KR101415627B1 - 삼투성 용질 회수를 위한 다단 컬럼 증류（ｍｓｃｄ） 방법 - Google Patents

삼투성 용질 회수를 위한 다단 컬럼 증류（ｍｓｃｄ） 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 증류 컬럼을 사용하여 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 장치 및 방법. 일 실시예에서, 흡인 용액은 순방향 삼투(FO) 물 탈염 프로세스에 사용된다. 본 실시예에서, 흡인 용액은 병렬로 복수의 증류 컬럼으로 안내되고, 에너지 스트림(열)은 열 사용 효율이 향상되고, 순차적으로 열의 비용이 감소되도록 복수의 증류 컬럼에 직렬로 안내된다.
흡인 용액, 복수의 증류 컬럼, 용질, 용매, 분리, 효율

Description

삼투성 용질 회수를 위한 다단 컬럼 증류（ＭＳＣＤ） 방법 {MULTI STAGE COLUMN DISTILLATION (MSCD) METHOD FOR OSMOTIC SOLUTE RECOVERY}
관련 출원에 대한 참조
본 출원은 그 주제 전체가 참조로 본 명세서에 통합되어 있는 2006년 6월 8일자로 출원된 가출원 제60/812,383호의 이득을 주장한다.
정부 지원 연구 또는 개발에 관한 선언
본 발명은 부분적으로 해군 연구소로부터의 미국 정부 지원(재정 번호 제N00140510801)으로 이루어졌다. 따라서, 미국 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 갖는다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 복수의 증류 컬럼을 사용하여 용질과 용매를 분리시키는 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 해수 담수화, 염수 담수화, 폐수 정화, 오염된 물의 개정, 삼투 열 엔진(OHE; Osmotic Heat Engine) 또는 수성 용액 내의 용질과 물을 분리시키는 것이 바람직한 임의의 다른 용례에 관한 것이다.
해수 및 염수 담수화 기술은 세계의 불모지 지역 및 인구 밀집 지역에서 물 부족을 경감시키기 위해 크게 유망하다. 증가하는 인구 성장과 온난해지는 세계 기후로 인해서 신뢰성있는 신선한 수원의 공급과 이에 대한 수요 사이에 매우 큰 불균형이 형성되었다. 몇몇 경우에, 나누어진 수자원에 대한 충돌은 이미 이웃 국가들 사이에 상당한 긴장감을 심화시켜 왔다.
충분한 물 공급이 있는 지역에서도, 부조화(inconsistent)와, 빈번한 열악한 수질이 질병과 고통의 원인이 되고, 더 폭넓게 활용가능한 적절한 수처리가 필요하다. 물 부족을 경감시키는 것과, 양호한 수질을 보증하는 것에 대한 필요성은 다가오는 세기의 과학자 및 공학자들을 위한 주요 과제가 될 것이다. 특히, 막 처리 방법(membrane treatment method)의 비용을 낮추고, 유효성을 증가시키는 것에 관하여, 기존 수처리 기술을 개선시키기 위해 많은 연구가 이루어져 왔다. 막 처리 방법에서, 블래더(bladder)의 셀 벽 같은 반-투과성 막이 사용되며, 이러한 반 투과성 막은 일반적으로, 다수의 다른 화합물의 통과를 방지하지만, 작은 분자(물 같은)가 쉽게 통과할 수 있게 하는 통과를 허용하는 물질에 대해 선택적이다. 배리어(barrier)의 각 측부 상에 서로 다른 농도의 용해된 화합물을 각각 포함하는 두 용액이 존재할 때, 물은 통상적으로 더 묽은 용액 측으로부터 더 진한 용액으로 이동한다. 결국, 삼투압은 확산 프로세스에 정확히 상반되며, 평형이 형성된다.
한가지 막 처리 방법은 역삼투(RO, Reverse Osmosis)라 알려져 있으며, 이는 증류 기술 분야의 숙련자들이 잘 알고 있다. RO의 프로세스는 내부에 더 큰 농도의 화합물이 존재하는 수성 용액으로부터 반 투과성 막을 통해 용해된 화합물의 농도가 더 낮은 용액 내로 물 분자의 순 유동을 강제실행한다. 소스 측부의 높은 수 압은 자연적 또는 순방향 삼투 프로세스를 "역전"시키기 위해 사용된다.
비록, 에너지 필요량을 낮추어 RO의 비용을 감소시키는데 발전이 이루어져 왔지만, 극복 과제가 남아 있다. 해수 및 염수 RO의 에너지 비용은 여전히 경제적으로 폭넓게 활용하기에는 너무 고가이며, 큰 염수 배출 흐름은 그들이 유발할 수 있는 환경적 영향을 극복하는 문제점을 지속적으로 유발하며, 장기적 장비 교체 비용이 상당한 상태로 남아 있다.
현재의 해수 및 염수 담수화 기술이 여전히 직면하고 있는 과제 중 일부를 해결하기 위한 노력에서, 암모니아-이산화탄소 순방향 삼투(forward osmosis;FO) 증류가 개발되어 왔다. FO 프로세스는 예로서, 그 내용의 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는 미국 특허 제6,391,205호 및 미국 특허 출원 공보 제2005/0145568호에 설명되어 있다. RO 프로세스에 비한 FO 프로세스의 핵심적 장점은 더 낮은 에너지 비용, 높은 급수(feedwater) 회수 및 염수 배출 최소화이다.
암모니아-이산화탄소 FO 프로세스에서, RO에 사용되는 것과 유사한 유형의 반-투과성 막이 사용되어 염수 급수 소스로부터 신선한 물을 분리시킨다. RO에서, 이 분리는 삼투압 구배를 크게 초과하는 크기로 발생된 막을 가로지른 유압 구배에 의해 추진되며, 이는 염수 급수 소스로부터의 신선한 물의 유동(투과물 유동)을 억제한다. FO 프로세스는 염수 공급 스트림으로부터 고 농축 "흡인 용액(draw solution)"으로 물을 흡인하기 위해 더 높은 삼투압의 방향으로(더 높은 농도의 용액을 향해) 흐르는 물의 자연적 경향을 활용하여 염수 급수 스트림으로부터 신선한 물 투과물을 효과적으로 분리한다. 종래 기술의 암모니아-이산화탄소 FO 프로세스 의 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
암모니아-이산화탄소 FO 프로세스에 사용되는 막은 RO 프로세스에 사용되는 것들과 유사하다. 한가지 큰 차이점은 RO 막이 지탱해야만 하는 높은 유압에 있다. 이 요구조건은 강도를 증가시키기 위해 막 내에 지지 페브릭층(종종 100㎛ 두께에 달함)을 사용하게 하고, 이 추가는 이들 유형의 막이 FO 프로세스에 사용될 때 유속 성능(flux performance)을 현저히 감소시킨다. 디자인에 어떠한 페브릭 지지층도 포함하지 않도록 FO용으로 특수 제조된 막을 사용하여 수행된 FO 테스트는 유사한 화학성질의 페브릭 지지된 RO 막 보다 10 배 높은 유속 성능을 나타내었다.
