JP2011088094A - Apparatus for producing freshwater - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、透過膜を利用して海水やかん水等の原水から淡水を製造するための淡水製造装置に関する。 The present invention relates to a fresh water producing apparatus for producing fresh water from raw water such as seawater or brine using a permeable membrane.
従来、この種の製造装置の一つとして海水から淡水を製造する淡水製造装置がある。この淡水製造装置は、下記特許文献1に記載されているように、膜モジュールを備えている。膜モジュールは、透過膜を介して互いに接する液室及び分離室と、この分離室に仕切りを介して接する海水導入室とを有している。海水導入室には、海水がポンプによって供給される。海水導入室を出た海水は、加熱手段によって加熱された後、液室に導入される。
Conventionally, there is a fresh water production apparatus that produces fresh water from seawater as one of such production apparatuses. This fresh water producing apparatus includes a membrane module as described in
加熱手段によって加熱された海水が液室に導入されると、液室と分離室との間の温度差に相当する水蒸気分圧差の分だけ海水から水蒸気が分離し、透過膜を通って分離室に入り込む。この結果、液室内の海水は、その塩分濃度が高くなり、濃縮海水となって外部に排出される。一方、分離室に入り込んだ水蒸気は、海水導入室に導入された海水により仕切り壁を介して冷却される。そして、凝縮して淡水となって回収される。なお、分離室に入り込んだ水蒸気は、海水導入室内の海水を予備加熱する。 When the seawater heated by the heating means is introduced into the liquid chamber, the water vapor is separated from the seawater by the water vapor partial pressure difference corresponding to the temperature difference between the liquid chamber and the separation chamber, and the separation chamber passes through the permeable membrane. Get in. As a result, the seawater in the liquid chamber has a high salinity and is discharged to the outside as concentrated seawater. On the other hand, the water vapor entering the separation chamber is cooled by the seawater introduced into the seawater introduction chamber through the partition wall. And it is condensed and recovered as fresh water. The water vapor that has entered the separation chamber preheats the seawater in the seawater introduction chamber.
上記構成の淡水製造装置においては、液室導入される海水の温度を高温にするほど淡水の製造効率を高くすることができる。しかしながら、従来の淡水製造装置では、海水が100°C以下の範囲でしか加熱されていなかった。これは、海水の温度が100°Cを越えると、海水が液室内において沸騰してしまい、透過膜が破損されるおそれがあるからである。また、沸騰によって液室の圧力が上がり液室内の液体成分を追い出すおそれがある。このため、海水の温度を100°Cを越える高温にすることができず、淡水の製造効率を高くすることができないという問題があった。 In the fresh water production apparatus having the above configuration, the production efficiency of fresh water can be increased as the temperature of the seawater introduced into the liquid chamber is increased. However, in the conventional freshwater production apparatus, seawater was heated only in the range of 100 ° C. or less. This is because when the temperature of the seawater exceeds 100 ° C., the seawater will boil in the liquid chamber and the permeable membrane may be damaged. Further, the pressure in the liquid chamber may increase due to boiling, and the liquid component in the liquid chamber may be expelled. For this reason, there existed a problem that the temperature of seawater could not be made high temperature exceeding 100 degreeC, and the production efficiency of fresh water could not be made high.
