JP2015505026A - 冷却装置 - Google Patents

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Abstract

流体を冷却する冷却装置は、冷却される流体が上方領域に供給され、冷却された流体が下方領域から排出される垂直冷却塔を備える。冷却塔内の流体は、底部から上部に流れる冷却ガスによって冷却される。冷却ガスが流れる冷却塔のガス空間には、流体が案内される少なくとも一つの装置が設けられ、各装置は、蒸気透過性と液密性のある両側の膜壁によって冷却塔のガス空間から少なくとも部分的に分離される少なくとも一つの通路を備える。

Description

本発明は、垂直冷却塔を有し、液体、具体的には水を冷却する冷却装置（cooling plant）に関する。また、本発明は、多段膜蒸留装置を有し、且つそのような冷却装置を有する膜蒸留プラント（membrane distillation plant）に関する。
発電所で用いられる湿式冷却塔の場合、可能な限り薄い膜を備える大きな表面全域を冷却される水がちょろちょろ流れ、可能な限り良好なトリクル面（trickle surface）全域に水を分布させるため、水に湿潤剤を添加することができる。
自然通風冷却塔では、冷却される水がこの冷却塔の上方領域に供給され、且つ下向き経路で蒸発によって冷却される温水によって逆風（upwind）が生じる。この点に関して、環境パラメータである圧力、温度と湿度を有する空気が下方から冷却塔内に流れ込み、飽和限界で冷却塔の上方領域から出る。
これまでの通常の冷却塔では、湿潤、且つ高温面によって冷却塔内で有機物が増殖する可能性がある。そのため、ある作動条件下では、とりわけレジオネラ菌が増殖する可能性があるが、殺菌剤の使用又はｐＨの明確なシフトによって防ぐことができる。
冷却塔内に取り込まれる自然水には鉱物等が含まれている。ある場合には、淡水要件を低減し、且つブローダウン水の量を少なく保つために、自然水とともに取り込まれた含有物の濃度を可能な限り高くするべきであり、冷却塔の水の成分の濃度を特定の限界値を超えて上昇させないためにも必要である。この点に関して、所謂スケーリング、すなわち、無機物の堆積のリスクが濃度の限界値を決めている。この限界値はスケール防止剤の使用によって確実に上方へずらすことができる。しかしながら、ブローダウン水はスケール防止剤によって付加的に汚染される。このことは自然通風冷却塔と誘引通風湿式冷却塔の両方に当てはまることである。
水が空気に直接触れず、チューブ等の隔壁によって空気と分離された、所謂間接冷却塔も既に知られている。このような冷却塔には常に誘引通風があり、すなわち、ファンを用いて空気が乾燥面に吹き付けられている。このような冷却塔は、蒸発によって冷却される湿式冷却塔の温度まで下がることはない。蒸発の場合と同様の相変化による温度変化が生じないため、その表面もかなり大きい。
本発明の基本的な目的は、前述した問題が除去される、冒頭で名付けた種類の改良された冷却装置を提供することである。この点に関して、可能な限り乾燥した面で熱交換処理を行うべきであり、乾燥した熱交換器表面であっても従来の湿式冷却塔の熱表面性能を実現するべきである。また、このような冷却装置が有利に用いられる、冷却装置を有する膜蒸留プラントを設けるべきである。
該目的は、本発明に基づいて、請求項１の特徴を有する冷却装置によって満たされる。したがって、本発明に基づいて、液体、具体的には水を冷却する冷却装置は、冷却される液体が上方領域に供給され、且つ冷却された液体が下方領域に案内される垂直冷却塔を有している。この点に関して、底部から上部に流れる冷却ガス、具体的には空気によって冷却塔内で前記液体が冷却される。前記冷却ガスが流れる前記冷却塔のガス空間には前記液体が案内される少なくとも一つの装置が設けられている。この点に関して、各装置は、蒸気透過性と液密性のある両側の膜壁によって前記冷却塔の前記ガス空間から少なくとも部分的に分離される少なくとも１つの液体通路を備えている。
この構成により、熱交換処理が乾いた表面で起こり、乾いた表面であるにもかかわらず、従来の湿式冷却塔の熱表面性能の達成が保証される。１つ又は複数の装置が蒸発器として機能し、その表面が、下方に流れる液体を底部から上部に流れる冷却ガスと分離している。
蒸発器として機能する装置の表面での生物の増殖が回避される。直接的化学洗浄のために装置の所定の表面に容易にアクセスできる。装置の全ての表面に所定の方法でアクセスできるので、各化学洗浄剤の最適で一様な分布を確保しながら化学薬品の使用量を抑えることができる。所定の表面におけるスケーリングのリスクを回避するために化学洗浄が行えるので、より高濃度の冷却塔液体が可能である。
具体的には、垂直方向に直列に接続された複数の装置が、冷却ガスが流れる冷却塔のガス空間に設けられる。
少なくとも１つの装置が、並列に接続され、好ましくは概して垂直方向に伸びる複数の液体通路を備える構成が好ましい。この点に関して、並列に接続された前記液体通路が、具体的には互いに隣接して水平方向に配置できる。
本発明の冷却装置の好ましい実施の形態によれば、少なくとも１つの装置は、並列に接続され、互いに隣接して水平方向に配置され、膜壁、具体的には少なくとも互いに対向して配置された両側の平らな膜によって前記冷却塔の前記ガス空間から分離された複数の液体通路を備え、水平方向に隣接する夫々の対の液体通路が、互いに対向する膜壁、具体的には前記ガス空間に作用する冷却ガスが流れる気体通路を横方向に囲む平らな膜を有している。
この点に関して、装置は互いに接続された複数のフレーム要素を備える構成が有利であり、機能ユニットの前記液体通路と前記気体通路がフレーム要素の形態で設けられている。
前記フレーム要素にはウェブ構造が設けられる構成が好ましく、それらのウェブ構造を介して互いに接続される。
前記フレーム要素にはスペーサ、具体的には格子状のスペーサを夫々設けることができる。
液体通路と、それに隣接する気体通路との間に設けられた膜壁は、夫々互いに隣接する２つのフレーム要素の内の１つと関連した構成が好ましい。
個々のフレーム要素が互いに接続できるウェブ構造は、例えば、フレーム要素が互いに溶接又は接合される溶接ウェブ構造又は接着構造とすることができる。溶接ウェブ構造の場合には、例えば、フレーム要素を接続するために、摩擦溶接プロセス、レーザー溶接プロセス及び／又は発熱体溶接プロセスを用いることができる。
本発明に基づいて、垂直方向に続けて設けられ、且つ直列に接続される装置は、それらの液体通路が完全に液体で満たされるように互いに接続される。
例えば、液体の流出が抑制され、且つ水頭が構築されるという点で、これが確実に達成できる。しかしながら、該水頭は、より高い静圧が原因で、冷却塔の下方領域の膜が冷却塔の上方領域の圧力よりも高い圧力に曝されるという結果をもたらす。
本発明に基づいて、具体的には、この圧力負荷を低減するため、液体が流れる方向において先行の装置の液体通路の下方領域に設けられた液体出口と、後続の装置の液体通路の上方領域に設けられた液体入口との間に配置され、且つ先行の装置の液体出口を起点として少なくともこの装置における可能な限り最上の液面まで上方へ最初に案内される戻り通路を介して垂直方向に隣接する装置が互いに接続される。
先行の装置の液体出口で少なくとも可能な限り最上の液面まで上方に戻り通路が案内されることによって、各装置の液体案内の一つ又は複数の液体通路が完全に確実に液体で満たされる。
