CN117180982A - 用于反渗透和压力延迟渗透的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统，该系统包括：RO子系统，其具有由RO膜分隔的高压RO室和低压RO室，高压RO室具有RO进料入口和盐水出口，并且低压RO室具有渗透物出口；PRO子系统，其具有由PRO膜分隔的高压PRO室和低压PRO室，高压PRO室具有驱动入口和驱动出口，并且低压PRO室具有PRO进料入口和PRO进料出口；感应电动机，其具有定子和转子，其中，转子机械地连接到液压泵的输入轴和液压马达的输出轴，液压泵构造成用于向RO进料入口提供进料溶液，液压马达构造成用于从驱动出口接收驱动溶液。本发明还涉及用于操作这种RO/PRO系统的方法以及这种系统的用途。

Description

用于反渗透和压力延迟渗透的系统
技术领域
本发明涉及一种用于反渗透和压力延迟渗透的系统，特别涉及两种过程组合操作的系统。本发明还涉及一种用于操作(例如独立操作)这种系统的方法，以及使用这种系统以用于生产紧邻盐和/或其他矿物的淡水。
背景技术
渗透是溶剂穿过半透膜而从该膜的面向较低溶质浓度的一侧朝向该膜的面向较高溶质浓度的一侧移动的过程。其中，溶剂颗粒的运动由扩散驱动，并且总体而言，更多的溶剂颗粒朝向更高的溶质浓度(即更低的水势)扩散，导致溶剂的净运动。这种自然发生的过程是反渗透和压力延迟渗透两者的基础。
在反渗透中，超过渗透压的压力被施加到较高溶质浓度的一侧，从而恢复渗透系统的能量平衡，引起在整个膜上的从高溶质浓度到低溶质浓度的净扩散运动，从而增加加压膜侧处的溶剂浓度。反渗透系统包括由半透膜间隔开的至少两个室，其中，可以控制所述室的流入和流出以设置体积流量条件以及整个膜上的压力梯度。
反渗透(RO)经常应用于水净化或脱盐应用。在这些应用中，反渗透在净化后的水和/或脱盐的水旁边产生高浓度的盐水。盐水保留在膜的加压侧处，而净化后的水和/或脱盐的水(渗透物)在低压下从另一个膜侧去除。将加压盐水从反渗透室中除去，以避免渗透压过度增加并允许新鲜进料溶液流入到该室中。已知使用能量回收装置，例如丹佛斯iSave装置，以将液压能从加压盐水转移到进料溶液，从而提高反渗透过程的整体能量效率。
压力延迟渗透(PRO)是在正向渗透的基础上将净流量朝向更高的溶质浓度施加而外部压力再次逆渗透压力梯度施加。在PRO过程中，可以基于浓度(例如盐度)、进料溶液和驱动溶液之间的梯度来产生能量，并且由与混合这些溶液相关的吉布斯自由能来定义可回收能量的上限。在实践中，浓缩的驱动溶液(例如海水)和进料溶液(例如微咸水或淡水(例如河水))通过半透膜分离，并且水将从进料侧扩散到加压驱动溶液侧。为了回收所产生的液压能，可以将产生的加压和稀释的驱动溶液供应给水轮机以产生电力。
很明显，RO过程和PRO过程适合组合，因为RO过程产生浓缩盐水溶液，而PRO过程从浓度梯度中获取能量。因此，各种研究已经分析了这些过程组合的热力学潜力。其中，已经发现PRO和RO的组合允许例如降低RO过程的成本，例如用于海水淡化，并且允许稀释RO盐水溶液以降低其对环境的影响。此外，在日本国家开发项目“Mega-ton Water Syste(百万吨水系统)”中已经开发了RO-PRO混合装置原型，该项目在PRO过程中使用了RO盐水。
然而，关于RO-PRO混合系统的已知研究更多地关注于用于提高组合过程的能量效率的热力学模型，而不是实现这种混合系统的实际方法。例如，尽管在以前的出版物中经常考虑所谓的能量回收装置(ERD)的使用和影响(例如，参见Altaee等人的《Integration andoptimization of pressure retarded osmosis withreverse osmosis for powergeneration and high efficiency desalination(用于发电和高效脱盐的压力延迟渗透与反渗透的集成和优化)》，Energy 103(2016)，第110-118页)，关于这种ERD装置的构造和操作的细节在其中经常被忽略。
因此，本发明的目的是克服或至少减少现有技术的缺点，并提供一种反渗透和压力延迟渗透的组合系统，该系统具有改进的效率，也允许多种操作条件。
发明内容
通过本发明的主题，即通过根据随附的权利要求所述的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统，以及通过根据权利要求所述的用于操作这种用于RO和PRO的系统的方法，实现了本发明的目的，并且克服或至少减少了现有技术的缺点。
本发明的一个方面涉及一种用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统，其包括RO子系统和PRO子系统。
其中，RO子系统包括由RO膜分隔的高压RO室和低压RO室。高压RO室和低压RO室优选地形成RO罐，该RO罐构造成容纳RO过程并承受发生的压力。高压RO室具有RO进料入口和盐水出口，并且构造成经由RO进料入口接收RO进料溶液。低压RO室具有渗透物出口，并且构造成经由RO膜接收渗透物，即具有降低的溶质浓度的驱动溶液。渗透物在第一RO压力下经由渗透物出口从低压RO室移除，而向上浓缩的驱动溶液(盐水)在第二RO压力下经由盐水出口从高压RO室移除。其中，第一RO压力低于第二RO压力。
RO膜构造成允许进料溶液的溶剂在被施加到高压RO室的外部压力下扩散。在优选实施例中，进料溶液是盐水，例如海水，并且RO膜构造成允许水扩散通过该膜，同时不让盐离子(例如Na+和Cl)通过该膜。优选地，RO膜还构造成不让有机物、细菌和热原通过膜。RO膜优选地是乙酸纤维素(CA)膜或聚砜膜中的一种，其可以进一步涂覆有芳香族聚酰胺。同样优选的是，RO膜是纳米结构RO膜、沸石膜和/或螺旋卷式RO膜。
PRO子系统包括由PRO膜分隔的高压PRO室和低压PRO室。该高压PRO室和低压PRO室优选地形成PRO罐，该PRO罐构造成容纳PRO过程并承受发生的压力。低压PRO室具有PRO进料入口和PRO进料出口，并构造成经由PRO进料入口接收PRO进料溶液，并经由PRO进料出口提供(输出)PRO进料溶液。其中，与经由PRO进料入口接收到的PRO进料溶液相比，经由PRO进液出口输出的PRO进液溶液优选地被上浓缩。以第一PRO压力在PRO进料入口处接收PRO进料溶液，而以低于第一PRO压力的第二PRO压力在PRO进料出口处输出PRO进料溶液。
高压PRO室具有构造成接收驱动溶液的驱动入口，并且进一步构造成经由PRO膜接收PRO进料溶液的溶剂。高压PRO室还具有驱动出口，该驱动出口构造成提供(输出)稀释的驱动溶液。驱动溶液具有比PRO进料溶液更高的溶质浓度。示例性地，驱动溶液是盐水，并且PRO进料溶液是淡水。然而，驱动溶液也可以是另一种(矿物)溶质的溶液，其中PRO进料溶液包括较低浓度的所述(矿物)溶质。优选地，驱动溶液是由高压RO室输出的盐水或矿物溶液。以第三PRO压力和体积流量接收驱动溶液，同时以第四PRO压力和体积流量输出稀释的驱动溶液，其中第四压力至少与第三PRO压力相同，同时稀释的驱动溶液的体积流量相对于驱动溶液的体积流量增多了。
