JP2009539584A6 - 浸透圧性溶質を回収するための多段式カラム蒸留（ｍｓｃｄ）法 - Google Patents

Abstract

複数の蒸留カラムを使用して、誘導溶液から、誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための方法および装置。一実施形態では、誘導溶液を、順浸透（ＦＯ）水脱塩工程において使用する。この実施形態では、誘導溶液は、複数の蒸留カラムに平行に導き、一方、エネルギーのストリーム（熱）は、複数の蒸留カラムに順次に導き、それによって、熱利用の効率を改善し、したがって、熱のコストを低減する。
【選択図】 図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００６年６月８日出願の仮出願第６０／８１２３８３号の利益を請求し、その主題の全てが、参照によって組み入れられている。

連邦政府が資金援助している研究または開発に関する記述
本発明は、一部、米国政府、ｔｈｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｎａｖａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ、Ａｗａｒｄ Ｎｏ．Ｎ０００１４０５１０８０１の援助によって行われた。したがって、米国政府は、本発明中の特定の権利を有することができる。

本発明は、一般的に、複数の蒸留カラムを使用して、溶質と溶媒とを分離する分野に関する。より具体的には、本発明は、海水脱塩、半塩水脱塩、廃水精製、汚染水の改善、浸透圧熱機関（ＯＨＥ）、または水溶液中の溶質と水とを分離するのが望まれる、いずれかのその他の応用例に関する。

海水および半塩水の脱塩技術は、世界の乾燥地域および人口密度の高い地域における水不足の緩和に向けて、大いに有望である。さらなる人口増加および地球温暖化により、信頼できる淡水源に関して、供給と需要との間の不均衡が一段と広がっている。共用の水源をめぐる対立が、隣接国家間のすでに顕著な緊張を悪化させている場合がいくつかある。

十分な水の供給を有する地域においてさえも、一貫性のない、しばしば悪質な水質が、疾患および苦難の一因となっている。このような疾患および苦難の蔓延は、適切な水処理がより広範に利用できれば、大幅に減少するであろう。水不足を緩和し、良質な水を確保する要求に応じることは、次世紀の科学者およびエンジニアの主要な課題であろう。多くの研究が、現存する水処理技術を改善するために、特に、膜処理法の有効性を高め、コストを低減することに関してなされている。膜処理法の場合、膀胱の細胞の壁に類似する半透膜を使用し、これは、通過させるものを選択し、一般に、小型分子（水等）は容易に通過させるが、多くのその他の化合物は通過させない。それぞれが異なる濃度の溶解化合物を含有する、２種の溶液が、バリアの各々の側に存在すると、典型的には、水は、溶液濃度の低い側から、溶液濃度の高い側へ移動する。最終的には、浸透圧が、拡散過程にぴったり対抗して、平衡が形成されることになる。

１つの膜処理法が、逆浸透（ＲＯ）として知られており、これは、脱塩分野の当業者には十分に理解されている。ＲＯ工程は、その内部に存在する化合物の、より高い濃度を有する水溶液から、溶解化合物のより低い濃度を有する溶液中への、半透膜を通る水分子の正味の流れを強制的に起こす。源側上の高い水圧を使用して、自然または順方向の浸透圧過程を「逆転させる」。

エネルギー必要量を減少させる点で進歩が見られ、したがって、ＲＯのコストが低減しているが、克服すべき課題が依然として存在する。海水および半塩水のためのＲＯのエネルギー・コストは、実用的に広範に使用するためには、依然として高過ぎる。大量の塩水吐出量は、引き続き、それが引き起こす恐れのある環境への影響が心配され、設備交換の長期にわたる費用は、依然として多大である。

現在の海水および半塩水の脱塩技術が依然として直面する課題のうちのいくつかに取り組む努力において、アンモニア−二酸化炭素による順浸透（ＦＯ）脱塩法が開発されている。ＦＯ工程は、例えば、米国特許第６３９１２０５号および米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８号に記載されており、これらは、その全内容が参照によって本明細書に組み入れられている。ＲＯと比較して、ＦＯ工程の主たる利点は、より低いエネルギー・コスト、優れた給水の回収および塩水吐出の最小化を含む。

アンモニア−二酸化炭素ＦＯ工程においては、ＲＯにおいて使用されるものに類似する型の半透膜を使用して、淡水を塩水給水源から分離する。ＲＯにおいては、この分離は、膜全体に及ぶ水圧の勾配によって推進され、この勾配は、塩水給水源からの淡水の流れ（透過水の流れ）に抵抗する浸透圧の勾配を顕著に上回る大きさで生じさせる。ＦＯ工程は、水がより高い浸透圧の方向に（より高い濃度の溶液に向かって）流れる自然の傾向を使用して、水を、塩水供給ストリームから、高度に濃縮された「誘導溶液」中に誘導して、淡水の透過水を、塩水給水ストリームから効果的に分離する。先行技術のアンモニア−二酸化炭素ＦＯ工程の概念図を、図１に示す。

アンモニア−二酸化炭素ＦＯ工程において使用する膜は、ＲＯ工程において使用する膜に類似する。１つの顕著な差異は、ＲＯ膜は高い水圧に耐える必要がある点である。この要件のために、（しばしば、最大１００ミクロンの厚さの）織物製の支持層を、膜の内部に使用して、強度を高める。これを添加すると、この型の膜は、ＦＯ工程において使用する場合には、流動性能が顕著に減少する。ＦＯのために特異的に製造した、すなわち、この設計には、織物製の裏当て層が含まれない膜を使用して実施したＦＯ試験では、織物の裏当てを有する、化学的には類似するＲＯ膜よりも１０倍超優れた流動性能が実証された。

