KR101398352B1 - 열 담수화 - Google Patents

Abstract

공급 용액을 열분리 유니트에 도입하고,열분리 유니트에서 공급 용액을 증 류하여 증류 스트림 및 공급 용액보다 용질 농도가 더 높은 잔여 스트림을 형성하고, 열분리 유니트로부터의 잔여 스트림의 일부를 선택적 투과성 막의 한쪽 면에 접촉시키고, 선택적 투과성 막의 반대쪽 면을 공급 용액의 일부와 접촉시켜, 물이 막을 가로질러 흘러서 잔여 스트림을 직접 삼투에 의해 희석시키도록 하고, 그리고 희석된 잔여 스트림의 적어도 일부를 열분리 유니트에 도입하는 것을 포함하는 열 담수화 방법.

Description

열 담수화{THERMAL DESALINATION}

본 발명은 열 담수화 방법에 관한 것이다.

해수를 담수화하기 위한 다양한 방법들이 알려져 있다. 예를 들면, 물은 역삼투법과 같은 막 기술을 사용하여 해수로부터 분리될 수 있다. 선택적으로, 열 분리법이 적용될 수 있다. 이와 같은 열 분리기술의 예는 다단 플래시 증류법 (MSF), 다중-효용 증류법(MED) 및 증기압축 증류법을 포함한다.

해수는 열분리 유니트에 비늘과 같이 퇴적하는 경향이 있는, 칼슘, 마그네슘 및 황산염 이온과 같은 이온을 함유한다. 화학적 첨가제가 비늘 형성을 줄이기 위해 첨가될 수 있지만, 이것은 전체 공정의 비용에 추가될 수 있다. 더욱이, 비늘 형성이 해수가 가열되는 최고 온도 (최고 브린 온도)를 낮춤으로써 감소될 수 있다하더라도, 이것은 담수화 공정의 효능을 상당히 감소시킨다.

비늘 형성의 위험을 줄이기 위한 여러 시도가 이루어져 왔다. GB 2,443,802에서, 예를 들면, 해수 공급 스트림은 열 분리 유니트에 도입되기 전에, 나노여과 또는 역삼투막을 통과한다. 나노여과 또는 역삼투막은 비늘-형성 이온의 최소한 약간을 보유하고, 해수를 증류에 앞서 연화시킨다. 비록 이 기술이 효과적이긴 하지만, 이것은 해수가 막과 접촉하기에 앞서 가압될 것을 요구하고, 이것은 전체 공정의 비용을 상당히 증가시킨다.

본 발명에 따르면,

공급 용액을 열분리 유니트에 도입하고,

열분리 유니트에서 공급 용액을 증류하여 증류 스트림 및 공급 용액보다 더 높은 용질 농도를 갖는 잔여 스트림을 형성하고,

열분리 유니트로부터의 잔여 스트림의 일부 (즉, 전부가 아님)를 선택적 투과성인 막의 한쪽 면에 접촉시키고,

선택적 투과성 막의 반대쪽 면을 공급 용액의 일부와 접촉시켜, 물이 막을 가로질러 흘러서 잔여 스트림이 직접 삼투에 의해 희석되도록 하고, 그리고

희석된 잔여 스트림의 적어도 일부를 열분리 유니트에 도입하는 것을 포함하는 열 담수화 방법이 제공된다.

위에서 설명한 바에 따르면, 해수와 같은 공급 용액은 열분리 유니트로 공급되고 여기서 공급 용액은 증류되어 증류 스트림과, 공급용액보다 용질 농도가 높은 잔여 스트림을 생성한다. 증류 스트림은 통상적으로 물이고 그리고 일반적으로 추가 정제 또는 직접 사용을 위해 열분리 유니트로부터 제거된다. 잔여 스트림의 일부(즉, 전부가 아님)은 통상적으로 배출(blowdown) 또는 브린으로 제거되고, 반면 예를 들면, 다단계 플래시 공정의 경우, 일부는, 예를 들면, 통상적으로 열 회수 구획의 플래시 챔버 내에서 생성된 증기로부터 열을 회수하는 수단으로서, 열 회수 구획을 통해 재순환된다.

본 발명의 방법에서, 잔여 스트림의 일부는 선택적 투과성 막의 한쪽 면에 접촉한다. 막의 반대쪽 면은 공급 용액의 일부와 접촉한다. 잔여 스트림은 공급 용액보다 용질 농도가 더 높으므로, 공급원료로부터의 물은 직접 삼투에 의해 막을 통과하여 잔여 용액을 희석시킨다. 그러므로, 공급용액은 용매 흐름을 유도하기 위해 고압으로 가압될 필요가 없다. 비록 액체 용매 (즉, 물)이 막을 가로질러 흐르도록 하지만, 막은 칼슘, 마그네슘 및 황산염 이온과 같은, 비늘-형성 이온의 적어도 일부를 보유한다. 그러므로, 희석된 잔여 용액은 원래의 공급 용액에 비해 연화되고 증류를 위해 열분리 유니트로 도입된다. 그러므로, 열분리 유니트로의 전체적 공급물은 원래의 공급 용액에 비해 연화된다. 이 방법에서, 공급 용액이 가열되는 최대 온도 (예를 들면, 최고 브린 온도)를 높일 수 있어, 전체 공정의 효능을 개선시킨다. 그러므로, 열분리 유니트에 사용된 항-비늘화제의 양은 감소될 수 있고, 공정의 효능을 개선시킨다.

