JP3737030B2 - 逆浸透用の大型チューブアセンブリ - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に、特に水の濾過を含む流体の濾過に関するものである。
【０００２】
（背景技術）
精製水に対する大きな世界的要求があり、この要求の中で最も工業的に重要であることのひとつが淡水の生産である。世界の多数の地域は、飲料あるいは農業に使用する淡水が不十分である。淡水の供給が豊富である他の地域では、水は、しばしば化学的あるいは生物学的な汚染物質、金属イオン等で汚染される。工業化学薬品および食物ジュースのような他の流体の工業的精製に対する継続する要求もある。例えば、米国特許第４，７５９，８５０号は、エーテルの付加的存在における炭化水素からアルコールを取り除く逆浸透の使用を論議し、米国特許第４，９５９，２３７号はオレンジジュース用逆浸透の使用を論議している。
【０００３】
蒸留技術とは別に、水および他の流体の精製は、一般に濾過によって満たされる。逆浸透（ＲＯ）、超濾過および過濾過を含む多数の種類の濾過があり、全てこのような技術は、ここでは一般的な用語「濾過」で考慮される。
【０００４】
逆浸透は、半透膜を使用する圧力の下での成分の分離を必要とする。ここで使用されるように、膜という用語は、機能的濾過装置を示し、１つまたはそれ以上の半透過性層および１つまたはそれ以上の支持層を含んでもよい。使用される膜の細かさに応じて、逆浸透は、大きさがマクロ分子からミクロまで変化する粒子を取り除くことができ、最新逆浸透装置は、粒子、バクテリア、胞子、ウィルスおよびＣｌ⁻あるいはＣａ^＋＋のようなイオンでさえも取り除くことができる。
【０００５】
必要な圧力を膜の両端に生じることに関連する膜の過汚損および高コストを含む逆浸透（ＲＯ）に関連したいくつかの問題がある。これらの２つの問題は、既知のＲＯ装置の大部分あるいは全てが動作中発生される透過量に対する比較的大量の供給液体で膜のフラッシング（洗浄）を必要とする点で相互に関連付けられる。海水脱塩における浸透回収に対するフラッシング液体の拒絶率は、例えば約３：２である。利用される海水の一部だけが精製水として取り出されるために、残りの水に使用されるエネルギーはむだにされ、固有の非効率を生じる。
【０００６】
参照してここに組み込まれるＣｈｅｎｇ他（１９７０年、１月）の米国特許第３，４８９，１５９号に記載されるもののようなワーク交換ポンプを使用することによって、濾過ポンピングのエネルギーコストを軽減することは既知である。このような装置では、濾過材（フィルタエレメント）を過ぎて流れる「廃」流体の圧力は供給流体を加圧するために使用される。あいにく、ワーク交換ポンプは、比較的複雑な配管を使用し、いずれにしてもその運転が不連続である。これらの要因は、設置および運転上の全コストに大きく加えられる。
【０００７】
「廃」流体に含まれたエネルギーを回収するために１つあるいはそれ以上のタービンを使用することによって濾過ポンピングのエネルギーコストを軽減することも既知である。典型的な例は、参照してここにも組み込まれるＶａｎｑｕｅｚ‐Ｆｉｇｕｅｒｏａ（１９９６年１０月公開）のＰＣＴ／ＥＳ９６／０００７８の図３として含まれる。この例では、山の途中まで濾過装置に流入することが可能である供給流体は、山腹にポンプで汲み上げられる。
【０００８】
エネルギー回収タービンを使用する従来技術の濾過装置のより一般化された概略が図１に示されている。そこで、濾過装置１０は、ポンプ２０と、複数の平行な浸透器３０と、エネルギー回収タービン４０と、浸透あるいは濾過流体保持タンク５０とを通常備えている。前処理装置（図示せず）からの供給流体をポンプ２０に輸送する取り入れライン（図示せず）と、ポンプ２０からの加圧供給流体を浸透器３０に輸送する供給流体ライン２２と、浸透器３０からの減圧浸透物を保持タンク５０に輸送する浸透物収集ライン３２と、浸透器３０からの加圧廃流体をエネルギー回収タービン４０に輸送する廃流体収集ライン３４と、エネルギー回収タービン４０からの減圧廃流体をシステム１０から離れたところに輸送する廃流体放出ライン４２とを有する流体供給ラインは真っすぐに進む。
