CN101664644A - 用于处理具有高渗透强度的溶液的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于处理具有高渗透强度的溶液的装置及其提纯水的方法，该方法包括下列步骤：使进料溶液流过过滤压力容器(40)，所述过滤压力容器(40)具有入口端(46)和出口端(48)以及包含至少三个螺旋盘绕元件(50，52，54)，每个螺旋盘绕元件具有至少一个外膜(2)、进料隔片(4)和渗透液收集管(6)，其中所述螺旋盘绕元件在过滤压力容器(40)中轴向串联连接且包含与所述过滤压力容器(40)的进料入口端(46)紧邻的前导元件(50)、中间元件(52)和末端元件(54)；对进料溶液施加压力以使渗透液通过所述过滤压力容器(40)中的每一元件；和从所述过滤压力容器(40)中排出渗透液和浓缩溶液。

Description

用于处理具有高渗透强度的溶液的装置
本申请是申请号为200580005995.X，申请日为2005年2月25日，发明名称为‘用于处理具有高渗透强度的溶液的装置’的中国专利申请的分案申请。
技术领域
本发明是通过使溶液通过含有螺旋盘绕的反渗透或纳米过滤元件的容器来处理具有高渗透强度的溶液，尤其是海水的装置和方法。我们的发明可以在容器内产生更均匀的通量分布。与传统方法相比的有利性能包括更高的容器生产率、提高的回收率和对外加压力的更低要求。
背景技术
渗透是溶剂穿过半透膜并从低溶质浓度的溶液转移到高溶质浓度的溶液中(从而稀释后者)的过程。在反渗透(RO)中，对膜的高溶质浓度侧施加压力并使驱动渗透的化学势梯度反向。结果是溶剂穿过膜从高溶质浓度侧流向较低溶质浓度侧，这产生纯化的溶剂溶液。反渗透现在常用于由海水制造饮用水。
纳米过滤(NF)与反渗透的类似之处在于，对膜施加的压力消除了渗透压差并使水穿透膜。纳米过滤膜以下述事实为特征：即一些盐类基本透过，同时选择性保留其它盐类。NF最常用于具有低盐浓度的原料流，但是其也可用于从海水中选择性去除组分。例如，US 6508936描述了使用NF作为可以从海水中有利地去除硬性离子的预处理。US4723603描述了使用NF作为在井下注射之前减少海水中硫酸盐离子的方法。
RO和NF膜通常装配在一连串螺旋盘绕元件中，因为这些元件可以在小体积内装入大的膜面积量。在本领域中已经描述了用于水提纯的螺旋盘绕元件的构造(参看美国专利5,538,642和5,681,467)。可通过商业途径提供各种标准直径(例如4.5、6.3、10、15、20厘米)的螺旋盘绕元件和相应容器，但是具有标称20厘米直径的一米长元件目前是大型系统的标准。对于海水应用，每个20厘米直径的元件通常含有26.5平米(285平方英尺)和35.3平米(380平方英尺)的有效膜面积。
图1代表了典型的螺旋盘绕元件。使一层或多层外膜(2)和进料隔片(4)在一端与中心渗透液收集管(6)连接。外膜(2)包括两层夹住渗透液载片(10)的大致矩形的膜片(8)。将这种“三明治”结构沿着三个边缘(14，16，18)粘合在一起，而外膜(2)的第四个边缘(20)邻接渗透液收集管(6)，这样渗透液载片(10)与渗透液收集管(6)中的开孔(22)流体接触。进料隔片(4)分隔开每一外膜(2)。进料隔片(4)与元件(24，26)的两端流体接触，并且充当导管以使进料溶液穿过膜(8)的正面(28)。进料隔片和外膜围绕渗透液收集管盘绕，从而使该结构体形成圆柱形并置于外罩中。
在操作过程中，进料在膜表面上从外罩一端流向另一端。随着水流经薄膜并进入渗透液管，溶质更加浓缩在进料水中，这可以被称作浓缩液或渗余物；当进料流离开压力容器时，输出物被称作浓缩液或渗余物。
为了将螺旋盘绕元件用于反渗透，进料流必须处于压力下。因此，螺旋盘绕元件在压力容器中运行。通常，压力容器含有一个以上串联元件。这些压力容器是本领域已知的并且美国专利6,074,595和美国专利6,165,303进行了举例说明。压力容器可以进一步与其它压力容器串联或并联结合以制造膜过滤系统。在商业RO应用中，大型过滤系统可以由超过10,000个元件构成，它们通常分布在各含4至8个元件的多个压力容器中。
参照图3，压力容器(40)在相反端(46、48)含有开口(42、44)以使进料溶液通入容器并排出浓缩溶液。进料溶液从容器(40)入口端(46)的前导元件(50)，穿过中间元件(52)流到容器(40)相反出口端(48)的末端元件(54)中。可以在元件和容器之间使用盐水密封件(brine seals)(56)以防止该进料流绕过(bypsssing)元件。使用互连管(58)连接相邻元件的渗透液管(6)，并从容器(40)的至少一个渗透液开口(62)排出合并的渗透液。作为互连管的一种选择方式，可以在元件上使用端盖以直接连接到相邻元件上；在美国专利6,632,356中描述了这些端盖。
螺旋盘绕元件制造商以系统设计指导规格的形式为过滤系统设计者提供了操作限制。通常，一个元件的外加压力上限、最大进料流速、最小浓缩液流速、和最大回收率(渗透液体积除以进料体积)都可以指定。参看，例如，“Membranes System Design Guidelines for 8-inchFILMTECTM Elements”，Form No.609-21010-702XQRP，FilmTec Corp.，Edina，MN，12/18/03。制造商建议，FILMTECTM SW30HR-380海水元件的操作限制包括使用开敞式进水口＜69巴(＜1000psi)外加压力，＜338m3/d(＜62gpm)进料流，和＞98m3/d(＞18gpm)浓缩液流速。其它制造商已经确立了类似的指导规格，尽管最大元件回收率通常代替进料和浓缩液流量规格，并且近来已经转向可以在海水系统中使用更高的外加压力。
