JPWO2012073693A1 - 逆浸透膜分離装置、その起動方法、および透過水の製造方法 - Google Patents

Abstract

エネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置において、運転開始時における逆浸透膜モジュールへの急激な圧力変化を防止し、逆浸透膜の物理的性質の劣化を効果的に防ぐために、被処理液の一部を所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールユニット（２）に供給する高圧ポンプ（１）と、残りの被処理液を逆浸透膜モジュール（２）より排出される濃縮水の圧力を利用して昇圧するエネルギー回収装置（３）と、エネルギー回収装置（３）で昇圧された被処理液を更に所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールユニット（２）に供給する加圧ポンプ（４）と、高圧ポンプ（１）から吐出される被処理液の流量を調整する流量制御弁（６）と、流量制御弁（６）から逆浸透膜モジュールユニット（２）に対してバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられて被処理液のバイパス量を調整する流量制御弁（８）とを備えることを特徴とする逆浸透膜分離装置とする。

Description

本発明は、逆浸透膜モジュールを用いて流体中の混合成分または溶解成分を分離する逆浸透膜分離装置に関するものである。

海水淡水化などで使用される逆浸透膜分離装置は、基本的には図１に示すように、被処理液を高圧ポンプ１を介して所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールユニット２に供給し、この逆浸透膜モジュールユニット２の逆浸透作用により被処理液中の溶解成分を分離させ、透過水を得るように構成される。

ところで、逆浸透膜モジュールユニット２は、図２のように、筒状ベッセル２１の中に逆浸透膜（分離膜）から構成した分離膜エレメント２２（例えばスパイラル型の分離膜エレメント）を内挿してなる単位構造体の膜モジュール２０を１本若しくは複数本有したモジュールユニットにより構成される。膜モジュール２０の片端部にある流通口２３に海水などの被処理液を加圧供給すると、各段の分離膜エレメント２２で分離膜を介して溶解成分が分離され、分離後の低圧透過水が中心管２４を経て透過水排出管２５から排出し、また高圧の濃縮水は流通口２３がある端部のもう一方の端部にある濃縮水排出管２６から排出される。

さて、このような逆浸透膜分離装置においては、装置より排出される高圧の濃縮水のエネルギーを利用し高圧ポンプの所要動力の低減を図ることがある。濃縮水のエネルギー回収方法としては、逆転ポンプ、ターボチャージャーやペルトン水車を使用したりする場合があるが、最近ではエネルギー回収効率が高い圧力交換式のエネルギー回収装置を採用するケースが増加している。

ここで、圧力交換式のエネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置の一般的な構成を図３に示す。被処理液は高圧ポンプ１と圧力交換式エネルギー回収装置３に分配供給される。高圧ポンプ１に供給された被処理液は所定の圧力に高められて逆浸透膜モジュールユニット２に供給される。圧力交換式エネルギー回収装置３には、逆浸透膜モジュールユニット２から排出される高圧濃縮水も供給される。圧力交換式エネルギー回収装置３の内部で被処理液は高圧濃縮水のエネルギーを授受されることで昇圧され高圧被処理液として排出される。一方、保有エネルギーを被処理液に授受した高圧濃縮水は、圧力が低下し低圧濃縮水として排出される。圧力交換式エネルギー回収装置３から排出された高圧被処理液は加圧ポンプ４に供給され、高圧ポンプ１で昇圧された被処理液と同じ圧力まで圧力を高められ、高圧ポンプ１から吐出された被処理液と合流後、逆浸透膜モジュールユニット２に供給される。

このような圧力交換式エネルギー回収装置３を装備した逆浸透膜分離装置の一般的な運転起動手順は、まずは被処理液を圧力交換式エネルギー回収装置３のみに供給する。この被処理液の流量は定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように圧力交換式エネルギー回収装置３から排出される濃縮水の排出ラインに設けた流量制御弁５で制御される。次に加圧ポンプ４を起動し被処理液の流れが、圧力交換式エネルギー回収装置３、加圧ポンプ４、逆浸透膜モジュールユニット２、圧力交換式エネルギー回収装置３、排出となるようにする。この時、圧力交換式エネルギー回収装置３から排出された被処理液の流量もまた定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように加圧ポンプ４のモーター回転数を周波数変換装置（インバーター）で制御するのが一般的である。なお、この段階では被処理液の圧力は低圧であり逆浸透膜での溶解成分の分離は行われていない。

