CN104704274A - 流体交换装置、压力交换器和相关方法 - Google Patents

流体交换装置、压力交换器和相关方法 Download PDF

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Abstract

交换器装置包括多个固定交换管和旋转阀组件，旋转阀组件用于向多个交换管和从多个交换管导向流动。用于在流体流之间交换压力的方法可以包括导向流体通过交换装置并且在交换器装置的多个交换管中使流体加压。

Description

流体交换装置、压力交换器和相关方法
优先权声明
本申请要求保护在2012年8月16日提交的“Fluid Exchange Devices, Pressure Exchangers, and Related Methods”美国专利申请序列号No. 13/587,722的提交日期的权益。
技术领域
本公开大体而言涉及交换装置。更特定而言，本公开的实施例涉及用于在流体与流体混合物之间的交换性质中的一个或多个（例如压力）的流体交换装置，其中交换装置包括固定交换管和一个或多个旋转阀。
背景技术
压力交换器有时被称作“流动功交换器”或“等压装置”并且是用于从相对高压流动流体系统向相对低压流动流体系统交换压力能的机器。如本文所用的术语流体包括气体、液体、以及液体与固体的可泵送混合物。
在某些工业过程中，在操作的特定部分中需要升高的压力以实现所希望的结果，之后，将经加压的流体减压。在其它过程中，在过程中使用的某些流体可以在高压提供/可用而其它在低压提供，并且希望在这两种流体之间交换压力能。因此，在某些应用中，如果在两种流体之间高效地转移压力，则能实现经济性的显著改进。
举例而言，存在下面这样的工业过程：其中催化剂在高压用于造成流体中发生化学反应并且一旦已发生了反应，则不再需要流体处于高压，而是需要在高压的新鲜流体供应。在这种过程中，可以利用压力交换机器来将反应过的高压流体的压力转移到新鲜的较低压力流体的供应，因而，通过需要供应更少的泵送能量而改进了该过程的经济性。
压力交换机可以应用的另一示例是使用反渗透膜过程来提纯盐溶液。在这个过程中，输入盐溶液流被持续地泵送到高压并且被提供给膜阵列。输入盐溶液流持续地被膜阵列分成仍处于相对高压的超盐溶液（盐水）流和处于相对低压的经提纯的水流。虽然高压盐水流通常不再在这个过程中用作流体，但其所包含的流动压力能是很有价值的。采用压力交换机以回收盐水流中的流动压力能并且将其转移到输入盐溶液流。在压力能从盐水流转移之后，盐水由低压输入盐溶液流以低压排出到排水管。因而，使用压力交换机减小了对输入盐溶液流加压所需的泵送能量。
美国专利4,887,942和美国专利6,537,035披露了一种压力交换机，其用于将压力能从一个液体系统的液体流动转移到另一液体系统的液体流动。这个压力交换机包括外壳，其具有用于每种液体流动的入口和出口管，和布置于外壳中并且适于围绕其纵向轴线旋转的圆柱形转子。圆柱形转子设有平行于纵向轴线延伸并且在每一端处具有开口的多个通路或内孔。活塞或自由活塞可以被插入于每个内孔内以用于分离液体系统。圆柱形转子可以由旋转轴或者由流体流动所赋予的力而驱动。由于多个通路或内孔总是与两个液体系统的入口管和出口管对准，则在两个液体系统中的流动基本上是连续的并且平稳的。由于装置的性质，利用单个旋转移动零件，可以实现机器的高旋转和因而高循环速度，这继而相反地减小转子中通路或内孔的体积，得到紧凑并且经济的机器。
美国专利3,489,159、美国专利5,306,428、美国专利5,797,429和PCT 专利公开WO 2004/111509全都描述了一种压力交换机的替代布置，其运用一个或多个固定的交换器容器，在这种容器的每一端处具有各种阀布置。这些机器具有以下优点：关于大小的按比例增大并无明确限制，并且利用WO 2004/111509的装置，能使高压流与低压流之间的泄漏最小。活塞可以插入于每个交换器容器中以用于分离所述液体系统。
基于美国专利4,887,942的压力交换机的缺点可以包括：为了高流率，需要增加圆柱形转子的大小，并且对于这种装置能按比例增加的量存在限制，因为离心力将试图分裂所述转子，类似于在按比例增加飞轮到较大大小和速度中遇到的问题；在圆柱形转子端部与入口管和出口管之间需要很小空隙以维持着在高压流体系统与低压流体系统之间的低泄漏速率，且其中这种泄漏导致效率降低并且难以维持这种小空隙；当以相对高旋转速度操作时，运用从动轴来控制所述转子的旋转而不是利用流体流动所赋予的非线性力（这能减小给定装置能高效地操作的流动范围）可能是不实际的；并且当以相对高旋转速度操作时，运用所述转子中的通路中的活塞可能是不实际的，因而通过增加在两种流体流之间的混合而降低了效率。
基于美国专利3,489,159的压力交换机的缺点可以包括：在两种流体系统中的流动不是基本上连续的并且平稳的，除非运用了更大量的交换器容器；由于阀的线性或分离的性质，这些装置通常限于低循环速度，因而需要相对较大体积的交换器容器，这增加了成本和大小；并且由于多个移动零件，这些装置制造起来倾向于比基于美国专利4,887,942的装置更加复杂和昂贵。
发明内容
本公开的各种实施例包括交换器装置，其具有固定（例如，静止）交换管，这并不是旋转部件的部分。与类似压力交换装置相比，认为这种配置提供了能按比例增加大小以适应很高流量的装置，其可提供基本上连续的和平稳的流动，并且其可提供被配置成用来控制空化/空穴作用（cavitation）、振动和与流体流动相关联的其它问题的流体流动路径。
在某些实施例中，本公开包括一种用于在至少两个流体流之间交换压力的装置。该装置包括外壳，其具有纵向轴线和中间部分，中间部分形成了在沿着纵向轴线的方向上延伸的多个固定交换管。多个固定交换管中的每个交换管在第一纵向端和第二相反纵向端处包括开口。该装置还包括旋转阀组件，其定位于外壳内以用于导向流动到多个交换管和从多个交换管导向流动。旋转阀组件包括第一阀，其定位于多个交换管的第一纵向端处并且与多个交换管的第一纵向端形成轴向密封。第一阀包括多个开口，开口被配置成与多个交换管中的每个交换管成选择性连通。旋转阀组件还包括第二阀，其定位于多个交换管的第二纵向端处并且与多个交换管的第二次纵向端形成轴向密封。第二阀包括多个开口，开口被配置成与多个交换管中的每个交换管成选择性连通。
