CN102791362B - 优化工作交换机系统 - Google Patents

Abstract

一种用于节省在反向渗透过程中所用的能量的优化系统，所述优化系统产生、控制和测量能量恢复工作交换机中的虚拟隔膜，多孔分流板、不同尺寸的容器和贮液罐放置在最佳高度。

Description

优化工作交换机系统

技术领域

本发明涉及用于反向渗透的工作交换机系统的领域，具体来讲，涉及一种优化工作交换机系统，用于节省在反向渗透工艺中所用的能量。

背景技术

反向渗透是本领域中一种已知过程，用于向世界上那些海水充足而淡水匮乏的地区提供水。

反向渗透是一种需要采用与正向渗透力相反的力来使包含溶质的溶液通过半透膜的过程。这个过程有将溶液流分成渗透流和废液流的效果。渗透流的盐分很低，通常适于饮用。废液流的盐分比溶液的盐分高，被称为“浓缩液”。

反向渗透过程需要足够的能量，采用半透膜将溶液分成渗透流和浓缩流。所需的能量主要是对用来推动液体通过半透膜的高压泵供电。

工作交换机是本领域现有的一种能量恢复装置，用于通过恢复包含在离开反向渗透膜(半透膜)模块的浓缩液中的势能(压能)来减少反向渗透过程所需的净能量。当将反向渗透过程用于诸如海水之类的溶液时，包含在浓缩液流中的势能的量通常占到反向渗透过程所需总能量的60％。

工作交换能量恢复装置具有通过恢复包含在浓缩液流中的多达98％的势能来提高效率的潜能。

通过采用多对以适当顺序工作的压力容器，工作交换机系统用来使从浓缩液流中恢复能量的过程连续。

通常的工作交换机系统采用多个容器和多个贮液罐。贮液罐是填充了海水的低压装置。贮液罐可以被提升或者可以被加压。提升了的贮液罐基本上处于大气压力(1巴)，但因为贮液罐被提升，位于贮液罐下方(即，位于被提升了的贮液罐下方)的处理设备中有落差(head)。如果在提升了的贮液罐中保持海水水平，落差(以米或英尺“水柱”为单位测得的压力)会保持恒定，液体水平中的微小变化会导致落差的轻微变化。

通过采用在贮液罐中尽可能产生连续压力的泵(即由空气或氮气填充的囊辅助)，加压的贮液罐仿真提升的效果。“压力”和“落差”是本领域中公知的直接相关的概念。

容器是工作交换机中采用的部件。对于采用工作交换机的反向渗透过程来讲本质上有两种容器：膜压力容器和工作交换机压力容器。膜压力容器包含反向渗透膜。工作交换机压力容器包含溶质和浓缩液，可以包含用于分离溶质和浓缩液的界面(隔膜)。本领域已知的工作交换机容器被反向渗透膜所需的大约70巴的最大压力加压和减压。

通过引导浓缩液流使之与低压溶液方向相反实现了从浓缩液流中恢复能量的过程，低压溶液要在接触除盐设备的反向渗透部件的膜时/之前被除盐。使充有处于大气压力或略高于大气压力的溶质的容器与处于高压的浓缩液流接触，可以实现除盐操作。实际上，高压被立即转移到低压溶质，使得低压溶质被加压至与高压浓缩液流相同的压力水平。通常由以适当顺序工作的成对压力容器组成的工作交换机系统使这个过程连续。

在两冲程循环中采用的每个压力容器具有至少两个端口：一端的浓缩液端口以及另一端的溶质端口。每对容器还可以包括可以在这两个端口之间自由滑动的部件(本文中指的是隔膜)(或者，可替换地，高压流体和低压流体之间的界面可以起隔膜的作用)。阀系统将浓缩液端口连接至高压废液流浓缩液管道、低压排放浓缩液管道、低压溶质(供料)管道和高压溶质(供料)管道，以及断开浓缩液端口与高压废液流浓缩液管道、低压排放浓缩液管道、低压溶质(供料)管道和高压溶质(供料)管道的连接。