次に高圧ポンプ１を起動する。高圧ポンプ１の起動により被処理液が流れ出すと加圧ポンプ４を介して流れている被処理液と合流し逆浸透膜モジュールユニット２に供給される。加圧ポンプ４を介して流れる被処理液流量は流量調整弁５と加圧ポンプ４のモーター回転数制御により定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように常に流量制御されているため、高圧ポンプ１を介して吐出された分の被処理液量、すなわち逆浸透膜モジュールユニット２に供給される被処理液量が定常運転時の濃縮水量を超過した分の被処理液量分だけが逆浸透膜を介し溶解成分が分離された透過水として外部に排出されることになる。

このとき高圧ポンプ１から吐出される被処理液量を少量から流し始め、徐々に増加していくのが一般的であり、図４のように高圧ポンプ１の吐出側に逆浸透膜モジュールユニット２に供給する被処理液流量を調整する流量調整弁６を設けるか、図５のように高圧ポンプのモーター回転数を周波数変換装置（インバーター）７で制御する。

さて、逆浸透膜を介し透過水が得られるということは、逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力が被処理液の浸透圧以上になることが必要となり、被処理液が例えば海水の場合、逆浸透膜モジュールユニット２の浸透圧は３ＭＰａ程度と高圧である必要がある。

このように圧力交換式エネルギー回収装置３を装備した逆浸透膜分離装置の運転開始時は、高圧ポンプ１を起動するまでは、逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力は被処理液の押し込み圧力程度、例えば０．３ＭＰａ程度しかないが、高圧ポンプ１を一旦起動すると、例え流量制御弁６を微開にして被処理液がわずかしか流れないようにしても、前記の通り被処理液の排出先が無いため、逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力は被処理液の浸透圧の３ＭＰａ程度まで高められ、逆浸透膜モジュールユニット２に急激に圧力が掛かることとなる。

高圧の被処理液（海水等）が逆浸透膜モジュールユニット２に対し急激に加えられると、その圧力衝撃によって逆浸透膜の物理的性質が劣化するおそれがあり、また逆浸透膜の物理的性質の劣化は逆浸透膜モジュールユニット２において、例えば脱塩率の低下の要因となり、逆浸透処理能力を低下させることにもなる。

これに対して、特許文献１には高圧ポンプ吐出側に逆浸透膜モジュールユニットに対して、バイパスするバイパス流路とバイパス流量制御弁を用いて入口圧力を徐々に昇圧する方法が提案されているが、圧力交換式エネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置の場合、濃縮水量は圧力交換式エネルギー回収装置から排出される濃縮水の排出ラインに設けた流量調整弁により制御され、また圧力交換式エネルギー回収装置から排出された被処理液の流量もまた定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように加圧ポンプのモーター回転数を周波数変換装置（インバーター）を用いて制御されているため、入口圧力の急激な上昇を抑えるためには高圧ポンプ起動時に高圧ポンプより吐出される被処理液をバイパス流量調節弁より排出させるしかない。

高圧ポンプが周波数変換装置により制御されている場合にはこの方法でも起動することは可能であるが、大型の逆浸透膜分離装置の場合、高圧ポンプのモーター容量が大きく周波数変換装置も非常に高額になってしまうため、この周波数変換装置を装備しないことが多い。その様な場合、バイパス流量調節弁を全開とし高圧ポンプを起動すると高圧ポンプが過負荷によりトリップしてしまいこの装置自体を起動することは出来ない。またこの状況を高圧ポンプのトリップを防ぐべくバイパス流量調節弁を高圧ポンプの最低流量を確保するよう弁開度を固定し、高圧ポンプを起動すれば高圧ポンプは起動可能となるが、このとき逆浸透膜モジュールユニットには定常運転値以上の圧力が急激にかかることとなり、入口圧力を徐々に昇圧するのは不可能である。

特開２００１−１１３１３６号公報

本発明の目的は、エネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置において、運転開始時における逆浸透膜モジュールへの急激な圧力変化を防止し、逆浸透膜の物理的性質の劣化を効果的に防ぐことのできる簡易な逆浸透膜分離装置を提供することにある。

前記課題を解決するための本発明は、次の（１）から（４）のいずれかを特徴とするものである。

（１）被処理液の一部を所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールに供給するポンプＡと、残りの被処理液を前記逆浸透膜モジュールより排出される濃縮水の圧力を利用して昇圧するエネルギー回収装置と、前記エネルギー回収装置で昇圧された被処理液を更に所定の圧力に高めて前記逆浸透膜モジュールに供給するポンプＢと、前記ポンプＡから吐出される被処理液の流量を調整する流量制御弁Ａと、前記流量制御弁Ａから前記逆浸透膜モジュールに対してバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられて前記被処理液のバイパス量を調整する流量制御弁Ｂとを備えることを特徴とする逆浸透膜分離装置。

