JP2006021106A - Method and apparatus for desalting novel perfect total nf thermal seawater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱式(thermal)海水脱塩法に関する。 The present invention relates to a thermal seawater desalination process.
典型的には、二段階NF2初期前処理工程を用いた本発明の方法は、供給物TDSを約35〜50%減少することにより半脱塩工程を行うが、最も重要なのは、特に熱式海水脱塩法に対し、水回収を制約するCa++及びMg++のスケール形成性硬質イオン(hardness ion)を80%より多く除去し、それらの硫酸塩共有結合陰イオン(covalent anion)を95%より多く、炭酸水素イオンを約65%まで除去する。スケール形成性硬質イオン、特にSO4 =及び炭酸水素イオンの除去は、上記ハイブリッド中の熱式ユニットを、MSFDのための慣用的単独法による120℃の現在の最高ブライン温度(top brine temperature)(TBT)限界であるよりも遥かに高いTBTで操作することを可能にし、MED又はVCD又はRHユニットの操作を、65〜70℃のそれらの現在のTBT限界よりも遥かに高いTBTで可能にし、この方法により、従来法の海水脱塩法に勝る多くの利点が得られる。本発明の方法は、水収率、生成物水回収率、及び単位水コストのみならず、他の効果的従来法の海水熱式脱塩法に等しいか又はそれより低い、生成物単位量当たりのエネルギー消費を含めた効率で、全ての従来の熱式海水脱塩法よりも優れている。この方法により、塩度(salinity)の高い湾岸(Gulf)海水(TDS≒45,000ppm)から75及び80%以上のNF生成物回収率が達成され、SWRO又は熱式ユニットから、それをNF生成物に対して操作した時、45,000ppmのTDSを有する海水供給物に対し52%を越える全水回収率、及び大洋海水(TDS≒35,000ppm)からの一層大きな水回収率で、ほぼ同じ生成物回収率も得られている。三重ハイブリッド(trihybrid)の場合には、この回収率は、SWROからの排除物を熱式ユニットへの供給物にした場合、約8〜10%更に増大し、湾岸海水供給物についての三重ハイブリッドの全水回収率を約60%にし、大洋海水供給物からは一層大きな値をもたらす。 Typically, the process of the present invention using a two-stage NF 2 initial pretreatment step performs a semi-desalting step by reducing the feed TDS by about 35-50%, but most importantly the thermal process Compared to seawater desalination, more than 80% of Ca ++ and Mg ++ scale-forming hard ions that restrict water recovery, and 95% of their sulfate covalent anions More, remove bicarbonate ions to about 65%. Scale forming hardness ions, in particular the removal of SO 4 = and bicarbonate ions, a thermal unit in the hybrid, the current maximum brine temperature (top brine temperature) of 120 ° C. by conventional sole method for MSFD ( Allowing operation at a TBT much higher than the TBT) limit, allowing operation of MED or VCD or RH units at a TBT much higher than their current TBT limit of 65-70 ° C., This method provides many advantages over conventional seawater desalination methods. The method of the present invention provides not only water yield, product water recovery, and unit water cost, but also per product unit quantity equal to or less than other effective conventional seawater thermal desalination processes. It is more efficient than all conventional thermal seawater desalination methods. This method achieves 75 and 80% or higher NF product recovery from high salinity Gulf seawater (TDS≈45,000 ppm), which can be generated from SWRO or thermal units. When operating on water, approximately the same, with a total water recovery rate of over 52% for seawater feed with a TDS of 45,000 ppm and a greater water recovery rate from ocean seawater (TDS≈35,000 ppm) Product recovery is also obtained. In the case of a trihybrid, this recovery is further increased by about 8-10% when the waste from the SWRO is fed to the thermal unit, and the recovery of the triple hybrid for the gulf seawater feed. The total water recovery rate is about 60%, resulting in even greater values from ocean seawater supplies.
最高回収率二重及び三重完全総合NF−熱式海水脱塩法
用語「熱式(thermal)」とは、今後、MSFD、又はMED、又はVCD、又はそれらの組合せの慣用的海水脱塩法のいずれかで、再加熱(RH)蒸留システムとしても知られている熱式蒸気コンプレッサー・多重効果蒸発器の一つのユニット(unit)の中にあるものを意味する。本発明の方法は、全ての二重NF2−熱式ハイブリッド、及びNF2−SWRO2(排除物)−熱式、又はNF2−SWRO1(排除物)−熱式から構成された全ての三重ハイブリッドを包含し、この場合、二重完全総合システム構成では、二つのNF段階からの一緒にしたNF2生成物が、熱式ユニットへの補充物(make-up)を構成するのに対し、完全総合三重ハイブリッドの場合には、NF生成物が供給されるSWRO2第二段階ユニットからの排除物(reject)、又はSWRO1ユニットからの排除物が、熱式ユニットへの補充物を構成する。
Highest recovery double and triple fully integrated NF-thermal seawater desalination process The term "thermal" refers to MSFD, or MED, or VCD, or a combination of conventional seawater desalination processes. Either means within a unit of a thermal steam compressor / multi-effect evaporator, also known as a reheat (RH) distillation system. The method of the present invention, all double NF 2 - thermal type hybrid, and NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - thermal, or NF 2 -SWRO 1 (elimination thereof) - all constructed from thermal Including a triple hybrid, in this case a dual fully integrated system configuration, where the combined NF 2 products from the two NF stages constitute a make-up to the thermal unit In the case of a fully integrated triple hybrid, the reject from the SWRO 2 second stage unit supplied with NF product, or the reject from the SWRO 1 unit constitutes a supplement to the thermal unit To do.
本発明は、予め処理された海水供給物、又は海岸井戸海水供給物、又は他の水溶液供給物から、熱式海水脱塩法で現在得られる最大限に可能な水回収率を有する効果的NF2−熱式法に関し、この場合その供給物は、高濃度の、(1)20,000〜50,000ppmのオーダーのTDS、及び(2)表1に示すようなスケール形成性硬質イオン(即ち、SO4 =、Ca++、Mg++、及びHCO3 −)を含むことを特徴とし、その外、(3)それは或る程度の懸濁物(turbidity)及びバクテリアを含有する。これは、NFユニット及びスケール防止システムを持つ又は持たない設備を二つの完全に総合した連続的段階として、それらの段階間にエネルギー回収ターボチャージャー(turbocharger)を配備して操作することにより達成される。NF膜の種類により、第一段階NFユニットは、P=25±10バールで加圧ポンプにより与えられる圧力(P)で海水に対し操作され、第二段階は約35±10バールで第一NF段階からの排除物に対して操作される。この場合、圧力は、ターボチャージャーによりその(第二段階)排除物から回収されたエネルギーにより増大させる。三重ハイブリッドの場合には、SWROユニットは、一つ又は二つの段階で、一段階システムの前及びそれら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配備して、又は二つ又は一つのSWRO段階を用いた場合、エネルギー回収PXユニットを具えたそれらの段階で操作される。 The present invention provides an effective NF with the maximum possible water recovery currently available with thermal seawater desalination from pre-treated seawater feeds, or coastal well seawater feeds, or other aqueous solution feeds. With respect to the 2 -thermal method, the feed in this case is a high concentration of (1) TDS on the order of 20,000 to 50,000 ppm, and (2) scale-forming hard ions as shown in Table 1 (ie , SO 4 = , Ca ++ , Mg ++ , and HCO 3 − ), in addition, (3) it contains some turbidity and bacteria. This is accomplished by deploying and operating an energy recovery turbocharger between two stages of equipment with or without an NF unit and scale prevention system as two fully integrated continuous stages. . Depending on the type of NF membrane, the first stage NF unit is operated on seawater at the pressure (P) given by the pressure pump at P = 25 ± 10 bar, and the second stage is about 35 ± 10 bar at the first NF Operated on the exclusion from the stage. In this case, the pressure is increased by the energy recovered from the (second stage) reject by the turbocharger. In the case of a triple hybrid, the SWRO unit is deployed in one or two stages, with an energy recovery turbocharger before and between the one stage system, or using two or one SWRO stages. In that case, it is operated at those stages with an energy recovery PX unit.
後の節で示すように、NFユニットによる海水前処理は、海水から、(1)混濁物を除去して汚染及び生物汚染の発生を防ぎ、(2)NF生成物のTDSを低下し、(3)SO4 =、HCO3 −、Mg++、及びCa++のスケール形成性硬質イオンを除去し、スケールの形成を防ぎ、それによって熱式ユニット(上で定義した熱式ユニットのいずれか)を、従来可能であった最高ブライン温度限界よりも遥かに高い温度限界で操作することを可能にする結果を与えるであり、例えば、従来操作されていたMSFDのTBT限界は120℃であり、MED又はVCD又はRH操作では僅か65〜70℃である。NF生成物が供給されたSWROユニットからの排除物は、NF生成物として上記の量の多くを特徴とし、混濁のない、非常に低い濃度であるが、NF生成物中よりは大きな濃度の硬質イオンを含み、それを海水熱式ユニットへの非常に良好な適切な補充物にし、従来可能であったよりも遥かに高いTBTで操作することを可能にしている。 As shown in a later section, seawater pretreatment by NF units (1) removes turbidity from seawater to prevent the occurrence of contamination and biological contamination, (2) reduces the TDS of NF products, 3) Remove scale-forming hard ions of SO 4 = , HCO 3 − , Mg ++ , and Ca ++ to prevent the formation of scale, thereby allowing a thermal unit (any of the thermal units defined above) Give results that make it possible to operate at a temperature limit much higher than the maximum brine temperature limit previously possible, eg, the TBT limit of MSFD that has been conventionally operated is 120 ° C., MED or Only 65-70 ° C for VCD or RH operation. Exclusions from SWRO units fed with NF products are characterized by many of the above quantities as NF products and are very low in concentration without turbidity, but harder at higher concentrations than in NF products. It contains ions, making it a very good and suitable supplement to a seawater thermal unit, allowing it to operate at a much higher TBT than previously possible.
この最適な方法により、例えば、湾岸海又は紅海の水(TDS≒45,000ppm)に適用した場合の約25〜35%の慣用的熱式又はSWRO法による通常の回収率を、本発明のNF2−熱式又はSWRO2法により約70%以上へ増大することができる。NF2−熱式又はNF2−SWRO2法の場合のようなこの設備構成は、例えば、湾岸海水(供給物TDS≒43−45000ppm)の場合、NF2−熱式又はNF2−SWRO2ユニットの両方による全水回収率は、従来の熱式又はSWRO脱塩法による僅か25〜35%と比較して、52%以上の程度で与え、50%〜100%の範囲の水回収率の増大を与え、前に開発した我々の完全総合NF−SWRO法によるものよりも大きい。この場合、NF及びSWROの各々は、エネルギー回収システムを持たない一つの単一段階だけからなっていた〔ハッサン(Hassan)A.M.、米国特許第6,508,936号明細書、2003年1月21日〕。この最適海水脱塩法により、単位水量当たり必要なエネルギー及び水生成コストのいずれも減少する。 With this optimal method, for example, about 25 to 35% of conventional thermal or SWRO process recovery rates when applied to Gulf or Red Sea water (TDS≈45,000 ppm) can be achieved. 2 - it is possible to increase to approximately 70% by thermal or SWRO 2 method. NF 2 - The system configuration as in the case of thermal or NF 2 -SWRO 2 method, for example, when the Gulf seawater (feed TDS ≒ 43-45000ppm), NF 2 - thermal or NF 2 -SWRO 2 units The total water recovery rate due to both is given by more than 52% compared with only 25-35% by the conventional thermal or SWRO desalting method, and the water recovery rate increases in the range of 50% -100% Which is larger than that of our fully integrated NF-SWRO method developed previously. In this case, each of NF and SWRO consisted of only one single stage without an energy recovery system [Hassan A. et al. M.M. No. 6,508,936, Jan. 21, 2003]. This optimal seawater desalination method reduces both the energy required per unit water volume and the cost of water generation.
三重NF2−SWRO2排除物−熱式、又はNF2−SWRO1排除物−熱式ハイブリッドとして、海水脱塩プラントを操作することにより同じ付加的利点が得られ、この場合熱式ユニットはSWROユニットからの排除物から構成された補充物に対して操作され、後者のユニットは、今度はNF生成物に対し操作される。この場合も熱式ユニットは、従来のTBT限界よりも遥かに高いTBTで現在操作されている。この操作方式では、SWRO2又はSWRO1の両方透過物及び熱式ユニット生成蒸留物は飲料水の品質をもち、供給物が湾岸海水(TDS≒45,000ppm)からなる場合、約52%以上の二重ハイブリッドの比率よりも約8〜10%高い約60%以上の一層高い収率・水回収率で生成する。 The same additional advantages are obtained by operating the seawater desalination plant as triple NF 2 -SWRO 2 eliminator-thermal or NF 2 -SWRO 1 eliminator-thermal hybrid, where the thermal unit is SWRO It operates on replenishers made up of exclusions from the unit, the latter unit now operating on the NF product. Again, the thermal unit is currently operating at a TBT that is much higher than the conventional TBT limit. In this mode of operation, both the permeate of SWRO 2 or SWRO 1 and the thermal unit product distillate have drinking water quality and if the feed consists of Gulf Seawater (TDS≈45,000 ppm), about 52% or more It is produced at a higher yield and water recovery rate of about 60% or more, which is about 8-10% higher than the double hybrid ratio.