RO 막과 연계된 FO 성능에 대한 부정적인 영향은 막 페브릭 지지부 내의 흡인 용액의 내부 농도 극성화(ICP, internal concentration polarization)에 기인한다. 이 현상에서, 고밀도 막[배제층(rejecting layer)]을 통과하는 침투물은 지지층 내의 흡인 용액을 희석하고, 그래서, 고밀도 막 표면에서 유효 삼투압이 크게 감소한다. 고밀도층의 방향으로의 용질 분산율은 대부분의 경우에 그로부터 멀어지는 방향으로의 물 유속에 의해 유발되는 희석을 완전히 상쇄하기에 불충분하다. ICP 현상이 다공성 지지부의 경계 내에서 발생하기 때문에, 이 현상은 흡인된 용액의 난류나 접선방향 유동, 통상적으로 감소하는 외부적 농도 극성화에 유효한 스텝들을 증가시킴으로써 감소될 수 없다.
막의 구조로부터 페브릭층의 제거는 FO 유속을 크게 향상시키지만, ICP의 영향은 이 변경에 의해 완전히 해소되지 않는다. 몇몇 영향은 비대칭 또는 얇은 필 름 합성 막 구조에 일체화된 비-페브릭 다공성 폴리머 지지부 내에 남아있다. 이 다공성 층은 약 50㎛ 두께이며, 용질 배제가 발생하는 고밀도 막층 아래에 있다. 종종 단지 수 ㎛ 두께인 고밀도층은 취급 및 유체 전단력을 지탱하기 위해 이 지지 구조체에 의해 보강되어야만 하며, 그렇게 하지 않으면, 취급 및 유체 전단력은 막 표면을 찢을 수 있다. 이는 고밀도 분리 막이 단독으로 사용되는 경우 실현되는 것에 비해 유효 삼투압의 지속된 감소를 초래한다.
ICP로 인한 유효 삼투압의 감소는 공급 용액과 흡인 용액 사이의 삼투압차(Jthr)로부터 계산된 이론적 유속에 대한 실험적 또는 측정된 유속(Jexp)의 비율로서 정의된 "멤브레인 성능 비율"(Pm)의 항으로 표현될 수 있다.
Figure 112008090420827-pct00001
몇몇 경우에 2-3% 만큼 작은 FO 내의 막 성능 비율은 FO를 위해 특수 설계된 막을 사용할 때에도 매우 낮을 수 있다. 그러나, 충분히 높은 흡인 용액 농도가 사용되는 한, 낮은 막 성능 비율의 비효율성은 FO 프로세스 작업을 제한하지 않는다. 막 유속은 RO의 전형과 등가로 또는 그를 초과하여 형성될 수 있다는 것과, 2 몰 NaCl 공급 스트림으로부터의 유효 물 분리에 기초하여 75% 까지의 해수 회수가 달성될 수 있다는 것이 증명되었다.
효과적인 FO 증류를 위해, 흡인 용액은 높은 삼투압을 가져야만 하며, 제거 및 재사용이 간단하고 경제적인 용질을 포함하여야 한다. 암모니아-이산화탄소 FO 프로세스에서, 흡인 용액은 수성 용액 내의 암모니아와 이산화탄소 가스의 혼합물로부터 형성된 암모늄 염으로 구성된다. 형성된 염 종류는 암모늄 바이카르보네이트, 암모늄 카보네이트 및 암모늄 카르바메이트(ammonium carbamate)를 포함한다. 물론, 암모늄 카르바메이트는 월등히 가장 용융성이있다. 다른 흡인 용액은 에탄올 및 다른 열적으로 제거가능한 흡인 용질을 사용할 수 있다.
암모늄-이산화탄소 흡인 용액의 한가지 중요한 특성은 암모늄 염 내의 이산화탄소에 대한 암모니아의 비율이다. 흡인 용액 내의 이산화탄소에 대한 암모니아의 비율이 높을 수록, 다른 용해된 종류에 대한 암모늄 카르바메이트의 농도가 높다. 이는 총 암모늄 염의 더 높은 농도를 가능하게 하며, 용액 내의 더 높은 삼투압을 도출한다. 예로서, 실온에서 암모늄 바이카르보네이트의 최대 용해성은 약 2 몰이지만, 이런 용액에 대한 암모니아의 추가는 암모늄 카르바메이트(그리고, 매우 더 적은 범위로, 암모늄 카르보네이트)의 형성에 바람직하며, 이는 추가 이산화탄소가 추가될 수 있게 하는 등등으로 높은 총 농도의 암모늄 염이 용해될 수 있게 한다. 또한, 용액 온도의 상승은 용질 용해성의 소정의 상승을 초래하지만, 높은 흡인 용액 농도를 책임지는 주 메커니즘은 염을 형성하는 가스의 비율이다. 높은 삼투압의 발생은 순차적으로 FO 탈염 프로세스 내의 높은 급수 회수 및 높은 물 유속 양자 모두의 발생을 가능하게 한다.
FO 프로세스에 의해 생성된 삼투압 구배가 신선한 물이 염수 급수로부터 흡인 용액으로 막을 가로질러 유동하게 하고 나면, 희석된 흡인 용액은 암모늄 염의 분리를 위해 처리되어야만 한다. 이 분리 프로세스(회수 프로세스라고도 지칭됨)는 암모늄 바이카르보네이트(bicarbonate), 카보네이트 및 카르바메이트 염의 암모 니아와 이산화탄소 가스로의 열 분해에 기초하며, 이는 이들 용질을 포함하는 용액이 적절한 온도 및 압력으로 가열될 때 발생한다. 대기압에서, 이 분해는 약 60℃에서 발생한다. 더 낮은 압력에서, 분해 온도는 비례적으로 감소한다. 암모니아와 이산화탄소 가스의 이 가열, 분해 및 스트립핑과 재순환은 단일 또는 다수의 증류 컬럼 내에서 달성될 수 있으며, 그 생성물로서 신선한 물과 FO 막 시스템에서의 재사용을 위한 재농축된 흡인 용액을 생성한다. 이 프로세스로부터의 생성수는 음용 용도에 적합한 1 ppm 보다 크게 작은 암모니아와 이산화탄소를 포함하는 것으로 특정될 수 있다.