PRO膜构造成允许PRO进料溶液的溶剂在施加到高压PRO室的压力下扩散。在优选实施例中，PRO进料溶液是盐水，例如海水或淡水，并且PRO膜构造成允许水扩散通过该膜，同时不让盐离子(例如Na+和Cl-)通过该膜。优选地，PRO膜被进一步构造成不让有机物、细菌和热原通过该膜。PRO膜优选地是乙酸纤维素(CA)膜、薄膜复合膜(TFC)(例如，包括聚砜(PSF)和聚酰胺的结合片，或聚丙烯腈(PAN)和聚酰胺的结合片)和中空纤维PRO膜(例如，由聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺等制成)中的一种。
在本发明的系统中，构造成用于向RO进料入口提供进料溶液的液压泵被机械地连接到液压马达，该液压马达构造成用于接收来自PRO室的驱动出口的驱动溶液。换句话说，驱动RO子系统的液压泵与在PRO子系统中产生动力的液压马达机械连接。因此，在根据本发明的RO和PRO系统中，RO子系统和PRO子系统是机械连接的。这允许有利的操作模式，如下面更详细描述的。简而言之，这种构造允许能量从PRO子系统直接转移到RO子系统，而没有转换损耗，特别是没有由于PRO侧中的机械能到电能的转换而引起的任何损耗，并且没有由于RO侧中的电能到机械能的转换所引起的损耗。
液压马达和液压泵的机械连接优选地是直接机械连接，例如经由液压马达和液力泵的共同驱动轴，经由小齿轮、传动带和/或传动轴。其中，公共驱动轴的一部分可以用作液压马达的输出轴，并且公共驱动轴的另一部分可以用作液压泵的输入轴。在这种情况下，能量可以经由直接机械连接在RO子系统和PRO子系统之间传递，例如，以扭矩和/或转速的形式传递。更详细地，PRO子系统中的液压能(体积流量、压力)由液压马达转换为机械能(扭矩、转速)，并经由直接机械连接传递到RO子系统中，在RO子系统中，液压能经由液压泵再次转换回液压能(体积流量、压力)。
在这样的实施例中，在PRO子系统中使用的液压能和/或在RO子系统中消耗的液压能可以被适配以便彼此匹配，从而允许无故障的直接机械连接。示例性地，可以调节(例如，降低)液压马达处的压降，以便适应(例如，减少)在那里转换成机械能的液压能。以相同的方式，可以调节(例如，增加)液压泵处的压力升高，以便匹配经由公共轴提供的机械能。这种适应可以使用可调节的阀来执行。
进一步优选地，机械连接是间接机械连接，例如经由齿轮箱、变速器和/或离合器。在这样的实施例中，优选地，液压马达的输出轴经由变速箱、变速器和/或离合器机械地连接到液压泵的输入轴。间接机械连接有利地允许更有效地匹配PRO子系统的功率输出和RO子系统的能量输入，并且不需要控制所述子系统中的流动过程。示例性地，经由齿轮箱，经由液压马达的输出轴提供的转速和/或转矩可以与液压泵的输入轴所需的转速和/或转矩相适应。同时，RO子系统和PRO子系统中的液压过程可以保持相同。以这种方式，间接机械连接允许系统的无故障操作，例如，通过避免机械部件的过载以及功率分配。
在优选实施例中，本发明的系统还包括具有定子和转子的感应电动机(inductionmotor)，特别是异步AC电动机。优选地，感应电动机是三相鼠笼式电动机，其被配置为假设给定的AC输入频率和绕组配置(极调整)以基本恒定的(旋转)速度运行。特别优选的是，感应电动机是双馈电机(DFIM)，例如双馈感应发电机(DFIG)或双馈绕线转子异步电机(DASM)，其被配置为假设给定的绕组配置(极调整)以可变的(旋转)速度运行。在DFIM、DFIG或DASM中，定子优选地与AC电源(例如，电力存储装置或电网)直接连接，而转子经由变频器与AC电源连接。换句话说，感应电动机被配置为定速发电机(FSG)或可调速发电机(ASG)，其中后者可以被配置为直接在线ASG系统或DFIG ASG系统，优选地包括IGBT转换器。
技术人员知道这种感应电动机的多种设计，这些设计通常用于各种工业应用，例如风力涡轮机。示例性设计、示意图和电路图例如公开在S.S.等人的(2002)《DoublyFed Induction Generator Systems for Wind Turbines(用于风力涡轮机的双馈感应发电机系统)》(PDF)；IEEE行业应用杂志；IEEE.8(3)：26-33；doi：10.1109/2943.999610，以及在Roberts，Paul C.的(2004)《Study of Brushless Doubly-Fed(Induction)Machines；Contributions in Machine Analysis，Design and Control(无刷双馈(感应)电机的研究；对电机分析、设计和控制的贡献)》(PDF)；剑桥大学埃马纽埃尔学院。上述文件的全部内容通过引用并入本文中。
根据该优选实施例，感应电动机的转子机械地连接到液压泵(的输入轴)，该液压泵被配置成用于向RO进料入口提供进料溶液。感应电动机的转子还机械连接到液压马达(的输出轴)，该液压马达被配置成用于接收来自PRO室的驱动出口的驱动溶液。换句话说，感应电动机的转子机械地连接到驱动RO子系统的液压泵以及在PRO子系统中发电的液压马达。换句话说，在本实施例中，RO子系统和PRO子系统之间也存在间接的机械连接。在本申请的上下文中，输入/输出轴指的是被配置为传送由给定装置输入/输出的机械能的任何机械部件(例如，小齿轮)。转子与液压马达和/或液压泵的机械连接是直接机械连接(例如，经由感应电动机的公共轴)或间接机械连接(如，经由齿轮箱)。特别优选地，感应电动机是两轴(dual-shaft)感应电动机或双轴(double shaft)感应电动机，其中转子连接到两个轴，其中一个轴然后优选地连接到液压马达，另一个连接到液压泵。
在根据该优选实施例的RO和PRO系统中，RO子系统和PRO子系统，即RO子系统中被配置成用于向RO进料入口提供进料溶液的液压泵和PRO子系统中被配置成从驱动出口接收驱动溶液的液压马达，经由感应电动机的转子进行机械连接。这再次允许能量从PRO子系统直接转移到RO子系统，而没有转换损耗，特别是没有由于功率转换器(例如AC/DC、AC/AC或DC/DC转换器或变频驱动器)中的电功率转换而引起的损耗。
此外，液压马达、感应电动机和液压泵的组合可以(被配置为操作)以净正功率生产来操作，其中所产生的功率可以有利地分配和/或用于操作系统中的其他用电设备，例如进料泵等。此外，系统的配置允许通过向系统添加电力或从系统获取电力来简单地补偿PRO子系统和RO子系统之间的能量差异。优选地，感应电动机能够以可变转差率(slip)操作，其中正转差率对应于其中能量由感应电动机消耗的操作模式，并且其中负转差率对应于其中电能由感应电动机产生的操作模式(即，其中感应电动机用作发电机)。
在又一个优选实施例中，本发明的系统还包括进料溶液贮存器，该进料溶液贮存器经由液压泵连接到RO进料入口。附加地或替代地，进料溶液贮存器还经由液压马达连接到驱动出口。示例性地，进料溶液贮存器是海水贮存器，该海水贮存器向RO子系统提供RO进料溶液并且从PRO驱动出口接收稀释的PRO驱动溶液，优选地是稀释的RO盐水。进一步优选地，进料溶液贮存器也连接到PRO进料入口。在这样的配置中，RO子系统的盐水输出优选地连接到驱动入口，因此有利地确保了用于操作PRO子系统的浓度梯度。这种仅具有单个进料溶液贮存器的设置有利地是简单的配置。
