CN100409925C - 克服压力下降的对水进行淡化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过反渗来持续淡化水尤其是淡化海水的方法和设备。根据本发明：海水(10)在第一压力(p1)下由一个输送泵(1)导入一个压力补偿装置(2)；海水(11)在第二增大压力(p2)下被从压力补偿装置(2)持续导入一个膜组件(3)，并且，在膜组件内部，盐水被一个膜(6)分成淡化水(12)和浓缩盐水(13)；从膜组件(3)排放的浓缩盐水(13)在近似第二压力(p2)作用下导入压力补偿装置(2)，并在该装置中用于将导入压力补偿装置(2)的盐水(10)上的压力增加至近似第二压力(p2)，并用于将盐水(11)导入膜组件(3)。为了防止由于膜表面流动减弱造成的工作失常以及可能的损坏膜(6)，本发明通过从一个贮存器(15；403；20)排放的水而维持导入膜组件(3)的盐水(11)在膜(6)的膜表面上持续流动。

Description

克服压力下降的对水进行淡化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种通过反渗而连续对水进行淡化特别是对海水进行淡化的方法和对应的设备。
背景技术
例如在WO 02/41979 A1中就描述了这样一种设备。在该设备中，盐水在第一压力作用下进入一个压力补偿装置，并且在第二较高压力作用下从所述压力补偿装置进入膜组件。在该膜组件中，分为淡化水和浓缩盐水。近似仍处于第二压力的排出的浓缩盐水被再次连续导入所述的压力补偿装置，并被用来使导入压力补偿装置的所述盐水承受近似第二压力，并被用来将盐水引入膜组件。更具体地，所述的压力补偿装置具有两个以反相关系运行的活塞/缸体装置，并且所述的活塞通过一个被另外驱动的活塞杆固定连接在一起。
在这种基于反渗原理工作的脱盐装置中，分成浓缩盐水和淡化水是在一个位于所述膜组件内的所谓的“交叉流动”膜处进行的。在这种膜中，导入的盐水沿该膜的表面流动，同时其一部分作为淡化水(饮用水)沿一个垂直于所述表面的方向流经所述膜。水的相互交叉流动也称作“交叉流动”。在此情况下，所述膜表面上的流动也冲去了膜表面上多余杂质，因此相应提供了对膜的连续清洗。
在这种具有两个活塞/缸体装置的脱盐装置的已知结构中，足够高的压力显然出现在活塞运动方向改变的瞬间，以进一步压迫水通过所述膜，从而产生淡化水。不过，已经发现，当运动的方向改变时，所述交叉流动变差。结果，此时，所述膜不足以被充分地冲洗，这样，这种情形可使盐微粒浓缩在所述膜的表面，并且可以导致渗透压力增加，并因此使得工作压力增大到在所述膜表面上形成盐结皮的程度，工作永久中断。
US No 4 187 173以及EP 0 018 128 A1公开了一种基于反渗原理用于淡化水的方法和设备，其中，在送水回路中以及US No 4 187 173中的浓缩回路中分别设置有相应的压力补偿容器。这些压力补偿容器其内部结构为脉动阻尼器或差压阻尼器，其中，一个活塞可以在一个缸体内移位，并将缸体内部再分为两个腔。为了将位于一个腔内的馈送水排出，在其内部提供压力通过导入第二腔的浓缩盐水作用于活塞，并设置有一个位于该腔内的弹簧。
FR 2 568 321以及EP 0 055 981 A1公开了另一个用于反渗的设备和反渗的方法。
发明内容
因此，本发明的目的是提供手段避免在对于所述公知的使用上述膜组件工作并通过反渗连续淡化水的方法和设备中的所述问题。
根据本发明，所述目的通过一种通过反渗来持续淡化水的方法来实现。在所述方法中，盐水借助于一个输送泵而在第一压力下导入一个具有一活塞/缸体装置的压力补偿装置；盐水在大于所述第一压力的第二压力下从压力补偿装置持续导入一个膜组件；并且借助于一个膜而在膜组件内分成淡化水和浓缩盐水；以及从膜组件排放的浓缩盐水在第二压力下导入压力补偿装置，并在该装置处用来以第二压力作用于导入压力补偿装置的盐水，并用于将盐水导入膜组件；和导入膜组件的盐水在膜的表面上的持续流动借助于一个贮存器排放的盐水而得以维持；其中，所述的贮存器具有一个带一活塞的活塞贮存器，其中，在活塞前侧，所述活塞贮存器具有一个与压力补偿装置的盐水出口以及膜组件的盐水入口相连的入口腔；而在活塞后侧，所述活塞贮存器具有一个与所述膜组件的浓缩盐水的出口相连的出口腔、以及一个连接至一压力贮存器的压力腔，并且，所述活塞后侧的出口腔和压力腔之间的表面积之比以及压力贮存器的压力这两者的设置使得：在所述压力补偿装置和所述膜组件之间的连接导管内发生压力降低或者所述膜上的流动减弱情况下，通过所述活塞在所述入口腔内产生一个合成的压力，该合成的压力大于盐水从压力补偿装置中排放的第二压力。
