KR100417444B1 - 모듈 여과 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직렬로 기계적으로 결합되어 있고, 병렬로 유체연동적으로 결합되어 있는 필터를 함유하는 생성 모듈(305)를 포함하는 여과 시스템에 관한 것이다. 숙고되는 여러가지 상이한 가능성 중에서, 각각의 생성 모듈은 유용하게 필터(314) 뿐만 아니라, 공급 유체(334B) 및 생성물 유체(334C)에 대한 유로를 함유하여 직렬로 결합된 모듈이 단일 장치로서 설치되고, 액세스되고 분리될 수 있다. 또한, 결합된 모듈은, 예컨대 심층 또는 박층 웰 내로, 타워 내로, 지면을 따라, 언덕 또는 산의 측면 내로, 또는 심지어 길 또는 주차장 아래로 삽입되는 방식과 같이, 공간 효율적 방식으로 배치될 수 있음이 고려된다. 또한, 이웃하는 생성 모듈은 미끄럼 고정 이음새를 사용하여 서로 결합하도록 고안될 수 있으며, 생성 모듈은 연결부를 통해 지지 케이블 또는 로드와 결합 관계를 유지할 수 있음이 숙고된다.

Description

모듈 여과 시스템 및 방법 {MODULAR FILTRATION SYSTEMS AND METHODS}

배경기술

정제된 유체에 대한 수요는 세계적으로 상당하며, 상업적으로 가장 중요한 것 중 하나는 염수 또는 기수(brackish water)로부터의 담수의 생성이다. 이러한 수요는 증류 기술 이외에, 보통 여과에 의해 충족되고 있다. 역삼투, 한외 여과 및 초미세 여과를 포함하여, 많은 여과 유형이 있으며, 이들 모든 기술은 본원에서 일반적인 용어인 "여과"에 포함되는 것으로 고려된다.

대부분의 여과 유닛은 필터를 함유하는 캔과, 외계와 소통되는 3개의 유로로 이루어진다. 이중 한 유로는 공급 유체를 운반하고, 또 다른 유로는 여과 유체(즉, 생성물)를 운반하며, 제 3 유로는 때때로 폐유체로서 언급되는 배출물을 운반한다. 기수를 정제하는데 사용되는 역삼투 장치의 경우에, 공급 유체는 기수일 수 있고, 여과 유체는 탈염수(담수)이고, 폐유체는 염수이다.

여과 설비는 일반적으로 기부 높이에 또는 이에 이웃하여 배치된, 다수의 물리적으로 분리된 여과 유닛을 포함한다. 공급 유체, 여과 유체 및 폐유체는 3개의 독립적인 파이프에 의해 각각 운반되고, 각각의 여과 유닛은 호스 또는 다른 관을 사용하여 각각의 파이프에 유체연동적으로 결합된다. 상기 구현에서, 전체 시스템은 모듈을 포함하는 여러 여과 유닛으로 모듈화된다. 다수의 모듈은 다소 병렬로 기계적으로 배치되고, 다수의 막은 병렬로 유체연동적으로 배치된다. 이러한 배열에는 많은 장점이 있는데, 이는 개개의 모듈이 서비스용 시스템으로부터 분리되지 않을 수 있으면서, 시스템의 나머지가 영향받지 않는다는 점이다.

체노웨쓰(Chenoweth)의 미국 특허 제 4,125,463호는 상기와 같은 방법을 사용하되, 여러 역삼투 모듈(투과 어셈블리라고 한다)이 공통된 수직 관 주위에 5개의 세트로 배치된다. 이러한 변형은 수백개의 모듈이 단일 웰 케이싱(well casing) 내부에 용이하게 고정되게 한다. 그러나, 여기에도 5개의 RO 모듈 세트를 포함할 수 있고, 직렬로 배열될 수 있는 수퍼-모듈(super-module)에 대해서는 전혀 교시 또는 제시되어 있지 않다.

또 다른 문헌에서는 여과 모듈을 함유하기 위한 심층 수중 하우징의 형성을 제시하고 있다. 여기에서, 모듈은 다소 병렬로 물리적으로 배치되도록 고려되고, 필터는 병렬로 유체연동적으로 배치되는 것으로 고려된다.

그러나, 공지된 모듈 배열은 모듈에 대해 제한이 있다. 모듈의 병렬 배치는 상당한 공간을 필요로 하고, 상업적인 구현에서 지상에 배치되는 경우에 종종 비교적 큰 "접지면(footprint)"를 필요로 한다. 심층 웰을 사용하는 체노웨쓰형 개념은 공간 활용을 비교적 양호하게 하지만, 수많은 상호연결이 필요하기 때문에 비실용적이다.