通常，给定压力容器中的元件选自相同类型，其对于通量、流量、回收率和物理尺寸具有相同规格。加压进料轴向流过每一元件，同时渗透液管互相连接并与进料隔离。随着进料逐个流过元件，进料中的溶质浓度提高，且通量(对于每单位面积的膜，渗透水体积流速)降低。降低的通量导致膜利用率降低。压力容器从进料到出料时的通量变化也被称作通量失调。通量失调促进了结垢并由于上游元件中的极化和下游元件中的低通量而降低整体水质。图2显示了随着元件位置与压力容器入口距离的提高，典型压力容器内螺旋盘绕元件的通量降低。随着废水浓度提高和进料渗透压提高，通量从容器入口端向出口端降低。
压力容器中通量的降低在具有高渗透压的溶液(例如海水)中更为明显。在反渗透中，通过膜的通量基本与净驱动压成比例。通过从外加压力中减去渗透液压力和穿过膜的渗透压差，计算净驱动压。在不存在极化的情况下，穿过高阻隔(rejecting)膜的渗透压差大致等于进料溶液的渗透压。例如，具有3.5％的典型盐度的溶液在入口(在前导元件之前)的渗透压为大约26巴(大约380psi)。在这种典型溶液以40％回收率通过螺旋盘绕元件之后，浓缩液具有大约5.8％盐度，且出口的渗透压(在最后一个元件之后)为大约44巴(大约630psi)。进入连续元件的进料渗透压的提高急剧降低了下游元件的净驱动压和通量。每一元件中对进料流的水力阻力进一步加聚了这一问题，从而沿容器向下产生压降。降低的渗透压和压降促进了通量失调；对于高渗透强度的溶液，例如海水，渗透强度尤为重要。
如果过滤系统设计者选择螺旋盘绕模件以使压力容器中最末元件的通量最大化，上游装置可能具有高于制造商推荐量的最大通量。较高的初始通量会由于结垢和起鳞而明显缩短螺旋盘绕元件的寿命。高通量还促进了浓差极化，从而降低膜的有效阻隔率(rejection)。然而，下游元件中较低的通量也是不合意的，因为会降低生产率；较低的通量意味着渗透液中溶质浓度较高，并因此意味着较低的回收率。
元件制造商提供了在设计过滤系统时使用的螺旋盘绕元件的操作规格。通常，规格包括外加压力的上限、最大进料流速、最小浓缩液流速、最大回收率(渗透液体积除以进料体积)和最大通量。下表2中的元件在典型海水试验中都具有大约23立方米/天(6000gpd)的流量。对于海水操作，这与55-69巴(800-1000psi)的正常范围相符。对于典型的渗透强度，可以保证具有32.5平米(350平方英尺)有效面积的23立方米/天海水元件在55巴(800psi)下以低于34升/平米/小时(20gfd)运行，这是通常提出的通量上限。随时间产生的结垢和温度差和渗透强度可能使相同的元件在甚至68.9巴(1000psi)下或对于一些情况甚至在82.7巴(1200psi)下保持在这些限度内。
已经研究了通量与结垢之间的关系，并且通量规格通常是以不同水的结垢潜能为基础的。表征结垢潜能的常用术语是淤泥密度指数(SDI)，用于确定海水应用中的通量极限。制造商通常规定特定类型元件的最大通量，或者规定使用该元件的水提纯系统上的平均通量。
除了降低渗透液的产量，通量失调还促进了结垢，并且由于上游元件中的极化和下游元件中的低通量而降低整体水质。通常，对于高渗透强度的应用，设计者使用具有低通量的元件解决这一问题。使用具有低通量的元件，可以对串联的第一元件施加高压力，同时将该元件的通量保持为低于制造商推荐的最大通量。相对较高的外加压力可以使从容器前端到末端的渗透压变化保持在初始净驱动压的相对较小的分数下。
另一种解决通量失调问题的方法必须限制海水系统的回收率。传统的海水系统以大约40-45％的回收率运作，从而不超过通量限制。如果提供较高的回收率，则对较少的水进行预处理，从而降低操作和资本费用。每个容器较高的回收率可以通过减少所需压力容器的数量和相关支持费用(例如管道、电、元件和容器)来减少系统RO部分的成本。此外，提高的回收率意味着只须将较少的水升至高压，这使操作过程中由能量回收中的天然低效性引起的经济损失最小化。最后，较高的回收率可以降低工厂耗电量。容器中可获得的回收率和相关益处过去受到前端结垢和末端低流量(对于渗透液和浓缩液)威胁的限制。
提高容器中元件的数量是一种在防止第一元件超通量的同时使该容器回收率最大化的方式。然而，元件数量的提高通常造成容器中的末端元件以非常低的通量运作；由于较少的水通过这些末端元件，所得渗透液的质量较低。元件数量的提高还提高了压力容器的长度，并因此更适合新的设备，而非压力容器已经安装就位的现有设备。此外，由于元件的数量更多且需要更长的容器，这些系统的成本提高。
另一种减轻通量失调对系统性能影响的方法利用了螺旋盘绕元件类型中流速的可变性。设计者或制造商测试元件流速，根据流速为元件分类或贴标签，并提供了规定每一容器内各个特定元件的位置(例如通过序号)的配载图。这种方法的一个缺点在于测试和分类元件所需的人力和每一容器都需要配载图。其它缺点在于，在整个给定项目中通常仅使用一种元件，并且流速范围受到各个元件之间可变性的限制。
