收集器1416收集，並從離解區輸出。氣體壓力平衡泵和壓力罐系統由1426表示。輸出的氣體返回進行氣體處理且返回系統在1428處說明。
本發明還有一個實施方案，水合物離解是受控的，以能使進水提高冷卻程度，提高淡水的產量，減少流體漿液內的濁度，降低濁度也提高淡水的產量。可以用兩種優選的方法控制水合物的離解，兩種方法在操作時可以結合也可以互換。其中的一種操作方式是通過控制設備離解區上部的壓力從而使壓力在生產淡水的全過程中基本相同以保持豎筒1208(見圖25)底部的水合物的生成連續不斷。用泵壓縮(人工方式)維持離解區的增壓，當把壓力加到豎筒中水的重量產生的自然加壓時，產生適合於水合物連續、自然生成的壓力(在足夠低的水溫下)。水合物連續生成與連續的水合物離解和連續的淡水生成相對應。
當人工加壓在嚴密的控制條件下變化時，可以產生顯著的益處。變化的目的是提高進水冷卻或二次製冷系統的冷卻效果。效果是通過提高設備裡的人工加壓達到的，這將使豎筒底部增加生成水合物並使水合物在離解分餾設備內升到更高的液面。人工增壓的提高具有提高水合物穩定區的深度和相邊界的作用。施加適當的人工加壓可以使水合物保持穩定或中等穩定狀態，直至水合物完全置於離解區之中。這樣，離解的吸熱冷卻效果被集中在設備的最上部分，在那裡設置著裝有進水的熱交換器。控制壓力還將使水合物在離解時變得濃度更高，從而使生成水合物顆粒之間的液體的間隙水的混合減少，這樣可以增加淡水的產量。阻止離解區之下的離解活動也可以減少流體漿液內的濁度並防止混合，這樣也可以提高淡水的產量。
用控制的方式變化壓力也提供了對離解過程本身的嚴密控制，此法可以視情況需要使淡水生產和冷卻均最佳化。在比較高的壓力維持低的離解速率，會抑制冷卻和淡水生產，但是生產出來的水可能更純淨。在高速離解時，當水合物開始在豎筒內更向下一層離解，淡水的產量提高了但是冷卻效果被減少到最低點。準確的操作程序取決於進水的溫度、使用的生成水合物的氣體或混合氣體以及水產量的需要等。
變化人工增壓可能會產生變化豎筒底部水合物生產速率的效果。在某些情況下，當壓力的人工提供部分充分降低了，豎筒底部的壓力不足以使水合物自然生成。這是因為，在塔的水重量造成的壓力之外還需要有足夠的人工增壓。在這種情況下，如果需要使用最大冷卻或有其他的操作方面的要求可能利用人工增壓，水合物的生產可以是間斷的或周期性的，而不是連續的。淡水的生產也可以是間斷的或周期性的，而且可以在人工加壓足夠高的時候，讓水合物在壓力被允許降低到水合物開始自然離解之前在離解區頂部利用其自身浮力聚集。
雖然本發明的特定的和具體的實施方案已詳細地公開了，對本領域普通技術人員來說可以做許多的改進，而這些改進包含了本發明的構思。這樣的改進也被認為是在下面的權利要求的範圍之內。
權利要求
1.一種用於對含鹽水或其他汙染了的進水進行脫鹽或淨化的系統，上述系統包括一個具有較低的水合物生成區的脫鹽分餾系統；一條進水導管，該進水導管被布置成將進水提供給上述水合物生成區；和一條供氣導管，該供氣導管被布置成將生成水合物的氣體提供給上述水合物生成區；上述系統還包括一個水合物離解區，該水合物離解區設在上述系統的上部，並且與上述水合物生成區流體連通，其中上述水合物離解區是人工加壓的；並且其中在該離解區的人工加壓和在該水合物生成區的自然加壓相結合以便在該系統的水合物生成區產生適合於水合物自然生成的加壓狀態。
2.如權利要求1所述的系統，其中上述水合物離解區通過一種壓力平衡貯存器系統被人工加壓。