在另一个优选实施例中，该系统还包括驱动溶液贮存器，该驱动溶液储贮存器不同于进料溶液贮存器并且连接到盐水出口、驱动入口、驱动出口以及最终连接到PRO进料出口。这样的驱动溶液贮存器优选地允许与进料溶液贮存器分离地收集更高浓度的溶液。这没有积极的生态影响，并且允许系统的进一步有利的操作模式，例如，用于向上浓缩和收获矿物。驱动溶液贮存器可以被构造为罐，例如封闭罐，或者被构造为开放式贮存器，例如人工湖。驱动溶液贮存器进一步优选地包括浓缩物出口，以用于将向上浓缩的溶液提供给后续过程，例如蒸发器、另一个PRO级等。下面描述具有这种驱动溶液贮存器的系统的操作模式的进一步细节。
在本发明的系统中，液压泵优选地是轴向活塞泵。这种轴向活塞泵包括机械轴(输入轴)，该机械轴连接到旋转斜盘，该旋转斜盘承载布置在缸体内部的多个活塞。活塞可以是轴向定向的(即，平行于轴的轴线)。旋转斜盘的法向矢量和轴的轴线之间的凸轮角度决定了泵的位移，并基于旋转斜盘和缸体的相对旋转实现活塞的伸出和往复运动。活塞的这种运动用于将流体从泵入口转移(泵送)到泵出口，泵入口和泵出口都可以设置在端口和阀板中。在该系统中使用轴向活塞泵有利地允许利用最小量的移动部件和密封件以及无油润滑进行正排量泵送。示例性地，在本发明的系统中使用的液压泵是丹佛斯APP高压泵。
进一步优选地，(附加地或替代地)液压马达是轴向活塞马达。轴向活塞马达还包括机械轴(输出轴)，该机械轴连接到旋转斜盘，该旋转斜盘承载布置在缸体内部的多个活塞。同样，活塞可以轴向定向(即，平行于轴的轴线)。旋转斜盘的法向矢量和轴的轴线之间的凸轮角度决定了马达的位移。经由电机入口(发电机入口)将加压流体施加到活塞上，可实现活塞的伸出和往复运动以及旋转斜盘和缸体的相对旋转。轴向活塞马达的输出(旋转)速度与输入流量成比例，其驱动扭矩与电机入口和出口之间的压力差成比例。在该系统中使用轴向活塞马达有利地允许利用最小量的移动部件和密封件以及无油润滑从加压流体产生旋转能量。另一个重要的优点是轴向活塞泵/马达允许在压力和流量方面都有宽的操作窗口，并且仍然保持相对高的能量效率。示例性地，液压泵是丹佛斯高压PAH泵、丹佛斯MPl轴向活塞马达和H1弯轴线可变马达中的一个。轴向活塞马达和轴向活塞泵的使用进一步允许具有高对称性(因此易于维护)和低振动的系统。
在优选实施例中，液压泵和液压马达中的至少一个具有可调节的排量。特别优选地，液压泵是可调节排量的轴向活塞泵和/或液压马达是可调节排量的轴向活塞马达。换句话说，优选地，轴向活塞泵和轴向活塞马达中的一个具有可调节的冲程排量。通过利用连接到同一感应电动机的可变排量泵和可变排量马达，可以有利地精细地控制系统的操作条件。示例性地，在系统启动期间，轴向活塞马达的排量可以被设置为最小值(凸轮/旋转斜盘角度几乎为零)，而轴向活塞泵的排量可以被设置为允许的最大值(凸轮/旋转斜盘角度增加)。一旦系统运行，即从盐水出口输出的流体被提供给驱动输入，则轴向活塞泵的排量(凸轮/旋转斜盘角度)可以减小，而轴向活塞马达的排量(凸轮/旋转斜盘角度)增加到允许的最大值。
进一步优选地，轴向活塞泵和/或液压活塞马达可以具有通过机械的、机电的或液压机械的方式的直接排量控制。其中，轴向活塞泵和/或液压活塞的控制回路优选地连接，例如用于允许泵和马达的组合控制。同样优选地，轴向活塞泵和/或液压活塞马达可以各自是压力补偿的。其中，压力补偿可以被配置成调节泵的输出流量以维持泵出口处的预定压力和/或调节马达的输入流量以维持马达入口处的预定压力。进一步优选地，压力补偿构造成控制马达的输入流量以在泵出口处保持预定压力和/或调节泵的输出流量以在马达入口处保持预定压力。这样的配置有利地防止了泵(RO)侧处的过压，这可能是由到马达(PRO)侧的流入增加而引起的，其中这种压力补偿甚至可以与泵输入轴和马达输出轴到感应电动机的转子的固定连接一起使用。
根据优选实施例，感应电动机连接到电网和/或能量储存装置。其中，与能量储存装置的连接有利地允许系统的独立操作，其中能量储存装置用于通过向系统添加电力或从系统获取电力来补偿PRO和RO子系统之间的液压能的差。能量储存装置优选地是电池，例如锂离子电池，但也可以是另一种形式的能量储存装置，例如水力贮存器等。将感应电动机连接到电网进一步增加了系统的通用性，并且还允许通过使用来自电网的能量在冷启动条件下操作系统。感应电动机可以直接连接到电网或者连接到能量储存装置的AC输出。感应电动机的同步转速优选地由AC频率限定，并且可以通过使用齿轮箱或极可调绕组来调节。感应电动机还可以经由功率转换器、优选地经由(基于IGBT的)频率转换器等连接到电网或能量储存装置。
在所公开的系统的特别优选实施例中，液压泵的排量低于液压马达的排量。换句话说，轴向活塞泵的冲程排量低于轴向活塞马达的冲程排量。其中，液压泵的排量可以设置或构造为低于液压马达的排量。在这样的配置中，PRO子系统中的液压马达入口处的压力和/或体积流量超过RO子系统中的液压泵出口处的压力和/或体积流量，即，马达处的液压能超过泵处的液压能。由于马达和泵都连接到感应电动机的转子，因此感应电动机将以负转差率运行，即电动机在定子的同步速度之上运行，并因此向能量储存装置和/或电网供应电力。
在另一个优选实施例中，液压泵和液压马达中的至少一个构造成以可变的德尔塔压力(Δp)操作。其中，这种德尔塔压力是指泵/马达入口与泵/马达出口之间的压差。特别优选地，可以调节液压马达处的压力下降和/或可以调节液压泵处的压力上升。这种调节可以经由所述泵和/或马达的入口阀或出口阀进行。优选地，液压马达构造成在比液压泵更高的德尔塔压力之间操作(以更高的德尔塔压力操作)。换句话说，在液压马达处出现的压差超过了在液压泵处的压差。示例性地，PRO子系统中的液压马达接收具有大约200巴的压力的工作流体并输出具有大约2巴的降低后的压力的工作流体，而RO子系统中的液压泵接收具有大约2巴的压力的相应的工作流体并将其输出为具有大约60巴的压力。在这样的设置下，液压泵的排量可以大于液压马达的排量(例如，高达3倍)，同时仍能实现净正能量生产。
换句话说，通过默认设置或通过设置可变排量和/或通过调节液压马达和/或液压泵的阀来将液压马达的流体流量和/或德尔塔压力设置为超过液压泵的流体流量或德尔塔压力，本发明的系统有利地允许在简单、紧凑和稳健的设置下进行RO-PRO组合操作并产生过剩的电能。在系统中产生的过剩能量可以被提供给能量储存装置和/或电网，并且也可以在本发明的系统本身中使用。示例性地，该系统优选地进一步包括RO子系统和/或PRO子系统中的至少一个进料泵。所述至少一个进料泵优选地由感应电动机中产生的过剩能量直接地或经由电网和/或能量储存装置供给。
在优选实施例中，本发明的系统还包括至少一个能量回收装置(ERD)，其构造成将液压能从输入流传递到输出流。示例性地，这种ERD在盐水出口和RO进料入口之间互连。附加地或替代地，这种ERD在驱动出口和驱动入口之间互连。进一步优选地，这种ERD在PRO子系统和RO子系统之间互连。特别优选的是，该ERD是丹佛斯iSave装置。然而，在所公开的系统中也可以使用其他ERD。这种ERD的使用有利地进一步提高了整个系统的能量效率。