희석된 FO 흡인 용액으로부터의 흡인 용질의 제거 및 재순환에 대한 간단하고 검증된 접근법은 리보일러 흡수 컬럼(reboiler absorption column) 또는 스트립퍼라고도 알려져 있는 증류 컬럼의 사용이다. 이 접근법은 현재, 예로서, 요소의 제조시 암모니아와 이산화탄소 가스로서 암모늄 카르바메이트의 재순환을 위해, 그리고, 폐수 및 프로세스 스트림으로부터 다양한 휘발성 용질의 스트립핑에 사용된다. 회수 시스템에서 사용되는 열의 온도에 따라, 하나 또는 다수의 증류 컬럼이 사용될 수 있다.
FO 프로세스에서의 용질 회수를 위한 간단한 저 에너지 비용 접근법은 단일 진공 증류 컬럼의 사용이다. 통상적 종래 기술 단일 진공 증류 컬럼의 개요가 도 2에 도시되어 있다. 이 구조는 열 에너지의 소스가 약 40 내지 약 44℃의 저온일 때 특히 유용하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 희석 흡인 용액(2)(컬럼의 상부에서 도입됨)이 역류 흐름으로 아래로 흘러내릴 때, 증류 컬럼(a) 내에서 상승하도록 수 증기를 유도하기 위해 40℃ 정도로 낮은 온도의 열이 열 전달 수단, 여기서는 리보일러(1)의 열 교환면의 외부에 도입된다. 상승하는 증기로부터 떨어지는 액체로의 에너지 전달은 적은 휘발성 물로부터 더 많은 휘발성 암모니아 및 이산화탄소의 부분적 분리를 유발하고, 그래서, 컬럼 내의 더 높은 위치에는 컬럼 내의 더 낮은 지점에서 보다 높은 비율의 암모니아 및 이산화탄소가 존재한다. 안정 상태(steady state) 동작에서, 컬럼의 저면을 벗어나는 생성수(3)는 1 ppm 미만의 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 것으로 특정될 수 있다. 회수된/분리된 용질은 증류 컬럼(a)의 출구(4)를 통해 농축된 흡인 용액으로 다시 도입된다. 이 접근법에 필요한 에너지는 거의 전체적으로 열이며, 컬럼 내외로 유체를 펌핑하기 위해 사용되는 소량의 추가 전력을 갖는다.
전술한 바와 같이, FO 프로세스의 핵심 장점은 더 낮은 에너지 비용, 높은 급수 회수 및 염수 배출 최소화이다. 본 발명의 발명자들은 열 사용의 효율이 향상되는 경우, FO 탈염 프로세스에 필요한 열 에너지를 위한 비용이 더욱 낮아질 수 있다는 것을 발견했다. 또한, 본 발명자들은 복수의 증류 컬럼과 연계하여 더 높은 온도의 열원을 사용함으로써 이것이 달성될 수 있다는 것을 발견했다. 이 접근법은 열 사용의 효율을 향상시키고, 단일 증류 컬럼의 사용에 비해 70% 이상 만큼 회수 프로세스(흡인 용액으로부터 생성수와 흡인 용액 용질의 분리)의 에너지 사용을 절감한다.
본 발명의 목적은 복수의 증류 컬럼을 사용하여 흡인 용액 용질과 용매를 분리하는 것이다. 예로서, 본 발명의 목적은 해수 담수화, 염수 담수화, 폐수 정화 및 오염된 물의 개정을 위한 개선된 배열 및 프로세스를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수의 증류 컬럼을 사용하여 FO 탈염 프로세스의 열 효율을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고정된 열량에 대한 최대 생성물 용매 산출량을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하에 설명된 구조, 예시도 및 설명에 예시된 구조적 특징, 요소의 조합, 부품의 배열 및 단계의 순서를 포함하며, 본 발명의 범주는 청구항에 나타내질 것이다.
이를 위해, 본 발명은 포괄적으로 말하면, 제1 실시예에 따라서, 열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 포함하는 삼투압 구동 막 시스템과 제1 증류 컬럼과 제2 증류 컬럼을 포함하는 장치에 관한 것으로,
제1 증류 컬럼은
제1 증류 컬럼의 제1 단부 내로 흡인 용액의 제1 부분을 도입하기 위해 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구와,
제2 단부에서 제1 증류 컬럼에 연결된 제1 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제1 소스에 결합된 입구와, 제1 증류 컬럼으로 열 에너지를 안내하여 제1 증류 컬럼 내의 희석 흡인 용액 용질을 증발시키기 위해 제1 증류 컬럼에 연결된 출구를 포함하는 제1 열 전달 수단과,
제1 증류 컬럼으로부터 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함하고,
제2 증류 컬럼은
제2 증류 컬럼의 제1 단부 내로 희석 흡인 용액의 제2 부분을 도입하기 위해 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구 - 여기서, 제1 증류 컬럼과 제2 증류 컬럼은 병렬적으로 동작하도록 설정된다 - 와,
제2 단부에서 제2 증류 컬럼에 연결된 제2 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제2 소스로 사용하기 위해 기화된 희석 흡인 용액 용질을 수용하기 위한 제1 증류 컬럼의 제1 출구에 연결된 입구와, 제2 증류 컬럼에 열 에너지의 제2 소스를 안내하여 제2 증류 컬럼 내의 희석 흡인 용액 용질이 기화하도록 하기 위해 제2 증류 컬럼에 연결된 제1 출구와, 제2 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제1 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입시키기 위해 삼투압 구동 막 시스템에 연결된 제2 출구를 포함하는 제2 열 전달 수단과,
제2 증류 컬럼으로부터 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함한다.
본 발명의 다른 목적은 열 사용의 효율이 향상되도록 FO 탈염 프로세스에서 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이를 위해, 역시 포괄적으로 말하면, 본 발명은 다른 양호한 실시예에서, 또한 이하의 단계를 포함하는 방법을 제공하며, 이 방법은
삼투압 구동 막 시스템으로부터 열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 제공하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제1 부분을 제1 증류 컬럼으로 도입하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제2 부분을 제2 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
열 에너지의 소스를 제1 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 도입하는 단계와,
제1 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제1 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
기화된 희석 흡인 용액 용질을 제2 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
제2 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제2 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
제2 증류 컬럼의 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제1 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 부가적인 특징, 장점 및 실시예는 하기의 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 기재되어 있으며, 이로부터 명백해질 것이다. 또한, 전술한 본 발명의 요약 및 하기의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하지 않는 추가 설명을 제공하고자하는 것이다.
