KR100498583B1 - 이온선택성막을 사용한 물 담수화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 음료수를 생산하기 위한 향상된 담수화방법에 관한 것이다. 이 방법은 향상된 막과 담수화 기술의 하이브리드를 나타낸다. 본 발명은 전기를 소비하여 가변 압력에서 이온선택성막을 작동시켜 가변 비율로 혼합된 연화된 염수를 형성하고, 담수화 시스템의 최고 작동온도를 증가시키고, 미처리된 염수로 음료수의 회수를 증가시킨다.
Description
본 출원은 1999년 8월 20일자 미국 가특허 출원 제60/150,159호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 정수방법에 관한 것이고, 특히, 음료수 제품 생산용 담수화 장치에 공급되는 가변 보급수를 형성하기 위하여, 전략적으로 이온선택성막을 사용하여 물을 담수화하는 향상된 방법에 관한 것이다.
음료수 제품을 생산하기 위한 기본적인 염수담수화방법의 예로는, 다단 플래쉬 증류법, 다중효용 증류법, 역삼투법 및 증기압축 증류법을 들 수 있다. 이 방법들은 각각 그들의 독특한 특성 및 범위를 가진 잘 알려진 기술들이다. 미처리 염수에서 발견되는 고함량의 스케일 형성 이온, 함염물(saline) 및 다른 불순물은, 상기 통상의 담수화방법을 사용하는 대규모 플랜트의 효율, 에너지 소비 및 유지에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 고농도의 불순물 때문에, 일반적으로 급수 또는 장비에 항스케일링 화학약품을 첨가하여 스케일 형성 이온의 부작용을 최소화하는 방법이 공지되어 있다.
대규모 담수화 프로젝트를 위해 세계적으로 통상 사용되는 다단 플래쉬 증류기는, 공정에 사용될 수 있는 최고 브라인(brine) 온도(최고 브라인 온도 또는 TBT)에 의해 성능이 제한된다. 최대치보다 높은 온도에서는 스케일 억제제가 비효과적이고, 내면이 상당히 빨리 오염된다. 이를 제거하기 위해서는 시간과 비용이 많이 든다.
막 기술은 담수에 비해 높은 염수의 이온함량을 줄이기 위해 염수의 전처리에 사용된다. 예를 들어, 미국특허 제4,723,603호에는 지하 탄화수소-함유 형성물에 이미 존재하는 잔여 이온과 접촉하여 그 자리에서 불용성 염 침전물을 형성한 주입수로부터 전구 이온을 제거하기 위한 방법이 기재되어 있다. 불용성 염 침전물의 전구 이온은 RO 막에 의해 제거된다.
담수화에서 더 중요하게는, 음료수 제품을 만들기 위한 기본적인 담수화 방법과 막 기술의 조합이 WO 99/16714에 개시되어 있다. 이 문서에 따르면, 고함량의 경질 스케일링 이온을 함유하는 염수를 나노필터막에 통과시켜 담수화 시스템에 대한 보급수를 형성한다. 나노여과 연화막은 해수를 연화시키기 위하여 경질 스케일 형성 이온 및 다른 불순물을 선택적으로 제거하는 데 사용된다. 나노여과 처리로 인해, 담수화 시스템 통과시 보급수의 이온함량이 감소된다. 나노여과와 담수화 시스템을 조합사용하면 스케일링 및 오염 정도가 감소한다고 보고되고 있다 . 그러나, 이 문서에는 최적 시스템 및 회수를 이루기 위해, 압력, 온도 및 보급수와 같은 특정 조건 사이의 상호관계를 이용하는 어떠한 수단도 제안되어 있지 않다.
이러한 개시내용에도 불구하고, 여전히 상기 두 기술의 조합을 최적화하여 이런 종류의 하이브리드 담수화 시스템의 작동조건, 효율 및 수율을 향상시키기 위한 방법이 많이 요구되고 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노여과 및 담수화 시스템의 하이브리드를 사용한 통합 하이브리드 담수화 공정의 개략적 흐름도이고,
도 2는 본 발명에 따른 다단 플래쉬 증류에 적용한 본 발명의 공정을 나타내는 개략적 흐름도이고,
도 3은 본 발명의 방법을 사용하여 기존의 다단 플래쉬 증류와 나노여과 플랜트의 통합을 나타내는 개략적 흐름도이고,
도 4는 나노여과 및 다단 플래쉬 증류 시스템의 하이브리드로부터의 증류 생산성의 퍼센트 증가를 나타내는 그래프이고,
도 5는 적용 압력의 작용으로 나노여과에 의한 염도의 감소를 나타내는 그래프이고,
도 6 내지 도 9는 NF 처리된 보급수 혼합비 및 다양한 농도 인자에 대한 경석고 스케일링 지수를 나타내는 도면이다.
따라서, 본 발명은 최적의 작동조건에서 물을 담수화하는 향상된 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 경질이온함량이 보급수로부터 담수화 시스템으로 충분히 감소하기 때문에, 어떤 담수화 시스템이 원하는 최고 작동 온도를 얻거나, 원하는 음료수 제품을 회수할 수 있다. 그 결과, 담수화 플랜트가 더 비용-효율적으로 작동하고, 이러한 플랜트의 에너지 소비는 감소하고, 음료수의 수율은 증가하는 등의 이점이 많다는 것을 알았다. 또한, 유리하게는 화학적 항-스케일링제를 최소 사용하거나 완전히 사용하지 않는다. 이러한 이점 및 다른 이점은 막 기술과 통상의 담수화 기술의 조합에 근거한 하이브리드 담수화 시스템을 특이적으로 향상시켜 얻어진다.