在额外实施例中，本公开包括一种用于在至少两个流体流之间交换压力的装置。该装置包括外壳，其具有纵向轴线和中间部分，中间部分形成了在沿着纵向轴线的方向上延伸的多个固定交换管。多个固定交换管中的每个交换管在第一纵向端和第二相反纵向端处包括开口。该装置还包括旋转阀组件，其定位于外壳内以用于导向流动到多个交换管和从多个交换管导向流动。旋转阀组件包括第一阀，其定位于多个交换管的第一纵向端处。第一阀包括多个开口，开口被配置成与多个交换管中的每个交换管成选择性连通。旋转阀组件还包括第二阀，其定位于多个交换管的第二纵向端处。第二阀包括多个开口，开口被配置成与多个交换管中的每个交换管成选择性连通。在沿着外壳的纵向轴线的方向上与第二阀的多个开口中的相对应开口至少部分地对准的第一阀的多个开口中的至少一个开口可能与第二阀的相对应开口成角度地偏移。
在额外实施例中，本公开包括一种在流体流之间交换压力的方法。该方法包括：将相对高压流体供应到在压力交换器的外壳的第一端中所形成的第一端口内；将相对低压流体供应到在压力交换器的外壳的第二相对端中所形成的另一第二端口内；使阀元件围绕多个静止管旋转，阀元件包括定位于沿着压力交换器的纵向轴线延伸的多个静止管的第一端上的第一阀和定位于多个静止管的第二相对端上的第二阀；利用第一阀将相对高压流体从第一端口转移到多个静止管中的至少一个管内；利用第二阀将相对低压流体从第二端口转移到多个静止管中的至少一个管内；利用相对高压流体向相对低压流体加压以形成经加压流体和废流体；利用第二阀将经加压流体从多个静止管中的至少一个管转移并且通过形成于外壳的第二端中的第三端口从压力交换器输出经加压流体；以及利用第一阀将废流体从多个静止管中的至少一个管转移并且通过形成于外壳的第一端中的第四端口从压力交换器输出废流体。
在额外实施例中，本发明包括一种在流体流之间交换压力的方法。该方法包括：从反渗透装置通过压力交换器的外壳中的第一端中的第一端口将相对高压超盐溶液供应到压力交换器内；通过外壳的第二相对端中的第二端口将相对低压盐溶液供应到压力交换器内；利用相对高压超盐溶液向相对低压盐溶液加压以形成经加压的盐溶液和废超盐溶液；通过形成于外壳的第二端中的第三端口从压力交换器转移经加压的盐溶液；以及通过形成于外壳的第一端中的第四端口从压力交换器转移废超盐溶液。
附图说明
图1是根据本公开的实施例的交换装置（例如，压力交换器）的实施例的透视图。
图2是图1的压力交换器的透视图，其中交换器的一部分被剖切。
图3是诸如图1和图2的压力交换器的阀组件这样的阀组件的实施例的透视图。
图4是图1和图2的压力交换器的截面图，示出了阀组件的径向端口的流动路径。
图5是图1和图2的压力交换器的截面图，示出了穿过与图4的截面平面垂直的截面平面所截取的阀组件的轴向端口的流动路径。
图6是图1和图2的压力交换器的局部分解透视图。
图7是诸如图1和图2的压力交换器的阀组件这样的阀组件的实施例的顶视图。
图8是用于诸如图1和图2的压力交换器这样的交换器的阀组件的另一实施例的透视图。
图9是根据本公开的另一实施例的压力交换器的实施例的截面图。
图10是根据本公开的又一实施例的压力交换器的实施例的局部截面图。
图11是根据本公开的又一实施例的压力交换器的实施例的截面图。
图12是根据本公开的再一实施例的交换装置（例如，压力交换器）的实施例的透视图。
图13是图12的压力交换器的另一截面图。
图14是图12的压力交换器的另一截面图。
具体实施方式
在某些情形下，本文所给出的说明，并非任何特定装置、部件、结构、元件或其它特征的实际视图，而仅是用来描述本公开的实施例的理想化表示。此外，在附图之间共同的元件可能保持相同的附图标记。
本发明公开了可以用于在流体之间交换一种或多种性质的流体交换装置（例如，压力交换器）。
在某些实施例中，如本文所公开的交换器可能类似于并且包括了在2003年7月23日公开的授予Andrews的美国专利申请公开US 2009/0185917中所披露的压力交换器的各种部件和配置。
尽管本公开的某些实施例被描述为用作在两种或多种流体之间的压力交换器，本领域普通技术人员将了解到本公开的实施例可以用于其它实施方式中，例如，在一种或多种流体和/或两种或多种流体的混合物之间交换其它性质（例如，温度、密度等）。
图1是交换装置（例如，压力交换器100）的实施例的透视图并且图2是图1的压力交换器100的另一透视图，包括剖切部分。如在图1和图2中所示，压力交换器100可以包括用于向压力交换器100供应流体和从压力交换器100移除流体的多个端口（例如，四个）。例如，压力交换器100可以包括第一流的第一端口102（例如，充当高压入口（HPI）103）和第二端口104（例如，充当高压出口（HPO）105）。压力交换器100还可以包括第二流的第三端口106（例如，充当低压入口（LPI）107）和第四端口104（例如，充当低压出口（LPO）109）。
如所描绘那样，压力交换器100被配置成能允许高压流体沿着压力交换器100的中心（例如，沿着压力交换器100的纵向轴线L100或中心线）进入和离开压力交换器100（例如，通过端口102、104），而低压流体在横向于压力交换器100纵向轴线L100 或中心线的方向（例如，在压力交换器100中，在下文所论述的阀组件的旋转的切向）上进入和离开压力交换器100（例如，通过端口106、108）。在其它实施例中，压力交换器100可以被配置成能允许低压流体沿着压力交换器100的中心（例如，沿着压力交换器100的纵向轴线L100或中心线）进入和离开压力交换器100（例如，通过端口102、104），而高压流体在横向于压力交换器纵向轴线L100或中心线的方向（例如，在压力交换器100中在下文所论述的阀组件的旋转的切向）上进入和离开压力交换器100（例如，通过端口106、108）。
压力交换器100包括形成多个端口102、104、106、108的外壳110。例如，压力交换器100的外壳110可以包括端帽（例如，第一端帽112和第二端帽114），具有其中所形成一个或多个端口。在某些实施例中，每个端帽112、114可以包括两个端口。例如，第一端帽112可以包括第一端口102和第四端口108并且第二端口114可以包括第二端口104和第三端口106。换言之，第一端帽112可以包括HPI 103和LPO 109并且第二端帽114可以包括HPO 105和LPI 107。
在某些实施例中，可以形成端帽112、114从而使得第一端口102和第二端口104（例如，HPI 103和HPO 105）与压力交换器100的轴线（例如，纵向轴线L100或中心线）对准。换言之，端帽112、114可以能允许流体流动（例如，高压流体流动）在轴向方向上通过第一端口102和第二端口104。可以形成端帽112、114从而使得第三端口106和第四端口108（例如，LPI 107和LPO 109）横向于（例如，垂直于）压力交换器100的轴线（例如纵向轴线L100或中心线）对准。换言之，端帽112、114可以能允许流体流动在径向方向上通过第一端口102和第二端口104。