ＲＯ膜を利用した場合のＦＯ性能への負の影響は、織物製の膜の支持体の内部にある誘導溶液の内部濃度の分極化（ＩＣＰ）による。この現象の場合、密度の高い膜（拒絶層（ｒｅｊｅｃｔｉｎｇ ｌａｙｅｒ））を通り抜ける透過水が、支持層の内部の誘導溶液を希釈し、その結果、有効な浸透圧を、密度の高い膜の表面において大幅に減少させる。溶質が密度の高い層の方向に向かって拡散する速度は、ほとんどの場合、溶質からの水の流動によって生じた、こうした希釈に完全に対抗するには不十分である。この現象に、誘導溶液の流れの接線速度または乱流を増加させること、すなわち、通例であれば、外部濃度の分極化を低下させる場合には有効であるステップによって対抗することはできない。これは、ＩＣＰ現象が、多孔質の支持体の境界内部で起きることによる。

膜構造から織物製の層を排除することによって、ＦＯの流動が顕著に改善される一方で、ＩＣＰ効果が、この改変形態によって完全に解消されるわけではない。何らかの効果が、非対称または薄膜の複合材料膜構造に不可欠である、非織物性の多孔性ポリマーの支持体の内部に残留する。この多孔性の層は、約５０ミクロンの厚さであり、溶質の拒絶（ｓｏｌｕｔｅ ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）が起きる、密度の高い膜の層の下に存在する。密度の高い層は、数ミクロンの厚さに過ぎないことが多いが、取扱いおよび流体のせん断力に耐えるために、この支持構造によって補強する必要がある。そうでなければ、膜表面は、取扱いおよび流体のせん断力によって裂けるであろう。このため、引き続き、密度の高い分離膜のみの使用が実現した場合と比較して、有効な浸透圧が低下した状態にある。

有効な浸透圧のＩＣＰによる低下は、「膜の性能比」（Ｐｍ）として表わすことができ、これは、供給溶液と誘導溶液との浸透圧の差から計算した理論的流動（Ｊ_理論）に対する、実験的なまたは測定した流動（Ｊ_実験）の比として定義される。

ＦＯにおける膜の性能比は、非常に低くてよく、場合によっては、ＦＯのために特異的に設計された膜を使用する場合であってさえ、２〜３％と低くてよい。しかし、誘導溶液の十分に高い濃度を活用する限り、低い膜の性能比の効率の悪さは、ＦＯ工程の動作を制限しない。２モル濃度のＮａＣｌ供給ストリームからの水の効果的な分離に基づくと、膜の流動は、ＲＯの典型的な膜の流動と同等以上に確立することができるであろうこと、および７５％までの海水の回収が達成可能であることが実証されている。

効果的なＦＯ脱塩のためには、誘導溶液は、高い浸透圧を有し、取り出して再使用するのに簡便かつ実用的である溶質を含有する必要がある。アンモニア−二酸化炭素ＦＯ工程においては、誘導溶液は、アンモニウム塩から構成され、これは、水溶液中でアンモニアと二酸化炭素との混合物から形成される。形成された塩の種は、炭酸水素アンモニウム、炭酸アンモニウムおよ びカルバミン酸アンモニウムを含む。これらのうち、カルバミン酸アンモニウムが、圧倒的に最も可溶性である。その他の誘導溶液は、エタノールおよびその他の熱によって取り出すことができる誘導溶質を利用することができる。

アンモニア−二酸化炭素誘導溶液の１つの重要な特徴は、アンモニウム塩中のアンモニアの二酸化炭素に対する比である。誘導溶液中のアンモニアの二酸化炭素に対する比が大きいほど、カルバミン酸アンモニウムのその他の溶解種と比較した濃度が高まる。これは、全アンモニウム塩のより高い濃度をもたらして、溶液内のより高い浸透圧を生じる。例えば、炭酸水素アンモニウムの室温における最大溶解度は、約２モル濃度であるが、そのような溶液にアンモニアを添加すると、カルバミン酸アンモニウム（およびはるかに程度は低いが、炭酸アンモニウム）の形成が進行し、これによって、さらなる二酸化炭素を添加することが可能になる等であり、高い全濃度のアンモニウム塩が溶解することが可能になる。また、溶液温度を上昇させても、溶質の溶解度が幾分か上昇するが、誘導溶液の高い濃度に関与する主要な機構は、塩を形成するガスの比である。高い浸透圧が生じると、次いで、ＦＯ脱塩工程における水の流動および供給水の回収の両方を増加させる。

ＦＯ工程によって生み出された浸透圧の勾配によって、淡水が、塩水供給部から膜を越えて誘導溶液内に流れると、希釈された誘導溶液は、アンモニウム塩を分離するために処理する必要がある。この分離工程（回収工程とも呼ばれる）は、炭酸水素アンモニウム、炭酸およびカルバミン酸の塩のアンモニアガスおよび二酸化炭素ガスへの熱分解に基づく。この熱分解は、これらの溶質を含有する溶液を、適切な温度および圧力で加熱すると発生する。大気圧では、この分解は、約６０℃で発生する。より低い圧力では、分解温度は、比例的に低下する。このような加熱、分解、ならびにアンモニアガスおよび二酸化炭素ガスの取り出しおよび再生利用は、単一または複数の蒸留カラム中で達成することができ、その生成物として、淡水と、ＦＯ膜システム中で再使用するための再度濃縮された誘導溶液とをもたらす。この工程から生成した水は、飲料用として適するように、１ｐｐｍをはるかに下回るアンモニアおよび二酸化炭素を含有すると定めることができる。