【０００９】
図１による装置は比較的エネルギーに効率的であってもよいが、なお配管の見地から多少複雑である。とりわけ、各浸透器３０は、少なくとも３つの圧力接続部を有する。すなわち１つは供給流体用、１つは廃流体用、１つは浸透物用である。大きな装置では、特に浸透器の濾過材が数年毎に取り換えられる必要があるこのような流体接続部は、保守するのに費用がかかる可能性がある。
【００１０】
ＷＩＰＯ公開公報９８／４６３３８は、螺旋巻濾過器を含む生産モジュールが直列に機械的に結合されると同時に供給流路、濾過済流路および廃流体流路を平行に与える改良を開示している。ここでは時々Ｓ／Ｐモジュール化と呼ばれるこの装置によって、一連の結合モジュールは、便宜的に設置でき、利用でき、取り除くことができる。ＷＯ９８／４６３３８は、例えば、深いあるいは浅い井戸に、地面に沿ってタワーに、丘あるいは山の側面に、あるいは道路または駐車場の下にさえ挿入することによって空間的に効率のよい方法でモジュールを配置する多数の方法を示唆する。設置および除去の効率は、スリップ・フィット・ジョイントを使用して隣接生産モジュールを互いに接続することによって高めることができ、生産モジュールは、支持ケーブルあるいはロッドの接続部による結合関係で保持できることも示唆されている。
【００１１】
しかしながら、ＷＩＰＯ公開公報ＷＯ９８／４６３３８は、モジュール化エネルギー回収装置を使用することによってＳ／Ｐモジュール化生産モジュールのエネルギーコストの軽減を教示していない。したがって、このような装置、特に非効率が非常に顕著で有り得る大規模装置（少なくとも１００万ガロン／日）で使用されるエネルギーコストを埋め合わせることの簡単な方式に対する継続する要求がある。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、エネルギー回収装置を有するモジュール化濾過装置に向けられている。好ましい実施形態では、濾過装置は、複数の生産モジュールが生産チェーンを形成するように直列に結合され、共通供給流体流路、共通廃流体流路および共通製品流路の各々が生産チェーンに沿って支持（担持）されるように構成される。好ましい実施形態のさらに他の態様において、エネルギー回収装置は、絶え間無い流れ、すなわち「廃」流体からエネルギーを抽出するように置かれたタービンを備えている。さらにもう１つの好ましい実施形態は、供給流体を加圧するモジュール化加圧装置をさらに含み、エネルギー回収のための共通駆動軸および加圧装置を提供する。
【００１３】
本発明の様々な目的、特徴、態様および長所は、同一番号が同一構成要素を示す添付図面とともに本発明の好ましい実施形態の下記の詳細な説明からより明らかになる。
【００１４】
（詳細な説明）
図２において、好ましい濾過装置１１０は、通常、加圧装置１２０と、複数の逆浸透あるいは他の濾過器１３０と、エネルギー回収装置１４０と、浸透あるいは濾過済流体保持タンク１５０とを備えている。図１と同様に、ライン１１２からの供給流体は、前処理装置１１４に入り、それからライン１１６を介して加圧装置１２０に送られる。加圧の際に、供給流体ライン１２２は、加圧装置１２０からの加圧供給流体を浸透器１３０に輸送し、浸透収集ライン１３２は、浸透器１３０からの減圧浸透を保持タンク１５０に輸送し、廃流体収集ライン１３４は、浸透器１３０からの加圧廃流体をエネルギー回収装置１４０に輸送し、廃流体放出ライン１４２は、エネルギー回収装置１４０からの減圧廃流体を装置１１０から離れた所に輸送する。さらに図１と同様に、供給流体が濾過による処理になじみやすい任意の流体であってもよいことが意図されている。多数の例において、供給流体は、水、あるいは塩水または海水のような少なくとも水性溶液を含む。他の例では、供給流体は、オレンジジュースのような食物あるいはおそらく精製を必要とする石油媒介物を含んでもよい。
【００１５】