在某些实施例中，端帽112、114可以略微相似（例如，相同）并且包括相似部件。例如，端帽112、114可以彼此成镜像以便于通过它流动。换言之，端帽112、114的端口106、108可以被定位成使得其中的阀的旋转倾向于通过端口106、108吸入流体或者通过端口106、108推出流体。在这些实施例中，端口106、108的切向取向可以能使得阀组件（例如，在下文中更详细讨论的阀组件101）由通过端口106、108的流体流动（参看，例如图19）旋转。
压力交换器100的外壳110包括了在端帽112、114之间延伸的中间部分116。例如，每个端帽112、114可以在中间部分116的相对轴向端处联接到中间部分116。在某些实施例中，端帽112、114可以与紧固在中间部分116两端处的杆118联接。在其它实施例中，端帽112、114可以直接联接到中间部分116，如在下文中参考图12所示和描述。端帽112、114可以与中间部分116任一端上的板（例如，第一板120和第二板122）邻接/抵接。例如，每个端帽112、114可以与压力交换器100的每个轴向端上的板120、122抵接并且利用杆118牢固固连。
中间部分116包括用于在通过端口102、104、106、108而供应到压力交换器100的流体之间交换压力和/或流体的多个管124。例如，管124可以在板120、122之间沿着压力交换器100的纵向轴线L100延伸。每个板120、122可以形成为管保持器，管保持器具有形成于板120、122中的多个孔口，其中在板120、122中的每一个孔口与相应管124相连通，以能允许在端板112、114中的端口102、104、106、108与管124之间的流体连通。在某些实施例中并且如图2所示，管124可以由外壳110的中间部分116的单独管形成。在其它实施例中，管124可以形成于整体中间外壳中，如参考图12所示和描述。
如在图2中最佳地示出，压力组件100包括阀组件（例如，在下文更详细地论述的阀组件101），其绕固定管124旋转。换言之，虽然阀组件101可能相对于管124旋转，压力组件100的外壳110被配置成当阀组件101绕管124旋转时保持所述管124固定。在其它实施例中，压力交换器100可以包括类似于下文参考图8所讨论的阀组件201。
阀组件101包括一个或多个阀（例如，第一阀126和第二阀128），其定位于管124的相对侧上以调节在端帽112、114中的端口102、104、106、108和管124之间的流体流动。例如，阀126、128可以被可旋转地安装于端帽112、114内并且被配置成用于与中间部分116的管124成选择性连通。在某些实施例中，并且如在下文中更详细地论述，阀126、128可以按相对于彼此的一定角度偏移而定位于（例如，固定到轴130）以提供相移。在某些实施例中，阀126、128可以包括金属、金属合金（例如，不锈钢）、聚合物（例如，热塑性塑料）、陶瓷、或其组合。
阀126、128可以利用轴130而联接到中间部分116（例如，与板120、122成密封和滑动接合）。例如，轴130可以联接到第一阀126并且从第一阀126延伸，穿过外壳110的中间部分116延伸（例如，沿着压力交换器100的纵向轴线L100）并且延伸并联接到第二阀128。为了使阀126、128相对于中间部分116（例如，相对于管124）旋转，阀126、128可以绕轴130旋转，阀126、128和轴130可以相对于压力交换器100的一个或多个部分（例如，管124）或其组合而旋转。在某些实施例中，压力交换器100可以包括用于使阀126、128和轴130旋转的马达132（例如，电动马达）。在其它实施例中、并且如图9所示，压力交换器300可能无马达132和阀126、128，并且在某些实施例中，轴130可以被配置成用于由经由端帽112、114中的端口102、104、106（在图9中并未描绘，参看图1）、108所供应给压力交换器300的流体流动来提供动力以进行旋转。在其它实施例中，马达可以包括液压马达。
图3是用于压力交换器的阀组件101的透视图。如图3所示，阀组件101由阀126、128和轴130形成，如上文参考图1和图2所示和讨论。在某些实施例中，阀126、128可以基本上相似（例如相同）。因此，如在本文中参考图3所讨论，将了解到阀126、128基本上相似并且各包括相同特征，但每个特征可能无法在每个阀126、128上查看，如在图3中所描绘。在其它实施例中，阀126、128可能不相同并且可能彼此有差别以提供进出所述管124的不同流动选项（图2）。
阀126、128中每一个包括用于向和/或从端帽112、114（图1和图2）的轴向端口102、104导向流动的轴向端口134和一个或多个径向端口136（例如，两个相对端口136）。轴向端口134可以被定位成使得端口134的开口沿着垂直于压力交换器100（图1和图2）纵向轴线L100的平面延伸。径向端口136可以被定位成使得端口136的开口沿着平行于压力交换器100（图1和图2）纵向轴线L100或与L100成斜角的平面延伸。
每个阀126、128的端口134、136与每个阀126、128的内表面138上的一个或多个开口相连通，提供了与管124（图2）的选择性流体连通。例如，每个阀126、128的轴向端口134可以与两个相对开口140相连通（例如，来自端口134的流动路径可以被分成与两个开口140连通）。例如，每个轴向端口134可以基本上沿着（例如，完全沿着）压力交换器100（图1和图2）的纵向轴线L100延伸到阀126、128的内表面138处的相关联开口140。每个阀126、128的径向端口136可以与开口142连通。例如，每个径向端口136可以至少部分地沿着压力交换器100（图1和图2）纵向轴线L100延伸到阀126、128的内表面138处的相关联的开口142。在其中径向部分136彼此相对的实施例中（如在图3中所描绘），开口142将彼此相对。
