JP5497663B2 - 改善されたブライン再循環システムを備えたｍｓｆ脱塩ユニットを用いた塩水の脱塩方法および脱塩プラント - Google Patents

Description

本発明は、少なくともブラインヒータ、多段フラッシュ（multi-stage flash：ＭＳＦ）蒸留ユニットおよびオプショナルな別体の脱気器を用いた塩水の脱塩方法、および少なくともブラインヒータ、多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニットの脱塩ゾーンおよび少なくとも脱気器を備えた塩水の脱塩プラントに関する。

予熱された海水は、再循環ブラインとして熱回収セクション内にポンプ圧送される。該熱回収セクションで、該再循環ブラインは、蒸発器シェル内で発生されたスチームを凝縮させることによりチューブ束内で徐々に予熱される。凝縮されたスチームは蒸留流として収集されかつ下流側のプラントまたは消費者にポンプ圧送される。

下記特許文献１には、塩水の既知の脱塩方法および多段フラッシュ（ＭＳＦ）プラントの両方が開示されており、この脱塩方法は、ブラインヒータを用意する段階と、少なくとも１つの凝縮器および該凝縮器から凝縮物を収集する手段を備えた少なくとも１つの脱塩ゾーン（熱回収セクション）を用意する段階と、少なくとも１つの熱交換器を用意する段階と、クーラントとしての塩水からなるフィード流を凝縮器に供給してフィード流を予熱する段階と、予熱されたフィード流をブラインヒータに供給する段階と、スチームからなる第１加熱流をブラインヒータに供給して、予熱されたフィード流を更に加熱する段階と、加熱されたフィード流をブラインヒータから少なくとも１つの脱塩ゾーンに供給する段階と、予熱されたフィード流の少なくとも一部を脱塩ゾーン内で蒸発させ、水蒸気からなる蒸発残留物を得る段階と、蒸発残留物を脱塩ゾーン内で凝縮させる段階とを有している。

下記特許文献２には、他の既知のＭＳＦ形脱塩プラントが開示されており、該脱塩プラントでは、加熱された海水が、フラッシュ蒸発器の連続的に圧力が低下するように維持されたフラッシュチャンバに通されかつ電力を発生する発電機に連結された低圧タービンに通され、他のフラッシュ段で発生された蒸気が、これらのフラッシュ段に関連する凝縮チューブ上に直接凝縮される。凝縮物は、蒸発器から冷却器に引出される。タービンからの排出流は凝縮器に通され、該凝縮器からの凝縮物は冷却器からの留出物と混合し、これにより、所望の生成物すなわちシステムから引出された脱塩水が収集される。

ＭＳＦ脱塩ユニットの生成量（留出物産出量（distillate output））は、プラントの「ブライン再循環流」および「フラッシュ温度範囲」に正比例することは良く知られている。既存の脱塩ユニットの生成量をかなり増大させるには、「ブライン再循環流」または蒸発器の「フラッシュ温度範囲」を増大させるか、これらのパラメータの両方を一緒に増大させる必要がある。

「フラッシュ温度範囲」に関する限り、一般に、誰も、高い値を達成できなくする多くの制限がある。これらの制限は、主として、プラントに影響を与えるスケーリング（表面酸化）および腐蝕の問題のため、トップブライン温度（Top Brine Temperature）の制限に関連している。

したがって本発明は、ブライン再循環回路を改善することにより、脱塩プラント生成量を増大させることを指向するものである。

ブラインリサイクル流を増大させるため、既知の方法の１つ、すなわち既存のブラインリサイクルポンプまたは流れ制御弁のポンプインペラ（単一または複数）の修正を利用することができる。また、例えば可変速モータを用いてポンプ速度を増大させるか、ポンプおよびモータをより高いキャパシティのものに全部置換することができる。しかしながら、これらの全ての手段はコストが嵩みかつ包括的であり、流体システムが直ぐに物理的限界に達してしまう。

