CN110248897A - 使用径向去离子的水处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于利用径向去离子单元处理冷却塔水的设备、系统和方法。径向去离子单元可以单独或与其他处理单元一起处理馈送至冷却塔的补给水以从水中去除溶解的固体。在一些情况下，径向去离子单元可以接收来自冷却塔或其他单元操作的再生水。

Description

使用径向去离子的水处理系统和方法
相关申请
本申请要求于2016年11月23日提交的美国临时申请第62/425,859号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
一般描述了用于利用径向去离子单元处理由单元操作例如冷却塔产生和/或馈送到单元操作的水的系统和方法。
背景技术
蒸发冷却塔广泛用于工业发电和HVAC系统。它们利用热交换器和大量再循环水，以通过使用由蒸发冷却的水冷却再循环水来经由热交换器或其他操作从热力学过程中去除大量热量。存在用于增加冷却塔的水利用效率和蒸发性能的方法，但是它们通常依赖于将化学物质投配到再循环水中以软化或以其他方式处理水。使用用于处理冷却塔水的脱盐系统通常是已知的。但是许多典型的脱盐系统例如反渗透要求在冷却塔馈送水进入脱盐系统之前从其中去除二氧化硅和氯，因为这些元素将污染或永久破坏系统。该操作导致针对去除发生额外的成本，并且在氯的情况下，使得化学物质必须重新添加到离开脱盐系统之后的水中。存在水处理方法以提高蒸发冷却塔的水利用效率。常规的化学物质投配、水软化和脱盐是示例。前两种方法在工业中广泛使用，但是它们需要高成本的消耗物(化学物质和盐)，维护成本高，并且它们在其潜在节水方面受限。脱盐系统通常没有被广泛使用，其原因包括如上提及的需要去除二氧化硅和氯和具有典型的传统脱盐技术的其他限制。反渗透通常会是一种流行的选择，但是它通常无法提供75％以上的水回收率(产生作为经处理的水与馈送到处理单元中的总计水的百分比)。同样，使用常规的电容去离子系统提供通常限制在约85％或更低的水回收率。因此，需要用于处理冷却塔水和/或提高冷却塔水利用效率以提供增加的水回收率的改进的系统和方法。
发明内容
一般描述了与径向去离子单元的水处理相关的设备、系统和方法。在一些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、对特定问题的替选解决方案和/或一个或更多个系统和/或物品的多种不同用途。
根据一个或更多个实施方式，提供了一种蒸发冷却系统。系统可以包括冷却塔单元；以及径向去离子单元，其与冷却塔单元流体耦接。
根据一个或更多个实施方式，提供了一种用于操作蒸发冷却系统的方法。方法可以包括在径向去离子单元中处理来自水源的水以产生经处理的水；以及将经处理的水输送至蒸发冷却系统的冷却塔单元。
根据一个或更多个实施方式，提供了使用径向去离子单元以产生经处理的水流的水处理方法，在第一径向去离子单元的第一操作循环期间将第一水流引入第一径向去离子单元以产生经处理的水流；将经处理的水流引入第一单元操作；以及在径向去离子单元的第二操作循环期间将第二水流引入第一径向去离子单元以产生排出水流；其中，第二水流包括来自第一单元操作或来自第二单元操作的再生水。
根据以下结合附图考虑的对本发明的多种非限制性实施方式的详细描述，本发明的其他优点和新颖特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括矛盾和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
附图说明
将参照附图借助于示例描述本发明的非限制性实施方式，所述附图是示意性的而且并不意在按比例绘制。在附图中，所示的每个相同或几乎相同的部件通常由单个附图标记表示。出于清楚的目的，并非将每个部件标注在每个附图中，并且不需要示出以帮助本领域的普通技术人员理解本发明的地方，也没有将本发明的每个实施方式的每个部件都示出。在附图中：
图1是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；
图2是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；
图3是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；
图4是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；
图5是根据一个或更多个实施方式的RDI单元和相关联的流送管线的示意图；
图6是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；以及
图7是根据一个或更多个实施方式的冷却塔系统的示意图；
图8是根据一个或更多个实施方式的用于与冷却塔系统一起使用的控制系统的示意图；
图9是比较对于给定入口流总溶解固体TDS去除离子的通量率与流速的曲线图，示出了一个示例性实施方式的性能；
图10是根据一个或更多个实施方式的径向去离子单元的圆筒的一部分的等距视图；
图11是根据一个或更多个实施方式的径向去离子单元的圆筒的同心层的横截面图；
图12是根据一个或更多个实施方式的径向去离子单元的圆筒的多个同心层的横截面；
图13是根据一个或更多个实施方式的径向去离子单元的螺旋缠绕圆筒的角度视图；以及
图14是根据一个或更多个实施方式的径向去离子单元的螺旋缠绕圆筒的端视图。
具体实施方式
一般描述了用于利用径向去离子单元处理由单元操作例如冷却塔产生和/或供给至单元操作的水的系统和方法。
在工业中普遍使用对水或水流进行处理或利用的单元操作。许多这样的单元操作需要或可以受益于对被使用或处理的水或水流的预处理和/或后处理，以去除不期望的组分，例如离子物质和盐。本发明的实施方式提供了用于这些和其他目的的水处理系统和方法。例如，蒸发冷却塔广泛用于工业发电和供热、通风和空调(HVAC)系统。它们通常使用热交换器并且在某些情况下可以通过使用通过蒸发冷却的水冷却再循环水来处理大量的再循环水以从热力学过程中去除大量热量。通过蒸发到大气中，从系统中去除大部分热量。传统设置至少存在两个重要问题。第一问题是由于蒸发损失，冷却塔的水池必须不断补充额外的水以便而保持最小的体积。第二问题是当纯净水蒸发时，水中的任何矿物质都会留下并且变为集中在水池中。因此，再循环水的盐度随时间增加，并且最终可能导致冷却塔中某些部件的损坏。可以通过不断地向冷却塔水池供应淡水(此后称为补给水)并且定期地从水池中排出累积的咸水(此后称为排污水)来减轻这些问题。从操作效率或节水的角度来看，该过程不是特别有效，因为它耗时并且还导致沿排水管输送大量盐水。平均而言，对于供应至典型冷却塔的每加仑净水生成0.3至0.5加仑的盐水。
根据某些实施方式，本文描述的方法和系统能够增加水处理或处理单元操作例如蒸发冷却塔的操作和/或水利用效率，并且在某些情况下，还能够降低操作成本。在某些实施方式中，这可以通过将这样的水处理或处理单元操作例如蒸发冷却塔系统与径向去离子(RDI)单元(也称为径向电容去离子单元)配对来完成。该单元可以包括处理水的一组RDI圆筒。圆筒可以串联和/或并联布置。下面例如关于图10至图14讨论各个圆筒的各方面。该耦接导致在本发明的范围内的各种配置和改进过程的可能性，在某些情况下，这些配置和改进过程可以用于实现以下这些能力中的任何一个或更多个：降低总体水消耗、降低操作成本、降低材料成本、减少浪费、提高操作效率、改善性能、改善使用寿命和/或其他好处。
径向去离子是用于从流体源中去除离子的过程。径向去离子单元包括具有介电间隔物的多个同心或螺旋布置的相对电容器对，其形成介入电容器之间的流动路径。虽然在某些实施方式中具有优于传统电容去离子的优点，但是径向去离子可以被理解为电容去离子的形式。