しかしながら、図１の濾過装置１０と全く違って、図２の濾過装置１１０は、種々の濾過器１３０と、供給流体ライン１２２、浸透物収集ライン１３２、および廃流体収集ライン１３４の少なくとも一部とが生産チェーンで一緒に結合された一連の生産モジュール１６０内に含まれるかあるいはこの一連の生産モジュールによって部分的に規定されることを意図している。好ましい実施形態では、生産チェーンは、大きなチューブアセンブリ１７０を形成するために溝（チャンネル）あるいはケーシング内に含まれてもよい。溝あるいはケーシングの内部壁は、生産モジュールと協力して様々な流体ライン１２２、１３２および１３４の少なくとも１つを規定する。このような実施形態の任意の組み合わせあるいは順列では、供給流体流路、廃流体流路、および製品流路は、全て生産チェーン「に沿って支持される」とみなされる。
【００１６】
ここでは予め意図されるよりも直径に制約が少ないけれども、生産モジュール１６０は、有利なことにはＷＯ９８／０９７１８およびＷＯ９８／４６３３８公開公報に種々に記載されている生産モジュール４０と多くの点で同じであってもよい。さらに、生産モジュール１６０は、鉛直線、鉛直外れ線、および水平線さえも含む鉛直線に対して任意の関係で配置されることを意図されている。そのこと自体は、大きなチューブアセンブリ１７０は、多かれ少なかれ、地面の表面上、地面の表面の上あるいは表面の下にあるいは部分的に埋め込まれた配置のようなある他の形状で配置されてもよい。他の考慮された実施形態では、例えば、大きなチューブアセンブリ１７０は、多分１００フィート深さよりも小さいかあるいはさらに５０フィート深さよりも小さい浅い井戸に設定されてもよい。もう１つの他の実施形態では、大きなチューブアセンブリ１７０は、タワー、丘の中腹あるいは山の内部あるいはそれらの一部として配置されてもよい。さらにもうひとつの態様では、複数の大きなチューブアセンブリ１７０は、任意の組み合わせの配置でアセンブリのフィールド（図示せず）を形成するために一緒に結合されてもよい。
【００１７】
濾過器部は、例えば、ＷＯ９８／０９７１８に示されるように螺旋巻きされるのが好ましい。しかしながら、他の実施形態では、任意の他の種類の濾過器を使用できる。したがって、平らな膜、管状、螺旋、および／または中空管型濾過器を使用することがはっきりと意図されている。例えば、中空型濾過器は、Ｅｃｋｍａｎの米国特許第５，４７０，４６９号に記載されている濾過器と同様に配置されてもよい。
【００１８】
加圧装置１２０をより詳細に参照すると、適切なポンピング容積および圧力を生じる任意のポンプあるいはポンプ装置が供給流体を加圧するように濾過装置１１０で使用されてもよいことを意図している。これは、容量型ポンプと、インペラポンプ、上部圧力（ヘッドプレッシャ）装置および多数の他のものとを含んでいる。一方、いくつかのポンプおよびポンピング装置は他のものよりもより効率的であり、このようなポンプおよび装置は特に考慮される。特に効率的なポンピング装置は図２に示されるもののような２段タービンポンプである。ここでは、供給流体は、最初に比較的低圧のタービン１２０Ａに、次に比較的高圧のタービン１２０Ｂに流れる。複数の駆動軸および／または複数のモータを有する他の実施形態も考慮されるけれども、低圧タービンおよび高圧タービン１２０Ａ、１２０Ｂは、有利なことには単一駆動軸１２０Ｃおよびモータ１２０Ｄから動力を得ることができる。
【００１９】
エネルギー回収装置１４０は、容量型装置（図示せず）を含む多数の異なる形態をとってもよい。図２において、例えば、エネルギー回収装置１４０は、生産モジュール１６０から加圧廃流体を受け取るタービン１４０Ａを組み込む。
【００２０】
エネルギー回収装置１４０は、容量型装置（図示せず）、タービン装置（図示せず）、あるいはペルトン水車１３０Ａ（図４に示されている）を含む多数の異なる形態をとってもよい。エネルギー回収装置１４０は、加圧装置１２０にモジュール式に結合されることも好ましい。図２および図３の特定の実施形態では、モジュール化は、加圧装置１２０およびエネルギー回収装置１４０の両方を共通パワーモジュール１６５に配置し、さらにエネルギー回収装置からの動力をポンプ１２０Ａ、１２０Ｂに伝達するために駆動軸１２０Ｃのポンプ駆動軸を利用することによって生じる。他の実施形態では、モジュール化は、加圧装置１２０およびエネルギー回収装置１４０を共通の駆動列で結合されることが有利である別個の動力モジュール（図示せず）に配置することによっても生じ得る。