하기 논의에서 사용되는 바와 같이, "염수"라는 용어는 경질 또는 스케일 형성 이온, 예를 들어, 황산염, 칼슘, 마그네슘 및 중탄산염 이온의 농도가 큰 물을 포함하는 의미이다. 본 발명에서 고려되는 염수의 원수는 해수, 만수, 용액 중에서 거부, 블로우다운 및 재순환된 브라인, 및 경질이온의 이온함량이 리터 당 1,500 mg 이상인 가용성 염을 함유하는 악화된 물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따르면, 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 제1흐름이 이온선택성막을 통과하여 경질 이온함량이 감소된 연화된 물 생성물을 형성한다. 이 연화된 물은 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 제2흐름과 혼합되어 담수화 시스템에 대한 급수를 형성한다. 그 후, 이 급수는 담수화 시스템으로 도입되어 음료수 제품을 형성한다. 급수의 연화된 물 함량은 5% 이상이다. 담수화 시스템은 역삼투법, 다단 플래쉬 증류법, 다중효용 증류법 및 증기압축 증류법을 포함하는 담수화방법 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 일실시형태에서는, 나노여과(NF)막이 이온선택성막으로 사용된다. 이러한 NF막을 하나 이상 포함하는 NF막 연화 시스템은 다단 플래쉬(MSF) 증류 플랜트와 조합된다. NF 시스템은 MSF-가스제거장치 다음에 도입된다. 일실시형태에서, 미처리된 염수는 먼저 가스제거 전처리 단계를 거친 후, NF 시스템에 들어간다. 선택적으로, 연화된 해수의 흐름은 NF 시스템에서 나온 후, MSF-가스제거장치로 들어가, 연화된 물에서 비응축성 가스를 제거한다. 미처리된 염수의 흐름 중 일부는 담수화 플랜트의 거부 섹션을 빠져나온 거부 흐름의 열에 의해 예열된 후, NF 막 시스템을 통과한다. MSF 증류 시스템은 95 내지 180℃의 TBT에서 작동된다. NF막 시스템은 5 내지 60 bar의 가변압력에서 작동된다. 더 상세히 논의하자면, NF 시스템의 작동압력 변경 능력은 연화된 물의 이온함량 및 양을 제어하는 수단을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 연화된 물은 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 흐름과 혼합되는 완충 시스템에 저장되어 담수화 시스템의 급수를 형성한다. 선택적으로, 완충 시스템에 저장된 연화된 물은 담수화 시스템으로 주입된다. 또한, 연화된 물의 예비 급수는, 연화된 물이 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물과 혼합되기 위해 완충 시스템에서 둘 이상의 담수화 시스템으로부터 공급되는 클러스터 공급 시스템을 형성하기 위해 사용된다.
그러나, 다른 실시형태에서, 담수화 공정 동안 생성된 거부 브라인, 블로우다운 또는 재순환된 브라인의 부분 흐름은 나노여과 단계로 진행되고, 담수화 시스템을 통해 재순환된다.
이온선택성막과 통상의 물담수화 시스템의 조합에 기초한 종래 기술의 담수화방법들은 본 발명에 의해 상당히 개선된다. 현재 설명하고 도면에 나타낸 바와 같이 본 발명의 특징 및 원리를 읽고, 이해하면, 숙련된 기술자들은 본 발명이 의도하는 형태의 물담수화 시스템의 디자인, 제조 및 작동에 있어서, 본 발명을 실행하고, 이의 이점을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시형태에 따르면, 담수화 플랜트에 대한 보급수가 어떤 작동 단계에서 의미있게 배열되어, 더 높은 최고 작동 온도 및 증가된 수율의 음료수를 얻을 수 있다는 점에서 향상되었다. 놀랍게도, 급수로부터 칼슘 및 황산 이온을 부분 제거하면 담수화 플랜트의 성능이 유리하게 향상된다는 것을 알았다. 종래 기술에서는 이러한 향상이 나타나지 않았다. 특히, 가변 비율의 연화된 물 및 연화된 흐름보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물을 포함하는 급수를 사용하여, 경질 이온의 농도를 충분히 감소시켜, 담수화 공정의 TBT를 유리하게 증가시킨다. 작동온도가 높을수록 낮은 에너지 및 화학약품 소비에서 생산성, 회수 및 성능을 증가시킨다. 그 결과, 종래 기술의 하이브리드 시스템에 비해 운전 및 유지를 포함한 담수의 생산비가 크게 감소한다.
본 발명에 따르면, 담수화 플랜트에 대한 보급수의 이온함량을 조절하는데 유연성을 제공할 목적으로, 하나 이상의 이온선택성막을 담수화 시스템으로 도입한다. 당해 기술분야에 공지되고 알려진 임의의 담수화 시스템이 본 발명에 사용될 수 있다. 역삼투법, 다단 플래쉬 증류법, 다중효용 증류법 및 증기압축 증류법과 같은 담수화 방법들은 관련 산업에 공지되어 있고, 문헌에도 충분히 기재되어 있다. 이러한 통상 시스템의 임의의 작동은 당업자들에게 잘 이해되고 있을 것으로 생각된다.