この点に関して、戻り通路は、具体的には本発明に基づいて、Ｕ字形のパイプで構成される。この点に関して、本発明に基づいて、Ｕ字形のパイプで構成された戻り通路の流出部の上方領域が別の膜壁によって少なくとも部分的に囲まれ、好ましくは両側で蒸気透過性と液密性があり、一方において液体に接触し、他方において冷却塔のガス空間に接触する通路部を備えている。したがって、冷却塔の各装置で冷却塔の高さについての液体ジャムを回避しながら液体が自由に流出する状態で、冷却塔装置の液頭の高さが常に最大限に膜壁に確実に負荷を加えている。
したがって、例えば、１８０°の偏向部を有する上方に案内するパイプと、下方パイプと、疎水性の微多孔膜とを備える少なくとも１つの膜壁によって分離された液体通路を通過した後、Ｕ字形のパイプ装置内の冷却塔液体の案内が可能である。冷却塔の各装置から出て行く液体は上方に案内されるため、少なくとも１つの膜によって分離された冷却塔の装置の各液体通路が常に液体で完全に満たされている。下方パイプは決して液体で完全には満たされず、上部から底部への冷却塔の装置の静水圧が付加されない寸法を有している。下方パイプはダウンタイムなしで作動することができるため、Ｕ字形のパイプ装置は、有利には、その上方領域に蒸気透過性、具体的には空気透過性で、疎水性の微多孔膜から成る要素が設けられている。したがって、下方パイプは、冷却される水の遮断時や、逆に作動時に確実に空にでき、膜を介してガス又は空気を流出及び流入させることができるため、ガスクッション又はエアクッションは構築されない。
本発明の膜蒸留プラントは請求項１４の特徴によって特徴付けられる。本発明に基づいて、膜蒸留プラントは、蒸発器と、複数の凝縮及び蒸発ステージと、液体を濃縮する凝縮器とを備える多段膜蒸留装置を有するとともに、請求項１〜１３の何れか一項に記載の冷却装置を有している。この点に関して、濃縮される液体は膜蒸留装置の凝縮器と冷却装置とを備えるシステムに供給される。前記冷却装置は、前記液体を予備濃縮するために前記膜蒸留装置の上流に接続される。予備濃縮中に冷却された液体が冷却流体として前記冷却装置から前記凝縮器に供給される。
本発明の膜蒸留プラントの好適な実施の形態に基づいて、前記膜蒸留装置の前記凝縮器は、蒸気空間と、凝縮壁によってそれから分離される冷却流体通路と、を備えることができ、前記冷却流体通路は、前記予備濃縮中の１つ又は複数の前記装置を備える冷却材回路の一部であり、濃縮される前記液体が冷却材として前記冷却材回路を循環する。
したがって、具体的には可能性のある新たなプロセスは、冷却塔装置を用いた液体の冷却と濃縮の組合せによって可能となる。この点に関して、具体的には乾燥面を有する湿式冷却塔を前置濃縮器として用いて、塩分を含有する水の濃縮が可能なことが有利である。
蒸発器と、複数の凝縮及び蒸発ステージと、液体を濃縮する濃縮器を備える多段膜蒸留装置は、例えば、国際公開公報ＷＯ２００７／０５４３１１によって公知である。
このような膜蒸留装置を用いて液体が蒸発され、熱エネルギーを用いて再び凝縮される。液体が蒸発するとき、各成分が所定の温度で前記温度に依存する蒸気圧で蒸発され、個々の成分が凝縮される。蒸発した液体が、微多孔性で蒸気透過性且つ液体非透過性の膜によって蒸気空間から分離される。該膜を通過する蒸気は、濃縮される液体と該蒸気空間との温度差又は蒸気圧差によって該濃縮される液体と該膜との間の境界面に発生する。
後続の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間は、具体的には濃縮される液体の流れと蒸気の流れを低減するために、先行の凝縮及び蒸発ステージの膜壁に直接的に隣接させることができ、この場合、膜壁は、先行の凝縮及び蒸発ステージの液体通路を後続の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間と分離している。
蒸発器は、例えば、加熱流体通路と、濃縮される液体のための液体通路と、加熱流体通路を液体通路と分離する交換器壁と、交換器壁と対向して配置された側部において液体通路を隣接させる膜壁とを備え、第１の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間は蒸発器の膜に直接的に隣接させることができ、この膜壁は、蒸発器の液体通路を第１の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間から分離することができる。既に述べたように、凝縮器は、例えば、蒸気空間と、冷却流体通路と、蒸気空間と冷却流体通路とを分離する凝縮壁とを備えることができる。凝縮器の蒸気空間は、有利には、この膜壁が、最後の凝縮及び蒸発ステージの液体通路を凝縮器の蒸気空間と分離するように、最後の凝縮及び蒸発ステージの膜壁に直接的に隣接させることができる。
凝縮及び蒸発は、少なくとも実質的に不活性ガスのない状態で、且つ各後続の凝縮及び蒸発ステージにおいて先行の凝縮及び蒸発ステージの圧力と温度よりも低い圧力と温度で行うことができる。濃縮される液体は、膜蒸留装置の液体通路内の濃縮される液体の絶対圧力を液体通路の液体温度に一致する沸騰蒸気圧まで下げた状態で、その絶対圧力を下げるように真空で作用することができる。凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間と凝縮器の蒸気空間は、その絶対圧力を環境圧以下に下げるために真空で作用することができる。膜蒸留装置の好適な実施の形態によれば、蒸気空間の絶対圧力が、隣接する膜壁を介して濃縮される液体の蒸気圧まで、隣接する膜壁を介して蒸気の流れに生じる差圧によって少なくとも実質的に下げられることができる。したがって、蒸気空間の真空は、隣接する膜全てを介して濃縮される液体の蒸気圧と少なくとも実質的に一致し、増加した真空が下げられた絶対圧力に一致することを考慮した状態で、膜壁を介して蒸気の流れに生じる差圧によって増加される。
他の態様の膜蒸留装置は、例えば、国際公開公報ＷＯ２００７／０５４３１１に記載されたように構成することができる。
以下、実施の形態と図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、冷却装置の典型的な実施の形態の概略図である。 図２は、並列に接続され、好ましくは略垂直方向に伸びる複数の液体通路を有する冷却塔の典型的な装置の概略図である。 図３は、Ｕ字形のパイプで構成された戻り通路を有する冷却塔の典型的な装置の概略図である。 図４は、液体フレームとして用いることができるフレーム要素の典型的な実施の形態の概略正面図である。 図５は、冷却ガスフレームとして用いることができるフレーム要素の典型的な実施の形態の概略正面図である。 図６は、例えば、図４、５の複数のフレーム要素を備える冷却塔の装置の典型的な実施の形態の概略拡大斜視図である。 図７は、例えば、冷却ガスフレーム用の格子状スペーサの典型的な実施の形態の概略斜視図である。 図８は、多段膜蒸留装置と冷却装置を備える膜蒸留プラントの典型的な実施の形態の概略図である。
図１は、液体１２、例えば水を冷却する冷却装置１０の典型的な実施の形態の概略図であって、この冷却装置１０は、冷却される液体１２’が上方領域１６から供給され、冷却された液体１２”が下方領域１８から排出される垂直冷却塔１４を有している。
液体１２は冷却塔１４内で底部から上部に流れる冷却ガス２０、例えば空気によって冷却される。この点に関して、該下方領域から流入空気及び／又は環境空気を、例えば冷却塔１４に供給することができる。一方、流出空気又は湿気を帯びた空気が冷却塔１４の上方領域から出て行く。冷却塔１４の下方領域における冷却能力を高めるため、誘導換気を行う１つ以上のファン９０を設けることができる。