【００２１】
モジュール化には多数の意図された長所がある。例えば、生産モジュールへの濾過器およびフローラインのモジュール化は、物理的に直列方法で配置されているが、流体的には並列方法で配置されている濾過装置の構築を容易にするために非常に有利である。このような装置は、もともと図１に示された装置のような従来の装置に対して構築および保守するのに費用効率がよい。加圧装置およびエネルギー回収装置のモジュール化は、費用効率の見地からも有利である。とりわけ、このような動力モジュールは所与の濾過装置で容易に挿入および取り換えができ、このような濾過装置のフィールドで対応するモジュールと交換できるように取り換えできる。
【００２２】
これらの長所のいくつかは図３の考察からより容易に思い浮かべることができる。図３において、濾過装置のフィールド２００は、第１のマイクロ濾過装置２０２と、第２の超濾過あるいは非濾過装置２０４と、第３の過濾過あるいは逆浸透装置２０６とを備えている。有利なことには、部品の多数は、交換可能性および費用効率を高めるようにモジュール化されてもよい。例えば、濾過装置の各々は、この場合、紫外線装置あるいは殺菌装置であってもよい前処理装置２１４Ａ、２１４Ｂおよび２１４Ｃを有してもよい。フィールド２００の濾過装置２０２、２０４および２０６の全てのための供給流体は、井戸２０９によって供給され、ポンプ２０８によって第１の前処理装置２１４Ａにポンプで吸い上げられる。次に、供給流体は、供給流体が生産モジュール２６０Ａで濾過されるライン２１６Ａを介して第１の濾過装置２０２に送られる。廃流体は、ライン２３４Ａを介して第１の濾過装置２０２を出る。第１の濾過装置２０２からの浸透物は、さらなる濾過が生産モジュール２６０Ｂで生じるラインを介して第２の濾過装置２０４に運ばれる。廃流体は、ライン２３４Ｂを介して第２の濾過装置２０４を出る。第２の濾過装置２０４からの浸透物は、ライン２１６Ｃを介して第３の濾過装置２０６に運ばれる。第３の濾過装置２０６で、比較的精製された流体は、加圧装置２２０によって加圧され、さらに生産モジュール２６０Ｃで濾過される。廃流体は、ライン２３４Ｃを介して第３の濾過装置２０６を出る。第３の濾過装置２０６からの浸透物は、エネルギー回収装置２４０を使用して減圧され、次に保持タンク２５０に送られる。
【００２３】
もちろん、図２および図３に示された装置の配置は例として役立つだけであり、多数の他の配置が考慮される。例えば、図３は、供給流体がいくつかの直列に配置された濾過装置にわたって段々多く濾過されるフィールド２００を示している。他の実施形態では、供給流体を１回だけ濾過することはより適切であり得るので、様々な濾過装置は直列よりもむしろ並列で作動する。さらにもう１つの他の実施形態では、フィールドは、共通井戸とは対照的に複数の井戸を介するような、多数の供給流体源を使用してもよい。さらにもう１つの実施形態では、様々な濾過装置は、地表に対して異なる位置に配置されてもよい。例えば、この装置のいくつかは多くは地下に設置されてもよいのに対して、他のものは地上レベルの近くにあってもよいし、あるいはタワーに配置されてもよい。
【００２４】
有利なことには、部品の多数は、交換可能性および費用効率を高めるようにモジュール化されてもよい。例えば、濾過装置の各々は、この場合、紫外線装置あるいは他の殺菌装置であってもよい前処理装置２１４Ａ、２１４Ｂおよび２１４Ｃを有してもよい。フィールド２００の濾過装置２０２、２０４の全てのための供給流体は、井戸２０９によって供給され、ポンプ２０８によって第１の前処理装置１１４Ａにポンプで吸い上げられる。次に、供給流体は、供給流体が生産モジュール２６０で濾過されるライン１１６Ａを介して第１の濾過装置２０２に送られる。廃流体は、ライン１３４Ａを介して第１の濾過装置２０２を出る。第１の濾過装置２０２からの浸透物は、ライン１１２Ｂを介して第２の濾過装置２０４に運ばれる。廃流体は、ライン１３４Ｂを介して第２の濾過装置２０４を出て、エネルギー回収装置１４０を通過する。第２の濾過装置２０４からの浸透物は、保持タンク２５０に送られる。