在过去的20年中，电容去离子装置已经发展为对包括反渗透、电去离子、连续电去离子、离子交换树脂、石灰软化等的更传统的去离子方法的可能替代或替选。与典型的传统去离子技术相比，电容去离子通常具有以更低能量去除离子和减少污垢的能力。遗憾的是，典型的传统电容去离子装置可能受到下面讨论的限制。
电容去离子的工作原理如下。将含有不期望的离子的水流馈送到含有一对或更多对双电层电容器的电容去离子圆筒中。电源与该对的相对电极电耦接，并且对电容器进行充电。介电材料或层位于相对的电极之间，它们像标准电容器一样保持其电荷。
当在水处理(清洁)操作循环期间对电容器进行充电时，阳离子和阴离子被具有与离子物质相反电荷的电极吸引并且朝向其移动(即，阳离子向(一个或多个)带负电的电极迁移并且阴离子向(一个或多个)带正电的电极迁移)并且因此该离子物质从水中去除，例如通过吸附在通常由碳制成的电容器电极上。圆筒最终将变为离子饱和并且需要再生。当发生这种情况时，双层电容器的极性反转，并且离子从它们被吸附的相应电极的表面排出，并且进入排出水流以便处理或收集等。遗憾的是，传统的电容去离子装置的时间和空间限制通常不能充分地防止清洁水流的污染并且出于许多目的先前排出的流集中有不期望的离子物质。由于这样的两种流可以部分地混合在一起，因此传统的电容去离子装置的净化能力是有限的。该不期望的相互混合通常是装置内相对大的死体积空间以及在常规设计约束下难以避免的其他性能限制问题产生的结果。
相比之下，径向去离子单元与上述更常规设计的电容去离子装置的区别在于其径向设计，其中形成电容器的电极对被设置为围绕中心轴形成圆筒的分开的同心或螺旋形层而不是具有上述常规设计的更标准的板配置。某些实施方式的径向去离子装置可以包括电荷屏障例如半透膜，其在圆筒被切换到排出循环并且电容器的极性反转时防止释放的离子重新吸附到相对的电容器电极上。某些实施方式还可以采用以下径向去离子圆筒，该径向去离子圆筒包括至少部分地设置在内支撑管内的一个或更多个电连接。一个或更多个相关联的圆筒形成单元。在题为“Concentric Layer Electric Double Layer CapacitorCylinder，System，and Method of Use”的美国专利第9,193,612号和题为“AtomicCapacitor”的美国专利第9,633,798号——这两件专利中的每一个的全部内容通过引用并入本文并用于所有目的——中更详细地讨论了可用于或适用于本文所述的某些实施方式的径向去离子单元的方面。
虽然RDI是电容去离子的形式，但是在某些情况下，就资本成本、操作成本和水回收中的一个或更多个方面而言，它可能具有优于典型的常规电容去离子系统的某些优点。具体地，本发明人已经开发并且在本文中描述了通过将(一个或多个)RDI单元结合到水处理、加工或利用系统(例如诸如冷却塔系统的蒸发冷却系统)中以在某些情况下提供意想不到的效果和/或协同效果以及优于(包括已知的与冷却塔单元流体耦接的水处理技术，例如包括反渗透、电去离子、连续电去离子、离子交换树脂、石灰软化等的)其他典型水处理技术的改进性能(例如提高水回收率、操作成本等)。
RDI圆筒地设置的电极的设计和配置在某些情况下可以实现更高的清洁水回收率，这导致用水和成本节约。例如，在传统的电容去离子系统可以具有最大75％的水回收率(产生为经处理的水与馈送到处理单元中的总共水的百分比)的情况下，结合如本文所公开的RDI的实施方式在某些实施方式中能够实现大于90％的回收率，这可以导致节省大量的水，特别是对于采用冷却塔的系统。
关于采用冷却塔的系统，已经尝试了其他用于增加水效率的方法，但是它们通常依赖于将化学物质投配到系统内的再循环水中。根据某些实施方式的使用RDI处理冷却塔水，相比于用于增加冷却塔的水效率和减少(最终进入下水道系统并且然后进入水道和海洋的)化学物质的使用的这样的典型常规方法，可以具有显著的操作、环境和经济优势。如上提及的，许多通常采用的脱盐系统不能很好地耐受在典型的冷却塔馈送流中发现的某些溶解固体。例如，许多常规的脱盐系统会要求在冷却塔馈送水进入系统之前基本上从其中去除二氧化硅、硬度、碱度和氯，因为这些元素会污染系统或以其他方式损坏系统。该要求导致针对去除而发生的额外的成本，并且在氯的情况下，当出于消毒目的需要对冷却塔馈送进行氯化时，化学物质可能必须重新添加到离开脱盐系统之后的水中。
通常，使用以下三种水处理方法来试图提高蒸发冷却塔的水效率：化学物质投配、水软化和脱盐。前两种方法在工业中得到了更广泛的应用，但是它们需要高成本的消耗物(化学物质和盐)、维护成本高，而且它们在其潜在节水方面受限。常规的脱盐系统例如反渗透或传统的电容去离子不能提供75％以上的水回收率。在某些实施方式中，如在目前公开的系统和过程中，使用RDI系统的电容去离子可以导致在90％以上的回收率。这可以带来许多优点和益处，例如更高的净水效率。
在一些实施方式中，该蒸发冷却塔系统包括冷却塔单元以及与冷却塔单元流体耦接的径向去离子单元。在一些实施方式中，相关联的方法包括在径向去离子单元中处理水源以产生经处理的水并且将经处理的水输送至冷却塔单元。本文中讨论了这些系统和方法的其他方面。
根据一些实施方式，RDI单元用于处理(例如，去离子和/或脱盐)蒸发冷却塔的补给水。处理补给水源可以包括将水馈送到径向去离子单元中并且从水中至少部分地去除至少一种离子物质以产生经处理的水。至少部分去除的至少一种离子物质可以包括以下中的一个或更多个：Li、Na、Ca、Mg、K、U、Hg、Se、Ba、Sr、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Zn、Sn、Sb、Pb、氯化物、硫酸盐、硫化物、亚硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硼酸盐、二氧化硅、硒酸盐、亚硒酸盐(selanites)、溴化物、碘化物和碱。至少部分去除的至少一种离子物质可以包含至少一种硬度离子。至少部分去除的至少一种离子物质可以包括钠和氯。来自水源的水可以通过径向去离子单元至少部分地脱盐。
水可以从罐或加压管线馈送到RDI。当使用加压管线时，RDI系统可以避免需要泵，并且可以例如利用流速计和/或控制阀来控制流入系统中的水。这样的实施方式可以提供优于诸如反渗透的技术的优点，所述反渗透不能仅通过城市水压而是必须利用高压、昂贵的泵将水馈送通过系统。馈送到RDI的补给水可以在室温下，并且通常具有300μS/cm至2,000μS/cm之间的传导率，尽管RDI单元能够接收具有更高传导率例如高达200,000μS/cm的馈送。在通过RDI之后，它可以仍然在室温附近，并且可以控制该单元以如根据操作者的需要确定的在0％至99％的整个范围内降低传导率，或者在一些实施方式中，降低至少25％，以及在某些情况下在25％至90％之间。在一些实施方式中，经处理的水具有至少10μS/cm、30μS/cm、100μS/cm或300μS/cm或在这些值中的任何值的范围内的传导率。在一些实施方式中，经处理的水具有高得多的传导率(高达200,000μS/cm)。可以根据系统的需要控制经处理的传导率。RDI单元的多个RDI圆筒可以串联和/或并联放置以增加容量和/或以进一步降低传导率。在某些情况下，可以处理馈送到RDI的总计前RDI补给水的99％或更多，并且作为RDI清洁的补给水进入下一阶段，其中只需最初被馈送到RDI的补给水的1％或更少被保留以在排出循环期间使用以产生盐水，所述盐水可以在RDI的排出/再生操作循环期间被发送至排水管。用于水处理步骤期间的流速取决于具体应用的特定条件的数目，包括但不限于冷却塔的尺寸、系统的热交换要求、环境温度和进口水的传导率等。虽然通常并不重要，通过RDI单元的水压可以对于某些典型应用保持在大约10至50psi。
在某些情况下，从RDI输出的清洁水可以直接循环到冷却塔水池中。因此，在水甚至进入冷却塔之前，可以从流中去除大部分溶解的固体。这可以使得冷却塔系统能够不那么频繁地排污并且实现更高的净水效率。