希釈ＦＯ誘導溶液から誘導溶質を取り出して再生利用する、簡便で、証明されたアプローチは、蒸留カラムの使用であり、これは、リボイラー吸収カラム（ｒｅｂｏｉｌｅｒ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｏｌｕｍｎ）またはストリッパー（ｓｔｒｉｐｐｅｒ）としても知られている。このアプローチは、現在、例えば、種々の揮発性溶質を廃水または工程ストリームから取り出す場合、および尿素の生産において、カルバミン酸アンモニウムを、アンモニアガスおよび二酸化炭素ガスとして再生利用するために活用されている。回収システムにおいて使用する熱の温度に応じて、１つまたは複数の蒸留カラムを使用することができる。

ＦＯ工程において溶質を回収する、簡便で、エネルギー・コストの低いアプローチは、単一の真空蒸留カラムの使用である。典型的な先行技術の単一真空蒸留カラムの概念図を、図２に示す。この構成は、熱エネルギー源が、約４０℃から約４４℃までの低温である場合には、特に有用である。図２に示すように、４０℃と低い温度の熱を、熱伝達手段、ここでは、リボイラー（１）の熱交換表面の外部に導入して、水蒸気を蒸留カラム（ａ）中に上昇させ、同時に、（カラムの上部から導入した）希釈誘導溶液（２）が、流れに逆らって、下方に滝のように落ちる。エネルギーが、上昇する蒸気から下降する液体に移動すると、揮発性のより高いアンモニアおよび二酸化炭素が、揮発性のより低い水から分別して分離され、その結果、カラム中のより高い点には、カラム中のより低い点より、アンモニアおよび二酸化炭素がより多く存在する。定常状態の動作においては、カラムの底部に存在する生成した水（３）は、１ｐｐｍ未満のアンモニアおよび二酸化炭素を含有すると定めることができる。回収／分離された溶質は、蒸留カラム（ａ）の出口（４）を通って、濃縮誘導溶液中に再度導入される。このアプローチに要求されるエネルギーは、ほぼ全部が熱エネルギーであり、少量の追加の電力が、液体を、ポンプでカラムへ汲み入れ、カラムから汲み出すために使用される。

米国特許第６３９１２０５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１４５５６８号明細書

以前に注目したように、ＦＯ工程の主たる利点は、より低いエネルギー・コスト、高い給水の回収および塩水吐出の最小化を含む。本発明の発明者らは、熱利用の効率が改善されると、ＦＯ脱塩工程において要求される熱エネルギーのコストを、さらに一層低減することができることを決定した。発明者らは、これは、複数の蒸留カラムと併用して、より高い温度の熱源を使用することによって達成できることもさらに決定した。このアプローチは、熱利用の効率を改善し、（誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した水とを分離する）回収工程のエネルギーの使用を、単一蒸留カラムの使用と比較して７０％超削減する。

本発明の目的は、複数の蒸留カラムを使用して、誘導溶液の溶質と溶媒とを分離することである。例えば、本発明のある目的は、海水脱塩、半塩水脱塩、廃水精製および汚染水の改善のための改善された配列および工程を提供することである。

本発明の別の目的は、複数の蒸留カラムを使用して、ＦＯ脱塩工程の熱効率を改善することである。

本発明のさらなる目的は、ある一定の量の熱に対して、生成した溶媒を最大生産量で生産することである。

したがって、本発明は、構造、要素の組合せ、部品の配列およびステップの順序の特色を含み、これらを、以下に記載する構造、図解および説明において例示し、発明の範囲を、特許請求の範囲によって示す。

これを受けて、本発明は、一般に、かつ第１の実施形態に従って記載すれば、
誘導溶液を第１の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
第１の蒸留カラムに第２の端部において連結している第１の熱伝達手段であって、熱エネルギー源に連結している入口、および熱エネルギーを第１の蒸留カラムに導入して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第１の蒸留カラムに連結している出口を有する、第１の熱伝達手段と；
誘導溶液のうちの蒸発部分を第１の蒸留カラムから取り出すための第１の出口と
を含む第１の蒸留カラム；ならびに
誘導溶液を第２の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
第２の蒸留カラムに第２の端部において連結している第２の熱伝達手段であって、熱エネルギー源を第２の蒸留カラムに提供するための、第１の蒸留カラムの第１の出口に連結している入口、および熱エネルギーを第２の蒸留カラムに導入して、第２の蒸留チャンバー中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第２の蒸留カラムに連結している出口を有する、第２の熱伝達手段と
を含む少なくとも第２の蒸留カラム
を有する装置を対象にするものである。

本発明の別の目的は、ＦＯ脱塩工程において誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための方法を提供し、それによって、熱利用の効率を改善する。

これを受けて、本発明は、別の実施形態では、
誘導溶液を、少なくとも第１の蒸留カラムおよび少なくとも第２の蒸留カラムのそれぞれに導入するステップと；
熱エネルギー源からの熱エネルギーを、第１の蒸留カラムの第１の熱伝達手段に適用して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと；
誘導溶液のうちの蒸発部分を、第１の蒸留カラムから第２の蒸留カラムの第２の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第１の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第２の蒸発カラムのための熱エネルギー源として作用して、第２の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと
を含む方法もまた対象にし；
それによって、少なくとも第１および第２の蒸留カラム中の誘導溶液中に含有される誘導溶液の溶質と生成した溶媒とが分離される。