발명의 요약

본 발명에서는 필터 함유 생성 모듈이 직렬로 기계적으로 결합되고, 생성 모듈 중에 함유된 필터가 공급 유체, 여과 유체 및 폐유체 유로와 병렬로 유체연동적으로 결합된 장치 및 방법이 제공된다.

숙고되는 여러 상이한 가능성 중에서, 각 생성 모듈은 유용하게 필터 뿐만 아니라, 3가지의 모든 유로를 함유할 수 있어, 결합된 모듈의 시리즈가 단일 장치로서 설치되고, 액세스되고, 분리된다. 또한, 결합된 모듈은 예컨데, 지면을 따라 심층 또는 박층 웰 내로, 타워 내로, 기부면을 따라, 언덕 또는 산의 측면으로, 또는 심지어 길 또는 주차장 아래로 삽입되는 방식과 같이, 공간 효율적 방식으로 배치될 수 있음이 고려된다. 또한, 이웃하는 생성 모듈은 미끄럼 고정 이음새(slip fit joint)를 사용하여 서로 결합하도록 고안될 수 있으며, 생성 모듈이 연결부를 통해 지지 케이블 또는 로드와 결합 관계를 유지할 수 있음이 숙고된다.

도면의 간단한 설명

본 발명의 여러가지 목적, 일면 및 장점들이 이후 바람직한 구현의 상세한 설명 부분과 첨부 도면으로부터 명확해질 것이며, 도면에서 숫자는 구성 요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 여과 시스템의 분해도이다.

도 2는 본 발명에 따른 웰 기제 여과 시스템의 바람직한 구현의 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 수많은 생성 모듈의 3차원 부분 절단도이다.

도 4는 본 발명에 따른, 지상 여과 시스템의 바람직한 구현의 개략도이다.

발명의 상세한 설명

도 1에서, 여과 시스템(5)은 일반적으로 끝과 끝이 인접해있는 다수의 생성 모듈(10)을 포함한다. 각각의 모듈(10)은 3개의 라인으로, 공급물 라인(12A), 폐기물 라인(12B) 및 생성물 라인(12C)을 포함한다. 여러 라인은 각각 분로(shunt)(16A, 16B 및 16C)를 통해 필터에 유체연동적으로 결합된다. 일반적으로, 공급 유체는 라인(12A 및 16A)을 통하여 폐기물 및 생성물 스트림을 분리시켜내는 필터(14)로 흐른다. 폐기물은 라인(16B)을 통해 라인(12B)으로 흐르는 한편, 생성물은 라인(16C)을 통해 라인(12C)으로 흐른다. 라인(12A, 12B 및 12C)은 각 유형의 유체가 모든 모듈을 통해 직렬로 흐르도록 모듈로부터 모듈로 결합된다.

도 2에서, 시스템(105)은 바람직한 구현에 유용한 그 밖의 모듈 및 커넥션을 포함하는 것으로 도시된다. 여기에서, 염수 또는 기수와 같은 공급수(120A)는 펌프(133)에 의해 공급 라인(131)을 통해 웰 기제 역삼투 생성 설비내로 보내진다. 그 다음, 공급수(120A)는 폐수(120B)로부터 담수 생성물(120C)을 분리시키는 모듈(110)에서 유로(134A)를 따라 필터(150)로 하류로 흐른다. 담수 생성물(120C)은 유로(134C)로 펌프(135)에 의해 보조되는 보유 탱크(140)로 상류로 흐른다. 폐수(120B)는 폐수 유로(134B)로 상류로 흐르고, 라인(150)을 통해 시스템(5)으로부터 배출된다. 이러한 방식으로, 여러 모듈(110)이 직렬로 기계적으로 연결되고, 유체 필터(150)가 유체 유로(134A, 134B 및 134C)에 대해 병렬로 연결된다.

또한, 도 2에는 헤드워크(headwork)(11), 및 펌프 또는 생성 모듈과 표면 간을 통과하는 전이 모듈(160)이 예시되어 있다. 또한, 이웃하는 생성 모듈(100)은 미끄럼 고정 이음새(미도시됨)를 사용하여 서로 결합되도록 고안될 수 있으며, 생성 모듈이 연결부를 통해 지지 케이블 또는 로드와 연결 관계를 유지할 수 있는 것이 숙고된다.