已经描述了其它在控制元件通量的同时改进海水经济性的方法。美国专利6,187,200描述了包含多个阶段的系统，对第一阶段施加反压(backpressure)或在阶段之间存在阶段间推进力。然而，这种方法在泵、管道工程和额外压力容器方面需要额外的成本。此外，这些两段式系统通常设计成至少一段以非常高的压力运作，而这使得装置更加昂贵，美国专利6,277,282。或者，可以使用改进的海水预处理以便可以获得更高的平均通量规格和更高的耐通量失调性。这也需要额外的资本费用(这种情况下是用于预处理)，并且预处理对结垢的影响难以预先量化。最后，已经使用非常有效的能量回收设备以使低得多的回收率更有经济竞争力。较低的回收率限制了海水系统中的通量失调。然而，这种方法涉及额外的用于能量回收的设备并可能由于更高的预处理水体积而提高成本。
除了解决通量失调，具有高渗透强度的溶液处理中的另一改进是通过改变进料隔片来降低穿过螺旋盘绕元件的浓差极化。螺旋盘绕元件中的进料隔片为进料流提供了穿过膜表面的通道。其还在膜表面产生混合，这降低了浓差极化，提高了穿过该膜的质量传递。这种提高的质量传递的代价是提高了沿螺旋盘绕元件长度向下的压降；串联的各个元件的压降总和产生沿容器向下的压降。在美国专利申请公开2003-0205520中描述了进料隔片的最新例子，其经此引用并入本文。
反渗透占目前脱盐海水全球生产的大约40％。反渗透脱盐的经济性，包括所需大型设备，可能限制了这种技术的发展。压力容器的效率提高会减少所需压力容器的数量，并因此降低设备的资本成本。此外，以相同的水通过量在较低外加压力下运行的压力容器可以降低运行成本。以更均匀的通量分布、更高的平均运行通量和更高的回收率运行的用于水过滤系统的改进的压力容器也可以以改进的效率和更低的外加压力运行以改进用于海水脱盐的反渗透的经济性。
发明内容
本发明改进了用于处理具有高渗透强度的溶液的膜过滤系统中的压力容器，并且可用于海水脱盐系统。膜过滤系统中给定的压力容器含有至少三个螺旋盘绕元件，它们具有如下更详细描述的基本不同的标准比通量，并任选具有选定的进料隔片标准压力梯度。与使用具有类似标准比通量或类似进料隔片时相比，压力容器内螺旋盘绕元件的这种排列方式可以产生更均匀的通量分布、更高的平均运行通量和更高的回收率。元件之间的标准比通量相差至少1.5且优选2.0倍。
与传统系统相比，在容器内结合使用标准比通量相差很大的元件可以在制造商指示的范围内以更高的回收率或更低的能量运作。在优选具体实施方式中，用于海水脱盐的压力容器含有标准比通量低于至少1.5升/平米/小时/巴的下游元件(优选末端元件)。同样合意的是，上游元件(优选前导元件)具有小于1.0升/平米/小时/巴的标准比通量。
容器中的元件还可以含有不同的进料隔片，这些通过不同的标准压力梯度标示。优选地，最后一个元件的进料隔片标准压力梯度比第一个元件高至少50％。
此外，本发明可以包括独立于相同容器中的下游元件，排出压力容器中一个或多个上游螺旋盘绕元件的渗透液流的方法。
本发明可以进一步包括具有两个或更多个并联压力容器的膜过滤系统。并联压力容器各自含有三个或更多个具有基本不同的标准比通量和任选具有不同的进料隔片压力梯度的元件。此外，并联压力容器中相应位置的元件具有类似的标准比通量并任选具有类似的进料隔片标准压力梯度。
附图说明
参照伴随下述附图的本发明的详细描述，可以更好地理解本发明及其优选具体实施方式。在这些部分，类似的附图标记号是指类似的元件。
图1是螺旋盘绕元件的透视局部剖视图。通过围绕中心渗透液收集管交替卷绕过滤外膜和进料隔片，形成该元件。过滤外膜包括夹在两片膜之间的渗透液载片。
图2是显示渗透液通量如何从容器前端向末端明显降低的图。该图显示出对于含有6个元件的容器，与对比例III中详述的操作条件相对应的通量计算值。
图3是显示含有至少三个串联元件的容器的典型构造的示意图。
图4是显示含有至少三个串联元件的容器的另一典型构造的示意图。在该图中，在一个元件的渗透液管中存在渗透液流的隔离层，并且渗透溶液从容器的两个末端排出。
具体实施方式
这是用于过滤系统的压力容器，其中该容器含有至少三个不同类型的螺旋盘绕元件，它们的特征在于模件中不同的标准比通量，并任选不同的进料隔片。
对于膜，比通量通常是指通量(对于每单位面积的有效膜，渗透液体积流速)除以净驱动压。如上所述的净驱动压是通过从外加压力中减去渗透液压力和穿过膜的渗透压差计算而得的。尽管比通量是膜的一个特征，但可预计其将随着温度、浓度和外加压力变化。此外，在该领域中运行的任何元件中的膜的比通量会由于老化、结垢和收缩而产生变化。
对螺旋盘绕元件指定一个标准值需要在螺旋盘绕元件的有效寿命内规定特定的时间点。对于本发明，我们在开始操作24小时以达到膜平衡后进行的试验中确定螺旋盘绕元件的标准比通量，尽管在不存在明显结垢的情况下该试验结果的随后变化应该相对较小。以32000ppmNaCl进料，8％回收率、25℃和27升/平米/小时(16gfd)的平均通量进行试验，用该试验测定螺旋盘绕元件的标准比通量。更具体地，螺旋盘绕元件的标准比通量是指平均通量(27升/平米/小时)除以压力项P，其中P是由在该试验中可测得的量计算而得的：
P＝(P进料+P浓缩液)/2-P渗透液-(π进料平均-π渗透液)
P进料是元件入口侧的外加压力。P浓缩液是元件相反端(浓缩液侧)的外加压力，且由于进料隔片中的流动阻力，P浓缩液通常小于P进料，P渗透液是渗透液离开螺旋盘绕元件处的外加压力，并且该试验中的反压通常非常小。π进料平均是通过混合相等体积的进入元件的进料溶液和离开元件的浓缩溶液而形成的溶液的渗透压。π渗透液是渗透溶液的渗透压。注意P接近于螺旋盘绕元件的平均净驱动压。(为了计算平均净驱动压，可以将π进料平均换成膜表面上的平均渗透压)。对于标准比通量的这一定义不包括极化对渗透压的影响，因此P项略微过度估计了净驱动压，但是其使计算更简单。