本发明的另一个方面涉及一种用于操作如上所述的根据本发明的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统的方法。其中，本发明的方法至少包括经由液压泵以第一压力和第一体积流量向RO进料入口提供进料溶液的步骤，通过液压马达以第二压力和第二体积流量从驱动出口接收驱动溶液的步骤，以及将能量从构造成向RO进料入口提供进料溶液的液压泵经由机械连接传递到构造成从驱动出口接收驱动溶液的液压马达的步骤。因此，本发明的方法有利地允许RO和PRO子系统之间的能量传递，而没有电转换损耗。上面已经讨论了(直接或间接)机械连接和相关操作模式的细节，为了简洁起见，省略了重复的描述。
优选地，该方法还包括以净能量消耗以第一操作模式操作系统和以净能量生产以第二操作模式操作该系统的步骤。其中，在第一操作模式下，从PRO子系统转移到RO子系统的能量不完全足以操作整个系统，而在第二操作模式下转移的能量是足够的。此外，在第二操作模式下，可以通过操纵RO和/或PRO子系统中的流量和/或压力条件(例如，经由可调节阀)、通过操纵间接机械连接(例如，齿轮箱)或通过操纵感应电动机来调节能量传递。
在另一个优选实施例中，本发明的系统包括如上所述的具有定子和转子的感应电动机，其中转子机械地连接到液压泵(的输入轴)和液压马达(的输出轴)。在该实施例中，该方法还包括以基于第一压力和第一体积流量与第二压力和第二体积流量的比率的转差率操作感应电动机的步骤。换句话说，在本发明的方法中，RO子系统和PRO子系统中的液压能的比率有利地连接到机械连接RO子系统与PRO子系统的感应电动机的转差率。因此，该优选实施例的方法有利地允许经由感应电动机的转差率进行简单的控制。
在本发明的方法的优选实施例中，感应电动机连接到作为RO和PRO系统的一部分的能量储存装置和/或连接到电网(电力网)。根据该实施例，该方法还包括以第一操作模式操作系统的步骤，其中感应电动机以正转差率操作并且消耗来自能量储存装置和/或电网的电能。换句话说，在第一操作模式下，RO子系统所需的液压能超过PRO子系统所提供的液压能，并且液压能的差经由感应电动机进行补偿。该方法还包括以第二操作模式操作系统的步骤，其中，感应电动机以负转差率操作，并将电能供应给能量储存装置和/或电网。换句话说，在第二操作模式下，PRO子系统提供的液压能超过RO子系统所需的液压能，并且过剩的液压能由感应电动机转换。
上述第一操作模式和第二操作模式可以通过设计在所公开的系统中实现，例如，通过使用行程排量(显著)小于液压马达的行程排量的液压泵，从而允许经由感应电动机进行能量过剩转换，感应电动机的转子连接到马达和泵两者的轴。在另一个示例中，液压马达构造成在比液压泵更高的德尔塔压力之间操作(以更高的德尔塔压力操作)，并且/或者PRO和/或RO子系统的其他部件(例如，阀)可以被调节以设置期望的德尔塔压力。
然而，在进一步的优选实施例中，所公开的系统的液压泵和液压马达中的至少一个具有可调节的排量和/或可调节的德尔塔压力。在这样的优选实施例中，该方法还包括在第一操作模式下将液压泵和液压马达的排量比调节为大于1的步骤。这样的排量比优选地与PRO子系统的马达入口处的压力(该压力超过RO子系统中的泵出口处的压力)相关。可替换地或附加地，该方法还包括在第一操作模式下，例如通过使用可调节阀等，将液压马达的德尔塔压力调节为小于液压泵的德尔塔压力的步骤。
在第二操作模式中，优选地将液压泵和液压马达的排量比调节为小于1。该排量比优选地与PRO马达入口处的压力(该压力小于RO泵出口处的压力)相关。可替换地或附加地，该方法还包括在第二操作模式下，例如通过使用可调节阀等将液压马达的德尔塔压力调节为大于液压泵的德尔塔压力的步骤。
根据所公开的方法的这个优选实施例，第一操作模式可以通过调节液压泵和/或液压马达的排量和/或德尔塔压力而动态地改变为第二操作模式并返回。该实施例有利地为系统提供了自由设置操作模式的能力，这有利地允许设置最佳操作条件，例如，在启动期间，或者当PRO子系统中的流量和/或压力变化时，或者如果需要增加RO水产量时。
在另一个优选实施例中，本发明的系统包括位于RO子系统和/或PRO子系统中的至少一个进料泵，并且本发明的方法还包括用来自能量储存装置的电能操作至少一个进料泵的步骤。作为对液压泵的补充的这种电动进料泵优选地至少在系统的部分操作时间期间操作。示例性地，在系统启动期间，PRO子系统可能不会产生足够的能量来为系统供电(例如，由于缺乏作为原液溶液的RO盐水)，而RO子系统需要能量输入来操作。在这种情况下，感应电动机可以以正转差率操作并驱动液压泵。此外，在这种情况下，RO子系统中以及最终PRO子系统中的至少一个进料泵可以用来自能量储存装置的能量驱动。操作至少一个进料泵允许使用液压泵、感应电动机和液压马达的组合，该组合对于系统的稳定操作是优化的并且在系统的稳定运行中特别有效。然而，所述至少一个进料泵也可以在系统的稳定运行期间操作，以保持较长距离的流动并用于减少液压泵上的负载。其中，所述至少一个进料泵可以由能量储存装置经由电网供电或经由适当的控制和连接直接由感应电动机供电。
在另一个优选实施例中，本发明的系统还包括海水贮存器，该海水贮存器经由液压泵连接到RO进料入口并且还连接到PRO进料入口。该系统还包括驱动溶液贮存器，该驱动溶液贮存器经由液压马达连接到驱动出口并且进一步连接到驱动入口和盐水出口。在这种情况下，该系统不仅可以用于提供脱盐水作为RO渗透物，同时使用PRO过程和RO上浓缩进料溶液(盐水)提供电力。该系统还可以用于采集矿物，例如盐等。在这样的优选实施例中，本发明的方法还包括从驱动溶液贮存器中的盐水出口收集盐水和从驱动溶液贮存器向PRO驱动入口提供驱动溶液，以及将来自PRO驱动出口的稀释的驱动溶液接收在驱动溶液贮存器中的步骤。换句话说，原液贮存器用作RO过程和PRO过程之间的缓冲器，并进一步接收在PRO过程中产生的稀释的PRO原液。因此，通过盐水出口处的体积流量和通过PRO膜的体积流量来确定到原液的净流入，其中后者对应于PRO驱动出口处的体积流量与PRO驱动入口处的体积流量之差。
盐水浓度对应于原液贮存器的基线浓度，而穿过PRO膜的体积流量具有比原液贮存器更低的溶质浓度(几乎为零)，并导致原液贮存器的稀释。该实施例的方法还包括从驱动溶液贮存器蒸发溶剂的步骤，其中溶剂的蒸发速率超过PRO驱动出口处的体积流量与PRO驱动入口处的体积流量之差，即，其超过穿过PRO膜的体积流量。通过控制向原液贮存器的流入并保持这样的蒸发速率，原液贮存器中的溶质浓度将持续上升，使得原液贮存器可直接或通过驱动向上浓缩的原液而用于矿物(盐)收获。在有更多到原液贮存器中的流入和/或流出的情况下，蒸发速率必须设置得至少足够高，以保持原液贮存器中的恒定浓度。可以例如通过设置与周围环境处于热平衡的原液贮存器的尺寸，特别是表面尺寸来调节蒸发速率。附加地和/或可替换地，可以使用附加的热源。向上浓缩的原液也可以从驱动溶液贮存器中移除，并提供给另一个随后的PRO过程以产生电能。
