KR101785354B1 - 압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법 - Google Patents

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Abstract

압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법으로서, 상기 플랜트는 반투과성 막을 갖는 1 이상의 삼투 요소를 포함하고, 상기 반투과성 막은 삼투 요소의 공급측 및 투과측을 규정하며, 상기 방법은, 제 1 작동 모드에서, 상대적으로 고농도의 용질을 갖는 공급 스트림을 공급측으로 공급하는 단계, 상대적으로 저농도의 용질을 갖는 투과 스트림을 투과측 입구로 공급하는 단계, 및 공급측으로부터 공급 출구 스트림을 수용하는 단계를 포함하고, 투과수는 반투과성 막을 통해 투과측으로부터 공급측으로 이동하며, 제 2 작동 모드에서, 물이 반투과성 막을 통해 이동하도록 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림을 삼투 요소의 공급측으로 공급하는 단계, 및 투과측의 출구로부터 투과 출구 스트림을 수용하는 단계를 포함하고, 상기 방법은, 생산 단계를 수행하기 위해 제 1 작동 모드를 수행하는 단계, 및 반투과성 막의 오염을 감소시키기 위해 제 2 작동 모드를 수행하는 단계를 교대로 더 포함한다.

Description

압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법{Method of Operating a Pressure-Retarded Osmosis Plant}
본 발명은 압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법에 관한 것으로서, 특히 전력 생산용으로 한정되는 것은 아니다.
삼투는 물이 저농도 및 고농도를 갖는 용액 사이에서 반투과성 막을 통해 이동하는 공지의 현상이다. 정삼투 (forward osmosis, FO) 에서는, 용액의 수압차가 0 일 때, 물이 저농도 용액으로부터 고농도 용액으로 이동한다. 압력 지연 삼투 (pressure-retarded osmosis, PRO) 에서는, 0 보다 크고 용액의 삼투압 차이보다 작은 양으로 고농도 용액에 수압이 가해질 때, 물의 유동률은 감소될 수 있다. 만약, 용액의 삼투압 차이보다 큰, 충분한 압력이 고농도 용액에 가해지게 되면, 삼투수 유동은 역전될 수 있고, 이름하여 역삼투 (reverse osmosis, RO) 로 일컬어지며 물은 고농도로부터 저농도 용액으로 반투과성 막을 가로질러 이동하게 된다 (flux reversal point, 유동 역전 지점). 이러한 기술은, 수처리 및 담수화를 포함한, 여러 분야에서 그 용도가 알려져 있다. 압력 지연 삼투는 전력 생산에 또한 적용되고 있고, 해수 또는 고농도화된 염수 (brine), 및 담수 사이의 삼투압 차이가 염수 용액에서 정수압으로 전환되며, 증가된 정수압은 터빈 구동에 이용된다. FO, RO 및 PRO 에서 삼투 구동 막 공정의 물 유동을 나타내는 일반적인 방정식은 Jw=A(σΔπ-ΔP) 이고, 여기서 Jw 는 물의 유동량, A 는 막의 물 투과 상수, σ 는 반사 계수, 그리고 ΔP 는 인가된 압력이다. FO 에서는, ΔP 는 0 이고, RO 에서는, ΔP ＞ Δπ 이며, 그리고 PRO 에서는, Δπ ＞ ΔP 이다.
앞서 언급한 모든 삼투 기술에 대한 하나의 공통적 요소는 물의 이동은 허용하지만 대부분의 용질 분자 또는 이온은 저지하는 반투과성 막의 이용이다. 공지의 삼투 시스템의 지속적 문제점은 반투과성 막의 오염 (fouling) 이다. 막 오염은 막 표면 상에서 잠재적 침적 (potential deposition) 그리고 공급 스트림 내의 구성 성분의 축적을 나타내고 이는 대개 4 가지의 주요 유형으로 분류된다: 콜로이드성 오염 (colloidal fouling), 유기성 오염 (organic fouling), 무기성 오염 (inorganic fouling/scaling) 그리고 생물성 오염 (biofouling). 막 오염은 세계적인 관심사이며, 이는 막의 작동 유동을 제한하고, 동력 소비를 증가시키며 그리고 주기적인 막의 정지 세척 (cleaning-in-place, CIP) 을 필요로 한다. 이로 인해 효율은 낮아지고 비용은 증대되며, 그리고 CIP 화학 용액 처분에 관련된 환경적 문제가 발생한다. 오염 과정에 영향을 미치는 상이한 요소들에 대한 이해를 바탕으로 다양한 예방 및 세정 전략이 개발되고 있다. 막 세척은 오염 물질을 제거하고 막 성능을 유지하는 장기적 해결책이라는 점에 대해서 의견이 일치한다. 세척 방법은 화학적 그리고 물리적 방법을 포함한다. 화학적 세척이 보다 광범위하게 이용되지만, 이는 생산이 정지되는 시스템 정지 시간, 높은 비용, 폐기물의 화학적 처리에 기인하는 중대한 단점을 갖게 되고 그리고 막 수명을 감소시킨다.