在第一冲程，浓缩液端口连接至高压浓缩液管道，而供给端口连接至高压供给管道。容器中充有高压浓缩液，高压浓缩液使隔膜回移至供给口，以将供料引导至高压供给口，并流向反向渗透膜。

在第二冲程，浓缩液端口连接至浓缩液排放管道，而供给口连接至低压溶质供给管道。容器中充有低压供料，低压供料使隔膜向浓缩液端口移动，通过不加压排放管道或低压排放管道排放浓缩液。

上述讨论描述了两容器两端口实施例，但其他的实施例可以包括更多的容器或端口。

阀设计对于工作交换机设备而言很重要。通常的工作交换机系统包括控制加压溶质(通常是海水)流以及通过反向渗透过程的浓缩流并使过程连续的阀的各种配置。在下文中，讨论会集中于作为溶质的海水上。

每个阀均采用至少两个类型的阀：海水阀类型和浓缩液阀类型。海水阀通常是响应于通过控制浓缩液阀的浓缩液的压力和流而开和关的非控制止回阀。

名为“用海水生产淡水的方法和设备”的专利公开WO00/76639中公开了一种不需要实体隔膜的系统，可以在不采用用作隔膜的物理构造的情况下分离返回盐水(浓缩液)和淡盐水(溶质)。控制通过工作交换机压力阀的这两种液体的流，在不采用实体膜的情况下可以实现这两种液体的分离。专利公开WO00/76639构思了采用多孔板或多孔屏来更均匀地分布通过阀的流。不过，专利公开WO00/76639并没有具体指出设计多孔板的具体物理结构或几何结构。

而且，对于采用卧式容器和实体膜的系统而言有很多设计局限。这种分离(“实体膜”)的长度必须比压力容器的直径大，以防止在容器中产生粘结或梗塞，从而限制了容器的直径。为了获得适当的体积，增大长度使容器变得超乎寻常的长(通常有6.5米长，即21英尺长)，来弥补直径方面的欠缺。当在工作交换机容器中采用隔膜来从浓缩液中分离溶质时，必须提供使溶质在“填充”冲程(fillstroke)的末端通过隔膜以实现本领域中公知的“后置(overflush)”的方法。当后置可以被微调至零后置点时，必须提供溶质通过隔膜的通道，或必须提供分割设备以防止过程停止和/或防止将隔膜推抵在阀的端部。类似地，在隔膜抵达阀的相对端，产生本领域公知的“混合”时，必须提供一种装置来使浓缩液在“动力”冲程(powerstroke)中通过隔膜。当这是操作环境下的不理想状态时，在反向渗透过程的启动阶段，在设备的安装和微调中是不可避免的，如果没有提供使过程中涉及的液体通过隔膜的方法，系统会停止工作，并会导致有形损失。从而，采用实体隔膜的工作交换机必须合并有使液体双向通过隔膜的方法，但这会产生额外的生产成本以及潜在故障。

希望能够实现一种工作交换机系统，使混合界面的监控和控制得到优化，从而产生本质上可靠的虚拟隔膜，消除对实体隔膜的需要。

还希望能够克服现有技术中在利用实体隔膜时需要采用非常长的容器的限制，从而，能够使用较大直径的较短容器，在系统设计中允许更多的灵活性。

还希望优化工作交换机系统来提供阀的同步和密封，以产生可靠的虚拟隔膜，有效地执行两冲程循环。

还希望能够测量和优化混合界面的物理性能。

还希望优化流路通过工作交换机的喷嘴和头部的入流路和出流路。

还希望设计能够优化液体通过工作交换压力容器的流的多孔分流板或类似部件。

还希望分流设备(例如，多孔分流板)以减小隔膜所占容积(其结果是产生虚拟隔膜所需的溶质和浓缩液的容积)的方式产生虚拟隔膜。这样产生的虚拟隔膜漂浮在浓缩液的顶部，溶质漂浮在虚拟隔膜的顶部。