螺旋盘绕元件的标准比通量的定义与公认的工业实践相符，同时指定了一种独特和易于测定的参数。常使用24小时的平衡期来确定元件性能。试验条件(8％回收率、25℃和32000ppm NaCl)与用于表征海水产品的试验相一致，而不超过具有高标准比通量的元件的典型最大通量规格。
非常高的通量造成过度极化和相当大的内部流动阻力，例如在渗透液载片中。这些影响造成对更典型的通量条件(12-17升/平米/小时)下所需的外加压力的过度估计。对于本发明，在规定测量过程中的平均通量为27升/平米/小时的试验中确定螺旋盘绕元件的标准比通量。可以由典型海水试验的结果(平均通量和P项)估算标准比通量，只要螺旋盘绕元件的通量不超过34升/平米/小时(20gfd)。
作为例子，对于具有良好阻隔性(rejection)且沿进料隔片向下的压降最小的螺旋盘绕元件，在典型的55.2巴(800psi)海水试验中，上述P项相当于大约27.6巴(400psi)。具有21.2立方米/天(5600gpd)的32.5平米(350平方英尺)元件具有27升/平米/小时(16gfd)的通量并相当于大约1.0升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)的标准比通量。
在该发明中，要求容器内的至少三个单独元件具有明显不同的标准比通量值，但是更合意的是，容器内的至少两个，优选三个元件属于不同的公认类别(或类型)，从而使这些不同元件类型的标准比通量明显不同。相同类型的元件具有类似构造并且由制造商以与这类元件组相对应的单独名称供应。
螺旋盘绕元件类型的标准比通量可以定义为属于这一类型(或类别或型号)的代表性的一组元件(至少20个)各自标准比通量的平均值。在本发明中，要求容器内的至少三个单独元件具有基本不同的标准比通量值；更合意的是，容器内的这三个元件属于不同的公认类别(或类型)，从而使这些不同元件类型的标准比通量明显不同。
相同类型的元件具有类似构造并且由制造商供应，制造商通常用标明这类元件组用的商标或产品名或数字来标明类型。
本发明人已经发现，在容器内使用一种以上类型的元件可以使元件的选择在更大的标准比通量范围内进行，并且明显改进压力容器的性能。本发明中使用的螺旋盘绕元件类型可以以独特的元件组为特征，其中标准比通量值的分布具有小于或等于1.1的变化率平均值和系数，其是总体标准偏差除以总体平均值。优选的是，本发明中使用的每一元件的标准比通量与相应元件类型的平均标准比通量的偏差小于20％。更优选的是，这种偏差小于15％。
本发明人还确定，尤其是与依靠在特定类型内测试并分类元件的系统相比，规定容器内每一位置的元件类型也可以相当大地简化含有数个并联容器的大型系统的配载过程。本发明人已经发现，对于容器中任何一个位置的元件的标准比通量，容器之间存在更小的差别。
作为例子，表1显示了对于四类FilmTec海水元件，由制造商规定的流量、面积和试验条件计算而得的标准比通量值。
表1.Film Tec海水元件的标准比通量
FILMTECTM元件   流量m3/d(gpd)   阻隔率(％)   面积m2(ft2)   标准比通量1/m2/hr/bar(gfd/psi)
  SW30HR-380   22.7(6000)   99.7   35.3(380)   0.097(0.039)
  SW30HR-320   22.7(6000)   99.75   29.7(320)   1.15(0.047)
  SW30HRLE-380   28.4(7500)   99.75   35.3(380)   1.22(0.049)
  SW30-380   34.0(9000)   99.4   35.3(380)   1.46(0.059)
表2列出了对于数个1米长，20厘米直径的商业海水元件，流量和盐分通过率的制造商指定值。显著的是，在制造商之间，与商业海水出售物相关的流量相当一致。使用32.5平米(350平方英尺)的有效膜面积，表2中元件的标准比通量全部落在0.74升/平米/小时/巴(0.03gfd/psi)至1.23升/平米/小时/巴(0.05gfd/psi)之间。
可以使用来自Hydranautics出版物的数据计算出，自从80年代中期商业上引入芳族聚酰胺膜以来，海水元件已经具有了大约1.0升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)的标准比通量(M.Wilf & K.Klinko，“Improving performance and economics of RO seawater desalting usingcapillary membrane pretreatment”，Hydranautics，Inc.，1998年6月)。1.0升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)值基本上防止了前导元件的超通量，因为用于海水脱盐的元件通常以大约55巴(800psi)至69巴(1000psi)的外加压力、通常24巴(350psi)至31巴(450psi)的进料渗透强度运作。
表2.一些商业海水元件的流量和阻隔率
Figure G2009101751505D00111