이와 유사하게, 이온선택성막은 당해 기술분야에 공지되어 있다. 본 발명이 의도한 바와 같이, 상기 막은 경질 이온을 통과하지 못하게 하는 동시에, 물과 무해한 이온은 통과시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 목적을 나타내기 위하여, 상기 막은 물을 연화시키기 위하여 경질 이온을 선택적으로 제거하는 데 사용된다. 막의 선택성은 막의 공극 크기 또는 전기적 하전을 포함한 막의 특정 성질의 작용이다. 따라서, 이러한 기준을 만족시키는 임의의 공지되고, 상업적으로 입수가능한 이온선택성막을 본 발명에 사용할 수 있다. 예를 들어, 폴리아미드막은 선택적으로 황산염, 칼슘, 마그네슘 및 중탄산염 이온을 통과하지 못하게 하는데 특히 효과적이다. 상표명이 SR90-400(Film Tec Corporation) 또는 Hydranautics CTC-1인 폴리아미드막이 바람직하다. Filmtec SR90-400 및 Hydranautics CTC-1의 막 성분 비교는 표 1에 나타낸다:
FILMTEC SR90 400 | HYDRANAUTICS CTC-1 | |
최대 적용 압력 | 600 psig(4.16Mpa) | 600 psig(4.16Mpa) |
최대 작동 온도 | 45℃ | 45℃ |
최대 유속 | 72gpm(16.4m3/h) | 75gpm(17m3/h) |
최대 급수 SDI | 5 | 5 |
막 영역 | 3.72 x 105cm2(400ft2) | 3.72 x 105cm2(400ft2) |
성분 길이/직경 | 101.6cm x 20.32cm(40" x 8") | 101.6cm x 20.32cm(40" x 8") |
하기 일련의 표 2 내지 5로부터, 이온선택성막을 사용하면 담수화 장치에 공급되는 해수 보급수에서 대부분의 중요한 스케일링 혼합물이 제거된다는 것을 알 수 있다. MSF 재순환의 일반적인 화학적 조성 및 아라비아만 해수의 평균 해수 급수는 하기 표 2에 나타낸다. 그러나, 본 발명에 따르면, 고농도의 경질 이온을 가진 물의 제1흐름을 이온선택성막에 통과시켜 연화된 물을 형성한다. 그 후, 연화된 물을 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물과 혼합하여 보급수의 스케일링 가능성을 낮춘다. 표 3의 데이터는 NF 막의 성능을 나타낸다. 또한, 표 3은 나트륨, 칼륨 및 염화물의 1가 이온보다 황산염, 마그네슘, 칼슘 및 중탄산염 이온이 더 큰 퍼센트로 제거되는 것을 나타낸다. NF막 Filmtec SR90을 사용하는 경우, 전형적인 황산염, 칼슘, 마그네슘 및 중탄산염 이온의 감소를 표 4에 나타낸다. 표 4는 나노여과의 제1단계 대 제2단계에서 스케일링 이온의 더 높은 시스템 거부를 이루기 위한 NF 기술의 사용 능력을 나타낸다. 마지막으로, 표 5는 Hydranautics에 의해 개발된 나노여과막의 성능을 나타낸다.
재순환일반적인 만 MSF | Doha에서해수의 질 | ||
이온 강도 | 1.4078 | ||
ppm | 농도 | mg/l | |
나트륨 | 21,013 | 12,300 | ±20 |
칼슘 | 786 | 570 | ±45 |
마그네슘 | 2,627 | 1,700 | ±150 |
중탄산염 | 209 | 185 | ±18 |
염화물 | 37,190 | 24,000 | ±700 |
황산염 | 5,229 | 3,400 | ±300 |
탄산염 | 21 | 14 | ±8 |
TDS | 67,075 | 47,000 | ±2000 |
이온 | 해수(ppm) | NF 투과(ppm) | 시스템%거부 |
나트륨 | 11,200 | 10,050 | 10 |
칼륨 | 370 | 320 | 14 |
칼슘 | 400 | 309 | 23 |
마그네슘 | 1,400 | 330 | 76 |
염화물 | 19,750 | 19,000 | 4 |
황산염 | 2,650 | 48 | 98 |
탄산염 | 140 | 20 | 86 |
합계 | 35,910 | 30,715 |
해수 급수 | 제1단계 | 제2단계 | |
황산염 | 2700 | 22 | 90 |
칼슘 | 410 | 108 | 204 |
마그네슘 | 1310 | 440 | 690 |
중탄산염 | 150 | 29 | 72 |
이온 | 해수(ppm) | NF 투과(ppm) | 시스템%거부 |
나트륨 | 12,100 | 10,442 | 13.7 |
마그네슘 | 1,100 | 713 | 35.2 |
염화물 | 18,100 | 16,073 | 11.2 |
황산염 | 2,580 | 21 | 99.2 |
그러나, 본 발명의 이점 및 향상점은 WO 99/16714에 기재된 바와 같이, 음료수를 생성하기 위한 이온선택성막과 담수화 방법의 단순한 조합에 있지는 않다. 오히려, 예전에는 알아차리지 못했던 본 발명의 이점은, 부분적으로 가변 비율의 연화 및 미처리 물의 급수를 담수화 시스템에 도입시켜 시스템의 최고 작동 온도를 증가시키고, 음료수의 수율을 증가시키는 데 있다. 이와 반대로, WO 99/16714는 급수의 100%가 나노여과 전처리 공정을 거친 후 담수화 장치에 공급되는 하이브리드 공정을 기술한다. 또한, 이온선택성막은 본 발명에 따라 에너지를 소비하여 가변 압력에서 유리하게 작동시켜, 담수화 플랜트의 비용-효율을 상당히 향상시킬 수 있다. WO 99/16714에는 보급수 및/또는 작동 압력의 가변 퍼센트가 담수화 플랜트의 성능을 유리하게 향상시킨다는 설명이나 제안은 없다.