多くの国では、乾燥した海岸領域、又は水源が塩辛いか、又は過度の硬度を有する地域のための淡水源として塩水、特に海水の脱塩が考えられてきた。脱塩が考慮されるか又は使用されている典型的な地域には、湾岸諸国及び他の中近東諸国:合衆国の南カリフォルニア;リビア、アルジェリア、及びエジプトの地中海アラブ諸国;欧州、主にスペイン、マルタ、及びキプロス;メキシコ及び南アメリカの太平洋岸諸国が含まれる。同様に、マルタ、カナリア諸島、及びカリブ海諸島のような淡水の供給が限定されている島でも、淡水源として海水の脱塩を使用し、それを考慮している。現在海からの淡水は、サウジアラビア、首長国連邦では飲料水の70%以上を占めている。クエート及びカタールの両方では飲料水のほぼ100%が脱塩した海水から誘導されている。 In many countries, desalination of salt water, particularly sea water, has been considered as a fresh water source for dry coastal areas, or areas where the water source is salty or has excessive hardness. Typical areas where desalination is considered or used include the Gulf States and other Middle Eastern countries: Southern California in the United States; Mediterranean Arab countries in Libya, Algeria, and Egypt; Europe, primarily Spain, Includes Malta and Cyprus; Pacific countries in Mexico and South America. Similarly, islands with limited fresh water supplies, such as Malta, the Canary Islands, and the Caribbean, use and consider seawater desalination as a source of fresh water. Currently, fresh water from the sea accounts for over 70% of drinking water in Saudi Arabia and the Emirates. In both Kuwait and Qatar, almost 100% of drinking water is derived from desalted seawater.
従来の商業的SWRO脱塩法は、供給物を前処理し、混濁物、主に懸濁物質及びバクテリアを除去し、通常酸であるスケール防止剤を添加し、次にこの前処理した供給物を55〜82バール(800〜1200psi)の高圧でSWRO膜に通し、供給物流を生成物(透過物)及び排除物(濃縮物)へ分離することからなる。古いSWROプラントの多くでは、別の第二段階の塩辛い水ROユニットを配備して第一段階SWROユニットからの生成物の塩度を標準的飲料水塩度まで低下する。初期(90年代中頃まで)に建設されたプラントの多くで使用されているこの慣用的方法は、脱塩された水生成物の単位量当たりに必要なエネルギーが高いことで知られており、比較的低い収率、典型的には湾岸海水から二段階SWROユニットを用い25%から35%以下まで、一段階SWROを用いてそれより低く操作されてきた。この低い水回収率は、湾岸海水に対して操作されている多段階フラッシュ蒸留及び多重効果蒸留ユニットのような熱式法にも当て嵌まる。従って、それらは淡水不足が深刻で、エネルギーを入手することができ、そのコストが(人為的なものであるが)低いと考えられている地域にとってのみ経済的に成り立つものであった。脱塩プラントはカリフォルニアのような他の地域でも用いられてきたが、それは、渇水時期、又は他の水源が一時的に限定されるか又は利用できない時に、待機用又は補足的淡水源として一般に用いられてきた。天然の水資源が余り多く得られない多くの地域では、現在の脱塩法では、南カリフォルニアの場合のように遠い川及び貯水池からの陸上のパイプライン又は水道管のような、他の淡水源と効果的に競争することはできない。 The conventional commercial SWRO desalination process pre-treats the feed, removes turbidity, primarily suspended matter and bacteria, adds a scale inhibitor, usually an acid, and then this pre-treated feed. Is passed through a SWRO membrane at a high pressure of 55-82 bar (800-1200 psi) to separate the feed stream into product (permeate) and reject (concentrate). In many older SWRO plants, another second stage salty water RO unit is deployed to reduce the salinity of the product from the first stage SWRO unit to standard drinking water salinity. This conventional method used in many plants built in the early days (until the mid-1990s) is known for the high energy required per unit of desalted water product, Low yields, typically 25% to 35% or less from Gulf Seawater using two-stage SWRO units, have been operated below that using one-stage SWRO. This low water recovery rate also applies to thermal processes such as multistage flash distillation and multi-effect distillation units that are operated on Gulf seawater. Therefore, they were economically viable only for areas where freshwater shortages were serious, energy was available, and their costs were considered low (although artificial). Desalination plants have also been used in other areas, such as California, but they are commonly used as standby or supplemental freshwater sources during drought times or when other water sources are temporarily limited or unavailable. Has been. In many areas where there is not much natural water resources available, current desalination methods use other freshwater sources such as onshore pipelines or water pipes from distant rivers and reservoirs as in Southern California. Cannot compete effectively.
しかし、大洋及び海には膨大な量の水が存在し、直接的淡水源(例えば、島の川、湖、及び地下水脈)が枯渇し始め、汚染され、能力限界に到達しつつあるため、これらの全ての因子と、天然水資源が大きく増大することなく世界中の人口が増大することとが重なり、塩水、特に海水を脱塩するための経済的な方法について世界中で広範な研究が行われている。実際、この研究は、現在又は将来における深刻な水不足を受ける国々にとって、高まる需要を満たすための終局的目標に向かって発展しつつあり、或る意味では、水資源についての争いが隣接国家間に存在する所では、平和を普及させるための大きな要因になる。 However, because oceans and oceans have vast amounts of water and direct freshwater sources (eg, island rivers, lakes, and groundwater channels) are beginning to be depleted, polluted, and reaching capacity limits, All these factors, combined with the growing population of the world without significant increases in natural water resources, has led to extensive research around the world on economic methods for desalinating salt water, especially sea water. Has been done. In fact, this research is developing towards the ultimate goal of meeting the growing demand for countries experiencing severe water shortages in the present or the future, and in a sense, the fight for water resources Where it exists, it becomes a major factor in spreading peace.
前に述べたように、現在幾つかの商業的海水脱塩法が入手でき、使用されている。熱式多段階フラッシュ蒸留が現在世界的に使用されている主な脱塩法である。単独では、それは、全世界脱塩能力の約41%を占めるのに対し、逆浸透(RO)法により約44%生産されている。残り(15%)は、種々の方法、主に電気透析(ED)、多重効果蒸留、及び蒸気圧縮蒸留(VCD)により得られている;ワングニック・クラウス(Wangnick Klaus)、2000 IDA世界脱塩プラント在庫目録(2000 IDA World Desalting Plants Inventory)、報告書No.16、国際脱塩協会(International Desalination Association)(2000年5月)。サウジアラビアは、MSFDの主要ユーザーであり、合衆国はRO法の最大のユーザーである。MSFD、MED、RH、及びVCD法は、全て海水の脱塩で排他的に用いられているが、EDは、塩辛い水の脱塩及び純粋な水の製造に適用されている。しかし、RO法は、多角的塩水脱塩法である。それは、海水(SWRO)及び塩辛い水RO(BWRO)供給物の両方に対し適用されるが、従来それは、主に塩辛い水、飲料水、及び純粋な水の製造に適用されてきた。しかし、最近、SWRO脱塩が一層一般的になり、世界的に用いられてきており、39〜57百万リットル/日(mld)〔10〜15百万ガロン/日(mgd)〕以上のプラントの比較的大きなプラントを用いている。 As previously mentioned, several commercial seawater desalination methods are currently available and in use. Thermal multistage flash distillation is the main desalting method currently used worldwide. Alone, it accounts for about 41% of the global desalination capacity, whereas about 44% is produced by the reverse osmosis (RO) process. The rest (15%) has been obtained by various methods, mainly electrodialysis (ED), multi-effect distillation, and vapor compression distillation (VCD); Wangnick Klaus, 2000 IDA World Desalination Plant Inventory (2000 IDA World Desalting Plants Inventory), Report No. 16. International Desalination Association (May 2000). Saudi Arabia is the primary user of MSFD and the United States is the largest user of RO law. The MSFD, MED, RH, and VCD methods are all used exclusively in seawater desalination, while ED has been applied to salty water desalination and pure water production. However, the RO method is a diversified salt water desalination method. While it applies to both seawater (SWRO) and salty water RO (BWRO) feeds, it has traditionally been applied primarily to the production of salty, drinking and pure water. Recently, however, SWRO desalination has become more common and has been used worldwide, with plants of 39-57 million liters / day (mld) [10-15 million gallons / day (mgd)] or more. A relatively large plant is used.
海水の脱塩は、海水自身の重要な性質を考慮に入れなければならない:(1)種類、濃度、及び全硬質イオン、(2)塩度〔イオン含有量、全溶解固体(TDS)〕、及び(3)混濁物、懸濁粒子及び微生物のみならず他の大きな粒子の存在。これらの性質は脱塩装置を妨害し、プラントの性能(生成物:収率、回収、及び品質)を決定する。特に、僅かにしか解けない硬質イオンは、従来法の海水脱塩法、例えば、湾岸及び紅海の海水から予想される淡水収率値に対し25%〜35%以下の限界を与える。図1に示したように、膜式でも、或は熱式でも、海水脱塩法は分離濃縮法であり、供給物流を、飲料水品質の奇麗な淡水生成物流及び排除物流に分離し、その排除物流は汚染物であるTDS及び硬質イオンを高濃度で含み、海水脱塩法で起きる四つの主な問題をもたらす。これらの問題は図2にそれらの原因と共に要約されている:(1)スケール形成、(2)大きなエネルギー消費、(3)汚染、(4)腐食の増加。硬質イオンは溶解度が非常に低く、CaSO4溶解度は処理温度の上昇と共に減少すると言う事のため、塩水中の硬質イオン濃度が増大すると、熱式でも或は膜式でも、種々の慣用的海水脱塩法による脱塩水回収率が甚だしく限定される(25〜35%以下)。 Seawater desalination must take into account the important properties of seawater itself: (1) species, concentration, and total hard ions, (2) salinity [ion content, total dissolved solids (TDS)], And (3) the presence of turbids, suspended particles and microorganisms as well as other large particles. These properties hinder desalination equipment and determine plant performance (product: yield, recovery, and quality). In particular, hard ions that can only be slightly dissolved give a limit of 25% to 35% or less to the conventional seawater desalination methods, such as freshwater yield values expected from Gulf and Red Sea seawater. As shown in FIG. 1, the seawater desalination method is a separation / concentration method, whether it is a membrane type or a thermal type, and the supply stream is separated into a fresh water product stream and a reject stream with clean drinking water quality. Excluded streams contain high concentrations of contaminants TDS and hard ions, leading to four main problems that occur in seawater desalination processes. These problems are summarized in Figure 2 along with their causes: (1) scale formation, (2) large energy consumption, (3) contamination, (4) increased corrosion. Hard ions have very low solubility, and CaSO 4 solubility decreases with increasing processing temperature, so increasing the concentration of hard ions in salt water can cause a variety of conventional seawater desorption, whether thermal or membrane. The recovery rate of demineralized water by the salt method is extremely limited (25 to 35% or less).
本願では「塩水(saline)」と言われる水に言及しているが、その塩水は海からの海水、例えば、湾岸、紅海、地中海、及び大洋からの海水、種々の塩湖及び池からの水、非常に塩辛い(brackish)水源、ブライン(brine)、イオン性含有物を含む他の地表及び地下水源からの水が含まれ、それらは表1中に示したように、「塩水」として分類されている。塩水は、一般にTDS≧20,000ppm以上の塩含有量を有する水であると考えることができる。勿論海水は飲料水の源として最も大きな可能性を有するので、本願は海水脱塩に焦点を当てている。しかし、高い塩度の、特に高い硬度の塩水の全ての源が、本発明の範囲内に入ると考えるべきであり、海水に焦点を当てることは簡明にするためであり、限定するためのものではないものと考えるべきであることは分かるであろう。 This application refers to water referred to as “saline”, which is seawater from the sea, such as seawater from the Gulf, Red Sea, Mediterranean, and oceans, water from various salt lakes and ponds. , Including water from very salty water sources, brines, other surface and ground water sources including ionic inclusions, which are classified as “salt water” as shown in Table 1. ing. Saline can generally be considered water having a salt content of TDS ≧ 20,000 ppm or more. Of course, sea water has the greatest potential as a source of drinking water, so this application focuses on sea water desalination. However, all sources of high salinity, especially hard water, should be considered within the scope of the present invention, and focusing on seawater is for simplicity and limitation. It should be understood that this should not be considered.
