JPS59199004A - 半透膜による物質分離装置 - Google Patents

半透膜による物質分離装置

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JPS59199004A
JPS59199004A JP7467383A JP7467383A JPS59199004A JP S59199004 A JPS59199004 A JP S59199004A JP 7467383 A JP7467383 A JP 7467383A JP 7467383 A JP7467383 A JP 7467383A JP S59199004 A JPS59199004 A JP S59199004A
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一郎 平岩
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半透膜を利用した物質の分離操作に於ける流量
又は圧力制御に関するものである。
従来この種装置の主要部は第1図のフローシートに示す
よりに構成されている。第7図は海水淡水化の例を示す
もので図示されない取水装置から取水して前処理された
海水はポンプlに吸込まれ、ポンプlで昇圧して吐出し
、圧力検出器2mにより制御される圧力調整弁ユを通り
、流量計3aの検出部3′、半透膜亭の手前の圧力検出
器、2aの圧力測定点−′をとおり、半透膜ダの片側に
入り、浸透圧に抗して淡水を透過して流量計5を介して
水槽乙に送り出し、濃厚化した海水は水車例えばペルト
ン水車7へ供給される。ペルトン水車りの入口ノズル7
1は流量計3aにより開度を制御される。即ち、ノズル
7′と流量計3aにより流量制御弁3を構成する。
水車7により得られるエネルギーはポンプ駆動モータj
を助勢するために用いられる。
以上の構成においてポンプlの吐出圧Poは通常濃度の
海水の浸透圧約−j kg/am”に対してSθ感雀2
であり、ポンプlの吐出置部の内半透膜ではコ0−II
0%が逆浸透して淡水化される。
今半透膜亭からの淡水出力を圧力P1、流量Q1、濃度
C1とし淡水の流量Q1を調整する装置の流量調整は次
の二通りの方法で行われる。
(1)狭い範囲の流量Q1の調整 ボンf/の吐出量Qoを一定にしておいて圧力測定点コ
′の圧力を調整するまりだ圧力調整弁コを操作して半透
膜入口圧力P′oを変化させ、圧力p10を増大さぜる
と淡水出力の流JtQsは増大し、圧力P′oを減少さ
せると淡水出力の流量Q1は減少する。なんとなれば、
今 AM  半透膜の面積 K 半透膜の種類と温度により定まる定数p、  半透
膜の海水側圧力 πM 供給液(海水)の浸透圧 π1 希薄液(淡水)の浸透圧 とすると Ql −AM K ((PM  P□)−(πM−π1
)) (1)で定まる。Pl、πl、はほぼ一定であり
せまい範囲ではπMはほぼ一定であるから淡水の流量Q
1は半透膜の加圧側の圧力PMにほぼ比例し、該圧力P
Mは圧力測定点2′の半透膜入口圧力P′oと比例する
からである。
(2)広い範囲の流量調整 例えば淡水出力の流量Qsを大きくしたい場合は の 流量制御弁3を固定して検出部3′の流量従って流
量Q0を固定する。
■ 圧力調整弁コによって半透膜入口圧力p10を高く
し式(1)に基き淡水出力の流量Q1を増大させる。
■ 淡水の回収率Ql/QOが海水の組成、半透膜グの
性状から定まる許容値以上であれば制御弁3を開いて流
量Q。を増して再度圧力調整弁コによって半透膜入口圧
力P′・を高くし流量Q1を増大させる。そして回収率
Ql/QOが許容値以内であれば操作を完了する。
以上のような従来例には次のような欠点がある。
(1)  ポンプ吐出圧力をパルプを用いて膜入口圧力
に迄減じている為過大な動力が必要であつ、 た。
0)狭い範囲の流量調整は圧力調節弁のみで可能である