液体１２がその中に案内される少なくとも１つの装置２４が、冷却ガス２０が流れる冷却塔１４のガス空間２２内に設けられる。この点に関して、各装置２４は、少なくとも１つの液体通路２６を備え、この液体通路は、両側において蒸気透過性と液密性のある膜壁２８によって少なくとも部分的に冷却塔１４のガス空間２２から分離される。
図１を参照して分かるように、冷却ガス２０が流れる冷却塔１４のガス空間２２内に、垂直方向に続けて設けられ、且つ直列に接続された複数の装置２４を設けることができる。
図２は、冷却塔１４の装置２４の典型的な実施の形態の概略図である。したがって、各装置２４は並列に接続された、好ましくは各装置２４が略垂直方向に伸びる複数の液体通路２６を備えている。この点に関して、液体通路２６は、図示されたように、具体的には互いに隣接して水平方向に配置されることができる。
図２に示すように、対応する装置２４は、具体的には複数の流体通路２６を備えることができ、それらは並列に接続され、互いに隣接して水平方向に配置され、且つ少なくとも２つの相互に対向して配置された側部で、膜壁２８、具体的には平らな膜（再び図１も参照）によって冷却塔１４のガス空間２２と分離される。この点に関して、水平方向に隣接する各対の液体通路２６は、相互に対向する膜壁２８、具体的には平らな膜を有し、それらは横方向に、すなわち、２つの液体通路２６の間で、ガス空間２２に作用する冷却ガス２０が流れる気体通路３０と隣接している（再び図１も参照）。
したがって、冷却される熱い液体１２’を上方から冷却塔１４に、そして第１の液体通路２６又は膜要素に供給することができる。冷却ガス、具体的には空気が、液体１２の流れる方向に反して、液体通路２６を形成する膜要素を通って下方から上方に流れる。上方に流れるとき、冷却ガス又は空気は加熱され、水分を帯び、密度が低下する。
上部から底部に流れる液体１２は、冷却塔１４の装置２４の上方領域の熱い状態から下方領域の冷えた状態まで、一定の温度変化を有するように案内されるのが好ましい。
有利には、冷却される液体の液頭全体が流れる方向の膜壁２８、具体的には下方膜壁に負荷されないように、液体が上部から底部に供給されるべきである。次に、図３を参照して詳細に説明する。
装置２４は個別の要素で構成することができる。この点に関して、これらの個別の要素は、例えば、矩形又は正方形のフレーム要素で構成することができる。そのようなフレーム要素は、蒸気透過性と液密性のある膜壁２８を少なくとも一方の側部に架けることができる。これらのフレーム要素は垂直方向に取り付けられ、例えば、装置２４内で水平方向に続けて設けることができる。フレーム要素には底部から上部に液体１２が流される。液体通路２６と気体通路３０はフレーム要素が結合された結果に由来している。
蒸気透過性と液密性のある膜壁２８は、例えば、ＰＴＦＥから成る微多孔性の疎水性膜とすることができる。
したがって、装置２４は互いに接続された複数のフレーム要素３２を備えることができ、液体通路２６と気体通路３０の各機能ユニットをフレーム要素３２の形で設けることができる。
フレーム要素３２にはウェブ構造３４を設けることができ、フレーム要素はウェブ構造３４を介して互いに接続することができる（図４〜図６も参照）。
また、フレーム要素３２には膜壁２８を支持するスペーサ３６を設けることができ、具体的には格子状スペーサを設けることができる（特に、図４〜図７参照）。
各液体通路２６とそれに隣接する各気体通路３０の間に設けられた膜壁２８は、２つの互いに隣接するフレーム要素３２の一方と関係を持つことができる。
図２を参照して分かるように、冷却される液体は、流入部３８を介して装置２４の第１のフレーム要素３２に供給され、冷却された液体は、構造２４の最後のフレーム要素３２から流出部４０を介して取り出される。
垂直方向に続けて設けられ、直列に接続された装置２４は、具体的には各液体通路２６が液体１２で完全に満たされるように互いに接続することができる。
例えば図３を参照して分かるように、この目的を達成するために、垂直方向に隣接する装置２４は、液体１２が流れる方向に見て、先行の装置の液体通路２６の下方領域に設けられた液体出口４４（図２も参照）と、後続の装置２４の液体通路２６の上方領域に設けられた液体入口又は流入部３８との間に配置され、先行の装置２４の液体出口４４を起点として、まず上方に伸び、少なくとも該装置２４のできる限り最上の液面まで案内される戻り通路４２を介して互いに接続することができる。
一方において、Ｕ字形パイプで構成された戻り通路４２の流出部４８の上方領域が液体１２に接触し、他方において、冷却塔１４のガス空間２２に接触し、好ましくは両側において蒸気透過性と液密性のある他の膜壁５２と少なくとも部分的に囲まれる通路部５０を備えることができる。
したがって、冷却塔液体が液体通路を通過した後、例えばＵ字形のパイプ装置で案内することができ、パイプ装置は、上方に通じるパイプと、１８０°の偏向部と、下方パイプと、具体的には疎水性の微多孔膜と、を備えることができる。冷却塔装置から出て行く液体は、冷却塔装置の液体通路が常に液体で完全に満たされた状態で上方に案内される。下方パイプ又は流出部が液体で完全に満たされないように、且つ上部から底部へ冷却塔装置の静水圧が印加されないように形成することができる。下方パイプはダウンタイムなしで作動することができ、Ｕ字形のパイプ装置には、その上方領域に、例えば、両側において蒸気透過性と気密な、具体的には微多孔性で疎水性の膜から成る要素が設けられている。したがって、下方パイプを、冷却される液体が遮断時や、逆に作動時に確実に空にでき、該膜を介してガス又は空気を流出及び流入させることができるため、ガスクッション又はエアクッションは構築されない。
例えば図４〜図６を参照して分かるように、冷却塔１４の各装置２４は、具体的には複数のフレーム要素３２を有するモジュール式フローシステムとして構成することができる。この点に関して、例えば、液体通路２６と気体通路３０の相違する機能単位をフレーム要素３２の形で設けることができる。
フレーム要素には、好ましくは各装置２４の液体通路２６と気体通路３０を形成するために、フレーム要素を互いに接続することができるウェブ構造３４が設けられている。この点に関して、複数のフレーム要素を、例えば、ウェブ構造３４を介して互いに溶接又は接合することができる。例えば、溶接ウェブ構造を用いる場合、例えば、フレーム要素を接続するために、摩擦溶接プロセスや、レーザー溶接プロセス及び／又は発熱体溶接プロセスを用いることができる。
各フレーム要素３２は、外側フレーム５４で囲まれ、好ましくは特に格子状のスペーサ３６が設けられた内側領域５６が設けられている。
図４は、液体フレームとして用いることができるフレーム要素３２の典型的な実施の形態の概略正面図である。各フレーム要素３２は、スペーサ３６の両側の膜壁を伴って広がり、冷却塔１４内の上部から底部に液体１２を案内する。液体１２のための入口開口５８と出口開口６０がフレーム要素３２内に設けられている。図４を参照して分かるように、各入口開口５８は、例えば、フレーム要素３２の２つの上方角部領域に設けることができ、各出口開口６０は、フレーム要素３２の２つの下方角部領域に設けることができる。膜壁は必ずしも液体フレームに設ける必要はない。膜壁は、例えば図５に示すように、冷却ガスフレームに設けることも可能である。また、膜壁を有する側部のみにフレームが広がることも考えられる。各液体通路と、それらに隣接する冷却気体通路が、このような膜壁によって互いに分離されるのは明白である。
図５は、冷却ガスフレームとして用いることができるフレーム要素３２の典型的な実施の形態の概略正面図である。この場合、フレーム要素３２は、下方領域に入口開口６２を形成するために、且つ上方領域に冷却ガス又は空気のため出口開口６４を形成するために、その底部と上部の両方に開口している。