この発明は、上記の問題を解決するために、液室、この液室に透過膜を介して接する分離室、及びこの分離室に仕切りを介して接する原水導入室を有する膜モジュールと、上記原水導入室に上記原水を供給するポンプと、このポンプを動作させる動力源と、上記原水導入室と上記液室との間に設置され、上記原水導入室から上記液室に供給される上記原水を加熱する加熱手段とを備え、上記液室内の原水から水蒸気が上記透過膜を介して上記分離室に分離され、この水蒸気から淡水が得られる淡水製造装置において、上記ポンプとして、上記原水の沸点が100°Cを越えるまで上記原水を加圧することができる加圧ポンプが用いられ、上記加熱手段として、上記原水の上記液室内への導入時の温度が100°Cを越える温度まで加熱することができる加熱手段が用いられていることを特徴としている。
この場合、上記液室から排出された濃縮原水によって駆動される駆動手段をさらに備え、上記駆動手段が上記ポンプを動作させるための補助動力源として用いられていることが望ましい。
上記分離室から排出される淡水によって駆動される第2駆動手段をさらに備え、上記第2駆動手段が上記ポンプを動作させるための第2補助動力源として用いられていることが望ましい。
第2液室、この第2液室に第2透過膜を介して接する第2分離室、及びこの第2分離室に第2仕切りを介して接する第2原水導入室を有する第2膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第2原水導入室を介して上記ポンプに吸引され、上記液室から排出される濃縮原水が上記第2液室に導入され、上記濃縮原水から水蒸気が上記第2透過膜を介して上記第2分離室に分離されることが望ましい。
上記分離室から排出された淡水が上記第2分離室に導入されることが望ましい。
第2液室、この第2液室に第2透過膜を介して接する第2分離室、及びこの第2分離室を第2仕切りを介して接する第2原水導入室を有する第2膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第2原水導入室に導入され、上記駆動手段を駆動した上記濃縮原水が上記第2液室に導入され、上記第2液室内の濃縮原水から水蒸気が上記第2透過膜を介して上記第2分離室に分離されることが望ましい。
上記分離室から排出される淡水によって駆動される第2駆動手段をさらに備え、上記第2駆動手段が上記ポンプを動作させるための第2補助動力源として用いられ、上記第2駆動手段を駆動した上記淡水が上記第2分離室に導入されることが望ましい。
In order to solve the above problem, the present invention provides a membrane module having a liquid chamber, a separation chamber in contact with the liquid chamber through a permeable membrane, and a raw water introduction chamber in contact with the separation chamber through a partition, and the raw water A pump that supplies the raw water to the introduction chamber, a power source that operates the pump, and the raw water that is installed between the raw water introduction chamber and the liquid chamber and that is supplied from the raw water introduction chamber to the liquid chamber. In the fresh water production apparatus in which water vapor is separated from the raw water in the liquid chamber into the separation chamber through the permeable membrane, and fresh water is obtained from the water vapor, the pump has a boiling point of the raw water. A pressure pump that can pressurize the raw water until it exceeds 100 ° C is used, and as the heating means, the temperature at the time of introduction of the raw water into the liquid chamber exceeds 100 ° C. It is characterized by the fact that a heating means that can be used is used.
In this case, it is desirable to further include driving means driven by the concentrated raw water discharged from the liquid chamber, and the driving means is used as an auxiliary power source for operating the pump.
It is preferable that the apparatus further includes second driving means driven by fresh water discharged from the separation chamber, and the second driving means is used as a second auxiliary power source for operating the pump.
A second membrane module having a second liquid chamber, a second separation chamber in contact with the second liquid chamber via a second permeable membrane, and a second raw water introduction chamber in contact with the second separation chamber via a second partition; In addition, the raw water is sucked into the pump through the second raw water introduction chamber, the concentrated raw water discharged from the liquid chamber is introduced into the second liquid chamber, and water vapor from the concentrated raw water passes through the second permeation. It is desirable to separate into the second separation chamber through a membrane.
Desirably, fresh water discharged from the separation chamber is introduced into the second separation chamber.
A second membrane module having a second liquid chamber, a second separation chamber in contact with the second liquid chamber through a second permeable membrane, and a second raw water introduction chamber in contact with the second separation chamber through a second partition; Further, the raw water is introduced into the second raw water introduction chamber, the concentrated raw water that has driven the driving means is introduced into the second liquid chamber, and water vapor passes from the concentrated raw water in the second liquid chamber to the second permeate. It is desirable to separate into the second separation chamber through a membrane.
The apparatus further comprises second driving means driven by fresh water discharged from the separation chamber, and the second driving means is used as a second auxiliary power source for operating the pump to drive the second driving means. It is desirable that the fresh water is introduced into the second separation chamber.
上記構成を有するこの発明によれば、原水の沸騰温度が常温での沸騰温度より高温になるように、原水がポンプによって高圧に加圧されているから、原水を100°C以上の高温に加熱することができる。したがって、淡水の製造効率を向上させることができる。しかも、原水が液室において沸騰することがないので、透過膜等の沸騰に伴う不具合の発生を確実に防止することができる。 According to the present invention having the above configuration, since the raw water is pressurized to a high pressure by the pump so that the boiling temperature of the raw water is higher than the boiling temperature at normal temperature, the raw water is heated to a high temperature of 100 ° C. or higher. can do. Therefore, the production efficiency of fresh water can be improved. And since raw | natural water does not boil in a liquid chamber, generation | occurrence | production of the malfunction accompanying boiling of a permeable membrane etc. can be prevented reliably.