도 3은 이웃하는 모듈 2개 모두를 결합시키고 여러 유로를 결합시키기 위해생성 모듈의 한 단부에 위치할 수 있는 다지관(manifold)(210)을 예시하고 있다. 특히, 다지관(210)은 수개의 채널(216)을 한정하고, 공급 유체가 이 채널을 통하여, 필터(도시되지 않음)상으로 흐르기 전에, 공급 유체 공급 공간(134A; 도 2 참조)으로부터 내부 흐름 공간(200)으로 통과한다. 여러 채널(216)은 리브(rib)(217)내에 형성되며, 리브(217)는 또한 생성물 유로를 한정하는 파이프(260)를 지지하는 작용을 한다. 쉽게 인지되는 바와 같이, 모듈(210) 내의 필터(들)를 지나서 흐르는 폐유체는 화살표(208) 방향으로 흐르고, 그곳에서부터 경로(134C)를 따라 흐른다(도 2 참조).

도 4에서, 시스템(305)은 지상 구현을 예시하는 것으로서, 일반적으로 공급수(320A)는 펌프(333)에 의해 공급 라인(331)을 통해 예비 필터(335) 및 작업 교환 펌프(336)로 보내진다. 그 다음, 공급수(320A)는 공급 라인(331B)을 통해 공급 유체 유로(334A)를 거쳐 2개의 생성 라인(310)으로 통과한다. 생성 유닛(310) 내부에서, 공급 유체(320A) 중 일부는 필터(314)를 통과하여 생성물(320C)을 형성하며, 생성물(320C)은 생성물 유로(334C)에서 수집된다. 그 다음, 생성물(320C)은 중력에 의해 보유 탱크(340)로 흐른다. 필터(314)를 통과하지 못하는 유체는 폐유체(320B)가 되어, 유로(334C)를 따라 운반되고, 시스템으로부터 배출된다. 이와 같이, 이러한 구현에서, 도 2의 구현에서와 같이, 유로 중 어느 하나(여기에서는 공급 유체 유로(334A))의 구획이 모듈(310)과 외부 케이싱(390) 사이에 배치된다. 물론, 다른 구현에서도 하나 이상의 상이한 유로의 구획이 모듈(310) 내부에 포함되는 것으로 숙고된다.

도 4의 시스템은 어디에서니 2 내지 50개 이상의 생성 유닛(310)을 포함하는 것이 바람직한 것으로 숙고되며, 각각의 생성 유닛의 바람직한 길이는 약 10 내지 약 20 피트이다. 외부 케이싱은 직경이 약 30 인치인 것이 바람직하지만, 유리하게는 이보다 더 크거나 작은 직경을 가질 수 있으며, 사실상 둥글지 않은 단면을 가질 수도 있다. 기존의 필터를 기초로 하여, 상기 시스템은 1일당 약 2백만 갤런의 담수 또는 다른 생성물 유체를 생성하는 것으로 기대된다.

본 발명에 적용할 수 있는 바람직한 시스템의 추가 상세한 설명이WO 98/09718호에 기재되어 있고, 이의 내용이 본원에 통합된다. 상기 상세한 설명은 유용한 유형의 펌프, 유용한 치수의 모듈, 시스템의 유용한 배향 및 배치, 유용한 필터 등에 관한 것이다. 특히, 필터를 작동시키는데 필요한 압력이 실질적으로 액체의 펌프 또는 칼럼에 의해 제공되는 구현이 숙고된다. 포지티브(positive) 배치 펌프는 이러한 목적에 유리하며, 특히 이 경우에 상기 펌프는 작업 교환 장치내로 혼입된다. 공급 유체의 칼럼이 또한 유리하며, 특히 이 경우에 칼럼의 깊이는 200 피트 이상, 보다 더 바람직하게는 500 피트 이상, 더욱 바람직하게는 1000 피트 이상, 및 보다 더 바람직하게는 1500 피트 이상인 것이 유리하다.