图4是图1和图2的压力交换器100的截面图，示出了阀组件101的径向端口136的流动路径。如在图4中所示，包括阀126、128的阀组件101被旋转从而使得每个阀126、128的径向端口136的至少部分与压力交换器100的一个或多个管124连通。例如，与每个阀126、128的径向端口126连通的开口142的大小可以设定为使得每个径向端口136与多个相邻管124（例如，至少两个管124、至少两个管124等）连通。阀组件101能允许与每个阀126、128的径向端口136连通的压力交换器100的一个或多个管124与径向端口136连通，而同时与每个阀126、128的轴向端口134隔离。
而且，如在图4中所示，每个阀126、128的径向端口136与端帽112、114中的端口（例如，端口106、108）连通。如下文所提到的那样，在某些实施例中，阀126、128和端帽112、114可以是相似或相同的。因此，在图4中看不到的端口106（图1）可能与端口108相似。例如，阀126、128能允许流体经由端口106（图1）传递到由端帽114所形成的腔内以基本上包围阀128。流体然后可以通过阀128的径向端口136传递，通过阀128中的开口142离开阀128，并且传递到一个或多个管124内。同样，可能是通过端口106（图1）供应的相同流体或不同流体的流体可以从一个或多个管124通过阀126中的开口142，通过阀126的径向端口136传递到端帽112中所形成的腔内，并且可能通过压力交换器100的端口（例如，端口108）出来。
图5是图1和图2的压力交换器100的截面图，示出了穿过与图4的截面平面垂直的截面平面所截取的阀组件101的轴向端口134的流动路径。如在图5中所示，包括阀126、128的阀组件101被旋转从而使得每个阀126、128的轴向端口134的至少一部分与压力交换器100的一个或多个管124连通。例如，与每个阀126、128的轴向端口134连通的开口140的大小可以设定为使得每个径向端口136与多个相邻管124（例如，至少两个管124、至少两个管124等）连通。如上文所论述，阀组件101可以能允许与每个阀126、128的轴向端口134相连通的压力交换器100的一个或多个管124是与轴向端口134连通的，同时与每个阀126、128的径向端口136（图4）和端帽112、114内的腔隔离。
每个阀126、128的轴向端口134与端帽112、114（例如，端帽102、104）中的端口连通。例如，阀126、128可以能允许流体通过端帽112中的端口102并且通过阀126的轴向端口134传递。如也在图5中所描绘，阀126、128的轴向端口134可能分配流体流动（例如，分流）到不同通道144内。流体可以随后通过阀126中的开口140离开阀126并且传递到一个或多个管124内。同样，可以是通过端口102供应的相同流体或不同流体的流体可以从一个或多个管124通过阀128中的开口140，通过阀128的轴向端口134而传递，并且可以通过压力交换器100的端口（例如，端口104）离开。
图6是图1和图2的压力交换器100的局部、分解和透视图。如上文所提到的那样，在某些实施例中，压力交换器的部分可以是相似的或相同的。因此，在一实施例中，如图6所示的压力交换器100的分解部分可以包括压力交换器100的任一端部。如图6所示，示出了板，其可以是压力交换器110的中间部分116的任一板120或板122。压力交换器110的中间部分116可以包括定位于板120、122与相应阀126、128之间的密封板146。密封板146可以在阀126、128与中间部分116之间形成密封（例如，轴向密封），中间部分116包括管124，能允许阀126、128相对于静止管124旋转，同时最小化在这些部件之间的流体泄漏。换言之，当阀126、128沿着密封板146滑动时，密封板146与阀126、128形成动态密封。在某些实施例中，密封板146可以包括金属、金属合金（例如，不锈钢）、聚合物（例如，热塑性塑料诸如聚醚醚酮（PEEK）、复合热塑性塑料诸如包括其中所形成纤维的聚合物、或其组合）、陶瓷或其组合。
在某些实施例中，阀126、128可以利用轴向轴螺母148和键150而牢固固连到轴130上，键150被接纳于在轴130和轴向轴螺母148中所形成的互补槽内。轴130的端部可能被密封螺母152所覆盖以最小化来自阀126、128的端口的泄漏和/或至少部分地防止轴向轴螺母148（例如被配置为锁紧螺母/止动螺母（jam nut））的意外松动。在某些实施例中，可以沿着轴130的长度来调整阀126、128到轴130的联接以调整在阀126、128与密封板146之间的接口。换言之，阀126、128到轴130的联接可以是可调整的（例如，经由轴向轴螺母148的拧紧和松动）以确保阀126、128与密封板146充分地形成动态密封，同时仍能相对于密封板146旋转。在某些实施例中，阀126、128可以被定位成在每个密封板146与相关联的阀126、128之间提供选定间隙（例如0.002 mm的固定密封间隙），相关联的阀126、128在密封板146上旋转。在其它实施例中，阀126、128和密封板146可以彼此接触。
在其它实施例中，阀126、128可以被牢固固连到轴130上以在每个密封板146与相关联的阀126、128（其在密封板146上旋转）之间提供可自行调整的间隙。换言之，阀组件101可以在压力交换器100中相对于压力交换器100的至少一部分（例如，外壳110）在轴向移动。在此实施例中，来自通过压力交换器100（例如，通过阀组件101）的流体流动的压力可以对压力交换器100内的阀组件101的位置进行自行调整。在其它实施例中，阀126、128可以被偏压（例如，利用弹簧、扭矩螺母等）成与密封板146成密封接合。在其它实施例中，阀126、128可以在轴130上在轴向浮动，其中当远离密封板146移动时轴向轴螺母146阻挡所述阀126、128并且能允许阀126、128朝向板146移动。
压力交换器100可以包括套筒轴承154，套筒轴承154可以联接到阀126、128的一部分上（例如，定位于其上，与之一体地形成等）。套筒轴承154在阀126、128与端帽112、114的一部分之间形成密封（例如，动态径向密封）。在某些实施例中，套筒轴承154可以包括O形环（例如，如图14所示）、唇缘密封件、或者其它激励的密封件，其被配置成在阀126、128与端帽112、114的一部分之间形成动态密封。在某些实施例中，密封板146和套筒轴承154可以包括金属、金属合金（例如，不锈钢）、聚合物（例如，复合热塑性塑料、聚四氟乙烯（PTFE）等）、陶瓷、或其组合。