3.如權利要求2所述的系統，其中上述壓力平衡貯存器系統壓縮一定體積量的氣體，以便將液壓力施加到遍及在上述脫鹽分餾系統中的流體量。
4.如權利要求2所述的系統，其中上述壓力平衡貯存器系統位於上述離解區的上部。
5.如權利要求1所述的系統，還包括一臺泵送和壓力調整設備，其將進水在一個壓力下泵入到該系統裡，該壓力約與上述系統離解區內人工保持的壓力相等。
6.如權利要求1所述的系統，其中上述進水導管在其一端有一個進水設備，並且其中上述進水設備能定位在一個壓強深度，該壓強深度約與上述系統離解區人工保持的壓力相等。
7.如權利要求1所述的系統，其中上述水合物離解區是通過在進水導管中所含的水的重量的水柱壓力被人工加壓。
8.如權利要求7所述的系統，其中上述進水導管將水虹吸到該系統中以在該離解區中產生該人工加壓狀態。
9.一種用於對含鹽水或其他汙染了的進水進行脫鹽或淨化的系統，上述系統包括一個具有一較低水合物生成區的脫鹽分餾系統；一條進水導管，該進水導管被設置成將進水供給到上述水合物生成區；並且一條進氣導管，該進氣導管被設置得將生成水合物的氣體供給到上述水合物生成區；上述系統還包括一個水合物離解區，其設在上述系統的上部，並且與上述水合物生成區流體連通；並且其中該進水至少部分被冷卻，冷卻靠著下述方式實現使進水通過該離解區而與該離解區有熱交換關係，從而當位於該離解區的水合物作吸熱離解時，就從上述進水中吸收熱量。
10.如權利要求9所述的系統，其中上述水合物離解區包括與上述進水存在熱交換關係的多個冷卻段。
11.如權利要求10所述的系統，其中上述冷卻段被隔壁分隔開，這樣就可防止水合物從一個冷卻段橫向移到另一個冷卻段。
12.如權利要求10所述的系統，其中上述冷卻段與水合物生成區流體連通。
13.如權利要求10所述的系統，其中上述進水被輸入到一個熱交換設備中，該熱交換設備橫向延伸跨過上述多個冷卻段。
14.如權利要求13所述的系統，其中上述進水在穿過上述多個冷卻段中的每一個冷卻段時逐漸地變得更冷。
15.如權利要求14所述的系統，其中被布置成將進水輸送到上述進水導管後面的上述水合物生成區的上述進水導管穿過上述多個冷卻段中的每一個冷卻段。
全文摘要
本發明公開了用於鹽水(和汙水淨化)脫鹽的方法和設備。含鹽水(或其它汙水)被注入到一脫鹽系統中並降到一脫鹽分餾塔的底部，在此處，上述含鹽水等與生成水合物的氣體或液體混合就生成了有正浮力的(也稱為輔助浮力)或有負浮力的水合物。該水合物上升或下沉或進入較低壓力區並離解(熔化)成氣體和純水。在優選的實施方案中當該水合物在較淺層吸熱離解時，被水合物生成過程釋放的熱量加熱的殘留的鹽水從系統中被除去，產生一種全面冷卻的傾向，並且進水被通過與熱交換有關的離解區，從而被充分冷卻，以便壓強深度處生成水合物。由該系統所產生的淡水充分地冷卻就可能被用於冷凍、空調或其它需要冷卻的地方；從具有被加熱的殘留水的系統中除去的熱量可以用於加熱或其它應用場合中。在其它實施方案中，脫鹽或其它純化在「人工」或機械加壓容器中進行，這些實施方案可能相當地靈活。這樣的壓縮系統可以用於捕集工業廢氣中的二氧化碳並提供液態二氧化碳。
文檔編號C02F1/52GK1703373SQ01813727
公開日2005年11月30日 申請日期2001年6月25日 優先權日2000年6月26日
發明者麥可·D·馬克思 申請人:海水脫鹽系統有限責任公司