本発明の更なる特徴、利点および実施形態は、以下の詳細な説明、図面および特許請求の範囲の記載、またはそれらの説明を熟慮することで明確に理解することができる。さらに、上記の本発明の概要および以下の詳細な説明は共に、例示的なものであり、請求した本発明の範囲を限定することなく、さらなる説明を提供するためのものであることを理解されたい。

本発明によれば、複数の蒸留カラムを使用して、誘導溶液の溶質と溶媒とを分離することが可能となる。例えば、海水脱塩、半塩水脱塩、廃水精製および汚染水の改善のための改善された配列および工程を提供することができる。更に、複数の蒸留カラムを使用して、ＦＯ脱塩工程の熱効率を改善することが可能である。更なる効果としては、ある一定の量の熱に対して、生成した溶媒を最大生産量で生産することができるという効果を奏することができる。

先行技術によるアンモニア−二酸化炭素ＦＯ脱塩工程の概念図である。 これも先行技術による単一の真空蒸留カラムの概念図である。 本発明の一実施形態の概念図である。 本発明の別の実施形態の概念図である。 ＦＯ回収／分離工程に供給される熱の温度と、誘導溶液から誘導溶液の溶質および生成した溶媒を分離するために要求されるエネルギーの量、すなわち、ＧＯＲとの関係を示すグラフである。ＧＯＲは、頻繁に使用される、熱による脱塩システムの効率の測定単位であり、ＧＯＲ値が大きいほど、より高い効率を指し示す。 ＦＯ脱塩工程の仕事の当量を示すグラフである。 希釈誘導溶液の濃度とＧＯＲとして熱量との関係を示すグラフである。 希釈誘導溶液の濃度と仕事の当量との関係を示すグラフである。

本発明の理解をより深めるために、以下の説明を付随する図と併せて参照されたい。

また、各図中、全ての要素が表示されているわけではないが、同一の参照番号を有する要素は全て、類似または同一の部材、部位であることを示す。

本発明者らは、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離／回収するために、複数の蒸留カラムを使用することが、特に、より高い温度の熱源が、それを使用することが好ましいコストで利用できる場合、または設計の主要基準が、ある一定の量の熱に対する水の最大の生産量である場合には、好都合であることを発見した。

本発明の蒸留カラムの構成は、多段フラッシュ式（ＭＳＦ）および多重効果用蒸留（ＭＥＤ）による熱脱塩工程において使用される原理に類似する原理に従う。これらの工程は、当業者には、十分に理解されている。ＭＳＦおよびＭＥＤの工程においては、エネルギーおよび材料のストリームの両方が、圧力が低下する段階を順次に通って移動し、これらの段階は「一瞬」であるか、若しくは種々の設計の蒸発チャンバーである。ＭＳＦ／ＭＥＤの工程においては、熱は、単一の蒸留カラムの「上部」段階に導入されて、給水の一部を蒸発させ、こうして生成させた蒸気は、（より低い温度および圧力の）第２の段階と接触している熱伝達表面上で凝縮して、追加の給水を蒸発させる等である。この工程は、繰り返して行われ、段階の数は、上部段階と底部段階との間の温度範囲、および各段階間の温度差によって決定される。段階の数が多いほど、設計によって実現されるエネルギー効率が高くなる。ＭＳＦおよびＭＥＤの工程においては、エネルギーおよび材料のストリームの両方が、圧力が低下する段階を順次に通って移動し、これらの段階は「一瞬」であるか、若しくは種々設計の蒸発チャンバーである。

本発明は、ＦＯにおいて、溶質を取り出す、単一の蒸留カラムの手段を、複数の蒸留カラムで置き換えて、単一のフラッシュ・チャンバー上でのＭＳＦ／ＭＥＤの効率の向上に類似する効率の向上を実現する。一実施形態では、本発明は、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための装置を対象とするものであり、この装置は、
誘導溶液を第１の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
第１の蒸留カラムに第２の端部において連結している第１の熱伝達手段であって、熱エネルギー源に連結している入口、および熱エネルギーを第１の蒸留カラムに導入して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第１の蒸留カラムに連結している出口を有する、第１の熱伝達手段と；
誘導溶液のうちの蒸発部分を第１の蒸留カラムから取り出すための第１の出口と
を含む第１の蒸留カラム；ならびに
誘導溶液を第２の蒸留チャンバーの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
第２の蒸留カラムに第２の端部において連結している第２の熱伝達手段であって、熱エネルギー源を第２の蒸留カラムに提供するための、第１の蒸留カラムの第１の出口に連結している入口、および熱エネルギーを第２の蒸留カラムに導入して、第２の蒸留チャンバー中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第２の蒸留カラムに連結している出口を有する、第２の熱伝達手段と
を含む少なくとも第２の蒸留カラム
を有するものである。