본 발명의 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 연계하여 이루어지는 하기의 상세한 설명을 참조한다.
도 1은 종래 기술에 따른 암모늄-이산화탄소 FO 탈염 프로세스의 개략도.
도 2는 역시 종래 기술에 따른 단일 진공 증류 컬럼의 개략도.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 개략도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 개략도.
도 5는 흡인 용액 GOR으로부터 흡인 용액 용질 및 생성물 용매를 분리하기 위해 필요한 에너지의 양과, FO 회수/분리 프로세스에 공급되는 열의 온도 사이의 관계의 그래프-GOR. GOR은 열 증류 시스템의 효율의 빈번히 사용되는 척도이며, 더 높은 GOR 값은 더 높은 열 효율을 나타낸다.
도 6은 FO 탈염 프로세스의 등가 일의 그래프.
도 7은 GOR로서 희석 흡인 용액 농도와 열 부하 사이의 관계의 그래프.
도 8은 희석 흡인 용액 농도와 등가 일 사이의 관계의 그래프.
또한, 각 도면에서 모든 요소에 참조번호가 부여되어 있지는 않으며, 동일 참조번호를 갖는 모든 요소는 유사 또는 동일 부분을 나타낸다.
본 발명자는 특히, 더 높은 온도의 열원이 사용에 바람직한 비용으로 사용가능할 때 또는 주 설계 기준이 고정된 열량에 대한 최대 물 산출량일 때, 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매의 분리/회수를 위해 다수의 증류 컬럼을 사용하는 것의 이득이 존재한다는 것을 발견하였다.
본 발명의 증류 컬럼의 구조는 본 기술 분야의 숙련자들이 잘 이해하고 있는 프로세스인 다단 플래시(MSF, multi stage flash) 및 다중 실행 증류(MED, multi effect distillation) 열적 탈염 프로세스에 사용되는 것과 유사한 원리를 따른다. MSF 및 MED 프로세스에서, 에너지 및 재료 스트림 양자 모두는 감소하는 압력의 스테이지를 통해 직렬로 이동하며, 이들 스테이지는 다양한 디자인의 "플래시" 또는 증발 챔버이다. MSF/MED 프로세스에서, 급수의 일부를 기화하도록 단일 증류 컬럼의 "상단" 스테이지에 열이 도입되고, 이렇게 생성된 증기는 제2 스테이지(더 낮은 온도 및 압력)와 접촉하는 열 전달면 상에서 응결되어 추가 급수 등의 기화를 유발한다. 이 프로세스는 반복적으로 수행되며, 스테이지의 수는 각 스테이지 사이의 온도차와 상단 스테이지와 하단 스테이지 사이의 온도의 범위에 의해 지정된다. 스테이지의 수가 높을수록 이 디자인에 의해 더 큰 에너지 효율이 실현된다. MSF 및 MED 프로세스에서, 에너지 및 재료 스트림 양자 모두는 감소하는 압력의 스테이 지를 통해 직렬로 이동하며, 이들 스테이지는 다양한 디자인의 "플래시" 또는 증발 챔버이다.
본 발명은 FO의 용질을 제거하는 단일 증류 컬럼 수단을 복수의 증류 컬럼으로 대체하여 단일 플래시 챔버 보다 MSF/MED의 것들과 유사한 효율 이득을 실현한다. 일 실시예에서, 본 발명은 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는
열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 포함하는 삼투압 구동 막 시스템과 제1 증류 컬럼과 제2 증류 컬럼을 포함하고,
제1 증류 컬럼은
제1 증류 컬럼의 제1 단부 내로 흡인 용액의 제1 부분을 도입하기 위해 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구와,
제2 단부에서 제1 증류 컬럼에 연결된 제1 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제1 소스에 결합된 입구와, 제1 증류 컬럼으로 열 에너지를 안내하여 제1 증류 컬럼 내의 희석 흡인 용액 용질을 증발시키기 위해 제1 증류 컬럼에 연결된 출구를 포함하는 제1 열 전달 수단과,
제1 증류 컬럼으로부터 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함하고,
제2 증류 컬럼은
제2 증류 컬럼의 제1 단부 내로 희석 흡인 용액의 제2 부분을 도입하기 위해 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구 - 여기서, 제1 증류 컬럼과 제2 증류 컬럼은 병렬적으로 동작하도록 설정된다 - 와,
제2 단부에서 제2 증류 컬럼에 연결된 제2 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제2 소스로 사용하기 위해 기화된 희석 흡인 용액 용질을 수용하기 위한 제1 증류 컬럼의 제1 출구에 연결된 입구와, 제2 증류 컬럼에 열 에너지의 제2 소스를 안내하여 제2 증류 컬럼 내의 희석 흡인 용액 용질이 기화하도록 하기 위해 제2 증류 컬럼에 연결된 제1 출구와, 제2 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제1 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입시키기 위해 삼투압 구동 막 시스템에 연결된 제2 출구를 포함하는 제2 열 전달 수단과,
제2 증류 컬럼으로부터 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함한다.