が広範囲の流量調棺は圧力調整弁、流量調整弁を交互に
操作する必要があり運転操作性が悪かった。
(3)流量計、圧力検出器、圧力調整弁が必要であり、
特に小容量設備に於いては計装品の価格が非常に大きな
割合を占めていた。
本発明は膜分離装置における上記従来の欠点を除去して
所要動力が少く操作性のよい簡易安価な流量制御装置を
提供することを目的とする。
本発明はポンプの各回転数に於ける性能曲線及び溶質の
濃度と浸透圧の関係から求まる系内圧力と希薄(又は濃
縮)溶液流量との関係式を用いてポンプ回転数制御手段
と圧力保持手段の操作を行ないの最も所要動力の少ない
運転点の選定を■簡単な操作で可能としたものである。
以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。第一図
は制御ブ四ツク図を含むフローシートである。
図示されない海水の取水ポンプにて取水された海水は前
処理工程を経て遠心ポンプ(以下単にポンプと称す)/
に吸込まれる。ポンプlにて昇圧し吐出された海水は圧
力P。、流量Qo、濃度C0である。この状態の海水は
半透膜tに浸透圧以上の逆浸透圧を加えて圧力P1、流
量Ql、濃度C1の淡水を出力し、圧力P2、流量QC
s濃度C2の濃縮化された海水はベルトン氷原7に供給
されエネルギーを回収し、モータgを助勢する。
制御装置デはその出力端が弁駆動装置3bと弁駆動装置
3bによりストロークを調節される入口ノズル7′より
なる流量制御弁30制御入力端に結ばれている。
制御装置りの内容をのべる。
半透膜の希薄側の流量Q1は Ql =AM K△P      ・・・・(功ただし
A、 半透膜の面積 K 膜の種類と温度により定まる係数 △P#PM−πM           ・ ・ ・ 
・ 0すPM 半透膜近傍の供給海水の圧力 πM供給海水の浸透圧 である。
制御装置デでは次の演算が行われる。
(1)希薄液流量Qlが設定のため入力される。
(コ)ポンプ/の回転数Nが仮定される。ブロックll
においてポンプlの各回転数に対応するQ−H曲線の仮
定した回転数N1回転数Nに対応するQ−H曲線、2/
に従ってポンプlの吐出圧力Poが求まる。
制御装置デのブロック/lは縦軸【水頭を横軸に流量を
表わしである。図において曲線、2/はポンプ/の性能
曲線(Q−H曲線)を示し、曲線22は入口ノズル7′
における水車7への入力特性曲線を示し、曲線23はポ
ンプlの性能曲線、2/に対応する半透膜tの希薄液流
量Q1を示している。
ポンプ吐出圧力Poを仮定するとポンプ吐出量Q、が求
まる。
(3)濃縮液流量Qz=Qo  Qtであるから項目(
,2)において求めたQoから設定値のQsを減すると
求まる。
C) ブロックlコは縦軸に浸透圧πを横軸に溶液の濃
度CMを示しである。曲線コlは溶質濃度と浸透圧の関
係を示す。半透膜ダの供給側の液濃度CM&妃似的にC
M # (C6+ C2)/ 2で定まる。co、C3
は回収率Qt/Qoが著しく変化しない限り、上記近似
式でよい。従って又C0,C2は特に装置の通常運転中
は定数とみなすことができる。この関係から浸透圧πM
が求まる。
(!r′)供給海水が温度変化の著しいときには、供給
側配管中の供給液温度を検出する温度検出  ・器/l
lを設け、 K =Ko (Dw/ T ) ただしに、膜の種類により定まる常数 Dw膜内の水の拡散係数 T 給液の温度 により係数Kを算出する。給液の温度変化が小さい場合
には定数としてよい。TとDW/Tの関係はブロック1
3に曲線xgで示される。
(乙)ブロック//、/、2は縦軸が同スケールで示し
てあり、半透膜弘の供給側圧力PMは項目(コ)で仮定
したポンプ/の吐出圧力P。から半透膜グまでの供給側
配管の流体の管路による損失ヘッドPL、を減じたもの
である。半透膜lの希薄側圧力P1はほぼ一定であり、
又希薄液濃度は一定とみてよいから希薄液の浸透圧π1
は一定としてよい。そこで逆浸透圧 △P=(Pa  h)  (πM−π1)・・・・(3