在附图中示出了几个示例性应用并且在下面描述。作为这样的实施方式的示例，图1公开了根据本发明的实施方式的冷却塔系统100。在操作期间，蒸发冷却塔110冷却从流送管线170接收的温水，并且经由流送管线165使冷却水再循环，其中冷却水可以再次在热交换器130处吸收热量。在每个循环期间，一部分水蒸发(在一些应用中，高达90％)并且作为水蒸气160离开冷却塔110。该蒸发增加了循环水中任何溶解固体的浓度，并且要求在称为排污的操作中通过排水管道155时而将流体从罐中冲洗掉。
由于在冷却塔110的操作期间水蒸发损失，通常将补给水供应到塔110。在图1所示的实施方式中，补给水源首先经由流送管线140供应到径向去离子单元(“RDI单元”)120。当在处理模式(或等效地使用替选语言——净化模式/循环或清洁模式/循环)下操作时，RDI单元120从补给水中去除一部分溶解的固体(离子物质)以产生具有降低溶解固体含量的经处理的水。然后，该经处理的补给水经由流送管线150输送至冷却塔110。因为经处理的补给水具有降低的固体含量，因此可以减少排污的频率，从而导致操作该系统所需的水量减少。在净化模式期间由RDI单元收集的离子最终在解吸模式(或等效地使用替选语言——释放模式/循环、排出模式/循环或清除模式/循环)期间被排出并且被释放到排水管或通过清除管线145进行进一步处理。
一些实施方式可以可选地包括水软化单元或其他水处理装置，其与RDI单元成线布置以在补给水被引入冷却塔之前对其进行附加处理。如本领域普通技术人员所理解的，水软化单元可以是包括离子交换树脂或离子交换聚合物的已知离子交换单元。根据系统的要求，输出水可以可选地通过水软化器。在这样的系统和过程中，水软化器从补给流中去除额外的离子，特别是引起硬度的二价离子。某些类型的硬度可以对系统极其有害并且导致损坏、堵塞和热交换效率的损失。将水软化器添加到操作是可选的，但是可以使得冷却塔内可以容许的总溶解固体能够比其他方式进一步升高，因为硬度与总TDS的比率可以低于没有这种补充水软化的比率。由于水软化器可以便于进一步降低引起硬度的离子的浓度，因此引起硬度的离子相比于其他情况可以构成总TDS比率的较小比率。因为TDS补给构成更低比率的引起硬度的离子，因此系统可以能够承受更高的绝对TDS值。排污传感器的传导率设定点通常基于塔水池水中的硬度或二氧化硅浓度来设定。对于每单位水具有更低硬度的水，可以按比例增加设定点直到达到相同的硬度浓度。这可以进一步降低排污频率，并且因此可以在通过使用RDI减少总共TDS已经节省的基础上节省额外的水。
例如，图2所示的系统200类似于图1的系统，其中附加地结合了水软化单元225，该水软化单元225被流体定位在RDI单元220的下游与冷却塔210的上游。经由流送管线265离开冷却塔的冷却水在热交换器230处被加热，然后经由流送管线270再次输送到塔210，在一些水作为蒸汽260离开塔210的情况下，水被冷却。通过流送管线240将补给水馈送至RDI单元220，其中去除溶解的固体。然后将经处理的水输送至水软化器225以进行改善(polishing)步骤，其中进一步去除额外的溶解固体，特别是硬度离子。然后通过流送管线252将最终经处理的水输送至冷却塔。因为补给水具有降低的固体含量，因此需要经由排水管线255的较少频繁的排污，从而引起更有效地使用水。有时，吸附的离子经由清除管线245从RDI单元220释放。
替选地，水软化单元可以位于RDI单元的上游。例如，在图3中，系统300包括具有补给水供应的冷却塔310。冷却塔310经由管线365和370将水再循环到热交换器330。补给水经由流送管线340输送至水软化单元325。然后通过流送管线350将软化的水输送至径向去离子单元320以进一步去除溶解的固体。然后经处理的水经由管线352输送至冷却塔310，而富含去除的离子的盐水通过清除管线345被输送至废物处理或进一步处理。水处理方案补充蒸发360损失的水，同时减少通过排水管线355的排污水的量。
取决于应用，这两种操作模式(系统200和系统300)都是有用的，但是它们有两个主要区别。图2的系统200具有通过RDI单元220的更高离子载荷，并且图3的系统300具有通过水软化器325的更高离子载荷。通常，更高的离子载荷导致随时间更高的性能折旧率和更高的维护成本。对这两个单元的顺序的偏好可以取决于具体应用，但是通常优选将RDI单元放置在水软化器的上游(如图2所示)，因为RDI单元通常以比水软化器可以工作的TDS载荷更高的TDS载荷更有效地工作并且可以提供更低的操作和维护成本。
用于控制再循环冷却塔水的传导率的另一方法是在水再循环时对水进行脱盐。根据一些实施方式，可以通过使来自冷却塔单元的水循环通过RDI单元来控制再循环冷却塔水的传导率，这将经处理的水输送回冷却塔单元。替代或除了如图1至图3所示使补给水在到达冷却塔的水池之前对其进行脱盐之外，该系统可以被配置成在水再循环时对水进行脱盐。该操作模式可以称为侧流或补水和排水。在这样的系统中使用RDI可以提供水回收的优点。来自冷却塔水池的水可以在包括升温(例如60℃至90℃)的温度范围(例如，5℃至90℃)下被馈送到RDI中并且通过RDI。水压通常可以在0至125psi之间。入口的传导率可以在0至5.0mS/cm之间，并且在某些情况下，使用RDI传导率可以降低25％至90％或更高，这取决于应用的要求。来自RDI的出口被馈送回冷却塔水池，而排出盐水可以被发送到排水管。在结合这样的配置的一些实施方式中，如果RDI不断地从系统中去除盐/离子，则冷却塔根本不必排污。当在排出模式下操作时，RDI将生成盐水，该盐水被发送到排水管以提供足够的排污。
例如，图4示出了结合测流处理操作的冷却塔系统400。冷却塔单元410经由管线465和管线470使水循环到热交换器430或其他单元操作。在冷却过程中，一些水作为蒸汽460损失并且经由管线440供应补给水。RDI单元420结合到系统400中以减少或在一些情况下消除对排污操作的需要。在操作期间，RDI单元经由流送管线445接收来自冷却塔单元410的水。然后经处理的水经由流送管线450返回至冷却塔410。有时，在排出模式下的操作期间将RDI单元420中的累积离子经由清除管线455进行处理。
通过将图4中所示的系统的各方面与图1至图3中任一者所示的各方面相结合，可以发现另外的优点。由于RDI还可以通过将水穿过带电电容器从而导致细胞裂解来减少水中的生物活性，除了馈送水RDI单元(例如，如图1至图3所示)之外，具有侧流改善系统(例如，如图4所示)可以使得化学物质使用量低于通过简单地处理馈送水的化学物质使用量。特别地，杀生物剂的使用量水平可能更低。
在一些实施方式中，系统可以被配置成将不同的流(例如，来自不同的源)引入到径向去离子单元中并且被配置成产生不同的输出流。在操作中，可以在第一(例如，清洁)循环期间(即，当RDI单元在清洁循环模式下操作时)将第一水流(例如，补给水源)引入到径向去离子单元以产生经处理的水流。然后可以将经处理的水流引入到第一单元操作(例如，冷却塔单元)。一旦RDI单元的电容器在清洁循环期间变得离子饱和，则将操作切换到第二(例如，排出)循环以更新RDI单元。虽然在清洁循环和排出循环两者期间可以使用相同的输入流。在提供下面描述的某些操作和灵活性优点的本发明的某些实施方式中，可以在排出循环期间将与第一水流不同(例如，来自不同的源和/或具有不同的成分)的第二水流引入到径向去离子单元中以产生排出流。第二水流可以包括例如来自第一单元操作或来自第二单元操作的再生水。例如，在冷却塔系统的背景中，可以将在清洁循环期间产生的RDI处理流引入到冷却塔(即，第一单元操作)。在排出循环期间用于RDI单元的水源可以包括来自同一第一单元操作的再生水(例如，来自冷却塔排污的水)，或者它可以包括来自分开的第二单元操作的再生水(例如，来自锅炉操作的水、空调冷凝水或反渗透排出水)。通过在RDI单元的排出循环期间使用再生水，系统可以获得额外的用水效率。