前で述べたように、海水脱塩プラント(熱式及びSWROプラント)の性能及び生成物回収率は、前に述べた三つの問題により甚だしく限定され、それらは全て海水の品質及びその物質含有量に関係している:(1)混濁物、(2)TDS、及び(3)水供給物中の全硬質イオン。混濁物が供給物中に存在する場合、それは特に膜上に捕捉され、膜の汚染をもたらす。供給物中に、混濁物、即ち、バクテリアに栄養を与える全懸濁固体(TSS)と共にバクテリアも存在する場合、生物汚染が起きる。ROでは、供給物浸透圧は、TDSと共に増大する。ROの原理から、適用される圧力は:(1)部分的で、浸透圧を超えるように用いられる必要があり、(2)真の圧力(Pnet)として定義されるこの印加圧力の残りの部分だけが膜を通って透過物(生成物)を押し出す圧力になる。供給物TDSを減少することにより浸透圧を低くする程、真の圧力は大きくなり、従って、膜を通って押し出される透過水の量は多くなり、そのことも一層高い品質の生成物を一層多量に生ずる付加的利点を与える(図3)。 As mentioned earlier, the performance and product recovery of seawater desalination plants (thermal and SWRO plants) are severely limited by the three problems mentioned earlier, all of which are the quality of seawater and its material content. (1) Turbidity, (2) TDS, and (3) Total hard ions in the water feed. If turbidity is present in the feed, it is particularly trapped on the membrane, leading to membrane contamination. Biological contamination occurs when bacteria are also present in the feed along with turbidity, ie total suspended solids (TSS) that nourish the bacteria. In RO, the feed osmotic pressure increases with TDS. From the RO principle, the applied pressure is: (1) partial and needs to be used to exceed the osmotic pressure, and (2) the rest of this applied pressure defined as true pressure (Pnet) Only the pressure that pushes the permeate (product) through the membrane. The lower the osmotic pressure by reducing the feed TDS, the greater the true pressure, and thus the greater the amount of permeate that is forced through the membrane, which also means higher quality products. Provides the additional advantage that arises in (Fig. 3).
供給物中の僅かにしか溶けない硬質イオンの含有量が高いと、淡水の回収を制約する最大の障害になる。なぜなら、硬質イオンの溶解度限界を越えて回収率を増大することは、一層ひどいスケール形成効果を起こし、急激なプラント性能の低下を起こすことになるからである。しかし、 スケール形成は、周囲温度で操作されるSWRO法の場合に起きるよりも一層ひどい影響を熱式法に与える。硫酸カルシウムの溶解度は、操作温度が上昇するに従って低下するので、硫酸カルシウムの付着は、SWRO法に対するよりも熱式法に対し一層多くの深刻な問題となり、高温では甚だしく大きくなる。 A high content of hard ions that are only slightly soluble in the feed is the biggest obstacle limiting fresh water recovery. This is because increasing the recovery rate beyond the solubility limit of hard ions will cause a more severe scale formation effect and a sharp decline in plant performance. However, scale formation has a more severe effect on the thermal process than occurs with SWRO processes operated at ambient temperature. Since the solubility of calcium sulfate decreases as the operating temperature increases, calcium sulfate deposition becomes a more serious problem for the thermal process than for the SWRO process and becomes significantly larger at higher temperatures.
要するに、海水脱塩プラントのスケール形成は、それらの大きなエネルギー消費及び汚染と共に、海水脱塩の三つの主な問題を構成する。腐食は海水脱塩の第4番目の主要な問題であり、腐食の発生は海水中の塩化物含有量及び塩度が高くなることにより増大する。本発明の第一の主な目的は、これらの問題を解決するのみならず、最適の高効率熱式海水脱塩法及び装置を確立する結果になる効率的熱式海水脱塩処理及び方法を開発することにある。 In short, the scale formation of seawater desalination plants, together with their large energy consumption and pollution, constitutes three main problems of seawater desalination. Corrosion is the fourth major problem of seawater desalination, and the occurrence of corrosion increases with increasing chloride content and salinity in seawater. The first main object of the present invention is to provide an efficient thermal seawater desalination treatment and method that not only solves these problems, but also results in the establishment of an optimal high efficiency thermal seawater desalination method and apparatus. There is to develop.
SWRO又は熱式海水脱塩プラントの水回収率を上昇させると、単位水生成コストを減少することになるはずである。なぜなら、この単位コストは、全水生成コストを、生成物の量で割ることにより算出されるからである。水回収率が大きくなれば、生成物の量が増大し、単純に単位水コストは低下する。本発明では、NF2膜法により海水供給物を前処理し、上で既に述べたように、生成物の回収を制約する硬質イオンをそれから取り出す。更に、NF生成物からなる供給物に対し操作されたSWRO2ユニットからの排除物もが含有する硬質イオンの量も非常に低い。NF生成物回収率及びSWRO又は熱式ユニットからのプラント収率を増大するため、NFユニットを二つの段階で操作する。このやり方で、二重NF2−SWRO2又はNF2−熱式でのSWRO2又は熱式ユニットのみならず、三重NF2−SWRO2排除物−熱式の熱式ユニットからの収率及び水回収率の両方が、湾岸海水(TDS=43〜45000ppm)で70〜80%まで増大し、大洋海水供給物(TDS=35000ppm)では一層大きく増大する。前に述べたように、本発明による水回収率の増大は、本発明のシステムの主たる利点である。この開発中効率及び水回収率の点で、全ての従来の熱式海水脱塩法に勝り、慣用的熱式法により現在可能な値よりも遥かに高い値まで最適熱式法TBT限界を上昇させる外、海水供給物からの熱式ユニット水回収率も上昇させることができる、最適二重NF2−熱式及びNF2−SWRO2(排除物)−熱式、又はNF2−SWRO1(排除物)−熱式脱塩法を開発するように努力してきた。 Increasing the water recovery rate of a SWRO or thermal seawater desalination plant would reduce unit water generation costs. This is because this unit cost is calculated by dividing the total water production cost by the amount of product. As the water recovery rate increases, the amount of product increases and the unit water cost simply decreases. In the present invention, pretreated seawater feed by NF 2 film method, as already mentioned above, takes out the hardness ions to restrict the product recovery therefrom. Furthermore, the amount of hard ions that are also contained in the reject from the SWRO 2 unit operated on the feed consisting of the NF product is very low. In order to increase NF product recovery and plant yield from SWRO or thermal units, the NF unit is operated in two stages. In this manner, the double NF 2 -SWRO 2 or NF 2 - not only SWRO 2 or thermal unit in thermal, triple NF 2 -SWRO 2 elimination product - yield and water from thermal unit of the thermal type Both recovery rates increase to 70-80% for Gulf Seawater (TDS = 43-45000 ppm) and even more for Ocean Seawater Feed (TDS = 35000 ppm). As previously mentioned, the increased water recovery rate according to the present invention is a major advantage of the system of the present invention. This in-development efficiency and water recovery rate outperforms all conventional thermal seawater desalination processes and raises the optimum thermal process TBT limit to values much higher than currently possible with conventional thermal processes. can outside, also thermal unit water recovery from seawater feed increases to the optimal dual NF 2 - thermal and NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - thermal, or NF 2 -SWRO 1 ( Exclusions)-Efforts have been made to develop thermal desalination methods.
本発明の主たる目的は、プラント収率及び生成物水回収率を、慣用的熱式海水脱塩法のいずれかにより現在達成されているよりも遥かに高い収率及び生成物回収率へ最大にすることにある。 The main objective of the present invention is to maximize plant yield and product water recovery to a much higher yield and product recovery than currently achieved by any of the conventional thermal seawater desalination processes. There is to do.
これは、慣用的海水脱塩法(膜式又は熱式)と、NF膜前処理を一緒に組合せることにより達成される。続く、NFと、慣用的熱式海水脱塩法との熱式ハイブリッド併用法は、本発明に包含されるものである: This is achieved by combining conventional seawater desalination methods (membrane or thermal) and NF membrane pretreatment together. The following thermal hybrid combination of NF and conventional thermal seawater desalination is encompassed by the present invention:
(1) NF2−熱式(熱式ユニットは、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRHにすることができる)の二重システムハイブリッド(図4)。
(2) NF2−SWRO2(排除物)−熱式又はNF2−SWRO1(排除物)−熱式の三重機構ハイブリッド(図5)。
ここで、NF2とSWRO2は、夫々二段階NFとSWROユニットを表し、夫々それら段階間にエネルギー回収ターボチャージャーを有する。SWROユニットは、90バールまでの一段階高圧許容SWRO膜ユニットから構成することができ、それと、高圧ポンプ膜組立体との間にエネルギー回収ターボチャージャー又はPXを先に配置する。
(1) NF 2 - thermal (thermal unit, MSFD, or MED, or VCD, or can be RH) of the dual system hybrid (Figure 4).
(2) NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - thermal or NF 2 -SWRO 1 (elimination thereof) - thermal triple mechanism hybrid (Fig. 5).
Here, NF 2 and SWRO 2 represent two-stage NF and SWRO units, respectively, and each has an energy recovery turbocharger between those stages. The SWRO unit can consist of a single stage high pressure allowable SWRO membrane unit up to 90 bar, with an energy recovery turbocharger or PX first placed between it and the high pressure pump membrane assembly.
しかし、本発明により形成することができる二重NF2−SWRO2は、二重NF2−SWRO2又はNF2−SWRO1ハイブリッドに対する特許請求の範囲だけを包含する本特許出願と同時に、出願された別の特許出願に包含されている。NF2−SWRO2と、NF2−熱式との両方に対するNF2前処理の影響は同様であるため、両方の出願に与えられている議論及び結論は、或る面で同一性及び重複性があるがそれらは正当なものであることは明らかである。しかし、それらの一方は膜式であるのに対し、他方は熱式の脱塩法であるため、それらは別々に出願されている。 However, the dual NF 2 -SWRO 2 that can be formed according to the present invention is filed concurrently with this patent application, including only the claims for the dual NF 2 -SWRO 2 or NF 2 -SWRO 1 hybrid. In another patent application. And NF 2 -SWRO 2, NF 2 - for effects of NF 2 pretreatment for both thermal are similar, discussion and conclusion are given in both applications, identity and redundancy in some surface It is clear that they are legitimate. However, since one of them is a membrane type while the other is a thermal desalination process, they have been filed separately.
従来、粒状物質を除去するために水及び他の液体溶液及び懸濁物を処理するために、種々の型の濾過又は凝集・濾過システムが用いられてきた(表2)。スケールの形成を防ぐのに役立たせるため、スケール防止剤の添加が用いられている。しかし、混濁物を除去するためのこの慣用的前処理及びスケール形成を防ぐためのスケール防止剤の添加にも拘わらず、淡水回収率は、例えば、慣用的脱塩湾岸SWRO(TDS≒45,000ppm)では依然として25〜35%以下に限定されている。 Traditionally, various types of filtration or flocculation and filtration systems have been used to treat water and other liquid solutions and suspensions to remove particulate matter (Table 2). Addition of scale inhibitors is used to help prevent scale formation. However, despite this conventional pretreatment to remove turbidity and the addition of scale inhibitors to prevent scale formation, freshwater recovery rates are, for example, conventional demineralized bay SWRO (TDS≈45,000 ppm). ) Is still limited to 25 to 35% or less.