본 발명의 광범위한 실시형태에 따르면, 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 제1흐름은 이온선택성막을 통과하여 경질 이온의 농도가 감소된 연화된 물을 형성한다. 연화된 물은 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 제2흐름과 혼합되어 담수화 시스템에 대한 급수를 형성한다. 그 후, 이 급수는 담수화 시스템으로 도입되어 음료수 제품을 형성한다. 연화된 물의 퍼센트는 보급수의 5% 이상이다. 연화된 물의 원수는 또한 이온선택성막 및/또는 담수화 시스템을 이미 통과하였고, 담수화 시스템을 통해 재순환된 임의의 물 흐름에 의해 공급될 수 있다는 것을 알아야한다. 본 발명이 의도한 바와 같은 담수화 시스템에 대한 보급수를 형성하기 위해 혼합하기에 적합한 연화된 물을 결정하는 것은 경질 이온의 감소된 농도이다.
스케일 형성 이온, 특히 탄산염 및 수산화 마그네슘 스케일에 대해 더 보호하기 위해, 화학량론적 양의 산, 예를 들어, 10 내지 100 ppm의 해수 급수를 첨가한 후에 이온선택성막을 통해 해수를 통과시킨다. 이 목적에 적합한 산의 예로는 염산 및 황산을 들 수 있다. 산을 첨가하면 이온선택성막이 보호되고, 거부 및 여과가 향상되고, 알칼리성이 감소한다. 또한, 산과 막처리를 조합하면 항스케일링제의 사용을 줄이거나 선택적으로는 제거하여 담수화 플랜트를 추가로 보호할 수 있다.
도 1은 다단 플래쉬 증류, 다중효용 증류, 증기압축 증류 및 역삼투 증류를 포함하는 담수화 시스템 및 이온선택성막의 하이브리드를 사용하는 통합 하이브리드 담수화 공정을 나타내는 기본 흐름도를 나타낸다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 흡입 염수의 흐름은 증류 플랜트의 열 거부 섹션으로부터의 보급수 흐름의 일부와 혼합된다. 열 거부 섹션으로부터의 보급수 흐름은 경질 이온의 함량이 감소된 것을 특징으로 한다. NF 처리할 해수 흐름은 전처리되어, 고정된 매질 여과 또는 미량여과 또는 한외여과 장치에 의해 현탁된 고체를 제거한다. 5 이상의 실트 밀도 지수(SDI)를 가진 해수 흐름은 용액의 삼투압 이하인 5 내지 80 bar로 가압되고, NF막 장치로 들어온다. NF막 어셈블리는 전형적인 2 대 1 비율의 여러가지 배열로 구성된다. NF 모듈은 각각 4 내지 8개의 NF 성분을 포함한다. 그리고 나서, 처리되고, 연화된 해수 흐름은 미처리된 염수와 혼합되어 상기 임의의 증류 장치에 대해 보급수를 형성한다.
본 발명의 중요하고 유리한 또다른 실시형태는, 이온선택성막이 전기의 소비로 가변 압력에서 작동되어 담수화 플랜트의 에너지 효율 및 수율을 최대화할 수 있다는 것을 인식한 것이다. 일반적으로 말해서, 이온선택성막은 모든 경우 처리될 염수 흐름의 삼투압 이하인 5 내지 80 bar의 압력에서 작동한다. 작동 압력의 상부범위에서는 스케일링 이온 및 총 염도의 감소 정도가 증가한다. 그러나, 이러한 고압에서 이온선택성막 시스템이 작동하려면 더 많은 에너지를 사용해야 한다. 따라서, 전기비를 들여 작동 압력을 변경시키면, 담수화 플랜트의 에너지 효율 및 수율이 최적화된다.
이러한 선택은 전력 사용에 있어서 광범위한 계절변화 및 일일변화가 있는 중동과 같은 지역에서 특히 유리하다. 예를 들어, 고비용과 관련되는 최고의 에너지가 필요한 여름에는, 이온선택성막 시스템을 최저 가능 압력에서 작동시켜, 스케일링 이온함량을 감소시키는 부작용 없이 에너지 소비를 최소화한다. 이와 반대로, 겨울에는 전력이 최대한으로 필요하지 않으므로, 이온선택성막 시스템을 작동 전압의 상부 범위에서 작동시켜, 담수화 플랜트의 생산성 및 효율을 증가시킨다. 이러한 시스템의 작동 압력 조절 능력은 숙련된 플랜트 운영자의 기술에 포함된다. 이러한 이점으로 인해 플랜트 운영자는 작동시 최고의 에너지 효율 상태에서 연화된 물제품의 이온함량 및 질을 결정할 수 있다.
본 발명은 또한 이온선택성막 시스템을 통해 브라인 흐름의 일부를 재순환시키는 선택을 제공한다. 그리고 나서, 처리된 흐름은 스케일링 이온이 충분히 감소한 재순환 흐름과 혼합되어, 담수화 시스템의 최고 작동 온도를 증가시킨다. 이와 유사하게, 또다른 실시형태에서 이온선택성막 시스템은 스케일링 이온의 농도가 최고인 브라인 블로우다운 점에서 도입된다. 그리고 나서, 블로우다운의 일부가 나노여과 단계로 진행되고, 담수화 시스템으로 재순환된다.
