KR20030084900A - 염분수의 담수화 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 역삼투에 의한 염분수의 담수화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 염분수를 담수화하기 위해 염분수(10)가 제1 압력(P1) 하에서 압력 보상 장치(2)에 유입되면, 좀 더 고압인 제2 압력(P2)으로 압력 보상 장치로부터 멤브레인 모듈(3)로 도출하여, 상기 담수화된 물(12)과 농축 염분(13)은 멤브레인 모듈(3)로부터 도출되어, 멤브레인 모듈(3)로부터 도출되는 농축 염분수(13)는 지속적으로 대략 제2 압력으로 압력 보상 장치(2)로 유입되고 그 곳에서 압력 보상 장치(2)에 유입되는 염분수(10)에 대략 제2 압력(P2)으로 가압하기 위해 사용되며, 압력 보상 장치(2) 안으로의 농축 염분수(13)의 유입과 압력 보상 장치(2)로부터 농축 염분수의 도출은 제어되는 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)에 의해 달성된다. 메인 밸브는 높은 기계적 스트레스에 노출되며, 특히 밸브를 여닫을 때 격심한 스트레스를 받는다. 이와 같은 스트레스를 줄이거나 피하기 위해서, 본 발명은 상기 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)에 병렬로 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')가 배열되며, 그 결과 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)의 개폐 시에 부하 피크 값을 경감하는 효과가 있다.

Description

염분수의 담수화 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DESALTING WATER}
이와 같은 염분수의 염분을 제거하는 방법 및 장치가 독일 특허 출원 제199 33 147.2호에 상술되어 있다. 상기 독일 특허 출원에는 염분수가 제1 압력 하에서 압력 보상 장치(pressure-compensation device) 속으로 유입되고, 상기 압력 보상 장치로부터 제2 압력 하에서 멤브레인(membrane) 모듈로 들어가서 담수화된 물(desalted water) 및 응축 염분수(concentrated saltwater)가 제거된다.
여기서, 담수화된 물은 장치에 유입된 염분수와 관련하여 염분량이 감소된 물로 이해하여야 한다. 상기 방법과 장치를 위하여 효율과 에너지 균형을 증대시키기 위하여 상기 멤브레인 모듈로부터 제거되는 농축 염분수는 압력 보상 장치 속으로 제2 압력 하에 지속적으로 유입되어, 제2 압력을 압력 보상 장치 속으로 유입되는 염분수에 가압하는데 사용되고 상기 염분수를 멤브레인 모듈 속으로 유입시킨다.
농축 염분수를 압력 보상 장치에 유입시키는 것은 체크 밸브로 달성되고, 압력 보상 장치로부터 농축 염분수를 배수시키는 것은 제어되는 메인 밸브(controlled main valve)에 의해 달성된다. 이 제어되는 메인 밸브는 활성 제어 가능하고, 멤브레인 모듈과 압력 보상 장치 사이 또는 압력 보상 장치와 농축 염분수 출구 사이에 적절한 연결 라인으로 배열될 수 있다.
초기에 언급된 방법 및 장치는 유럽 특허 EP 0028 913호로부터 알 수 있다. 그 곳에서, 압력 손실을 보상하기 위해 펄프가 사용된다.
고압 유체로부터 이 유체에 의하여 구동되는 수력 모터에 의한 에너지 회복 기술은 독일 특허 제 24 48 985호에 개시되어 있다.
서로 반대 위상으로 작동하는 실린더/피스톤 조합이 이곳에 제공되고 있으며, 크랭크 축으로의 연결 로드에 의해 기계적으로 연결되어 있으며, 압력 손실을 보상하기 위해 구동 유닛트에 의해 교대로 구동된다. 그런데, 이 시스템은 크랭크축에 의해 두 방향으로 이동하도록 되어 있으므로 피스톤과 연결 로드를 지지하고 안내하는데 복잡하다는 단점을 가지고 있다.
종래 기술로서, 고압이 메인 밸브에 인가된다. 만일 메일 밸브가 작동되면, 최초 여는 순간 또는 메인 밸브를 닫는 마지막 순간에 높은 기계적 스트레스를 발생시킨다. 그러나, 이 메인 밸브들은 높은 유속(flow rate)을 위해 설계되므로, 그 결과 크기가 커야하고 대용량이 된다.
상기 메인 밸브는 비교적 크기가 크고 질량이 무거워서 동작 속도가 느리게 되므로, 비교적 오래 동안 큰 압력 변화에 노출되며, 특히 초기 밸브를 열 때 또는 마지막 닫는 순간에 그 현상이 심화된다.
이와 같은 장치들은 중단없이 계속 작동되도록 하여야 하므로, 가능하다면이들 메인 밸브들은 한편으로는 스트레스의 크기와 기간 때문에 다른 한편으로는 로드 변화의 주기로 인하여 장기간의 높은 스트레스 하에 노출된다.