装置の種々の要素を、図３に示す。図３は、第１の蒸留カラム（ａ）および第２の蒸留カラム（ｂ）を示す。各蒸留カラムは、誘導溶液ストリーム（２）、（３）に連結しており、これは、ＦＯ工程の膜システムまたは前端部からの希釈誘導溶液源（２７）に連結している。誘導溶液ストリームは、希釈誘導溶液源から分割され、２つの蒸留カラム（ａ）および（ｂ）のそれぞれに平行して導入される。外部源（５）からの温度または熱のエネルギーを、蒸留カラム（ａ）に、熱伝達手段、ここでは、リボイラー（１）の外部熱交換表面において適用し、それによって、潜熱を、蒸留カラム（ａ）のための熱エネルギー源として使用するために伝達する。熱エネルギーが、蒸留カラム（ａ）中の誘導溶液の一部を蒸発させ、蒸留カラム（ａ）中の誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した水とを分離させる。蒸留カラム（ａ）からの誘導溶液のうちの蒸発部分（６）は、蒸留カラム（ｂ）に、熱伝達手段、ここでは、リボイラー（７）において連結している。この配列は、蒸留カラム（ａ）からの誘導溶液のうちの蒸発部分を、蒸留カラム（ｂ）のリボイラー（７）の外部熱交換表面上で凝縮させ、それによって、潜熱を、蒸留カラム（ｂ）のためのエネルギーの熱源として使用するために伝達する。温度／熱エネルギーが、蒸留カラム（ｂ）中の誘導溶液の一部を蒸発させ、蒸留カラム（ｂ）中の誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した水とを分離させる。したがって、エネルギーは、蒸留カラムへ順次に導かれる。蒸留カラム（ｂ）のためのエネルギーの熱源として使用された、蒸発した誘導溶液（６）と、入口（３）を通して蒸留カラム（ｂ）に導入された誘導溶液とは、完全に別であることに注目されたい。蒸留カラム（ｂ）のリボイラーからの誘導溶液のうちの蒸発部分の凝縮分（８）は、ＦＯ工程の膜システムまたは前端部に連結して戻り、ここで、この凝縮分は、濃縮誘導用液に添加される。蒸留カラム（ｂ）中の誘導溶液から回収／分離された溶質は、蒸留カラム（ｂ）の出口（９）を通って、濃縮誘導溶液中に再度導入される。生成した水は、蒸留カラム（ａ）および蒸留カラム（ｂ）のそれぞれから、それぞれの出口（４）および（１０）を通って収集される。カラムは、それらの動作の圧力および温度が異なるように設計され、蒸留カラム（ａ）は、最も高い温度および圧力を有し、蒸留カラム（ｂ）は、蒸留カラム（ａ）より低い温度および圧力を有する。

図３に示す装置は、本来例示のためのものであり、限定する意味はない。外部熱源からの利用可能な熱源の温度（典型的には、熱の質としても知られている）が高いほど、本発明は、３つ以上の蒸留カラムを利用して、ＦＯ工程の誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した水とを分離することができる。また、蒸留カラムの特異的な数は、誘導溶液の濃度および周囲温度によっても異なる。図４は、６つの蒸留カラム（ａ）から（ｆ）を含む、そのような本発明の実施形態の略図である。各カラムが、希釈誘導溶液源（２７）から分割され、独立、平行している希釈誘導溶液ストリーム（２）、（３）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）を受け取り、そこから溶質と生成した水とを分離する。カラムは、それらが動作する温度および圧力が異なるように設計され、蒸留チャンバー（ａ）は、最も高い温度および圧力を有し、残りのカラムのそれぞれは、それより前のカラムより低い温度および圧力で動作する。いかなる所与の蒸留カラムが動作する圧力も、その蒸留カラムが動作する温度に依存することに注目されたい。また、いかなる所与の蒸留チャンバーが動作する温度も、外部の熱源によって供給される熱エネルギーの温度、および外部の熱源の温度と周囲温度との間の差に依存することにも注目されたい。この配置においては、蒸留カラム（ａ）から（ｆ）のそれぞれからの誘導溶液（５）、（６）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）のうちの蒸発部分は、それに続く次の蒸留カラムの熱伝達手段に連結している。誘導溶液のうちの蒸発部分は、それに続く次の蒸留カラムのリボイラーの外部熱交換表面上で凝縮し、それによって、蒸留カラム中の誘導溶液から誘導溶液の溶質（８）、（１９）、（２０）、（２１）、（２２）と生成した水（４）、（１０）、（２３）、（２４）、（２５）、（２６）とを分離するために使用する潜熱を伝達する。蒸留カラム（ｂ）から（ｆ）のそれぞれのリボイラーからの誘導溶液のうちの蒸発部分の凝縮分（８）、（１９）、（２０）、（２１）、（２２）は、ＦＯ工程の膜システムまたは前端部に連結して戻り、ここで、この凝縮分は、濃縮誘導用液に添加される。このようにして、材料のストリームを平行に、エネルギーのストリームを順次に導くことによって、単一のカラムのみを使用する場合と比較して、顕著な効率の向上を実現することができる。また、図４は、本来例示のためのものであり、限定する意味はない。

本発明の別の実施形態は、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための方法を提供し、この方法は、
誘導溶液を、少なくとも第１の蒸留カラムおよび少なくとも第２の蒸留カラムのそれぞれに導入するステップと；
熱エネルギー源からの熱エネルギーを、第１の蒸留カラムの第１の熱伝達手段に適用して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと；
誘導溶液のうちの蒸発部分を、第１の蒸留カラムから第２の蒸留カラムの第２の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第１の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第２の蒸発カラムのための熱エネルギー源として作用して、第２の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと
を含み、
それによって、少なくとも第１および第２の蒸留カラム中の誘導溶液中に含有される誘導溶液の溶質と生成した溶媒とが分離される。

本発明の別の実施形態は、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための方法を提供し、この方法は、
誘導溶液を、少なくとも第１の蒸留カラム、少なくとも第２の蒸留カラム、および少なくとも第３の蒸留カラムのそれぞれに導入するステップと；
熱エネルギー源からの熱エネルギーを、第１の蒸留カラムの第１の熱伝達手段に適用して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと；
第１の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分を、第２の蒸留カラムの第２の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第１の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第２の蒸発カラムのための熱エネルギー源として作用して、第２の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと；
第２の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分を、第３の蒸留カラムの第３の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第２の蒸留チャンバーからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第３の蒸発チャンバーのための熱エネルギー源として作用して、第３の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと
を含み、
それによって、少なくとも第１、第２および第３の蒸留カラム中の誘導溶液中に含有される誘導溶液の溶質と生成した溶媒とが分離される。