최근 몇십 년 동안 RO 와 같은, 압력 구동 공정 (pressure-driven process) 이 지배적이었다. FO 에 기초한 몇몇 새로운 응용예가 경제적으로 그리고 환경적으로 RO 를 능가할 수 있다. 그들 중 FO 의 파생적 공정인 PRO 는 청정하고 재생 가능한 에너지원을 제공할 수 있다. FO 는 막을 통한 물의 운반을 구동하기 위해 삼투압 구배 (Δπ) 를 이용한다. 실제로, 막을 통한 유효한 Δπ 는 막의 방향성 및 막 관련 현상 (외적 그리고 내적 농도차 편극) 에 기인하여 전체 삼투압 차이보다 훨씬 낮다. 외적 농도차 분극 (external concentration polarization, ECP) 는 압력 구동 막 공정에서 단일 요소를 가지고, 집중화 ECP (concentrative ECP) 로 불리며 활성 층의 공급측 상에 위치한다. 삼투 구동 막 공정 동안 집중화 ECP 이후에는 희석화 ECP (dilutive ECP) 가 이어진다. 집중화 및 희석화 ECP 현상 모두는 유효, 순, 삼투 구동력을 감소시킨다. FO 는 상대적으로 낮은 투과 유동에 특징화되어 있고 따라서 외적 편극의 효과는 상대적으로 낮다.
반투과성 막은 비대칭이며 다공성 층에 의해 지지되는 밀집된 활성 이온 저지층을 갖는다. 견인 용액 (draw solution) 이 활성층에 마주하고 있을 때에는 단지 ECP 만 있다. 그러나 견인 용액이 다공성 지지층에 마주하고 있을 때에는, 희석화 내적 농도차 분극 (internal concentration polarization, ICP) 이 발생한다. 견인 용액이 활성층에 마주하여 위치하고 공급 용액이 다공성 지지층에 마주하는, 정반대의 막 방향에서 집중적인 ICP 가 발생힌다. ICP 의 효과는 유익하지 못하며 이는 2 종류의 용액 사이에서 유효, 순, 구동력을 감소시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 오염 과정은 다요인적 (multi-factorial) 과정이다. 막 공정의 유동 배열도 역시 오염 과정에 영향을 미칠 수 있다. 막 공정의 2 가지 주요 유동 배열이 있는데, 이는 크로스 유동 (cross-flow) 및 데드엔드 여과 (dead-end filtration) 이다. 크로스 유동 여과에서 공급 유동은 막 표면에 대해 접선 방향 (tangential) 을 이루는 반면, 투과수는 막 표면에 대해 수직 방향 (normal) 을 향한다. 데드엔드 여과에서 유체 유동의 방향은 막 표면에 대해 수직 방향이다. 데드엔드 여과는 보통 배치 타입 공정이며, 그곳에서 모든 여과 용액은 막 장치로 공급되고, 이는 구동력을 받는 몇몇 입자들의 이동을 허용한다. 데드엔드 여과의 주된 단점은 과도한 막 오염 및 농도차 분극이다. 오염은 보통 더 높은 구동력 및 물 유동에서 더 빨리 유도된다. 데드엔드 여과의 단향적 특성의 경우 어떠한 막 세척 효과도 없으며, 막이 한번 완전히 막히게 되면 완전한 정지로 이어지게 된다. 접선 방향 유동 장치는 비용 및 노동적으로 더욱 집약적이나, 스위핑 효과 (sweeping effect) 및 통과 유동의 높은 전단률에 기인하여 오염에 대해 덜 민감하다. RO 공정에서 공급수는 크로스 유동 배열을 따라 움직이는 반면 FO 및 PRO 에서는 견인 용액은 크로스 유동 배열을 따라 움직이며 공급 용액은 데드엔드 여과를 따라 이동한다. 이와 같이, 높은 공급 스트림에서, PRO 시스템은 데드엔드 오염 효과를 나타내기 쉽고 세척의 필요성에 기인하여 연장된 정지 시간으로 일괄적으로 작동해야 한다.
US 7,658,852 의 Liberman 은 공지의 CIP 공정에 대한 개선된 대안예로서 RO 시스템에서 공급수 스트림을 따라 고농도 용액 펄스를 방출함으로써 (DO-HS) 직결식 (on-line) 직접 삼투 세척 파동을 교시한다. DO-HS 세척은 시스템의 작동 과정을 방해하지 않는다. 세척 파동은 RO 공정에서 FO 공정으로 국소적으로 역전되고 약 20 초의 짧은 시간적 프레임 내에서 이하의 4 가지 상승적 세척 효과를 유효하게 활성화한다: (1) 오염 리프팅 (fouling lifting); (2) 오염 스위핑 (fouling sweeping); (3) 생물학적 삼투 충격 (bio-osmotic shock); 및 (4) 염 용해성 충격 (salt dissolve shock). 세척 파동은 크로스 유동을 데드엔드 유동으로 순간적으로 스위칭함으로써 막을 통하는 역류 스트림의 국소적 효과를 창출한다. 이러한 국소적 효과는 막을 따라 파형으로 전파되어 전체 막은 세척되게 된다.