【００２５】
図４では、濾過装置３１０は加圧装置３２０を含み、エネルギー回収装置３４０は共通動力モジュール３６５に配置されている。ペルトン水車あるいはＥＲＴ３４０Ａは、廃流体収集ライン１３４の廃流体からエネルギーを取り出し、共通駆動軸３２０Ｃを介して水中用ポンプ３２０Ａ、３２０Ｂを駆動するように付加動力を供給する。
【００２６】
図５では、一連の生産モジュール５２２は、大きなチューブアセンブリ５１０を形成するように一緒に結合される。ここでは予め意図されるよりも直径に制約が少ないけれども、生産モジュール５２２は、有利なことには‘２９３出願に記載されている生産モジュール５４０と多くの点で同じであってもよい。さらに、生産モジュール５２２は、鉛直線、鉛直外れ線、および水平線さえも含む鉛直線に対して任意の関係で配置されることを意図されている。そのこと自体は、大きなチューブアセンブリ５１０は、多かれ少なかれ、地面の表面上、地面の表面の上あるいは表面の下にあるいは部分的に埋め込まれた配置のようなある他の形状で配置されてもよい。他の考慮された実施形態では、大きなチューブアセンブリ５１０は、多分１００フィート深さよりも小さいかあるいはさらに５０フィート深さよりも小さい浅い井戸に設定されてもよい。もう１つの他の実施形態では、大きなチューブアセンブリは、タワー、丘の中腹あるいは山の内部あるいはそれらの一部として配置されてもよい。さらにもうひとつの態様では、複数の大きなチューブアセンブリ５１０は、任意の組み合わせの配置でアセンブリのフィールドを形成するために一緒に結合されてもよい。
【００２７】
膜を動かすのに必要な大部分の圧力が上部圧力以外の若干の発生源から得ることが意図されていることを除いて、好ましい動作はＷＯ９８／０９７１８出願に記載されている動作と同様である。したがって、図５では、液体は、井戸上部あるいは他の発生源５１２から入力ライン５１３を通って、任意の前処理装置５１４の中に汲み上げてもよいしあるいはポンプで汲み上げてもよい。液体は、通常、塩水あるいは海水のような少なくとも水性溶液であり、ここでは記載の一部は一例として塩水あるいは海水を使用するが、事実上いかなる液体もここに記載された装置および方法によって精製されてもよいことが分かる。
【００２８】
前処理装置５１４から、塩水あるいは海水は、付加圧力を水に与えるように使用されてもよく、この水を生産モジュール５２２の中に送る高圧ワーク交換ポンプ（ｗｏｒｋ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｐｕｍｐ）５１６を通過する。この特定の例では、塩水あるいは海水は、通路５２４に沿って流れ、水の一部は膜を通って流れ、通路５２６を通過する浸透物を形成すると同時に、水の残りは放出パイプ５３６の外へ出す。次に、通路５２６の浸透物は、パイプ５３２を通って貯蔵タンク５３４に流れる。
【００２９】
前述のように、大きなチューブアセンブリ５１０は、事実上任意の位置に配置できるが、ここでは支持体５４２によって地上数フィート上げられる。コンクリートの地面カバーあるいは他の地面カバーの支持床面５４４も存在してもよい。
【００３０】
図６は、大きなチューブアセンブリ６１０が浅い井戸に鉛直に配置されている同様な配置を示している。比較を助けるために、構成要素の各々は、数字の各々が１００だけ増加されることを除いて、図５と同じ番号付けして示されている。
【００３１】