また、もし何らかの絞りがあるとしても、可能な絞り（「ボトルネック」）は流体回路からその数を減らすか、除去できるであろう。

国際特許公開ＷＯ ０２／３２８１３ Ａ１号公報 米国特許ＵＳ−ＰＳ ３ ４８９ ６５２号公報

したがって本発明は、既存の脱塩ユニットの「ブライン再循環流」したがってＭＳＦ性能が増大するように、本明細書の冒頭に述べかつより詳細に上述した方法を改善しかつ開発する目的に基いている。他の目的は、既知の方法から生じる経済的問題を、他の方法を用いて最小にすることにある。更に別の目的は、フラッシュチャンバの熱交換チューブ内のブラインの速度増大を防止することにある。また、このような方法に適したプラントは、既存の装置に大きな手を加えることなく、極く僅かな変更を加えるだけで得ることができる。更に、既存のプラントを改装することも可能である。

方法に関し、上記目的は、特許請求の範囲に記載の請求項１の前提部に特定された特徴を有する方法により解決され、この方法では、再循環ブラインが熱回収セクションの少なくとも一部を迂回する。本発明は、留出物産出量の増大が、再循環ブラインの付加流のみによって得られることを認識した。

本発明の他の教示によれば、バイパス流は、バイパスブラインの流量を制御すべく変えることができる。

塩水の脱塩用プラントに関しては、上記目的は、少なくともブラインヒータと、多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニットの脱塩ゾーンとを有し、脱塩ゾーンが、スチームを凝縮させかつ留出物を獲得する熱回収セクションを有する構成の塩水脱塩プラントにおいて、前記熱回収セクションのチューブ束の少なくとも一部を迂回する少なくとも１つのバイパスラインが設けられていることを特徴とする塩水脱塩プラントにより解決される。

本発明によるプラントの他の好ましい実施形態によれば、異なる蒸留ユニット同士の間に幾つかのバイパスラインが設けられている。

本発明による他の有利な教示によれば、隣接する蒸留ユニット同士の間に幾つかのバイパスラインが配置されている。

或いは、各単一の蒸留ユニットのための別のバイパスラインが設けられている。これらのバイパスラインは、バイパスラインとして機能するだけでなく、同時に、蒸留ユニットに流入する冷却ブラインの温度を低下させ、したがって、各熱回収段内の付加熱を回収することができる。

本発明の他の実施形態では、ブラインを再循環させる付加ポンプを設けることができる。

本発明によるプラントの他の有利な実施形態によれば、少なくとも１つのバイパスラインがパイプからなり、再循環ブラインの流量を変えるべく、前記パイプの内径が可変である。これは、改変された各バイパスパイプ内に配置された例えば少なくともバルブ、孔穿き板等により達成できる。

本発明および特に本発明による方法の他の好ましくかつ有利な実施形態は特許請求の範囲に記載の実施態様項および図面において詳細に示されている。また、本発明は、本明細書において説明されかつ図示された実施形態のあらゆる変更および組合せを包含する。また、本発明は、別体の脱気器を含む（または含まない）全ての既存のＭＳＦ脱塩プラントをカバーするが、これらに限定されるものではない。また、本発明の範囲は、多数の異なる付加利益を見出すことができる新規な脱塩プラントをもカバーする。

以下、添付図面に基いて本発明をより詳細に説明する。添付図面は好ましい実施形態を単に例示するものであり、本発明による方法およびそれぞれのプラントの機能も詳細に説明する。

ポンプキャパシティ（流量）と全動圧との関係を示すグラフである。 一般的な流体回路を示す概略図である。 低い全摩擦抵抗をもつ他の流体回路を示す概略図である。 第２回路特性をもつ図１のグラフである。 従来技術によるＭＳＦ脱塩ユニットおよびブライン再循環ポンプの流体回路を示す概略図である。 図５のブライン再循環システムの流体回路をより概略的に示す図面である。 熱回収チューブセクションを迂回するバイパスラインを備えた図６のブライン再循環システムを示す図面である。 バイパスラインおよび付加ポンプを備えた図７のブライン再循環システムを示す図面である。 ２つの隣接熱交換チューブ間に複数の短いバイパスラインを備えた図６のブライン再循環システムを示す図面である。 バイパスラインおよび付加ポンプを備えた図９のブライン再循環システムを示す図面である。 単一の各熱交換チューブ用の複数の短いバイパスラインを備えた図６のブライン再循環システムを示す図面である。 全てのバイパスラインおよび付加ポンプを備えた図１１のブライン再循環システムを示す図面である。