例えば、フレーム要素３２の２つの上方角部領域には冷却される液体１２’のための通路開口６６が設けられている。例えば、該２つの下方角部領域には、冷却された液体１２”のための通路開口６８が設けられている。
このような冷却ガスフレームは冷却塔１４内のガスを底部から上部に案内する。スペーサ３６等の挿入される部品は、隣接するフレーム要素又はこの冷却ガスフレーム要素に付随させることができる隣接の膜壁を支持する。具体的には格子状のスペーサ３６が、冷却ガスの誘導旋回と、膜から空気中への良好な水蒸気遷移をもたらしている。既に述べたように、冷却される液体又は冷却された液体の通路開口６６、６８が上部と底部に設けられている。
図６は、複数のフレーム要素３２を備える、冷却塔１４の装置２４の典型的な実施の形態の概略拡大斜視図である。この点に関して、例えば、図４、５に示された種類の液体フレーム３２’と冷却ガスフレーム３２”を交互に組み込むことができる。この点に関して、冷却ガス２０と液体１２は互いに逆向きに流れる。
図７は、例えば、冷却ガスフレーム用の格子状スペーサ３６の典型的な実施の形態の概略斜視図である。
したがって、この格子状スペーサ３６を、例えば、気体通路３０内に配置することができる。冷却ガスは、例えば図７において、水平方向に伸びるウェブの方向に流れることができる。図７において、それに対して直角、且つ垂直であるウェブ７２は、２つの機能を有している。すなわち、膜を気体通路に向かってスタック構造で支持し、ガスの流れにおける冷却ガスから該膜への境界層が継続的に破壊され、該膜における成形温度と濃度分極が概して克服される。
図８は、多段膜蒸留装置７４と冷却装置１４を備える膜蒸留プラント７６の典型的な実施の形態の概略図である。この冷却装置１４は、例えば、特に図１〜図７を参照して記載されたように構成することができる。
液体１２の濃縮のために機能する多段膜蒸留装置７４は、蒸発器又は蒸気発生器７８と、複数の濃縮及び蒸発ステージ８０と、凝縮器８２とを備えている。
濃縮される液体１２’は、膜蒸留装置７４の凝縮器８２と冷却装置１４を備える該システムに供給される。冷却装置１０は、液体１２を予備濃縮するため、膜蒸留装置７４の上流に接続されている。冷却された液体１２”は、冷却装置１０から予備濃縮中の冷却流体として凝縮器８２に供給される。
膜蒸留装置７４の凝縮器８２は、蒸気空間８４と、凝縮壁８６によって分離された冷却流体通路８８とを備えることができ、冷却流体通路８８は予備濃縮中の１つ又は複数の装置２４を備える冷却材回路の一部であり、濃縮される液体が冷却材として冷却材回路を循環する。
したがって、多段濃縮プロセスは、予備濃縮のために、装置を備える冷却塔を有し、下流に接続された濃縮プロセスを有する膜蒸留プラント７６を用いて構成することができる。例えば、非在来型ガスを所定の位置に運ぶ掘削孔から来る液体を予備濃縮のための冷却塔及び凝縮器から成るシステムに供給することができる。液体又は溶液１２’が、凝縮出口温度よりも低い温度でこのシステムに入ってきた場合、変数１に従って溶液は図８の底部右に示すように、すなわち、冷却塔１４の出口の後に供給することができる。濃縮される液体又は溶液１２’の温度が凝縮出口温度以上の場合、濃縮される液体１２’は、変数２に従って（図８の右上を参照）、凝縮器８２の後、冷却塔１４の前に供給される。
溶液の濃度は濃縮される溶液からの水の蒸発によって増加する。所謂ブローダウン水は、具体的な所定の濃度以上であれば、冷却塔の溶液回路から取り出すことができる。
ブローダウン水は更に濃縮される。この更なる濃縮は蒸発器を用いて行うことができる。それらの蒸発器は、具体的にはフラッシュ蒸発器とすることができる。最初に述べたように、膜蒸留装置は、具体的には真空多重効用膜蒸留装置とすることができる。
冷却塔内で予備濃縮された液体は、蒸発器内で可能な限り飽和状態まで濃縮される。通常の動作状態では、その濃縮された溶液は、濃縮後の該プラントの環境よりも熱く、そのため、含有する塩分の一部は、濃縮された溶液の排出後の例えば環境温度までの冷却時に既に結晶化する。その塩結晶は分離することができ、残留溶液の全て又は一部を再び濃縮することができる。濃縮された溶液の残留溶液の全て又は一部も、例えば、塩結晶の分離後に、結晶器内で更に濃縮することができる。
１０ 冷却装置
１２ 液体
１２’ 冷却される液体
１２” 冷却された液体
１４ 冷却塔
１６ 冷却塔の上方領域
１８ 冷却塔の下方領域
２０ 冷却ガス
２２ ガス空間
２４ 装置
２６ 液体通路
２８ 膜壁
３０ 気体通路
３２ フレーム要素
３２’ 液体フレーム
３２” 冷却ガスフレーム
３４ ウェブ構造
３６ スペーサ
３８ 流入部
４０ 流出部
４２ 戻り通路
４４ 液体出口
４６ 液体入口
４８ 流出部
５０ 通路部
５２ 膜壁
５４ 外側フレーム
５６ 内側領域
５８ 入口開口
６０ 出口開口
６２ 入口開口
６４ 出口開口
６６ 通路開口
６８ 通路開口
７０ ウェブ
７２ ウェブ
７４ 多段膜蒸留装置
７６ 膜蒸留プラント
７８ 蒸発器
８０ 凝縮及び蒸発ステージ
８２ 凝縮器
８４ 蒸気空間
８６ 凝縮壁
８８ 冷却流体通路
９０ ファン
本発明は、垂直冷却塔を有し、液体、具体的には水を冷却する冷却装置（cooling plant）に関する。また、本発明は、多段膜蒸留装置を有し、且つそのような冷却装置を有する膜蒸留プラント（membrane distillation plant）に関する。
発電所で用いられる湿式冷却塔の場合、可能な限り薄い膜を備える大きな表面全域を冷却される水がちょろちょろ流れ、可能な限り良好なトリクル面（trickle surface）全域に水を分布させるため、水に湿潤剤を添加することができる。
自然通風冷却塔では、冷却される水がこの冷却塔の上方領域に供給され、且つ下向き経路で蒸発によって冷却される温水によって逆風（upwind）が生じる。この点に関して、環境パラメータである圧力、温度と湿度を有する空気が下方から冷却塔内に流れ込み、飽和限界で冷却塔の上方領域から出る。
これまでの通常の冷却塔では、湿潤、且つ高温面によって冷却塔内で有機物が増殖する可能性がある。そのため、ある作動条件下では、とりわけレジオネラ菌が増殖する可能性があるが、殺菌剤の使用又はｐＨの明確なシフトによって防ぐことができる。
冷却塔内に取り込まれる自然水には鉱物等が含まれている。ある場合には、淡水要件を低減し、且つブローダウン水の量を少なく保つために、自然水とともに取り込まれた含有物の濃度を可能な限り高くするべきであり、冷却塔の水の成分の濃度を特定の限界値を超えて上昇させないためにも必要である。この点に関して、所謂スケーリング、すなわち、無機物の堆積のリスクが濃度の限界値を決めている。この限界値はスケール防止剤の使用によって確実に上方へずらすことができる。しかしながら、ブローダウン水はスケール防止剤によって付加的に汚染される。このことは自然通風冷却塔と誘引通風湿式冷却塔の両方に当てはまることである。
水が空気に直接触れず、チューブ等の隔壁によって空気と分離された、所謂間接冷却塔も既に知られている。このような冷却塔には常に誘引通風があり、すなわち、ファンを用いて空気が乾燥面に吹き付けられている。このような冷却塔は、蒸発によって冷却される湿式冷却塔の温度まで下がることはない。蒸発の場合と同様の相変化による温度変化が生じないため、その表面もかなり大きい。
液体を冷却する従来の冷却装置は、米国特許ＵＳ６，６７２，０９９Ｂ１や米国特許ＵＳ４，４５２，３００Ａに開示されている。
本発明の基本的な目的は、前述した問題が除去される、冒頭で名付けた種類の改良された冷却装置を提供することである。この点に関して、可能な限り乾燥した面で熱交換処理を行うべきであり、乾燥した熱交換器表面であっても従来の湿式冷却塔の熱表面性能を実現するべきである。また、このような冷却装置が有利に用いられる、冷却装置を有する膜蒸留プラントを設けるべきである。