본 발명의 유리한 실시형태는 NF막 시스템과 MSF 증류의 조합이다. MSF 증류의 원리는 간단하다. 해수 급수를 가압하고, 최대 플랜트 온도로 가열한다. 가열된 액체를 액체의 포화증기압보다 약간 낮게 유지시킨 챔버에 붓는 경우, 이의 물함량 분획은 증기로 플래쉬된다. 그 후, 플래쉬 증기는 습기 제거장치를 통과하여 현탁된 브라인 방울로 떨어지고, 열전달관의 외표면에서 응축된다. 응축된 액체는 고온 생성수로서 트레이로 떨어진다.
플래쉬되지 않은 브라인은 더 낮은 온도에서 증기에 플래쉬하는 제2챔버, 또는 제2단계로 들어와 생성수의 양을 추가한다. 이와 동시에, 제1단계로부터의 증류액은 제2단계의 증류 트레이를 통과하고, 열을 일부 잃는다. 냉각된 브라인 및 냉각된 증류액이 각각 블로우다운 브라인 및 생성수로서 최종적으로 플랜트에서 배출될 때까지 플래쉬-냉각 방법을 반복한다.
각 단계에서 증기를 응축하는 관의 내부를 통해 흐르는 재순환 흐름은 응축의 잠열을 제거한다. 이와 같이 하면, 순환하는 브라인은 거의 공정의 최대 작업온도까지 예열되고, 동시에 응축 증기의 에너지를 회수한다. 다단 플래쉬 증류 플랜트의 이 부분은 "열 회수" 섹션이라 불린다. 예열된 브라인은 최종적으로 외부원으로부터의 증기로 공급된 브라인 히터에서 최대 작동 온도까지 올라간다. 플랜트의 냉각점에서, 개별 관 세트는 "열 회수" 섹션 중의 몇몇 단계에 설치되어 폐열을 제거한다. 이 냉각제 중 작은 부분은 예열된 보급수가 된다.
본 발명의 일실시형태에 따르면, NF막 연화 시스템은 MSF-가스제거 장치 다음에 MSF 증류 시스템으로 도입된다. 이러한 배열의 결과, 산소, 잔여 염소 및 환원 부식물질은 물의 흐름에서 제거된 후, NF막 시스템으로 들어간다. 구체적으로, NF 처리될 물의 흐름은 가스제거 전처리 단계로 진행한 후에 NF막 시스템을 통과한다. 이와 달리, NF 시스템에 존재하는 연화된 물의 흐름은 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물의 제2흐름과 혼합된다. 이 혼합물은 MSF-가스제거 장치를 통과한 후 증류 장치로 들어간다. 미처리된 물의 흐름 중 일부는 담수화 시스템의 거부 흐름의 열에 의해 예열된 후 NF막 시스템을 통과한다. 통상의 MSF 담수화 플랜트가 95 내지 112℃의 온도에서 작동하는 것과는 대조적으로, 본 발명의 MSF 증류 시스템은 95 내지 180℃의 온도에서 작동한다. 현재 이러한 고온은 기존의 방법 및 구체적으로는 화학 첨가제를 사용하여 달성할 수 있는 것보다 뛰어나다.
도 2는 MSF에 적용된 본 발명의 방법을 나타내는 개략도이다. NF 및 MSF를 사용하는 계획된 상업적 공정은 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타낸 참조번호는 확인된 시스템 단계에서 표 8 내지 11에서 설정된 바와 같은 작동 조건을 참조한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, NF 장치는 해수 냉각 시스템의 일부인 상온 급수 상의 시스템으로 도입된 후, MSF-가스제거장치로 들어온다. 나노여과 시스템으로 들어온 물의 열회수 및 해수 흐름의 가온은 NF 성분의 유량 및 생산성을 상당히 증가시킨다. 이러한 배열에 의해, 이 흐름이 MSF 장치에 들어가기 전에, 급수 흐름으로부터 산소, 잔여 염소 및 이산화탄소를 제거할 수 있고, 이의 부식성을 감소시킬 수 있다. NF 시스템에서 방출된 이산화탄소는 예를 들면, 회수된 물제품의 후처리와 같은 유리한 용도를 위해 재생될 수 있다.
도 4는 NF 시스템 및 공정이 예를 들면 125℃이하로 TBT를 안전하게 증가시키는 것을 보여준다. 동일한 도면에서, 본 발명의 NF 시스템을 사용한 MSF 플랜트로부터 증류액 생산의 퍼센트 증가를 볼 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 적용 압력의 작용으로 본 발명의 NF 시스템에 의해 총 염도가 감소하여, 스케일링 화합물이 감소할 뿐만 아니라 총 염도도 부분적으로 감소한다. 본 발명에 의해 달성된 총 염도의 감소는 끓는점 상승을 감소시키고, 브라인의 열역학적 특성을 향상시키고, 열전달 계수를 향상시키고, 보급수 요건을 최적화하는 이점이 있다. 본 발명을 사용하면, 표 6에 나타낸 바와 같이 오염 인자도 줄어들 것이다.