工学的な見地から、１つ以上のポンプを備えた流体回路では、図１に示すようにポンプ性能曲線と回路特性曲線との交点に作動点が見られることは非常に良く知られている。

図１に示す流量およびヘッド（全動圧）は単なる表示であり、以下の記載および技術研究は、あらゆる流量およびヘッドに適用できるものであることはもちろんである。

図２は一般的な流体回路を示し、回路のΔｐは次の２つのコンポーネンツの合計に等しいことは理解されよう。

・第１コンポーネントとは、流体回路のサクションベイスンとデリバリベイスンとの間の静圧差である。この静圧差は、流量に基づかない不変の期間である。

・第２コンポーネントは、回路自体の内部の摩擦損によるものである。これらの摩擦損は、回路内の流量がゼロに等しいときはゼロに等しい。この期間は、通常、レイノルズ数および他のパラメータに基づいて、流量の２乗にしたがって増大する。

図３に示すように、他のラインが、（同じまたは異なる摩擦抵抗を有する）既存の摩擦抵抗に並列に配置される場合には、各ラインがポンプ流量の一部を受持ち、したがって各回路の速度は以前より小さくなるので、全摩擦抵抗は減少する。

図４には、変更形態による回路の流体効果が示されている。摩擦損の低減により、以前よりフラットな回路特性が生じること、およびポンプ／回路の作動点が点１から点２へと移動してポンプから付加流量が吐出されることが理解されよう。

この理論的な工学的観点から出発して、新しい段階は、上記理論をＭＳＦ脱塩プラントに適用して、これらの効率およびＧ．Ｏ．Ｒ．（留出物（ｋｇ）／スチーム（ｋｇ）の獲得産出量比（Gained Output Ratio））の両方に与える負のインパクトを最小にする。

図５には、従来技術によるＭＳＦ脱塩ユニットの概略図が示されている。このＭＳＦ脱塩ユニットは、ブラインヒータ１と、熱回収セクション３と呼ばれる多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留段２の脱塩ゾーンと、熱除去セクション４と、（オプションとしての）脱気器５とからなり、脱塩ゾーンは、スチームの凝縮および留出物の獲得を行う。

海水は、ポンプ７によりライン６を通って熱除去セクション４にポンプ圧送され、更に、「メイクアップ（make-up）」としてライン８を介して脱気器５内に供給される。凝縮されたブラインは、ライン９を介して排出される。

ブラインおよび新鮮な海水が、ブライン再循環ポンプ１１により、ライン１０を介して、別のＭＳＦ蒸留熱回収段２を冷却する熱回収セクション３に圧送される。最終ユニット２（図５において左端）を出た後、ブラインはブラインヒータ１内で加熱されかつライン１２を介して熱回収セクション３の（最も左側の）ユニット２内に戻され、ここから、他の全ての蒸留段２内へと逆方向に流れる。

ブラインヒータ１は、熱源（図示せず）からライン１３を介して供給されるスチームにより加熱される。ブラインヒータ１の凝縮物は、ポンプ１５により、ライン１４を介して排出される。

最終ユニット２（図５において右端）を出た後、フラッシングブラインがライン１６を介して熱除去セクション４内に流入し、ここで更に凝縮物が作られる。ブラインは、ライン１７を通って脱気器５内に運ばれ、ここから、ブラインの再循環プロセスが続けられる。過剰のブラインは、ブラインポンプ１９によりライン１８を介して脱気器５から取出されかつ排出される。

熱回収セクション３および次の熱除去セクション４では、ブラインから出るスチームが冷えたパイプで凝縮され、収集された留出物は留出物ポンプ２１によりライン２０を介して排出される。

図６には、ブライン再循環システムの流体回路への関心を、ポンプ吸込みライン１０（脱気器５の出口の点「Ａ」）から第１蒸留ユニット２の入口（点「Ｂ」）までに限定した回路が示されている。

理論的に、回路の摩擦係数を低減させるべき場合には、熱回収セクションの各段の熱交換チューブの数を増大できるが、これは、コストが嵩むことおよび可能性の理由から実用的でない。

図７に示すように、本発明の基本的範囲は、熱回収セクション３を迂回するバイパスライン２２を設けることである。

既存のブライン再循環ポンプ１１（単一または複数）の負荷がこれらのキャパシティを超える場合には、図８に示すように、小型の付加ポンプ２３を、既存のポンプと並列に配置できる。