US 4,033,878 의 Foreman 및 US 8,354,026 의 Herron 은 독점적 막 구조 및 시스템 디자인을 사용하는 PRO 시스템을 교시한다. 기타의 것들 중에서, 상기 특허들은 견인 용액 및 공급 용액 양자 모두에 있어서 크로스 유동 배열을 허용하는 시스템을 교시한다. 게다가, 표준 RO 나선형 막 구조는 FO 에서의 공급 용액으로 하여금 엔벨로프 (envelop) 에서 유동하도록 허용하지 않기 때문에 FO 가 일어날 수 있도록 특별한 나선형 막 디자인이 요구된다. 이러한 특허들은 어떠한 세척 효과도 교시하지 않으며 따라서 세척 및 유지보수를 위한 시스템 정지 시간에 취약하다.
표준 나선형 막을 실시할 수 있고 정지 시간 주기를 최소화하면서 효율성은 최대화하는 신뢰성 있는 내적 세척 공정에 기초하여 최소한의 중단만으로 연속적으로 작동할 수 있는 PRO 시스템을 개발하는것이 요구된다.
본 발명에 따르면 압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법으로서, 상기 플랜트는 반투과성 막을 갖는 1 이상의 삼투 요소를 포함하고, 상기 반투과성 막은 삼투 요소의 공급측 및 투과측을 규정하며, 상기 방법은, 제 1 작동 모드에서, 상대적으로 고농도의 용질을 갖는 공급 스트림을 크로스 유동 배열로 공급측으로 공급하는 단계, 상대적으로 저농도의 용질을 갖는 투과 스트림을 데드엔드 여과 유동 배열로 투과측 입구로 공급하는 단계, 및 공급측으로부터 공급 출구 스트림을 수용하는 단계를 포함하고, 투과수는 반투과성 막을 통해 투과측으로부터 공급측으로 이동하며, 제 2 작동 모드에서, 물 유동 방향이 역전되고 반투과성 막을 통과하여 공급측으로부터 투과측으로 이동하도록 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림의 펄스를 크로스 유동 배열로 삼투 요소의 공급측으로 공급하는 단계, 및 투과측의 출구로부터 투과 출구 스트림을 수용하는 단계를 포함하고, 상기 방법은, 생산 단계를 수행하기 위해 제 1 작동 모드를 수행하는 단계, 및 막을 통한 유동을 역전시키기 위해, 그리고 반투과성 막의 오염을 감소시키는 역류 단계를 수행하기 위해, 제 2 작동 모드를 수행하는 단계를 교대로 더 포함하는 방법이 제공된다.
제 2 작동 모드에서, 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림의 공급측으로의 공급은, 저농도의 역류 스트림을 생산하기 위해 상대적으로 고농도를 갖는 공급 스트림을 상대적으로 저농도를 갖는 희석 스트림과 교반하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 제 2 작동 모드에서 공급 출구를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
역류 스트림은 1 개 또는 2 개의 공급 입구 및 공급 출구로부터 공급될 수 있다.
제 1 작동 모드는, 생산 단계 동안, 200 초 내지 300 초 범위의 지속시간을 가질 수 있고 제 2 작동 모드는, 역류 단계 동안, 20 초 내지 30 초 범위의 지속시간을 가질 수 있다.
공급 스트림의 게이지 압력 및 역류 스트림의 게이지 압력은 대략 동일할 수 있다.
공급 스트림의 게이지 압력 및 공급 스트림의 삼투 압력은 대략 동일할 수 있다.
막의 기계적 완전성을 보장하기 위해 공급 스트림의 게이지 압력은 투과 스트림의 게이지 압력보다 더 높을 수 있다.
상기 플랜트는 복수의 삼투 요소를 포함할 수 있다.
제 1 요소의 공급 출구는 제 2 요소의 공급 입구에 연결될 수 있다.
상기 방법은 각각의 상기 요소로 개별 투과 스트림을 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 개별 투과 스트림의 게이지 압력은 상이할 수 있다.
상기 복수의 삼투 요소는 압력 용기에 배치될 수 있다.
상기 플랜트는 복수의 압력 용기를 포함할 수 있고, 상기 방법은 일부 압력 용기는 제 1 생산 작동 모드에서 작동하고 일부 압력 용기는 제 2 역류 작동 모드에서 작동하도록 상기 플랜트를 작동하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 삼투 요소가 제 1 작동 모드에 있을 때 공급 출구 스트림을 공급 출구로부터 터빈으로 공급함으로써 전력을 생산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시적인 방법으로써 이하 서술된다.
도 1 은 PRO 파워 플랜트의 개략도이고,
도 2 는 본 발명을 구체화한 삼투 요소의 개략도이며,
도 3 은 제 1 작동 모드에서 도 2 의 삼투 요소를 나타낸 개략도이고,
도 4 는 제 2 작동 모드에서 도 2 의 삼투 요소를 나타낸 개략도이며,
도 5 는 대안적인 제 2 작동 모드에서 도 2 의 삼투 요소를 나타낸 개략도이고,
도 6 은 공통 압력 용기에서 복수의 도 2 의 삼투 요소를 나타낸 개략도이며,
도 7 은 대안적 투과 공급을 갖는 도 6 과 유사한 실시예이고,
도 8 은 2 개가 연결된 도 6 의 요소를 나타낸 개략도이며,
도 9 는 추가의 대안적 투과 공급을 갖는 도 6 과 유사한 실시예이고,
도 9a 는 또 다른 추가의 대안적 투과 공급을 갖는 도 6 과 유사한 실시예이며, 그리고
도 10 은 복수의 도 6 의 압력 용기를 포함하는 플랜트를 나타내는 개략도이다.