장치의 다양한 요소는 제1 증류 컬럼(a)과 제2 증류 컬럼(b)을 도시하는 도 3에 설명되어 있다. 각 증류 컬럼은 FO 프로세스의 전방 단부 또는 막 시스템으로부터 희석 흡인 용액의 소스(27)에 연결된 희석 흡인 용액 스트림(2, 3)에 연결된다. 흡인 용액 스트림은 희석 흡인 용액의 소스로부터 나누어지며, 두 개의 증류 컬럼(a, b) 각각에 병렬로 도입된다. 외부 소스(5)로부터의 열적 또는 열 에너지는 열 전달 수단, 여기서는, 리보일러(1)의 외부 열 교환면에서 증류 컬럼(a)에 인가되며, 그에 의해, 증류 컬럼(a)을 위한 열 에너지 소스로서의 용도를 위한 잠열을 전달한다. 열 에너지는 증류 컬럼(a) 내의 흡인 용액의 일부를 기화시켜 증류 컬럼(a) 내의 흡인 용액으로부터의 흡인 용액 용질 및 생성물 물의 분리를 가능하게 한다. 증류 컬럼(a)으로부터의 흡인 용액의 기화된 부분(6)은 열 전달 수단, 여기서는, 리보일러(7)에서 증류 컬럼(b)에 연결된다. 이 배열은 증류 컬럼(a)으로부터의 흡인 용액의 기화된 부분이 증류 컬럼(b)의 리보일러(7)의 외부 열 교환면 상에서 응결할 수 있게 하고, 그에 의해, 증류 컬럼(b)을 위한 열 에너지의 소스로서의 용도를 위해 잠열을 전달한다. 열적/열 에너지는 증류 컬럼(b) 내의 흡인 용액의 일부를 기화시켜 증류 컬럼(b) 내의 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 물의 분리를 가능하게 한다. 따라서, 에너지는 직렬로 증류 컬럼들에 안내된다. 증류 컬럼을 위한 열 에너지의 소스로서 사용되는 기화된 흡인 용액(6)과 입구(3)를 통해 증류 컬럼(b) 내로 도입된 흡인 용액은 완전히 별개라는 것을 인지하여야 한다. 증류 컬럼(b)의 리보일러로부터 흡인 용액(8)의 응결된 기화된 부분은 FO 프로세스의 전방 단부 또는 막 시스템으로 다시 연결되며, 여기서, 농축된 흡인 용액에 추가된다. 증류 컬럼(b) 내의 흡인 용액으로부터 회수된/분리된 용질은 증류 컬럼(b)의 출구(9)를 통해 농축된 흡인 용액 내로 다시 도입된다. 생성물 물은 각각 출구(4, 10)를 통해 증류 컬럼(a)과 증류 컬럼(b) 각각으로부터 수집된다. 컬럼은 그 동작 온도 및 압력이 서로 다르도록 설계되며, 증류 컬럼(a)은 최고온도 및 압력을 갖고, 증류 컬럼(b)은 증류 컬럼(a)의 것 보다 낮은 온도 및 압력을 갖는다.
도 3에 도시된 장치는 본질적으로 예시적인 것이며, 제한을 의미하지 않는다. 외부 열 소스로부터 얻을 수 있는 열 소스의 온도(또한, 열 품질이라고도 알려짐)가 높을 수록, 본 발명은 FO 프로세스의 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 물을 분리하기 위해 2 개 이상의 증류 컬럼을 사용할 수 있다. 증류 컬럼의 특정 수는 또한 흡인 용액의 농도 및 주변 온도에 의존한다. 도 4는 6 개 증류 컬럼(a 내지 f)을 포함하는 본 발명의 실시예의 도면이다. 각 컬럼은 희석 흡인 용액(27)의 소스로부터 나누어진 독립적인 병렬 희석 흡인 용액 스트림(2, 3, 11, 12, 13, 14)을 수용하고 그로부터 용질과 생성물 물을 분리한다. 컬럼은 이들이 동작하는 온도 및 압력이 다르도록 설계되며, 증류 챔버(a)는 최고 온도 및 압력을 갖고, 잔여 컬럼 각각은 그 이전의 것 보다 낮은 온도 및 압력에서 동작한다. 임의의 주어진 증류 컬럼이 동작하는 압력은 증류 컬럼이 동작하는 온도에 의존한다는 것을 주의하여야 한다. 또한, 임의의 주어진 증류 챔버가 동작하는 온도는 주변 온도와 외부 열 소스의 온도 사이의 차이 및 외부 열 소스에 의해 공급되는 열 에너지의 온도에 의존한다. 이 배열에서, 증류 컬럼들(a 내지 e) 각각으로부터 흡인 용액의 기화된 부분(6, 15, 16, 17, 18)은 다음 후속 증류 컬럼의 열 전달 수단에 연결된다. 흡인 용액의 기화된 부분은 다음 후속 증류 컬럼의 리보일러의 외부 열 교환면 상에서 응결하고, 그에 의해, 증류 컬럼들 내의 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질(8, 19, 20, 21, 22) 및 생성물 물(10, 23, 24, 25, 26)의 분리를 위해 사용되는 잠열을 전달한다. 증류 컬럼(b 내지 f) 각각으로부터의 흡인 용액의 응결된 기화된 부분(8, 19, 20, 21, 22)은 FO 프로세스의 전방 단부 또는 막 시스템으로 다시 연결되며, 여기서 이는 농축된 흡인 용액에 추가된다. 이 방식-재료 스트림을 병렬로 안내하고 에너지 스트림을 직렬로 안내하는-으로, 단일 컬럼 단독을 사용하는 것 보다 효율의 현저한 이득이 실현될 수 있다. 도 4도 본질적으로 예시적이며, 제한을 의미하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예는 복수의 증류 컬럼을 사용하여 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은
삼투압 구동 막 시스템으로부터 열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 제공하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제1 부분을 제1 증류 컬럼으로 도입하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제2 부분을 제2 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
열 에너지의 소스를 제1 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 도입하는 단계와,
제1 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제1 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
기화된 희석 흡인 용액 용질을 제2 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
제2 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제2 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
제2 증류 컬럼의 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제1 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 방법을 제공하며, 이 방법은
삼투압 구동 막 시스템으로부터 열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 제공하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제1 부분을 제1 증류 컬럼으로 도입하는 단계와,
희석 흡인 용액의 제2 부분을 제2 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
열 에너지의 소스를 제1 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 도입하는 단계와,
제1 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제1 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
기화된 희석 흡인 용액 용질을 제2 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
제2 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제2 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
제2 증류 컬럼의 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제1 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 포함하는 회수 방법에 있어서,
희석 흡인 용액의 제3 부분을 제3 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
기화된 희석 흡인 용액 용질을 제2 증류 컬럼으로부터 제3 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
제3 증류 컬럼 안에서 희석 흡인 용액의 제3 부분으로부터 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
제3 증류 컬럼의 열 전달 수단 내에서 응결된 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제2 증류 컬럼으로부터 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 추가적으로 포함한다.
양호한 실시예에서, 흡인 용액은 여기서 설명된 바와 같이 각 증류 컬럼에 병렬적으로 도입된다. 달리 말해서, 흡인 용액은 상술한 바와 같이 FO 프로세스의 전방 단부 또는 막 시스템으로부터의 희석 흡인 용액의 통상적인 소스인 단일 소스로부터 각 증류 컬럼에 도입된다. 다른 방식에서는, 흡인 용액 소스로부터의 흡인 용액은 상술한 증류 챔버 각각 내에 직렬로 도입되지 않는다. 또한, 각 후속 증류 컬럼을 위한 열 에너지의 소스로서 사용되는 기화된 흡인 용액은 희석 흡인 용액의 소스로부터 각 증류 컬럼 내로 도입된 흡인 용액으로부터 분리되고 그래서 프로세스 전반에 걸쳐 남아 있는다.