（２）さらにポンプＡとエネルギー回収装置に被処理液を供給するポンプＣと、ポンプＣを回転数制御する周波数変換器とを備えることを特徴とする（１）に記載の逆浸透膜分離装置。

（３）（１）に記載の逆浸透膜分離装置を起動する方法であって、ポンプＡの起動前に被処理液がエネルギー回収装置、加圧ポンプ、逆浸透膜モジュール、エネルギー回収装置の順に流れて排出されるように調整した後、流量制御弁Ａ及び流量制御弁Ｂを所定の開度に設定しながらポンプＡを起動し、その後、逆浸透膜モジュールの入口圧力が所定の圧力まで上昇するまで、流量制御弁Ａが開方向、流量制御弁Ｂが閉方向となるように流量制御弁Ａと流量制御弁Ｂを段階的に制御することを特徴とする逆浸透膜分離装置の起動方法。

（４）（３）に記載の逆浸透膜分離装置の起動方法によって逆浸透膜分離装置を起動した後、被処理液を逆浸透膜モジュールに供給して透過水を得る透過水の製造方法。

本発明により、エネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置において、バイパス流路に設けられた流量制御弁を用いて、そのバイパス流量を調整することで、高圧ポンプ起動開始時の逆浸透膜モジュールに加えられる被処理液の圧力を徐々に昇圧させることができ、簡易的かつ効果的に逆浸透膜モジュールの物理的性質の劣化を防止することができる。

逆浸透膜分離装置の概略構成を示す図である。 逆浸透膜モジュールユニットの一般的な構造を示す図である。 圧力交換式エネルギー回収装置を装備した逆浸透膜分離装置の概略構成を示す図である。 図３の高圧ポンプ吐出部に流量制御弁を装備した概略構成を示す図である。 図３の高圧ポンプに周波数変換装置を装備した概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る逆浸透膜分離装置の概略構成を示す図である。 本発明の別の実施形態に係る逆浸透膜分離装置の概略構成を示す図である。

本発明の逆浸透膜分離装置を図６を参照しながら説明する。

図６に示す逆浸透膜分離装置は、流体中の混合または溶解成分を分離する装置の概略構成である。海水などの被処理液は高圧ポンプ１と圧力交換式エネルギー回収装置３に分配供給される。高圧ポンプ１に供給された被処理液は所定の圧力、例えば６．０ＭＰａ程度まで高められて逆浸透膜モジュールユニット２に供給される。圧力交換式エネルギー回収装置３には分配供給される被処理液と逆浸透膜モジュールユニット２から排出される高圧濃縮水が供給される。圧力交換式エネルギー回収装置３の内部で被処理液は高圧濃縮水のエネルギーを授受され圧力が高められ高圧被処理液として排出される。一方保有エネルギーを被処理液に授受した高圧濃縮水は圧力が低下し低圧濃縮水として排出される。圧力交換式エネルギー回収装置３から排出された高圧被処理液は加圧ポンプ４に供給され、高圧ポンプ１で昇圧された被処理液と同じ圧力まで高圧被処理液の圧力が高められ、高圧ポンプ１からの被処理液と合流後、逆浸透膜モジュールユニット２に供給される。逆浸透膜モジュールユニット２は所定の圧力まで高められた被処理液を受けて、逆浸透作用により溶解成分を分離した透過水と濃縮水を得る。

高圧ポンプ１の吐出側には、高圧ポンプ１から吐出された被処理液の流量を制御する流量制御弁６が設置されており、前述の通り高圧ポンプ１から吐出された被処理液の流量は、透過水量とほぼ同量となることから、流量制御弁６は透過水量を制御すべく透過水配管に設置された透過水流量計９をその透過水量制御部１０から流量制御されるのが一般的である。

また、流量制御弁６から逆浸透膜モジュールユニット２に対しては、バイパスするバイパス流路と、このバイパス流路に設けられバイパス量を制御する流量制御弁８が設置されており、流量制御弁８は逆浸透膜分離装置の起動時、高圧ポンプ１の最低流量（ミニマムフロー）を確保すべく、高圧ポンプ１の供給側に設置された流量計１１とその高圧ポンプ最低流量制御部１２から流量制御されることを特徴としている。