对于海水应用，通常使用1.0升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)的膜以适应在含有多个元件的容器内产生的通量失调。在具有高渗透强度的进料溶液(例如海水)中操作装配了具有高标准比通量的螺旋盘绕元件的压力容器，这通常产生更大的通量失调。前导元件上的高通量造成进入容器后续元件中的浓缩液具有更高的溶质浓度。进料渗透强度的提高使得容器的后续元件在低得多的通量下运行。下面在对比例3和4中证实了这一点。含有标准比通量为0.98升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)的元件的容器表现出5升/平米/小时至34升/平米/小时的运行通量极限。然而，在用标准比通量为1.19升/平米/小时/巴(0.07gfd/psi)的元件进行的类似模拟中，在容器出口端附近产生3.3升/平米/小时/巴(1.9gfd)的更低通量，并在容器入口端附近产生44升/平米/小时(26gfd)的高得多的通量。
本发明可以使标准尺寸的海水元件以更高的流量使用。本发明必须在一个容器中使用一种以上类型的元件。特别地，容器下游元件的标准比通量比相同容器上游元件的标准比通量高至少50％，更优选高至少100％。最优选的是，这种下游元件具有高于1.5升/平米/小时/巴(0.061gfd/psi)的标准比通量。
合意的是，具有高标准比通量的元件还保持相对较低的溶质渗透系数。溶质渗透系数通常被称作B-值，其决定了盐分透过膜扩散的速率。(参看，例如Osada & Nakagawa，Membrane Science and Technology，第9章，“Reverse Osmosis”，Marcel Dekker，Inc.，New York，1992)。溶质渗透系数是渗透膜的基本参数之一，但是其值已知随着溶质组成并特别随着温度改变。对于特定的操作条件组，可以按照下式由通量J和固有溶质通过率Cp/Cm计算膜的溶质渗透系数Bmem：
Bmem＝(J*Cp/Cm)/(1-Cp/Cm)
在该公式中，Cp和Cm分别代表了渗透液中和进料侧膜表面的溶质浓度。由于浓差极化，膜表面的浓度可以高于进料中的浓度。
对于本发明，类似地确定螺旋盘绕元件的标准溶质渗透率，但是具有额外的要求，即在对于标准比通量规定的试验条件下获得参数。具体而言，使用25℃、32000ppm NaCl进料、8％回收率和27升/平米/小时的通量在运行24小时后进行测量。此外，用平均进料浓度，Cf(其相当于通过使相等体积的进入元件的进料溶液和离开元件的浓缩溶液混合而获得的NaCl浓度)确定标准溶质渗透率Bele。尽管简化的公式不考虑浓差极化的影响，但其确实可以更简单地测量所需参数。
Bele＝(J*Cp/Cf)/(1-Cp/Cf)
在本发明中，使用标准溶质渗透率通过比率比较不同的元件。尽管基于特定的试验条件确定螺旋盘绕元件的标准溶质渗透率，但可以近似地估计两个元件的该项比率，条件是两个试验的温度、浓度和回收率类似，并且只要试验中的测得通量小于34升/平米/小时(20gfd)。
容器中串联的最后一个元件以高于其它元件的进料盐浓度运行，因此差的阻隔率极大地影响系统性能。
末端元件具有高的盐阻隔率是重要的。优选的是，当在25℃、32000ppm NaCl进料、8％回收率和27升/平米/小时的通量的标准试验过程中独自运行时，末端元件具有至少足够好的盐阻隔率以产生饮用水(＜500ppm)。更优选地，盐阻隔率在该试验中应该产生瓶装水质(＜300ppm)。在NF应用的情况下，容器内的所有元件都需要相当大的NaCl通过率(在上述试验条件下大于20％NaCl通过率)，但是元件还需要具有对另一组分的高阻隔率。对于在容器内使用具有不同标准比通量的元件的海水NF应用，当在包含32000ppm NaCl和2000ppmMgSO4的进料上使用25℃、8％回收率和27升/平米/小时通量的条件独立地测试元件时，容器中任何元件的硫酸盐通过率优选低于1％。
本发明的另一方面是使压力容器内的螺旋盘绕元件含有不同的进料隔片。在一些专利和申请中描述了进料隔片，包括美国专利申请公开2003-0205520，其经此引用并入本文。螺旋盘绕元件的进料隔片为进料流提供了穿过膜表面的通道。其还在膜表面产生混合，这降低了浓差极化。这种提高的质量传递的代价是提高了沿螺旋盘绕元件长度向下的压降，并且串联的各个元件的压降总和产生了沿容器向下的压降。
在高渗透强度溶液的情况下，膜表面的混合特别重要。我们已经发现，选择进料隔片以使混合对于下游元件(且特别是串联的最后一个元件)而言较高(此时渗透强度最大且压降对容器性能的影响最小)，这改进了容器性能。在本发明范围内的是，容器中的前导元件和末端元件可以使用不同的进料隔片材料，并且最优选的是，最后一个元件的进料隔片的标准压力梯度比第一个元件的进料隔片的标准压力梯度高至少50％。
对于本发明，进料隔片的标准压力梯度是指在阻挡渗透液流的同时使25℃水通过元件而在进料流方向上测得的压力梯度(每单位距离的压降)。该试验与元件内的有效膜面积成比例地指定水的体积流速；体积流速要与元件长度成反比。例如，在1米长，35.3平米(380平方英尺)元件中，用于测量标准压力梯度的流速为190立方米/天。最优选的是，标准压力梯度为至少0.4巴/米，相当于穿过1米长的元件产生大约6psi的压降。
本发明可获得的高回收率可以典型地降低流过膜表面的进料溶液的体积。这种降低的进料速度提高了极化，降低了通量并促进结垢；其可能造成在螺旋盘绕元件制造商的最大回收率规格以外进行操作。出于这些原因，容器中的元件可以分段以使进料流穿过膜表面的速度保持相对较高的速率。可以通过改变压力容器每一元件中进料隔片的横截面积来控制进料流速度。将进料隔片的厚度乘以有效膜面积的一半并除以元件长度，由此计算进料隔片横截面积。