본 발명의 FO 프로세스에서 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 물을 분리하기 위해 사용되는 증류 컬럼의 수는 제1(즉, 외부 열적 에너지 소스) 및 최종 증류 컬럼(즉, 주변 온도) 사이의 온도 범위와, 증류 컬럼 각각 사이의 온도차에 의해 결정된다. 이는 고 농도 및 종정 복잡성의 전해질 용액을 시뮬레이팅하도록 설계된 전해질 특성 패키지(뉴저지주 모리스 플레인 소재의 OLI)와 연계하여 동작되는 상용 화학적 프로세스 모델링 소프트웨어(메사추세츠주 캠브리지 소재의 Hysys)를 사용하여 FO 프로세스의 회수/분리 시스템의 에너지 요구량을 모델링함으로써 결정될 수 있다. 이 상업적으로 입수할 수 있는 소프트웨어를 이에 관련하여 사용하는 것은 본 기술 분야의 숙련자들이 이해할 수 있다는 것을 유의하여야 한다.
시험된 모델링의 경우에, 동작 기초는 75%의 회수율로 0.5 몰 해수로부터 회 수된 신선한 음용수의 생성이었다. 농축 흡인 용액은 1.4의 이산화탄소에 대한 암모니아의 비율로 5 몰/리터의 암모늄 염(CO2에 기초하여)을 포함하였다. 사용된 농축된 흡인 용액의 양은 FO 막 전방 단부에서 흡인 용액의 생성물 물 희석을 초래하는 바에 따라, 0.5와 1.5 몰 사이의 희석된 흡인 용액의 서로 다른 농도를 생성하도록 변화되었다. 이들 희석 흡인 용액 스트림은 다수의 증류 컬럼에 공급물로서 안내되었다. 해수(또는 주변) 온도는 20℃로 추정되었다. FO 멤브레인 프로세스 동작 온도는 25℃로 특정되었다. 프로세스 펌핑 요구량(즉, 전기 에너지)은 열 교환기, 배관, 밸브, 증류 컬럼 스테이지 및 다른 프로세스 장비에서 예상되는 통상적 압력 강하에 기초하여 계산되었다.
증류 컬럼은 0.945의 공극 분율, 580 ft2/ft3의 특정 면적(specific area), 5%의 정적 상태 유지 및 15 mm Hg/ft의 압력 강하를 갖는 Goodloe® 구조 패킹(Koch-Otto York로부터 입수가능)을 포함하도록 특정되었다. 패킹 높이는 약 7.7ft 였다.
열 및 전기적 에너지 요구량은 1 ppm 미만의 암모니아를 포함하도록 특정된 생성된 물의 양에 기초하여, 모델링 소프트웨어에 의해 계산되었다. 증기(steam)가 컬럼 리보일러를 위한 열원이고, 응결물은 증기 소스로 반환되는 것으로 가정되었다. 모든 열 교환기에서 최소 온도 접근은 열 증류 방법의 통상적인 것들 보다 다소 높은 2.5 내지 3.0℃로 설정되었다.
표 1은 외부 열적/열 에너지 소스의 주어진 온도 및 최소 증기 압력, 흡인 용액의 농도 및 20℃의 주변 온도, 본 발명에 따른 흡인 용액 용질 및 생성물 용매의 분리시 사용하기 위한 최적의 증류 컬럼 수를 나타내는 예를 제공한다.
열 에너지의 외부 소스의 온도(즉, 증기)(℃) 최소 증기 압력(psia) 흡인 용액 농도(M) 증류 컬럼의 수
40 1.07 1 1
40 1.07 1.5 1
44 1.32 0.5 1
70 4.53 1 2
100 14.70 1 3
130 39.20 1 4
160 89.67 0.5 5
160 89.67 1 5
160 89.67 1.5 5
190 182.05 1 6
250 576.70 1 8
표 1은 예시적이며 제한을 의미하지 않는다. 예로서, 낮은 주변 온도에서, 두 개의 증류 컬럼은 50℃의 온도의 외부 열적/열 에너지 소스와 함께 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 6.0 몰 까지의 흡인 용액 농도가 본 발명에 사용될 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 외부 열적/가열 에너지 소스의 충분히 높은 온도와, 충분히 높은 효율 목표가 주어지면, 적어도 약 15 증류 컬럼 까지가 본 발명의 실시에 사용될 수 있다.
본 발명의 에너지 요구량의 모델링시, 본 발명자들은 또한 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질 및 생성물 물을 분리하기 위해 필요한 에너지의 양과 FO 회수/분리 시스템에 공급되는 열의 온도(통상적으로 "품질"로서 설명됨) 사이의 관계를 고려하였다. 이 관계의 단위는 얻어진 출력 비율(GOR) 또는 리보일러 내에서 응결된 증기의 각 킬로그램 당 생성된 물의 킬로그램수의 항이다. 이는 열 증류 시스템의 효율의 빈번히 사용되는 척도이며, 더 높은 수는 더 높은 효율을 나타낸다. 도 5는 이 관계의 그래프이다. MSF 및 MED를 위한 근사한 통상적 값은 70 내지 120℃의 온도에서 8 내지 15 사이의 FOR이다. 표 2는 복수의 증류 컬럼을 사용하는 본 발명을 위한 GOR의 값의 범위와 단일 증류 컬럼을 사용하는 FO 프로세스를 위한 GOR의 값의 범위를 제공한다. 70 내지 250℃ 사이의 온도에 대해 14.2 내지 29.7 사이의 GOR 값을 갖는 본 발명은 현용의 탈염 프로세스에 비해 개선된 열 사용 효율을 갖는다는 것을 쉽게 명백히 알 수 있다. GOR은 응결물 스트림의 온도에 의해 영향을 받는다. 본 명세서에서는 열 에너지 소스(즉, 에너지 소스(증기)이고 물 반환 스트림은 200℃의 온도인 것으로 가정됨)로서 제공된 증기와 동일한 온도의 응결물 반환 스트림에 기초한 것이다. 응결물 반환 스트림이 증기 보다 더 낮은 온도로 반환되는 경우, 특히, 더 높은 온도에서 GOR은 증가한다.