본 발명은 청구범위 제1항의 전문에 따른 역삼투(reverse osmosis)에 의한 염분수의 담수화(desalting water) 방법 및 이에 따른 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 방법을 나타낸 개략적 도면.
도2는 제1 동작 상태에서 본 발명에 따른 장치의 실시예를 나타낸 도면.
도3은 제2 동작 상태에서의 본 실시예를 나타낸 도면.
도4는 모든 동작 사이클 동안 본 실시예의 동작 상태를 나타낸 도면.
따라서, 본 발명은 전술한 단점에 관하여 앞서 언급한 장치와 방법을 개선하여 메인 밸브가 덜 소모되도록 하기 위한 문제점 개선에 기초를 두고 있다.
초기에 언급한 방법과 장치에 선행하여, 이 문제는 특허 청구범위 제1항에 의한 방법과 제15항에 의한 장치에 의해 해결된다. 본 발명의 기초는 특히 메인 밸브를 열고 닫는 동안에 부하 최고치가 발생하고, 요지는 이것들을 피하자는데 있다. 이것은 본 발명에 따라 제공되는 2차 밸브, 즉 바이패스 밸브(bypass valve)에 의해 달성되며, 메인 밸브를 열고 닫는 동안 발생하는 압력의 일부가 메인 밸브 주위에 일어난다.
이와 같은 목적에서 2차 밸브가 설비된 적절한 제2 라인이 메인 밸브 주위에 제공된다. 2차 밸브는, 메인 밸브를 열고 닫기 직전에 열리며, 또는/및 메인 밸브를 열거나 닫는 동안에만 열리게 되도록 제어되는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 2차 밸브는 정상적으로 닫혀진다.
양호한 실시예로서, 2차 밸브는 메인 밸브보다 더 좁은 단면적을 갖도록 할 수 있다. 제2 밸브의 단면적은 메인 밸브의 단면적보다 매우 현저히 작도록 설계할 수 있으며, 2차 밸브는 훨씬 더 높은 압력 저항을 지닐 수 있다. 그 결과, 메인 밸브 상의 스트레스는 2차 밸브의 적절한 제어로 인해 경감될 수 있으며, 수명이 증대되는 효과가 있다.
2차 밸브의 단면은 본 발명의 다른 실시예에 따라 임의로 선택될 수 있다. 2차 밸브의 단면에 의해 유체 수송의 향상에 기여를 적절한 콘트롤러에 의해 제공되듯이 기대할 수 있다. 즉, 2차 밸브는 그것과 병렬로 배열되어 있는 해당 메인 밸브로서 동시에 2차 밸브가 열리거나 닫히고, 차이점은 2차 밸브는 그들에 걸리는 부하를 경감하기 위해 병렬로 접속되어 있는 메인 밸브보다 약간 먼저 열리거나 약간 늦게 닫히게 된다.
농축 염분수를 멤브레인 모듈로부터 안내하기 위한 출력에 연결되어 있으며 압력 보상 장치의 입력에 연결되어 있는 압력 저장소가 본 발명의 양호한 실시예로서 제공된다. 그 결과, 압력 저장소는 농축 염분수와 같은 압력에 놓이게 된다. 이 압력 저장소(pressure reservoir)의 목적은 밸브가 작동할 때에 체적의 손실로 인하여 필연적으로 발생하는 압력의 오르내림을 보상하기 위함에 있고, 그 결과 최적의 작동 압력이 균일하게 멤브레인 모듈에 유지된다.
본 발명의 또 다른 양호한 실시예로서, 제2 밸브로의 공급 라인에 최대 통과량을 제한함으로써 압력의 급작스런 요동을 방지하는 유속 제한기(flow limiter)가 제공될 수 있으며, 그 결과 급작스런 요동 대신에 점진적 압력 보상 및 느린 압력 변화를 기대할 수 있게 된다. 이와 같은 유속 제한기는 다른 크기의 유속 저항을 발생시키기 위해 크기를 다르게 하여 설비될 수 있다. 유속 제한기는 상기 2차 밸브에 일체화 될 수도 있으며, 이는 결국 좁은 단면적을 갖기 때문이다.
본 발명의 정교한 실시예로서, 압력 보상 장치는 서로 반대 위상으로 작동하는 두개의 피스톤/실린더 조합을 구성할 수 있으며, 피스톤/실린더 장치의 피스톤은 접속 로드(connecting rod)에 의해 연결된다.
이와 같은 접속 로드와 그 작용은 유럽 특허 제0028913호에 개시되어 있다. 그러나, 이와 같은 종래 기술의 접속 로드와는 달리 압력 손실을 보상할 펌프가 본 실시예에서는 제공되지 않는다.