該目的は、本発明に基づいて、請求項１の特徴を有する冷却装置によって満たされる。したがって、本発明に基づいて、液体、具体的には水を冷却する冷却装置は、冷却される液体が上方領域に供給され、且つ冷却された液体が下方領域に案内される垂直冷却塔を有している。この点に関して、底部から上部に流れる冷却ガス、具体的には空気によって冷却塔内で前記液体が冷却される。前記冷却ガスが流れる前記冷却塔のガス空間には前記液体が案内される複数の装置が設けられている。この点に関して、各装置は、蒸気透過性と液密性のある両側の膜壁によって前記冷却塔の前記ガス空間から少なくとも部分的に分離される少なくとも１つの液体通路を備えている。また、前記冷却塔が一つ又は複数のファンを有している。
この構成により、熱交換処理が乾いた表面で起こり、乾いた表面であるにもかかわらず、従来の湿式冷却塔の熱表面性能の達成が保証される。１つ又は複数の装置が蒸発器として機能し、その表面が、下方に流れる液体を、底部から上部に流れる冷却ガスと分離している。
蒸発器として機能する装置の表面での生物の増殖が回避される。直接的化学洗浄のために装置の所定の表面に容易にアクセスできる。装置の全ての表面に所定の方法でアクセスできるので、各化学洗浄剤の最適で一様な分布を確保しながら化学薬品の使用量を抑えることができる。所定の表面におけるスケーリングのリスクを回避するために化学洗浄が行えるので、より高濃度の冷却塔液体が可能である。
本発明に基づいて複数の装置が垂直方向に続けて設けられ、且つそれらが直列に接続される。
少なくとも１つの装置が、並列に接続され、好ましくは概して垂直方向に伸びる複数の液体通路を備える構成が好ましい。この点に関して、並列に接続された前記液体通路が、具体的には互いに隣接して水平方向に配置できる。
本発明の冷却装置の好ましい実施の形態によれば、少なくとも１つの装置は、並列に接続され、互いに隣接して水平方向に配置され、膜壁、具体的には少なくとも互いに対向して配置された両側の平らな膜によって前記冷却塔の前記ガス空間から分離された複数の液体通路を備え、水平方向に隣接する夫々の対の液体通路が、互いに対向する膜壁、具体的には前記ガス空間に作用する冷却ガスが流れる気体通路を横方向に囲む平らな膜を有している。
この点に関して、装置は互いに接続された複数のフレーム要素を備える構成が有利であり、機能ユニットの前記液体通路と前記気体通路がフレーム要素の形態で設けられている。
前記フレーム要素にはウェブ構造が設けられる構成が好ましく、それらのウェブ構造を介して互いに接続される。
前記フレーム要素にはスペーサ、具体的には格子状のスペーサを夫々設けることができる。
液体通路と、それに隣接する気体通路との間に設けられた膜壁は、夫々互いに隣接する２つのフレーム要素の内の１つと関連した構成が好ましい。
個々のフレーム要素が互いに接続できるウェブ構造は、例えば、フレーム要素が互いに溶接又は接合される溶接ウェブ構造又は接着構造とすることができる。溶接ウェブ構造の場合には、例えば、フレーム要素を接続するために、摩擦溶接プロセス、レーザー溶接プロセス及び／又は発熱体溶接プロセスを用いることができる。
本発明に基づいて、垂直方向に続けて設けられ、且つ直列に接続される装置は、それらの液体通路が完全に液体で満たされるように互いに接続される。
例えば、液体の流出が抑制され、且つ水頭が構築されるという点で、これが確実に達成できる。しかしながら、該水頭は、より高い静圧が原因で、冷却塔の下方領域の膜が冷却塔の上方領域の圧力よりも高い圧力に曝されるという結果をもたらす。
本発明に基づいて、具体的には、この圧力負荷を低減するため、液体が流れる方向において先行の装置の液体通路の下方領域に設けられた液体出口と、後続の装置の液体通路の上方領域に設けられた液体入口との間に配置され、且つ先行の装置の液体出口を起点として少なくともこの装置における可能な限り最上の液面まで上方へ最初に案内される戻り通路を介して垂直方向に隣接する装置が互いに接続される。
先行の装置の液体出口で少なくとも可能な限り最上の液面まで上方に戻り通路が案内されることによって、各装置の液体案内の一つ又は複数の液体通路が完全に確実に液体で満たされる。
この点に関して、戻り通路は、具体的には本発明に基づいてＵ字形のパイプで構成される。この点に関して、本発明に基づいて、Ｕ字形のパイプで構成された戻り通路の流出部の上方領域が別の膜壁によって少なくとも部分的に囲まれ、好ましくは両側で蒸気透過性と液密性があり、一方において液体に接触し、他方において冷却塔のガス空間に接触する通路部を備えている。したがって、冷却塔の各装置で冷却塔の高さについての液体ジャムを回避しながら液体が自由に流出する状態で、冷却塔装置の液頭の高さが常に最大限に膜壁に確実に負荷を加えている。
したがって、例えば、１８０°の偏向部を有する上方に案内するパイプと、下方パイプと、疎水性の微多孔膜とを備える少なくとも１つの膜壁によって分離された液体通路を通過した後、Ｕ字形のパイプ装置内の冷却塔液体の案内が可能である。冷却塔の各装置から出て行く液体は上方に案内されるため、少なくとも１つの膜によって分離された冷却塔の装置の各液体通路が常に液体で完全に満たされている。下方パイプは決して液体で完全には満たされず、上部から底部への冷却塔の装置の静水圧が付加されない寸法を有している。下方パイプはダウンタイムなしで作動することができるため、Ｕ字形のパイプ装置は、有利には、その上方領域に蒸気透過性、具体的には空気透過性で、疎水性の微多孔膜から成る要素が設けられている。したがって、下方パイプは、冷却される水の遮断時や、逆に作動時に確実に空にでき、膜を介してガス又は空気を流出及び流入させることができるため、ガスクッション又はエアクッションは構築されない。
本発明の膜蒸留プラントは請求項９の特徴によって特徴付けられる。本発明に基づいて、膜蒸留プラントは、蒸発器と、複数の凝縮及び蒸発ステージと、液体を濃縮する凝縮器とを備える多段膜蒸留装置を有するとともに、請求項１〜８の何れか一項に記載の冷却装置を有している。この点に関して、濃縮される液体は膜蒸留装置の凝縮器と冷却装置とを備えるシステムに供給される。前記冷却装置は、前記液体を予備濃縮するために前記膜蒸留装置の上流に接続される。予備濃縮中に冷却された液体が冷却流体として前記冷却装置から前記凝縮器に供給される。
本発明の膜蒸留プラントの好適な実施の形態に基づいて、前記膜蒸留装置の前記凝縮器は、蒸気空間と、凝縮壁によってそれから分離される冷却流体通路と、を備えることができ、前記冷却流体通路は、前記予備濃縮中の１つ又は複数の前記装置を備える冷却材回路の一部であり、濃縮される前記液体が冷却材として前記冷却材回路を循環する。
したがって、具体的には可能性のある新たなプロセスは、冷却塔装置を用いた液体の冷却と濃縮の組合せによって可能となる。この点に関して、具体的には乾燥面を有する湿式冷却塔を前置濃縮器として用いて、塩分を含有する水の濃縮が可能なことが有利である。
蒸発器と、複数の凝縮及び蒸発ステージと、液体を濃縮する濃縮器を備える多段膜蒸留装置は、例えば、国際公開公報ＷＯ２００７／０５４３１１によって公知である。
このような膜蒸留装置を用いて液体が蒸発され、熱エネルギーを用いて再び凝縮される。液体が蒸発するとき、各成分が所定の温度で前記温度に依存する蒸気圧で蒸発され、個々の成分が凝縮される。蒸発した液体が、微多孔性で蒸気透過性且つ液体非透過性の膜によって蒸気空間から分離される。該膜を通過する蒸気は、濃縮される液体と該蒸気空間との温度差又は蒸気圧差によって該濃縮される液体と該膜との間の境界面に発生する。
