JP2003521375A - 飲用水蒸留システム - Google Patents
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Abstract
Description
海水または有機的、無機的に汚染された源水からの飲用水の回収に関するもので
ある。また、本発明は、加熱および燃焼プロセスで使用された空気から水を回収
する目的にも使用できる。
以下に主要な2方法を挙げる
以下に主要な2方法を挙げる。 淡水化法 淡水化法には、海水を大気圧で100℃を超える温度にして水蒸気を発生させ
る方式がある。発生した水蒸気は、水蒸気を凝結させて純粋な水にするための冷
媒として周囲の空気または水を使用して、蒸留される。この方法には、次のよう
な長所がある。 1.ほとんどのバクテリアは、水温が65℃を超えると死滅する。 2.沸騰が目視で確認できるため、システムの監視が容易である。 3.操作原理が理解しやすいため、作業者の訓練が少なくてすむ。 4.蒸留後の水に残る溶解固形物の総量(TDS)<10ppm。 しかしながら、この方法には多くの短所もある。下記はその例である。 1.海水を加熱するという間接的な方法が一般に用いられるため、効率が非常に
劣る。 2.海水中の固形物は高温で凝固する性質がある。熱交換器の表面に付着するこ
の凝固物によって、効率はさらに下がる。
の沸点を下げ、蒸留を行うものがある。この方式は、エネルギー消費が少ないた
め、船舶でよく用いられている。この方式の主な欠点は、蒸留温度が低くバクテ
リアを死滅させられないため、通常は、蒸留水中のバクテリアを死滅させるため
にオゾンを発生させる紫外線ランプが必要となる点である。また、蒸留槽の気圧
を大気圧より低く保つことが困難なため、大規模な利用にも適さない。
使用したろ過システムである。従来のろ過とは異なり、透膜システムは給水を透
過水流と濃縮水流の2つの流れに分離する。透過水流は半透膜を通る水であり、
一方濃縮水流は給水流の一部がシステムから濃縮された固形分を流し出すために
使用されているものである。 水は、ポンプによって透膜システムの膜ハウジングに供給される。水流の方向
は各ハウジングの上の矢印によって示されている。給水は、ハウジング内で、膜
によって分離され、透過水流と濃縮水流の2つの流れとしてハウジング外へ流れ
る。 複数の膜ハウジングが使用されているシステムでは、透過水流は透過マニホー
ルドで集められる。各膜ハウジングにそれぞれ1つの透過ラインがあると有効で
ある。通常、リリーフ弁または圧力スイッチを取り付けて透過水流の過剰な与圧
を防ぐ。透過水流は流量計を通過し、機械の出水点へと流れる。
、濃縮水流および再循環水流の2つの水流に分かれる。濃縮水流バルブには、3
つの機能がある。すなわち、機械内部の圧力を制御し、排水される濃縮水流の量
を制御し、回収制御を補助する機能である。回収バルブは予め定められた量の濃
縮水流をポンプの入り口へと流し、より強い乱流のクロスフローを発生させる。
この膜は、圧力によって性能が異なり、一価および多価イオンを除去する割合、
効率が異なる。 この方法の効率は、R.O.システムを駆動するポンプの効率に大きく左右さ
れ、しかもポンプは本来エネルギー効率が非常に悪いものである。
ットエンジン等の熱発生機関を使用して、ガスタービンヒートエンジンプロセス
に使用される燃料の総発熱量の90%近い効率で、蒸留飲用水を大量に製造する
方法に存するものである。これは唯一の方式ではなく、また方式の最も広い範囲
を示すものでもない。 本プロセスは、ガスタービンジェットエンジン中に具体化されたカルノー熱エ
ンジン効率サイクルを使用し、また、プロセス進行中の効率的な蒸留および原水
の余熱に、ランキンサイクルを使用している。
交換手段に送られた給水を加熱するために熱交換手段に高温流体を供給するよう
に配置された熱発生機関、熱交換手段から供給された熱水を受け入れるために配
置された瞬間水蒸発器、および蒸発器内の熱給水から発生した水蒸気を受け入れ