以下、この発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
図1は、この発明の第1実施の形態を示す。この実施の形態の淡水製造装置Aは、海水(原水)から淡水を製造するためのものであり、膜モジュール1、ポンプ2、回転動力源(動力源)3及び加熱手段4を有している。なお、この発明に係る淡水製造装置Aは、海水以外の原水、例えばかん水から淡水を製造することも可能である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. The fresh water producing apparatus A of this embodiment is for producing fresh water from seawater (raw water), and has a
膜モジュール1は、ケーシング1aを有している。このケーシング1aの内部には、透過膜1b及び仕切り1cが設けられている。これにより、ケーシング1aの内部が、透過膜1aを介して互いに接する液室1d及び分離室1e、並びに分離室1eに仕切り1cを介して接する海水導入室(原水導入室)1fに区分されている。
The
透過膜1bは、その両側の温度差に相当する水蒸気分圧差で高温側から低温側へ気体成分のみを選択的に透過させるものであり、そのような性質を有するものであれば公知の各種のものを採用することができる。例えばAdvantech社のT0101Aや、Donaldson社のTX1301を挙げることができる。
The
透過膜1bを介して互いに接する液室1dと分離室1eとのうちの液室1dには、後述するよう高温(例えば105°〜180°C)の海水(図示せず)が上部より導入される。したがって、分離室1eには透過膜1bを通って水蒸気(図示せず)が流入する。この水蒸気は、液室1d内の海水より低温ではあるが、常温より高温(例えば、100°〜175°C程度)になっている。
Of the
仕切り1cは、耐熱フィルムなどの耐熱性のある樹脂薄膜や、チタンなどの金属薄板で構成される。したがって、仕切り1cを介して接する分離室1eと海水導入室1fとは一種の熱交換器を構成している。この場合、分離室1eには、上記のように水蒸気などの気体成分が透過されるのに対し、海水導入室1fには、下部より常温の海水が導入される。したがって、海水導入室1f内の海水は、分離室1e内の水蒸気によって加熱される。逆に、分離室1e内の水蒸気は、海水導入室1f内の海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。この淡水の下部の温度は、常温(導入海水温度)より若干高温であり、例えば常温+(1°〜5°C)程度になっている。なお、この実施の形態では、海水導入室1f内を海水が膜モジュール1の一端側(下端側)から他端側(上端側)へ流れ、淡水が膜モジュール1の一端側に位置する分離室1eの一端部から取り出されることから明らかなように、分離室1eと海水導入室1fとは一種の対向流型熱交換器になっている。勿論、他の形式の熱交換器を構成するようにしてもよい。
The
ポンプ2は、海水を常圧から高圧に加圧して淡水製造装置に供給するためのものであり、海水が常温での沸騰温度(100°C)より高い温度で沸騰するように海水を高圧に加圧する。例えば、海水の沸騰温度が105°〜180°Cになるように、海水を絶対圧力で0.15〜1MPa程度に加圧する。望ましくは、海水の沸騰温度が120°〜150°Cになるように、絶対圧力で0.2〜0.5MPa程度に加圧する。このような加圧のためのポンプ2としては、例えば多段の渦巻きポンプを用いることが望ましいが、往復動型のポンプを用いてもよい。ポンプ2は、電動モータ等からなる回転動力源(動力源)3及び後述する補助回転動力源(補助動力源)たる第1及び第2回転駆動手段(駆動手段、第2駆動手段)5,6によって動作される。つまり、回転駆動される。
The
加熱手段4は、例えば熱交換器からなるものであり、この実施の形態では対向流型熱交換器が用いられている。勿論、加熱手段4として他の形式の熱交換器あるいはヒータ等の他の加熱器を用いてもよい。加熱手段4は、ケーシング4aを有している。ケーシング4aの内部には、仕切り4bが設けられている。仕切り4bは、金属等の熱伝導性に優れた材料によって構成されている。ケーシング4aに仕切り4bが設けられることにより、ケーシング4aの内部が低温室4cと高温室4dとに区分されている。
The heating means 4 is composed of, for example, a heat exchanger, and a counter flow heat exchanger is used in this embodiment. Of course, other types of heat exchangers or other heaters such as a heater may be used as the heating means 4. The heating means 4 has a
低温室4cには、上記ポンプ2によって加圧され、さらに海水導入室1f内において予備加熱された海水がケーシング4aの一端側から導入される。低温室4cに導入された海水は、低温室4c内をケーシング4aの他端側に向かって流れる。一方、高温室4dには、水、その他の高温の熱媒体(図示せず)が導入される。熱媒体は、ケーシング4aの他端側から一端側へ向かって流れ、その間に海水を加熱する。この場合、海水は、ポンプ2によって加圧されているので、沸騰温度が常圧での沸騰温度より高くなっており、加圧状態での沸騰温度より若干低い程度の高温に加熱される。例えば、105°〜180°C程度の高温に加熱される。望ましくは、120°〜150°Cに加熱される。
Seawater pressurized by the
加熱された高温高圧の海水は、上記のように、膜モジュール1の液室1dに導入される。液室1dに導入された海水のうちの水の一部が水蒸気として透過膜1bを通過して分離室1eに流入する。分離室1eに流入した水蒸気は、海水導入室1f内の海水を加熱する一方、それ自体は海水導入室1f内の海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。