오염 인자 @ 온도 ℃,m2K/W | 125℃ | 120℃ | 110℃ | 90℃ 이하 |
브라인 히터 w/NF | 0.000210 | 0.000200 | 0.000180 | 0.000180 |
브라인 히터 w/o NF | NA | NA | 0.00258 | 0.000260 |
회수 섹션 w/NF | NA | NA | 0.000120 | 0.000105 |
회수 섹션 w/o NF | NA | NA | 0.000150 | 0.000150 |
본 발명의 또다른 실시형태에 따르면, 연화된 물은 완충 시스템에 저장된다. 이 연화된 물의 저장 급수는 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물과 혼합하는데 사용되어 담수화 시스템으로 도입되는 보급수를 형성한다. 혼합되지 않으면, 완충 시스템에 저장된 연화된 물은 담수화 시스템으로 직접 주입될 수 있다. 예비된 연화된 물의 급수를 사용하여, 연화된 물을 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 함유하는 물과 혼합시키기 위해 둘 이상의 담수화 시스템으로 공급되는 클러스터 공급 시스템을 형성할 수 있다. 이러한 배열은 실질적으로 담수화 시스템을 통과하는 급수의 이온함량을 결정할 수 있다는 잠재적 이점이 있다. 따라서, 플랜트의 작동 조건을 조절하여 에너지 소비를 제어할 수 있다. 또한, 완충 시스템은 이온선택성막 시스템이 중지되어도 담수화 장치의 연속적인 작동에 영향을 미치지 않게 한다.
본 발명의 방법에 따른 전형적인 MSF 증류기에 대한 보급수의 NF 전처리의 기술적 및 경제적 용이성을 평가하기 위하여 모의실험을 수행하였다. 대조 플랜트는 중동에서 사용하는 5migd MSF 증류기이다. 대조 플랜트는 비교적 새로운(4년 이하) 것으로 선택되고, 두 개의 동일한 5mgid 장치를 포함한다. 상기 플랜트는 아라비아만에 위치하고, 전력 및 담수화 플랜트의 일부로 작동한다. 상기 플랜트는 106℃ 내지 112℃의 TBT로 작동한다. 106℃의 TBT 및 38℃의 해수(여름 조건)에서 보증된 장치의 가열율은 공급열 2326 kJ 당 증류액 7.5kg이다.
상기 연구의 NF 설계는 75%의 시스템 회복률을 가진 제작자 추천조건에서 작동시킨, Dow Filtec 막으로 전처리하기 위한 응고 및 멀티미디어 여과에 기초하였다. 혼합 계산은 변형된 혼합 MSF 보급수를 생성하기 위하여 NF 생성수와 가열된 해수의 가변 비율을 사용하여 수행하였다. 그 결과는 하기 표 7에 나타낸다. 그리고 나서, 생성된 혼합 MSF 보급수를 모의실험을 위한 급수로 사용하였다.
%NF 1생성물) | 100 | 90 | 80 | 70 | 60 | 50 | 40 | 30 | 20 | 10 | 0 |
% 해수 | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | ppm | |
Na | 13935 | 14026 | 14117 | 14208 | 14299 | 14389 | 14480 | 14570 | 14660 | 14750 | 14840 |
K | 336 | 352.5 | 369 | 385.5 | 401.9 | 418.3 | 434.8 | 451.1 | 467.4 | 483.7 | 500 |
Mg | 687 | 773.9 | 860.7 | 947.4 | 1033.9 | 1120.3 | 1206.5 | 1292.6 | 1378.5 | 1464.3 | 1550 |
Ca | 226 | 263.7 | 301.3 | 338.8 | 376.3 | 413.8 | 451.1 | 488.4 | 525.7 | 562.9 | 600 |
Sr | 7 | 8.1 | 9.2 | 10.3 | 11.4 | 12.5 | 13.6 | 14.7 | 15.8 | 16.9 | 18 |
Ba | 0.03 | 0.034 | 0.038 | 0.042 | 0.046 | 0.05 | 0.054 | 0.058 | 0.062 | 0.066 | 0.07 |
Cl | 24089 | 24307 | 24525 | 24742 | 24959 | 25175 | 25392 | 25608 | 25823 | 26038 | 26253 |
SO4 | 106 | 441.9 | 777.2 | 1112 | 1446 | 1779.9 | 2113 | 2445.6 | 2777.6 | 3109.1 | 3440 |
CO3 | 0 | 3.8 | 7.7 | 11.5 | 15.3 | 19.1 | 22.9 | 26.7 | 30.5 | 34.2 | 38 |
HCO3 | 80 | 84.8 | 89.7 | 94.5 | 99.3 | 104.1 | 108.9 | 113.7 | 118.5 | 123.2 | 128 |
OH | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
TDS* | 39466 | 40262 | 41057 | 41850 | 42642 | 43432 | 44223 | 45011 | 45797 | 46582 | 47367 |
pH | 7.8 | 7.92 | 8 | 8.05 | 8.09 | 8.12 | 8.15 | 8.16 | 8.18 | 8.19 | 8.2 |
*TDS = 총 용해된 고체 |
그리고 나서, NF 처리된 보급수 혼합 비율에 대한 경석고 스케일링 지수(SI)를 계산하고, 다양한 농도 인자(CF)에서 도시하였다. 각각 네 개의 가능한 작동 온도(115℃, 120℃, 125℃ 및 130℃)에서, 허용가능한 스케일링 지수(SI) 상의 최대 한계는 도 6 내지 9에 나타낸다. 이 데이터로부터 농도 인자(CF)가 필요한 NF 혼합비율에 상당한 영향을 미친다는 것이 명백하다. 예를 들어, CF가 1.4 내지 1.5 증가하려면 NF 혼합량이 약 10% 증가해야 한다.