より詳細に高圧ポンプ５１６、６１６を参照すると、適切なポンピング容積および圧力を供給する任意のポンプあるいはポンプ装置が使用できることが考慮される。これは、容量型ポンプと、インペラポンプと、多数の他のものとを含んでいる。一方、いくつかのポンプおよびポンピング装置は、他のものよりもより効率的であり、このようなポンプおよび装置は特に考慮される。高圧廃流体からエネルギーを取り出す米国特許出願第３，４８９，１５９号に開示されているワーク交換装置のようなポンピング装置は目下のところ好ましい。
【００３２】
したがって、モジュール化エネルギー回収装置を有する濾過装置の特定の実施形態および用途が開示されている。しかしながら、既に記載されている修正のほかにさらなる多数の修正が、ここでの本発明の概念から逸脱しないで可能であることが当業者に明らかであるべきである。したがって、本発明の主題は本開示の精神におけることを除いて限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 エネルギー回収タービンを使用する従来技術の濾過装置の概略である。
【図２】 エネルギー回収装置を使用する、本発明による濾過装置の概略である。
【図３】 本発明による濾過装置のフィールドの概略である。
【図４】 エネルギー回収装置および水中用ポンプを使用する、本発明による濾過装置の概略である。
【図５】 ワーク交換ポンプを使用する、本発明による水平構造の濾過装置の概略である。
【図６】 ワーク交換ポンプを使用する、本発明による鉛直構造の濾過装置の概略である。

Claims (11)

1. 生産チェーンを形成するように、機械的に直列に結合され且つ流体的に並列に結合された少なくとも２つの生産モジュールと、
   各生産モジュールが有する、生産チェーンに沿って支持された共通供給流体流路、共通廃流体流路、および共通製品流路と、
   少なくとも２つの生産モジュールに流体的に結合された、前記廃流体流路の廃流体からエネルギーを得るエネルギー回収装置と、
   生産チェーンに結合された、加圧流体を生産モジュールに供給する圧力ポンプとを備えていることを特徴とする濾過装置。
2. エネルギー回収装置に結合された駆動軸をさらに含み、それによって前記廃流体から得られたエネルギーの少なくとも一部が前記供給流体を加圧するために使用されることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
3. エネルギー回収装置にモジュール式に結合された前記供給流体を加圧するのを助ける加圧装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
4. 前記エネルギー回収装置がペルトン水車を備えていることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
5. 前記エネルギー回収装置がワーク交換ポンプを備えていることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
6. 前記エネルギー回収装置がタービンを備えていることを特徴とする請求項１に記載の濾過装置。
7. 生産チェーンが前記生産モジュールを少なくとも３つを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の濾過装置。
8. 生産チェーンが前記生産モジュールを少なくとも５つを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の濾過装置。
9. 前記生産チェーンが細長いケーシングの中に挿入されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の濾過装置。
10. 前記ケーシングがほぼ地面レベルの下に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の濾過装置。
11. 前記ケーシングがほぼ地面の上に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の濾過装置。

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