、それを水に変換するために配置された復水器から構成される蒸留水システムを
提供する。 この熱交換手段は、断熱ダクトを横切る多数のフィン付き炭素鋼管を有する断
熱ダクトを備えていてよい。高温流体の流れはダクト内に流れ込み、給水の流れ
はチューブを通って流れるように配置されている。
設置されたジェットエンジンであり、この気体の流れは前記瞬間水蒸発器に部分
真空を作り出すように設置されていることが好ましい。 もう1つの好ましい例では、熱発生機関は燃料ガスの状態の高温流体の流れのた
めの再生過熱経路を備えた燃料ガスバーナーである。 この熱交換手段が、前記エンジンの下流に配置された第1の熱交換器、および
高温流体から残留熱を受け取るように前記第1の熱交換器の下流に配置された第
2の熱交換器、および第1の熱交換器内の供給圧を高め、第1の熱交換器から引
き出せる顕熱および潜熱を増加させるように配置されたポンプを備えていること
も好ましい。
は、真空を保持するために断続的に作動してよい。このこの搬送手段は乾燥空気
の向流が流れる回転チャンバから成っていてよい。 または、この搬送手段は、円筒内のペーストから水を搾り出す、円筒内脱水ス
クリューであってよい。 可能な場合は、エンジンをその地方で産出する炭化水素ガス、例えば採鉱作業
で得られるメタン、エチレンのようなパイプラインガス、またはケロシンのよう
な液体炭化水素を使用するように改造する。適用例によっては、水の電気分解に
よる水素を用いてもよい。この熱発生機関は、カルノーサイクルを可能にし、必
要な熱を供給するため設置され、そのサイクルの原理が応用される。したがって
、炉、またはボイラーが有用であるが、大きな熱量を得るには、適切な規模の発
熱量を持ち、取り付けが経済的な、使用済みのジェットエンジンが好適である。
ターボファン型が好適である。ジェットエンジンからの高温の排気は、断熱ダク
トを横切るように配された多数のフィン付き炭素鋼管を有する断熱ダクトへ誘導
される。この高温(>650℃)の排気が熱交換手段を通る際に、チューブ内の
海水、またはその他の源水の状態で給水は、圧力下で、給水の所定の沸点より高
い所定の温度まで加熱される。 加熱された水は、ノズルを通って瞬間蒸留槽の形の蒸発器の中へ放出される。
この瞬間蒸留槽は、給水が60℃で瞬間的に蒸発する真空圧に保たれている。
めに使用される。熱交換器のチューブ内に鉱物が堆積するのを防ぐため、ポンプ
を使用して高温の熱交換器内を高速で水を循環させてよい。ただし、循環水の1
回の通過で水温の上昇が2℃を超えないようにする。これによって熱交換器の水
チューブ内に鉱物が堆積するのを最小限にすることができる。 給水は、通常、比例および積分・微分(PandID)制御を用いるプロセスの
温度、流量、および圧力を動的に制御するために可変周波数ドライブ(VFD)
を使用するデジタルコントロールシステム(DCS)で制御されるポンプで、熱
交換手段へ流される。これによってメンテナンス以外は全く、またはごくわずか
の操作しか必要としない、全システムの自動化が可能になる。
導くことができる。 流入する水は、第2の熱交換器内で流入する給水に対する熱伝達を行っている
間に、蒸発器または真空瞬間蒸留槽から流れてくる水蒸気の冷却、凝縮に使用し
てもよい。 このシステムは、大量の熱を発生するため、全ての高温部はMicropor
e(登録商標)断熱材で断熱してよい。低温の部分は、ポリスチレンフォームお
よびアルミ箔で断熱してよい。
9,435,200ジュール(ジェットエンジンの出力) 水温が100℃に上昇した水の量 1kg(水)×4.2×1000(水の比熱)×30℃(予想される入
水・出水温度温度の差)=126,000ジュール これに、水を水蒸気に変えるための熱量(=2,089,000ジュー
ル)を加える必要がある。 したがって11,929,435,200÷2,215,000=5,
385kg(最初の1時間で蒸留される水) 生産される蒸留水1kgあたりの燃料費=ジェットエンジンに投入した燃料費÷
生産された水の量
これでジェットエンジンの出力11,929,435,200ジュールを割ると