熱力学的観点から、図７および図８に示した両解決法は、低いブライン温度がブラインヒータに流入するため、ＭＳＦ脱塩効率（Ｇ．Ｏ．Ｒ．）の非常に大きい低下を引起こす。これは、脱塩効率の大き過ぎて受入れることができない低下により、付加水の生成ができる長所が達成されることを意味する。

この観点から出発して、「バイパス技術」は、図９および図１０に示すように、熱回収セクション３の蒸留段２（「水ボックス」）同士の間に幾つかの短いバイパスライン２２′を設けることにより改善されている。この場合にも、図１０に示すように、小型の付加ポンプ２３′が既存のポンプ１１に並列に配置される。これらの短い「水ボックス相互連結ライン」は、依然としてバイパスとして機能するが、この場合には、同時に、個々の段２に流入する冷却ブラインの温度を低下させ、かつ各蒸留段２内の付加熱を回収する。したがって、高い水生成による脱塩効率の低下が最小になり、かつ経済的観点および熱力学的観点の両方から一層受入れられるものとなる。

図１１は、各単一の「水ボックス」のバイパスライン２２″に関する本発明の他の実施形態を示すものであり、この実施形態では、各バイパスライン２２″がそれぞれのボックスの入口と出口との間に配置されている。図１２には、回路に付加ブライン再循環ポンプ２３″が設けられた本発明の他の好ましい実施形態が示されている。

本発明の範囲は図示の好ましい実施形態に限定されるものではなく、それどころか、他の任意のバイパス構成および／またはこれらの任意の組合せも含まれることに留意されたい。

本明細書の説明から明らかなように、蒸発段において放出されるスチームから出る最大熱量を回収することに特別な注意を払うべきであるが、本発明はプラントの熱力学的最適化に限定されるものではない。

１ ブラインヒータ
２ 蒸留段
３ 熱回収セクション
４ 熱除去セクション
５ 脱気器
１１ ブライン再循環ポンプ
２１ 留出物ポンプ
２２ バイパスライン
２３ 付加ポンプ

Claims (7)

1. 少なくともブラインヒータ（１）と、多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニット（２）の脱塩ゾーンと、脱気器（５）とを有し、脱塩ゾーンが、ブラインを凝縮させかつ留出物を獲得する熱回収セクション（３）を有する構成の塩水脱塩プラントにおいて、全ての多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニットを通過した再循環ブラインがブラインヒータ（１）に入るラインに加えて、再循環ブラインの一部が前記熱回収セクション（３）の少なくとも一部を迂回しかつ間接的にブラインヒータ（１）に入る幾つかのバイパスラインが異なる蒸留ユニット（２）同士の間に設けられていることを特徴とする塩水脱塩プラント。
2. 隣接する蒸留段（２）同士の間に幾つかのバイパスライン（２２′）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の塩水脱塩プラント。
3. 少なくともブラインヒータ（１）と、多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニット（２）の脱塩ゾーンと、脱気器（５）とを有し、脱塩ゾーンが、ブラインを凝縮させかつ留出物を獲得する熱回収セクション（３）を有する構成の塩水脱塩プラントにおいて、全ての多段フラッシュ（ＭＳＦ）蒸留ユニットを通過した再循環ブラインがブラインヒータ（１）に入るラインに加えて、再循環ブラインの一部が前記熱回収セクション（３）の少なくとも一部を迂回しかつ間接的にブラインヒータ（１）に入るバイパスライン（２２″）が各単一の蒸留段（２）のために設けられていることを特徴とする塩水脱塩プラント。
4. ブラインを再循環させる付加ポンプ（２３、２３′、２３″）が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の塩水脱塩プラント。
5. 少なくとも１つのバイパスラインがパイプからなり、再循環ブラインの流量を変えるべく、前記パイプの内径が可変であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の塩水脱塩プラント。
6. 再循環ブラインの流量を変えるための少なくとも１つのバルブが設けられていることを特徴とする請求項５記載の塩水脱塩プラント。
7. 再循環ブラインの流量を変えるための少なくとも１つの孔穿き板が設けられていることを特徴とする請求項５記載の塩水脱塩プラント。

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