还希望通过独立操作容器的入流/出流的控制，优化对双端口阀的控制。

还希望以允许虚拟隔膜在分流设备之间往复移动的顺序操作控制工作交换机容器的阀。控制阀的方法会发生变化(例如，时序或检测虚拟隔膜的位置)，但不允许虚拟隔膜接触到分流板，这会需要重建虚拟隔膜(这需要几个阀循环)。

希望可以获得足够的溶质来保证在工作交换机的循环操作中总是有适当的压力。在溶质压力中的不必要的波动或流会影响到虚拟隔膜的稳定。

还希望用一个或多个溶质贮液器来提高溶质的泵吸容积，(在工作交换的浓缩液填充循环)通过提升或者泵吸使这些贮液器保持在适当的压力。

术语表

本文中所用的术语“控制阀”指的是由激励器控制的通用阀的实施例(例如，包括但不限于在本文的示例性实施例中讨论的浓缩液阀)。打开和关闭控制阀(即，浓缩液阀)来控制高压浓缩液进入容器以及控制减压浓缩液的排放。浓缩液阀可以是本领域已知的提升型阀、蝶形阀、球阀、轴向滑动阀或其他类型的阀。这些阀由电动激励器、液压激励器、气动激励器或任意其他实用型的阀激励器控制。

本文中所用的术语“激励器”指的是移动阀部件的任何机械方法，包括但不限于液压激励器、气动激励器或本领域已知的任意其他激励器。

本文中所用的术语“挡板”指的是用来均匀分配液体流的结构部件。

本文中所用的术语“平衡”指的是向压力均衡或平衡的状态移动的状况。

本文中所用的术语“补充”指的是与另一个部件或特征一起工作来增强功能的部件或特征。

本文中所用的术语“浓缩液”指的是反向渗透脱盐过程的废液副产品。

本文中所用的术语“能量恢复装置”指的是本领域公知的被专门设计来用于采用反向渗透的海水脱盐过程中的等压设备。

本文中所用的术语“供料”指的是要被脱盐的溶质流(海水)。

本文中所用的术语“(应用于阀的)功能”指的是阀的实用特征，包括：它是否调节海水、浓缩液或其他液体的流；它是否被制动或没有被制动；阀在工作交换机中的位置；阀是否作为提升阀或止回阀工作，是多向的或单向的；或其他的与功能相关的阀特征。

本文中所用的术语“几何形状优化”指的是几何结构(其中，多孔分流板的孔没有对齐)，引导流水的挡板、结节、角度或其他特征或结构。

本文中所用的术语“混合界面”指的是虚拟隔膜，是两种液体(即，溶质和浓缩液)被两种液体在其中得到混合的薄区域隔离的界面。

本文中所用的术语“混合界面物理性质”指的是混合界面的任何可测量的物理性质，包括但不限于传导性。

本文中所用的术语“多孔分流板”指的是包含几何形状来引导液体并使它们均匀分布在工作交换机压力容器的横截面上以及有助于形成虚拟隔膜的板。

本文中所用的术语“非控制阀”是不被激励器控制的通用阀(包括但不限于响应于通过控制浓缩液阀的浓缩液的压力和流而开和关的海水阀)的实施例。

本文中所用的术语“提升阀”指的是具有杆组件、底座和阀盘的阀。

本文中所用的术语“加压”和“减压”指的是工作交换机容器、阀、管道和/或任何其他的工作交换机部件的压力状态的受控变化。

本文中所用的术语“结节”指的是与孔结合有助于加压和减压的任何突出的结构配置。

本文中所用的术语“反向渗透膜”或“半透膜”指的是现有技术已知的反向渗透脱盐过程中采用的半透膜或膜阵列。

本文中所用的术语“隔膜”指的是在工作交换机容器内隔开溶质和浓缩液的部件或物理存在。隔膜可以是实体部件或由溶质和浓缩液之间的界面产生的混合界面。隔膜可以是实体隔离物(实体隔膜)或者没有实体隔离物的区域(虚拟隔膜)，该没有实体隔离物的区域是在没有实体隔离物的情况下在溶质和浓缩液之间工作的界面。