그 대신에, 압력 손실을 보상하기 위하여 본 발명의 제2 실시예에서는 접속 로드를 위한 구동 유닛트가 제공된다. 이와 같은 구동 유닛트는 중앙 단면에 구동 피니언과 맞물리는 톱니를 구비한다. 그 결과, 요구되는 동작 압력이 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 고압을 만드는 고압 펌프는 완전히 생략될 수 있으며, 압력 보상 장치 안으로 펌프 되는 염분수에 가압하기 위하여 상기 압력 보상 장치에 농축 염분수를 지속적으로 피드백 함으로써, 멤브레인 모듈의 출력에 농축 염분수가 필연적으로 가지고 있는 압력이 사용된다면, 훨씬 낮은 압력을 발생시키는 펌프로 대치될 수 있다.
여기서 중요한 것은 지속적으로 일어나도록 하는 것인데, 이것은 그렇지 않은 경우 압력 보상 장치로부터 멤브레인 모듈까지의 염분수 공급 라인의 압력이 고압 펌프에 의해 회복되어지기 때문이다. 지속적 염분수의 생산이 가능하지도 않을 것이다.
본 발명에 따른 또 다른 양호한 실시예는 종속 청구항으로부터 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 보다 정련화되어서 전술한 내용과 유사하게 실시될 수 있고, 청구항 제1항의 종속항으로부터 방법을 구현할 수 있다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.
도1에 나타낸 개략도는 염분수(10)를 압력 보상 장치(2)에 제1 기압 P1하에서 염분수를 유입하기 위한 공급 펌프(1)를 보여 준다. 그러나, 현재는 높은 압력 하에 있는 동일 염분수가 압력 보상 장치(2)로부터 멤브레인 모듈(3)로 공급된다. 그 곳에서, 염분수(11)의 일부(염분수(11)의 약 25%)가 멤브레인(6)을 통과하여, 그 과정 중에 담수화되어지고 담수(12)로 취수된다.
나머지 염분수(11)(예를 들어, 75%)는 멤브레인(6)을 통과하지 못하고 연결 라인(5)을 통해 농축 염분수(13)로서 압력 보상 장치(2)로 보내져서 여전히 고압 P2상태에 있게 된다. 그 곳에서, 아래 설명하는 바와 같이, 그 고압은 압력 보상 장치(2) 내부로 유입되는 염분수(10)에 인가되기 위하여 사용되어지고, 압력 보상 장치(2)의 입력부에 멤브레인 모듈(3)로 입력시키기 위해 사용된다.
동시에, 이 압력은 전술한 바와 같이 그 곳에 존재하는 농축 소금물(14)을 배출 라인(4)을 통해 유통시켜서 농축되지 않는 염분수(10)를 고압 보상 장치(2)에공급한다. 전술한 프로세스들은 동시에 그리고 지속적으로 일어나게 되고, 그 결과 고압을 공급하기 위한 고압 펌프가 필요하지 않고 담수화된 물(12)은 계속적으로 취수 가능하다.
도2에 나타낸 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 특히 압력 보상 장치(2)의 구성 및 기능이 좀 더 상술될 것이다. 여기서, 압력 보상 장치는 두개의 동일한 피스톤/실린더 장치(401, 402)로 구성되고, 상기 두개의 실린더는 서로 반대로 정렬되고, 각각의 염분수(10) 유입용 입구 챔버(inlet chamber; 201, 202)와 농축된 염분수(13)를 수용하기 위한 출구 챔버(outlet chamber; 101, 102)를 구비하고 있다.
피스톤/실린더 장치(401, 402)의 내부에는 각각 특수 피스톤(301, 302)이 있으며, 이들은 상기 언급한 챔버들을 분리하고 도면에서 수평 방향으로 움직일 수 있도록 하고 있다.
(수동) 체크 밸브(7)를 구비한 각각의 급수 라인(feed line)은 공급 펌프(1)로부터 입구 챔버(201, 202)로 연결된다. 급수 라인 내의 압력이 입구 챔버(201, 202) 내의 압력보다 클 때에는 언제든지 체크 밸브(7)가 열려서 유속이 흐르도록 구성되어 진다.
다른 유속 방향을 지니는 체크 밸브(8)가 입구 챔버(201, 202)로부터 멤브레인 모듈(3)로 연결하는 급수 라인에 나타나 있다. 반면에, 멤브레인 모듈(3)로부터 출구 챔버(101, 102)로 이어지는 급수 라인(5)과 출구 챔버(101, 102)에서 나오는 배출 라인(drain line; 4)에는 스위칭 작용을 하는 메인 밸브 V3, V6 및 V1, V4가 설치되어 있으며, 이들 메인 밸브를 통해서 멤브레인 모듈(3)로부터의 농축 염분수(13)의 유입 또는 압력 보상 장치(2)로부터의 농축 염분수의 출수가 제어된다.