图7是阀组件，诸如图2的压力交换器100的阀组件101的实施例的顶视图。在图7中示出了阀组件101的两个阀126、128，其中为了清楚起见，在阀组件101的其它部分后方的阀126、128的部分以虚线示出。如图7所示，阀126、128可以基本上相似（例如相同）并且可能彼此成角度地偏移。例如，阀126、128可以附连到轴130从而使得一个阀126处于不同于其它阀128的角位置。例如，第一阀126可以按角距离θ1（例如-45度至45度）与第二阀128有角度地偏移。这种偏移也将使形成于每个阀126、128的内表面138（图3）中的开口140、142偏移。在某些实施例中，第一阀126可以按正距离θ1（例如，0.01度至10度、4度等）与第二阀128有角度地偏移从而使得第一阀126的每个开口140、142在预期阀126、128旋转的方向上旋转地领先于第二阀128的相对应开口140、142（例如，第二阀128的开口142、142，其在沿着纵向轴线L100的方向上至少部分地与第一阀126的开口140、142对准（图1和图2））。在某些实施例中，第一阀126可以按负距离θ1（（例如，-10度至0.01度，-4度等）与第二阀128有角度地偏移从而使得第一阀126的每个开口140、142在预期阀126、128旋转的方向上旋转地落后于第二阀128的相对应开口140、142。
如在图7中所描绘，在第一阀126中一个或多个开口140、142的旋转领先的边缘156可能与第二阀128中的一个或多个开口140、142的旋转领先的边缘158偏移。换言之，在沿着（例如，平行于）纵向轴线L100（图1和图2）的方向上，在第一阀126中的一个或多个开口140、142的一部分（例如，较小部分）可以与第二阀128中的一个或多个开口140、142的另一部分（例如，较小部分）偏移而在第一阀126中的一个或多个开口140、142的另一部分（例如，较大部分）与第二阀128中的一个或多个开口140、142的一部分（例如，较大部分）对准。在某些实施例中，在第一阀126中的每个开口140、142的每个旋转领先的边缘156可能与第二阀128中的每个开口140、142的每个旋转领先的边缘158偏移。
现参考图3和图7，在形成于每个阀126、128中的开口140、142之间的偏移可以提供在阀126、128之间的相移。换言之，在形成于每个阀126、128中的开口140、142之间的偏移将改变当开口140、142在其任一端处与一个或多个管124连通时阀126、128旋转期间的时间。例如，当阀126、128旋转时，第一阀126的开口140将会在第二阀128的相对应开口140之前与选定管124连通，因为阀128以距离θ1有角度地偏移（即，第一阀126的开口140以角距离θ1旋转地领先于第二阀128的相对应开口140）。如上文所论述的那样，这种配置可以用于更改或形成在压力交换器100中压力尖峰（例如，当低压流体和/或低压区放置成与一个或多个管124连通时，正压力峰值；当一个或多个管124放置成与高压区和/或高压流体连通时，负压力峰值）之间的相移，其可以用于减少压力交换器100中的空化的发生。
图8为用于诸如图1和图2的压力交换器100这样的压力交换器的阀组件201的另一实施例的透视图。如图8所示，阀组件201可以类似于上文参考图3、图6和图7所讨论的阀组件101并且可以包括相同或相似的部件和配置。如所描绘的那样，阀组件201可以包括具有基本上蝶形的阀252。例如，阀252的径向端口254的外侧部可能不由阀252的一部分限定（与阀126、128的径向端口136相比）。在某些实施例中，阀252的轴向端口256可以包括在从阀252的轴向端口256延伸的每个通道260之间的分隔件258。
图9是无马达的压力交换器300的一实施例的截面图。如上文所讨论，压力交换器300可以无马达并且阀126、128（例如，在某些实施例中，轴130）可以被配置成用于通过经由端帽112、114中的端口102、104、106（在图9中并未描绘，参看图1）、108而供应到压力交换器300的流体流动来提供动力以用于旋转。
图10是压力交换器400的一实施例的局部截面图，其包括一个或多个元件以用于最小化（例如，至少基本上防止）在压力交换器400的一个或多个部分（例如，在管124中）的流体之间的混合。如在图10中所示，压力交换器400可以包括定位于压力交换器400的管124中的一个或多个管活塞402以最小化在压力交换器400的第一端上的流体（例如，经由在端帽112中的端口102而供应的并且经由端口108而移除的流体）与在压力交换器400的第二相对端上的流体（例如，经由在端帽114中的端口106（图1）而供应的并且经由端口104而移除的流体）之间的混合。在某些实施例中，管活塞402可以被成形为展现圆形截面（例如，球、珠、圆柱）。在某些实施例中，管活塞402可以包括金属、金属合金（例如不锈钢）、聚合物、陶瓷、或其组合。这些管活塞402可以被实施于本文所公开的交换器中的任何交换器中。
图11是压力交换器500的一实施例的截面图，其包括一个或多个元件以用于最小化（例如，至少基本上防止）在压力交换器400的一个或多个部分（例如，在管124中）的流体之间的混合。如在图11中所示，压力交换器500可以包括定位于管124中的一个或多个挡板502以至少部分地阻碍流体（例如，高压流体）流入到管124内。这种挡板502可以实施于本文所公开的交换器中的任何交换器中。
图12是交换装置（例如，压力交换器600）的一实施例的透视图。如图12所示，压力交换器可以基本上类似于上文参考图1至图11所讨论的压力交换器100、300、400、500并且可以包括相同或相似部件（例如，阀组件101、201）和配置。例如，压力交换器600包括端帽112、114，端帽112、114各自可以包括联接（例如，刚性联接）到封闭的中间部分612的两个端口。
图13和图14分别为在横向于纵向轴线的方向上和沿着纵向轴线所截取的图12的压力交换器600的截面图。如图13和图14所示，压力交换器600可以包括外壳610（例如，定子外壳），其包括中间部分612。如所描绘的那样，中间部分612可以是整体结构（即，并非如图1所示的多个管），具有形成于其中的管614（例如，十二个管）中的每一个。中间部分可以联接到板620，板620类似于上文参考图2和图6所讨论的板120、122。而且在图14中还描绘了管614可以包括靠近管614的每一端具有减小内径的颈部部分616。
在某些实施例中，定子外壳610可以由导电材料（例如，金属材料）或非金属材料（例如，非金属材料诸如非导电聚合物）形成。在实施导电定子外壳610和马达132的实施例中，通过管614的流体流动可用于冷却所述马达132。例如，如图13所示，马达132可以直接安装到定子马达610内（例如，与它直接热连通）。