도 3에는 모의 실험에 사용된 대조 MSF 플랜트와 같은 MSF 플랜트 및 NF 플랜트의 제안된 통합을 나타내는 공정의 흐름도를 나타낸다. 본 발명의 방법에 따라 통합한 결과, MSF의 TBT를 올리고, 즉, 106℃에서 작동하는 전형적인 5migd 다단 플래쉬 설치를 25% 나노여과로 125℃까지 올리고, 출력을 33.8%까지 증가시킬 수 있다. 이와 유사하게, 10% 나노여과 및 25%의 증가된 출력으로 동일한 MSF 플랜트의 TBT를 121℃ TBT로 올릴 수 있다.
표 8 내지 11은 본 발명에 따라 작동하는 상이한 대안(125℃ TBT 및 121℃ TBT) 작동에 대한 열 및 질량 균형 흐름 시트이다. 표 8 및 10의 흐름 시트는 해수의 온도가 38℃의 범위에 있는 여름에 대한 것이고, 표 9 및 11은 해수의 온도가 15℃인 겨울에 대한 것이다. 도 3의 참조번호 13 및 표 8 내지 11의 대응 컬럼 13은 본 발명에 따른 NF-MSF 시스템의 증류 생성물에 관한 것이다.
흐름 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
흐름(Kg/s) | 49.504 | 1.76 | 51.263 | 51.263 | 49.504 | 3024 | 3024 | 7 | 3024 | 857 | 0 |
온도(℃) | 195 | 132.42 | 130 | 132 | 132 | 115.7737 | 125 | 120 | 51.203 | 49.87 | 62.84 |
압력(bar g) | 13.73 | 5 | 3 | 2.9 | 4 | 2.35 | 2 | 1.9 | 6.86 | ||
염도(ppm) | 6.73 | 6.73 | |||||||||
흐름 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23* |
흐름(Kg/s) | 2278 | 352 | 505 | 1801 | 236 | 1115 | 241 | 241 | 229 | 171 | 58 | 660 |
온도(℃) | 38 | 50.09 | 51.73 | 38 | 38 | 52.84 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 |
압력(bar g) | 4.25 | 3.4 | 4.25 | 2.8 | 4.25 | 4.25 | 2 | 1.5 | 1 | |||
염도(ppm) | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 3950 | 7100 | 4737 | ||
*대표적인 간헐적 흐름 |
흐름 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
흐름(Kg/s) | 56.177 | 2 | 58.177 | 58.177 | 56.177 | 3024 | 3024 | 7 | 3024 | 932 | 651 |
온도(℃) | 195 | 133.56 | 130 | 132 | 132 | 114.5188 | 125 | 120 | 42.102 | 41.75 | 42.68 |
압력(bar g) | 13.73 | 3 | 3 | 2.9 | 4 | 2.2 | 2 | 1.9 | 6.88 | 2.8 | |
염도(ppm) | 6.74 | 6.74 | |||||||||
흐름 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23* |
흐름(Kg/s) | 1426 | 391.19 | 540 | 1801 | 236 | 182 | 40 | 262 | 250 | 186 | 63 | 660 |
온도(℃) | 15 | 39.84 | 42.26 | 25 | 15 | 42.68 | 15 | 38 | 38 | 38 | 38 | 15 |
압력(bar g) | 4.25 | 3.4 | 4.25 | 2.8 | 4.25 | 4.25 | 2 | 1.5 | 1 | |||
염도(ppm) | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 3950 | 7100 | 4737 | ||
*대표적인 간헐적 흐름 |
흐름 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
흐름(Kg/s) | 46.359 | 1.63 | 47.992 | 47.992 | 46.359 | 3024 | 3024 | 7 | 3024 | 818 | 0 |
온도(℃) | 195 | 128.03 | 130 | 128 | 128 | 112.1674 | 121 | 115.5 | 51.508 | 51.22 | 52.68 |
압력(bar g) | 13.73 | 5 | 3 | 2.5 | 4 | 2.2 | 2 | 1.9 | 6.99 | ||
염도(ppm) | 6.91 | 6.91 | |||||||||
흐름 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23* |
흐름(Kg/s) | 2152 | 331.1 | 485 | 1801 | 236 | 1065 | 115 | 115 | 109 | 82 | 28 | 330 |
온도(℃) | 38 | 49.96 | 51.62 | 38 | 38 | 52.68 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 | 38 |
압력(bar g) | 4.25 | 3.4 | 4.25 | 2.8 | 4.25 | 4.25 | 2 | |||||
염도(ppm) | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 3950 | 7100 | 4737 | ||
*대표적인 간헐적 흐름 |
흐름 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 |
흐름(Kg/s) | 53.45 | 1.89 | 55.337 | 55.337 | 53.45 | 3024 | 3024 | 7 | 3024 | 900 | 683 |
온도(℃) | 195 | 129.22 | 130 | 129 | 129 | 110.8144 | 121 | 115.5 | 41.817 | 41.75 | 42.17 |
압력(bar g) | 13.73 | 5 | 3 | 2.6 | 4 | 2.2 | 2 | 1.9 | 6.98 | ||
염도(ppm) | 6.91 | 6.91 | |||||||||
흐름 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23* |
흐름(Kg/s) | 1376 | 374.6 | 525 | 1801 | 236 | 202 | 20 | 126 | 120 | 90 | 30 | 330 |
온도(℃) | 15 | 39.39 | 41.84 | 25 | 15 | 42.17 | 15 | 38 | 38 | 38 | 38 | 15 |
압력(bar g) | 4.25 | 3.4 | 4.25 | 2.8 | 4.25 | 4.25 | 2 | |||||
염도(ppm) | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 4737 | 3950 | 7100 | 4737 | ||
*대표적인 간헐적 흐름 |
표 8 내지 11의 데이터에 의하면, NF 전처리 및 보급수의 혼합으로 인해 TBT 및 MSF 플랜트의 생산량이 상당히 증가함을 알 수 있다. 상기와 같은 향상은 연화된 염수의 흐름과 미처리된 염수를 혼합하여 담수화 시스템에 대한 급수를 형성함으로써 달성된다. 그 결과, 더 높은 TBT에서 MSF 플랜트를 작동할 수 있다. 유리하게도, NF 및 MSF 플랜트에서 더 낮은 운전비용으로 생산량을 증가시킨다.