연결 로드(30)에 의해 피스톤들(301, 302)이 서로 영구적으로 접속되어 있다. 예를 들어, 전기 기어 모터에 의해 구동되어 연결 로드(30) 상의 톱니에 맞물려서 피스톤(40)은 연결 로드(30)를 구동할 수 있으며, 그 결과 피스톤들(301, 302)이 압력 손실을 보상하기 위해 구동될 수 있다.
상기 피스톤들은 서로 반대 위상을 지니고 작동되도록 배열될 수 있다. 그래서, 입구 챔버(202)의 체적이 최대가 되고 출구 챔버(102)의 체적이 최소가 되는 위치로 피스톤이 놓이게 되면, 연결 로드(30)에 의해 연결되어 있는 다른 피스톤은 입구 챔버(201)의 체적이 최소가 되고 출구 챔버(101)의 체적이 최대가 되도록 놓이게 된다(도2와 비교해 보시오).
이 경우에, 입구 챔버(202)는 물로 가득 채워지고, 출구 챔버(10)는 농축 염분수로 가득 채워진다. 여기서, 스위치로 나타나는 밸브들 V1, V3, V4 및 V6은 V3 및 V4가 지금 닫히고, V1 및 V6은 개방되도록 제어된다. 본 명세서에서, 밸브의 열림은 관통 유속을 허용하는 유속 연결의 생성을 의미하고, 여기서 밸브는 단순히 기계적 수단에 의해서만 열리게 된다.
유사한 방법으로, 밸브의 닫힘은 관통 유속의 저지를 위한 유속 연결의 중단을 의미하고, 여기 밸브는 단순히 기계적 수단에 의해서만 닫히게 된다. 메인 밸브 V1을 개방함으로써 출구 챔버(101)에서 농축 염분수의 압력은 우선 방출된다. 메인 밸브 V6을 개방함으로써, 출구 챔버(102)는 압력(예를 들어 70 bar)에 노출되고 농축 염분수가 이 챔버 내부로 유입된다.
동시에, 입구 챔버(202)의 염분수는 피스톤에 인가된 압력에 의해 멤브레인 모듈(3) 방향으로 가압된다. 피스톤들은 서로 반대 위상으로 동작하도록 배열되어 있으므로, 연결 로드(30)를 통한 출구 챔버(102)로의 가압된 농축물(예를 들어 70 bar)의 유입은 다른 피스톤(301)을 움직이게 하여 가압되지 않은 출구 챔버(101)를 비우도록 한다.
동시에, 입구 챔버(201)에 음의 압력이 발생하게 되고, 염분수를 끌어내서 이 챔버를 채우게 된다. 만일 출구 챔버(102)가 가득 차게 되면, 메인 밸브는 적절히 조절되고 반대 프로세스가 진행된다.
충분히 많은 양의 신선한 물을 얻기 위해서, 멤브레인 모듈이 약 ca. 80 bar에서 동작하고, 또한, 최대 10 bar의 압력 손실이 멤브레인에서 나타나기 때문에, 농축 염분수의 압력으로서 전술한 최소 70 bar의 압력이 멤브레인 모듈(3)의 농축 배출구(5)에서 가용하게 된다.
특히, 개폐 동작 시에 발생한 마모로 인한 노화 결과 발생하는 큰 압력 변화로부터 메인 밸브를 보호하기 위하여, 본 발명에서는 V1, V3, V4, V6 메인 밸브에 병렬되게 2차 밸브 또는 바이패스 밸브 V2, V2', V5, V5'가 제공된다.
이 2차 밸브들의 단면적은 메인 밸브의 단면적보다 상당히 작으며, 매우 높은 압력 저항을 갖는다. 따라서, 메인 밸브 상의 스트레스가 2차 밸브를 적절히 제어함으로써 상당히 완화될 수 있으며, 그 결과 사용 수명 기간이 증가될 수 있다.
멤브레인 모듈(3)의 농축 염분수 출구에 연결되어, 예를 들어 70 bar 정도로 농축 염분수와 같은 압력에 노출되어 있는 압력 저장소 P(pressure reservoir)가 제공된다. 체적 손실의 결과 밸브의 동작 중 불가피하게 발생하는 압력의 오르내림은 멤브레인 모듈(3)에 있어서 가능한 균일 동작 압력을 얻기 위하여 보상되어지게 된다.
멤브레인 모듈(3)의 농축 염분수 출구와 출구 챔버(101, 102) 사이에, 유속을 제한함으로써 돌발적인 압력 보상을 막아 점진적으로 압력을 보상하도록 함으로써 돌발적 압력 요동 대신에 점진적 압력 변화를 도모하기 위한 유속 제한기(flow limiter) R1, R2, R3가 복수 개가 제공된다. 여기서, 유속 제한기(flow limiter)는 유속 저항기(flow resistors)로서 작용하기 위해 서로 달리 크기에 변화를 줄 수 있다.