此外本发明提供一种用于解决所述问题的对应设备。所述设备包括：一个输送泵，用于在第一压力下将盐水导入一个压力补偿装置；一个膜组件，用于将导入的盐水分成淡化水和浓缩盐水；和一个具有一活塞/缸体装置的压力补偿装置，用于在大于所述第一压力的第二压力下将所述盐水持续馈送入膜组件，并用于排放所述的浓缩盐水；和一个贮存器，其通过水从贮存器到膜组件的排放来维持导入膜组件的盐水在膜表面上持续流动；其中，所述的贮存器包括一个带一活塞的活塞贮存器和一个压力贮存器，其中，在活塞前侧，所述贮存器具有一个与压力补偿装置的盐水出口以及膜组件的盐水入口相连的入口腔；而在活塞后侧，所述贮存器具有一个与所述膜组件的浓缩盐水的出口相连的出口腔、以及一个连接至所述压力贮存器的压力腔，并且，所述活塞后侧的表面积之比以及压力贮存器的压力这两者的设置使得：在所述压力补偿装置和所述膜组件之间的连接导管内发生压力降低或者所述膜上的流动减弱情况下，通过所述活塞在所述入口腔内及时产生一个合成的压力，该合成的压力大于盐水从压力补偿装置中排放的第二压力。
在这一点上，本发明基于下述的认识：即所述的问题，特别是由于膜表面的污物和污垢或者膜的实际损坏而导致的工作中断，可以通过借助于合适装置持续维持获得所述膜上的流动而得以避免。根据本发明，一个贮存器被设置用于该目的，其作用于导入膜组件内的盐水，并且为了保持膜上的流动，另外将水特别是盐水导入膜组件。
根据该本发明，还设置有一个活塞一气缸装置，该装置具有一个活塞，其将所述缸体内部再细分为三个腔，其中，从压力补偿装置中流出的盐水位于一个入口腔内，从膜组件流出的浓缩盐水位于一个出口腔内，存于压力贮存器的介质例如水或液压流体则承受一个压力腔内的高压。在这一方面，优选地，会自动产生通过从贮存器中排放水来维持流动的期望效应。当然，也有可能设置一个合适的控制设备，用于控制所述的活塞/缸体装置，以提供期望的压力辅助效应。
在所述活塞-缸体装置的一种优选结构中，所述的活塞具有这样的一种结构：在压力腔内获得的压力作用于活塞后侧面积的1/4，而入口腔内获得的压力作用于活塞后侧面积的3/4。
在所述活塞一缸体装置的另一种优选结构中，所述的压力贮存器的压力至少是第二压力两倍。
优选地，例如在具有两个活塞/缸体装置的公知设备的变向瞬间，克服压降或流量下降以保证膜上的持续流动。例如，可以设置适当的传感器用于测量所述膜上的流动减弱。
根据本发明，优选设置了两个活塞/缸体装置，其以反相关系工作，如由WO 02/41979 A1中所知。贮存器可在活塞运动方向改变的瞬间，具体讲即活塞静止的瞬间，提供一个辅助压力，作用于盐水。这样，特别地在变向瞬间，对可能的压降进行补偿，从而保证了膜上的流动。
在本发明另一种有利的结构中，贮存器中排放水所需的压力一方面来自于从膜组件排放浓缩盐水的压力，另一方面来自于储存于一个压力贮存器中的压力，其中，产生的压力在必要的时候整体上必须要大于盐水从压力补偿装置中流出的压力。
附图说明
下面将参考附图对本发明进行更为详细地描述，其中：
图1所示为一个方框电路图，用于说明根据本发明的方法，以及
图2所示为一个根据本发明的设备的一个实施例。
具体实施方式
图1中的方框电路图示出了输送泵1，用于在第一压力p1下将盐水10导入压力补偿装置2。而此时承受一个高的工作压力p2的相同盐水11从压力补偿装置2流到膜组件3。在那里盐水11的一部分，例如盐水11的25％，经过优选为所谓的交叉流动膜的膜6，这样被淡化并且以淡化水12的形式排放。所述盐水11的剩余部分，例如75％，不能通过所述膜6，而是沿膜6的表面流入连接导管5，从而作为浓缩盐水13从膜组件3排放。此时，仍处于一个近似与压力p2对应但略低的高压力下的该浓缩盐水13再次流至压力补偿装置2。在那里，高压力p2以一种将在下文详述的方式工作，以实现下述目的：以压力作用于导入压力补偿装置2之盐水上的压力，并且将盐水于膜组件3的其入口处馈送到膜组件3。同时，该压力用在所述压力补偿装置内，通过排放导管4最终排放其内的浓缩盐水14，并且将未浓缩的盐水10馈送到压力补偿装置2。此时，所有上述过程同时且持续地在进行，使得不需要一个用于后续地传送高工作压力的高压泵，并且淡化水12持续可用。