この逆浸透膜分離装置における運転操作手順は、まずは被処理液を圧力交換式エネルギー回収装置３のみに供給する。この被処理液の流量は定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように圧力交換式エネルギー回収装置３から排出される濃縮水の排出ラインに設けた流量調整弁５で制御される。次に加圧ポンプ４を起動し被処理液の流れが、圧力交換式エネルギー回収装置３、加圧ポンプ４、逆浸透膜モジュールユニット２、圧力交換式エネルギー回収装置３、排出となるようにする。この時、圧力交換式エネルギー回収装置３から排出された被処理液の流量もまた定常運転時の濃縮水量とほぼ同等となるように加圧ポンプ４のモーター回転数を周波数変換装置（インバーター）で制御するのが一般的である。なおこの段階では被処理液の圧力は低圧であり逆浸透膜での溶解成分の分離は行われていない。

次に高圧ポンプ１を起動するが、高圧ポンプ１は過大な振動及び加熱損傷を防ぐため起動後直ぐに、高圧ポンプ１の最低流量（ミニマムフロー）まで流量を増加させる必要がある。そのため流量制御弁６及び流量制御弁８を、最低流量を確保出来るように規定の開度にあらかじめ設定し高圧ポンプ１を起動する。具体的には流量制御弁８を全開とした場合の流量制御弁６の２次側の配管圧損及び流量制御弁８の圧力損失を考慮し、流量制御弁６の初期開度を決定する。この状態で高圧ポンプ１を起動すると流量制御弁６の入力側の圧力は高圧ポンプ１の流量特性にも依存するが、定格圧力よりも高圧となり、例えば７．０ＭＰaとなるが、逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力は、流量制御弁８が全開であるので高圧ポンプ１から吐出される被処理液は流量制御弁８からバイパス側に排出されるため、圧力は殆ど上昇せず０．５ＭＰａ程度である。

次に透過水を得るために透過水量制御部１０からの指令により流量制御弁６を徐々に開とする。すると高圧ポンプ１の吐出量は瞬間的に増加するが、高圧ポンプ最低流量制御部１２の機能により流量制御弁８にて高圧ポンプ１の最低流量になるよう高圧ポンプ１の吐出量は流量制御されているので、流量制御弁８が閉方向となり高圧ポンプ１の吐出量は最低流量を保持する。この流量制御弁６が開方向、流量制御弁８が閉方向となることにより逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力が上昇する。この２つの制御を同時に段階的に行うことにより、逆浸透膜モジュール入口圧力が徐々に増加し、逆浸透圧モジュールユニット２の入口圧力が例えば３．０ＭＰａに達した時点で透過水が排出され始める。

透過水が排出され始めても高圧ポンプ最低流量制御部１２では高圧ポンプ１の最低流量制御が継続されているので、流量制御弁８よりバイパス側に排出される被処理水量が徐々に減少し、その減少水量と同等の透過水が逆浸透膜モジュールユニット２より排出されることになる。そして最終的には流量制御弁８は全閉となる。

この時から高圧ポンプ１の吐出量が逆浸透膜モジュールユニット２の透過水量と同量となり、その後も透過水量制御部１０により透過水流量計９が定格流量になるまで、流量制御弁６を徐々に開とする制御が継続され、透過水量が定格流量に至った時点で本装置の起動は終了する。

具体的には、高圧ポンプ１を起動してから透過水が定格水量に達するまでの時間を約３００秒以上とするのが最良である。そのためには透過水量制御部１０の流量設定値を３００秒かけて定格水量まで徐々に上昇させるプログラム制御及び極端な圧力及び流量変動を防止するために操作端である流量制御弁６の変化率制限を設けるのが良い。

このような装置構成において、高圧ポンプ１および加圧ポンプ４は渦巻きポンプまたはプランジャーポンプからなり、流量制御弁６及び流量制御弁８はグローブ弁、ケージ弁またはニードル弁からなる。バイパスされた被処理液は系外に排水しても良いが、被処理液を貯留している槽等に戻し再度被処理液として利用しても良い。

さらに、上記方法ではある設定した時間を掛けて透過水量制御部１０及び高圧ポンプ最低流量制御部１２により逆浸透膜モジュールユニット２の入口圧力を上昇させていくが、図７の様に逆浸透膜モジュールユニット２の入口に設けた圧力伝送器１３により得られる被処理液の圧力値に基づき入口圧力制御部１４より透過水量制御部１０にカスケード制御を行い流量制御弁６の弁開度を制御するのも良い。

また逆浸透膜モジュールユニット２の入口必要圧力は、被処理液の水質、水温により変化する。通常運転においては、この変化分に対し透過水水量制御部１０からの指令で、流量制御弁６への入口必要圧力が高い場合は、流量制御弁６が開方向、逆に流量制御弁６への入口必要圧力が低い場合は、流量制御弁６が閉方向となるよう調整し、逆浸透膜モジュールユニット２の入口必要圧力の増減に対応している。