이제 도면을 구체적으로 참고하여, 이하 나타낸 상세 사항은 예시에 의한 것이고 단지 본 발명의 바람직한 실시예의 설명적인 논의를 위한 것이며, 본 발명의 원리 및 개념적 양상에 대해 가장 유용하고 용이하게 이해될 수 있는 설명이 될 수 있도록 표현된다는 점은 중요하다. 이와 관련하여, 본 발명을 근본적으로 이해하기 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적인 세부사항을 나타내기 위한 어떠한 시도도 이루어지지 않을 것이며, 상세한 설명 및 그에 부대하는 도면들은 본 발명의 다양한 유형들이 실제 어떻게 실시될 수 있을지를 통상의 기술자에게 있어서 명백하게 할 것이다.
본 발명의 하나 이상의 실시예를 구체적으로 설명하기 이전에, 본 발명은 이하 상세한 설명에서 제시되거나 도면에서 도시된 구성요소의 구조 및 배치의 구체적 사항에 대한 적용예에 한정되는 것은 아니라는 점이 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 실시예에 적용가능하고 또는 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있다. 또한, 여기에서 채용된 어법 및 용어는 설명하기 위한 것이고 한정하는 것으로 여겨져서는 안된다는 점이 이해되어야 한다.
도 1 을 참조하면, 종래기술의 PRO 파워 플랜트의 개략도가 도면부호 10 으로 나타나 있다. 담수 및 해수가 공급부 (11, 12) 로 각각 도입되고, 적절한 전처리 요소 (13, 14) 에서 전처리된다. 전처리된 해수 및 담수는 삼투 요소 (15) 로 공급되고, 그곳에서 담수 스트림으로부터의 물은, 해수 스트림에서 초과 유압을 발생시키면서, 막 (16) 을 통해 해수 스트림으로 이동한다. 가압된 해수 스트림의 약 1/3 은 터빈 (17) 으로 공급되고, 약 2/3 는 도시된 바와 같이 연결부 (18) 에 의해 압력 교환기 (19) 로 되돌아 가며, 그곳에서 유입된 해수 공급은 가압된다. 최종 담함수 (brackish water) 는 도면부호 20 으로 나타낸 바와 같이 배출된다.
도 2 를 참조하면, 삼투 요소가 대체로 보다 상세하게 도면부호 15 로 도시되어 있다. 개략적으로 도면부호 16 으로 도시한 반투과성 막은 삼투 요소를, 공급측 (21) 및 투과측 (22) 인, 2 개의 측부로 분할한다. 도 2 가 지극히 개략적이라는 점은 주목되어야 한다. 실제로, 예를 들어 앞서 설명한 바와 같이, 삼투 요소 (15) 는, 다층 반투과성 막이 중공의 중앙 튜브 둘레에 감싸지고 압력 용기 내에 수용되는 나선형으로 감싸진 요소를 포함한다. 본 시스템은 본 발명의 본질적인 기능을 명확하게 설명하기 위해 도 2 의 형태로 보다 간단하게 설명되고 있다.
공급측 (21) 으로 공급하기 위해, 일반적으로 도면부호 23a 로 나타낸 공급 스트림은, 공급측 입구 (23b) 로의 연결을 위해 도면부호 23 으로 개략적으로 도시한 밸브 연결부에 의해 제어가능하다. 일반적으로 도면부호 24 로 나타낸 역류 (backwash) 공급 스트림은 밸브 (25) 에 의해 제어가능하다. 공급 출구 밸브는 공급 출구 스트림 (27) 을 생성하도록 도면부호 26 으로 도시된다. 통상적으로, 입구 및 출구는 삼투 요소 (15) 의 반대편 단부에 위치되어 공급된 공급수는 삼투 요소의 전 길이를 따라 이동한다. 삼투 요소 (15) 의 투과측 (22) 에 투과를 제공하기 위해, 일반적으로 도면부호 28 로 나타낸 투과 스트림은 투과 입구 (30) 로 공급하기 위한 밸브 (29) 에 의해 제어가능하다. 투과 출구를 제공하기 위해, 출구 밸브가 일반적으로 도면부호 31 로 도시된다. 바람직하게는 삼투 요소 (15) 내에서 압력을 모니터링 하기 위해 압력 센서가 제공된다. 공급 스트림은 해수를 포함할 수 있고 투과 스트림은 담수를 포함할 수 있다.