在一个优选的具体实施方式中，元件的下游元件可以具有比前导元件小至少15％，并更优选小30％的进料隔片横截面积。当元件按照＜15％回收率规格运行时，穿过串联的最后一个元件的进料速度高于其前串联的一个或两个元件中的速度。此外，当这种螺旋盘绕元件具有明显小于容器内径的外径时，在元件外表面与压力容器内表面之间的盐水密封件(brine seals)防止进料流绕过元件。
在本发明的另一方面，来自至少一个流元件的渗透液从压力容器中排出，而不是流经相邻的压力容器。这通过保持低渗透液压力来保持了相邻元件的驱动压。可以通过新出口或通过在压力容器前端的渗透液通道从压力容器中排出渗透液。US 4046685描述了从容器前端和末端排出渗透液流并隔离在元件中相反端产生的渗透液。如图4所示，在这种情况下，容器(40)在两端都具有渗透液开口(62，64)以便使流体在外部管道系统和端元件(50，54)的渗透液管(6)之间通过。渗透液流的隔离层(66)将在容器相反端离开容器的两种渗透液流分隔开。隔离层(66)位于元件之间或位于一个元件的渗透液管(6)中，并且其防止两种渗透液流明显混合。对于防止明显混合，流体隔离层不需要是不透的。然而，当使用渗透液互连管时，隔离层的流动阻力应该超过容器(40)中用于连接相邻元件的渗透液管的渗透液互连管(58)的流动阻力的至少5倍。在传统设计中，渗透液流的这种分隔可以从容器(40)的上游元件中排出最佳质量的渗透液。同时，使用具有更高标准比通量的下游元件可以获得具有良好渗透液质量的来自容器(40)的末端(48)的高流量渗透液。根据操作条件，来自下游元件的水可以适合于工业水、饮用水或瓶装水。还可以对这种渗透液流进行附加处理步骤或将其用于掺合。
当渗透液流隔离层基本不透时，两种渗透液流也可以保持在不同压力下。在这种情况下，使用渗透液反压可以提供相对均匀的通量分布，而无论是否在容器上游端或下游端附近安装具有更高标准比通量的元件。在一个优选的具体实施方式中，在来自高标准比通量元件的合并渗透液流变成二次通过的过滤容器的进料流时，产生渗透液反压。最优选地，更高标准比通量的元件位于第一容器的入口端附近，因为这种配置提供了更大的净驱动压以使渗透液在一次和二次通过的元件中流动。
本发明的特别优点在于其可用于以最小资本费用升级现有系统以改进回收率。商业螺旋盘绕元件的成本与海水过滤系统的成本相比较小。本发明可以通过去除容器中的一个或多个现有元件并装载新的元件(其中至少一个具有高于1.5升/平米/小时/巴(0.061gfd/psi)的标准比通量)来提高压力容器效率。选择性地替换元件以提供更均匀的通量分布，这可以使容器以更高的平均通量和更高的回收率运行，并且不会超过压力容器中任一元件的最大通量。当确认元件通常仅构成海水装置中5％的资本成本时，这被证实是特别有利的选择。或者，可以升级容器以便在以降低的最大平均元件通量运行的同时获得相同的回收率。
实施例
下列具体实施例不是为了限制本发明，它们进一步阐明本发明：
对比例1：
用具有FILMTEC SW30HR-380元件中使用的规格的2.6平米的有效膜制造四个样品。元件具有0.98升/平米/小时/巴(0.04gfd/psi)的平均标准比通量和0.066升/平米/小时(0.039gfd)的平均标准溶质渗透率。元件在压力容器内串联。用3.2％NaCl进料在21℃和55巴(798psi)的外加压力下测试容器。来自压力容器的总回收率为19.6％。总渗透液浓度为245ppm。
我们计算出第一个元件的标准比通量为大约27升/平米/小时。前三个元件的平均通量为22.6升/平米/小时(13.3gfd)；串联的第四个元件的平均通量为15.6升/平米/小时(9.2gfd)。第四个元件以低于20％回收率运作，通量为第一个元件通量的大约60％。
实施例1
使用FILMTEC SW30HR膜构成膜元件。使用FILMTECSW30SXLE膜构成四个具有2.6平米有效膜面积的元件。三个SW30SXLE膜元件如下处理：将膜在pH值为10.5的2000ppm NaOCl水溶液中浸渍30分钟。表3显示了对这些元件测得的标准比通量和标准溶质渗透率。
表3.实施例1中描述的元件
元件 膜   标准比通量L/m2/hr/bar(gfd/psi)   标准溶质渗透率L/m2/hr(gfd)
  A   SW30HR   1.07(0.043)   0.29(0.17)
  B   SW30XLE   1.43(0.058)   0.45(0.26)
  C   SW30XLE(处理过)   2.12(0.086)   0.33(0.19)
  D   SW30XLE(处理过)   1.85(0.075)   0.32(0.19)
  E   SW30XLE(处理过)   1.99(0.082)   0.20(0.12)
将元件A、B和C装入容器，使得元件A位于前导位置，元件C位于末端位置。在元件B和C之间隔离渗透液流以便单独收集来自元件C的渗透溶液。用3.2％NaCl进料在21℃和55巴(798psi)的外加压力下测试容器。总回收率为25.8％。元件A和B的通量平均为29升/平米/小时(17gfd)。末端元件C的通量为36.2升/平米/小时(21.3gfd)。合并的渗透液中NaCl的浓度为428ppm。
表3中的元件C在用于测量标准溶质渗透率的条件下具有357ppm的渗透液浓度。包括该元件的三元件容器产生相对平均的通量分布并产生饮用水。表3中的元件E具有与元件C类似的标准比通量，但是在以25℃、32000ppm NaCl进料，8％回收率和27升/平米/小时的通量进行的试验中，其标准溶质渗透率相当于大约237ppm。该元件可以以更低的压力或更高的回收率制造饮用水。