好ましい実施形態では、本明細書に記載するように、誘導溶液は、蒸留カラムのそれぞれに平行に導入される。すなわち、誘導溶液は、単一の源から蒸留カラムのそれぞれに導入され、この単一の源は、上記で議論したように、典型的には、ＦＯ工程の膜システムまたは前端部からの希釈誘導溶液源である。言い換えれば、誘導溶液源からの誘導溶液は、上記で議論したように、蒸留カラムのそれぞれの中に、逐次的に導入されるわけではない。さらに、それに続くそれぞれの蒸留カラムのための熱エネルギー源として使用される、蒸発した誘導溶液は、誘導溶液源から各蒸留カラム中へ導入された誘導溶液とは分離されており、工程を全体にわたり分離した状態を維持する。

本発明のＦＯ工程において、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するため使用する蒸留カラムの数は、第１の蒸留カラム（すなわち、外部の熱エネルギー源）と最後の蒸留カラム（すなわち、周囲温度）との間の温度範囲、および蒸留カラムのそれぞれの間の温度差によって決定される。これは、ＦＯ工程の回収／分離システムのエネルギー必要量を、市販の化学工程モデル化ソフトウエア（Ｈｙｓｙｓ、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ、マサチューセッツ州）を使用してモデル化することによって決定することができる。このソフトウエアは、高い濃度の電解質溶液および種の複雑性をシミュレートするように設計された電解質特性パッケージ（ＯＬＩ、Ｍｏｒｒｉｓ Ｐｌａｉｎｓ、ニュージャージー州）と併用して動作される。この市販ソフトウエアのこの状況での使用は、当業者には理解されていることに注目されたい。

研究したモデル化の事例においては、動作の基準は、０．５モル濃度の海水から、７５％の回収率で回収する、新鮮な飲料に適した水の生産であった。濃縮誘導溶液は、５モル／リットルのアンモニウム塩（ＣＯ₂に関して）を含有し、アンモニアの二酸化炭素に対する比は、１．４であった。使用する濃縮誘導溶液の量を変化させて、０．５モル濃度と１．５モル濃度の間の異なる濃度の希釈された誘導溶液を生成した。これらの濃度は、ＦＯ膜の前端部において、誘導溶液が生成した水によって希釈された結果として得られるであろう。これらの希釈誘導溶液のストリームを、供給元として、複数の蒸留カラムに導いた。海水（または周囲）の温度は、２０℃であるとした。ＦＯ膜工程の操作温度は、２５℃と定めた。工程のポンプ要件（すなわち、電気エネルギー）は、熱交換器、配管、バルブ、蒸留カラム段階およびその他の工程設備に関して予想される典型的な圧力降下に基づいて計算した。

蒸留カラムは、Ｇｏｏｄｌｏｅ（登録商標）で構築された充填材（Ｋｏｃｈ−Ｏｔｔｏ Ｙｏｒｋから入手可能）を含有するように定め、これは、０．９４５の空隙率、５８０ｆｔ²／ｆｔ³の比表面積、５％の静的ホールドアップ、および１５ｍｍＨｇ／ｆｔの圧力降下を有した。充填材の高さは、約７．７ｆｔであった。

熱エネルギーおよび電気エネルギーの必要量は、１ｐｐｍ未満のアンモニアを含有するように定められた、生成した水の質に基づいて、モデル化ソフトウエアによって計算した。水蒸気を、カラムのリボイラーのための熱源とすること、および凝縮液を水蒸気源に戻すこととした。全ての熱交換器における最小温度アプローチは、２．５〜３．０℃に設定し、これは、熱による脱塩法の典型的な場合より若干高かった。

表１は、本発明に従って、外部の温度／熱エネルギー源の所与の温度および最小水蒸気圧に対して、誘導溶液の濃度および２０℃の周囲温度、誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するのに使用するための蒸留カラムの最適な数を指し示す例を提供する。

表１は、例示的なものであり、限定する意味はない。例えば、低い周囲温度においては、２つの蒸留カラムを、５０℃の温度で外部の温度／熱エネルギー源と共に使用することができることが意図される。最大６．０モル濃度の誘導溶液の濃度を、本発明には使用することができることもさらに意図される。さらに、外部の温度／熱エネルギー源の温度が十分に高く、効率目標が十分に高い場合には、本発明の実施にあたっては、最大、少なくとも約１５個までの蒸留カラムを使用することができる。

本発明のエネルギー必要量をモデル化する場合、本発明はまた、ＦＯ回収／分離システムに供給される熱の温度（典型的には、「質」とも記載される）と、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した水とを分離するのに要求されるエネルギーの量との間の関係も考慮する。この関係の単位は、向上した生産量の比（ＧＯＲ）、またはリボイラー中で凝縮した水蒸気１キログラムあたりの生成した水のキログラム数として示す。これは、頻繁に使用される、熱による脱塩システムの効率の測定単位であり、数が大きいほど、より高い効率を指し示す。図５は、この関係をグラフに示したものである。ＭＳＦおよびＭＥＤの場合の典型的なおよそのＧＯＲの値は、７０から１２０℃の温度においては、８と１５との間である。表２に、単一の蒸留カラムを使用するＦＯ工程の場合のＧＯＲ値の範囲、および複数の蒸留カラムを利用する本発明の場合のＧＯＲ値の範囲を示す。本発明は、７０℃と２５０℃との間の温度の場合、１４．２と２９．７との間のＧＯＲ値を有し、現在の脱塩工程と比較して、熱利用の効率が改善されていることが容易に明らかとなる。ＧＯＲは、外部の熱源に戻る凝縮液のストリームの温度によって影響される。本明細書に提供する実施例は、熱エネルギー源として提供される水蒸気と同一温度の凝縮液の再循環ストリームに基づく（すなわち、エネルギー源（水蒸気）および水の再循環ストリームの両方が、２００℃の温度であるとする）。凝縮液の再循環ストリームが、水蒸気より低い温度で戻る場合には、ＧＯＲは、特に、より高い温度において増加する。