如前所述，特别地，当使用交叉流动的膜6时，盐水在膜表面上的流动必须保持连续并处于一个均一的高压下，否则盐微粒会在膜的表面上沉积，而这种微粒可以产生对膜的损害，或者导致系统工作的中断。当然，由于各种情况，有可能发生从压力补偿装置2排放的盐水的压力p2暂时急剧下降，使得膜表面上的流动会减弱或甚至中断。这样，脱盐显然仍继续进行；不过应注意的是，由于浓缩盐水13不能从膜组件3中流出流走，所述膜可能遭到损坏。为了在这样情形下维持压力p2和所述的流动，本发明设置了一个贮存器15，该贮存器15在发生这种情况时将向膜组件3流入额外的水，这样确保所述高的工作压力2得以维持，并且膜表面上的流动不会减弱。
图2显示了一个根据本发明的设备的具体结构。其具有两个同样的具有两个相互对齐且相对的缸体的活塞/缸体装置401、402，所述装置每个均具有用于容放盐水的相应入口腔201、202以及用于容放浓缩盐水13的出口腔101、102。在每个活塞/缸体装置401、402的内部设置有相应的特殊活塞301、302，该特殊活塞将活塞内部分为上述腔室，并且在该图中可以沿水平方向在所述活塞/缸体装置内部移位。
一个带(被动的)止回阀7的相应馈送导管从所述的输送泵1通至入口腔201、202。此时的止回阀7具有这样的结构——当所述馈送导管内的压力大于入口腔201、202内的压力时，其打开并允许通流。而产生一个不同通流方向的对比止回阀8放置于从入口腔201、202到膜组件3的馈送导管内。
与之对比，可主动开关的主阀V3、V6和V1、V4分别设置在从膜组件3到出口腔101、102的馈送导管5和自出口腔101、102引出的排放导管4内；来自膜组件3的浓缩盐水13的馈送流动以及来自压力补偿装置2的浓缩盐水14的排放流动分别可以通过上述的主阀进行控制。
活塞301、302通过活塞杆30固定连接在一起。例如可由电齿轮马达驱动并与活塞杆30上的齿装置相接合的小齿轮40驱动活塞杆30，进而驱动活塞301、302，以补偿压力损失。
所述活塞布置成以反相关系工作。因此，当一个活塞置于入口腔202的容积最大而出口腔102的容积最小的位置时，则通过活塞杆30连接的另一个活塞置于入口腔201的容积最小而出口腔101的容积最大的位置(见图2)。此时，入口腔202充满水而出口腔101充满了浓缩盐水。此处图示为开关的所述阀V1、V3、V4和V6以如下方式控制：此时V3和V4关闭而V1和V6打开。
关于这一点，打开阀意味着产生一个流动连通，以允许通流，为此，该阀由纯机械方式打开。类似地，关闭阀意味着中断一个流动连通，以阻止一个通流，为此，该阀由纯机械方式关闭。
由于主阀V1打开，首先出口腔101内浓缩盐水的压力泄漏。由于主阀V6打开，出口腔102承受压力(例如大约65巴)的作用从而浓缩盐水流入该腔。同时，位于入口腔202内的盐水通过承受压力的活塞而被压至膜组件3。
由于所述活塞布置成以反相关系工作，在活塞杆30作用下承受压力(例如65巴)的浓缩盐水导入出口腔102导致另一个活塞301移动，其结果排空压力较小的出口腔101。同时，在入口腔201中产生一个减小的压力，其吸取盐水并充满该腔。
当出口腔102充满时，对主阀进行适当控制，开始相反的过程。
由于膜组件优选工作在大约70巴以提供达到足够高级别的淡水，并且在膜处产生一个最大约为5-10巴的压力损失，因此在膜组件3的浓缩排放13处，浓缩盐水仍有至少大约65巴的上述压力。
在活塞301、302运动方向改变的工作过程中，特别是当活塞301、302的运动停止的瞬间，为了维持水沿膜6表面的流动，根据本发明，设置有一个附加的活塞/缸体装置403，下文称作活塞贮存器。其具有三个腔，即连接至用于馈送盐水11的馈送导管的送水腔(入口腔)203、一个连接至浓缩导管5的浓缩腔(出口腔)103、以及一个压力腔503。在该装置中，压力腔503一方面通过一个主动阀V7连接至馈送导管11；另一方面直接连接至一个压力贮存器20，优选为一个囊状贮存器。在工作中阀V7始终关闭，其仅用于在工作中断时能以压力流体例如一种液压流体充满包括压力腔503和压力贮存器20的回路，同时还用来存储压力贮存器20中所需的高压。