这样的布置可以提供操作脱盐系统的新方法，虽然它不是其他脱盐技术(包括反向渗透或传统电容去离子)的可用选项，但是利用径向电容去离子系统是可行的。未示出的其他实施方式可以添加任何数目或组合的第三输入或输出、第四输入或输出、第五输入或输出或者更多个输入或输出——例如，如图所示的两个输入和两个输出、两个输入和单个输出、三个输入和三个输出、三个输入和两个输出等。通常，在清洁循环和排出循环两者期间，存在馈送到RDI中的单个水源。此处，在清洁循环期间存在馈送到RDI中的一个水源，而在排出循环期间存在馈送的另一个水源。RDI处理参数的这种新添加可以促进各种新的脱盐/去离子机会。如果输入流和/或输出流的数目从一个增加到两个或更多个，则可以开发许多新类型的处理。示例是使用再生水(即，排污、空调冷凝水等)作为排出循环的输入，以提高回收率。
在一些实施方式中，在排出循环期间，可以使用再生水来清除盐水的RDI，从而节省了入口水并且提高了系统的回收率。可以用于该清除的再生水的传导率取决于水的化学性质，经处理的水的入口盐度和清洁水的目标出口传导率。在一些实施方式中，在排出循环期间形成的排出流可以具有300μS/cm到200,000μS/cm之间的传导率。
通常，可用的再生水排出循环的传导率可以是在处理或清洁循环期间馈送水的传导率的10倍高或更高。这可以消除使用淡水来清除出盐水的需要。为了减少RDI单元内的滞留，可以使用空气从系统中完全疏散排出盐水，从而消除或减少与即将到来的用于处理的清洁循环水交叉污染。与传统的电容去离子系统相比，RDI单元在清洁循环和排出循环期间能够接受更大范围的再生水。根据一些实施方式，RDI单元的入口盐度操作范围可以是传统电容去离子系统的入口盐度操作范围的约十倍、二十倍、三十倍或甚至四十倍。在一些实施方式中，RDI单元可以在具有高达20,000PPM、60,000PPM、120,000PPM或更高的盐度的入口馈送上操作。这种大的性能差异部分地由小的入口和出口歧管(环形)(例如，在下面讨论的图11中示出的在实施方式中表示为28a和28b)实现。由于该体积小，因此圆筒可以与非常短的连接流体连接并且串联操作。例如，在一些实施方式中，入口歧管和出口歧管各自约为385ml。来自串联后续圆筒的出口管道可以是约147.5ml，而后续圆筒的入口歧管中的另外385ml使得间隔件之间的体积为1002.5ml(1.002升)，1.002升除以圆筒流速12.54升/分钟，导致在圆筒之间4.8秒时间的短时段。这个短的停留时间限制了从清洁循环切换到排出循环的期间混合和浪费的水量。这些值仅用于说明的目的，并且其他值可以应用在不同的实施方式中。
作为这样的配置的示例，图5示出了系统500，系统500包括径向去离子单元510以及相关联的阀525a至阀525b和流送管线(520、530、535、540、550、555)的示例性布置。系统500是可以被结合以执行以上描述的多流/源处理的配置的示例。
当径向去离子单元510在清洁循环中操作时，三通阀525a被配置成经由流送管线520和流送管线530提供从第一水流到RDI单元510中的路径。在清洁循环期间，通过单元510从流中去除离子溶解固体，以产生经处理的水流。在仍然以清洁循环模式操作的同时，三通阀525b可以被配置成经由流送管线540和流送管线550提供将经处理的水流引入到第一单元操作(例如，冷却塔)的路径。
当径向去离子单元510在排出循环中操作时，三通阀525a被配置成经由流送管线535和流送管线530将第二不同的水流引入到RDI单元510中。第二水流可以是再生水。例如，再生水可以是来自第一单元操作(例如，冷却塔)的再生水，在清洁循环期间经处理的水初始被引入到该第一单元操作中。替选地，再生水可以是从第二不同的单元操作(例如在较大系统中其他地方使用的锅炉或反渗透单元)中再生的。先前在清洁循环期间被RDI单元510吸收的离子溶解固体被释放到再生水流中以产生排出流。仍然在排出循环中操作的同时，三通阀525b可以被配置成经由流送管线540和流送管线555提供排出流的到例如排水容器或收集容器(未示出)的路径。
图6示出结合了上面关于图5描述的类似管道方案的系统600。在系统600中，冷却塔单元610被操作成经由流送管线690和流送管线695向热交换器630提供冷却水的再循环回路。随着每个循环，一些水作为蒸汽685损失。有时，当水的溶解固体浓度达到某一点时，也可能需要经由管线680进行排污。因此，必须向塔610提供补给水。
在系统600中，在清洁循环期间由RDI单元620处理补给水的源并且通过水软化器625进一步进行改善以向冷却塔610提供补给水。通过以这种方式处理补给水并且去除溶解的固体，减少了排污的需要并且节约了水。在清洁循环期间，三通阀650a和三通阀650b被配置成经由管线640、655、660、665和675提供通过RDI单元620和水软化器625的从补给源到冷却塔610的路径。这些管线也可以利用多个双向阀或有效地产生相同结果的其他阀配置流体上连接至单元操作。
在排出循环期间，其中先前捕获的离子被冲出RDI单元620，阀被重新配置以改变引入到RDI单元620的水的源。例如，三通阀650a和三通阀650b被布置成经由流送管线645和流送管线655提供从第二不同的水的源进入道RDI单元620的流动路径，并且被布置成引导由该单元产生的排出水经由管线660和管线670排出或进行替选处理。在排出循环期间的水的源可以是来自系统的单元操作的再生水。例如，流过流送管线645的水流可以包括来自冷却塔单元610的排污水。替选地，在排出循环期间的水的源可以包括从系统600的不同单元操作(图6中未示出)再生的水，例如来自锅炉的再生水，或来自反渗透操作的净水和盐水/排出物。RDI单元620在其不同循环期间利用来自不同来源的水进行操作的能力提供了利用再生水的有利能力，否则的话，该再生水可能在其排出循环期间被浪费。通过在排出循环期间使用再生水而不是继续使用与补给水相同的源，系统600能够节约额外的水，从而使得操作更有效。
图7示出结合了如上面关于图5所描述的RDI单元和相关联的管道的系统的另一实施方式。系统700的特征在于通过处理排污水并且回收它以在系统700内使用来提供额外节水的设计。系统700包括冷却塔710，该冷却塔710被操作成经由流送管线785和流送管线790向热交换器730提供冷却水的再循环回路。随着每个循环，一些水作为蒸汽770损失。有时，当冷却塔710内的水的溶解固体浓度达到某一点时，也可能需要经由管线765进行排污。因此，必须向塔710提供补给水。在系统700中，当第一RDI单元720在清洁循环模式下操作时，三通阀735a和三通阀735b被配置成经由流送管线730、740、745、750和760提供从补给水的源到RDI单元720到可选的水软化器725到冷却塔710的流动路径。
通过降低被引入到冷却塔单元710的补给水的溶解固体含量，减少了经由流送管线765的系统排污的次数。然而，系统700的排污水不是简单地被送到废物中。相反，在该实施方式中，提供第二RDI单元721以经由管线765接收排污水。当在清洁循环模式操作时，第二RDI单元721处理集中的排污水以提供具有充分降低的溶解固体含量的输出，以便提供经由流送管线780输送的、以便第一RDI单元720在排出循环模式下操作时使用的有效再生水源。(在替选实施方式中，可以更充分地处理再生水以使其适合作为补给水)。当排污RDI单元721在排出模式下操作时，经由流送管线775输送集中的排出流以进行排出或进行进一步的处理。
当第一RDI单元720在排出循环模式下操作时，三通阀735a和三通阀735b被配置用于RDI单元720经由流送管线780和流送管线740接收来自排污RDI单元721的再生水源，并且然后经由流送管线745和流送管线755输送所产生的排出流以进行排出或进行进一步处理。
可以包括图1至图7中未示出的一些系统部件。例如，这些系统中的任何一个都可以包括用于高需求时期的脱盐馈送水的储备罐。由于冷却塔需求在操作时期期间可能会有很大的变化，因此可以针对高需求时期存储经过清洁的水。通过这样做，系统规模可以最小化，但提供最大的益处。