노드 K2와 2차 밸브 V2, V2' 사이, 노드 K3과 2차 밸브 V5, V5' 사이의 두 개의 유속 제한기 R2 및 R3는 노드 K1과 압력 저장소 P 사이의 유속 제한기 R1 보다 더 많은 양의 유속을 허용할 수 있는데, 이것은 인접 2차 밸브 V2, V2' 및 V5, V5'가 작동할 때마다 수용할 수 있는 시간 내에 압력 보상을 허용하도록 하기 때문이다.
반면에, 압력 보상이 압력 저장소 P 내에서 간단없이 일어나도록 하기 위해서, R1은 항시 멤브레인 모듈(3)의 농축 출구에 연결된다. 그 결과, 유속 제한기 R1은 높은 유속 저항을 갖게 되고 약간의 유속만을 허용한다. 멤브레인 모듈(3)로부터 농축 회로를 분리하는 것은 대응해서 강하고, 그 결과 멤브레인 모듈(3) 상의압력 오르내림의 반응은 상대적으로 무시할 만큼 작게 된다.
본 명세서에서, 노드 K1과 노드 K2, K3 사이에 압력 보상이 2차 밸브 V2 및 V5에 의해 이루어진 경우에만 메인 밸브 V3 및 V6이 작동하게 된다는 것이 강조될 필요가 있다. 그 결과, 메인 밸브 V3 및 V6은 항시 가압되지 않은 상태에서 동작하게 되고, 그 결과 압력의 오르내림이 발생하지 않는다.
2차 밸브 V2, V2', V5, V5'를 설비함으로 해서 최대 유속량이 제한되며, 그 결과 전술한 2차 밸브들은 유속 제한기로서의 기능을 자동적으로 하게 된다. 본 발명에 따른 장치의 작동 사이클이 도4에 도시된 프로세스 다이아그램과 도2 및 도3에 도시한 개략도를 참조하여 상술하기로 한다.
도4에 나타낸 다이아그램에 표기된 수치는 활성화될 때에서의 각각 밸브에 나타나는 압력 강하를 보여준다. 초기 상태는 도2에 나타낸 상황이다. 두 개의 피스톤/실린더 장치를 구성하는 피스톤들(301, 302)은 가장 왼쪽 위치에 도달하였다. 이것은 도4의 프로세스 다이아그램에도 나타나 있다(우측의 두 칼럼을 보라). 메인 밸브는 아직 열려 있다.
이 밸브들에 나타나는 압력 강하가 영이므로, 양 밸브들은 가압되지 않은 상태에서 닫힌다(t1 시각). 이 순간까지, 2차 밸브 V2 및 V5'는 또한 닫혀있게 되고, 그 결과 노드 K2 및 K3을 농축 유속 출구와 멤브레인 모듈(3)의 농축 출구로부터 격리시킨다. 이 시점에서, 모든 밸브는 닫혀있다.
피스톤(301, 302)의 반대 동작을 준비하기 위하여, 2차 밸브 V2'는 열리게 되고(t2 시각), 농축 유속 출력을 통해 K2 노드에서 70 bar의 압력을 떨어뜨린다.밸브 V2'는 작은 단면적을 지닌 2차 밸브이므로, 체적 유속은 매우 소량이다. 급작스런 압력 요동은 유속 제한기 R2 또는 2차 밸브 V2'에 의해 방지된다.
동시에, 메인(2차) 밸브 V5가 노드 K3을 가압하기 위하여 열리고, 출구 챔버(102)로부터 농축 염분수를 비운 후 압력이 소멸된다. 유속 제한기 R3이 유속을 제한하기 때문에 압력의 이와 같은 인가가 점진적으로 일어나게 된다. 따라서, K1에 걸리는 압력은 노드 K3에서 축적된다.
노드 K1은 높은 유속 저항을 갖는 유속 제한기 R1으로 메인 밸브 V5로부터 격리되므로, 압력 저장소 P로부터 보상이 나타나 K1 노드를 경유하여 유속 제한기 R1을 통해 순차적으로 채워진다. 그 결과, 멤브레인 모듈(3)의 농축 출구에서의 압력 요동은 전술한 유속 제한기 R1의 크기에 의해 결정되고, 비교적 균일한 압력이 K1 노드에 유지된다.
K2 노드에서의 압력이 2차 밸브 V2'에 의해 떨어지고 K3 노드에서의 압력이 2차 밸브 V5에 의해 상승하면, 메인 밸브 V1 및 V6은(시각 t3에서) 가압되지 않은 채 열려질 수 있고 반대 방향의 피스톤 운동이 시작된다. 이것은 도4의 우측으로 가리키고 있는 화살표에 의해 나타나 있다.
t4 시각에서, 2차 밸브 V2' 및 V5는 또 다시 닫힌다. 2차 밸브 V2' 및 V5의 닫힘은 가장 최근 시각 t5까지 일어나야 하며, 피스톤(301, 302)들은 그들의 가장 우측 위치에 도달한다(도3 참조).