本发明的另一个方面涉及一种根据如上所述的本发明的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统的用途，该系统包括海水贮存器，该海水贮存器经由液压泵连接到RO进料入口并连接到PRO进料入口，所述系统还包括驱动溶液贮存器，该驱动溶液贮存器经由液压马达连接到PRO驱动出口并且进一步连接到盐水出口。根据本发明的这个方面，所述系统用于浓缩驱动溶液贮存器中的盐和/或其他矿物，用于从驱动溶液贮存器提取盐和/或者其他矿物，以及用于从渗透物出口提供淡水。为了实现该系统的这种用途，可以根据如上所述的本发明的方法来操作该系统。同样优选的是，该系统还用于经由感应电动机产生电能。
本发明的其他方面和优选实施例源于从属权利要求、附图和对附图的以下描述。如果没有另外明确地说明，则所公开的不同实施例有利地彼此组合。
附图说明
通过参考附图对示例性实施例的详细描述，本发明的特征对于本领域技术人员来说变得显而易见，其中：
图1示出了根据第一实施例的RO和PRO系统；
图2示出了根据第二实施例的RO和PRO系统；
图3示出了根据第三实施例的RO和PRO系统；
图4示出了根据第四实施例的RO和PRO系统；
图5示出了根据第五实施例的RO和PRO系统；
图6示出了根据第六实施例的RO和PRO系统；
图7示出了根据第七实施例的RO和PRO系统；
图8示出了根据第八实施例的RO和PRO系统；
图9示出了根据第八实施例的RO和PRO系统；
图10示出了根据一个实施例的用于RO和PRO的方法；并且
图11示出了根据另一个实施例的用于RO和PRO的方法。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。将参考附图描述示例性实施例的效果和特征及其实现方法。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且省略了多余的描述。本发明可以以各种不同的形式实施，并且不应被解释为仅限于本文所示的实施例。提供这些实施例作为示例，使得本发明将是完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的方面和特征。
因此，可以不描述本领域技术人员认为对于完全理解本发明的特征而言不必要的元件。
如在本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何组合和所有组合。此外，在描述本发明的实施例时，使用“可以”指的是“本发明的一个或多个实施例”。在以下对本发明的实施例的描述中，单数形式的术语可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。
应当理解，尽管术语“第一”和“第二”用于描述各种不同的元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件和另一个元件。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，第一元件可以被命名为第二元件，类似地，第二元件可以被命名为第一元件。如在本文中所使用的，术语“基本”、“约”和类似术语被用作近似术语，而不是程度术语，并且旨在说明本领域普通技术人员将认识到的测量值或计算值的固有偏差。此外，如果术语“基本”与可以使用数值表示的特征结合使用，则术语“基本”表示以该值为中心的值的+/-5％的范围。
图1示意性地示出了根据第一实施例的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统。该系统包括RO子系统10和PRO子系统20，它们在图1中用虚线框表示。
RO子系统10包括高压RO室11和低压RO室12，它们被RO膜13分隔并且一起形成RO罐。高压RO室11具有RO进料入口14和盐水出口15，而低压RO室12具有渗透物出口。优选地，每个入口和出口都是阀控制的，其中，可以使用主动阀或被动阀(例如，止回阀)。
PRO子系统20包括高压PRO室21和低压PRO室22，它们被PRO膜23分隔并且一起形成PRO罐。高压PRO室21具有驱动入口24和驱动出口25，低压PRO室22具有PRO进料入口26和PRO进料出口27。每个入口和出口都可以用主动阀和/或被动阀进行阀控制。
该系统还包括进料溶液贮存器40，该进料溶液贮存器包含进料溶液。进料溶液贮存器40可以是例如水池、溪流或大海。进料溶液贮存器40经由管道，特别是经由流体密封管道连接到RO子系统10和PRO子系统20。在图1至图8中，此类管道由箭头表示。进料溶液贮存器40可以被认为是RO子系统10和/或PRO子系统20的一部分，或者可以被认为与这些子系统分离，这是不相关的。
本发明的系统还包括感应电动机30，特别是异步电动机，具有定子和转子。该系统还包括作为液压泵的轴向活塞泵31，该轴向活塞泵构造成用于将进料溶液从进料溶液贮存器40提供到RO进料入口14。该系统还包括作为液压马达的轴向活塞马达32，该轴向活塞马达构造成用于接收来自驱动出口25的驱动溶液并将其提供给进料溶液贮存器40。感应电动机30的转子机械地连接到轴向活塞泵31的输入轴和轴向活塞马达32的输出轴。特别地，感应电动机30的转子连接到感应电动机30的电动机轴，其中，该电动机轴连接到所述输入轴和所述输出轴，并且其中，该电动机轴可以是单个连续的电动机轴或者可以由一对两(双)电动机轴形成。
进料溶液贮存器40经由轴向活塞泵31流体连接到高压RO室11的进料入口14，该轴向活塞泵以一定的体积流量和压力推动液体从进料溶液贮存器40输送到高压RO室11。进料溶液的溶剂通过RO膜13进入到低压RO室12中，在高压RO室11中留下向上浓缩的进料溶液(盐水)。溶剂作为渗透物在低压下经由渗透物出口16从低压RO室12中排出。渗透物可以是淡水。盐水在高压下经由盐水出口15从高压RO室11中排出。
从高压RO室11排出的盐水经由连接盐水出口15和PRO驱动溶液入口24的管道被提供到高压PRO室21的驱动溶液入口24。同时，来自进料溶液贮存器40的进料溶液经由合适的管道被提供给PRO进料溶液入口26。进料溶液的溶剂由渗透压驱动通过PRO膜23进入到高压PRO室21中，稀释经由驱动溶液入口24接收到的驱动溶液。
稀释后的驱动溶液经由驱动溶液出口25从高压PRO室21中排出，其体积流量超过PRO驱动溶液入口24处的体积流量。抽取的稀释的驱动溶液被供应给轴向活塞马达32的马达入口，在那里其液压能被转换成旋转，并且经由感应电动机30被转换成电。经由马达出口离开轴向活塞马达32的减压的稀释的驱动溶液被引导回到驱动溶液贮存器40中。保留在低压PRO室22中的进料溶液从其排出，并经由PRO进料出口27提供给驱动溶液贮存器。