上述实施方式可以产生优于替选方案的许多附加优点。例如，在所描述的系统和方法的一些实施方式中，RDI单元可能不需要从系统中去除二氧化硅、硬度、碱度或氯，其他脱盐系统会采用该方式。对基于二氧化硅和氯的生物杀灭剂和消毒剂的这种耐受性可以消除或减少在脱盐之前去除这些物质并且在基于氯的化学物质的情况下重新引入以帮助控制冷却塔中的生物生长的需要。就相关联的成本而言，这种能力还将RDI分离。该能力也适用于冷却塔以外的应用。
与结合了替选脱盐技术的系统相比，所描述的系统和方法的一些实施方式具有更宽范围的可容忍温度。许多冷却塔应用需要能够承受升高的温度的脱盐系统。本发明的某些RDI系统不仅可以承受高于RO的最高40℃限制的温度，而且与环境温度下相比，在升高的温度下可以相同地或更好地执行。本发明的某些RDI系统可以承受高达60℃并且一些承受高达90℃的馈送温度。
所描述的系统和方法的一些实施实施方式提供与可调输出盐度和可变入口盐度相关联的灵活性。与仅能产生单一输出盐度的反渗透不同，RDI系统的某些实施方式可以通过简单地改变控制器(例如传导率传感器和控制器)上的设定点来调节输出盐度。这有助于降低具有冷却塔的该系统的操作成本，因为在许多情况下，不必要或甚至不需要去除所有盐度。
所描述的系统和方法的一些实施方式提供关于流速优化的优点。在一些实施方式中，RDI系统具有以相对高的流速对水进行脱盐的能力。与部分脱盐需求相结合的许多冷却塔应用的较低入口盐度使得能够通过某些实施方式的RDI单元使用相对高的流速。较高的流速可以增加系统的通量率，从而允许使用较小的系统。例如，在一些实施方式中，RDI系统可以处理活性材料0.01升/分钟/平方米到活性材料1,000升/分钟/平方米之间的流速。替选地，在一些实施方式中，RDI系统可以处理能够吸收离子的所安装的膜/电极(活性材料)0.0001升/分钟/每平方米表面积到大于活性材料0.1升/分钟/克之间的流速。在一些实施方式中，RDI系统可以通过装置处理0.001米/秒到1米/秒之间的线性水速度。在一些RDI系统中，水的流速可以在活性电容器材料的约50ml/min/m2到活性电容器材料的约3,000ml/min/m2之间，并且在一些实施方式中在约1,500ml/min/m2到3,000ml/min/m2之间。在一些实施方式中，水流过具有多个电容器单元的圆筒，所述电容器具有每单元约0.5m2的活性材料。
与典型的传统电容去离子系统相比，RDI系统可以提供以更高的流速处理水的能力。这些较高的流速引起系统的通量率增加，从而允许使用较小的系统。通过更快地流动，通量率(毫摩尔/分钟/平方米(mmoles/min/m2)的活性材料)上升，如图9所示。通量率越高，通常需要的材料活性面积越小，因此允许更少的资金和维护成本。在不受特定理论束缚的情况下，这种通量-性能效应的机制可能是由于通过膜表面的刷新改善了质量传递，在膜表面上通过增加的流动的速度保留了待去除的盐，这也可能降低电容器的电阻，其转而又增加了盐的去除速率。
在一些实施方式中，RDI系统被改装到冷却塔系统设计中。在其他实施方式中，RDI系统被结合到冷却塔的原始设计中。在某些实施方式中，本文所描述的所有系统构造/修改可以在安装冷却塔之后完成，但是将RDI单元直接结合到冷却塔的初始设计中可能存在某些成本和基础设施优势。集成冷却塔和RDI设计不仅可以降低总资本成本，而且可以由于控制集成、缩短的管道长度、优化的部件尺寸、优化的两个系统的处理设定点等来提高性能。
可以配置和操作本文描述的上述系统和过程的一些或所有实施方式，以提高蒸发冷却塔的水效率。根据应用和系统要求，可以在设施内重新配置各种部件，例如RDI和水软化器。
可以根据许多考虑(包括最小化资本设备的成本、维护成本、操作成本等)来优化系统的各个方面，包括控制参数。用于优化的这样的变量和性能指标可以包括以下：到RDI的馈送水的入口盐度；来自RDI的预计出口盐度；发起排污的传导率设定点；排污率；补给水的馈送速率；当前塔浓度循环(与补给水相比排污水中溶解的固体的浓度的比率)；蒸发率；化学物质使用量($/kgal排污)；电价；以及馈送水的价格/污水处理费等。在某些实施方式中，可以通过使用节省模型来指导该优化。
根据某些实施方式，控制系统可以结合到系统中以改进RDI单元和其他系统部件的操作。控制系统可以包括控制器、至少一个输入装置(例如，传感器)和至少一个输出装置(例如，泵)。控制器可以被配置成从输入装置接收输入信号并且被配置成响应于该输入信号向输出装置传送输出信号。例如，在某些实施方式中，RDI单元和/或冷却塔可以耦接至控制器，该控制器被配置成从监测塔中的盐度的传感器接收输入信号，并且被配置成响应于该输入信号向控制排污的泵和/或阀传送输出信号。
与反渗透不同，反渗透只能由其自身的高压泵馈送并产生单一输出盐度，在一些实施方式中，可以通过改变控制器上的设定点来调节来自RDI的输出盐度。这可以有助于降低具有冷却塔的该系统的操作成本，因为在许多情况下，不必要或甚至不需要去除所有盐度。新的输出盐度可能引起系统流速的变化和/或引导经处理的水进入清洁罐/管道的控制阀的设定点的变化。通过监测出口水的传导率，控制器可以计算经处理的水的平均盐度，从而控制盐度。
例如，图8示出了代表性控制系统800。控制系统800包括耦接在一起的控制器810、输入装置820和输出装置830。控制器810可以从输入装置820接收与输入装置820进行的测量相对应的输入信号825。响应于输入信号825，控制器810可以向指示输出装置的操作的输出装置830传送输出信号835。在图8中，冷却塔系统840耦接至控制器810，使得控制器810辅助与系统840相关的操作。
输入装置820可以包括传感器或监测器。输入装置可以包括被配置成监测系统840的参数的传感器。输入装置820可以放置在系统840内或系统840附近。例如，输入装置820可以包括被校准以指示冷却塔内的盐度水平的传导率测量仪器。输入装置可以经由输入信号825定期地或连续地将水平值发送至控制器。
输出装置830可以包括影响系统参数的装置。例如，输出装置830可以包括与来自冷却塔的排污出口流体上连通的泵。输出装置可以经由输出信号835由控制器810控制。
根据一些实施方式，控制器包括PID控制器，PID控制器根据比例-积分-微分控制回路进行操作。然而，如本领域普通技术人员将理解的，可以使用其他控制回路反馈机制。
在一些实施方式中，输入传感器可以包括冷却塔水位传感器，冷却塔水位传感器监测冷却塔中的水位。响应于该输入信号，可以指示输出信号以控制RDI的操作。这些输出信号可以确定何时打开和关闭RDI单元。应当匹配和监测补给水流速和蒸发速率，以确保塔不会用完水。响应于水位传感器信号，控制器还可以指示RDI在其等待塔请求水时为其他应用产生水。通过监测塔水位、RDI系统和排污，可以优化塔的操作。
在一些实施方式中，输入传感器可以包括监测进入RDI单元的馈送水的入口传导率的传感器。通过监测入口传导率，RDI可以通过调整出口传导率、能源使用量、流速、正常运行时间等来优化性能。
在一些实施方式中，输入传感器可以包括监测来自RDI单元的水的入口和出口传导率以及冷却塔中的水位的传感器。通过监测这些，RDI单元可以通过调整出口传导率、能源使用量、流速、正常运行时间等来优化性能。
通过监测塔性能的关键方面，RDI可以在需要时、节约水、节约能源和维护时关闭。替选地，RDI单元可以在停机期间为其他应用产生水。通过监测冷却塔性能，在某些实施方式中，RDI单元可以在冷却塔需求低的时间期间(例如在夜晚、较冷的天气、阴天等)产生用于其他工厂需求的水。
如上所述，本发明系统的某些实施方式包括一个或更多个计算机实现的控制系统(可编程逻辑控制器或PLC)，用于操作水处理系统的各种部件(例如，图8中所示的计算机实现的控制系统800的控制器810)。通常，本文描述的任何计算方法、步骤、模拟、算法、系统和系统元件可以使用一个或更多个计算机实现的控制系统(例如下面描述的计算机实现的系统的各种实施方式)来实现和/或控制。本文中描述的方法、步骤、控制系统和控制系统元件不限于它们对任何特定计算机系统的实现，因为可以使用许多不同的机器。