2μmより小さな粒径の微細粒子を除去する最近の研究では、マイクロ濾過(microfiltration)(MF)、又は限外濾過(UF)が用いられている。低圧逆浸透(LPRO)又は塩辛い水RO(BWRO)膜(下記参照)も、SWRO前処理の前に用いられてきた。0.08〜2.0μmの範囲の粒径を有する粒子を除去するために、MF膜処理が用いられている。UF膜法は、0.01〜0.2μmの範囲の粒径、及び10,000g/モル以上の範囲の分子量(MW)を有する一層微細な粒子を除去するのに一層効果的である。MFとUFの膜法は、両方共正真正銘の濾過法であり、粒子の分離は、そのイオン特性によるのではなく、粒径によってのみ行われる。更に、MF及びUFの膜は、いずれもそれ自身に特徴的な孔径及び分離限界を有する。これらの二つの膜式濾過法は、混濁物及びバクテリアを除去することにより供給物を清浄に保つのに有効であり、そのようなものとして、プラント操作中、生物汚染を含めた膜の汚染を防ぐのに、それらは非常に有効な前処理法である。MF及びUF濾過による前処理法は、RO前処理とは著しく異なっている。既に言及したように、溶液又は海水からイオンを分離又は排除することのないMF及びUF膜法による濾過とは異なって、RO法は、0.001μm以下の粒径及び200g/モル以下の分子量を有する全てのイオン性粒子を分離するための圧力差法である。更に、それらの非常に気密な構造のSWRO膜は、MF及びUF法での僅か約5〜10バールの低い圧力での操作に対して、50〜80バールのオーダーの高い圧力での操作を必要とする。 Recent work to remove fine particles with particle sizes smaller than 2 μm uses microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF). Low pressure reverse osmosis (LPRO) or salty water RO (BWRO) membranes (see below) have also been used prior to SWRO pretreatment. MF membrane treatment is used to remove particles having a particle size in the range of 0.08 to 2.0 μm. The UF membrane method is more effective in removing finer particles having a particle size in the range of 0.01 to 0.2 μm and a molecular weight (MW) in the range of 10,000 g / mol or more. Both the MF and UF membrane methods are genuine filtration methods, and the separation of the particles is done only by particle size, not by their ionic properties. Furthermore, both MF and UF membranes have their own characteristic pore size and separation limit. These two membrane filtration methods are effective in keeping the feed clean by removing turbidity and bacteria, and as such, can eliminate membrane contamination, including biological contamination, during plant operation. They are very effective pretreatment methods to prevent. The pretreatment method by MF and UF filtration is significantly different from the RO pretreatment. As already mentioned, unlike the MF and UF membrane methods that do not separate or eliminate ions from solution or seawater, the RO method has a particle size of 0.001 μm or less and a molecular weight of 200 g / mol or less. This is a pressure difference method for separating all ionic particles having. In addition, these highly airtight SWRO membranes require operation at high pressures on the order of 50-80 bar, compared to operation at low pressures of only about 5-10 bar in the MF and UF processes. And
他の膜式分離法と比較して、NF膜法は、ROとUFの分離範囲の間に入り、0.01〜0.001μmの範囲の粒径及び200g/モル以上の分子量を有する粒子の分離に適している。しかし、UF又はROのいずれとも異なって、NFは三つの原理によって働く:粒径による中性粒子の排除、負に帯電した膜との静電相互作用によるイオン性物質の排除;ローテンバッハ(Rautenbach)その他、Desalination, 77: 73-84 (1990)。更に、NF膜の操作は、浸透圧原理によって部分的に支配されている(米国特許第6,508,936号明細書参照)。これらの理由から、後の節で示すように、NF膜は、二価又は一価の全てのイオンを多かれ少なかれ、同じ程度に排除するROとは、NFがNa+、Cl−等の一価イオンを排除するよりも、SO4 =、HCO3 −、Ca++、及びMg++のスケール形成性硬質イオンのような二価イオンに対し遥かに大きな排除性を有する点で異なっている。NFは、フロリダで塩辛い硬水を処理して飲料水規格の水を生成させるのに用いられてきた。NF法は、飲料水から着色した混濁物及び溶解した有機物を除去するためにも用いられてきた;デュラン(Duran)その他、Desalination, 102: 27-34 (1995)及びフ(Fu)その他、Desalination, 102: 24-56 (1995)。NFは、他の用途で、塩溶液及び埋め立てゴミ浸出物を処理するのに用いられてきた;リンデ(Linde)その他、Desalination, 103: 223-232 (1995);沖合油井貯槽中に注入される海水からの硫酸塩の除去;イケダその他、Desalination, 68: 109 (1988);アクシア・サーチ・ベーカー(Aksia Serch Baker)、Filtration and Separation (June, 1997)。下で示すように、NF海水膜前処理は、SWRO膜操作(典型的には、55〜82バール、即ち800〜1200psi)よりもかなり低い圧力、典型的には、10〜25バールで行われる。 Compared to other membrane separation methods, the NF membrane method falls between the separation range of RO and UF, and has a particle size in the range of 0.01 to 0.001 μm and a molecular weight of 200 g / mol or more. Suitable for separation. However, unlike either UF or RO, NF works by three principles: elimination of neutral particles by particle size, elimination of ionic substances by electrostatic interaction with negatively charged membranes; Rautenbach Other, Desalination, 77: 73-84 (1990). Furthermore, the operation of the NF membrane is governed in part by the osmotic pressure principle (see US Pat. No. 6,508,936). For these reasons, as shown in a later section, an NF membrane is more or less free of all divalent or monovalent ions to the same extent RO is a monovalent such as Na + , Cl −, etc. Rather than excluding ions, it differs in that it has a much greater exclusion with respect to divalent ions such as SO 4 = , HCO 3 − , Ca ++ , and Mg ++ scale-forming hard ions. NF has been used in Florida to process salty hard water to produce potable water. The NF method has also been used to remove colored turbids and dissolved organics from drinking water; Duran et al., Desalination, 102: 27-34 (1995) and Fu et al., Desalination. , 102: 24-56 (1995). NF has been used in other applications to treat salt solutions and landfill leachate; Linde et al., Desalination, 103: 223-232 (1995); injected into offshore oil wells Removal of sulfate from seawater; Ikeda et al., Desalination, 68: 109 (1988); Aksia Serch Baker, Filtration and Separation (June, 1997). As shown below, the NF seawater membrane pretreatment is performed at a much lower pressure, typically 10-25 bar, than the SWRO membrane operation (typically 55-82 bar, ie 800-1200 psi). .
NF法の上記使用法の外に、種々の海水及び水性溶液の処理にもそれは用いられていた。上で述べたように、米国特許第4,723,603号明細書のNF膜は、海水からの硫酸塩の除去に用いられているが、それは依然として塩化ナトリウムの含有量が高く、沖合掘削の穿孔泥漿を形成するのに用いられ、この方法により硫酸バリウムのスケール形成を防いでいる。米国特許第5,458,781号明細書は、臭化物及び一種類以上の多価陰イオンを含有する水性溶液を二つの流れ、一つは臭化物に富む流れで、第二は多価陰イオンに富む流れにNF分離することが記載されている。その臭化物に富む流れを工業的用途で使用される臭化物濃度にするためROにより更に処理することについては示唆はされているが、全く行われていない。EPO公告No.09141260(03,06,97)は、ポリビニルアルコールポリアミドのナノフィルター(NF膜)の三つの平らな膜セルに海水を通し、硫酸塩イオン除去し、次にその濾過された水をRO膜に通してSO4 =を除去することにより、スケールの沈積を抑制しながら、濃縮率を向上させる問題を解決する方法が提案されている(しかし、その研究の一層詳細な点は与えられていない)。 In addition to the above use of the NF method, it has also been used in the treatment of various seawater and aqueous solutions. As mentioned above, the NF membrane of US Pat. No. 4,723,603 is used to remove sulfate from seawater, but it still has a high sodium chloride content and is Used to form a perforated slurry, this method prevents barium sulfate scale formation. US Pat. No. 5,458,781 discloses an aqueous solution containing bromide and one or more polyvalent anions in two streams, one bromide-rich stream and the second in a polyvalent anion. NF separation is described in a rich stream. Although further treatment with RO has been suggested to bring the bromide rich stream to bromide concentrations used in industrial applications, nothing has been done. EPO Notice No. 0914260 (03,06,97) passes seawater through three flat membrane cells of a polyvinyl alcohol polyamide nanofilter (NF membrane) to remove sulfate ions, and then passes the filtered water through an RO membrane. Thus, by removing SO 4 = , a method has been proposed to solve the problem of improving the concentration rate while suppressing the deposition of scale (but no further details of the study are given).
図6に示したように、NF前処理を、SWRO及び他の海水熱式(MSFD、MED、VCD)脱塩方法に、先ずパイロットプラント及び実証用脱塩プラント段階で適用した最初の人は、米国特許第6,508,936号明細書のハッサン(Hassan)A.M.であった;ハッサンその他、「脱塩及び水再使用、四季報」5月−6月発行(1998)Vol.8/1,54−59、及び9月−10月発行(1998),Vol.8/2,35−45:Desalination, 118: 35-51 (1998);Desalination, 131: 157-171 (2000);脱塩及び水再使用に関するIDA国際会議(サンディエゴ)予稿集(1999)(脱塩に関する最高IDAサーマル賞を受賞した論文)及び多くの他の刊行物。 As shown in FIG. 6, the first person to apply NF pretreatment to SWRO and other seawater thermal (MSFD, MED, VCD) desalination methods, first in the pilot plant and demonstration desalination plant stages, In US Pat. No. 6,508,936, Hassan A. et al. M.M. Hassan et al., “Desalination and Water Reuse, Four Seasons”, published May-June (1998) Vol. 8/1, 54-59, and September-October (1998), Vol. 8/2, 35-45: Desalination, 118: 35-51 (1998); Desalination, 131: 157-171 (2000); Proceedings of the International Conference on Desalination and Water Reuse (San Diego) (1999) Best IDA thermal award for salt) and many other publications.
この新しい上記NF−SWRO脱塩法は、最初にパイロットプラントで開発され、次のことにより慣用的海水脱塩法について前に言及した主要な問題を解決するのに成功したことが証明された:(1)SWRO膜汚染の防止、(2)プラントスケール形成の防止、及び(3)収率及び回収率の両方で著しくプラントの生産性を増大し、SWRO生成物の品質を改良するのみならず、単位水生成物当たりのエネルギー必要量及びコストの両方を低下する。図6に示したように、NF膜ユニットと、熱式脱塩MSFDユニットとを二重ハイブリッド脱塩ユニットとして接続することにより、同様な利点が得られた。同様に、同じ図面に示したように、NF生成物が供給されるSWROユニットでの排除物から硬質物質が除去されているために、SWRO排除物が、MSFDユニットへの補充供給物として用いられて成功を収めている。二重NF−MSFハイブリッド及びNF−SWRO(排除物)−MSFの三重ハイブリッドの両方で、MSFユニットは、初めて120℃の最高ブライン温度(TBT)でさえも操作され、後でスケール防止剤を用いずに、130℃までの一層高いTBTで操作されたが、70%〜80%までの高い収率でスケールを形成することはなかった(前のパラグラフの文献参照)。 This new NF-SWRO desalination process was first developed in a pilot plant and proved successful in solving the major problems previously mentioned for conventional seawater desalination processes by: (1) prevention of SWRO membrane contamination, (2) prevention of plant scale formation, and (3) not only significantly increasing plant productivity and improving SWRO product quality both in yield and recovery. Reduce both energy requirements and cost per unit water product. As shown in FIG. 6, a similar advantage was obtained by connecting the NF membrane unit and the thermal desalting MSFD unit as a double hybrid desalting unit. Similarly, as shown in the same drawing, the SWRO reject is used as a supplemental feed to the MSFD unit because the hard material has been removed from the reject in the SWRO unit to which the NF product is supplied. Has been successful. In both the double NF-MSF hybrid and the NF-SWRO (exclusion) -MSF triple hybrid, the MSF unit is operated for the first time even at a maximum brine temperature (TBT) of 120 ° C. and later with scale inhibitors. Without operating at higher TBT up to 130 ° C., but did not form scales in high yields up to 70% -80% (see previous paragraph literature).
MED、又はVCD、又はRHの型の熱式ユニットのいずれかにより図6のMSFDユニットを置き換えた場合、同じ論旨が当て嵌まるか、いずれの場合でも、そのユニットは、同じ図に示したNF又はSWROユニットからのNF生成物又はSWRO排除物を補充して操作されている。蒸気が通過する蒸発管の表面にスケールが形成されるのを回避するため、単独に操作されるMED、又はVCD、又はRHユニットの操作は、70℃以下の程度のTBT限界に制限されている。NF生成物、又はSWROユニットからの排除物、又はNF生成物と、そのNF生成物に対し操作されたSWROユニットからのSWRO排除物との混合物についての、図6に示したようなそれらユニットのいずれかの操作により、それらの現在のTBT限界よりも遥かに高いTBTで操作し、蒸留物収率及び回収率の両方で著しい利得を得ることができる。これらの補充条件の下で、例えば、MEDユニットは、スケール発生の危険を持つことなく、スケール防止剤を添加することなく、TBT>70℃、例えば、80〜120℃以上で現在安全に操作することができる。 If the MSFD unit of FIG. 6 is replaced by either a MED, or VCD, or RH type thermal unit, the same argument applies, and in either case, the unit is a NF or Operating with replenishment of NF product or SWRO exclusion from the SWRO unit. In order to avoid the formation of scale on the surface of the evaporation tube through which steam passes, the operation of a single-operated MED, or VCD, or RH unit is limited to a TBT limit of the order of 70 ° C. or less. . NF products, or exclusions from SWRO units, or mixtures of NF products and SWRO exclusions from SWRO units that have been manipulated for that NF product, as shown in FIG. Either operation can operate with TBT much higher than their current TBT limit, and can obtain significant gains in both distillate yield and recovery. Under these replenishment conditions, for example, the MED unit operates safely at TBT> 70 ° C., eg, 80-120 ° C. or higher, without the risk of scale generation and without the addition of scale inhibitors. be able to.