ＦＯ工程によって使用される熱の温度は、要求される量にだけではなく、使用する熱の値、したがって、コストにもまた影響する。熱による脱塩システムにおける工程の熱の値を予測するための有効な方法では、「仕事の当量」を計算することになる。この方法を使用するには、熱エネルギーに、水蒸気タービンにおいて電気を発生させるための熱エネルギーの容量に基づく、電気エネルギーの値を割り当てる。熱エネルギーを脱塩工程に供給するのに使用される水蒸気は、水蒸気タービンから抽出するものとすると、水蒸気が電気を発生させるためになしたであろう仕事を計算することができる。この仕事の値は、熱工程の効率の理論的な比較のため、および脱塩工程に供給される工程ストリームの実際の費用を見積もるために使用することができる。

以下の式を使用して、この仕事の当量を計算する。

水蒸気が通例、タービンの凝縮器に入るであろう点における水蒸気のエンタルピーを、水蒸気が抽出されて、脱塩工程へ導かれる点における水蒸気のエンタルピーから差し引く。このエンタルピーの差に、タービンの効率（この場合、９５％とする）を乗じて、熱に、仕事の当量の値を、ｋＷｈ／ｋｇ水蒸気として割り当てる。１立方メートルの水を発生させるのに要求される水蒸気の量は、その水蒸気の温度における熱工程のＧＯＲによって与えられる。この結果を、１０００ｋｇの水で乗じて、水の比熱量をｍ^３の単位で得る。海水の冷却温度に対する凝縮器の温度に関する表のデータに基づいて、凝縮器の温度が３５℃であるとする。工程によって使用される水蒸気の仕事の当量の値を計算したら、これを、何らかの工程の電気必要量に足す。こうして、消費されるエネルギーの総計として、統合された値が得られる。

熱量および電気エネルギーの成分を含む、仕事の当量の計算の概要を、表３に示す。図６は、供給された熱の質に対する、１Ｍ（希釈誘導溶液）のカラム供給濃度に基づくＦＯ脱塩工程の仕事の当量を示す。使用される熱の温度が上昇するにつれて、その仕事の値が、複数の蒸留カラムの使用によって可能になった、向上した効率を減弱させる。正味の傾向は、増加した仕事の当量である。ＧＯＲと同様に、仕事の当量もまた、外部の熱源に戻る凝縮液のストリームの温度によって影響される。本明細書に提供する実施例は、熱エネルギー源として提供される水蒸気と同一温度の凝縮液の再循環ストリームに基づく（すなわち、エネルギー源（水蒸気）および水の再循環ストリームの両方が、２００℃の温度であるとする）。凝縮液の再循環ストリームが、水蒸気より低い温度で戻る場合には、仕事の当量は、特に、より高い温度において増加する。

溶質および生成した水の回収／分離システムに入る希釈誘導溶液と、ＦＯ脱塩工程によって使用されるエネルギーの量との間に直接的な関係がある。先に議論したように、要求される誘導溶液の濃度は、ＦＯ膜の性能比に直接関係し、したがって、膜の設計によって直接影響される。図７は、希釈誘導溶液の濃度とＧＯＲとしての熱量との関係を示す。図８は、希釈誘導溶液の濃度と仕事の当量との関係を示す。示されている値は、１６０℃で動作した本発明の多段式カラム蒸留システム（Ｍｕｌｔｉｓｔａｇｅ Ｃｏｌｕｍｎ Ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）、および４０℃と４４℃の間で動作した単一真空蒸留カラム（真空カラムの最低温度は、供給の濃度によって変化する）の両方についてである。

本発明においてより高い温度の熱源を使用すると、現在の技術と比較して、ＦＯに関する効率が顕著に向上する。これは、主に、ＦＯの場合には、エネルギーが、ＭＳＦおよびＭＥＤの場合と同様に、供給水の溶媒ではなく、誘導溶液の溶質を蒸発させるために使用されるという事実による。本発明のＦＯ工程を使用する場合に見い出される、追加の利点は、工程が消費する電気エネルギーが低い点である。現在の工程は、１．６ｋＷｈ／ｍ³と３．０２ｋＷｈ／ｍ³との間の電力を使用し、一方、表２に示すように、本発明を利用するＦＯ工程は、わずか０．２４ｋＷｈ／ｍ³の電力を要求するに過ぎない。

本発明を、特に好ましい実施形態をについて説明してきたが、本発明の範囲および思想から逸脱することなく、それらの形態および詳細を変化させることができることが当業者には理解されるであろう。例えば、本発明は、本明細書で議論したＦＯによる脱塩および水処理の工程にも、浸透圧熱機関（ＯＨＥ）にも適用することができる。

a・・・第１の蒸留カラム
b・・・第２の蒸留カラム
１・・・リボイラー
２，３・・・誘導溶液ストリーム
５，６，１５，１６，１７，１８・・・誘導溶液
７・・・リボイラー
８，１９，２０，２１，２２・・・誘導溶液の溶質
９，１０・・・出口
１１，１２，１３，１４・・・希釈誘導液ストリーム
４，１０，２３，２４，２５，２６・・・生成した水