투과성 막을 통과하는 유동의 방향은 막의 각 측 상의 게이지 압력 및 삼투 압력의 차이에 의존하고, 압력의 차, 즉 순 구동 압력 (net driving pressure, NDP) 은,
NDP = PGF - POF - PGP + POP
로 주어지고, 여기서 PGF 는 공급 용액의 게이지 압력이고, POF 는 공급 용액의 삼투 압력이며, PGP 는 투과 공급의 게이지 압력이고, POP 는 투과 공급의 삼투 압력이다. 만약 NDP 가 양 (positive) 이면, 역삼투가 일어나고 투과수는 공급측 (21) 으로부터 투과측 (22) 으로 이동한다. 만약 NDP 가 음 (negative) 이면, 정삼투가 일어나고 투과수는 투과측 (22) 으로부터 반투과성 막 (16) 을 가로질러 공급측 (21) 으로 이동한다.
삼투 요소는 2 개의 작동 모드에서 작동될 수 있다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 생산 단계로 언급되기도 하는, 제 1 작동 모드에서, 정삼투 또는 압력 감소 삼투가 일어나고 증가된 압력은 전력 생산에 이용된다. 밸브 (23, 26) 은 개방되어 공급수는 크로스 유동 배열 (cross flow configuration) 로 흐르게 되고 밸브 (25) 는 폐쇄된다. 그에 따라, 공급 스트림은 상대적으로 고농도 용질을 갖는 공급수를 공급측 (21) 에 공급하게 되고, 삼투 요소 (15) 의 전 길이를 따라 크로스 유동 배열로 이동하며 공급 출구 (26a) 및 밸브 (26) 를 통해 나가게 된다. 상대적으로 저농도 용액을 포함하는, 투과수가 투과 스트림 (28) 로부터, 개방 밸브 (29) 를 통해 입구 (30) 로 제공된다. 투과측 (22) 로부터의 어떠한 출구도 없다는 점은 분명할 것이며, 투과측 (22) 으로 공급된 모든 투과수는 반투과성 막 (16) 을 통해 공급측 (21) 으로 데드엔드 여과 유동 배열 (dead-end filtration flow configuration) 로 이동한다. 그에 따라, 높은 압력에서 감소된 농도를 갖는 용액을 포함하는 스트림이 공급 출구 (26a) 로부터 공급되고 앞서 논의된 바와 같이 전력 생산에 이용될 수 있다. 이상적으로는, 공급 게이지 및 삼투 압력은 대략 동일하게 유지되어야 하고, PGF ≒ POF 로 나타낼 수 있다. 막 상에서 기계적인 스트레스를 피하고 막의 완전성을 유지하기 위해, 막의 공급측에서의 게이지 압력은 막의 투과측에서의 게이지 압력보다 높아야 하며, 즉 PGF ＞ PGP 이어야 한다.
상기 모드에서, 반투과성 막 (16) 은 외부적 그리고 내부적 농도차 편극 (concentration polarization) 에 의해 점진적으로 오염되기 (foul) 때문에, 막을 통한 삼투압의 차는 감소하고, 따라서 순 구동 압력 및 물 유동을 감소시킨다. 만약 제 1 작동 모드가 장시간 수행되면, 결국, 투과 유동 배열의 데드엔드 특성 및 그와 관련한 농도차 편극 효과에 기인하여, 반투과성 막 (16) 을 통한 물의 확산은 정지하게 된다. NDP 가 반투과성 막 (16) 의 오염을 가리키는 문턱 값 (threshold level) 으로 떨어지고, 삼투 요소가 제 2 작동 모드로 전환되는 때를 감지하기 위해 삼투 요소 (15) 내의 압력은 모니터링될 수 있다.
따라서, 이와 같은 문제점을 극복하기 위해, 역류 단계인, 제 2 작동 모드가 도 4 에 도시된 바와 같이 수행된다. 밸브 (23) 는 폐쇄되고 밸브 (25) 는 개방된다. 본 예시에서, 밸브 (26) 는 역시 개방되고 밸브 (31) 도 개방된다. 밸브 (28) 는 폐쇄된다. 그에 따라, 이와 같은 밸브 배열에 기초하여, 역류 공급 스트림 (24) 은 본 예시에서 공급 스트림 (23a) 과 비교하여 상대적으로 저농도를 갖는 가압된 염류 (saline) 스트림을 삼투 요소 (15) 의 공급측 (21) 으로 크로스 유동 배열로 공급한다. 밸브 (28) 가 폐쇄되어 있기 때문에, 어떠한 투과수도 투과측 (22) 으로 공급되지 않는다. 밸브 (31) 는 개방되어 투과수는 투과측 (22) 로부터 현재는 출구로 작동하는 입구 (30) 를 통해 배출될 수 있다. 본 작동 모드에서 NDP 에 대해 설명하면,
NDP = PGB - POB - PGP + POP
이고, 여기서 PGB 는 역류 공급의 게이지 압력이고 POB 는 역류 공급의 삼투 압력이다. 제 1 및 제 2 작동 모드 간의 전이 (transition) 를 단순화하기 위해, 바람직하게는 PGF ≒ PGB 이다. POB 는 제 1 작동 모드에서의 POP 와 같거나 작을 수 있다. 어떠한 투과수도 투과측으로 공급되지 않고 단지 출구 (30) 및 개방된 밸브 (31) 를 통해 배출되기만 하기 때문에 PGP 도 역시 매우 낮을 수 있다. 오염 및 심각한 농도차 편극의 결과, 실질적으로 POP 는 상대적으로 높을 수 있다.