一緒にしたNF・SWROユニットを、夫々唯一つの段階で操作した場合のこの二重NF−SWRO脱塩法は、更に図7に示したように、商業的規模のプラント、1986年に委託された現存するUmm Lujj SWROプラントで一つのSWROトレイン(Train)100、能力2203m3/d(582,085gpd)に適用された。そのプラントは、単一のSWRO脱塩法から、現存するSWROユニットの前にNF前処理及び半脱塩ユニットを導入することにより、新規な二重NF−SWRO脱塩法へ変換された(図7)。実際のNFプラントの写真が図8に示されており、その写真の前方ユニットは、写真の後方のSWROユニットと完全に一体化されたNFユニットである。同じプラントで第二のライン、トレイン200は、設計及び製造の点でトレイン100と同様であるが、単一SWRO方式で操作され続けた。二重NF−SWRO法へプラントを変化させる前に、大きなNF−SWROプラントのための操作パラメーターを確立するために、設計及び操作で新規なNF−SWROプラントに類似した実証用ユニットを用いてその方法を試験した。この実験の結果から、トレイン100NF−SWROでのNF回収率を65%に固定し(図9)、その後で70%のNF生成物回収率で2カ月に亙り実証用移動パイロットユニットで操作し成功を収めた;ハッサンA.M.その他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集(バーレーン)2001年10月、アブストラクト、p.193−194参照。
This dual NF-SWRO desalination process, when the combined NF / SWRO units were each operated in a single stage, was further commissioned in 1986, a commercial scale plant, as shown in FIG. The existing Umm Lujj SWRO plant was applied to one
トレイン100のNFユニットのSO4 =、Mg++、Ca++、HCO3 −、のスケール形成性硬質イオンのイオン排除率及び全硬度は、夫々99.9%、98%、92%、56%、及び97%であった(図10)。この非常に大きな硬質イオン排除率は、一価Cl−イオンについての僅か24%の排除率及びTDSイオンの38%排除率と比較されるものであり、海水供給物の約45,460のTDSは、NF生成物中、28,260に減少した(図10)。
The ion exclusion rate and the total hardness of scale-forming hard ions of SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , HCO 3 − of the NF unit of
新規な二重NF−SWRO脱塩ハイブリッドのこの商業的SWROユニットの操作から得られた結果は、慣用的商業用SWRO脱塩法でのその(SWROユニット)操作に対し、著しく改良された生成物生産率及び回収率を示している。NF−SWRO方式で操作されたトレイン100の生産率(productivity)は、NF生成物の供給物から130m3/時であり、それが1回の慣用的SWRO操作で234m3/時の海水供給物から360m3/時で操作された時の91.8m3/時の生産率と比較されるものであり、42%のトレイン生産率の増大になっている。更に、二重NF−SWRO操作のSWROユニットの56%の回収率は、それ(SWROユニット)が単一方式で操作された時のその回収率28%の2倍になっている。同じ傾向は、NF−SWROトレイン100の透過物生産率及び回収率を、SWROトレイン200から得られた結果と比較した時にも認められており、SWROユニットについて夫々1.5:1.0及び56%:23.5%の比になっており、後者のトレイン操作よりも前者の方がよくなっている(図11)。又、慣用的SWRO法での操作と比較して、二重NF−SWROハイブリッドのトレイン100操作は、単位生産量(m3)当たりのエネルギー消費及びコストを夫々23%及び46以上著しく減少している。SWRO操作と比較して、NF−SWRO法による単位水生成量当たりのエネルギー消費/m3及びコストの両方で予想された節約は、夫々39%及び68%である。更に、SWROからNF−SWRO操作へのライン変換は、迅速に比較的低いコストで行うことができる。
The results obtained from the operation of this commercial SWRO unit of a novel dual NF-SWRO desalting hybrid show a significantly improved product over that (SWRO unit) operation in the conventional commercial SWRO desalination process. The production rate and recovery rate are shown. The productivity of the
米国特許第6,190,556号B1明細書(2001年2月20日)には、低圧操作(250〜350psi)用に設計された加圧容器を用いて海水のような水性供給物から飲料水を製造するための装置及び方法が記載されており、その容器中には、NF及びROの両方の膜が、RO膜部材よりも上流にNF膜部材を置いて配置されている。海水供給物は、先ずその容器を通して送られ、NFを通ってこの低圧で処理され、硬質物を除去するが、RO膜領域を通って影響を受けることなくフラッシュされるだけである。特別に設計された機構中に収集されたNF生成物は、後で同じポンプを用いて同じ圧力で同じ容器を通って送られ、その浸透圧を低下し、RO膜を通って脱塩することができる。 US Pat. No. 6,190,556 B1 (February 20, 2001) describes a beverage from an aqueous supply such as seawater using a pressurized vessel designed for low pressure operation (250-350 psi). An apparatus and method for producing water is described, in which both NF and RO membranes are placed with an NF membrane member upstream of the RO membrane member. The seawater feed is first sent through the vessel and processed at this low pressure through NF to remove the hard material, but is only flushed unaffected through the RO membrane area. The NF product collected in a specially designed mechanism is later sent through the same vessel at the same pressure using the same pump, reducing its osmotic pressure and desalting through the RO membrane. Can do.
幾つかの他の特許では、SWRO脱塩で、SWROモジュールより前にROモジュールを用いている。米国特許第4,341,629号明細書(1982年7月)には、最初に90%のイオン排除率の酢酸セルロースを用い、次に98%のイオン排除率の三酢酸セルロースを用いた方法が記載されている。米国特許第4,156,645号明細書(1979年5月)の発明は、二つの連続した別々の段階で、夫々それ自身の高圧ポンプを有する段階で、50〜75%のイオン排除率を有する緩い(loose)RO膜からの生成物を処理するためSWRO気密膜を用い、P=300〜400psiの低圧で操作する淡水回収法を提案している。EPO 6,120,810では、緩いRO膜ユニットは、気密膜ユニットよりも前に用いており、夫々のユニットは別々に操作され、それ自身の高圧ポンプを有する。米国特許第5,238,574号明細書には、複数のRO膜によって水を処理し、次に蒸発機構により水及び塩を生成させる方法及び装置が記載されている。米国特許第4,036,685号明細書にも、第一ROカートリッジから取り出された高品質透過物を生成させると同時に、前記第一ROカートリッジと直列になった次に続く二つのカートリッジからの生成物を一緒にすることにより低品質の透過物を生成させる方法及び装置が記載されている。 Some other patents use an RO module prior to the SWRO module for SWRO desalination. U.S. Pat. No. 4,341,629 (July 1982) describes a method using cellulose acetate with 90% ion rejection first and then cellulose triacetate with 98% ion rejection. Is described. The invention of U.S. Pat. No. 4,156,645 (May 1979) has an ion rejection rate of 50-75% in two successive separate stages, each with its own high pressure pump. A fresh water recovery process is proposed that uses a SWRO hermetic membrane to treat the product from the loose RO membrane it has and operates at a low pressure of P = 300-400 psi. In EPO 6,120,810, a loose RO membrane unit is used before an airtight membrane unit, each unit being operated separately and having its own high pressure pump. U.S. Pat. No. 5,238,574 describes a method and apparatus for treating water with a plurality of RO membranes and then producing water and salts with an evaporation mechanism. U.S. Pat. No. 4,036,685 also produces high quality permeate removed from the first RO cartridge, while at the same time from the next two cartridges in series with the first RO cartridge. A method and apparatus for producing a low quality permeate by combining the products is described.
上で論じたこと及び結果から、他の前処理の外に、非常に特別な機能、即ち、硬質物質及び共有イオンを、一価イオンに対する排除率よりも遥かに大きな程度まで(Umm LujjプラントでのNF排除率参照−図10)、前に述べたようにSWRO又はRO法で要求される圧力よりも遥かに低い圧力で排除する能力を行うようにNFが設計されていることを強調することができる。これらの事実は、この並外れた前処理を特色付け、他の前に示した水分離膜法、即ち、MF、UF、及びROとはその機能を別にしている。この特性から、上述の特許で用いられているナノ濾過、緩い逆浸透、及び低圧逆浸透、即ち、RO、緩いRO、LPRO前処理供給物を受けるSWRO膜は、当分野では同じとは考えられていないことに注意すべきである。実際、当業者は、硬質物を除去し、その結果、高回収率でスケールを形成することなくSWROから飲料水を生成させることを可能にする海水供給物のナノ濾過(NF)前処理は、逆浸透(RO)又は緩い膜逆浸透(LMRO)とは操作上又は機能上同等なものではないと言うこの事実を認めてきたし、依然として認めている。下に引用した文献は、その相違を強調している: From the discussions and results above, in addition to other pretreatments, very special functions, i.e. hard materials and shared ions, to a much greater extent than the rejection rate for monovalent ions (in Umm Lujj plant). (See Figure 10), stressing that NF is designed to perform the ability to eliminate at much lower pressures than those required by SWRO or RO methods as previously described. Can do. These facts characterize this extraordinary pretreatment and separate its function from the other previously shown water separation membrane methods, ie MF, UF and RO. Because of this property, the nanofiltration, loose reverse osmosis, and low pressure reverse osmosis used in the above-mentioned patents, ie, SWRO membranes that receive RO, loose RO, and LPRO pretreatment feeds, are considered the same in the art. It should be noted that not. In fact, the nanofiltration (NF) pretreatment of seawater feeds that allow those skilled in the art to remove hards and, as a result, produce drinking water from SWRO without forming scales with high recovery rates, We have and have recognized this fact that reverse osmosis (RO) or loose membrane reverse osmosis (LMRO) is not operationally or functionally equivalent. The references cited below highlight the differences:
1. ベケット(Bequet)その他、Desalination, 131;299-305 (2000)。
2. ビスコーナー(Bisconer)、「ナノ−及び限外−濾過の能力開発」(Explore the Capabilities of Nano- and Ultrafiltration)、Water Technology, March 1998、(2頁;頁番号は述べられていない)。
3. コダック(Kodak)、「専門家用動画映像のためのナノ濾過」(Nanofiltration for Professional Motion Imaging)、On-Line Technical Support paper, pp, 1-6 (1994-2000)。
4. リンデ(Linde)その他、Desalination, 130; 223-232 (1995)(アブストラクトのみ)。
5. ニコライセン(Nicolaisen)、「ナノ濾過−どこで大画像に属するか」(Nanofiltration-Where does it Belong in the Larger Picture)、第1頁〜第7頁、「淡水化(Desal)−5」膜生成物のための生成物技術公報(Product technical bulletin for "Desal-5" membrane products; ディサリネーション・システムズ社(Desalination System, Inc.)(1994年12月)。
6. 工業的膜のスコット・ハンドブック(Scott Handbook of Industrial Membrane)、1995年(第46頁)。
1. Bequet et al., Desalination, 131; 299-305 (2000).
2. Bisconer, “Explore the Capabilities of Nano- and Ultrafiltration”, Water Technology, March 1998, (2 pages; page numbers not stated).
3. Kodak, “Nanofiltration for Professional Motion Imaging”, On-Line Technical Support paper, pp, 1-6 (1994-2000).
4). Linde et al., Desalination, 130; 223-232 (1995) (abstract only).
5. Nicolaisen, “Nanofiltration-Where does it Belong in the Larger Picture”, pages 1-7, “Desal-5” membrane product Product technical bulletin for "Desal-5" membrane products; Desalination Systems, Inc. (December 1994).
6). Scott Handbook of Industrial Membrane, 1995 (page 46).
ビスコーナーが認めているように、当分野では、RO及びNFは「いとこ同志」であると考えることができ、用いられている膜は同じように見えるが、実際にはそれらは「明確に異なった分離機能を働かせている」ことを認めている。NFとRO(BWRO、緩いRO、及びLPRO)の間の重要な相違の中で、NFは、ROよりも、硬質イオン性化学種の著しく大きな排除率を、遥かに大きな全生成物流束で与え、そのことは実際にUmm Lujj NF−SWRO実験で観察されていることが前記文献から明らかである。このことは、更に、遥かに大きな供給物品質の改良を与える。上記ハッサンその他及び図10参照。特に、ニコライセン(1994)が、当分野で時々種々の用語が誤って用いられているが、当業者は、NaClの排除よりもジ−及びトリ−陰イオン性化学種を少なくとも特に一層大きく排除するのみならず、それがRO膜の流束よりも遥かに大きな(NF膜)流束を有する点で、ROに対するNFの明確な優秀性を認識していることを指摘しているも参照されたい。更に、それは、SWRO膜よりも混濁物汚染に対し一層大きな許容性を有する。他の人達は、RO流束がNF流束に比較して低く、遥かに大きな膜表面積と共に大きな圧力がNF膜の場合よりもROの場合に必要になることを認めることにより、同じ指摘をしている。これらの事実は、Umm Lujjプラント・トレイン100でのNF−SWRO操作の上記商業的実験で観察されており、この場合各NFモジュールは、殆ど三つのSWROモジュール(一つのモジュールは、六つの膜部材を取付けた一つの圧力容器からなる)への供給物を与えている。実際の効果があるためには、ROユニットは、固体粒子の除去で、NF膜法よりも一層微細な供給物の前処理を必要とする。
As Vis Corner admits, in this field, RO and NF can be considered “cousins” and the membranes used look the same, but in practice they are “clearly different” "I have a separate function." Among the important differences between NF and RO (BWRO, loose RO, and LPRO), NF gives a significantly larger rejection rate of hard ionic species at a much larger total product stream bundle than RO. It is clear from the above literature that this is actually observed in the Umm Lujj NF-SWRO experiment. This further provides a much greater feed quality improvement. See Hassan et al. And FIG. In particular, although Nicolaicen (1994) sometimes misrepresents various terms in the art, those skilled in the art will exclude di- and tri-anionic species at least particularly greater than the exclusion of NaCl. Not only does it point out that it recognizes the clear superiority of NF to RO in that it has a much larger (NF membrane) flux than the flux of RO membranes. I want. Furthermore, it has greater tolerance to turbid contamination than SWRO membranes. Others make the same point by recognizing that the RO flux is low compared to the NF flux and that a much greater pressure with a much larger membrane surface area is required in the RO than in the NF membrane. ing. These facts have been observed in the above commercial experiment of NF-SWRO operation in the Umm
SWRO膜は、最も気密な脱塩膜であり、それらの大きな塩(全てイオン)排除率を特徴とする。SWRO膜は、高圧、膜の種類により55〜82バールで操作され、それらの流量が低いため、SWRO法は、多量の水を生成させるためには多数のSWRO膜を必要とする。これらの全ての因子のために、SWRO法による水生成コストは、他の全ての膜脱塩法の中で最も高いと考えられている。一方、NF膜は、遥かに低い圧力で操作され、大きな流量を有することを特徴とする。しかし、最も重要なことは、上で述べたように、それらは、スケール形成性硬質イオン(SO4 −、Ca++、Mg++、HCO3 −)の排除に対する大きな特異性を特徴とする。ハッサンその他の前に与えた文献参照。 SWRO membranes are the most airtight desalination membranes and are characterized by their large salt (all ions) rejection. SWRO membranes are operated at a high pressure, 55-82 bar depending on the membrane type, and their flow rates are low, so the SWRO method requires a large number of SWRO membranes to produce a large amount of water. Because of all these factors, the cost of water production by the SWRO method is considered the highest among all other membrane desalination methods. On the other hand, the NF membrane is operated at a much lower pressure and has a large flow rate. Most importantly, however, as noted above, they are characterized by great specificity for the elimination of scale-forming hard ions (SO 4 − , Ca ++ , Mg ++ , HCO 3 − ). See literature given earlier by Hassan et al.