如果活塞303在浓缩腔103中的有效活塞面积约为送水腔203内活塞面积的3/4，且压力腔503内的活塞面积约为该面积的1/4，则压力分布如下。送水腔203在工作中承受一个大约70巴的压力。这导致包括压力腔503和压力贮存器20之回路内的压力增至280巴。不过工作中并没有达到这样的压力。该区域的工作压力约为200至210巴。
在活塞301、302转变运动方向的瞬间，约70巴的压力由送水腔203作用于活塞303上。贮存器20内的压力只有160巴。这样，由于压力腔503内较小的活塞面积，作用的压力约为160/4即约为40巴。浓缩回路的压力，即由膜组件3排放的浓缩盐水13的压力，约为68巴。该压力作用的区域包括活塞面积的3/4。相应地在此作用有大约51巴的压力。这两个压力沿相同方向作用，因此相加大约有91巴。送水腔203内只有大约70巴作用对抗该合成的压力。因此，存在一个足够高的压力，以将活塞203向下压至图示位置，从而维持膜6上的流动。
即使只有约60巴的气压作为浓缩回路的基础，其仍能在浓缩腔103中提供45巴的气压。即使压力贮存器20中的气压只有120巴，其仍会得到另一个30巴的气压，使得仍有一个75巴的整体气压，这可使膜6上的流动得以维持。
活塞贮存器403可以如下方式控制：只有在入口腔201、202和膜组件3之间的连接导管内发生压力降低或者膜6上的流动减弱时，才会有一个附加的压力作用于该连接导管上。为此，可以设置例如一个合适的传感器，其检测这样的压降或者流动的减弱，然后触发合适的压力控制过程。此外，还可以为此在膜组件3和活塞/缸体装置403之间的浓缩导管5内设置为此目的而适当控制的阀，该阀在必要的时候可以打开，以通过向浓缩腔103内引入压力而产生活塞303向下的所述移动。若相反不需要这样的压力辅助，则这样的阀也可以再次关闭，使得由于送水腔203内相对于压力腔503内的较高压力，活塞303再次向上移动，这样实际上保持在准备就绪位置。
不过，对于本发明的活塞贮存器403，也可以省去这样的控制，因为可以自动设置工作中的特定压力条件并且通过单独的控制也可以获得所期望的效果。这样，一方面，馈送的水可以从所述腔203流出，另一方面浓缩盐水可以从膜组件3中流出，进入腔103，使得膜6上的流动得以维持。
另外，还可以额外设置与所述的主阀V1、V3、V4、V6平行的辅助的或者旁通的阀，以减少主阀上的负载，从而延长其使用寿命。此外，还可以设置一个或多个定量的流量限制装置，其在限制最大的通过流量的同时还用于防止一个突然的压力补偿效应，从而有助于压力的逐渐补偿以及压力的缓慢变化，而不是突然的压力波动。这种构件和其他构件已经在上述的WO 02/41979 A1中给出了描述和图示，此处直接明确地对其引用，同时其说明书将被视为将包括在此处。上述文件中还详细讨论了这样带有两个活塞/缸体装置的设备的基本工作模式，也对其进行引用。
本发明还可与不同结构的通过反渗来淡化水的设备结合而使用，例如，取代所示的两个活塞/缸体装置，而具有其他数量的这种装置，例如一个或三个活塞/缸体装置。其在原理上也可以具有不同的结构。如图2中所示，形式为活塞/缸体装置的贮存器的结构也不是绝对必要的，而且从原理上讲可以具有不同特性。

Claims (7)

1. 一种通过反渗来持续淡化水的方法，其中
盐水(10)借助于一个输送泵(1)而在第一压力(p1)下导入一个具有一活塞/缸体装置的压力补偿装置(2)，
盐水(11)在大于所述第一压力的第二压力(p2)下从压力补偿装置(2)持续导入一个膜组件(3)，并且借助于一个膜(6)而在膜组件(3)内分成淡化水(12)和浓缩盐水(13)，以及
从膜组件(3)排放的浓缩盐水(13)在第二压力(p2)下导入压力补偿装置(2)，并在该装置处用来以第二压力(p2)作用于导入压力补偿装置(2)的盐水(10)，并用于将盐水(11)导入膜组件(3)，和
导入膜组件(3)的盐水(11)在膜(6)的表面上的持续流动借助于一个贮存器(15；403；20)排放的盐水而得以维持，