计算机实现的控制系统可以是系统的RDI单元和/或冷却塔和/或其他自动系统部件的一部分或者计算机实现的控制系统可以与系统的RDI单元和/或冷却塔和/或其他自动系统部件操作地相关联耦接，并且在一些实施方式中，计算机实现的控制系统被配置和/或被编程成控制和调整操作参数，以及分析和计算值。在一些实施方式中，计算机实现的控制系统可以发送和接收参考信号以设置和/或控制系统设备的操作参数。在其他实施方式中，计算机实现的系统可以与其他系统部件分开和/或相对于其他系统部件被远程定位。
本文中描述的各种单元操作可以“直接流体上连接”至其他单元操作和/或部件。通常，当第一单元操作和第二单元操作彼此流体上连接时，第一单元操作与第二单元操作之间存在直接流体连接(并且两个单元操作被认为是彼此“直接流体上连接”)并且当流体从第一单元操作被输送到第二单元操作时，流体的成分基本不会改变(即，流体成分在相对丰度上变化不会超过5％并且不发生相变)。作为说明性示例，连接第一单元操作和第二单元操作并且其中流体的压力和温度被调节但流体的成分未被改变的流将被认为直接流体上连接第一单元操作和第二单元操作。另一方面，如果进行分离步骤和/或进行在流从第一部件传递到第二部件期间中基本上改变流内容的成分的化学反应，则该流不被认为直接流体上连接第一单元操作和第二单元操作。
还应当理解，在图中示出和/或被描述为执行某些功能的序列的分开的单元情况下，这些单元也可以作为单个单元(在共同的壳体内)存在，并且单个单元可以执行功能的组合。
还应当理解，在系统的各个阶段，可以在冷却塔的一个或更多个入口的上游或者来自冷却塔的一个或更多个出口的下游，执行未在任何附图中示出的许多不同的单元操作。
图10至图12提供了对可以用于实践某些公开实施方式的示例性径向去离子装置的选择性实施方式的进一步描述。除了关于这些附图描述的同心层设计之外，螺旋缠绕的实施方式也可能用作出于本公开内容的目的的RDI单元。
转向图10至图12中所示的实施方式，基本同心层双电层电容器(EDLC)圆筒11包括两个或更多个管状电极或电容器16，一个插入另一个内部，形成电容器16同心对。一对电容器16形成双电层电容器16对。
在图11所示的设计中，最内部的电容器16缠绕在集电器14a周围，电容器16可以是石墨、中空金属管或者具有金属涂层、套管或薄集电器14a的非金属中空管12。围绕该内部电容器16可以是离子膜18a或集成在电容器16的表面上的离子涂层。接下来，介电间隔件、绝缘体或间隔件20将围绕电容器16或膜18，这将允许液体层流过圆筒11。在该层周围将是另一离子选择膜18b、另一电容器16、并且然后是另一集电器14b。
中空支承管12的每个端部的周边是密封圆筒11的端部的可选的O形环22。密封层24环绕圆筒11缠绕，延伸到O形环22，O形环22将完全密封圆筒11并且提供将圆筒11内的层牢固地压靠内支承管12的装置。
到圆筒11的处理液体连接30a和30b安装在内支承管12的内侧，并且允许液体进入入口28a和出口室28b。还通过内安装管12的内表面形成到圆筒11的电连接26a和电连接26b。
图12示出了具有多个可见的EDLC对的同心层EDLC的详细视图。除了将内部集电器14c放置在第二电容器16上之外，多对同心层EDLC的结构与图11中所示的相同。在集电器14c的顶部放置另一电容器16、另一膜18、另一介电间隔件20、另一膜18、并且然后是另一电容器16。可以重复该顺序，直到所需对数的电容器16b安装到内安装管12上。
当圆筒11作为电容去离子装置操作时，诸如水的待处理液体通过入口管30a进入圆筒11进入入口室28a中。液体轴向穿过间隔件20，进入出口室28b，并且然后通过管30b离开圆筒11。通过填充诸如泡沫的空间填充材料，可以进一步减小室28a和室28b的尺寸。
电引线26a和电引线26b连接至直流电源(DC)。具有一个EDLC对的最简单的圆筒设计具有连接至电源的一个引脚33的一个电容器16和连接至引脚33b的电容器16。电源接通，并且将每个电容器16充电到电源上设定的电压。在一些实施方式中，当处理含水液体时，电源将被设定为2.2伏。
如果最接近内支承管12的电容器16带正电，则它将吸引带负电的离子(阴离子)。如果靠近该电容器16的膜18a是阴离子的，它将允许来自间隔件20中的液体的阴离子穿过并吸附到电容器16上。这种吸附将持续直到吸附到电容器16上的离子电荷量等于电容器16的电荷容量。相反，最靠近外壳24的电容器16将带负电并且吸引带正电的离子(阳离子)。如果靠近该电容器16的膜18b是阳离子的，它将允许阳离子穿过直到电容器16充满。
一旦电容器16吸附了规定量的离子(部分或完全吸附)，就切换电源的极性。带正电的电容器16现在被切换为负极，而其他电容器16被切换为正极。吸附在表面上的离子现在被排斥朝向带相反电荷的电容器16。由于相反的离子特定膜被放置在每个电容器16的前面，被排斥的离子不能穿过相反的膜18并且被阻止吸附到其他电容器16上。这些被排出的离子被保持在间隔件20内并且可以从圆筒11中排出。
在从电容器16和圆筒11中移出所有离子之后，可以重复吸附和排出过程。如果将三通阀(或多个双向阀)放置在出口管30b上，则去离子液体可以从含有被排出离子的液体转移出去。圆筒11电源将来回切换极性，从溶液中去除离子并将离子沉积回溶液中，产生去离子部分和含有去除离子的部分。
根据某些实施方式的典型部件尺寸和构造材料如下。内支承管12可以由纤维增强环氧树脂、纤维增强聚酯树脂、40或80ABS管、PVC、PPE、PP或具有半刚性结构的聚合物制成。集电器14a、14b或14c通常由小于0.005″的商业级钛制成。碳电容器16通常由>0.005″厚、表面积大于1,000m3/gm的活性炭制成。间隔件20可以由许多织造和非织造绝缘材料(例如在水中浸湿、开口体积小于75％并且厚度大于0.005″的麻、尼龙布、聚丙烯或其他非导电材料)制成。密封每个端部的可选O形环22可以由橡胶、硅树脂、PTFE或其他柔性密封材料制成。
根据一些实施方式，对于12至15英寸长、8至16英寸直径的单对同心EDLC，入口室28a和出口室28b将不大于20cm3或20ml。这种配置的圆筒将允许约为2,500毫升/分钟的流。这意味着停留时间或死体积小于1秒。当额外的对添加到圆筒11时，死体积将小于比例地上升，进一步减少了室28a和室28b中的停留时间。通过将出口室28a中的停留时间减少到小于1秒，当切换极性时，在清洁液体流与净化液体流之间存在清晰界定。
根据某些实施方式，使用上述相同直径的圆筒，包含在间隔件20中的开放空间的停留时间小于2秒。根据某些实施方式，间隔件20内的液体的速度具有大于2,000的雷诺数，从而产生大量湍流，这将有助于在排出循环期间从电容器16喷射之后离子的去除。
这两个特征的组合显着降低了清洁流与含有被排出离子的流混合的问题的影响。
根据某些实施方式，在跨具有一个EDLC电容器16对的12英寸圆筒的标准8英寸直径上每分钟1升的情况下的压降小于10psi，停留时间小于5秒。这允许将圆筒串联放置以提供高水平的净化。通过将圆筒串联放置，可以在不改变圆筒16本身的情况下调节周长与长度的比率。这种灵活性允许以各种组合使用圆筒以处理具有不同净化目标的不同流。
集电器14a和集电器14b或集成电容器16/集电器14非常靠近圆筒11的内部和外部。这允许与外部电源的简单且有效的电连接。采用无孔集电器，从而降低了如上所述的电阻。当在圆筒11内采用多个EDLC对时，无孔集电器14c用于促进组装并且降低电阻。
跨活性材料的更高的RDI流速(ml/min/m2)增加了盐的去除速率(gms/min/m2)，因此需要更少的超级电容器并因此降低系统成本。在一些实施方式中，RDI单元作为恒定电压系统操作，从而向电容器提供更高的平均电流密度。较高的电流密度等于较高的盐去除率，从而进一步减小了系统的尺寸和成本。随着系统尺寸的减小，产生的每单位的水的维护成本也降低。电容器设计允许水行进的路径更短，从而改进了净水回收。