SWRO及びNF膜の間のそれら主要な異なった性質、品質、及び特徴のみならず、上述の緩いRO又は低圧RO膜を含めた他のRO膜からNFを区別する性質により、一つの二重NF−SWRO操作法として、又はNF−熱式、又はNF−SWRO(排除物)−熱式から構成された三重ハイブリッドとして、NFとSWRO膜、又はNFと熱式法とを完全に一体化することにより利点が確実に得られており、それは上記ハッサンA.M.による米国特許第6,508,936号明細書により、最初はパイロットプラント規模(図6参照)で、次に商業的プラント規模(図7及び8参照)で行われ成功を収めている通りである。しかし、これは、NF及びSWROユニットの各々のみならず、熱式ユニットを一段階で用いることにより行われている。後で示すように、二つの段階間にターボチャージャーを配置してブラインからのエネルギーを回収するようにして、二段階に設定した二重NF2−SWRO2中でNF及びSWROユニットの各々を操作することにより一層大きな利点が見られている。提案された紅海SWROプラントのための図12に示したこの高度に最適化され、よく設計された二重NF(二段階)−SWRO(二段階)構成は、316m3/時の供給量及び約170.0m3/時(1.08mgd)の収率を与え、最適の海水脱塩法であり、プラント生産率、及び収率と水回収率との両方を上昇させ、海からの淡水ユニット製造のエネルギー必要量及びコストを低下することにより経済的効率的SWRO脱塩操作を与えるのみならず、それは、従来の慣用的海水脱塩法により予測できるものを、効率的に遥かに凌駕している。この方法は、更に本発明のNF2−熱式及びNF2−SWRO2(排除物)−熱式の操作にも更に適用され(図4及び5)、この場合、熱式ユニットはMSFD、又はMED、又はVCD、又はRHにしてもよく、SWRO1は、高圧許容性SWRO膜(P≒84バール)を用いてP≒75±10バールで操作される一つのSWROユニットから構成されている。 Not only their main different properties, quality, and characteristics between SWRO and NF membranes, but also the ability to distinguish NF from other RO membranes, including the above-mentioned loose RO or low pressure RO membranes, one dual NF -Complete integration of NF and SWRO membrane, or NF and thermal method, as a SWRO operating method, or as a triple hybrid composed of NF-thermal method, or NF-SWRO (exclusion) -thermal method. The advantages are certainly obtained by Hassan A. M.M. U.S. Pat. No. 6,508,936, as successfully performed first on a pilot plant scale (see FIG. 6) and then on a commercial plant scale (see FIGS. 7 and 8). . However, this is done by using not only each of the NF and SWRO units, but also a thermal unit in one step. As shown below, each of the NF and SWRO units is operated in a dual NF 2 -SWRO 2 set in two stages with a turbocharger placed between the two stages to recover energy from the brine By doing so, a greater advantage is seen. This highly optimized and well-designed dual NF (two stage) -SWRO (two stage) configuration shown in FIG. 12 for the proposed Red Sea SWRO plant has a feed rate of about 316 m 3 / hour and about A yield of 170.0 m 3 / hr (1.08 mgd), an optimal seawater desalination method, increasing both plant production rate and yield and water recovery rate, producing freshwater units from the sea Not only does it provide an economically efficient SWRO desalination operation by lowering the energy requirements and costs of it, but it effectively outperforms what can be predicted by conventional, conventional seawater desalination methods. . The method further of the present invention NF 2 - thermal and NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - also be further applied to a thermal operation (Fig. 4 and 5), in this case, the thermal unit MSFD, or It may be MED, VCD, or RH, SWRO 1 is composed of one SWRO unit operated at P≈75 ± 10 bar using a high pressure tolerant SWRO membrane (P≈84 bar).
この上記最適NF(二段階)−SWRO(二段階)及び二重及び三重NF2−熱式海水脱塩システムは、米国特許第6,190,556B1号明細書に記載された方法を含めた従来法とは全く異なっているのみならず、工程効率及び経済性の点でそれらより遥かに優れている。例えば、米国特許第6,190,556B1号明細書(2001年2月20日)に記載されているNF−SWROシステムは、両方のNF及びSWRO部材が同じ一つの加圧容器中に配置されているが、一つの圧力ポンプを用いて、同じであるが低い圧力の17〜25バール(250〜350psi)で操作されている。このシステムでは、先ず充分NF生成物を収集することにより操作を開始し、然る後、この収集したNF生成物を特別に設計され制御された保持タンク中に入れ、加圧下(250〜350psiの低い圧力)でSWRO膜に通し、主にSWRO低圧のために疑問視される品質の生成物を生ずる。一層重要なことは、NF膜を、一部の時間操作すると、次にSWROを操作している間空転させたままにし、或はそれを逆にして、NF又はSWRO膜を部分的に利用していることである。これに対し、本願による全ての構成部分及びユニットで、SWROの組合せを用いた又は用いないFN2−熱式、又はNF(二段階)−SWRO(二段階)の二重及び三重ハイブリッドでは、完全に100%用いられており、その事実は一層大きなプラント生産率を与える結果になっている。更に、二段階構成は、第二段階供給物に充分な高圧を与え、特に上記ハイブリッドの第一段階及び第二段階のSWROユニットに与えており、この場合も上記米国特許第6,190,556B1号明細書の使用から得られるものよりも遥かに高い生成物品質と共に一層高いプラント生産率を与えている。二つの方法により商業的規模で同じ量の水を生成させるためには、本願で与えた方法(最適法)によるよりも、後者の方法を用いると、一層大きな資本投資及び一層多くの設備を必要とする。 The above optimum NF (2 stages) -SWRO (2 stages) and double and triple NF 2 - thermal seawater desalination system, conventionally, including methods described in U.S. Pat. No. 6,190,556B1 Not only are they completely different from the law, they are far superior to them in terms of process efficiency and economy. For example, the NF-SWRO system described in US Pat. No. 6,190,556 B1 (February 20, 2001) has both NF and SWRO members placed in the same pressurized container. However, it is operated at the same but lower pressure of 17-25 bar (250-350 psi) using a single pressure pump. In this system, the operation is first started by collecting sufficient NF product, after which the collected NF product is placed in a specially designed and controlled holding tank and under pressure (250-350 psi). Low pressure) through the SWRO membrane, producing a product of questionable quality mainly due to the SWRO low pressure. More importantly, if the NF membrane is operated for some time, it can be left idle during the next SWRO operation, or vice versa, to partially utilize the NF or SWRO membrane. It is that. In contrast, in all components and units according to the present application, FN 2 -thermal, with or without SWRO combination, or NF (two-stage) -SWRO (two-stage) double and triple hybrids are completely This fact has resulted in a higher plant production rate. In addition, the two-stage configuration provides sufficient high pressure for the second stage feed, particularly for the first and second stage SWRO units of the hybrid, again in this US Pat. No. 6,190,556 B1. Giving a higher plant production rate with a much higher product quality than that obtained from the use of the specification. To produce the same amount of water on a commercial scale by the two methods, the latter method requires more capital investment and more equipment than the method given here (optimal method). And
従って、塩水、特に海水から淡水を良好な収率で経済的に生じ、上で述べた問題を効果的及び効率的に処理し、即ち、そのような塩水から硬質物質及び混濁物を除去し、単位水生成物当たりの低いエネルギー消費及び低い水コストを含めた増大したプラント生産率及び経済的効率で全溶解固体を減少させる最適熱式海水脱塩法を得ることができることは、実質的に世界中の人間、特に海からの淡水を必要とするが、それが出来ない人々にとっての関心事になるであろう。熱式MSFD、又はMED、又はRH、又はVCDプラントへの補充を与える、NF生成物を供給したSWROユニットからの排除物、又はNF(二段階)前処理法の利用も、これらの熱式脱塩ユニットで同様な利得を与えることになり、これら全ての海水熱式脱塩プラントの効率の膨大な改良を与える結果になる。 Therefore, it produces economically fresh water from salt water, especially sea water, in a good yield, effectively and efficiently addresses the problems mentioned above, ie removes hard substances and turbidity from such salt water, The ability to obtain an optimal thermal seawater desalination process that reduces total dissolved solids with increased plant production rates and economic efficiency, including low energy consumption per unit water product and low water costs, is virtually worldwide. It will be of interest to people inside, especially those who need fresh water from the sea, but can't. Use of thermal MSFD, or MED, or RH, or rejects from SWRO units fed with NF product, or replenishment to VCD plants, or the use of NF (two-stage) pretreatment methods can also be used. A salt unit will give a similar gain, resulting in a huge improvement in the efficiency of all these seawater thermal desalination plants.
本発明の要約
図4及び5に与えた構成で代表される二つの実質的に異なる水膜及び熱式法を、従来行われていなかったやり方で組合せることにより、特に海水に重点をおいた塩水を脱塩し、飲料水を含めた高品質の淡水を非常に高い収率で生成し、遥かに低い効率の従来法の熱式脱塩法に等しいか又はそれより良い単位生成物当たりのエネルギー消費で生成させる最適熱式海水脱塩法を発明した。この目的を達成するため、三重ハイブリッド法の一部分として図5のNF及びSWROユニットの各々を二つの段階で、それら段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置するか、又は90バールまでの高圧許容性膜で操作されるエネルギー回収TC又はPXシステムを具えた一段階SWROを用いて、下及び前の節で述べた方法のためのNF及びSWRO膜選択性をもたせて操作する。このやり方は、生成物の品質を改良すると共に、各段階からの生成物の収率及び生産率を増大するのみならず、本方法の最適NF2−SWRO2、又はNF2−SWRO1部分:慣用的単一SWRO法の比が、約0.445:1になる比で単位水生成物当たりのエネルギー消費を減少させ、単位水生成物当たりのコストを減少させる最終的効果を有する。本方法では、第一脱塩工程として二段階ナノ濾過を、相乗的に、(1)MSFD、MED、VCD、又はRHの熱式脱塩ユニットと組合せて、NF2−熱式のハイブリッド(図4)を形成するか、又は(2)二段階SWRO2ユニット又は一段階SWRO1ユニットと相乗的に組合せて、飲料生成物及び排除物を形成し、後者は、NF−SWRO(排除物)−熱式の三重ハイブリッド(図5参照)でそれと組合わさって熱式ユニット(MSFD、又はMED、又はVCD、又はRH)への補充物を構成し、完全に総合された脱塩システムを与え、それによって塩水(特に海水)が効率的及び経済的に高品質の淡水へ、従来法の熱式海水脱塩法単独又はこれまで知られているか又は記載されている組合せで得られる収率よりも著しく大きく良好な収率で転化される。従って、個々の工程は別々には知られており、そのような工程は異なった目的で他の方法と組合せて個々には記載されてきているが、異なった段階及び構成によるものであり、前に論じたように、本発明の方法は従来当業者に知られていたり、考えられたりしていなかったものであり、従来法の方法及び装置と比較して、本方法により得られる塩水脱塩の全ての形式(膜式又は熱式)で驚くべき独特の大きな改良及び大きなシステム効率が得られることを示唆するものは従来法では全くなかった。
SUMMARY OF THE INVENTION By combining two substantially different water film and thermal methods represented by the configurations given in FIGS. 4 and 5 in a manner not previously performed, special emphasis is placed on seawater. Demineralize salt water to produce high quality fresh water, including drinking water, in very high yields per unit product equal to or better than the conventional thermal desalination process with much lower efficiency We have invented an optimal thermal seawater desalination method that generates energy consumption. To achieve this objective, as part of the triple hybrid process, each of the NF and SWRO units of FIG. 5 is arranged in two stages, with an energy recovery turbocharger between them, or high pressure tolerance up to 90 bar. A single stage SWRO with a membrane operated energy recovery TC or PX system is used to operate with NF and SWRO membrane selectivity for the methods described below and in the previous section. This approach not only improves product quality and increases product yield and production rate from each stage, but also the optimal NF 2 -SWRO 2 or NF 2 -SWRO 1 portion of the process: The ratio of the conventional single SWRO process has the net effect of reducing energy consumption per unit water product at a ratio of about 0.445: 1 and reducing cost per unit water product. In this method, two-step nanofiltration as a first desalting step is synergistically combined with (1) a thermal desalination unit of MSFD, MED, VCD, or RH to produce an NF 2 -thermal hybrid (Figure 4) or (2) synergistically combined with a two-stage SWRO 2 unit or a one-stage SWRO 1 unit to form a beverage product and an exclusion, the latter being NF-SWRO (exclusion)- A thermal triple hybrid (see Figure 5) combined with it constitutes a supplement to the thermal unit (MSFD, or MED, or VCD, or RH), giving a fully integrated desalination system, Allows salt water (especially seawater) to be efficiently and economically high quality freshwater, significantly more than the yields obtained with conventional thermal seawater desalination methods alone or in combination so far known or described Big good Converted in good yield. Thus, individual processes are known separately and such processes have been described individually in combination with other methods for different purposes, but are due to different stages and configurations, As discussed above, the method of the present invention has not previously been known or conceived by those skilled in the art, and compared with the conventional method and apparatus, the salt water desalination obtained by this method. There is nothing in the prior art that suggests that all the forms (membrane type or thermal type) of this type provide surprising and unique great improvements and great system efficiency.