图2示意性地示出了根据第二实施例的RO和PRO系统。用与第一实施例中相同的附图标记表示相同的部件，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图2的系统与图1的系统的不同之处在于，能量回收装置63、64设置在RO子系统10和PRO子系统20中。特别地，在RO子系统10中，RO能量回收装置ERD 63互连在盐水出口15和RO进料入口14之间。更详细地，RO ERD 63在低压下接收来自进料溶液贮存器40的进料溶液，并在高压下接收来自高压RO室11的盐水。在RO ERD 63中，液压能从高压盐水转移到低压进料溶液，并且因此，进料溶液由RO ERD 63以增加的压力提供给RO进料入口14，并且盐水由RO ERD 63以降低的压力提供给进料贮存器40。
在PRO子系统20中，PRO能量回收装置ERD 64在高压PRO室21的驱动出口25和驱动入口24之间互连。更详细地，连接到驱动出口25的管道是分开的，提供一个到轴向活塞马达32的马达入口的流动路径和另一个到PRO ERD 64的流动路径。经由另一个流动路径，从高压PRO室21排出的稀释后的驱动溶液的一部分被提供给PRO ERD 64，而所述溶液的另一部分被提供给轴向活塞马达32。因此，PRO ERD64在高压下接收稀释后的PRO驱动溶液。PROERD 64还接收在低压下从高压RO室11的盐水出口15排出的盐水。在PRO ERD 64中，液压能从高压稀释后的驱动溶液转移到低压盐水，因此，盐水以增加的压力作为PRO驱动溶液提供给驱动入口24，并且稀释后的驱动溶液以降低的压力提供给进料溶液贮存器40。
图3示意性地示出了根据第三实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例中相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图3的系统与图2的系统的不同之处在于，进料泵61、62设置在RO子系统10和PRO子系统20中。特别地，RO进料泵61互连在进料溶液贮存器40和轴向活塞泵31之间。RO进料泵61减小轴向活塞泵31上的负载。此外，PRO进料泵62互连在进料贮存器40和PRO ERD 64之间，并且进一步增加在驱动入口24上游的PRO驱动溶液的压力。
图4示意性地示出了根据第四实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图4的系统与图3的系统的不同之处在于，能量储存装置50连接到感应电动机30和电网51。电气连接如图4至图6中的虚线所示。能量储存装置50优选地是诸如锂离子电池的电池，其构造成接收来自感应电动机30的电能以及向感应电动机30提供电能。能量储存装置50优选地构造成接收来自电网51的电能以及向电网51提供电能。当能量储存装置50向感应电动机30提供电力时，感应电动机30能够以正转差率操作，并且当能量储存装置50从感应电动机30接收电力时，感应电动机30可以以负转差率操作。然而，电力供应和消耗之间的转换也可以与感应电动机30的转差率无关，例如，如果使用双馈电机作为感应电动机30并且使用逆变器控制。能量储存装置50可以包括一个或多个变频器，例如以用于连接到电网51和/或感应电动机50。同样如图4中所示出的，能量储存装置50为RO进料泵61和PRO进料泵62提供动力。
图5示意性图示了根据第五实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图5的系统与前面图1至图4的系统的不同之处在于，它包括位于海水贮存器42旁边的驱动溶液贮存器41，作为进料溶液贮存器。海水贮存器42经由液压马达31将进料溶液提供给RO子系统10，特别是提供给RO进料入口14。然而，海水贮存器42不接收盐水溶液，从而减少了系统的生态影响。此外，图5的系统被构造为“脱离电网”，同时生产清洁(淡)水和(电)能。
驱动溶液贮存器41(经由RO ERD 63)接收来自盐水出口15的盐水溶液，经由轴向活塞马达32和经由PRO ERD 64接收来自驱动出口25的稀释后的驱动溶液，接收来自海水贮存器42和来自PRO进料出口27的RO进料溶液，并且(经由PRO ERD 64)将驱动溶液提供给驱动入口24。驱动溶液贮存器41进一步向另一个过程阶段，例如蒸发器(未示出)提供向上浓缩的盐水/驱动溶液。
在特定示例中，海水贮存器42经由RO进料泵61在2巴的压力下提供186m3/h的进料溶液。所述体积进料溶液流量的一部分，特别是53m3/h，被提供给RO ERD 63，而所述体积进料溶液流量的剩余部分，即133m3/h被提供给轴向活塞泵31，并从那里以66巴的压力被提供给RO进料入口14。进料溶液的溶剂以2巴的压力和133m3/h的体积流量通过RO膜13并经由渗透物出口16离开低压RO室12。向上浓缩的进料溶液作为盐水经由盐水出口15以53m3/h的体积流量和62巴的压力从高压RO室11中排出。在RO ERD 63中，液压能从盐水传递到从海水贮存器42接收到的进料溶液的一部分，使得进料溶液的该部分也在66巴的压力和53m3/h的体积流量下从RO ERD 63提供到进料入口14。
盐水以53m3/h的体积流量和2巴的压力从RO ERD 63提供到驱动溶液贮存器41。从驱动溶液贮存器41经由PRO进料泵62以100m3/h的体积流量和2巴的压力将盐水作为驱动溶液提供给PRO ERD 64。PRO ERD 64向高压PRO室21的驱动入口24进料，而低压PRO室22的进料入口26被供给有由RO进料泵驱动的体积流量的一部分，特别供给在2巴的压力下的100m3/h的进料溶液。在PRO单元中，进料溶液的溶剂通过PRO膜23，并以200巴的增加压力和150m3/h的体积流量稀释经由驱动出口25离开高压PRO室的驱动溶液。稀释的驱动溶液的所述体积流量的一部分，特别是50m3/h，在200巴的压力下被提供给轴向活塞马达的马达入口。在经由轴向活塞马达32和感应电动机30将液压能转换为电能之后，50m3/h的体积流量的所述部分以2巴的压力被提供回到驱动溶液贮存器41。稀释后的驱动溶液的体积流量的另一部分，特别是100m3/h，以200巴的压力提供给PRO ERD 64。在那里，液压能从稀释后的驱动溶液的一部分转移到由PRO进料泵62提供的驱动溶液，使得驱动溶液以增加的压力提供到驱动入口24，而减压的稀释后的驱动溶液以2巴的压力提供给驱动溶液贮存器。在上面的示例中，所有的膜都被认为是在其上没有压力损失的理想实体，并且ERD被理想化为没有压力下降或其他内部损失。进料泵和增压泵以80％的能量效率建模，轴向活塞泵31和马达32以93％的能量效率建模。