)を算木する。この関係はブロック//、/2間に取り
出して示されている。
〔7)  ブロック13はブロック//、/、2と縦軸
のスケールを等しくして縦軸に浸透圧πを越える圧力と
横軸に希薄液流iQtを示している。
線コ!は Q1=AMK△P         −0−(,2)を
表わし、半透膜ダの希薄側流量が浸透圧を越える圧力△
Pにより変化する希薄液流量Q0が直線比例で示される
。弐〇)により計算したQlをQICALCとする。
、(t)項目(1)で設定したQlとQICALCを比
較する。
そしてこの誤差が大きいときは項目(2)に戻りポンプ
吐出圧Poを再仮定して項目(2)〜(g)をループに
してくりかえし、QlとQICAL(!の誤差が小にな
るまでくり返す。
ここでブロック//で示すように最大の希薄液流−it
 QimaKに対応するポンプlの吐出圧力POIより
も先に項目(2)で仮定した圧力p、が小さい範囲でQ
I CALCQt > 0なるときは再仮定のPoを最
初に仮定したPOよりも小さくし、QICALCQl 
< 0なるときは再仮定したPOは最初に仮定したPo
よりも大きくする。
最初に項目(コ)で仮定したポンプlの吐出圧力Poが
希薄液流量Q 1 m ILXに対応するポンプ/の吐
出圧力POIよりも大きい範囲でQICAI、C−Ql
>0なるときは再仮定のPOを最初に仮定したPoより
も大きくし、QI CALCQt < 0になるときは
再仮定のP。を最初に仮定したPOよりも小さくなる。
以上の制御装置9は希薄液流量Q1を設定するとポンプ
lの性能曲線が定まっており、かつ溶液の種類により濃
度と浸透圧の関係も定っているのでポンプlの吐出圧力
Poと希薄液流量Q1の関係は一義的に決定される。従
って上述した(2)〜ケ)の手順は数値表として纏める
ことにより省略できる。
以上によりポンプ吐出圧力Poと希薄液流量Qiの関係
が求まる。この場合にポンプlの回転数Nが仮定して一
定として計算されている。
第3図は第2図におけるブロック//を取り出して更に
詳説のため回転数、郭薄液流計、所要動力の関係を示す
もので、横座標に流量Qを縦座標にポンプ吐出圧力PO
、ポンプ回転数N、ポンプ所要動力HPを表わして示し
である。第3図囚においてポンプ性能曲線(Q−H曲線
)21はポンプの規定回転数NRにおけるものであり、
2/−/は回転数QざNTLのポンプ性能曲線、コl−
一は回転数0.9 NHのときのポンプ性能曲線である
。ポンプ吐出圧力P。と希薄液流通Q1の関係を表わす
希薄液流量曲線23はポンプ/の回転数が規定回転度N
Rの場合を示し、希薄液流量曲線23−/、23−:t
は夫々ポンプlの回転数がQ g Nn 、 (19N
nの場合を示す。希薄液流量曲線コ3,23−/、コ3
−.2.・・・・・・の夫々の最大流量Q 1mAXを
示す点を結んで希薄液最大流量曲線コブが得られる。3
/は第7図のような膜分離装置の制御を行う場合のポン
プlの回転数が規定回転数NRにおける圧力調整弁コに
よる出力特性を示す弁制御特性曲線である。32はQI
MAYを得るだめのポン7’/の運転点のポンプ吐出量
Poと吐出量Qoの関係を示す最大効率制御線である。
第3図03)はポンプ/の回転数が変化した場合の希薄
液流量(hMmとポンプ/の回転数との関係を示してい
る。
第3図(C)はポンプlの理論吐出量Qoと理論所要動
力Hpの関係とポンプ/の回転数NB、0.gNB。
dqNl夫々に対応して動力特性線J’l、3’l−1
,3’l−コを示している。
第3図(ト)(ロ)に示すように規定回転数N3よりも
小さい回転数N′例えばQ 9 NBなる回転数に於け
る希薄液流量Q1の最大値Q’1MAXは希薄液流量曲
線23−.2上にあり、Q’1MAXを示す点に)の縦
座標を同じくするポンプ性能曲線、2/−、Z上の点C
)がポンプ/の運転点となる。この点ではポンプは回転
数0.9NB、吐出圧力pos1、吐出量QOaで運転