返回参考图5，在操作中，第一流体流可以通过端口102供应到压力交换器100（或压力交换器300、400、500、600）。应当指出的是虽然具体地参考压力交换器100，压力交换器300、400、500、600可以全都以与本文所描述的相似或相同方式操作。旋转阀126使得流体能通过轴向端口134并且进入到在阀126中所形成的通道144内。当阀126旋转时，通道144定位成与一个或多个管124成选择性连通，能允许流体的至少一部分传递通过开口140并且进入到管124内。
如在图5中进一步示出，来自管124的流体可以通过旋转阀128从管124出来（例如，可以由供应到管124的流体而被推迫出来，如在上文中所讨论）。例如，来自管124的流体可以通过在阀128中的开口140，通过通道144而传递到轴向端口134，并且可以经由端口104离开阀128和压力交换器100。
如图4所示，第二流体流通过端口106（图1）而被供应到压力交换器100（例如，与图2中所供应的第一流体流基本上同时）并且进入到端帽114内的腔内。旋转阀128能允许流体从端帽144中的腔传递到阀128中的每一个径向端口136内。当阀128旋转时，径向端口136定位成与一个或多个管124成选择性连通，能允许流体的至少一部分传递通过开口142进入到管124内。
如在图4中进一步示出，来自管124的流体可以通过旋转阀126离开管124（例如，可以由供应到管124的流体而被推迫出来，如上文所讨论）。例如，来自管124的流体可以通过阀126中的开口142，通过径向端口136传递，并且可以经由端口108离开端帽114内的阀126腔和压力交换器100。
如参考图7所讨论，在某些实施例中，阀126、128可以有角度地偏移。在这样的实施例中，在阀126、128之间的偏移可以使第一阀126和第二阀128与每个管124的连通偏移。例如，并且如上文所讨论，第一阀126的开口140、142的一部分可以放置成与管124的第一端上的管124的一部分相连通，之后将第二阀126的开口140、142的一部分放置成与管124的相对端上的相同管124相连通，因为阀组件101绕管124旋转（或者反之亦然，取决于所选的角偏移）。这种偏移将延迟由管的任一侧上的流体所施加到管124上的力。例如，在阀组件101中的角偏移将用于使介于通过管124一端上的第一阀126中的开口140、142的流体供应与通过管124相对端上的第二阀126中的开口140、142从管124移除的流体之间的定时/时序发生偏移。
当压力交换器用于在流体之间交换压力时，延迟高压流体从高压区到管124的一端的供应和流体到相对较低压区的移除可能使由这些事件所造成的峰值力偏移。例如，当通过管124的低压流体或高压流体流动被阀126、128阻挡时，管124将在管的一端处经历压力升高，并且在管124的另一端处经历压力降低。当压降/压力损失（pressure drop）降到低于流体的蒸气压力时，流体流动倾向于空化。通过使两个阀126和128偏移，此压降可能被减小或排除，因而减少了压力交换器100、200、300、400、500、600中空化的发生。
作为另一示例并且如在图5中所示，当本文所讨论的交换器实施为压力交换器时，高压流体可能穿过第一流体流而通过端口102（即，HPI 103）供应到压力交换器100。旋转阀126经由轴向端口134选择性地供应高压流体到一个或多个管124内。已在先前通过端口106（图1）（即，LPI 107）和通过旋转阀128和径向端口136供应到管124的低压流体（待加压）可以被高压流体加压并且现在管124内的先前经加压的流体可以至少部分地经由轴向端口134通过阀128导向而被从管124排出，并且经由端口104（即，HPO 105）离开压力交换器100。
当阀组件101行进90度时，如图4所示，低压流体（待加压）经由端口106（图1）供应到管124，通过端帽114中的腔、并且通过旋转阀128和径向端口136。如上文所论述，在先前经由端口102、阀136、和轴向端口134供应到管124的高压流体现以相对较低压力驻留在管124中，因为这种废流体已经用于向先前供应给管的低压流体加压。这种废流体可以至少部分地从管124排出并且可以通过阀126进入到端帽112的腔内并且可能经由端口108（即，LPI 109）离开压力交换器。
如上文所指出的那样，图4和图5示出了以阀组件101的90度增量的压力交换器100和阀126、128的位置。因此，将意识到压力交换器100可以在阀组件104旋转一半时执行在上文所描述的低压流体和高压流体的供应、流体压力的交换、低压流体和高压流体的排出。换言之，上文所描述的低压流体和高压流体的供应、流体压力的交换、低压流体和高压流体的排出可以在阀组件101的每次旋转中发生二次（2次）。再换言之，图4可以表示处于0度增量和180度增量的阀组件101和压力交换器100并且图5可以表示处于90度增量和270度增量的阀组件101和压力交换器100。因此，上文参考图4所描述的过程可以在阀组件101和压力交换器100的0度增量和180度增量处同时发生，而上文参考图5所描述的过程也可以在阀组件101和压力交换器100的90度增量和270度增量处同时发生。
作为另一示例，并且如图5所示，当本文所讨论的压力交换器被实施于使用反渗透膜过程来提纯盐溶液时，高压流体（例如，高压超盐溶液（盐水））可以通过第一流体流穿过端口102（即，HPI 103）而被供应到压力交换器100。旋转阀126经由轴向端口134选择性地供应高压超盐溶液到一个或多个管124内。在先前已通过端口106（图1）（即，LPI 107）供应到管124的待加压的低压流体（例如，至少部分提纯的水流）可以被高压超盐溶液加压并且可以至少部分地经由轴向端口134通过阀128导向而从管124排出，并且经由端口104（即，HPO 105）离开压力交换器100。
当阀组件101行进90度时，如图4所示，低压提纯水流（待加压）经由端口106（图1）供应到管124。如上文所论述，在先前经由端口102供应到管124的高压超盐溶液现驻留在管124中并且现在是废低压超盐溶液。这种废低压超盐溶液可以至少部分地从管124排出并且可以经由端口108（即，LPI 109）离开压力交换器。
应当指出的是，上文所描述的过程被讨论为流体和/或压力转移的略微理想的条件。将意识到不同压力和组成的所有不同流体可能不在每个步骤中完全供应到压力交换器的各个部分或者从压力交换器的各个部分移除。