바람직하기는, 본 발명의 방법은 추가로 공급 용액의 일부를 선택적 투과성 막과 접촉시키기 전에 가열하는 것을 포함한다. 이것은 용매(예를 들면, 물)의 막을 통과하는 투과성이 고온에서 향상될 수 있기 때문에 유리할 것이다. 공급 용액의 일부의 온도는 막과 접촉한 후 5~50℃, 바람직하기는 15~45℃, 더욱 바람직하기는 25~40℃ 범위일 수 있다. 가열 단계는 열분리 유니트로부터 열을 사용하여 수행될 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 잔여 용액은 막과 접촉하기 전에 냉각될 수 있다. 잔여 용액은 막과 접촉할 때, 통상적으로, 15~60℃, 바람직하기는 25~50℃, 더욱 바람직하기는 30~40℃의 온도이다.

공급 용액의 일부는 선택적 투과성 막과 접촉하기 전에, 항-스케일링제, 부식 억제제, 분산제 및/또는 항-미생물제로 처리될 수 있다. 공급 용액의 일부는 또한 공급 용액으로부터 그렇지 않으면 막을 막거나 또는 오염시키는 더 큰 불순물을 제거하기 위해 여과, 미세 여과 또는 한외 여과와 같은 기타 예비-처리기술로 처리될 수 있다.

잔여 스트림의 일부는 선택적 투과성 막과 접촉하기 전에, 항-스케일링제, 부식억제제, 분산제 및/또는 항-미생물제로 처리될 수 있다. 잔여 스트림의 일부는 또한 공급용액으로부터, 그렇지 않으면 막을 막거나 또는 오염시키는 더 큰 불순물을 제거하기 위해 여과, 미세여과 또는 한외 여과와 같은 기타 예비-처리기술로 처리될 수 있다.

어느 적합한 선택적 막이 직접 삼투 단계에 사용될 수 있다. 막의 배열이 적용될 수 있다. 적합한 막은 (McCutcheon et al., Desalination 174 (2005) 1-11에 기재된 바와 같은) 셀룰로스 아세테이트 (CA) 및 셀룰로스 트리아세테이트 (CTA) 그리고 폴리아미드 (PA) 막을 포함한다. 막은 평면일 수 있고 또는 튜브 또는 공동 섬유의 형태일 수 있다. 특히, 용매가 막을 가로질러 흐르도록 고압을 적용하는 것이 아니면, 박막이 사용될 수 있다. 필요에 따라, 막은 매쉬 지지체와 같은 지지체 구조물에 지지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법의 구현예를 수행하기 위한 장비의 개략도이다.

한 구현예에서, 하나 이상의 관형 막이 하우징 또는 쉘 내에 놓일 수 있다. 공급 용액이 하우징으로 도입되고, 반면 잔여 용액은 튜브로 도입될 수 있다. 공급 용액의 용매 농도가 잔여 용액의 용매 농도보다 높기 때문에, 용매 (액체)는 공급용액으로부터 잔여 용액으로 막을 통해 확산될 것이다. 희석된 잔여 용액은 튜브 내부로부터 회수되고, 농축된 공급용액은 하우징으로부터 제거될 수 있다 (또는 그 반대일 수 있다).

평면 막이 사용되는 경우, 시트는 단면상 나선형을 형성하도록 둥글게 감길 수 있다.

막의 구멍 크기는 용매 분자 (예를 들면, 물)는 막을 통과하지만, 칼슘, 마그네슘 및 황산염 이온과 같은 비늘-형성 이온은 남기도록 선택될 수 있다. 통상적으로 구멍 크기는 1~100 옹스트롬(Å), 바람직하기는 2~50 Å, 예를 들면, 10~40 Å의 범위이다. 구멍 크기는 어느 적합한 기술을 사용하여 추론될 수 있다.

필수적인 것은 아니지만, 공급 용액의 일부는 3 MPa 미만의 압력, 통상적으로 0.1~1 MPa, 바람직하기는 0.1~0.5 MPa, 더욱 바람직하기는 0.1~0.3 MPa의 압력에서 가압되고 막과 접촉될 수 있다.

어느 적합한 공급 용액이 본 발명의 방법에 사용될 수 있다. 바람직하기는 공급 용액은 해수 또는 염수(brackish)이다.