열 에너지의 외부 소스의 온도(즉, 증기)(℃) 최소 증기 압력(psia) 흡인 용액 농도(M) 증류 컬럼의 수 GOR
40 1.07 1 1 6.3
40 1.07 1.5 1 4.4
44 1.32 0.5 1 8.9
70 4.53 1 2 12.6
100 14.70 1 3 16
130 39.20 1 4 19.1
160 89.67 0.5 5 26.5
160 89.67 1 5 20.2
160 89.67 1.5 5 14.8
190 182.05 1 6 20.3
250 576.70 1 8 18.2
FO 프로세스에 의해 사용된 열의 온도는 필요한 양에만 영향을 주는 것이 아니라 가격 및 이에 따른 사용된 열의 비용에도 영향을 준다. 열 증류 시스템의 프로세스 열의 값을 추정하기 위한 효과적인 방법은 "등가 일"의 계산을 수반한다. 이 방법을 사용하여, 열 에너지는 증기 터빈 내에서 전기를 발전하기 위한 열 에너지의 양에 기초하여 전기 에너지 값을 할당받는다. 탈염 프로세스에 열 에너지를 공급하기 위해 사용되는 증기가 증기 터빈으로부터 추출되는 것으로 가정하는 경우, 전기를 발전하기 위해 증기가 수행하는 일을 계산할 수 있다. 이 일의 값은 탈염 프로세스에 공급된 프로세스 증기의 실제 가격을 위해, 그리고, 열 프로세스 효율의 이론적 비교를 위해 사용될 수 있다.
하기의 공식은 이 등가 일을 계산하기 위해 사용된다.
Figure 112009045267344-pct00011
통상적으로 터빈 응축기에 진입하는 지점에서 증기의 엔탈피는 증기가 추출되어 탈염 프로세스에 안내되는 지점에서 증기의 엔탈피로부터 차감된다. 이 엔탈피의 차이는 이 열을 kWh/kg 증기의 등가 일 값으로 할당하기 위해 터빈의 효율(본 경우에는 95%로 가정)로 승산된다. 입방 미터의 물을 생성하기 위해 필요한 증기의 양은 이 증기 온도에서 열 프로세스의 GOR에 의해 주어진다. 결과는 m3의 물에 관한 비열 부하(specific heat duty)를 제공하도록 1000kg의 물로 곱해진다. 응축기 온도는 해수 냉각 온도에 응축기 온도를 관련시키는 표로부터의 데이터에 기초하여 35℃로 가정된다. 프로세스에 의해 사용되는 증기의 등가 일 값이 계산되고 나면, 이는 임의의 프로세스 전기 요구량에 더해진다. 이는 소비된 에너지의 총 값을 위한 통합된 값을 제공한다.
열 부하 및 전기적 에너지의 성분을 포함하는 등가 일의 계산은 표 3에 요약되어 있다. 도 6은 공급된 열의 양에 대한 1M(희석 흡인 용액) 컬럼 공급 농도에 기초한 FO 탈염 프로세스의 등가 일을 나타낸다. 사용된 열의 온도가 증가할 때, 그 일 값은 다수의 증류 컬럼의 사용에 의해 가능한 증가된 효율을 상쇄한다. 순 트렌드(net trend)는 증가된 등가 일이다. GOR과 유사하게, 등가 일도 외부 열원으로 반환되는 응결물 증기의 온도에 의해 영향을 받는다. 본 명세서에 제공된 예는 열 에너지 소스로서 증기가 제공될 때와 동일한 온도의 응결물 반환 스트림에 기초한다[에너지 소스(증기) 및 물 반환 스트림 양자 모두는 200℃의 온도인 것으로 가정된다]. 응결물 반환 스트림이 증기보다 낮은 온도로 반환되는 경우, 특히, 더 높은 온도에서 등가 일은 증가한다.
열 에너지의 외
부 소스의 온도(
즉, 증기)(℃		 최소 증기 압력(psia) 흡입 용액 농도(M) 증류 컬럼의 수 GOR 등가 일(kWh/m3) 열 부하(MJ/m3) 전기 부하(kWh/m3)
40 1.07 1 1 6.3 0.66 382.27 0.22
40 1.07 1.5 1 4.4 0.84 541.55 0.24
44 1.32 0.5 1 8.9 0.73 269.13 0.20
70 4.53 1 2 12.6 1.50 185.38 0.21
100 14.70 1 3 16 2.03 140.91 0.20
130 39.20 1 4 19.1 2.36 113.53 0.22
160 89.67 0.5 5 26.5 2.14 78.62 0.22
160 89.67 1 5 20.2 2.77 103.04 0.25
160 89.67 1.5 5 14.8 3.69 140.37 0.26
190 182.05 1 6 20.3 3.18 97.58 0.30
250 576.70 1 8 18.2 3.93 94.29 0.50
FO 탈염 프로세스에 의해 사용되는 에너지의 양과 용질 및 생성물 물 회수/분리 시스템에 진입하는 희석 흡인 용액의 농도 사이에는 직접적 관계가 있다. 전술한 바와 같이, 필요한 흡인 용액의 농도는 FO 막의 성능 비율에 직접적으로 관련되며, 따라서, 막 디자인에 의해 직접적으로 영향을 받는다. 도 7은 FOR로서 열 부하와 희석 흡인 용액 농도 사이의 관계를 나타낸다. 도 8은 희석 흡인 용액 농도와 등가 일 사이의 관계를 나타낸다. 도시된 값은 40 내지 44℃ 사이에서 동작하는(최저 진공 컬럼 온도는 공급 농도에 따라 변한다) 단일 진공 증류 컬럼과 160℃에서 동작하는 본 발명의 다단 컬럼 증류 시스템 양자를 위한 값들이다.
본 발명에서 더 높은 온도의 열원의 사용은 현용의 기술에 비해 FO를 위한 상당히 증가된 효율을 도출한다. 이는 주로 FO에서, 에너지는 MSF 및 MED에서 이루어지는 바와 같이 급수 용매가 아니라 흡인 용액 용질을 기화시키기 위해 사용된다는 사실에 기인한다. 본 발명의 FO 프로세스의 사용에서 발견된 부가적인 이득은 프로세스의 낮은 전기 에너지 소비에 있다. 현용의 프로세스는 1.6 내지 3.02 kWh/m3사이의 전력을 사용하지만, 표 2에 표시된 바와 같이, 본 발명을 사용하는 FO 프로세스는 단지 0.24 kWh/m3의 전력을 필요로 한다.