本文中所用的术语“管状”指的是细长形部件，包括圆筒形、方形、中空、实心或其他细长形结构部件。

本文中所用的术语“双端口阀”指的是具有两个端口的阀，每个端口可以是入口、出口，阀是单向阀或双向阀。

本文中所用的术语“通用阀”指的是可以与各种互换部件组合在一起产生能够适于各种过程控制的阀的阀。

本文中所用的术语“容器”指的是工作交换过程中采用的结构。例如，容器包括但不局限于膜压力容器和工作交换机压力容器。膜压力容器包括反向渗透膜。膜压力容器可以是垂直或水平结构。工作交换机压力容器包含溶质和浓缩液，还可以包含虚拟隔膜或实体隔膜。

本文中所用的术语“工作交换机”或“等压工作交换机”指的是用于从过程中恢复能量并在过程中对能量进行再用的设备。

发明内容

本发明是一种优化工作交换机系统，该工作交换机系统具有装入了至少两种由虚拟隔膜隔开的液体的容器，所述工作交换机系统还包括采用了偏置几何形状定位的成对多孔分流板。

附图说明

图1是集成在通常的海水反向渗透系统中的示例性的优化工作交换机系统1000的框图；

图2示出了优化工作交换机系统的实施例，工作交换机系统采用了通用阀系统，以更进一步地优化该工作交换机系统；

图3示出了包括虚拟隔膜的工作交换机容器的截面图；

图4示出了一对多孔分流板。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，参照了通用阀的实施例的文字说明，其中，只有一些实施例在附图中得到描述。这些说明不应当被视为是对本发明范围的限制。本领域技术人员可以理解，有很多功能性的等价变换，例如，部件的大小、尺寸以及形状。对于本领域技术人员而言，包含其他的元件是显而易见的。所有与附图中的部件和说明书中所述的部件有等价关系的部件没有脱离本发明的精神和范围。在下文的说明中提到了一些可行的改进。从而，本文示出的示例性实施例不能解释为对本发明的限制，而只是权利要求的基础，以及教导本领域技术人员在任意适当的具体设备中或以适当的方式采用本发明的典型基础。

应当理解的是，这些图没有必要按照比例绘制，重点是要说明本发明的原则。另外，在本文所示的实施例中，在不同的附图中用同样的附图标记来表示同样结构或相似结构的元件。

另外，术语“基本上”或“大约”可以应用于任何量化表示，只要不导致量化表示所涉及的基本功能的变化。例如，本文中所公开的通用阀的一个实施例可以包括一些部件，这些部件起提升阀、止回阀、控制阀、非控制阀、海水阀或浓缩液阀的与这些术语定义相同的作用。

出于增进对本发明原则的理解的目的，参照附图中所示出的示例性实施例，并用特定的语言来描述它们。这些不应当作为对本发明的限制。

图1是在反向渗透过程中用于能量恢复的示例性的优化工作交换机系统1000的框图。在所示的实施例中，工作交换机1000采用工作交换机容器30、35，这些交换交换机容器包括多个工作交换机隔膜40。在所示的实施例中，隔膜是虚拟隔膜。

图1还示出了非控制阀101、102、103和104(作为一个止回阀)以及具有激励器170、172、174和176的控制阀210、220、230和240，这些阀与高压供料泵10、半透膜20和高压提升泵60协作工作。

图1进一步示出了供料箱33，供料箱33提供了低压海水贮液池，而不单是依靠供料泵来提供用于反向渗透过程的海水供应。在所示的实施例中，阀101、102、103和104开和关增大了工作交换机阀的入流和出流，产生压力的变化。采用供料箱33减小了当阀101、102、103和104打开时的压力变化。