Claims (20)

1. 誘導溶液から、誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための装置であって、
   第１の蒸留カラムと、少なくとも第２の蒸留カラムとを有し、
   上記第１の蒸留カラムは、
   誘導溶液を第１の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
   第１の蒸留カラムに第２の端部において連結している第１の熱伝達手段であって、熱エネルギー源に連結している入口、および熱エネルギーを第１の蒸留カラムに導入して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第１の蒸留カラムに連結している出口を有する、第１の熱伝達手段と；
   誘導溶液のうちの蒸発部分を第１の蒸留カラムから取り出すための第１の出口と；
   を有しており、
   上記第２の蒸留カラムは、
   誘導溶液を第２の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
   第２の蒸留カラムに第２の端部において連結している第２の熱伝達手段であって、熱エネルギー源を第２の蒸留カラムに提供するための、第１の蒸留カラムの第１の出口に連結している入口、および熱エネルギーを第２の蒸留カラムに導入して、第２の蒸留チャンバー中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第２の蒸留カラムに連結している出口を有する第２の熱伝達手段と；
   を有する、誘導溶液から誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための装置。
2. 第２の蒸留カラムが、
   誘導溶液のうちの蒸発部分を第２の蒸留カラムの溶液から取り出すための第１の出口
   を含む、請求項１に記載の装置。
3. 第２の蒸留カラムが、
   生成した溶媒を第２の蒸留チャンバーから取り出すための出口
   を含む、請求項１に記載の装置。
4. 誘導溶液を第３の蒸留カラムの第１の端部中に導入するための、誘導溶液源に連結している第１の入口と；
   第３の蒸留カラムに第２の端部において連結している第３の熱伝達手段であって、熱エネルギー源を第３の蒸留カラムに提供するための、第２の蒸留カラムの第１の出口に連結している入口、および熱エネルギーを第３の蒸留カラムに導入して、第３の蒸留チャンバー中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるための、第３の蒸留カラムに連結している出口を有する、第３の熱伝達手段と
   を含む少なくとも第３の蒸留カラム
   を含む、請求項２に記載の装置。
5. 熱エネルギー源が、少なくとも約５０℃の温度で熱を供給する、請求項１に記載の装置。
6. 熱エネルギー源が、約９０℃から約２５０℃までの温度で熱を供給する、請求項５に記載の装置。
7. 複数の蒸留カラムを使用して、誘導溶液から、誘導溶液の溶質と生成した溶媒とを分離するための方法であって、
   誘導溶液を、少なくとも第１の蒸留カラムおよび少なくとも第２の蒸留カラムのそれぞれに導入するステップと；
   熱エネルギー源からの熱エネルギーを、第１の蒸留カラムの第１の熱伝達手段に適用して、第１の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと；
   誘導溶液のうちの蒸発部分を、第１の蒸留カラムから第２の蒸留カラムの第２の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第１の蒸留カラムからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第２の蒸発カラムのための熱エネルギー源として作用して、第２の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと
   を含み、
   それによって、少なくとも第１および第２の蒸留カラム中の誘導溶液中に含有される誘導溶液の溶質と生成した溶媒とが分離される方法。
8. 誘導溶液が、順浸透脱塩工程において使用される、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも第１の蒸留カラムに対する熱エネルギー源が、水蒸気である、請求項７に記載の方法。
10. 誘導溶液が、少なくとも第１および第２の蒸留カラムに、少なくとも約０．５モル濃度で導入される、請求項７に記載の方法。
11. 誘導溶液が、少なくとも第１および第２の蒸留カラムに、約０．５モル濃度から約６．０モル濃度までで導入される、請求項８に記載の方法。
12. 誘導溶液が、アンモニアと二酸化炭素との混合物から形成されたアンモニウム塩の水溶液を含む、請求項７に記載の方法。
13. 誘導溶液が、エタノールを含む、請求項７に記載の方法。
14. 生成した溶媒が水である、請求項７に記載の方法。
15. 生成した溶媒が、１ｐｐｍ未満のアンモニアおよび二酸化炭素を含有する、請求項１２に記載の方法。
16. 誘導溶液を、少なくとも第３の蒸留カラムに導入するステップと；
    誘導溶液のうちの蒸発部分を、第２の蒸留カラムから第３の蒸留カラムの第３の熱伝達手段へ導くステップであって、それによって、第２の蒸留チャンバーからの誘導溶液のうちの蒸発部分が、第３の蒸発チャンバーのための熱エネルギー源として作用して、第３の蒸留カラム中の誘導溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと
    を含み、
    それによって、第３の蒸留カラム中の誘導溶液中に含有される誘導溶液の溶質と生成した溶媒とが分離される、請求項７に記載の方法。
17. 誘導溶液が、少なくとも第１の蒸留カラムおよび少なくとも第２の蒸留チャンバーのそれぞれの中に、平行に導入される、請求項７に記載の方法。
18. 誘導溶液が、少なくとも第１の蒸留カラム、少なくとも第２の蒸留カラム、および少なくとも第３の蒸留カラムのそれぞれの中に、平行に導入される、請求項１５に記載の方法。
19. 請求項７に記載の工程に従って生産した脱塩水。
20. 請求項７に記載の工程に従って生産した精製水。

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