물론, 본원의 일반적인 내용에 포함되는 수많은 다른 변형들이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 1에서, 3개의 유체 라인(12A, 12B 및 12C) 모두는 생성 모듈(10) 내에 완전히 함유되는 것으로 도시된다. 그러나, 대안적인 구현에서, 3개의 유체 라인 중 어느 하나, 어느 두개, 또는 모두가 생성 모듈(10)의 외부에 배치될 수 있다. 도 2는 공급 유체(120A)가 모듈(110) 외부에서, 즉 모듈(110)과 웰 케이싱 사이에서 유로(134A)로 흐르기 때문에, 적절한 예가 된다. 다른 변형에서, 본 발명에 따른 여과 시스템은 매우 다양한 배열 및 배치로 정위될 수 있다. 예를 들어, 시스템은 단일의 긴 관으로서, 짧은 관의 "집합"으로서, 또는 곡선 또는 원형으로 배열될 수 있다. 또한, 시스템은 지상, 지하, 일부는 지상, 일부는 지하에 높게 또 낮게, 수직으로, 수평으로, 또 이 사이의 어느 각도로나 정위될 수 있다.

또한, 공급 유체, 폐유체 및 생성물 유체가 시스템에 따라 다를 수 있으며, 가장 일반적인 면에서 고려되어야 함이 인지되어야 한다. 예를 들어, 공급 유체는 매우 소량의 일반적인 염으로도 오염될 수 있거나, 유기, 무기, 용해 또는 현탁된 고형물의 모든 방식으로 매우 오염될 수 있다. 유사하게, 탈염 시스템에서의 폐유체는 완전한 폐기물이 아니므로, 고압을 이용하는 2차 여과 시스템으로 공급될 수 있다. 또한, 오렌지 쥬스와 같은 식용 유체의 여과에 있어서, 폐유체는 동물 사료 또는 비료로서 상업용으로 상당한 상업적 가치를 가진다. 동일 선상에서, 생성물 유체는 매우 순수할 필요는 없다. 순도는 상대적인 것이며, 일반적으로 마실 수 없는 것으로 여겨지는 물 또는 다른 유체를 생성하는 일부 시스템이 이용될 수 있다.

이와 같이, 모듈이 직렬로 기계적으로 결합되는 한편, 필터가 병렬로 유체연동적으로 결합되는 모듈 여과 시스템이 개시되었다. 특정 구현 및 적용이 제시되고 설명되었고, 본 발명의 개념을 벗어나지 않고, 여러 가지 변형이 가능함이 당업자들에게 인지될 것이다. 그러므로, 본 발명은 첨부되는 청구의 범위를 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (12)

1. 공급 유체 유로, 폐유체 유로 및 생성물 유로, 및 다수의 생성 모듈을 포함하는 모듈 여과 시스템에 있어서,

   공급 유체 유로, 폐유체 유로, 및 생성물 유로는 채널 또는 도관을 포함하고,

   다수의 생성 모듈 각각은, 공급 유체 유로의 제 1 유체를, 폐유체 유로의 제 2 유체와 생성물 유체 유로의 제 3 유체로 분리시키는 필터를 포함하고.

   생성 모듈이 외부 케이싱 내에 배치되며, 이웃하는 생성 모듈은 직렬로 기계적으로 결합되어 있고, 폐유체 유로 및 생성물 유로에 대하여 병렬로 유체연동적으로 결합되어 있으며,

   공급 유체 유로, 폐유체 유로 및 생성물 유로가 각 생성 모듈의 길이에 걸쳐서 서로 병렬이고,

   공급 유체의 상당량이 하나 이상의 생성 모듈을 우회하는 모듈 여과 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 생성 모듈 각각이 공급 유체 유로, 폐유체 유로, 및 생성물 유로 각각의 구획을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 생성 모듈 각각이 공급 유체 유로, 폐유체 유로, 및 생성물 유로 중 2개 이상의 구획을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 생성 모듈 각각이 공급 유체 유로, 폐유체 유로 및 생성물 유로 중 1개 이상의 구획을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 외부 케이싱이 지상에서 지지체에 의해 지지됨을 특징으로 하는 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 케이싱이 그 일부 또는 전체가 웰 내에 위치됨을 특징으로 하는 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 필터가 역삼투 막임을 특징으로 하는 시스템.
8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 유체 유로를 가압시키는 펌프를 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
9. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 유체 유로를 가압시키는 작업 교환 유닛을 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
10. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 유체 유로를 가압시키는 유체 칼럼을 추가로 포함함을 특징으로 하는 시스템.
11. 제 1항에 있어서, 공급 유체의 상당량이 생성 모듈의 외부 케이싱과 웰 케이싱 사이를 우회함을 특징으로 하는 시스템.
12. 제 1항에 있어서, 하나 이상의 생성 모듈이 외부 케이싱에서 실링(sealing)되지 않음을 특징으로 하는 시스템.