従って、広い態様として、本発明は、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、粒状物質、及び多量の全溶解固体を含有する塩水を、二段階ナノ濾過に、それらの段階の間にエネルギー回収ターボチャージャーを配置し、必要に応じ圧力増大ポンプを補充して通し、前記硬質イオン性化学種の含有量が劇的に減少しているのみならず、海水よりも著しく低いTDS含有量を有し、微生物又は粒状物質が完全に除去された第一高回収率低エネルギー消費性NF水生成物を形成し、然る後、前記二つのNF段階からのNF生成物を一緒にした前記第一水生成物を、次のMSFD、又はMED、又はVCD、又はRH海水脱塩ユニットに通して、前記排除生成物(ブローダウン)(図4)の塩度よりも遥かに低く、飲料水品質の塩度に等しい塩度を有する第二水生成物(蒸留物)を生成させることを含む脱塩法にある。 Thus, in a broad aspect, the present invention provides for the recovery of energy between hard scale-forming ionic species, microorganisms, particulate matter, and large amounts of total dissolved solids to two-stage nanofiltration, during those stages. Place turbocharger and refill with pressure increasing pump as needed, not only the content of the hard ionic species is dramatically reduced, but also has a TDS content significantly lower than seawater Forming a first high recovery, low energy consuming NF water product from which microorganisms or particulate matter have been completely removed, after which the first water combined with the NF products from the two NF stages The product is passed through the next MSFD, or MED, or VCD, or RH seawater desalination unit, which is much lower than the salinity of the rejected product (blowdown) (Figure 4) and has a drinking water quality salt Salt equal to degrees In desalination processes comprises generating a second water product (distillate) having.
第二の広い態様の場合でも、本発明は、請求項1に記載のように、硬質スケール形成性イオン性化学種、微生物、及び粒状物質を含有する塩水を、二段階NF(NF2)膜処理ユニットに通し、二つのNF段階の生成物を一緒にしたものから、前記イオン性化学種、微生物、又は粒状物質の含有量が低下した第一水生成物を形成し、然る後、前記第一水生成物を、次の二段階SWRO(SWRO2)で、それら段階の間にエネルギー回収TCを具え、必要に応じ圧力増大ポンプを補充したそれら段階に通し、前記二つのSWRO段階からの一緒にした生成物から、減少した塩度を有する飲料品質の低エネルギー消費性SWRO水生成物である第三水生成物、及び塩度は増大しているが、硬質スケール形成性イオンが非常に低くなった第四排除生成物を形成し、然る後、前記SWRO排除物を、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRH海水蒸留ユニットへ通し、飲料水の塩度に等しい塩度で、前記排除生成物の塩度よりも遥かに低い塩度を有する第二水生成物(蒸留物)を形成することを含む脱塩法を包含する。
Even in the case of the second broad aspect, the present invention provides a two-stage NF (NF 2 ) membrane containing saline containing hard scale-forming ionic species, microorganisms, and particulate matter as claimed in
第一及び第二の態様は、両方共最適熱式海水脱塩法のための基礎を構成し、それは、次の海水熱式脱塩ハイブリッドを含む本特許出願の主題である:
1. NF(二段階)−MSFD、又は
NF(二段階)−MED、又はNF(二段階)−VCD、又はNF(二段階)−RH、
の二重NF−熱式、或は
2. NF(二段階)−SWRO2(排除物)−MSFD、又は
NF(二段階)−SWRO2(排除物)−MED、又は
NF(二段階)−SWRO2(排除物)−VCD、又は
NF(二段階)−SWRO2(排除物)−RH、
の三重NF2−SWRO2−熱式。
Both the first and second aspects constitute the basis for an optimal thermal seawater desalination process, which is the subject of this patent application including the following seawater thermal desalination hybrid:
1. NF (two-stage) -MSFD, or NF (two-stage) -MED, or NF (two-stage) -VCD, or NF (two-stage) -RH,
1. Double NF-thermal, or NF (two-stage) -SWRO 2 (exclusion) -MSFD, or NF (two-stage) -SWRO 2 (exclusion) -MED, or NF (two-stage) -SWRO 2 (exclusion) -VCD, or NF ( two steps) -SWRO 2 (elimination thereof)-RH,
Thermal - triplet NF 2 -SWRO 2 of.
ここで、二重ハイブリッドで、NF生成物は熱式ユニット補充物を構成するのに対し、三重ハイブリッド・システムでは、一又は二段階SWROからの排除物は熱式ユニットへの補充物を構成する。 Here, in the double hybrid, the NF product constitutes the thermal unit supplement, whereas in the triple hybrid system, the reject from the one or two stage SWRO constitutes the supplement to the thermal unit. .
更に、図4及び5に示したような上記構成のNFユニットは、二つのNFユニット(NF2)に、それらの段階の間にエネルギー回収TCを配置したものからなるが、段階間に加圧ポンプを具えた二段階NFユニットを具えた塩度回収PXで同様に置き換えることができる。同じやり方で、段階間にエネルギー回収TCを有する二段階SWRO(SWRO2)は、高圧(P≒84バール)許容性SWRO膜を持って操作されるエネルギー回収PXユニットを具えた一段階SWRO1によって置き換えることができる。 Further, the NF unit configured as shown in FIGS. 4 and 5 is composed of two NF units (NF 2 ) in which an energy recovery TC is arranged between the stages. A salinity recovery PX with a two-stage NF unit with a pump can likewise be replaced. In the same way, a two-stage SWRO (SWRO 2 ) with energy recovery TC between the stages is achieved by a one-stage SWRO 1 with an energy recovery PX unit operated with a high pressure (P≈84 bar) tolerant SWRO membrane. Can be replaced.
本方法は、塩水(特に海水)の性質の著しい減少を容易に経済的に生じ、飲料水を含めた良好な淡水を生ずる。典型的には、本発明によるこの二段階NF生成物の処理は、海水供給物の性質に関し、75%〜95%以上のオーダーのカルシウム及びマグネシウム陽イオン含有量の減少、90〜99.9%以上のオーダーの硫酸塩の減少、約0.4〜0.5のpH減少、及び約30%〜50%の全溶解固体含有量(TDS)の減少を与える。一方、SWROユニットからの生成物は飲料水の品質を有するが、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRHユニットからの飲料水生成物は、それらユニットがNF生成物又はNF生成物が供給されたSWROユニットからのSWRO排除物からなる補充物によって操作された場合、蒸留物である。 The method easily and economically produces a significant reduction in the properties of salt water (especially sea water) and produces good fresh water, including drinking water. Typically, the treatment of this two-stage NF product according to the present invention, with respect to the properties of the seawater feed, reduces the calcium and magnesium cation content on the order of 75% to over 95%, 90-99.9%. This order of sulfate reduction, pH reduction of about 0.4-0.5, and total dissolved solids content (TDS) reduction of about 30-50%. On the other hand, the product from the SWRO unit has drinking water quality, but the drinking water product from the MSFD, MED, or VCD, or RH unit is supplied with NF product or NF product. Distillate when operated by a supplement consisting of SWRO exclusion from the SWRO unit.
図面は、本文中に与えられたデーターに関するグラフ又は工程図である。それら図面の一層詳細な記載は、データーについての論述の中に見出されるであろう。 Drawings are graphs or process diagrams relating to data given in the text. A more detailed description of the drawings will be found in the discussion of data.
詳細な説明及び好ましい態様
本発明の最適海水脱塩は、塩水、特に海水の種々の成分及び性質を先ず考慮することにより最もよく理解されるであろう。前に述べたように、海水は、高いTDS、スケール形成性硬質イオンであるCa++、Mg++、SO4 =、及びHCO3 −が比較的高い濃度で存在することによる高い硬質物質濃度を有し、粒状物質、マクロ及びミクロ有機体の存在による種々の程度の混濁度、及び約8.2のpHを有することを特徴とする。海水脱塩の限界に関する問題及びそれらの効果の多くは、これらの海水の品質及び海水が異物を含有することに関係している。海水は1.2%〜1.7%のオーダーの陽イオン含有量を有するのが典型的であり、その内の約900〜2100ppmが「硬質」陽イオン、即ち、カルシウム及びマグネシウム陽イオンであり、スケール形成性硬質イオン、即ち、硫酸塩及び炭酸水素塩の陰イオン含有量は1.2%〜2.8%の程度であり、pHは7.9〜8.2の程度であるのが典型的であるが、これら性質の一つ以上について一層広い範囲が存在することがあり、1.0%〜5.0%、一般には3.0%〜5.0%のオーダーの全溶解固体含有量を構成することがある。しかし、これらの成分及び性質は、世界の大洋及び海全体に亙って変動することは認められるであろう。例えば、暑い気候の小さな閉じた海では、公海領域よりも高い塩度(イオン含有量)を有するのが普通であり、例えば、表1に示したような湾岸対大洋海水組成になる。
Detailed Description and Preferred Embodiments Optimal seawater desalination of the present invention will be best understood by first considering the various components and properties of salt water, particularly sea water. As mentioned earlier, seawater has a high hard substance concentration due to the presence of high TDS, scale-forming hard ions Ca ++ , Mg ++ , SO 4 = , and HCO 3 − at relatively high concentrations. And having varying degrees of turbidity due to the presence of particulate matter, macro and micro organisms, and a pH of about 8.2. Many of the problems with seawater desalination limitations and their effects are related to the quality of these seawaters and the fact that they contain foreign material. Seawater typically has a cation content on the order of 1.2% to 1.7%, of which about 900-2100 ppm are “hard” cations, ie calcium and magnesium cations. The anion content of scale-forming hard ions, ie, sulfates and bicarbonates, is about 1.2% to 2.8%, and the pH is about 7.9 to 8.2. Typically, there may be a wider range for one or more of these properties, with total dissolved solids on the order of 1.0% to 5.0%, generally 3.0% to 5.0%. May constitute the content. However, it will be appreciated that these components and properties vary throughout the world's oceans and oceans. For example, a small closed sea with a hot climate usually has a higher salinity (ion content) than the high seas region, for example, a bay-to-ocean seawater composition as shown in Table 1.
海水脱塩の一つの主たる問題は、特にSWRO法の場合、海水供給物の高いTDSである。供給物の浸透圧は、供給物のTDSが増大するに従って増大する。与えられた印加圧力をPapplとすると、1000ppmのTDS増大当たり、約0.7バールのこの浸透圧の増大(Pπ)により、得られる圧力Pnetが減少する:
Pnet=Pappl−Pπ (1)
式中、Pnetは、透過物流を生じさせるためRO膜を通って水を押出す圧力である。Pnetを増大し、従って透過物流を増大するためには、膜強度が耐えられる限り、高い印加圧力を必要とする。25℃の温度及び60バールの印加圧力、及び66,615ppmの最終ブラインTDSで、SWRO法で浸透圧及びPnet圧力に対する供給物TDS変動の影響は、前に図3で示してある。膜を通って水を押出すのに有効な印加圧力は、Pnetの陰影を付けた領域によって表されており、それは供給物TDSが増大するに従って減少する。膜を通った透過物流は、水駆動圧力Pnetに正比例するので、本発明の方法により海水供給物TDSの減少は、エネルギーの浪費を減少するのみならず、膜を通る淡水透過物を増大する。下で例示するように、Pnet及びSWROユニット浸透流を増大することになるこの場合の供給物TDSの低下による単位水生成物当たりのエネルギー必要量の低下は、本発明の方法によって得られる主たる有利な効果である。
One major problem of seawater desalination is the high TDS of the seawater feed, especially in the case of the SWRO process. The osmotic pressure of the feed increases as the TDS of the feed increases. Given a given applied pressure P appl , this increase in osmotic pressure (Pπ) of about 0.7 bar per 1000 ppm TDS increase reduces the resulting pressure P net :
P net = P appl −Pπ (1)
Where P net is the pressure that pushes water through the RO membrane to produce a permeate stream. In order to increase P net and thus increase the permeate stream, a high applied pressure is required as long as the membrane strength can be tolerated. The effect of feed TDS variation on osmotic pressure and P net pressure with the SWRO method at a temperature of 25 ° C. and an applied pressure of 60 bar and a final brine TDS of 66,615 ppm has been shown previously in FIG. Effective applied pressure to extrude the water through the membrane is represented by the area shaded in P net Non, it decreases as the feed TDS increases. Since the permeate stream through the membrane is directly proportional to the water driving pressure P net , the reduction of the seawater feed TDS by the method of the present invention not only reduces energy waste but also increases the fresh water permeate through the membrane. . As illustrated below, the reduction in energy requirements per unit water product due to the reduction in feed TDS in this case, which would increase the P net and SWRO unit osmotic flow, is the main gain obtained by the method of the present invention. This is an advantageous effect.