虽然在附图中描述和示出了特定实施例，这些实施例只是说明性的并且不限制本公开的范围，并且本公开并不限于所示出和描述的具体构造和布置，因为对于所描述的实施例的各种其它添加、修改、和删除对于一个本领域普通技术人员将显而易见。因而，本公开的范围仅受到所附权利要求的字面语言和法律等效物限制。

Claims (32)

1.一种用于在至少两个流体流之间交换压力的装置，所述装置包括：
外壳，其具有纵向轴线和形成多个固定交换管的中间部分，所述多个固定交换管在沿着纵向轴线的方向延伸，所述多个固定交换管中的每个交换管在第一纵向端和第二相反纵向端处具有开口；以及，
旋转阀组件，其定位于所述外壳内以用于导向流动到所述多个交换管和从所述多个交换管导向流动，所述旋转阀组件包括：
　　第一阀，其定位于所述多个交换管的所述第一纵向端处并且与所述多个交换管的所述第一纵向端形成轴向密封，所述第一阀包括多个开口，所述开口配置成与所述多个交换管中的每个交换管成选择性连通；以及，
　　第二阀，其定位于所述多个交换管的所述第二纵向端处并且与所述多个交换管的所述第二纵向端形成轴向密封，所述第二阀包括多个开口，所述开口配置成与所述多个交换管中的每个交换管成选择性连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，形成所述多个固定交换管的所述外壳的中间部分包括定子外壳，所述定子外壳具有形成于其中并且穿过它延伸的多个固定交换管。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外壳还包括定位于所述定子外壳的纵向端处并且固定地联接到所述定子外壳的纵向端的两个端帽。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳的所述中间部分还包括两个密封板，每个密封板与所述第一阀和第二阀之一形成动态轴向密封。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其还包括：轴，其联接到所述第一阀和第二阀并且在所述第一阀与第二阀之间延伸，所述轴配置成使所述第一阀和第二阀绕由所述外壳的所述中间部分形成的所述多个固定交换管旋转。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳还包括定位于所述外壳的中间部分的纵向端处并且固定地与所述外壳的中间部分的纵向端联接的两个端帽，其中每个端帽包括至少一个端口，所述至少一个端口具有在横向于所述外壳的纵向轴线的方向上延伸的流动路径，并且其中所述第一阀和所述第二阀配置成用于由通过每个端帽的所述至少一个端口的流体流动提供动力而旋转。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其还包括：用于使所述轴、所述第一阀、和所述第二阀旋转的马达。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀各自包括：
一个轴向端口，其具有沿着与所述外壳的所述纵向轴线垂直的平面延伸的开口；以及
两个径向端口，其各自具有沿着与所述外壳的所述纵向轴线平行于或者相对于所述外壳的纵向轴线形成斜角的平面延伸的开口。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述外壳还包括：
第一端帽，其定位于所述多个固定交换管的所述第一纵向端处，所述第一端帽至少部分地包围所述第一阀并且包括至少两个上端口，所述至少两个上端口的第一端口配置成用于通过所述第一阀转移流体并且至少部分地到所述多个交换管的每个交换管内，所述至少两个上端口中的第二端口配置成用于经由所述第一阀从所述多个交换管的每个交换管移除流体；以及，
第二端帽，其定位于所述多个固定交换管的所述第二纵向端处，所述第二端帽至少部分地包围所述第二阀并且包括至少两个上端口，所述至少两个上端口的第一端口配置成用于通过所述第二阀转移流体并且至少部分地到所述多个交换管的每个交换管内，所述至少两个上端口中的第二端口配置成用于经由所述第二阀从所述多个交换管的每个交换管移除流体。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在沿着所述外壳的纵向轴线的方向上与所述第二阀的所述多个开口中的至少两个开口至少部分地对准的所述第一阀的所述多个开口中的至少两个开口是与所述第二阀的所述多个开口中的至少两个开口成角度地偏移的。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一阀的所述多个开口中的至少两个开口与所述第二阀的所述多个开口中的至少两个开口以介于0.01度与10度之间的角距离而成角度地偏移。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其还包括：定位于所述多个交换管的每个交换管中的至少一个管活塞。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀中的每一个还包括至少部分地沿着所述外壳的纵向轴线延伸的轴向端口，每个轴向端口与形成于所述外壳中在沿着所述外壳的所述纵向轴线的方向延伸的相关联的端口相连通。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀中每一个中的轴向端口分成两个通道，所述两个通道在所述第一阀和所述第二阀中每一个中形成所述多个开口中的两个相对开口。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀中每一个还包括至少部分地形成于所述相关联的阀的相对外侧中的两个径向端口，所述第一阀和第二阀中每一个的两个径向端口与形成于所述外壳中在横向于所述外壳纵向轴线的方向上延伸的相关联端口连通。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀中每一个的两个径向端口在所述第一阀和所述第二阀中每一个中形成多个开口中的两个相对开口。
17.一种用于在至少两个流体流之间交换压力的装置，所述装置包括：
外壳，其具有纵向轴线和形成多个固定交换管的中间部分，所述多个固定交换管在沿着纵向轴线的方向上延伸，所述多个固定交换管中的每个交换管在第一纵向端和第二相反纵向端处具有开口；以及，
旋转阀组件，其定位于所述外壳内以用于导向流动到所述多个交换管和从所述多个交换管导向流动，所述旋转阀组件包括：