=1時間あたりケロシン265リットル。これに1リットルあたり0.22ドル
を掛け、生産される水5,385kgで割る。=265×0.22÷5,385
=水1リットルあたり0.011ドル。これは熱損失100%の場合であり、熱
回収95%の場合を考えると1リットルあたりの費用は(0.011ドル÷10
0)×5=0.00055セントとなる。
を示す図について述べる。 図1に示す飲用水蒸留システム10において、熱発生機関12は、RB211
航空機エンジンであり、このエンジン12の燃料としてケロシンが使用されてい
る。このようなモーターはメーカーの推奨飛行時間を超えても、大量の蒸留プロ
セス、即ち1時間あたり40〜50キロリットルの規模の熱発生機関としては、
依然有用である。モーターは推力を発生させるよりも熱発生機関として作動する
ように調整されている。安定した条件下で運転し、燃料としてケロシンを使用し
た場合、1150℃のエンジン温度が得られる。燃焼したガスの温度が約650
℃の水平ダクト14への排気は、第1の熱交換器16のステンレス鋼のクロスチ
ューブに吹き付ける。これらのチューブにはポンプ18によって循環する水が供
給される。循環ポンプ20が水圧を上げ、沸点を上昇させる。水温は約165℃
に上昇する。
lの固形分が含まれている。この固形分は、給水がステンレス鋼のフィン付きの
クロスチューブを備えた第2の熱交換器24を通る間に周囲の温度によって加熱
された場合も溶解したままである。 循環ポンプ20は第1の熱交換器内の給水の圧力を上げ、給水は熱交換器を出
て真空蒸発器26内に噴霧され、放出される。熱水流はバルブ28によって制御
される。蒸発器26は、エンジン12の空気の流れを利用するベンチュリー管3
0への接続によって、大気圧より低い圧力に保たれている。高温の給水が蒸発器
26内に放出されると、水は蒸発し、断熱膨張により冷える。低圧によって給水
は約60℃で沸騰する。したがって容器26はスプレー乾燥機の働きをし、固形
分は水蒸気から容器26の底へ落ち、固形分処理部50に集められる。(図2参
照) 容器26内の水蒸気は第2の熱交換器24へとパイプ34を通って流れる給水
によって冷却されている復水器32に到達する。蒸留された水は容器26から出
るパイプ36を通って排出される。
る。バルブ40および42は、給水を第2の熱交換器24へ送り込む予熱交換器
44への給水の調節に使用される。バルブ36はパイプ34を通る冷却水の流量
を調節する。 蒸発器26からの固形分は、ペースト状になってコレクター52へ入る。この
ペーストはオーガー54によって、一対のローラー58上で回転する水平円筒5
6(直径300mm)の内部へ送られる。入り側の端は、蒸発器26内部の容器
と接続するポート62を備えたカバー60によって閉じられている。出側の端は
、円筒の回転(4rpm)と反対方向の渦巻状の旋条を備えたインジェクター6
6を通じて熱風の乾燥向流を通すカバー64によって閉じられている。ペースト
を分配するための縦方向のバーリフター68が円筒56に溶接されている。固形
分はポート70を通って円筒56から出て行く。これと同様の機械的なペースト
の機械的な脱水処理にも使用できる。
がオーガー送り込み54の駆動に使用されている。4rpmに制御された可変速
モーターを備えた減速もう1つのドライブアッセンブリ74がローラー58の駆
動に使用されている。 上記は本発明の実例として挙げられているが、ここで述べた発明の範囲を大き
く逸脱することなく、これについて多くの変更および修正がなされ得ることは、
当業者には明らかであろう。
関する概要図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 熱交換手段に対し給水を供給するため配置された給水手段と、
熱交換手段内の給水を加熱するため熱交換手段に対し高温流体の流れを供給する
ため配置された熱発生機関と、加熱水を蒸発させるため熱交換手段から加熱給水
を受け取るため配置された瞬間水蒸発器と、蒸発器内の加熱された給水から生成