在一些实施方式中，电容器可以具有围绕中心轴线设置的螺旋形状而不是同心圆形状。就减少的死体积、每平方米的流速、高入口盐度能力、圆筒-圆筒串联连接等而言，RDI设计的螺旋形式体现了同心层设计的所有性能属性。内部电气连接、入口/出口管道、长度、直径、重量也等同于同心设计。不同之处在于准备和安装各层的方式。
如图13所示，包括电容器62a和电容器62b的一组预先布置的材料层和用于流体流动的间隔件区域64围绕RDI芯66缠绕。该组被组织成使得彼此接触的表面具有相同的极性。在该实施方式中，预先布置两组超级电容器对62a和62b，并且然后围绕芯66缠绕。当安装了所需的活性材料表面区域时，终止缠绕并且安装外壳。为了清楚起见，图13未示出圆筒60的所有部件，并且示出了比最终配置中的情况更松散形式的材料。图14示出了完成的层横截面。图14的圆筒60示出了围绕芯60缠绕的两个单元65a和65b。单元65a和单元65b中的每一个包括在任一侧上具有电容器材料的间隔件区域。圆筒60看起来非常类似于完成的同心并且允许每平方米材料具有相同的流量分布和流速。
RDI单元可以去除溶液中任何溶解的固体。这包括但不限于以下阳离子：Li、Na、Ca、Mg、K、U、Hg、Se、Ba、Sr、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Zn、Sn、Sb、Pb、Ag、Au、Cd、Hg、B、Bi等；和以下阴离子阴离子：氯化物、硫酸盐、硫化物、亚硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硼酸盐、二氧化硅、硒酸盐、亚硒酸盐、溴化物、碘化物、碱等。通过通常用作预处理的水软化器去除的物质可以去除永久硬度(钙、镁、硫酸盐、碳酸盐)，因为它们是当浓缩到其最大溶解度水平以上时会引起问题的低溶解度物质。在一些实施方式中，操作RDI单元允许至少一种离子物质穿过而基本上不从水中去除以产生经处理的水。例如，在某些应用中可能希望不去除二氧化硅或氯。
以下示例旨在说明本发明的某些实施方式，但不是举例说明本发明的全部范围。
示例1
RDI单元以类似于图1所示的布置耦接至冷却塔系统。RDI单元是用于处理加压的城市供水的并联布置的、在48V直流电下操作的24圆筒单元。每个圆筒具有大约为13平方米的活性材料表面积。RDI单元以近似50GPM的速率生产清洁水。冷却塔系统包括四个冷却塔，其中模拟液位传感器将连续操作数据馈送至RDI。冷却塔系统具有每年16,000,000加仑或大约30.5加仑/分钟的平均用水量。该系统包括四个塔，每个塔的尺寸为20”x 8’x 8’，每个总共256.4加仑，并且一起获得总共1,026加仑。传感器通过20英寸和10英寸的高/低水位传感点监测水位。补给水的入口流速为30加仑/分钟。排污传导率设定点是1,750ppm的TDS，或近似3,200μS/cm。排污流速近似为5加仑/分钟。在没有安装RDI的情况下，冷却塔循环浓度(与补给水相比排污水中的溶解固体浓度的比率)为2.9。在安装RDI的情况下，循环速率能够达到6.0。馈送到RDI中的入口具有800μS/cm的传导率以及TDS为500ppm。
示例2
耦接至RDI单元的冷却塔以如图1所示的配置生产。RDI单元具有并联布置的三个圆筒，每个圆筒在2V下操作。每个圆筒具有大约为13平方米的活性材料表面积。通过RDI单元的流速为1升/分钟。RDI接收具有575ppm的TDS的水流，并且对其进行处理以产生具有75ppm的TDS的经处理的流。系统具有92％的水回收率。在安装RDI系统之后，冷却塔循环浓度(与补给水相比排污水中溶解固体浓度的比率)从4.7增加至7.0，从而预计节水量为2,000,000加仑/年并且预计化学物质节省24,000美元/年。输入二氧化硅为15ppm并且出口是相同的试验证明了二氧化硅能够根据需要直接通过系统。城市水的典型氯水平也与入口相同，再次证明该系统可以使得该添加物能够根据需要通过。
示例3
耦接至RDI单元的冷却塔以如图1所示的配置生产。RDI单元具有并联布置的四个圆筒，每个圆筒在1.8V下操作，其中通过RDI单元的流速为8升/分钟。每个圆筒具有大约为13平方米的活性材料表面积。RDI接收具有348ppm的TDS(520μS/cm)的水流，并且对其进行处理以产生具有235ppm的TDS(350μS/cm)的经处理的流。系统具有89％的水回收率。在安装RDI系统之后，冷却塔循环浓度从2.9升至4.3。
虽然本文已描述并阐明了本发明的几个实施方式，但是本领域普通的技术人员将容易预见用于执行功能和/或获得结果和/或本文所描述的一个或更多个优点的各种其他方法和/或构造，并且每个这样的变化和/或修改认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易地领会本文所述的全部参数、尺寸、材料以及配置意为示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教示的一个或更多个具体应用。本领域的技术人员将认识到或者能够使用仅仅只是常规实验来确定本文所描述的本发明的具体实施方式的许多等同方案。因此，应理解仅通过示例的方式呈现了上述实施方式，并且在所附的权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以不像具体描述和所要求保护的那样来实施。本发明针对本文所描述的每个个体特性、系统、物体、材料和/或方法。此外，如果两个或更多个这样的特征、系统、物体、材料和/或方法不相互不一致，则这样的特征、系统、物体、材料和/或方法的任何组合都包括在本发明的范围内。
除非清楚地相反指示，否则本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应当被理解为表示“至少一个”。
本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当被理解成意指如此结合的元素中的“一者或两者”，即，在某些情况下结合存在而在其他情况下分离存在的元素。除非另有明确的相反指示，否则除由“和/或”子句所具体指明的元素之外，其他元素也可以可选地存在，无论是否与具体指明的那些元素相关或无关。因此，作为非限制性示例，当与开放式语言例如“包括”结合使用时，对“A和/或B”的引用在一个实施方式中可以指有A而没有B(可选地包括除B之外的元素)；在另一实施方式中，可以指有B而没有A(可选地包括除A之外的元素)；在又一实施方式中，可以指有A和B两者(可选地包括其他元素)；等等。
如在本说明书和权利要求书中所使用的，“或”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项分开时，“或”或“和/或”应被解释为包含性的，即包含至少一个，但也包括多于多个元素或元素的列表中的一个以及可选的其他未列出项。只有明确相反地指示的术语例如“仅一个”或“恰好一个”或者当在权利要求中使用时，“由……组成”将指的是包括多个元素或元素列表中的恰好一个元素。一般而言，本文中使用的术语“或”在其前面是排他性术语例如“任一个”、“一个”、“仅一个”或者“恰好一个”时，仅应该被解释为表示排他性替选(即“一个或另一个但不是两个”)。“主要由……组成”在权利要求书中使用时，将具有其在专利法领域中使用的普通含义。