工作交换机系统的各种实施例可以包括更多或更少的供料箱33，或不同定位和配置的供料箱，而不像现有技术中已知的那样依赖泵(未示出)。

供料箱33可以位于提供自然落差的高度和不同的位置，不需要单独的泵。

在优化工作交换机系统1000的示例性实施例中，容器30和35的直径的量级为61-91cm(24-36英寸)，在现有技术中，由于水平布置的容器需要液体之间的实体间隔，从而要求容器异乎寻常的长(通常为6.5m长(21英尺))，这样的内在限制使得在现有技术中不能获得这样的直径量级。其他的实施例可以是两个或多个的标准直径(现有技术中公知的参数设计)。

在图1所示的实施例中，容器30和35以垂直配置布置。这种垂直配置具有将压力容器的高度限制在与非定制架构一致的实际尺寸(直径61-91cm(24-36英寸))的优势。这符合标准设计，使得可以采用市场上的标准部件(即，管道)，产生等压系统的设计和生产的经济性。

容器的尺寸是控制给定时间内工作交换机可以执行的循环的频率或次数的因素。标准工作交换机系统1000中的容器可以被制作成实现循环的最大频率所需的确切长度(高度)。

优化工作交换机系统1000采用比现有技术中的本质上要求采用实体隔膜的压力容器更大尺寸的压力容器30、35。在所示的实施例中，隔膜40是虚拟隔膜。虚拟隔膜40是密度较小的溶质(海水)位于密度较大的浓缩液上部产生的。由于与不同的密度结合所呈现的重力会在沿水平压力容器的长度方向上撕裂海水和浓缩液，这会对目的产生负面影响，采用现有技术中已知的水平压力容器不会产生这种虚拟隔膜的效果。

图1所示的优化工作交换机系统1000的实施例采用较大直径的垂直压力容器30、35，与水平工作交换配置相比，这在经济上更可行，从工程角度而言更有效率。

采用实体隔膜的现有技术中存在的一个问题是隔膜必须比容器的直径长，以在容器中不粘结或梗塞。由于在垂直优化工作交换机系统1000的实施例中没有实体隔膜，可以使容器的直径最大。随之而来的阻力减小了液体在压力容器中的速度，直径的增大进一步增大了优化工作交换机系统1000的效率。另外，实体隔膜必须提供使溶质和/或浓缩液在两个方向上通过隔膜的方法，以避免过程停止以及避免对隔膜的损坏。由于出现的液体包括由混合界面中的液体组成的虚拟隔膜，可以很容易地通过多孔分流板和阀系统，采用虚拟隔膜不再有这种需要。在海水反向渗透过程的起动过程中，在所有的等压工作交换机中都会出现这种不希望的意外情况，从而要求在短时期内提供液体通过实体隔膜，直到建立均衡和稳定。

图1中所示的优化工作交换机系统1000的实施例采用了双端口阀。采用双端口阀而不是三端口阀使优化工作交换机系统1000工作更流畅。

图2示出了优化工作交换机系统1000的两个容器的实施例，该实施例采用了通用阀，通过减小膜系统或膜阵列中的瞬态压力(这是所有反向渗透膜制造商提出的设计要求)来更进一步地优化工作交换机系统。所述通用阀可以为控制阀或非控制阀。在所示的实施例中，在移动阀盘的重要部分或主要部分离开阀座之前，通过采用合并在阀杆中的较小的阀，合并减轻/均衡阀两侧的压力的系统，通用阀使得现有技术中已知的大提升阀可以毫不费力地移动。

图3是阀的截面图，示出了两对多孔分流板68、69的关系。具体地，图3示出了虚拟隔膜40、溶质45、浓缩液50以及多孔分流板68、69。在所示的实施例中，不需要实体隔离物或实体隔膜。图中还示出了非控制阀103、104以及浓缩液50。

在水平工作交换容器配置中，实体隔膜要求实体隔膜的长度直径比(长宽比)比直径长，这具有减弱水平压力容器的工作长度(有效容积)的效果。图2中所示的实施例是垂直压力容器，不需要实体隔膜。由于混合界面所产生的虚拟隔膜的厚度(长度)小于容器的直径，在增大直径的情况下，虚拟隔膜40提供了更大的有效容积。