される。点0)は説明のために圧力調整弁コの弁制御特
性曲線31が交るように選んである。回転数が0.9 
NBよりも大きい範囲例えば規定回転数穐においてはQ
’1MAXに等しい点はQ’1MAYを得る膜面圧力P
e&の上下の圧力POb。
P6cにおいて同流量QRt e Qnxの二点(へ)
、(へ)が存在する。半透膜ダには許容回収率Qt/Q
o(工業的にはコθ〜aO%)があり、希薄液流量曲線
λ3の極大点より圧力の高い点(ホ)の流量QIL2で
は運転できない。なんとなれば点(ホ)と同じ縦座標の
ポンプ性能曲線23の点(ト)では圧力P。b。
吐出量QobでありQgt / q、b = 0.6と
なるからである。
流量QRIを得る為の運転点はポンプ性能曲線21上の
点(ハ)となり、ポンゾ吐出圧力PQC1吐出量Q6C
で運転される。従って第3図(切に示すように動力特性
線3IIを切る点C/つの動力Heが所要動力となる。
前述したポンプ性能曲線コ/−/上の運転点0)の場合
の所要動力は同一横座標上の動力特性線31I−2の点
(イ)が対応し所要動力はH,である。そして!/図に
示した従来例では圧力調整弁コにより吐出圧力Qoを調
整して吐出量Qo aになるように絞り、ポンプlはポ
ンプ性能曲線−/上の運転点(ロ)で示すようにポンプ
/の吐出圧力PoはPodに制御される。そしてこのた
め第3図囚の点(イ)、←)間が圧力調整弁ユによる圧
力損失となる。而して第3図(C)(ロ)に示、すよう
に所要動力I(bとなる。従って第3図(C)(イ)@
)間のHb−Haがポンプlを回転数0.9NILで運
転し、圧力保持手段の入口ノズル7′によりポンプlの
吐出圧力をPaaに制御すると省動力部分となる。
この値は従来の所要動力の約3分の2であり、所要動力
が大幅に節減できることが分る。他のポンプ回転数でも
同様であり、希薄液最大流量曲線ユヲ上にて希薄液流量
Q!を設定してそれに見合うポンプ運転点を結ぶ曲線3
.2上で運転点を選ぶことにより最低の動力により膜分
離装置を運転できることが理解できよう。以上第3図の
説明ではポンプの吐出圧力から半透膜までの流路の圧力
損失は無視して説明しである。
第2図を用いて回転数Nを仮定して、PoとQlの関係
を求めたものは第3図についての上述した処よりみると
設定したQlが希薄液流量曲線23上において希薄液最
大流量曲線2?との交点でない点へにおいて運転されて
おり、ポンプlは運転点(ハ)において運転される場合
が多くなる確率が高い。
既に項目(1)〜(g)でのべたように回転数Nを仮定
すれば設定した希薄液流量Q1に対しポンプ/の吐出圧
力Po従って吐出量Q0を求めることができることをの
べた。こ\において希薄液流量Qtは極大点を持つ曲線
であるから、この極大点をQIMAXとするとQIMA
Yを得る回転数Nでポンプを運転すると最も省動力とな
る。
そこで項目(g)につづいて以下の演算を行う。
(リ 回転数Nを仮定すると第3図においてQIMAX
の値が求まる。
QO)そこで項目(9)で求めたQ t MAX s項
目(ff)で求めたQlは弁圧仮定したポンプ回転数N
に対するものであり、それらの絶対値の差をβとし。
l Qs −QIMAX l >β であれば Ql>QIMAXの時はN’)N Ql< QIMAXの時はN’ (N なる回転数N′を再仮定し、既にのべた項目0)から再
計算する。そして l Qs  QIMAX l≦βであれば次に弁開度を
調節する。
(//)  PsをPg = Po −PX、t −P
L露で求める。ただしPL!は半透膜ダからペルトン水
車70入ロノズル7′マでの流路の抵抗による損失圧力
である。このことは制御装置デのブロック//と同スケ
ールの縦軸で濃縮液圧力P2を表わし、横軸にノズル7
′の特性曲線41. ヲ示スi o ツク14間に示さ
れている。特性曲線コロはV=α〆丁T6− ただしαは常数、Jは重力の加速度である。