따라서, 상기 제 2 의, 역류 단계에서, 막을 통과하는 물은 역전되고 지금은 상대적으로 저농도의 역류 공급측으로부터 반투과성 막 (16) 을 가로질러 투과측 (22) 으로 유동할 것이다. 반투과성 막 (16) 을 통과하는 역전된 물 유동은, 세척 (wash out) 또는 기타 방법에 의해, 반투과성 막 그리고 그 표면에 부착된 용질 이온 그리고 다른 오염 물질 (fouling material) 을 제거할 것이고, 이후의 투과수는 밸브 (31) 및 투과 출구 (33) 를 통해 이동한다. 입구 (23a) 로부터 출구 (26a) 로의 역류 공급 (24) 의 크로스 유동은 또한 난류 또는 전단력에 의해 반투과성 막 (16) 의 공급측 표면으로부터 용질 이온을 제거할 것이다. 투과측 (22) 상의 게이지 압력은 공급측 (21) 의 게이지 압력보다 낮기 때문에, 역류 염류 용액 및 투과수의 삼투압이 대략 동일할지라도 막 세척 기작을 활성화 하기 위해 삼투는 역전된 방향으로 반투과성 막을 통해 계속 일어나게 될 것이다. 삼투 요소 (15) 에서의 압력은 모니터링될 수 있고, 제 2 작동 모드는 투과측에서의 삼투압이 원하는 수준으로 떨어지게 될 때 종료될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 밸브는 삼투 요소로 공급 스트림 및 투과 스트림을 공급하도록 작동될 수 있고 제 1 작동 모드는 재개된다.
제 2 작동 모드의 운용을 최적화하기 위해, 역류 스트림의 게이지 압력 및/또는 삼투 압력은 요구되는 바에 따라 변할 수 있다.
도 5 에 나타난 바와 같은 대안적인 제 2 작동 모드에서, 밸브 (26) 도 역시 폐쇄되어 모든 역류 공급 (24) 은 공급 출구 (26a) 를 통해 이동할 수 없게 된다. 본 대안적인 예에서, 모든 역류 공급 (24) 은 데드엔드 유동 배열로 반투과성 막 (16) 을 통해 투과측 (22) 으로 이동해야 하고, 따라서 반투과성 막 (16) 의 투과측 (22) 에서 반투과성 막으로부터 이온을 제거하게 된다. 본 대안적인 예는, 예를 들어, 삼투 요소 (15) 가 이하에서 설명되는 바와 같은 삼투 요소 트레인에서 마지막인 상황에서 바람직할 수 있다.
추가적인 대안예에서, 공급 스트림 및 역류 스트림 (24) 이 공급측 (21) 으로 둘다 공급되는 것과 같이, 밸브 (23, 25) 는 모두 개방될 수 있고, 그에 따라 공급된 스트림은 공급 스트림 (23a) 의 농도보다 더 낮은 농도를 갖게 된다. 또 다른 추가적인 대안예로서, 역류 스트림은 공급측 (21) 의 입구 및 출구 양자 모두에서 공급될 수 있다. 역류 스트림은 투과 스트림과 본질적으로 동일한 것일 수 있다.
원한다면, 반투과성 막 (16) 의 세척 또는 기타 유지보수의 개선을 위해 역류 공급 (24) 에 다른 세척 첨가제가 포함될 수 있다.
이제 도 6 을 참조하면, 복수의 삼투 요소를 포함하는 군이 도면부호 40 으로 나타나 있다. 상기 군 (40) 은 복수의 삼투 요소 (15) 가 장착된 압력 용기 (41) 를 갖는다. 상기 군 (41) 은 각 삼투 요소 (15) 로 공급하기 위한, 공통의 밸브 (23, 25, 26, 28, 31) 집합을 가진다. 삼투 요소 (15) 는 직렬로 연결되고 전체로서의 시스템은 앞서 도 2 내지 도 5 를 참조하여 설명한 바와 같이 작동될 수 있다. 도 7 에서 도면부호 40' 으로 나타낸 대안적인 배열에서, 투과 공급 (32) 은 각 삼투 요소 (15) 로 개별적으로 연결될 수 있고, 각각의 연속적인 삼투 요소 (15) 에서 공급 스트림의 상이한 삼투 압력을 수용하기 위해 각 요소 (15) 에서 투과 스트림의 압력은 개별적으로 제어가능할 수 있다. 도 6 의 군 (40) 의 조합이 도 8 에서 조합적으로 나타나 있고, 여기서 일 군의 공급 출구 (23a) 는 제 2 군 (40) 의 공급측 입구 (23b) 에 연결된다. 분리된 투과 스트림 (P1, P2) 은 투과수가 상이한 압력 또는 농도로 다른 군 (40) 에 공급되도록 한다.