後続の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間は、具体的には濃縮される液体の流れと蒸気の流れを低減するために、先行の凝縮及び蒸発ステージの膜壁に直接的に隣接させることができ、この場合、膜壁は、先行の凝縮及び蒸発ステージの液体通路を後続の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間と分離している。
蒸発器は、例えば、加熱流体通路と、濃縮される液体のための液体通路と、加熱流体通路を液体通路と分離する交換器壁と、交換器壁と対向して配置された側部において液体通路を隣接させる膜壁とを備え、第１の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間は蒸発器の膜に直接的に隣接させることができ、この膜壁は、蒸発器の液体通路を第１の凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間から分離することができる。既に述べたように、凝縮器は、例えば、蒸気空間と、冷却流体通路と、蒸気空間と冷却流体通路とを分離する凝縮壁とを備えることができる。凝縮器の蒸気空間は、有利には、この膜壁が、最後の凝縮及び蒸発ステージの液体通路を凝縮器の蒸気空間と分離するように、最後の凝縮及び蒸発ステージの膜壁に直接的に隣接させることができる。
凝縮及び蒸発は、少なくとも実質的に不活性ガスのない状態で、且つ各後続の凝縮及び蒸発ステージにおいて先行の凝縮及び蒸発ステージの圧力と温度よりも低い圧力と温度で行うことができる。濃縮される液体は、膜蒸留装置の液体通路内の濃縮される液体の絶対圧力を液体通路の液体温度に一致する沸騰蒸気圧まで下げた状態で、その絶対圧力を下げるように真空で作用することができる。凝縮及び蒸発ステージの蒸気空間と凝縮器の蒸気空間は、その絶対圧力を環境圧以下に下げるために真空で作用することができる。膜蒸留装置の好適な実施の形態によれば、蒸気空間の絶対圧力が、隣接する膜壁を介して濃縮される液体の蒸気圧まで、隣接する膜壁を介して蒸気の流れに生じる差圧によって少なくとも実質的に下げられることができる。したがって、蒸気空間の真空は、隣接する膜全てを介して濃縮される液体の蒸気圧と少なくとも実質的に一致し、増加した真空が下げられた絶対圧力に一致することを考慮した状態で、膜壁を介して蒸気の流れに生じる差圧によって増加される。
他の態様の膜蒸留装置は、例えば、国際公開公報ＷＯ２００７／０５４３１１に記載されたように構成することができる。
以下、実施の形態と図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図１は、冷却装置の典型的な実施の形態の概略図である。 図２は、並列に接続され、好ましくは略垂直方向に伸びる複数の液体通路を有する冷却塔の典型的な装置の概略図である。 図３は、Ｕ字形のパイプで構成された戻り通路を有する冷却塔の典型的な装置の概略図である。 図４は、液体フレームとして用いることができるフレーム要素の典型的な実施の形態の概略正面図である。 図５は、冷却ガスフレームとして用いることができるフレーム要素の典型的な実施の形態の概略正面図である。 図６は、例えば、図４、５の複数のフレーム要素を備える冷却塔の装置の典型的な実施の形態の概略拡大斜視図である。 図７は、例えば、冷却ガスフレーム用の格子状スペーサの典型的な実施の形態の概略斜視図である。 図８は、多段膜蒸留装置と冷却装置を備える膜蒸留プラントの典型的な実施の形態の概略図である。
図１は、液体１２、例えば水を冷却する冷却装置１０の典型的な実施の形態の概略図であって、この冷却装置１０は、冷却される液体１２’が上方領域１６から供給され、冷却された液体１２”が下方領域１８から排出される垂直冷却塔１４を有している。
液体１２は冷却塔１４内で底部から上部に流れる冷却ガス２０、例えば空気によって冷却される。この点に関して、該下方領域から流入空気及び／又は環境空気を、例えば冷却塔１４に供給することができる。一方、流出空気又は湿気を帯びた空気が冷却塔１４の上方領域から出て行く。冷却塔１４の下方領域における冷却能力を高めるため、誘導換気を行う１つ以上のファン９０を設けることができる。
液体１２がその中に案内される少なくとも１つの装置２４が、冷却ガス２０が流れる冷却塔１４のガス空間２２内に設けられる。この点に関して、各装置２４は、少なくとも１つの液体通路２６を備え、この液体通路は、両側において蒸気透過性と液密性のある膜壁２８によって少なくとも部分的に冷却塔１４のガス空間２２から分離される。
図１を参照して分かるように、冷却ガス２０が流れる冷却塔１４のガス空間２２内に、垂直方向に続けて設けられ、且つ直列に接続された複数の装置２４を設けることができる。
図２は、冷却塔１４の装置２４の典型的な実施の形態の概略図である。したがって、各装置２４は並列に接続された、好ましくは各装置２４が略垂直方向に伸びる複数の液体通路２６を備えている。この点に関して、液体通路２６は、図示されたように、具体的には互いに隣接して水平方向に配置されることができる。
図２に示すように、対応する装置２４は、具体的には複数の流体通路２６を備えることができ、それらは並列に接続され、互いに隣接して水平方向に配置され、且つ少なくとも２つの相互に対向して配置された側部で、膜壁２８、具体的には平らな膜（再び図１も参照）によって冷却塔１４のガス空間２２と分離される。この点に関して、水平方向に隣接する各対の液体通路２６は、相互に対向する膜壁２８、具体的には平らな膜を有し、それらは横方向に、すなわち、２つの液体通路２６の間で、ガス空間２２に作用する冷却ガス２０が流れる気体通路３０と隣接している（再び図１も参照）。
したがって、冷却される熱い液体１２’を上方から冷却塔１４に、そして第１の液体通路２６又は膜要素に供給することができる。冷却ガス、具体的には空気が、液体１２の流れる方向に反して、液体通路２６を形成する膜要素を通って下方から上方に流れる。上方に流れるとき、冷却ガス又は空気は加熱され、水分を帯び、密度が低下する。
上部から底部に流れる液体１２は、冷却塔１４の装置２４の上方領域の熱い状態から下方領域の冷えた状態まで、一定の温度変化を有するように案内されるのが好ましい。
有利には、冷却される液体の液頭全体が流れる方向の膜壁２８、具体的には下方膜壁に負荷されないように、液体が上部から底部に供給されるべきである。次に、図３を参照して詳細に説明する。
装置２４は個別の要素で構成することができる。この点に関して、これらの個別の要素は、例えば、矩形又は正方形のフレーム要素で構成することができる。そのようなフレーム要素は、蒸気透過性と液密性のある膜壁２８を少なくとも一方の側部に架けることができる。これらのフレーム要素は垂直方向に取り付けられ、例えば、装置２４内で水平方向に続けて設けることができる。フレーム要素には底部から上部に液体１２が流される。液体通路２６と気体通路３０はフレーム要素が結合された結果に由来している。
蒸気透過性と液密性のある膜壁２８は、例えば、ＰＴＦＥから成る微多孔性の疎水性膜とすることができる。
したがって、装置２４は互いに接続された複数のフレーム要素３２を備えることができ、液体通路２６と気体通路３０の各機能ユニットをフレーム要素３２の形で設けることができる。
フレーム要素３２にはウェブ構造３４を設けることができ、フレーム要素はウェブ構造３４を介して互いに接続することができる（図４〜図６も参照）。
また、フレーム要素３２には膜壁２８を支持するスペーサ３６を設けることができ、具体的には格子状スペーサを設けることができる（特に、図４〜図７参照）。