The heated high-temperature and high-pressure seawater is introduced into the
水蒸気が分離された海水は、塩分濃度の高い濃縮海水として液室1dから流出する。一方、分離室1e内に入り込んだ水蒸気は淡水として分離室から流出する。濃縮海水は、そのまま海に戻し、また淡水をそのまま回収してもよい。しかし、それらは常温、常圧より高温、高圧であり、高いエネルギを有している。このエネルギを利用するために、液室1dの後段には、第1回転駆動手段(駆動手段)5が設けられ、分離室1eの後段には、第2回転駆動手段(第2駆動手段)6が設けられている。
The seawater from which the water vapor has been separated flows out of the
第1回転駆動手段5は、濃縮海水が有する高温高圧のエネルギを回転力として取り出すためのものであり、例えばタービンが用いられる。この第1回転駆動手段5は、ポンプ2に連結されており、補助回転動力源として回転動力源3と一緒にポンプ2を回転駆動する。一方、第2回転駆動手段6は、淡水が有する高圧のエネルギを回転力として取り出すためのものであり、例えばタービンが用いられる。この第2回転駆動手段6は、ポンプ2に連結されており、第2補助動力源として回転駆動源3及び第1回転駆動手段5と一緒にポンプ2を回転駆動する。このように、ポンプ2を第1及び第2回転駆動手段5,6によって回転駆動しているので、回転動力源3に使用されるエネルギを少なくすることができ、省エネルギを達成することができる。なお、第1回転駆動手段5と第2回転駆動手段6の回転数を調節するために、各手段5,6に減速機を設けてもよい。
The 1st rotation drive means 5 is for taking out the high temperature / high pressure energy which concentrated seawater has as a rotational force, for example, a turbine is used. The first rotation driving means 5 is connected to the
上記構成の淡水製造装置Aによれば、海水を100°Cを越える105°〜180°Cという高温に加熱しているので、膜モジュール1による淡水化効率を向上させることができ、それによって淡水の製造効率を向上させることができる。しかも、液室1dに導入される海水(原水)が加圧され、その沸騰温度が実際の加熱温度より高くなっているので、海水が液室1d内において沸騰することがない。よって、透過膜1bの破損や液室1d内の高圧化に起因する液体の押しのけ等の沸騰に伴って発生する不具合を確実に防止することができる。
According to the fresh water producing apparatus A having the above configuration, since the seawater is heated to a high temperature of 105 ° to 180 ° C. exceeding 100 ° C., the desalination efficiency by the
次に、図2に示すこの発明の第2実施の形態を説明する。この実施の形態の淡水製造装置Bは、第2膜モジュール7をさらに備えている。第2膜モジュール7は、膜モジュール1と同様に構成されており、膜モジュール1のケーシング1a、透過膜1b、仕切り1c、液室1d、分離室1e、及び海水導入室1fにそれぞれ相当する第2ケーシング7a、第2透過膜7b、第2仕切り7c、第2液室7d、第2分離室7e、及び第2海水導入室(第2原水導入室)7fを有している。
Next, a second embodiment of the present invention shown in FIG. 2 will be described. The fresh water producing apparatus B of this embodiment further includes a second membrane module 7. The second membrane module 7 is configured in the same manner as the
第2液室7dには、第1回転駆動手段5を通過した濃縮海水が導入される。第2液室7dに導入される濃縮海水は、常温より高い温度、例えば80°〜105°C程度の温度を維持している。したがって、濃縮海水中の水が水蒸気となって第2透過膜7bを通り、第2分離室7eに入り込む。第2液室7dを通過してさらに塩分濃度が高くなった濃縮海水は、海水中に排出される。
The concentrated seawater that has passed through the first rotation driving means 5 is introduced into the second
第2分離室7eには、上記のように、濃縮海水から分離した淡水が入り込む。この淡水の温度は、76°〜100°Cになっている。また、第2分離室7eには、第2回転駆動手段6を回転させた淡水が入り込む。この淡水の温度は、79°〜101°Cになっている。第2分離室7eに第2仕切り7cを介して接する第2海水導入室7fには、ポンプ2によって吸引された海水が導入される。この海水は、第2分離室7e内の水蒸気及び淡水によって予備加熱される。一方、第2分離室7e内の水蒸気は海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。そして、第2回転駆動手段6を通過して第2分離室7eに入り込んだ淡水と一緒に第2分離室7eから流出し、淡水として回収される。
As described above, fresh water separated from the concentrated seawater enters the
この淡水製造装置Bによれば、膜モジュール1によって淡水を分離するのみならず、第2膜モジュール7により濃縮海水から淡水をさらに分離しているから、淡水の製造効率をより一層向上させることができる。