動力エネルギー消費の観点からは、流量制御弁６の弁開度が全開に近い場合は無駄な動力エネルギー消費が無いことになるが、流量制御弁６の弁開度が全開よりも閉まっている時は、高圧ポンプ１のエネルギーを流量制御弁６で消費していることになり、高圧ポンプ１で無駄な動力エネルギー消費が発生していることになる。この動力エネルギーとは、高圧ポンプ１等の機器を作動させるのは電力であるので、「動力エネルギー＝電力エネルギー」となり、海水淡水化装置においては電力エネルギーの低減も大きな要素となっているため、このような無駄な電力エネルギー消費を削減するために、図７に示すように被処理液の供給ポンプ１５に周波数変換装置（インバーター）７を設置することが好ましい。

逆浸透膜モジュール２の入口必要圧力は、微少な配管圧損などを考慮しなければ、供給ポンプ１５の吐出圧に高圧ポンプ１の吐出圧を加算し、そこから流量制御弁６での動力エネルギー損失分を減算すれば求めることができる。ここで、例えば供給ポンプ１５の定格吐出圧が１．０ＭＰａで、高圧ポンプ１の定格吐出圧が７．０ＭＰａである時、逆浸透膜モジュール２の入口必要圧力が７．５ＭＰａであるとすると、流量制御弁６で０．５ＭＰａの動力エネルギーを損失しなければいけなくなる。この時、供給ポンプ１５に周波数変換装置（インバーター）７が設置されていれば、供給ポンプ１５への供給電源周波数を変換することで、供給ポンプ１５の出力回転数を調整し、供給ポンプ１５の吐出圧力を定格の１．０ＭＰａから０．５ＭＰａに減少することで、無駄な電力エネルギーの消費も無くすことが可能となる。この方法を実施することで、流量制御弁６で動力エネルギーを無駄に消費する必要はなくなる。このように被処理水の供給ポンプ１５に周波数変換装置（インバーター）７を設置し、無駄な動力エネルギー消費を抑えようする場合があるが、このような場合においても上記した流量制御弁６およびバイパスラインに設けられた流量制御弁５を用いた起動方法、運転方法は有効である。

１：高圧ポンプ（ポンプＡ）
２：逆浸透膜モジュールユニット
３：圧力交換式エネルギー回収装置
４：加圧ポンプ（ポンプＢ）
５：流量制御弁
６：流量制御弁（流量制御弁Ａ）
７：周波数変換装置（インバーター）
８：流量制御弁（流量制御弁Ｂ）
９：透過水流量計
１０：透過水量制御部
１１：流量計
１２：高圧ポンプ最低流量制御部
１３：圧力伝送器
１４：入口圧力制御部
１５：供給ポンプ（ポンプＣ）
２０：膜モジュール
２１：筒状ベッセル
２２：分離膜エレメント
２３：流通口
２４：中心管
２５：透過水排出管
２６：濃縮水排出管

Claims (4)

1. 被処理液の一部を所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールに供給するポンプＡと、残りの被処理液を逆浸透膜モジュールより排出される濃縮水の圧力を利用して昇圧するエネルギー回収装置と、エネルギー回収装置で昇圧された被処理液を更に所定の圧力に高めて逆浸透膜モジュールに供給するポンプＢと、ポンプＡから吐出される被処理液の流量を調整する流量制御弁Ａと、流量制御弁Ａから逆浸透膜モジュールに対してバイパスするバイパス流路と、バイパス流路に設けられて被処理液のバイパス量を調整する流量制御弁Ｂとを備えることを特徴とする逆浸透膜分離装置。
2. さらにポンプＡとエネルギー回収装置に被処理液を供給するポンプＣと、ポンプＣを回転数制御する周波数変換器とを備えることを特徴とする請求項１に記載の逆浸透膜分離装置。
3. 請求項１に記載の逆浸透膜分離装置を起動する方法であって、ポンプＡの起動前に被処理液がエネルギー回収装置、加圧ポンプ、逆浸透膜モジュール、エネルギー回収装置の順に流れて排出されるように調整した後、流量制御弁Ａ及び流量制御弁Ｂを所定の開度に設定しながらポンプＡを起動し、その後、逆浸透膜モジュールの入口圧力が所定の圧力まで上昇するまで、流量制御弁Ａが開方向、流量制御弁Ｂが閉方向となるように流量制御弁Ａと流量制御弁Ｂを段階的に制御することを特徴とする逆浸透膜分離装置の起動方法。
4. 請求項３に記載の逆浸透膜分離装置の起動方法によって逆浸透膜分離装置を起動した後、被処理液を逆浸透膜モジュールに供給して透過水を得る透過水の製造方法。

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