ブロック/6によりVが求まる。
(2)ブロックlりはノズル7′の弁開度AVを横軸に
とり、縦軸には流量制御弁3のストロークSをとって、
弁開度−弁ストロークの特性曲線コクを示している。ブ
ロックl乙によりVが求まると流量制御弁3の弁開度は
AV=Q2/vで求められる。弁開度A7が求まると流
量制御弁30ストロークSが求められる。
この弁ストロークSは制御装置?より信号として出され
るのでドライノ々tgにより増幅して流量制御弁3を動
作させる。
尚、以上の手順はポンプ性能が定まると一義的に決定さ
れるため、Qt ””N + Qi〜Sの関係を表とし
て纏め項目0)から項目(2)の弁ストロークSを求め
るまでの手順を省略してもよい。
第を図は本発明の装置の制御ブロック図である。上述し
た処は希薄液流量Qlを設定するとポンノ回転数Nが求
まり、又ストロークSの移動量も決定する。従って希薄
液流量設定器33の設定値Q1が入力されるとポンプ回
転数の関数発生器36は既にのべたよりにしてポンプ回
転数N=f(Qt)を求めてNに相当する信号を2ンf
lの制御装置3gに送り制御装置3gはモータSを制御
してポンプlの回転数をNとする。
一方希薄液流量設定器35の設定値Qlが弁ストローク
の関数発生器37に入力されると5=f(Ql)にもと
すいて弁ストロークSに相当する信号が出力されドライ
バ7gを介して増幅されて弁駆動装置3bに入力され弁
ストロークSが調整される。
以上によってポンプ回転数N、弁ストロークSが調整さ
れる。
第5図は第グ図の開ループ制御を閉ループとしたもので
ポンプ/の吐出側に圧力検出器コbをそして濃縮液の配
管に圧力検出器/9を配し、第5図の制御において圧力
検出器コb、/7が検出するポンプ吐出圧力Po、濃縮
液圧力P!を夫夫関数発生器3A、37へ送り、関数発
生器3A 、37にて計算されであるポンプ吐出圧力P
o、濃縮液圧力P、との差を希薄液最大流量曲線コワ上
にあるようにしてOに近づけるように制御する。第3図
において圧力検出器2b、/9の何れか一つのみ備え、
開閉両ループを含むように構成してもよい。
以上により求めた最大希薄液流量QIIIIAXが許容
回収率γ” Qt / Qo以上なる場合がある。この
場合には許容回収率設定器を設け Q s MAX / Qo >γ の場合希薄液流量としてはQIMムXより若干小さい値
(IIMAXを求め、許容希薄液流量qlh&xが式 
  q I WAX / Q o≦γを満足するように
、許容最大希薄液流量CIIMAXを減じて行けばよい
半透膜の許容回収率が原水組織を考慮し、製造者が決め
ている場合にはポンプ回転数Nが許容最大希薄液流量q
1MAIが定まれば一義的に定まるから N”” f 
(CIIMAX )によりポンプ回転数Nを求め、弁ス
トロークSは該流量(IIMAIを用いてS ”” f
 (qtMAりにより流量制御弁ioを制御すればよい
以上により所要希薄液流量Q1を得るように流量制御弁
3が調節される。実施例は系内圧力保持手段としてポン
プ吐出側下流端に開度調節可能なノズルと該ノズルによ
りの噴出液により動作スるペルトン水車を用いているが
、これに限られるものではなく単に流量制御弁あるいは
流量制御弁と逆転ポンプ等地のエネルギ回収手段を配し
てもよい。本発明の詳細な説明は供給溶液の状態量の圧
力PO1流量Qoを基にのべであるが、濃縮液体の圧力
Pus流量Q!は第2図のブロックllの曲線ココに示
すようにQ。IQIと対応しているから濃縮液体の状態
に基いて説明できることはいうまでもないところである
本発明は半透膜を用いて溶液中の溶質を分離し希薄溶液
と濃縮溶液を得る膜分離装置において、溶液の加圧動作
をする遠心ポンプと半透膜と半透膜よりも濃縮液側下流
に系内圧力保持手段の制御装置のみを備え、制御装置は
遠心ポンプの性能曲線と溶液中の溶質の濃度と浸透圧の
関係から希薄もしくは濃縮溶液流量に見合う系内理論圧
力を算出して圧力保持手段への供給濃縮液圧力、濃縮液