According to this fresh water producing apparatus B, not only the fresh water is separated by the
次に、この発明の上記効果を明らかにするための実験例を紹介する。この実験例では、図1に示す淡水製造装置Aが用いられている。そして、この発明の実施例では、ポンプ2によって海水が絶対圧力で0.5MPaに加圧され、その後加熱手段によって145°Cに加熱された。比較例では、海水が絶対圧力で0.1MPaに加圧され、95°Cに加熱された。このとき加熱に必要なエネルギーは両方で1kwになるように流量を調整した。この発明の実施例では淡水が8.4cc/sec製造され、比較例では淡水が4.1ccl/sec製造された。これから明らかなように、この発明の実施例では、比較例に対して淡水の製造効率を概略倍増させることができた。
Next, experimental examples for clarifying the above effects of the present invention will be introduced. In this experimental example, the fresh water producing apparatus A shown in FIG. 1 is used. And in the Example of this invention, seawater was pressurized to 0.5 MPa by the absolute pressure with the
なお、この発明は、上記の実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲において各種の変形例を採用することができる。
例えば、上記の実施の形態においては、海水導入室1fの前段にポンプ2を設置しているが、ポンプ2は、海水導入室1fと低温室4cとの間に設置してもよい。また、第2海水導入室7fの前段にポンプとは別にポンプを設け、このポンプにて原水を第2原水導入室に導入するようにしてもよい。
In addition, this invention is not limited to said embodiment, A various modification is employable in the range which does not deviate from the summary.
For example, in the above-described embodiment, the
A 淡水製造装置
B 淡水製造装置
1 膜モジュール
1b 透過膜
1c 仕切り
1d 液室
1e 分離室
1f 海水導入室(原水導入室)
2 ポンプ
3 回転動力源(動力源)
4 加熱手段
5 第1回転駆動手段(駆動手段)
6 第2回転駆動手段(第2駆動手段)
7 第2膜モジュール
7b 第2透過膜
7c 第2仕切り
7d 第2液室
7e 第2分離室
7f 第2海水導入室(第2原水導入室)
A fresh water production apparatus B fresh
2 Pump 3 Rotation power source (Power source)
4 Heating means 5 First rotation driving means (driving means)
6 Second rotation driving means (second driving means)
7
Claims (7)
上記ポンプとして、上記原水の沸点が100°Cを越えるまで上記原水を加圧することができる加圧ポンプが用いられ、
上記加熱手段として、上記原水の上記液室内への導入時の温度が100°Cを越える温度まで加熱することができる加熱手段が用いられていることを特徴とする淡水製造装置。 A liquid chamber, a separation chamber in contact with the liquid chamber through a permeable membrane, a membrane module having a raw water introduction chamber in contact with the separation chamber through a partition, a pump for supplying the raw water to the raw water introduction chamber, and the pump And a heating means that is installed between the raw water introduction chamber and the liquid chamber and that heats the raw water supplied from the raw water introduction chamber to the liquid chamber. In the fresh water production apparatus in which the water vapor is separated into the separation chamber through the permeable membrane, and fresh water is obtained from the water vapor.
As the pump, a pressure pump that can pressurize the raw water until the boiling point of the raw water exceeds 100 ° C is used,
An apparatus for producing fresh water, characterized in that a heating means capable of heating the raw water to a temperature exceeding 100 ° C. when introduced into the liquid chamber is used as the heating means.
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