최대 좌측 위치에서 최대 우측 위치로의 피스톤 운동으로 인하여 출구 챔버(102)로 유입되는 농축 염분수로 인하여 ca.80 bar(유입 농축물로부터 70 bar와 구동 유닛트로부터 10 bar)의 압력으로 멤브레인 모듈(3) 속으로 입구 챔버 (202)로부터 염분수가 가압되어 들어간다.
동시에, 출구 챔버(101)로부터 농축 드레인으로 가압력 없이 농축 염분수가 수송되고 염분수는 입구 챔버(201) 안으로 유입된다. 그 결과, t5 시각에서 모든 밸브들은 닫히게 되고, 적절한 제어에 의해 반대 방향으로 동일 프로세스가 일어난다.
여기서, 펌프 1은 주로 입구 챔버(201, 202) 내로 염분수(10)를 유입시키기 위하여 제공되고 있지 않으며, 소위 캐비테이션(cavitation; 추진기 따위의 뒤쪽에 생기는 진공 부분)의 발생, 즉 입구 챔버(201, 202) 안으로 유입하는 염분수(10)의 유속에 나타나는 음의 압력 영역의 발생을 방지하기 위해 제공된다.
그런데, 전술한 캐비테이션은 터보 유속(turbulent flow) 특성을 지니고 있으므로, 그러한 면적은 안정되지 못하다. 주변의 물이 음의 압력으로 인하여 이 영역으로 역류되어 침투될 수 있다. 그 결과, 역류 유속은 고속에 도달하여 벽면과 접속부 등으로부터 파티클을 때려 부품을 교체 수선해야 하는 문제가 발생한다.
본 발명에 따른 2 챔버 시스템에 있어서, 펌프(10)는 종래 장치처럼 높은 동작 압력을 갖지 않으며, 소위 내연 기관에서 터보 차저(turbo charger)처럼 염분수가 취수될 때에 캐비테이션이 나타나는 것을 방지할 수 있다.
초기 상황은 도3에 도시되어 있다. 두 개의 실린더에 있는 피스톤(301, 302)은 방금 최대 우측 위치에 도달했다. 이 상황은 도4에 나타낸 프로세스 다이아그램에도 나타나 있다.
V1 및 V6 밸브는 여전히 열려있다. 밸브들에 나타나는 압력 강하가 영(zero)이므로, (t5 시각에서) 양 밸브가 가압되지 않은 채 닫힌다. 가장 최근 이 시점까지, 농축 유속 출구 및 멤브레인 모듈(3)의 농축 출구로부터 각각 노드 K2와 K3을 격리시키기 위하여 2차 밸브 V2' 및 V5도 역시 닫힌다. 이제 모든 밸브가 닫힌다.
피스톤(301, 302)의 반대 작동을 준비하기 위하여, 농축 출력 유속을 통해 노드 K3에 걸리는 ca. 70 bar의 압력을 낮추기 위하여(t6 시각에) 2차 밸브 V5'가 열린다. V5' 밸브는 단면적이 작기 때문에, 체적 유속이 적다. 갑작스런 압력 요동은 유속 제한기 R3에 의해 방지된다.
동시에, 2차 밸브 V2는 노드 K2에 가압하기 위해 열리게 되고, 출구 챔버 (101)로부터 농축 염분수를 비운 후에 압력이 소멸된다. 유속 제한기 R2는 유속을 제한하기 때문에 압력의 인가도 점진적으로 발생하게 된다. 그 결과, K1 노드에 존재하는 압력은 노드 K2에 축적된다. 노드 K1은 높은 유속 저항을 갖는 유속 제한기 R1에 의해 2차 밸브 V2로부터 격리되므로, 압력 저장소 P로부터 보상이 이루어져 결국 유속 제한기 R1을 통해 채워진다.
노드 K3에 걸리는 압력이 2차 밸브 V5'에 의해 감소되고 노드 K2에 걸리는 압력이 2차 밸브 V2에 의해 증가하면, 메인 밸브 V3 및 V4는(t7 시각에서) 가압됨이 없이 열리게 되고 반대 방향으로의 피스톤 운동이 시작된다. 이것은 도4에 왼쪽으로 화살표로 나타나 있다.
t8 시각에서, 2차 밸브 V5' 및 V2는 다시 닫히게 된다. 피스톤(301, 302)이최대 좌측에 위치에 도달하였을 때, 늦어도 t1 시각까지는 2차 밸브 V5' 및 V2가 닫혀야 한다(도2 참조). 최대 좌측 거리에서 최대 우측 거리까지로의 피스톤 운동으로 인하여 출구 챔버(101)에 유입되는 농축 염분수 때문에, 입구 챔버(201)로부터 멤브레인 모듈(3) 내부로 ca. 80 bar의 압력으로 염분수가 가압 배출된다.