された蒸気を受け取ってその蒸気を水に変換する復水器とを含む、水蒸留システ
ム。 - 【請求項2】 内部の水を所定の流量で再循環させることにより、熱交換手段
内の圧力を増加するため配置された水再循環手段をさらに含む、請求項1に記載
のシステム。 - 【請求項3】 瞬間水蒸発器内に部分真空を導入するため配置された抽気手段
をさらに含む、請求項1又は2に記載のシステム。 - 【請求項4】 熱発生機関が高温流体の流れを気体の形で熱交換手段に供給す
るため配置されたジェットエンジンであり、瞬間水蒸発器内に部分真空を作るた
め気体流が導入されるよう配置された抽気手段を追加して含む、請求項1又は2
に記載のシステム。 - 【請求項5】 熱発生機関が燃料ガスの形の高温流体の流れのため再生過熱経
路を有する燃料ガスバーナーである、請求項1乃至3のいずれか1つに記載のシ
ステム。 - 【請求項6】 熱交換手段がダクトを横切って配置された多数のフィン付き炭
素鋼管を備えた分離管路を含み、高温流体の流れがダクトに流入する配置となっ
ており、給水がその管を通って流れる配置となっている、請求項1乃至5のいず
れか1つに記載のシステム。 - 【請求項7】 熱交換手段が、前記機関に対する下流に配置された第1熱交換
器と、前記第1熱交換器に対する下流に配置され高温流体から残留熱を受ける第
2熱交換器と、第1熱交換器から顕熱および潜熱の抽出を増加するため第1熱交
換器内の供給圧を増加する配置となっているポンプを含む水再循環手段と、を含
む、請求項2乃至6のいずれか1つに記載のシステム。 - 【請求項8】 比較的高温の第1熱交換器とポンプとを使用して水を高速で高
温熱交換器を通じて再循環する前に、第2熱交換器を使用して給水を予熱し、水
の温度上昇が水の各経路において2℃を以下であることを確実にし、それにより
熱交換器内の固体層堆積をいずれも軽減する、請求項7に記載のシステム。 - 【請求項9】 流入給水が第1熱交換器に入る前に予熱のため第2熱交換器に
向かい、流入給水に対する熱伝達がなされる間に、第2熱交換器内で流入給水が
水蒸気を冷却し復水するため使用される、請求項7又は8に記載のシステム。 - 【請求項10】 加熱給水の蒸発から生じる固体をいずれも蒸発器から搬送す
るため、蒸発器と一体になった固体搬送手段をさらに含む、請求項1乃至9のい
ずれか1つに記載のシステム。 - 【請求項11】 搬送手段が、蒸発器における真空状態を維持するため、間欠
的に動作する配置となっている、請求項10に記載のシステム。 - 【請求項12】 搬送手段が、乾燥空気の対抗流を伴う回転チャンバを含む、
請求項10又は11に記載のシステム。 - 【請求項13】 搬送手段が、円筒内のペーストから水を絞り出す脱水スクリ
ューを円筒内に含む、請求項10又は11に記載のシステム。 - 【請求項14】 該機関が、採鉱作業からのメタンを含む炭化水素ガス、又は
エチレン若しくは液体炭化水素を含むパイプラインガス、又は電気分解水からの
水素を消費するのに適合されている、請求項1乃至13のいずれか1つに記載の
システム。 - 【請求項15】 給水が、水の温度と、流量と圧力とを動的に制御するため配
置されたポンプと制御手段とを用いて熱交換手段に引き込まれる、請求項1乃至
14のいずれか1つに記載のシステム。 - 【請求項16】 熱発生機関がバイパス空気の割合が大きいターボファン型ガ
スタービンジェットエンジンであり、ジェットエンジンからの高温排気が、ダク
トを横切って配置された多数のフィン付き炭素鋼管を有する熱交換手段を備える
分離管路を通る方向に向けられ、システムは、排気ガス(>650℃)が熱交換
手段を通るので、海水又はその他の水源の形の管内の給水が加圧下で給水の所定
沸点より高い所定温度まで熱せられ、加熱水が次いでノズルを通じて、給水が6
0℃で瞬時に沸騰することの出来る真空圧に保たれた瞬間蒸発チャンバの形の蒸
発器中に、解放される配置となっている、請求項1に記載のシステム。
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