　　第一阀，其定位于所述多个固定交换管的所述第一纵向端处，所述第一阀包括多个开口，所述开口配置成与所述多个交换管中的每个交换管成选择性连通；以及
　　第二阀，其定位于所述多个固定交换管的所述第二纵向端处，所述第二阀包括多个开口，所述开口配置成与所述多个交换管中的每个交换管成选择性连通；并且其中所述第一阀的所述多个开口中的至少两个开口各自至少部分地在沿着所述外壳的纵向轴线的方向上与所述第二阀的多个开口中的相对应开口对准，并且其中所述第一阀的所述至少两个开口中的每个开口与所述第二阀的所述相对应开口成角度地偏移。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一阀的所述多个开口中的每个开口与所述第二阀的所述多个开口的所述相对应开口成角度地偏移。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一阀的所述多个开口的至少两个开口与所述第二阀的所述多个开口中的相对应开口以介于0.01度与10度之间的角距离而成角度地偏移。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一阀的所述多个开口中的每一个开口的前边缘在所述阀组件的预期旋转方向上旋转地领先于所述第二阀的所述多个开口的相对应开口的前边缘。
21.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一阀的所述多个开口中的每一个开口的前边缘在所述阀组件的预期旋转方向上旋转地落后于所述第二阀的所述多个开口的相对应开口的前边缘。
22.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述第一阀和所述第二阀的角偏移配置成：通过改变在由所述第一阀的所述多个开口中至少一个开口与所述多个交换管的交换管的初始连通与由所述第二阀的所述多个开口中的相对应开口与所述多个交换管中的同一交换管的初始连通之间的时序，而在所述第一阀与所述第二阀之间产生相移。
23.一种在流体流之间交换压力的方法，所述方法包括：
将相对高压流体供应到在所述压力交换器的外壳的第一端中所形成的第一端口内；
将相对低压流体供应到在所述压力交换器的外壳的第二相对端中所形成的第二端口内；
使阀元件围绕多个静止管旋转，所述阀元件包括定位于沿着所述压力交换器的纵向轴线延伸的多个静止管的第一端上的第一阀、和定位于所述多个静止管的第二相对端上的第二阀；
利用所述第一阀将所述相对高压流体从所述第一端口转移到所述多个静止管的至少一个管内；
利用所述第二阀将所述相对低压流体从所述第二端口转移到所述多个静止管的至少一个管内；
利用所述相对高压流体向所述相对低压流体加压以形成经加压流体和废流体；
利用所述第二阀将所述经加压流体从所述多静止管的至少一个管转移并且通过形成于所述外壳的所述第二端中的第三端口从所述压力交换器输出所述经加压流体；以及
利用所述第一阀将所述废流体从所述多个静止管的至少一个管转移并且通过形成于所述外壳的所述第一端中的第四端口从所述压力交换器输出所述废流体。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，
供应相对高压流体包括从反渗透装置转移超盐溶液到所述压力交换器内；并且
供应相对低压流体包括将盐溶液转移到所述压力交换器内。
25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，供应相对高压流体，供应相对低压流体，转移所述经加压流体、和转移所述废流体基本上同时发生。
26.根据权利要求23 所述的方法，其特征在于，其还包括：利用形成于所述第一阀和所述第二阀之间的角偏移，使相对高压流体供应到所述多个管中的一管内的发生、和所述经加压流体从所述多个管的相同管转移的发生有所偏移。
27.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，利用所述第一阀将所述相对高压流体从所述第一端口转移到所述多个静止管中的至少一个管内包括：导向所述相对高压流体在沿着所述压力交换器的所述纵向轴线的方向上通过形成于所述第一阀中的轴向端口；并且，利用所述第二阀将所述相对低压流体从所述第二端口转移到所述多个静止管中的至少一个管内包括：导向所述相对低压流体在至少部分地横向于所述压力交换器的所述纵向轴线的方向上通过形成于所述第二阀中的两个径向端口。
28.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，利用所述第一阀将所述相对高压流体从所述第一端口转移到所述多个静止管中的至少一个管内包括：导向所述相对高压流体在至少部分地横向于所述压力交换器的所述纵向轴线的方向上通过形成于所述第二阀中的两个径向端口；并且，利用所述第二阀将所述相对低压流体从所述第二端口转移到所述多个静止管中的至少一个管内包括：导向所述相对低压流体在沿着所述压力交换器的所述纵向轴线的方向上通过形成于所述第一阀中的轴向端口。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，利用所述第二阀从所述多个静止管中的至少一个管转移所述经加压流体包括：导向所述经加压流体在沿着所述交换器的所述纵向轴线的方向上通过形成于所述第二阀中的轴向端口。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，利用所述第一阀从所述多个静止管中的至少一个管转移所述废流体包括：导向所述废流体通过形成于所述第一阀中的两个径向端口。
31.根据权利要求23 所述的方法，其特征在于，其还包括：在旋转所述阀元件的同时，在所述第一阀与所述多个静止管的所述第一端以及在所述第二阀与所述多个静止管的所述第二端之间形成轴向密封。
32.一种在流体流之间交换压力的方法，所述方法包括：
从反渗透装置通过所述外壳第一端中的第一端口将相对高压超盐溶液供应到权利要求1所述的压力交换器内；
通过所述外壳的第二相对端中的第二端口将相对低压盐溶液供应到所述压力交换器内；
利用所述相对高压超盐溶液向所述相对低压盐溶液加压以形成经加压盐溶液和废超盐溶液；
通过形成于所述外壳的所述第二端中的第三端口从所述压力交换器转移所述经加压盐溶液；以及
通过形成于所述外壳的所述第一端中的第四端口从所述压力交换器转移所述废超盐溶液。
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