在图5的实施例中，驱动溶液贮存器41再次进一步向另一个过程阶段，例如蒸发器(未示出)提供向上浓缩的盐水/驱动溶液，并且可以进一步从海水贮存器42接收额外的进料溶液以进行向上浓缩。类似的实施例如图6所示，示意性地示出了根据第六实施例的RO和PRO系统，其中相同的部件用与先前实施例中相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图6与图5的不同之处在于，来自PRO进料出口27的进料溶液被提供给进料溶液贮存器40，而不是驱动溶液贮存器41。此外，在图6中，驱动溶液贮存器41没有从进料溶液贮存器40接收额外的进料溶液以进行向上浓缩。此外，在该配置中，对系统的生态影响被最小化，并且进入驱动溶液贮存器41的净流入仅由盐水出口15处的体积流量和通过PRO膜23的体积流量来确定，其中后者对应于PRO驱动出口25处的体积流量与PRO驱动入口24处的体积流量之差。因此，如果溶剂以超过PRO驱动出口25处的体积流量与PRO驱动入口24处的体积流量之差的蒸发速率(即，其超过穿过PRO膜23的体积流量)从驱动溶液贮存器41(由最下方的箭二头指示从左侧的驱动溶液贮存器41)蒸发，则驱动溶液贮存器41中的浓度始终至少为盐水浓度。因此，在图6的系统中，可以通过仅调节蒸发速率和/或通过PRO膜23的流量来控制矿物(如盐)的产生/收获。
图7示意性地图示了根据第七实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图7的系统与先前图1至图6的系统的不同之处在于，PRO子系统20的进料溶液不是从进料溶液贮存器40提供的，而是RO过程的渗透物作为进料溶液提供给PRO过程。因此，图7的系统包括渗透物出口16和PRO进料入口26之间的管道。图7中省略了先前系统的其他部件，如ERD、进料泵、储电装置或电网。然而，该实施例也可以以与先前描述的类似的方式包括这些部件。
图8示意性说明了根据第八实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图8的系统与先前图1至图7的系统的不同之处在于，RO过程的盐水未用作PRO过程的驱动溶液。相反，当RO过程的渗透物被用作PRO过程的进料溶液时，PRO过程的驱动溶液是通过利用矿物贮存器43(例如地下盐资源)，特别是通过将溶剂(例如水)泵送通过这种矿物贮存器43来获得的，以便获得高的溶质浓度。当进料溶液的矿物含量对收获不感兴趣时和/或当现有的矿物贮存器43提供获得用于驱动PRO过程的高浓度梯度的机会时，有利地使用这种设置。图8的系统还包括RO ERD 63和PRO ERD 64，该RO ERD在高压RO室11的盐水出口15和进料入口14之间互连，该PRO ERD在PRO高压室21的驱动出口25和驱动入口24之间互连，如关于前面的实施例所描述的。图8中省略了先前系统的其他部件，如进料泵、储电装置或电网。然而，本实施例也可以以与所述类似的方式包括这些部件。
图9示意性地图示了根据第九实施例的RO和PRO系统。其中，相同的部件用与先前实施例相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，省略了对这些部件的重复描述。
图9的系统与先前图1至图8的系统的不同之处在于，能量回收装置(特别是等压压力交换器65)在PRO子系统20和RO子系统10之间互连。与参照图5解释的具体实施例相比，在等压压力交换器65中，只有PRO子系统20的液压能的一部分经由感应电动机30的间接机械连接传递到RO子系统10，而所述液压能量的另一部分经由等压压力交换器65从PRO传递到RO侧。
特别地，在图9的实施例中，调节液压马达32的德尔塔压力，使得马达入口处的50m3/h和200巴的流量的液压能转换为机械能，使马达出口处的50m3/h和65巴的流量离开液压马达，并输入到等压压力交换器65。在那里，所述流量的剩余液压能被转移到来自进料溶液贮存器40的低压流入，以2巴的压力进入等压压力交换器65，并以约65巴的压力离开。因此，在RO子系统中，液压泵31仅将到高压RO室11的入流的一部分加压至高达65巴，而等压压力交换器65的流出向其提供剩余的流入。通过以这种方式调节液压马达的德尔塔压力，有利地提高了等压压力交换器65的传递效率。进一步有利地，液压马达32的德尔塔压力跟随等压压力交换器65的高压入口处的压力，等压压力转换器65的高压入口处的压力再次跟随RO进料入口14处的压力并且因此可以提供自调节系统。
图10示意性地图示了根据一个实施例的用于操作反渗透RO和压力延迟渗透PRO系统的方法的框图，如先前关于图1至图9所描述的。其中，该方法包括经由液压泵31以第一压力和第一体积流量向RO进料入口14提供进料溶液的步骤S100。该方法还包括：通过液压马达32以第二压力和第二体积流量从驱动出口25接收驱动溶液的步骤S200。该方法还包括：将能量从被配置成用于向RO进料入口14提供进料溶液的液压泵31转移到被配置成用于从驱动出口25接收驱动溶液的液压马达32的步骤S300。在包括感应电动机30的系统的优选实施例中，步骤S300可以进一步包括：以基于第一压力和第一体积流量与第二压力和第二体积流量的比率的转差率操作感应电动机30。步骤S100、S200和S300不应被理解为指代一系列步骤，而是在系统的稳定操作中同时执行这些步骤。
图11示意性地图示了根据另一个实施例的用于操作如先前关于图1至图9所述的反渗透RO和压力延迟渗透PRO系统的方法的框图。在图11中，执行了步骤S100、S200和S300，描述了系统的稳定操作。根据操作模式来执行该方法的其余步骤。在第一操作模式下，图1至图8的感应电动机30在步骤S401a中以正转差率操作，因此在步骤S402a中消耗来自能量储存装置50和/或电网51(例如，图4至图6)的电能。根据所示实施例，第一操作模式还涉及：液压泵31和液压马达32的排量比在步骤S403a中被调节为大于1和/或液压马达的德尔塔压力小于液压泵的德尔塔压力。不同的是，在第二操作模式下，感应电动机30在步骤S401b中以负转差率操作，并在步骤S402b中进一步向能量储存装置50和/或电网51(例如，图4至图6)供应电能。根据所示实施例，第二操作模式还涉及：液压泵31和液压马达32的排量比被调节为小于1和/或液压马达的德尔塔压力大于液压泵的德尔塔压力。同样，这些步骤S401、S402和S403不应被理解为指代一系列步骤，而是这些步骤可以在系统的稳定操作中同时执行。
图11的方法还包括同样独立于作为第一操作模式和第二操作模式之一的系统的操作模式的步骤。虽然前面描述的步骤起到产生脱盐和/或纯化水的作用，但这些步骤起到收获矿物的额外目的。为了达到这一目的，在步骤S501中，从盐水出口15收集盐水并将其收集在驱动溶液贮存器41中(例如，图5和图6)。在步骤S502中，将驱动溶液从驱动溶液贮存器41提供到驱动入24，同时将来自驱动出25的稀释后的驱动溶液接收在驱动溶液贮存器41中。在步骤S503中，以溶剂的蒸发速率蒸发来自驱动溶液贮存器41的溶剂，所述溶剂的蒸发率至少与PRO驱动出25处的体积流量与PRO驱动入24处的体积流量之差一样高，即，其超过通过PRO膜23的溶剂的净流量。同样，这些步骤S501、S502和S503不应被理解为必须指代一系列步骤，而是这些步骤可以在系统的稳定操作中同时执行。
附图标记
10 反渗透RO子系统
11 高压RO室
12 低压RO室
13 RO膜
14 RO进料入口
15 盐水出口
16 渗透物出口
20 压力延迟渗透PRO子系统
21 高压PRO室
22 低压PRO室
23 PRO膜
24 驱动入口
25 驱动出口
26 PRO进料入口
27 PRO进料出口
30 感应电动机
31 轴向活塞(液压)泵
32 轴向活塞(液压)马达