동시에, 농축 염분수는 출구 챔버(102)로부터 농축 드레인까지 가압력 없이 수송되어, 염분수는 입구 챔버(202)에 들어간다. 따라서, 다음 주기의 t1 시각에서 모든 밸브들은 모두 닫히게 되고 동일한 프로세스가 적절한 제어에 의해 반대 방향으로 일어나게 된다. 도4의 점선은 한 주기의 종료 시점 및 다음 주기의 시점을 나타낸다.
개개의 밸브를 위해 나타낸 압력으로부터 메인 밸브는 항시 가압되지 않은 상태에서 스위치 되며, 적절히 그 크기가 설계되어야 하는 2차 밸브는 오직 개구시에만 고압에 노출된다. 이것은 본 발명의 매우 결정적 이점이 된다. 피스톤/실린더 장치 중 개별 실린더 및 피스톤 사이의 밀봉은 엄격한 수준으로 요구되지 않으며, 이는 두 가지 유체 사이의 약간의 혼합이 본 장치의 동작에 크게 영향을 주지 않기 때문이다.
반면에, 연결 로드의 출구점에서의 실린더의 밀봉은 매우 엄격히 요구된다. 또한, 피스톤의 현재 위치가 지속적으로 검출되는 것이 필요하다. 이와 같은 피스톤 위치의 검출은 피스톤과 실린더 사이에 충돌로 인한 손상을 피하기 위해 필요하다. 이 경우, 피스톤 위치는, 예를 들어 연결 로드 상에서 직접적으로 또는 간접적으로 검출될 수 있다.
반면에, 압력 손실을 보상하기 위한 펌프에 고압으로 밀려들어오는 염분수 매체에 의해 과중하게 스트레스가 인가되어 장애의 위험이 있으므로, 본 발명은 그러한 펌프를 근본적으로 교체하거나, 연결 로드에 의해 완전히 교체하여 압력 손실을 보상시킨다.
압력 저장소는 멤브레인 모듈에 압력 요동을 평탄화시킨다. 개별 멤브레인 모듈마다 본 발명에 따른 장치를 복수개 설비함으로써, 즉 각각의 멤브레인 모듈마다 한 쌍의 피스톤/실린더 장치로 구성되는 적어도 두개 이상의 압력 보상 장치를 설치함으로써, 서로 위상을 달리하여 오프셋을 가지고 동작하도록 하여 주어진 시각 t에서 압력 보상 장치의 피스톤들이 최대 우측 거리 또는 최대 좌측 거리에 놓이도록 한다면 압력 요동을 추가로 경감시킬 수 있다. 설계에 따라, 모든 압력 보상 장치에 대하여 한 개의 구동 유닛트가 제공될 수도 있고, 개별 압력 보상 장치에 대해 별개의 한개씩이 제공될 수 있다.
본 발명은 전술한 실시예에만 한정되는 것이 아니며, 특히 본 발명은 다른 양상으로 설계되는 것이 가능하다. 예를 들어, 복수개 쌍의 피스톤/실린더 장치 및/또는 다른 디자인의 피스톤/실린더 장치가 적용될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 리스트한 압력치도 본 발명을 설명하기 위한 예제 값에 불과하며, 예를 들어 다른 피스톤 형상이 적용되는 경우 다른 압력 조건이 결과될 수 있다.
본 발명에 따른 장치 및 방법을 적용하면, 에너지 사용에 있어 매우 효율적이며 최소한 90％까지의 효율을 기대할 수 있다. 역삼투를 위하여 공급 펌프는 대략 70 ∼ 80 bar 정도의 동작 압력 중 일부를 발생시키면 되고, 이 비율은 유입되는 물의 양에 달려 있고 그 결과 경비 및 유지보수에 있어 큰 장점이 있다.
따라서, 일반적으로 염분수를 담수화하기 위한 장치를 생산하는 비용이 경감되어 식수 생산비용을 현저히 줄일 수 있게 된다. 피스톤의 형상은 단일 개로 국한 지을 필요가 없다. 삼투압은 염분수의 염분 농도에 따라 조정될 수 있다. 최소의 염도를 지닌 소금기 있는 물을 원하면, 낮은 압력이 선택될 수 있다.