특정 실시예를 참조로 본 발명을 특정하게 예시 및 설명하였지만, 본 기술의 숙련자는 본 발명의 개념 및 범주로부터 벗어나지 않고 형상 및 세부 사항의 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예로서, 본 발명은 여기에 설명된 FO 탈염 및 수처리 프로세스에서와 같이 삼투 열 엔진(OHE)에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 희석 흡인 용액으로부터 흡인 용액 용질과 생성물 용매를 분리하기 위한 장치에 있어서,
    열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 포함하는 삼투압 구동 막 시스템과 제1 증류 컬럼과 제2 증류 컬럼을 포함하고,
    상기 제1 증류 컬럼은
    상기 제1 증류 컬럼의 제1 단부 내로 상기 희석 흡인 용액의 제1 부분을 도입하기 위해 상기 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구와,
    제2 단부에서 상기 제1 증류 컬럼에 연결된 제1 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제1 소스에 결합된 입구와, 상기 제1 증류 컬럼으로 열 에너지를 안내하여 상기 제1 증류 컬럼 내의 희석 흡인 용액 용질을 증발시키기 위해 상기 제1 증류 컬럼에 연결된 출구를 포함하는 제1 열 전달 수단과,
    상기 제1 증류 컬럼으로부터 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함하고,
    상기 제2 증류 컬럼은
    상기 제2 증류 컬럼의 제1 단부 내로 상기 희석 흡인 용액의 제2 부분을 도입하기 위해 상기 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구 - 여기서, 상기 제1 증류 컬럼과 상기 제2 증류 컬럼은 병렬적으로 동작하도록 설정된다 - 와,
    제2 단부에서 상기 제2 증류 컬럼에 연결된 제2 열 전달 수단으로서, 열 에너지의 제2 소스로 사용하기 위해 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 수용하기 위한 상기 제1 증류 컬럼의 상기 제1 출구에 연결된 입구와, 상기 제2 증류 컬럼에 상기 열 에너지의 제2 소스를 안내하여 상기 제2 증류 컬럼 내의 상기 희석 흡인 용액 용질이 기화하도록 하기 위해 상기 제2 증류 컬럼에 연결된 제1 출구와, 상기 제2 열 전달 수단 내에서 응결된 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제1 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입하기 위해 상기 삼투압 구동 막 시스템에 연결된 제2 출구를 포함하는 제2 열 전달 수단과,
    상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함하는 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 증류 컬럼의 상기 제1 출구는 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입하기 위해 상기 삼투압 구동 막 시스템에 연결된 분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 적어도 제3 증류 컬럼을 포함하고,
    상기 제3 증류 컬럼은
    상기 제3 증류 컬럼의 제1 단부 내로 희석 흡인 용액의 제3 부분을 도입하기 위해 상기 희석 흡인 용액의 소스에 연결된 제1 입구 - 여기서, 상기 제3 증류 컬럼은 상기 제1 제2 증류 컬럼과 병렬적으로 동작하도록 설정된다 - 와,
    제2 단부에서 상기 제3 증류 컬럼에 연결된 제3 열 전달 수단으로서, 상기 제3 증류 컬럼과 함께 사용하기 위한 열 에너지의 제3 소스로 사용하기 위해 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 수용하기 위한 상기 제2 증류 컬럼의 상기 제1 출구에 연결된 입구와, 상기 제3 증류 컬럼으로 상기 열 에너지의 제3 소스를 안내하여 상기 제3 증류 컬럼 내의 상기 희석 흡인 용액 용질이 기화하도록 하기 위해 상기 제3 증류 컬럼에 연결된 제1 출구와, 상기 제3 열 전달 수단 내에서 응결된 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입시키기 위해 상기 삼투압 구동 막 시스템에 연결된 제2 출구를 포함하는 제3 열 전달 수단과,
    상기 제3 증류 컬럼으로부터 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 제거하기 위한 제1 출구를 포함하는 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제3 증류 컬럼의 상기 제1 출구는 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제3 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재도입하기 위해 상기 삼투압 구동 막 시스템에 연결되는 분리 장치
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 삼투압 구동 막 시스템은 순방향 삼투 탈염 시스템인 분리 장치.
  6. 삼투압 구동 막 시스템으로부터 흡인 용액 용질을 회수하기 위한 방법으로서,
    상기 삼투압 구동 막 시스템으로부터 열적으로 제거 가능한 용질을 포함하는 희석 흡인 용액의 소스를 제공하는 단계와,
    상기 희석 흡인 용액의 제1 부분을 제1 증류 컬럼으로 도입하는 단계와,
    상기 희석 흡인 용액의 제2 부분을 제2 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
    열 에너지의 소스를 상기 제1 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 도입하는 단계와,
    상기 제1 증류 컬럼 안에서 상기 희석 흡인 용액의 상기 제1 부분으로부터 상기 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
    기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
    상기 제2 증류 컬럼 안에서 상기 희석 흡인 용액의 상기 제2 부분으로부터 상기 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
    상기 제2 증류 컬럼의 상기 열 전달 수단 내에서 응결된 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제1 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 포함하는 회수 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 추가적으로 포함하는 회수 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 희석 흡인 용액의 제3 부분을 제3 증류 컬럼으로 병렬로 도입하는 단계와,
    상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 제3 증류 컬럼의 열 전달 수단으로 안내하는 단계와,
    상기 제3 증류 컬럼 안에서 상기 희석 흡인 용액의 상기 제3 부분으로부터 상기 희석 흡인 용액 용질을 기화시키는 단계와,
    상기 제3 증류 컬럼의 상기 열 전달 수단 내에서 응결된 상기 기화된 희석 흡인 용액 용질을 상기 제2 증류 컬럼으로부터 상기 삼투압 구동 막 시스템으로 재순환시키는 단계를 추가적으로 포함하는 회수 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 열 에너지의 소스를 도입하는 단계는 50℃ 이상의 온도에서 열을 도입하는 단계를 포함하는 회수 방법.
  10. 제 6 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증류 컬럼들 중의 적어도 하나로부터 용매를 제거하는 단계를 추가적으로 포함하는 회수 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 증류 칼럼 및 상기 제 2 증류 칼럼은 상기 제 1 증류 칼럼 및 상기 제 2 증류 칼럼으로부터 용매를 제거하기 위한 제 2 출구를 추가적으로 포함하는 분리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 희석 흡인 용액은 암모니아와 이산화 탄소의 혼합물로부터 형성된 암모늄 염의 수성 용액을 포함하는 분리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 열 에너지의 제1 소스는 증기인 분리 장치.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 열 에너지 소스를 도입하는 단계는 90℃ 내지 250℃의 온도에서 열을 도입하는 단계를 포함하는 회수 방법.
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