各液体通路２６とそれに隣接する各気体通路３０の間に設けられた膜壁２８は、２つの互いに隣接するフレーム要素３２の一方と関係を持つことができる。
図２を参照して分かるように、冷却される液体は、流入部３８を介して装置２４の第１のフレーム要素３２に供給され、冷却された液体は、構造２４の最後のフレーム要素３２から流出部４０を介して取り出される。
垂直方向に続けて設けられ、直列に接続された装置２４は、具体的には各液体通路２６が液体１２で完全に満たされるように互いに接続することができる。
例えば図３を参照して分かるように、この目的を達成するために、垂直方向に隣接する装置２４は、液体１２が流れる方向に見て、先行の装置の液体通路２６の下方領域に設けられた液体出口４４（図２も参照）と、後続の装置２４の液体通路２６の上方領域に設けられた液体入口又は流入部３８との間に配置され、先行の装置２４の液体出口４４を起点として、まず上方に伸び、少なくとも該装置２４のできる限り最上の液面まで案内される戻り通路４２を介して互いに接続することができる。
一方において、Ｕ字形パイプで構成された戻り通路４２の流出部４８の上方領域が液体１２に接触し、他方において、冷却塔１４のガス空間２２に接触し、好ましくは両側において蒸気透過性と液密性のある他の膜壁５２と少なくとも部分的に囲まれる通路部５０を備えることができる。
したがって、冷却塔液体が液体通路を通過した後、例えばＵ字形のパイプ装置で案内することができ、パイプ装置は、上方に通じるパイプと、１８０°の偏向部と、下方パイプと、具体的には疎水性の微多孔膜と、を備えることができる。冷却塔装置から出て行く液体は、冷却塔装置の液体通路が常に液体で完全に満たされた状態で上方に案内される。下方パイプ又は流出部が液体で完全に満たされないように、且つ上部から底部へ冷却塔装置の静水圧が印加されないように形成することができる。下方パイプはダウンタイムなしで作動することができ、Ｕ字形のパイプ装置には、その上方領域に、例えば、両側において蒸気透過性と気密な、具体的には微多孔性で疎水性の膜から成る要素が設けられている。したがって、下方パイプを、冷却される液体が遮断時や、逆に作動時に確実に空にでき、該膜を介してガス又は空気を流出及び流入させることができるため、ガスクッション又はエアクッションは構築されない。
例えば図４〜図６を参照して分かるように、冷却塔１４の各装置２４は、具体的には複数のフレーム要素３２を有するモジュール式フローシステムとして構成することができる。この点に関して、例えば、液体通路２６と気体通路３０の相違する機能単位をフレーム要素３２の形で設けることができる。
フレーム要素には、好ましくは各装置２４の液体通路２６と気体通路３０を形成するために、フレーム要素を互いに接続することができるウェブ構造３４が設けられている。この点に関して、複数のフレーム要素を、例えば、ウェブ構造３４を介して互いに溶接又は接合することができる。例えば、溶接ウェブ構造を用いる場合、例えば、フレーム要素を接続するために、摩擦溶接プロセスや、レーザー溶接プロセス及び／又は発熱体溶接プロセスを用いることができる。
各フレーム要素３２は、外側フレーム５４で囲まれ、好ましくは特に格子状のスペーサ３６が設けられた内側領域５６が設けられている。
図４は、液体フレームとして用いることができるフレーム要素３２の典型的な実施の形態の概略正面図である。各フレーム要素３２は、スペーサ３６の両側の膜壁を伴って広がり、冷却塔１４内の上部から底部に液体１２を案内する。液体１２のための入口開口５８と出口開口６０がフレーム要素３２内に設けられている。図４を参照して分かるように、各入口開口５８は、例えば、フレーム要素３２の２つの上方角部領域に設けることができ、各出口開口６０は、フレーム要素３２の２つの下方角部領域に設けることができる。膜壁は必ずしも液体フレームに設ける必要はない。膜壁は、例えば図５に示すように、冷却ガスフレームに設けることも可能である。また、膜壁を有する側部のみにフレームが広がることも考えられる。各液体通路と、それらに隣接する冷却気体通路が、このような膜壁によって互いに分離されるのは明白である。
図５は、冷却ガスフレームとして用いることができるフレーム要素３２の典型的な実施の形態の概略正面図である。この場合、フレーム要素３２は、下方領域に入口開口６２を形成するために、且つ上方領域に冷却ガス又は空気のため出口開口６４を形成するために、その底部と上部の両方に開口している。
例えば、フレーム要素３２の２つの上方角部領域には冷却される液体１２’のための通路開口６６が設けられている。例えば、該２つの下方角部領域には、冷却された液体１２”のための通路開口６８が設けられている。
このような冷却ガスフレームは冷却塔１４内のガスを底部から上部に案内する。スペーサ３６等の挿入される部品は、隣接するフレーム要素又はこの冷却ガスフレーム要素に付随させることができる隣接の膜壁を支持する。具体的には格子状のスペーサ３６が、冷却ガスの誘導旋回と、膜から空気中への良好な水蒸気遷移をもたらしている。既に述べたように、冷却される液体又は冷却された液体の通路開口６６、６８が上部と底部に設けられている。
図６は、複数のフレーム要素３２を備える、冷却塔１４の装置２４の典型的な実施の形態の概略拡大斜視図である。この点に関して、例えば、図４、５に示された種類の液体フレーム３２’と冷却ガスフレーム３２”を交互に組み込むことができる。この点に関して、冷却ガス２０と液体１２は互いに逆向きに流れる。
図７は、例えば、冷却ガスフレーム用の格子状スペーサ３６の典型的な実施の形態の概略斜視図である。
したがって、この格子状スペーサ３６を、例えば、気体通路３０内に配置することができる。冷却ガスは、例えば図７において、水平方向に伸びるウェブの方向に流れることができる。図７において、それに対して直角、且つ垂直であるウェブ７２は、２つの機能を有している。すなわち、膜を気体通路に向かってスタック構造で支持し、ガスの流れにおける冷却ガスから該膜への境界層が継続的に破壊され、該膜における成形温度と濃度分極が概して克服される。
図８は、多段膜蒸留装置７４と冷却装置１４を備える膜蒸留プラント７６の典型的な実施の形態の概略図である。この冷却装置１４は、例えば、特に図１〜図７を参照して記載されたように構成することができる。
液体１２の濃縮のために機能する多段膜蒸留装置７４は、蒸発器又は蒸気発生器７８と、複数の濃縮及び蒸発ステージ８０と、凝縮器８２とを備えている。
濃縮される液体１２’は、膜蒸留装置７４の凝縮器８２と冷却装置１４を備える該システムに供給される。冷却装置１０は、液体１２を予備濃縮するため、膜蒸留装置７４の上流に接続されている。冷却された液体１２”は、冷却装置１０から予備濃縮中の冷却流体として凝縮器８２に供給される。
膜蒸留装置７４の凝縮器８２は、蒸気空間８４と、凝縮壁８６によって分離された冷却流体通路８８とを備えることができ、冷却流体通路８８は予備濃縮中の１つ又は複数の装置２４を備える冷却材回路の一部であり、濃縮される液体が冷却材として冷却材回路を循環する。
したがって、多段濃縮プロセスは、予備濃縮のために、装置を備える冷却塔を有し、下流に接続された濃縮プロセスを有する膜蒸留プラント７６を用いて構成することができる。例えば、非在来型ガスを所定の位置に運ぶ掘削孔から来る液体を予備濃縮のための冷却塔及び凝縮器から成るシステムに供給することができる。液体又は溶液１２’が、凝縮出口温度よりも低い温度でこのシステムに入ってきた場合、変数１に従って溶液は図８の底部右に示すように、すなわち、冷却塔１４の出口の後に供給することができる。濃縮される液体又は溶液１２’の温度が凝縮出口温度以上の場合、濃縮される液体１２’は、変数２に従って（図８の右上を参照）、凝縮器８２の後、冷却塔１４の前に供給される。