实施例2
将两个FILMTEC SW30XLE-380元件在分别含有1500ppm和2000ppm NaOCl的pH 10.5的水溶液中浸渍30分钟，由此处理这两个元件。这些元件具有表4的第H和I行所示的标准比通量和标准溶质渗透率。此外，分别在第F和G行显示了不与NaOCl接触的FILMTECSW30HR-380和SW30XLE-380元件的标准比通量和标准溶质渗透率值。末端元件的标准溶质渗透率与标准比通量的比率(0.064)除以前导元件的标准溶质渗透率与标准比通量的比率(0.071)小于1。对于表4中的所有元件，标准压力梯度接近0.2巴/米，且进料隔片横截面积约为230平方厘米。
表4.实施例2中描述的元件
元件 NaOCl   标准比通量L/m2/hr/bar(gfd/psi)   标准溶质渗透率L/m2/hr(gfd)
  F   0ppm   0.96(0.039)   0.068(0.040)
  G   0ppm   1.43(0.058)   0.042(0.025)
  H   1500ppm   2.09(0.085)   0.13(0.076)
  I   2000ppm   2.66(0.108)   0.08(0.100)
使用FilmTec的模拟程序(ROSA，5.4版)模拟元件F、G、H和I的流量。通过将SW30-380元件的结垢因子变成0.64、1.05、1.44和2.0来进行模拟。通过单独模拟每个元件并使来自每个元件的浓缩液变成下一元件的进料，从而模拟由三个F型元件、一个G型元件和三个I型元件构成的容器。对于这些元件的不同的溶质渗透率，在每一元件之后对照SW30-380对渗透液浓度进行校正。在该模拟中，3.5％海水进料含有19479ppm Cl、10460ppm Na、1450ppm Mg、2760ppm SO4、450ppm Ca和400ppm K。
使用66.6巴(967psi)外加压力和196立方米/天(36gpm)原料水进料流，在25℃，在模拟中实现60％的回收率。计算表明，前导元件具有最大通量，33.6升/平米/小时(19.8gfd)。每个元件的最大回收率为15％。渗透液浓度计算为295ppm，低于该领域中饮用水所接受的浓度。
对比例2
进行模拟，其中用7个串联的FILMTEC SW30HR-380元件获得60％回收率。第一个元件具有39.6升/平米/小时(23.3gfd)的平均通量，17％的回收率，且外加压力为74.2巴(1076psi)。
为了进行模拟，不使用ROSA软件，通过以1英寸增量从压力容器进料口到末端轴向进行流量计算，从而模拟含有1米长，20厘米直径元件的容器。在每种情况下，指定外加压力、进料浓度、进入第一个元件的流量，并计算每次增量下的性能(压降、通量和盐分通过率)。结果沿着容器向下累积到下一个一英寸长区段。
计算假定了每一元件中膜的比通量和溶质渗透率；按照标准公式计算每一增量下的通量和盐分通过率(Osada & Nakagawa，MembraneScience and Technology，第9章，“Reverse Osmosis”，Marcel Dekker，Inc.，New York，1992)。按照G.Schock & A.Miquel，“Mass transfer andpressure loss in spiral wound modules”，Desalination，65，(1987)，339-352中对于FilmTec元件提供的公式由进料速度和通量估算表面上的极化。选择极化值以等于上述标准比通量和标准溶质渗透率。
实施例3以及对比例3和4
使用对比例2的方法进行模拟。
下表5-7提供了三个模拟的结果，每个具有3.8％海水的174立方米/天(46000gpd)进料流量和50％回收率。实施例3以及对比例3和4均模拟了含有6个35.3平米(380平方英尺)元件的压力容器，并且容器的平均通量为17升/平米/小时(10gfd)。元件采用的膜的比通量(A值)全部符合容易获得的范围。假定容器内所有元件的膜溶质渗透率值(B值)相同(0.068升/平米/小时)，在受试操作范围内，该值被认为对通量的影响最小。来自每一元件的渗透液的盐分通过率与假定的B值近似成比例。对于实施例3、对比例3和对比例4，计算出的总渗透液浓度为369ppm、315ppm和369ppm。所需外加压力分别为68.8巴(998psi)、72.5巴(1051psi)和66.9巴(971psi)。实施例3表明，容器中的元件可以以低的最大通量值、平均通量值和最大元件回收率值运行。
表5.实施例3的通量分布
元件   面积(m2)   A值(Lmh/bar)   B值(Lmh)   平均通量(Lmh)   最大通量(Lmh) 回收率
  1   35.3   0.739   0.068   23.1   24.8   11.5％
  2   35.3   0.862   0.068   21.6   23.8   11.9％
  3   35.3   1.231   0.068   21.1   24.4   13.1％
  4   35.3   1.970   0.068   18.0   22.6   12.9％
  5   35.3   2.462   0.068   11.7   15.1   9.7％