본 발명을 바람직한 실시형태로 설명하였지만, 본 발명은 청구된 바와 같은 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 한, 변화 및 변경될 수 있음을 이해하여야 한다.
Claims (26)
- (a) 고농도의 경질 이온을 포함하는 물의 제1흐름이 이온선택성막을 통과하여 경질 이온의 함량이 감소된 연화된 물을 형성하는 단계;(b) 연화된 물을 연화된 물보다 고농도의 경질 이온을 포함하는 물의 제2흐름과 혼합하여 담수화 시스템에 대한 급수를 형성하는 단계;(c) 상기 급수를 담수화 시스템으로 도입하여 음료수 제품을 형성하는 단계를 포함하고, 가변 비율의 연화된 물 및 제2흐름의 물의 급수를 담수화 시스템으로 도입하여 시스템 작동 온도의 상한값을 증가시키고 음료수의 회수를 증가시키는 것을 특징으로 하는, 음료수를 생산하기 위한 향상된 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 급수의 연화된 물 함량이 5%인 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 급수가 역삼투, 다단 플래쉬 증류, 다중효용 증류 및 증기압축 증류로 구성된 그룹에서 선택된 하나 또는 복수개의 담수화 시스템을 통과하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 3항에 있어서,상기 담수화 시스템이 열 구동되고, 다단 플래쉬 증류 및 다중효용 증류로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 3항에 있어서,상기 담수화 시스템이 전기 구동되고, 역삼투 및 증기압축 증류로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 3항에 있어서,상기 담수화 시스템이 다단 플래쉬 증류인 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 6항에 있어서,상기 다단 플래쉬 증류 시스템이 95 내지 180℃의 온도에서 작동되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항 또는 제 6항에 있어서,상기 이온선택성막이 나노여과막인 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 8항에 있어서,상기 물의 제1흐름이 하나 또는 복수개의 나노여과막을 포함하는 연화 시스템을 통과한 후 가스제거 전처리되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 9항에 있어서,상기 물의 제1흐름이 가스제거되기 전에 담수화 시스템의 거부 흐름의 열에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항 및 제 4항 내지 제 7항 중의 어느 한 항에 있어서,상기 이온선택성막이 5 내지 80 bar의 가변 압력에서 작동되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 11항에 있어서,상기 연화된 물의 이온함량 및 양이 이온선택성막의 작동압력에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 연화된 물이 완충 시스템에 저장되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 13항에 있어서,상기 완충 시스템에 저장된 연화된 물이 물의 제2흐름과 혼합되어 담수화 시스템에 대한 급수를 형성하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항 또는 제 14항에 있어서,상기 이온선택성막은 전기의 소비로 가변 압력에서 작동되어, 제2흐름과 함께 가변 비율로 혼합되는 연화된 물을 형성하여, 담수화 시스템의 작동 온도를 증가시키고, 음료수 회수를 증가시키는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 13항에 있어서,상기 완충 시스템에 저장된 연화된 물이 담수화 시스템에 주입되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 연화된 물이 클러스터 시스템에 의해 복수개의 담수화 시스템으로 공급되고, 각 시스템의 제2흐름과 혼합되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 담수화 시스템이 부분적으로는 나노여과 단계로 진행되고, 담수화 시스템을 통해 재순환되는, 거부, 블로우다운 및 재순환된 브라인으로 구성된 그룹에서 선택된 물을 포함하는 브라인을 생성하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,화학량론적 양의 산이 제1흐름에 첨가된 후, 상기 흐름이 이온선택성막을 통과하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- (a) 상당히 감소된 농도의 경질 이온을 가진 연화된 물의 제1흐름을 연화된 물보다 더 고농도의 경질 이온을 포함하는 물의 제2흐름과 혼합하여 담수화 시스템에 대한 급수를 형성하는 단계(여기서, 상기 제1흐름 및 제2흐름의 원수는 다름), 및(b) 상기 급수를 담수화 시스템에 통과시켜 음료수 제품을 형성하는 단계를 포함하고, 가변 비율의 연화된 물 및 제2흐름의 물의 급수를 담수화 시스템으로 도입하여, 상기 시스템 작동 온도의 상한값을 증가시키고 음료수의 회수를 증가시키는 것을 포함하는 향상된 담수화방법.
- 제 20항에 있어서,미처리된 물을 이온선택성막에 통과시켜 연화된 물의 흐름을 얻어 제1흐름의 이온함량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 20항에 있어서,상기 물의 제1흐름이 담수화 시스템에 의해 생성되고, 상기 물은 거부, 블로우다운, 증류 및 재순환된 브라인으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항 또는 제 20항에 있어서,상기 물의 제1흐름이 염수, 해수, 담함수, 폐수 및 악화된 물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 23항에 있어서,상기 악화된 물은 리터당 1,500 mg의 경질이온의 이온 함량을 가진 가용성 염을 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 제 1항에 있어서,상기 급수의 연화된 물 함량이 10-20%인 것을 특징으로 하는 담수화방법.
- 삭제
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