도 9 에 나타난 바와 같은, 추가적인 대안예에서, 압력 용기 (41) 는 투과 스토퍼 (60) 에 의해 2 개의 하위 군 (42a, 42b) 으로 나뉘게 되고, 각각은 밸브 (29a, 29b) 각각을 통해 제어가능한 분리된 투과 스트림 (28a, 28b) 을 갖지만, 공급 스트림 (23a) 은 공통이다. 본 방법에서, 각 삼투 요소 (15) 의 공급측 (22) 상의 상이한 삼투압에 따라 상이한 압력 및/또는 농도의 투과수가 상류측 및 하류측 군 (42a, 42b) 으로 공급될 수 있다. 추가적인 대안예가 도 9a 에 나타나 있고, 여기서 압력 용기 (41') 는, 투과 스토퍼 (61) 에 의해 분리되고 도면부호 42'a, 42'b, 42'c 및 42'd 로 개략적으로 나타낸 4 개의 하위 군을 포함한다. 각 하위 군은 밸브 (29'a, 29'b, 29'c, 29'd, 31'a, 31'b, 31'c, 31'd) 와 연결된 개별적인 입구 (30'a, 30'b, 30'c, 30'd) 를 갖는다. 그에 따라 각 하위 군 (42'a, 42'b, 42'c, 42'd) 은 앞서 설명한 바와 같이 작동될 수 있고, 투과수가 상이한 압력 (예를 들어 2, 4, 6 및 8 (bar)) 으로 공급될 수 있다. 도 10 에서 나타나는 바와 같이, 복수의 이와 같은 시스템 (40) 이, 공통 공급 스트림 공급 (51) 및 역류 스트림 공급 (52) 으로부터 공급되는, 공통 플랜트 (50) 로 결합될 수 있다. 도 10 에 나타난 배열은 시스템 (40) 이 상이한 모드에서 작동될 수 있을 때 특히 유리하다. 예를 들어, 요소 (40b, 40c) 가 제 1 생산 작동 모드로 작동되는 동안, 요소 (40a) 는 오염을 세척하기 위해 제 2 작동 모드로 작동될 수 있다. 충분한 수의 요소 (40) 를 제공함으로써, 그리고 플랜트 요소 (40) 의 작동 모드를 순서대로 교대시킴으로써, 오염 및 시스템 정지 시간과 관련된 문제점을 회피함과 동시에 일반적으로 일정한 수준의 생산이 시스템 (50) 으로부터 유지될 수 있다는 점은 분명해질 것이다. 제 1 작동 모드의 작동 시간은 약 100 내지 500 초 범위이고 바람직하게는 200 내지 300 초 범위이다. 제 2 작동 모드에서 오염을 제거하고 반투과성 막 (16) 을 회복하는데 필요한 시간은 약 10 내지 60 초 범위이고 보다 바람직하게는 20 내지 30 초이다. 그에 따라, 상대적으로 일정한 출력을 위해, 10 개의 모든 군으로부터의 하나의 시스템 (40) 은 어떠한 주어진 시간에 있어서도 제 2 의, 세척의, 작동 모드가 필요할 것이다.
여기에서 설명된 상기 방법은 특히 PRO 전력 생산을 참조하여 설명되었다 할지라도, 삼투 또는 역삼투 작동을 제공하기 위해 반투과성 막을 이용하는 다른 유형의 플랜트 또는 시스템에 적용될 수 있다는 것은 분명할 것이다.
상기 상세한 설명에서, 실시예는 발명의 예시 또는 실행을 말한다. "하나의 실시예", "어떤 실시예" 또는 "몇몇 실시예" 와 같은 다양한 양태는 필연적으로 모두 동일한 실시예를 말하는 것이 아니다.
본 발명의 다양한 특징이 한 실시예의 내용에서 설명될 수 있음에도 불구하고, 상기 특징들은 역시 분리되어 제공될 수 있거나 어떠한 적합한 조합으로 제공될 수 있다. 역으로, 본 발명이 명료성을 위해 분리된 실시예의 내용에서 설명될 수 있음에도 불구하고, 본 발명은 역시 단일의 실시예로 실시될 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 방법으로 실시 또는 실행될 수 있고, 본 발명은 앞서 명세서에서 개략화한 것과 다른 실시예로 실행될 수 있다는 점은 이해되어야 한다.
여기서 사용된 기술적 그리고 과학적 용어의 의미는, 달리 규정되지 않는 이상, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해될 수 있어야 한다.