  6   35.3   2.462   0.068   6.8   8.7   6.2％
表6.对比例3的通量分布
元件   面积(m2)   A值(Lmh/bar)   B值(Lmh)   平均通量(Lmh)   最大通量(Lmh) 回收率
  1   35.3   0.985   0.068   30.7   34.0   15.3％
  2   35.3   0.985   0.068   24.1   27.2   13.8％
  3   35.3   0.985   0.068   18.2   20.9   12.1％
  4   35.3   0.985   0.068   13.2   15.4   10.0％
  5   35.3   0.985   0.068   9.3   11.0   7.9％
  6   35.3   0.985   0.068   6.5   7.6   5.9％
表7.对比例4的通量分布
元件   面积(m2)   A值(Lmh/bar)   B值(Lmh)   平均通量(Lmh)   最大通量(Lmh) 回收率
  1   35.3   1.724   0.068   37.7   44.3   18.8％
  2   35.3   1.724   0.068   25.6   30.9   15.4％
  3   35.3   1.724   0.068   16.8   20.7   11.9％
  4   35.3   1.724   0.068   10.7   13.2   8.6％
  5   35.3   1.724   0.068   6.8   8.5   5.9％
  6   35.3   1.724   0.068   4.2   5.3   3.9％
实施例4
使用3.5％海水的167立方米/天(44000gpd)进料，如实施例3那样进行计算。对于该容器，79.3巴(1150psi)的外加压力产生60.8％的模拟回收率。在这种情况下，如表中所示，容器内的七个元件可能具有不同的A值、B值和有效面积。总渗透液浓度估计为448ppm。模拟表明，该容器内的每个元件具有低的最大通量值、平均通量值和元件回收率值。将总渗透液流量除以有效膜面积，获得18.8升/平米/小时(11.1gfd)的容器平均通量。
表8.实施例4的通量分布
元件   面积(m2)   A值(Lmh/bar)   B值(Lmh)   平均通量(Lmh)   最大通量(Lmh) 回收率
  1   35.3   0.616   0.068   26.5   28.2   13.8％
  2   33.0   0.739   0.068   26.1   28.7   14.4％
  3   33.0   0.862   0.068   23.3   26.3   14.9％
  4   30.7   1.231   0.170   21.2   25.5   14.9％
  5   30.7   2.462   0.170   17.3   22.7   14.3％
  6   30.7   2.462   0.170   9.5   12.6   9.2％
  7   30.7   2.462   0.170   5.3   7.0   5.6％

Claims (8)

1、一种提纯水的方法，包括下列步骤：
使进料溶液流过过滤压力容器(40)，所述过滤压力容器(40)具有入口端(46)和出口端(48)以及包含至少三个螺旋盘绕元件(50，52，54)，每个螺旋盘绕元件具有至少一个外膜(2)、进料隔片(4)和渗透液收集管(6)，其中所述螺旋盘绕元件在过滤压力容器(40)中轴向串联连接且包含与所述过滤压力容器(40)的进料入口端(46)紧邻的前导元件(50)、中间元件(52)和末端元件(54)，其中所述末端元件(54)的进料隔片(4)在轴向上的标准压力梯度比前导元件(50)的进料隔片(4)在轴向上的标准压力梯度高50％，
对进料溶液施加压力以使渗透液通过所述过滤压力容器(40)中的每一元件，和
从所述过滤压力容器(40)中排出渗透液和浓缩溶液。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述末端元件(54)的进料隔片(4)具有大于0.4巴/米的标准压力梯度。
3、根据权利要求1所述的方法，其中所述末端元件(54)的进料隔片(4)的横截面积比前导元件(50)的进料隔片(4)的横截面积小至少15％。
4、根据权利要求1所述的方法，其中所述进料溶液在过滤压力容器(40)的入口端(46)具有高于20巴的渗透过滤压力。
5、根据权利要求1所述的方法，其中所述串联的元件包括具有最大标准比通量值的元件和具有最小标准比通量值的元件，且其中最大标准比通量值除以最小标准比通量值大于1.5。
6、根据权利要求5所述的方法，其中所述末端元件的标准比通量除以前导元件的标准比通量大于2。
7、根据权利要求1所述的方法，其中从所述过滤压力容器(40)中排出渗透液的步骤包括从过滤压力容器(40)的两端(46，48)排出渗透液流。
8、根据权利要求7所述的方法，其中从过滤压力容器(40)的入口端(46)出来的渗透液流的质量比从出口端(48)出来的渗透液流的质量高，且其中对从过滤压力容器(40)的出口端(48)出来的渗透液流进行附加处理步骤。
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