在说明书和权利要求中所使用的短语“至少一个”，在指代一个或更多个元素的列表时，应理解为指从元素列表中的任何一个或更多个元素中选出的至少一个元素，而不一定包括在元素列表中所具体列举的每个或每一个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许除了在短语“至少一个”指代的元素列表内具体标识的元素之外，可以可选地存在无论与具体标识的那些元素相关还是不相关的元素。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或者等效地，“A或B中的至少一个”，或者等效地，“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方式中可以指代至少一个，可选地包括多于一个的A而不存在B(并且可选地包括除B之外的元素)；在另一实施方式中，可以指代至少一个，可选地包括多于一个的B而不存在A(并且可选地包括除A之外的元素)；在又一实施方式中，可以指代至少一个，可选地包括多于一个的A，以及可选地包括多于一个的至少一个B(并且可选地包括其他元素)；等等。
在权利要求书中以及在上述说明书中，所有的过渡性短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“容置”等都应当理解为是开放式的，即意指包括但不限于。只有连接词“由......组成”和“基本上由......组成”可以分别是封闭性的或半封闭性的连接词，如在美国专利局专利审查程序手册(章节2111.03)中阐述的。

Claims (27)

1.一种蒸发冷却系统，包括：
冷却塔单元；以及
径向去离子单元，其与所述冷却塔单元流体耦接。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述径向去离子单元包括具有围绕中心轴设置的同心圆形或螺旋形的电容器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述径向去离子单元被流体定位在所述冷却塔单元与用于所述冷却塔单元的补给水源之间。
4.根据权利要求3所述的系统，还包括水软化器，所述水软化器被流体定位在所述冷却塔单元与用于所述冷却塔单元的所述补给水源之间。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，用于所述冷却塔单元的所述补给水源是来自所述冷却塔单元的再生水，并且其中，所述水软化器被流体定位在所述冷却塔单元与所述径向去离子单元之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述径向去离子单元被流体定位成接收来自所述冷却塔单元的水，并且将所接收的水处理并返回到所述冷却单元。
7.一种用于操作蒸发冷却系统的方法，包括：
在径向去离子单元中处理来自水源的水以产生经处理的水；以及
将所述经处理的水输送至所述蒸发冷却系统的冷却塔单元。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在径向去离子单元中处理所述水源包括将所述水馈送到所述径向去离子单元中并且从所述水中至少部分地去除至少一种离子物质以产生所述经处理的水。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，至少部分地去除的所述至少一种离子物质包括以下中的一个或更多个：Li、Na、Ca、Mg、K、U、Hg、Se、Ba、Sr、Fe、Mn、Cr、Ni、Cu、Zn、Sn、Sb、Pb、Ag、Au、Cd、Hg、B、Bi、氯化物、硫酸盐、硫化物、亚硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、碳酸盐、硼酸盐、二氧化硅、硒酸盐、亚硒酸盐、溴化物、碘化物和碱。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，至少部分地去除的所述至少一种离子物质包含至少一种硬度离子。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，至少部分地去除的所述至少一种离子物质包括钠和氯，并且其中，来自所述水源的水至少部分地被所述径向去离子单元脱盐。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，在径向去离子单元中处理所述水源包括将所述水馈送到具有约300μS/cm与200,000μS/cm之间的传导率的所述径向去离子单元中并且从所述水中至少部分地去除至少一种离子物质以产生所述经处理的水，其中，所述经处理的水具有约30μS/cm与200,000μS/cm之间的传导率。
13.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述径向去离子单元中处理来自所述水源的水包括利用所述径向去离子单元以至少约50毫升/分钟每平方米活性电容器材料的速率产生经处理的水。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，在径向去离子单元中处理来自所述水源的水包括利用所述径向去离子单元以约1500毫升/分钟每平方米活性电容器材料与约3000毫升/分钟每平方米活性电容器材料之间的速率产生所述经处理的水。
15.根据权利要求7所述的方法，还包括在将所述经处理的水输送至所述冷却塔单元之前在水软化器中对所述经处理的水进行改善。
16.根据权利要求7所述的方法，其中，所述系统具有至少90％的水回收率。
17.根据权利要求7所述的方法，其中，在径向去离子单元中处理所述水源包括使得至少一种离子物质能够在基本上不从所述水中去除的情况下通过以产生所述经处理的水。
18.一种使用径向去离子单元产生经处理的水流的水处理方法，所述方法包括：
在第一径向去离子单元的第一操作循环期间将第一水流引至所述第一径向去离子单元以产生所述经处理的水流；
将所述经处理的水流引至第一单元操作；以及
在所述径向去离子单元的第二操作循环期间将第二水流引至所述第一径向去离子单元以产生排出水流；
其中，所述第二水流包括来自所述第一单元操作或第二单元操作的再生水。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一径向去离子单元的第一操作循环是水清洁循环，其中，至少一种离子物质被至少部分地从所述第一水流中去除以产生所述经处理的水流；并且其中，所述第一径向去离子单元的第二操作循环是排出循环，其中，在所述水清洁循环期间由所述第一径向去离子单元保留的离子物质被排出到所述第二水流中以产生所述排出水流。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一单元操作包括冷却塔单元。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二水流包括来自所述冷却塔单元的再生水。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，来自所述冷却塔的再生水包括排污水。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述排出循环期间在将所述排污水引至所述第一径向去离子单元之前利用所述第二径向去离子单元处理所述排污水。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二水流包括来自所述第二单元操作的再生水。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述第二单元操作包括锅炉单元或反渗透单元。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第二水流具有在300μS/cm与200,000μS/cm之间的传导率。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述排出水流具有在约300μS/cm与200,000μS/cm之间的传导率。
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