Claims (15)

  1. 염분수를 담수화하기 위한 역삼투에 의한 담수화 방법에 있어서, 염분수(10)가 제1 압력(P1) 하에서 압력 보상 장치(2)로 유입되어 상기 압력 보상 장치(2)로부터 좀 더 높은 제2 압력(P2)으로 멤브레인 모듈(3)로 유입되고, 상기 담수화된 물(12)과 농축 염분수(13)는 멤브레인 모듈(3)로부터 안내되고, 상기 멤브레인 모듈(3)로부터 도출되는 상기 농축 염분수(13)는 지속적으로 대략 제2 압력으로 상기 압력 보상 장치(2)로 유입되어 상기 압력 보상 장치(2) 내부로 유입되는 염분수 (10)에 대략 제2 압력(P2)을 인가하기 위하여 그리고 염분수(11)를 멤브레인 모듈 (3)에 유입시키기 위하여 사용되고, 상기 압력 보상 장치(2) 내부로 유입되는 농축 염분수(13)의 유입과 상기 압력 보상 장치(2)로부터 농축 염분수(14)의 도출은 제어 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)에 의해 달성되고, 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')는 상기 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)에 병렬되게 배열되어 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)가 개방 및/또는 닫힐 때에 부하 최대치가 경감되도록 제어됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 멤브레인 모듈(3)로부터의 상기 농축 염분수는 상기 압력 보상 장치(2)의 최소한 두 개의 피스톤/실린더 장치(401, 402) 중 어느 하나의 출구 챔버(101, 102) 내부로 대략 제2 압력(P2)으로 유입되고, 그곳에서 동일 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 입구 챔버(201, 202)의 입구로 유입되는 염분수(10)가 대략 제2 압력(P2)으로 멤브레인 모듈(3)로 안내되도록 피스톤에 작용함을 특징으로 하는 담수화 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 농축 염분수(13)는 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 하나의 출구 챔버(101, 102) 속으로 번갈아 유입되고, 염분수(11)는 동일 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 개별 입구 챔버(201, 202)로부터 멤브레인 모듈(3)로 동시에 안내되고, 염분수(13)는 제1 압력(P1)에서 다른 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 입구 챔버(201, 202) 속으로 동시에 유입되고, 농축 염분수(14)는 동일 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 출구 챔버(101, 102)로부터 낮은 압력에서 안내됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 압력 보상 장치(2)의 피스톤/실린더 장치들(401, 402)은 염분수(10)가 최소한 하나의 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 입구 챔버(201, 202) 안으로 유입되고, 농축 염분수(14)가 동일 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 출구 챔버(101, 102)로부터 도출되고, 농축 염분수(13)가 최소한 하나의 다른 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 출구 챔버(101, 102) 속으로 유입되고, 염분수(11)는 동일 피스톤/실린더 장치(401, 402)의 입구 챔버(201, 202)로부터 멤브레인 모듈(3)로 급수됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 보상 장치(2)는 반대 위상으로 동작하는 두 개의 피스톤/실린더 장치(401, 402)를 구성하고 상기 피스톤/실린더 장치(401, 402)는 연결 로드(30)로 연결됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연결 로드(30)는 구동 유닛트에 의해 구동됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')들의 단면적은 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)들의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 요동은 압력 보상 장치(2)의 입력단에 설치된 압력 저장소 P에 의해 보상되고, 이를 통해 농축 염분수 (13)가 멤브레인 모듈(3)에 유입됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')를 통해 흐르는 유속의 최대치는 2차 밸브에 급수 라인에 설치된 유속 제한기(R1, R2, R3)에 의해 제어됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')는 병렬로 배열된 개별 메인 밸브(V1, V3, V4, V5) 개폐 동작 바로 직전에 열리는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')는 병렬로 배열된 개별 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)가 열리거나 닫히는 프로세스 중에만 열리는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 메인 밸브 및 상기 2차 밸브의 제어는 메인 밸브가 가압되지 않은 상태로 스위칭 동작을 하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤(301, 302)의 위치가 지속적으로 결정됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 보상 장치(2)는 복수 개 쌍의 피스톤/실린더 장치(401, 402)로 구성되고, 각각은 연결 로드(30)로 연결되고, 그 쌍들은 위상에 있어 오프셋을 가지고 작동됨을 특징으로 하는 담수화 방법.
  15. 제1항 내지는 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 보상 장치(2) 내로 염분수(10)를 유입시키기 위한 공급 펌프를 구비하고, 담수화된 물(12)과 농축 염분수(13) 속으로 압력 보상 장치(2)로부터 유입되는 염분수(11)를 분리하기 위한 멤브레인 모듈을 구비하고, 멤브레인 모듈(3)과 압력 보상 장치(2) 사이에 농축 염분수를 멤브레인 모듈(3)로부터 압력 보상 장치(2)로 급수하기 위하고 또한 상기 압력 보상 장치(2)로부터 상기 멤브레인 모듈(3)로 염분수(11)를 급수하기 위해서 멤브레인 모듈(3)과 압력 보상 장치(2) 사이에 작동 중에 지속적으로 제2 압력(P2) 하에서 연결 라인(4)이 구비되고, 제어되는 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)는 농축 염분수 (13)를 압력 보상 장치(2) 내로 유입시키고 농축 염분수(14)를 압력 보상 장치(2)로부터 도출하기 위하여 제공되고, 상기 2차 밸브(V2, V2', V5, V5')는 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)와 병렬로 배열되어 메인 밸브(V1, V3, V4, V6)의 개폐 시에 부하 피크치가 경감되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
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