Claims (17)

  1. 압력 지연 삼투 플랜트를 작동하는 방법으로서,
    상기 플랜트는 반투과성 막을 갖는 1 이상의 삼투 요소를 포함하고, 상기 반투과성 막은 삼투 요소의 공급측 및 투과측을 규정하며,
    상기 방법은, 제 1 작동 모드에서, 상대적으로 고농도의 용질을 갖는 공급 스트림을 입구를 통해 크로스 유동 배열로 공급측으로 공급하기 위해 공급 입구 밸브를 개방하는 단계, 상대적으로 저농도의 용질을 갖는 투과 스트림을 단일의 투과측 입구를 통해 데드엔드 여과 유동 배열로 공급하기 위해 투과 스트림 입구 밸브를 개방하는 단계, 및 공급측으로부터 출구를 통해 공급 출구 스트림을 수용하기 위해 공급 출구 밸브를 개방하는 단계를 포함하고, 투과수는 반투과성 막을 통해 투과측으로부터 공급측으로 이동하며,
    제 2 작동 모드에서, 반투과성 막을 가로지르는 물 유동 방향이 제 1 작동 모드에 대해 역전되도록 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림을 입구를 통해 삼투 요소의 공급측으로 공급하기 위해 상기 공급 입구 밸브를 폐쇄하고 역류 공급 밸브는 개방하는 단계, 상기 단일의 투과측 입구를 통해 투과 출구 스트림을 수용하기 위해 상기 투과 스트림 입구 밸브를 폐쇄하고 투과 스트림 출구 밸브는 개방하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 생산 단계를 수행하기 위해 제 1 작동 모드를 수행하는 단계, 및 반투과성 막의 오염을 감소시키기 위해 제 2 작동 모드를 수행하는 단계를 교대로 더 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 작동 모드에서, 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림의 공급측으로의 공급은, 저농도의 역류 스트림을 생산하기 위해 상대적으로 고농도를 갖는 공급 스트림을 상대적으로 저농도를 갖는 희석 스트림과 교반하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 작동 모드에서 공급 출구 밸브를 폐쇄하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    역류 스트림은 1 개 또는 2 개의 공급 입구 및 공급 출구로부터 공급되는, 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 1 작동 모드는 100 초 내지 500 초 범위의 지속시간을 갖는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제 1 작동 모드는 200 초 내지 300 초 범위의 지속시간을 갖는, 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    제 2 작동 모드는 10 초 내지 60 초 범위의 지속시간을 갖는, 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제 2 작동 모드는 20 초 내지 30 초 범위의 지속시간을 갖는, 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공급 스트림의 게이지 압력 및 역류 스트림의 게이지 압력은 동일한, 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    공급 스트림의 게이지 압력 및 공급 스트림의 삼투 압력은 동일한, 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 플랜트는 복수의 삼투 요소를 포함하고, 제 1 요소의 공급 출구는 제 2 요소의 공급 입구에 연결된, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    2 이상의 상기 요소로 개별 투과 스트림을 공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 개별 투과 스트림의 게이지 압력은 상이한, 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수의 삼투 요소는 압력 용기에 배치되는, 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 플랜트는 복수의 압력 용기를 포함하고, 상기 방법은 일부 압력 용기는 제 1 작동 모드에서 작동하고 일부 압력 용기는 제 2 작동 모드에서 작동하도록 상기 플랜트를 작동하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 삼투 요소가 제 1 작동 모드에 있을 때 공급 출구 스트림을 공급 출구로부터 터빈으로 공급함으로써 전력을 생산하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 압력 지연 삼투 플랜트로서,
    상기 플랜트는 반투과성 막을 갖는 1 이상의 삼투 요소를 포함하고, 상기 반투과성 막은 삼투 요소의 공급측 및 투과측을 규정하며,
    상기 공급측은 해수 공급 입구 밸브와 입구에 관하여 작동되는 역류 공급 밸브를 가지고;
    출구에 관하여 작동되는 공급 출구 밸브를 포함하고,
    상기 투과측은 상기 투과측의 단일 투과 개구에 관하여 작동되는 투과 스트림 입구 밸브와 투과 스트림 출구 밸브를 가지고,
    상기 삼투 플랜트는 제 1 작동 모드 및 제 2 작동 모드를 가지고, 제 1 작동 모드에서, 상대적으로 고농도의 용질을 갖는 공급 스트림을 입구를 통해 크로스 유동 배열로 공급측으로 공급하기 위해 공급 입구 밸브를 개방하는 단계, 상대적으로 저농도의 용질을 갖는 투과 스트림을 단일의 투과측 입구를 통해 데드엔드 여과 유동 배열로 공급하기 위해 투과 스트림 입구 밸브를 개방하는 단계, 및 공급측으로부터 출구를 통해 공급 출구 스트림을 수용하기 위해 공급 출구 밸브를 개방하는 단계를 포함하고, 투과수는 반투과성 막을 통해 투과측으로부터 공급측으로 이동하며,
    제 2 작동 모드에서, 반투과성 막을 가로지르는 물 유동 방향이 제 1 작동 모드에 대해 역전되도록 상대적으로 저농도를 갖는 역류 스트림을 입구를 통해 삼투 요소의 공급측으로 공급하기 위해 상기 공급 입구 밸브를 폐쇄하고 역류 공급 밸브는 개방하는 단계, 상기 단일의 투과측 입구를 통해 투과 출구 스트림을 수용하기 위해 상기 투과 스트림 입구 밸브를 폐쇄하고 투과 스트림 출구 밸브는 개방하는 단계를 포함하고,
    제 1 작동 모드에 있는 상기 플랜트는 생산 단계를 수행하고, 제 2 작동 모드에 있는 상기 플랜트는 반투과성 막의 오염을 감소시키는 것을 특징으로 하는 압력 지연 삼투 플랜트.
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