其中，所述的贮存器(15；403；20)具有一个带一活塞(303)的活塞贮存器(403)，其中，在活塞前侧，所述活塞贮存器(403)具有一个与压力补偿装置(2)的盐水出口以及膜组件(3)的盐水入口相连的入口腔(203)；而在活塞后侧，所述活塞贮存器(403)具有一个与所述膜组件(3)的浓缩盐水(13)的出口相连的出口腔(103)、以及一个连接至一压力贮存器(20)的压力腔(503)，并且，所述活塞后侧的出口腔(103)和压力腔(503)之间的表面积之比以及压力贮存器(20)的压力这两者的设置使得：在所述压力补偿装置(2)和所述膜组件(3)之间的连接导管内发生压力降低或者所述膜(6)上的流动减弱情况下，通过所述活塞(303)在所述入口腔(203)内产生一个合成的压力，该合成的压力大于盐水(11)从压力补偿装置(2)中排放的第二压力(p2)。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的压力补偿装置(2)具有两个活塞/缸体装置(401、402)，所述两个活塞/缸体装置(401、402)以反相关系工作并且各具有一个相应的活塞(301、302)；并且，所述的贮存器(15；403；20)根据活塞(301、302)的运动方向的改变而使水从贮存器(15；403；20)流入所述的膜组件(3)。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将水从贮存器(15；403；20)中压出的压力由所述的从膜组件(3)排放的浓缩盐水(13)的第二压力(p2)和来自一个压力贮存器(20)的辅助压力这两者相加产生。
4. 一种通过反渗来持续淡化水的设备，包括：
一个输送泵(1)，用于在第一压力(p1)下将盐水导入一个压力补偿装置(2)，
一个膜组件(3)，用于将导入的盐水(11)分成淡化水(12)和浓缩盐水(13)，和
一个具有一活塞/缸体装置的压力补偿装置(2)，用于在大于所述第一压力的第二压力(p2)下将所述盐水(11)持续馈送入膜组件(3)，并用于排放所述的浓缩盐水(13)，和
一个贮存器(15；403，20)，其通过水从贮存器(15；403；20)到膜组件(3)的排放来维持导入膜组件(3)的盐水(11)在膜(6)表面上持续流动，
其中，
所述的贮存器(15；403；20)包括一个带一活塞(303)的活塞贮存器(403)和一个压力贮存器(20)，其中，在活塞前侧，所述贮存器(403)具有一个与压力补偿装置(2)的盐水出口以及膜组件(3)的盐水入口相连的入口腔(203)；而在活塞后侧，所述贮存器(403)具有一个与所述膜组件(3)的浓缩盐水(13)的出口相连的出口腔(103)、以及一个连接至所述压力贮存器(20)的压力腔(503)，并且，所述活塞后侧的表面积之比以及压力贮存器(20)的压力这两者的设置使得：在所述压力补偿装置(2)和所述膜组件(3)之间的连接导管内发生压力降低或者所述膜(6)上的流动减弱情况下，通过所述活塞(303)在所述入口腔(203)内及时产生一个合成的压力，该合成的压力大于盐水(11)从压力补偿装置(2)中排放的第二压力(p2)。
5. 如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述的压力补偿装置(2)具有两个活塞/缸体装置(401、402)，所述两个活塞/缸体装置(401、402)以反相关系工作并且各具有一个相应的活塞(301、302)；并且，所述贮存器(15；403；20)根据活塞(301、302)的运动方向的改变而使水从贮存器(15；403；20)流出至所述的膜组件(3)。
6. 如权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述的活塞(303)具有这样的一种结构：在压力腔(503)内获得的压力作用于活塞后侧面积的1/4，而入口腔(103)内获得的压力作用于活塞后侧面积的3/4。
7. 如权利要求4或5所述的设备，其特征在于，所述的压力贮存器(20)的压力至少是第二压力(p2)两倍。
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