40 进料溶液贮存器
41驱动溶液贮存器
42海水贮存器
43矿物贮存器
50能量储存装置
51电网
61RO进料泵
62PRO进料泵
63RO能量回收装置
64PRO能量回收装置
65等压压力交换器。

Claims (15)

1.一种用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统，包括：
RO子系统(10)，具有由RO膜(13)分隔的高压RO室(11)和低压RO室(12)，所述高压RO室(11)具有RO进料入口(14)和盐水出口(15)，并且所述低压RO室(12)具有渗透物出口(16)；
PRO子系统(20)，具有由PRO膜(23)分隔的高压PRO室(21)和低压PRO室(22)，所述高压PRO室(21)具有驱动入口(24)和驱动出口(25)，并且所述低压PRO室(22)具有PRO进料入口(26)和PRO进料出口(27)；
其中，构造成用于向所述RO进料入口(14)提供进料溶液的液压泵(31)机械地连接到构造成用于接收来自所述驱动出口(25)的驱动溶液的液压马达(32)。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括具有定子和转子的感应电动机(30)，其中，所述转子机械地连接到所述液压泵(31)的输入轴和所述液压马达(32)的输出轴。
3.根据权利要求1或2所述的系统，还包括进料溶液贮存器(40)，所述进料溶液贮存器经由所述液压泵(31)连接到所述RO进料入口(14)和/或经由所述液压马达(32)连接到所述驱动出口(25)，并且优选地连接到所述PRO进料入口(26)，并且/或者
所述系统还包括连接到所述盐水出口(15)、所述驱动入口(24)和所述驱动出口(25)的驱动溶液贮存器(41)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述液压泵是轴向活塞泵(31)，并且其中，所述液压马达是轴向活塞马达(32)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述液压泵(31)和所述液压马达(32)中的至少一个具有可调节的排量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述感应电动机(30)连接到能量储存装置(50)和/或电网(51)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述液压泵(31)的排量低于所述液压马达(32)的排量，并且其中，所述感应电动机(30)构造成以负转差率操作并且向所述能量储存装置(50)和/或向所述电网(51)供应电力。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述RO子系统(10)和/或在所述PRO子系统(20)中的至少一个进料泵(61、62)，所述至少一个进料泵(61、62)优选地连接到根据权利要求6或7所述的系统中的所述能量储存装置(50)和/或所述电网(51)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括在所述盐水出口(15)与所述RO进料入口(14)之间互连的RO能量回收装置(63)和/或在所述驱动出口(25)与所述驱动入口(24)之间互连的PRO能量回收装置(64)。
10.一种用于操作根据权利要求1所述的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统的方法，所述方法包括以下步骤：
经由所述液压泵(31)以第一压力和第一体积流量向所述RO进料入口(14)提供(S100)进料溶液；
通过所述液压马达(32)以第二压力和第二体积流量接收(S200)来自所述驱动出口(25)的驱动溶液；和
经由机械连接将能量(S300)从构造成向所述RO进料入口(14)提供进料溶液的所述液压泵(31)传递给构造成从所述驱动出口(25)接收驱动溶液的所述液压马达(32)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述系统还包括具有定子和转子的感应电动机(30)，其中，所述转子机械地连接到所述液压泵(31)的输入轴和所述液压马达(32)的输出轴，所述方法还包括以下步骤：
以基于所述第一压力和第一体积流量与所述第二压力和第二体积流量的比率的转差率来操作所述感应电动机(30)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述感应电动机(30)连接到所述RO和PRO系统的能量储存装置(50)和/或电网(51)，并且其中，所述方法还包括以下步骤：
在第一操作模式下，以正转差率操作(S401a)所述感应电动机(30)，并消耗(S402a)来自所述能量储存装置(50)和/或所述电网(51)的电能；和/或
在第二操作模式下，以负转差率操作(S401b)所述感应电动机(30)，并向所述能量储存装置(50)和/或所述电网(51)供应(S402b)电能。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述RO和PRO系统还包括在所述RO子系统(10)和/或在所述PRO子系统(20)中的至少一个进料泵(61、62)，并且其中，所述方法还包括以下步骤：
以来自所述能量储存装置(50)的电能操作所述至少一个进料泵(61、62)。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述RO和PRO系统还包括：经由所述液压泵(31)连接到所述RO进料入口(14)并连接到所述PRO进料入口(26)的海水贮存器(42)，以及经由所述液压马达(32)连接到所述驱动出口(25)、连接到所述驱动入口(24)并连接到所述盐水出口(15)的驱动溶液贮存器(41)，并且所述方法还包括以下步骤：
从所述驱动溶液贮存器(41)中的所述盐水出口(15)收集(S501)盐水；
从所述驱动溶液贮存器(41)向所述驱动入口(24)提供(S502)驱动溶液，并且将来自所述驱动出口(25)的稀释的驱动溶液接收在所述驱动溶液贮存器(41)中；和
从所述驱动溶液贮存器(41)蒸发(S503)溶剂，其中，所述溶剂的蒸发速率超过所述驱动出口(25)处的体积流量与所述驱动入口(24)处的体积流量之差。
15.一种根据权利要求1所述的用于反渗透(RO)和压力延迟渗透(PRO)的系统的用途，所述系统包括：经由所述液压泵(31)连接到所述RO进料入口(14)并连接到所述PRO进料入口(26)的海水贮存器(42)，以及经由所述液压马达(32)连接到所述盐水出口(15)和所述驱动出口(25)的驱动溶液贮存器(41)，以用于浓缩所述驱动溶液贮存器(41)中的盐和/或其它矿物，用于从所述驱动溶液贮存器(41)中提取盐和/或其他矿物以及用于从所述渗透物出口(16)提供淡水。
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