在图3所示的实施例中，采用虚拟隔膜40(而不是实体隔膜)进一步提供了减小阻力和增大效率的优点。在压力容器更大直径以及受益于较短/较薄的虚拟隔膜的情况下，减小了在压力容器中传输的液体的速度。较低的速度产生了较小的湍流(雷诺氏数，即，液体流速率)，较小的湍流使阻力减小以及效率提高。

采用虚拟隔膜40(而不是实体隔膜)进一步提高了优化工作交换机系统1000的可靠性和耐久性。本领域中的其他等压工作交换机设备中出现的实体隔膜已经验证了在容器中出现梗塞并需要拆解的倾向，导致工作交换系统故障。

图3示出了优化工作交换机系统1000中的容器的实施例，图中还示出了通过容器壁放置在多孔分流板68上方以及多孔分流板69下方的传导率监控探头71和72。在所示的实施例中，传导率监控探头71和72位于容器30中，不断地测量与传导率探头接触的液体的盐度。

在所示的实施例中，传导率监控探头71和72用来测量传导率(盐分)并探测虚拟隔膜40的移动和位置。

在不同的实施例中，传导率监控探头71和72可以被配置和集成有软件，来监控虚拟隔膜的混合界面的物理性质。传导率监控探头71和72提供的信息可以被软件解读，并被用来指导控制阀210和220的打开和关闭，这反过来指导能量恢复过程并使过程连续。

图4示出了一对具有偏置几何形状的多孔分流板68的示例性实施例。在一些实施方式中，多孔分流板对可以具有至少一个几何形状优化特征，所述几何形状优化特征选自多个孔具有3(1/8英尺)-25mm(1英尺)的直径。

Claims (11)

1.一种在液体之间没有实体隔离物的优化工作交换机系统，所述优化工作交换机系统包括：

至少两个垂直容器，每个容器均装有至少两种不同盐度的液体，这两种液体直接接触，但被两种液体组成的混合界面所隔离，每一个所述容器与用于容纳处于不同压力和具有不同盐度的液体的两个液体管道相连，以移动所述混合界面；

至少一个贮液罐；

至少一个阀，所述阀控制所述至少一种液体进和出所述至少一个容器的流；

每个容器中均包含两对多孔分流板，每对所述多孔分流板包括第一多孔分流板和第二多孔分流板，其中，每对所述多孔分流板中的两个多孔分流板是偏置的，使得一个分流板的孔不与另一个分流板中的孔对齐，以及其中，所述两对多孔分流板位于容器的相对端上。

2.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其中，所述至少一对多孔分流板中的每一个多孔分流板至少具有一种几何形状优化特征，所述几何形状优化特征选自直径范围在3mm到25mm的多个孔组成的组合。

3.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，所述优化工作交换机系统包括多于两对多孔分流板。

4.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其中，所述至少一个容器的长度小于6.5m。

5.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其中，所述至少一个容器的直径大于46cm。

6.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其还包括至少一个传导性监测探针，用来测量盐度以及检测所述混合界面的移动和位置。

7.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其中，其包括至少一个双端口阀。

8.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其包括至少两个供料罐，所述至少两个供料罐中的每一个都位于不同的高度。

9.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其还包括至少一个通用阀。

10.根据权利要求1所述的优化工作交换机系统，其中，所述至少一个通用阀选自控制阀和非控制阀所组成的组中。

11.一种制作用于两种不同盐度液体的优化工作交换机系统的方法，所述两种液体直接接触，在液体之间没有实体隔离物，所述方法包括以下步骤：

选择至少两个直径在61-91cm容器，并垂直布置这些容器；

在所述容器中的每一个容器中放置至少两对多孔分流板，其中，每对多孔分流板中的多孔分流板相对于彼此偏置放置，使得一个多孔分流板的孔不与另一个多孔分流板的孔对齐，以及其中，所述两对多孔分流板位于容器的相对端上；以及

在所述容器的每一个中产生由所述两种液体组成的混合界面，每一个所述容器与用于容纳处于不同压力和具有不同盐度的液体的两个液体管道相连，以移动所述混合界面。