流量により圧力保持手段を動作させる機能を備えかつ、
最も所要動力の少い最・大希薄液流量となるようなポン
プ回転数にする制御手段を備えたから、装置の構成数が
少く配管も簡単になり安価である。希薄液流量を設定す
れば自動的に系内圧力が制御されることになるので操作
性がよい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例のフローシート、第一図は本発明の実施
例のフローシート、第3図はポンプの制御線図、第弘図
、第S図は制御ブロック図である。 /・・・2ンゾ、2h、2b・・・圧力検出器、3・・
・流量制御弁、3b・・・弁駆動装置、ダ・・・半透膜
、7・・・水車、ざ・・・駆動モータ、り・・・制御装
置、/q・・・圧力検出器、3t、3り・・・関数発生
器、3ざ・・・t61J御装置。 特許用願人   株式会社荏原製作所 代理人 新 井 −部 第1図 第4図 第5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 l 半透膜を用いて溶液中の溶質を分離し希薄溶液と濃
    縮浴法な得る膜分離装置において、供給溶液の加圧動作
    をする遠心ポンプと、遠心ポンプの回転数を制御する手
    段と、半透膜と、半透膜より濃縮溶液流量流忙配した系
    内圧力保持手段、及び系内圧力保持手段の制御装置を備
    え、ポンプの回転数を制御する手段並びに系内圧力保持
    手段の制御装置が遠心ポンプの各回転数に於ける性能曲
    線と溶液中の溶質の濃度・ど浸透圧の関係から設定”さ
    れた希薄もしくは濃縮溶液流量に見合うポンプ回転数と
    系内理論圧力の関係を算出する機能を備えたことを特徴
    とする半透膜による物質分離装置。 ユ 半透膜を用いて溶液中の溶質を分離し希薄溶液と濃
    縮溶液を得る膜分離装置において、供給溶液の加圧動作
    をする遠心ポンプと、遠心ポンプの回転数を制御する手
    段と、供給液体あるいは濃縮液体の圧力検出手段と、半
    透膜と、半透膜より濃縮溶液側下流に配した系内圧力保
    持手段及び系内圧力保持手段の制御装置を備え、ポンプ
    の回転数を制御する手段並びに系内圧力保持手段の制御
    装置が遠心ポンプの各回転数に於ける性能曲線と溶液中
    の溶質の濃度と浸透圧の関係から設定された希薄もしく
    は濃縮溶液流量に見合うポンプ回転数と系内理論圧力を
    算出し、圧力検出手段の指示値が系内理論圧力と等しく
    なる様に圧力保持手段を調節する制御回路を備えた半透
    膜による物質分離装置。
JP7467383A 1983-04-11 1983-04-27 半透膜による物質分離装置 Granted JPS59199004A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP7467383A JPS59199004A (ja) 1983-04-27 1983-04-27 半透膜による物質分離装置
EP84901424A EP0142567B1 (en) 1983-04-11 1984-04-10 Control apparatus for reverse osmosis process system
US06/668,521 US4772385A (en) 1983-04-11 1984-04-10 Control for use with reverse osmotic treatment system
PCT/JP1984/000180 WO1984004049A1 (en) 1983-04-11 1984-04-10 Control apparatus for reverse osmosis process system
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