溶液の濃度は濃縮される溶液からの水の蒸発によって増加する。所謂ブローダウン水は、具体的な所定の濃度以上であれば、冷却塔の溶液回路から取り出すことができる。
ブローダウン水は更に濃縮される。この更なる濃縮は蒸発器を用いて行うことができる。それらの蒸発器は、具体的にはフラッシュ蒸発器とすることができる。最初に述べたように、膜蒸留装置は、具体的には真空多重効用膜蒸留装置とすることができる。
冷却塔内で予備濃縮された液体は、蒸発器内で可能な限り飽和状態まで濃縮される。通常の動作状態では、その濃縮された溶液は、濃縮後の該プラントの環境よりも熱く、そのため、含有する塩分の一部は、濃縮された溶液の排出後の例えば環境温度までの冷却時に既に結晶化する。その塩結晶は分離することができ、残留溶液の全て又は一部を再び濃縮することができる。濃縮された溶液の残留溶液の全て又は一部も、例えば、塩結晶の分離後に、結晶器内で更に濃縮することができる。
１０ 冷却装置
１２ 液体
１２’ 冷却される液体
１２” 冷却された液体
１４ 冷却塔
１６ 冷却塔の上方領域
１８ 冷却塔の下方領域
２０ 冷却ガス
２２ ガス空間
２４ 装置
２６ 液体通路
２８ 膜壁
３０ 気体通路
３２ フレーム要素
３２’ 液体フレーム
３２” 冷却ガスフレーム
３４ ウェブ構造
３６ スペーサ
３８ 流入部
４０ 流出部
４２ 戻り通路
４４ 液体出口
４６ 液体入口
４８ 流出部
５０ 通路部
５２ 膜壁
５４ 外側フレーム
５６ 内側領域
５８ 入口開口
６０ 出口開口
６２ 入口開口
６４ 出口開口
６６ 通路開口
６８ 通路開口
７０ ウェブ
７２ ウェブ
７４ 多段膜蒸留装置
７６ 膜蒸留プラント
７８ 蒸発器
８０ 凝縮及び蒸発ステージ
８２ 凝縮器
８４ 蒸気空間
８６ 凝縮壁
８８ 冷却流体通路
９０ ファン

Claims (15)

  1. 液体（１２）を冷却する冷却装置（１０）であって、
    冷却される液体（１２’）が上方領域（１６）に供給され、且つ冷却された液体（１２”）が下方領域（１８）に案内され、底部から上部に流れる冷却ガス（２０）によってその内部の前記液体（１２）が冷却される冷却塔（１４）を有し、
    前記液体（１２）が案内される少なくとも一つの装置（２４）は、前記冷却ガス（２０）が流れる前記冷却塔（１４）のガス空間（２２）に設けられ、
    各装置（２４）が、蒸気透過性と液密性のある両側の膜壁（２８）によって前記冷却塔（１４）の前記ガス空間（２２）から少なくとも部分的に分離された少なくとも１つの液体通路（２６）を備える、冷却装置。
  2. 垂直方向に続けて設けられ、直列に接続された複数の装置（２４）が、前記冷却ガス（２０）が流れる前記冷却塔（１４）の前記ガス空間（２２）に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
  3. 少なくとも１つの装置（２４）が、並列に接続され、概して垂直方向に伸びる複数の液体通路（２６）を備えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
  4. 並列に接続された前記液体通路（２６）が互いに隣接して水平方向に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の冷却装置。
  5. 少なくとも１つの装置（２４）は、並列に接続され、互いに隣接して水平方向に配置され、膜壁（２８）、具体的には少なくとも互いに対向して配置された両側の平らな膜によって前記冷却塔（１４）の前記ガス空間（２２）から分離された複数の液体通路を備え、水平方向に隣接する夫々の対の液体通路（２６）が、互いに対向する膜壁（２８）、具体的には前記ガス空間（２２）に作用する冷却ガス（２０）が流れる気体通路（３０）を横方向に囲む平らな膜を有することを特徴とする、請求項４に記載の冷却装置。
  6. 装置（２４）は互いに接続された複数のフレーム要素（３２）を備え、機能ユニットの前記液体通路（２６）と前記気体通路（３０）がフレーム要素（３２）の形態で設けられることを特徴とする、請求項５に記載の冷却装置。
  7. 前記フレーム要素にはウェブ構造（３４）が設けられ、それらのウェブ構造（３４）を介して互いに接続されることを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
  8. 前記フレーム要素（３２）にはスペーサ（３６）、具体的には格子状のスペーサが夫々設けられることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の冷却装置。
  9. 各液体通路（２６）と、それらに隣接する各気体通路（３０）との間に設けられた前記膜壁（２８）は、互いに隣接する２つのフレーム要素（３２）の内の一つと関連付けられることを特徴とする、請求項６から請求項８の何れか一項に記載の冷却装置。
  10. 垂直方向に続けて設けられ、且つ直列に接続された前記装置（２４）は、それらの液体通路（２６）が液体（１２）で完全に満たされるように更に接続されることを特徴とする、先行する請求項の何れか一項に記載の冷却装置。
  11. 垂直方向に隣接する装置（２４）は、前記液体（１２）の流れる方向に見て、先行の装置（２４）の液体通路（２６）の下方領域に設けられた液体出口（４４）と、後続の装置（２４）の液体通路（２６）の上方領域に設けられた液体入口（３８）との間に配置され、且つ前記先行の装置（２４）の前記液体出口（４４）を起点として少なくともこの装置（２４）における可能な限り最上の液面まで上方へ最初に案内される戻り通路（４２）を介して、互いに接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却装置。
  12. 前記戻り通路（４２）がＵ字形のパイプで構成されることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却装置。
  13. Ｕ字形のパイプで構成された前記戻り通路の前記流出部（４８）の前記上方領域は、好ましくは両側で蒸気透過性と液密性のある他の膜壁（５２）によって少なくとも部分的に囲まれ、一方において前記液体（１２）と接触し、他方において前記冷却塔（１４）の前記ガス空間（２２）と接触する通路部（５０）を備える、請求項１２に記載の冷却装置。
  14. 蒸発器（７８）と、複数の凝縮及び蒸発ステージ（８０）と、液体（１２）を濃縮する凝縮器（８２）とを備える多段膜蒸留装置（７４）を有するとともに、先行する請求項の何れか一項に記載の冷却装置（１０）を有する膜蒸留プラント（７６）であって、
    濃縮される液体（１２’）は膜蒸留装置（７４）の凝縮器（８２）と冷却装置（１４）とを備えるシステムに供給され、
    前記冷却装置（１４）は、前記液体（１２）を予備濃縮するために前記膜蒸留装置（７４）の上流に接続され、
    予備濃縮中に冷却された液体（１２”）が冷却流体（１２”）として前記冷却装置（１０）から前記凝縮器（８２）に供給される膜蒸留プラント。
  15. 前記膜蒸留装置（７４）の前記凝縮器（８２）は、蒸気空間（８４）と、凝縮壁（８６）によってそれから分離される冷却流体通路（８８）とを備えることができ、前記冷却流体通路（８８）は、前記予備濃縮中の１つ又は複数の前記装置（２４）を備える冷却材回路の一部であり、濃縮される前記液体が冷却材として前記冷却材回路を循環することを特徴とする、請求項１３に記載の膜蒸留プラント（７６）。
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