어느 적합한 열분리 유니트가 본 발명의 방법에 사용될 수 있다. 바람직하기는, 열분리 유니트는 다단 플래시 증류 장치, 다중-효용 증류 장치 및 증기 압축 장치로부터 선택된다.

막에 도입되는 잔여 스트림의 일부는 막에 도입되기에 앞서 입자 또는 기타 바람직하지 않은 물질 또는 이온을 제거하기 위해 처리된다. 여과, 미세 여과, 한외여과, 나노 여과 또는 흡수와 같은, 어느 적절한 기술이 사용될 수 있다.

공급 용액은 막에 도입되기 전에 입자 또는 기타 바람직하지 않은 물질이나 이온을 제거하기 위해 처리될 수 있다. 여과, 미세여과, 한외여과, 나노여과 또는 흡수와 같은 어느 적절한 기술이 사용될 수 있다.

본 발명의 이들 및 다른 면이 첨부된 도면을 참조로 기재될 것이다.

도 1은 본 발명의 열 담수화 방법의 한 구현예의 개략본이다. 냉각수와 공급물(1)은 압축기(2)로 도입되고 여기서 이것은 증기(10)에 의해 가열되고 압축되어 증류 생성물(10)을 형성한다.

증발기(17)에서, 공급수/희석된 브린(14)은 스팀(5)에 의해 부분적으로 증발되어 증기(10)를 형성하고 이것은 압축기(2)를 통과한다. 스팀(5)은 압축되어 압출물(6)을 형성하고, 이것은 보일러 시스템으로 복귀한다.

공급용액(1)보다 용질 농도가 높은, 거부된 브린(7)은 증발기(17)에서 제거되고, 일부(9)는 막 시스템(12)에서 선택적 투과성 막의 한쪽 면에 접촉한다. 임의로, 증발기(17)의 삼투제/브린 (9)은 막 시스템(12)에서 선택적 투과성 막의 한쪽 면에 도입되기에 앞서 삼투제/브린 예비처리 시스템(8)에서 처리된다. 막 시스템(12)에서 선택적 투과성 막의 다른 면은 공급 스트림(1)의 일부와 접촉하여, 물은 직접 삼투에 의해 브린/삼투제 공급물(9) 스트림을 희석시킨다. 공급 스트림(1)의 일부를 막 시스템(12)에 도입하기에 앞서, 공급 스트림은 공급수 예비처리 시스템(11)을 통과할 수 있다. 잔여 공급수 스트림은 농축된 공급수 (15)로서 막 시스템(11)으로부터 제거된다.

1. 냉각수 및 공급물 공급
2. 압축기
3. 가열된 공급수
4. 증류 생성물
5. 스팀 공급
6. 스팀 압축물이 보일러 시스템으로 복귀
7. 브린 거부/배출
8. 삼투제/브린 예비-처리 시스템
9. 브린/삼투제 공급
10. 증기
11. 공급수 예비처리 시스템
12. 막 시스템
13. 증류된 브린/삼투제
14. 공급수/희석된 브린
15. 압축된 공급수
16. 냉각수 버림
17. 증발기

Claims (10)

1. 공급 용액을 열분리 유니트에 도입하고,
   열분리 유니트에서 공급 용액을 증류하여 증류 스트림 및 공급 용액보다 더 높은 용질 농도를 갖는 잔여 스트림을 형성하고,
   열분리 유니트로부터의 잔여 스트림의 일부를 선택적 투과성 막의 한쪽 면에 접촉시키고,
   선택적 투과성 막의 반대쪽 면을 공급 용액의 일부와 접촉시켜, 물이 막을 가로질러 흘러 잔여 스트림이 직접 삼투에 의해 희석되도록 하고,
   희석된 잔여 스트림의 적어도 일부를 열분리 유니트에 도입하고, 그리고
   열분리 유니트로부터 잔여 스트림의 일부를 배출물로 제거하고 버리는 것을 포함하는 열 담수화 방법.
2. 제1항에 있어서, 공급 용액이 해수 또는 염수인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 열분리 유니트는 다단 플래시 증류 장치, 다중-효용 증류 장치 및 증기 압축 장치로부터 선택되는 것인 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급 용액의 일부를 선택적 투과성 막과 접촉시키기에 앞서 가열하는 것을 포함하는 것인 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급 용액의 일부가 선택적 투과성 막에 접촉하기에 앞서 항-스케일링제 및 항-미생물제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리되는 것인 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 잔여 용액의 일부가 선택적 투과성 막에 접촉하기에 앞서 항-스케일링제 및 항-미생물제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 처리되는 것인 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 잔여 용액이 막에 도입되기에 앞서 입자 또는 유기물을 제거하기 위해 처리되는 것인 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급 용액이 막에 도입되기에 앞서 입자 또는 유기물을 제거하기 위해 처리되는 것인 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 선택적 투과성 막의 평균 구멍 크기가 10 ~ 40 옹스트롬(Å)인 방법.
10. 삭제

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