同様に、脱塩プラントがその海水供給物を引き出した領域である、海又は大洋のような小さな領域の混濁度(全懸濁固体及び微生物を反映している)は、有機体及び粒状物の局部的濃度に依存し、同じ海の中でもそのような濃度は、天候、気候及び/又は地形的変化と共に屡々変化することがある。典型的な値は表1に示してあり、典型的な公海の水、地中海、及び閉じた「湾の海」(時々、夫々、「大洋水」及び「湾岸水」としても今後言及する)の水の間の海水変動を例示している。「大洋水」は、屡々標準的(通常の)海水の性質のための基礎として取られているが、ここでの議論の目的から、世界中の大洋及び海の成分及び性質は、実質的にどこでも同様であり、起きることがあるこれらの局部的変動は、当業者により充分理解され了解されるものであることは認められるであろう。従って、ここに記載する本発明は、実質的にどのような地図上の位置でも有用であり、湾岸水又は大洋水に関する操作についての下の記載は、限定するものではなく、単に例として考えられるべきものである。 Similarly, the turbidity (reflecting total suspended solids and microorganisms) of small areas such as the ocean or ocean, where the desalination plant draws its seawater feed, reflects the organism and particulate matter. Depending on local concentrations, such concentrations within the same sea can often change with weather, climate and / or topographical changes. Typical values are shown in Table 1 for typical high sea water, Mediterranean, and closed “bay sea” (sometimes referred to as “ocean water” and “gulf water”, respectively) in the future. The seawater fluctuation between water is illustrated. “Ocean water” is often taken as the basis for standard (usual) seawater properties, but for the purposes of the discussion here, the components and properties of oceans and seas around the world are substantially It will be appreciated that these local variations, which are similar everywhere and can occur, are well understood and understood by those skilled in the art. Thus, the present invention described herein is useful in virtually any map location, and the following description of operations relating to gulf water or ocean water is not intended to be limiting, but merely considered as examples. It should be.
粒状物質(巨大粒子)、微生物(例えば、バクテリア)、及びマクロ有機体(紫貽貝、フジツボ、海草)の存在は、SWRO及び熱式脱塩プラントの両方への供給物からそれらを除去することを必要とする。SWROプラントへ予定された供給物から全懸濁固体として通常定義される混濁物及び微小粒子の除去は必須のものであったが、熱式法では、必ずしも要求されるものではなかった。塩素に敏感なNF及びSWRO膜への供給物から塩素を除去することが、最も必要なことになってきたのである。 The presence of particulate matter (macroparticles), microorganisms (eg, bacteria), and macro-organisms (purple oysters, barnacles, seaweeds) will remove them from the feed to both SWRO and thermal desalination plants. I need. The removal of turbidity and fine particles, usually defined as total suspended solids, from the feed intended for the SWRO plant was essential, but was not always required in the thermal process. It has become most necessary to remove chlorine from the feed to chlorine sensitive NF and SWRO membranes.
既に繰り返し示したように、全ての従来の脱塩法に固有の第三の主な問題は、海水中の硬質イオンの含有量が高いことであり、膜式法の場合よりも熱式法で大きな悪影響を与えている。全ての脱塩法は塩水から淡水を抽出するように操作されるので、塩及び硬質イオンはブライン(brine)中に残され、ブラインTDS及び硬質物濃度の両方が増大する効果を与える。これは図1に例示されている。硬質イオンは海水には僅かにしか溶けないので、脱塩設備内、例えば管、膜等の上にスケールの形でそれらが沈積するのが普通であり、そのため脱塩された湾岸海水の場合には例えば25〜35%以下、大洋海水では30〜40%までの低い値に水回収率が限定されている。脱塩法を操作する条件により、二種類のスケールの形態が生ずる:主にCaCO3及びMg(OH)2からなるアルカリ性軟質スケール及び主にCaSO4、CaSO4・H2O、及びCaSO4・2H2Oからなる非アルカリ性硬質スケールである。後者の形態の形成は温度が高くなる程ひどくなる。なぜなら、CaSO4の溶解度が、溶液温度が増大する程低下するからである。従来、MSFD、又は他のMEDプラントのような熱式脱塩プラントでは、一般に酸及び他のスケール防止添加剤を供給水に添加し、MSFDの場合には90〜120℃のブライン温度で、MEDプラントの場合には65℃のブライン温度で、スケールの形成を起こさないように工程操作を限定している。しかし、それにも拘わらず、湾岸海水からの供給物を補充するための生成物の分率として淡水生成物回収率は25%〜35%以下の低さであった。一層高い操作温度では、SO4 =又はCa++を除去し、一層高い水回収率を得るためにはイオン交換が必要であった。同様に、SWRO操作では、膜又はプラントのスケール形成を防ぐためスケール防止剤も一般に添加されてきているが、その場合も、例えば湾岸海水の場合には慣用的方法による水回収率は、やはり約25〜35%以下に限定されていた。更に、スケール防止剤は通常海洋環境中へ、ブライン廃棄の一部分として、又はスケール除去操作中に戻されるのが普通である。そのような物質は、通常海洋環境で汚染物であり、そのようなものとして回避される方がよいであろう。 As already shown repeatedly, the third major problem inherent in all conventional desalination methods is the high content of hard ions in seawater, which is more thermal than the membrane method. Has a major negative effect. Since all desalting processes are operated to extract fresh water from salt water, salt and hard ions are left in the brine, giving the effect of increasing both the brine TDS and hard matter concentration. This is illustrated in FIG. Since hard ions are only slightly soluble in seawater, they usually deposit in the form of scales in desalination equipment, such as pipes, membranes, etc. For example, the water recovery rate is limited to a low value of 25 to 35% or less, and 30 to 40% in ocean seawater. Depending on the conditions in which the desalting process is operated, two types of scale forms occur: an alkaline soft scale mainly composed of CaCO 3 and Mg (OH) 2 and mainly CaSO 4 , CaSO 4 .H 2 O, and CaSO 4. It is a non-alkaline hard scale composed of 2H 2 O. The latter form becomes worse as the temperature increases. This is because the solubility of CaSO 4 decreases as the solution temperature increases. Traditionally, in thermal desalination plants such as MSFD or other MED plants, acids and other anti-scale additives are generally added to the feed water, and in the case of MSFD, at a brine temperature of 90-120 ° C, the MED In the case of a plant, the process operation is limited so as not to cause scale formation at a brine temperature of 65 ° C. However, nevertheless, freshwater product recovery was as low as 25% to 35% as a fraction of product to replenish the feed from Gulf seawater. At higher operating temperatures, ion exchange was required to remove SO 4 = or Ca ++ and obtain higher water recovery. Similarly, in SWRO operations, scale inhibitors have also been commonly added to prevent membrane or plant scale formation, but again, for example, in the case of Gulf seawater, the water recovery rate by conventional methods is still about It was limited to 25 to 35% or less. In addition, the scale inhibitor is usually returned to the marine environment, as part of a brine discard, or during a descaling operation. Such materials are usually pollutants in the marine environment and should be avoided as such.
海水脱塩の際のこれらの問題及びそれらを軽減するために従来用いられていた対策は、公海(表面)取水から供給物をとった場合のSWROプラントへの供給物に必要な品質条件と共に、表2に既に要約し、与えられている。本発明で適当なスケール防止剤を用いて、又は用いずに使用される二段階NF供給物前処理法は、混濁物、硬質イオンを効率的及び経済的に除去し、TDSを低下することができ、それらのため、本発明の方法は従来法で予想されるよりも高いNF生成物回収率で行うことができ、従って、本発明の方法は、慣用的及び他の従来の海水脱塩法に対し著しい改良を与えるものであることが分かるであろう。更に、硬質イオンの除去は、全ての型の海水脱塩法(膜式又は熱式)で、回収率を増大するのに役立つ。 These problems during seawater desalination and the measures used to mitigate them, along with the quality requirements for the feed to the SWRO plant when taking the feed from the high seas (surface) intake, Table 2 has already been summarized and given. The two-stage NF feed pretreatment method used with or without a suitable scale inhibitor in the present invention can efficiently and economically remove turbids, hard ions and reduce TDS. The process of the present invention can be carried out with higher NF product recovery than would be expected with the conventional process, and therefore the process of the present invention is conventional and other conventional seawater desalination processes. It will be understood that this provides a significant improvement. In addition, the removal of hard ions helps to increase recovery in all types of seawater desalination methods (membrane or thermal).
簡単に述べると、本発明の最適海水熱式脱塩法は、膜式工程段階で硬質物を著しく減少し、TDSを低下し、供給物から混濁物を除去し、それによりエネルギー及び化学的消費量を低下し、水回収率を増大し、海水からの淡水の生産コストを低下する。これは、前の節で既に説明したように、二重又は三重ハイブリッド・システムとしてNFと、SWRO又は熱式脱塩ユニットとの独特の組合せにより達成され、図12に例として示したように、段階間にエネルギー回収ターボチャージャーを有する二段階でのNF及びSWROユニットの各々、又は、二段階NFとMSFD、MED、又はVCD、又はRHとの組合せ(図4)、又は別法として、図5に示したように、三重NF(二段階)−SWRO2(排除物)−熱式としてNF、SWROと熱式との組合せにより達成され、それらは更に媒体濾過との付加的組合せにより更に改良することができ、凝集のある、又はそれのない供給物の品質により、或は海水を収集するため海岸井戸のような地下取水を用いることにより、或は供給物のMF又はUF膜による前処理を使用することにより、改良することができる。 Briefly, the optimal seawater thermal desalination process of the present invention significantly reduces hards, lowers TDS and removes turbidity from the feed in the membrane process step, thereby eliminating energy and chemical consumption. Reduce the volume, increase the water recovery rate, and reduce the production cost of fresh water from seawater. This is achieved by a unique combination of NF and SWRO or thermal desalination unit as a dual or triple hybrid system, as already explained in the previous section, as shown by way of example in FIG. Each of the two-stage NF and SWRO units with an energy recovery turbocharger between stages, or a combination of two-stage NF and MSFD, MED, or VCD, or RH (FIG. 4), or alternatively, FIG. As shown in Figure 3 , triple NF (two-stage)-SWRO2 (exclusion)-achieved by the combination of NF, SWRO and thermal as a thermal formula, which is further improved by additional combinations with media filtration Depending on the quality of the feed, with or without agglomeration, or by using an underground water intake such as a coastal well to collect seawater, or The use of pre-treatment with F or UF membrane can be improved.
ナノ濾過、SWRO、及び種々の熱式海水脱塩は、全て文献に広く記述されており、各出典の商業的設備になっている。従って、各段階、ここで用いられている設備及び材料、及び種々の操作パラメーターについての詳細な記述は、ここで詳細に与える必要はないであろう。文献の包括的な記載の典型的な例として、カーク・オスマー(Kirk-Othmer)によるナノ濾過のためのエンサイクロペディア・オブ・ケミカル・テクノロジー(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY)、21:327−328(第4版:1991);SWROについては同上、pp.303−327;及びROについては、マクケッター(McKetta)その他、エンサイクロペディア・オブ・ケミカル・プロセシング・アンド・デザイン(ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN)、16:198−224 (1982)、及びコルビット(Corbitt)、スタンダード・ハンドブック・オブ・エンバイアラメンタル・エンジニアリング(STANDARD HANDBOOK OF ENVIRNMENTAL ENGINEERING)、5−146〜5−151を参照されたい。 Nanofiltration, SWRO, and various thermal seawater desalination are all widely described in the literature and have become the commercial facility for each source. Thus, a detailed description of each stage, equipment and materials used herein, and various operating parameters need not be given in detail here. As a typical example of a comprehensive description of the literature, ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY for nanofiltration by Kirk-Othmer, 21: 327-328 (No. 4th edition: 1991); 303-327; and RO for McKetta et al., ENCYCLOPEDIA OF CHEMICAL PROCESSING AND DESIGN, 16: 198-224 (1982), and Corbitt. ), STANDARD HANDBOOK OF ENVIRNMENTAL ENGINEERING, 5-146 to 5-151.
NF、SWRO、及び熱式ユニットの基本的概念を記述し、理解することにより、NFをSWROへ結合し、NF及びSWROの各々のための二つの段階で完全に総合するか、又は例えばMSFDと一緒にし、完全に総合したNF二段階で行われた研究の進行状況の詳細は、パイロットプラント規模で行われた実験研究を参照することにより最もよく理解することができる。一つの単一段階SWRO中に結合した一つの単一段階NFによりNF−SWRO法として形成した模式的工程図が図6に与えられている。その方法は、通常二重媒体フィルター及び次の微細砂フィルター、5μカートリッジフィルター、供給物タンク、二段階NFユニット、及び二段階SWROユニットからなる前処理への海水供給システムからなる。砂フィルター中の砂の粒径は変えることができ、通常0.3〜1.0mmの程度になっている。このシステムの前処理部分は、この新しい発明の中に取り込まれているが、二重NF(二段階)−熱式又はNF(二段階)−SWRO(二段階)熱式(図4及び5)については示されていない。この濾過工程は、海水供給物が効率的に作られた海岸井戸から取られるか、又はマイクロ濾過(MF)又は限外濾過(UF)膜式前処理から取られた場合、その方法から除外される。 By describing and understanding the basic concepts of NF, SWRO, and thermal units, NF can be coupled to SWRO and fully integrated in two stages for each of NF and SWRO, or for example MSFD The details of the progress of the research conducted in the combined and fully integrated NF two-stage can best be understood by referring to experimental studies conducted on a pilot plant scale. A schematic process diagram formed as an NF-SWRO method by one single stage NF combined in one single stage SWRO is given in FIG. The method consists of a pre-treatment seawater supply system usually consisting of a dual media filter and subsequent fine sand filter, 5μ cartridge filter, feed tank, two-stage NF unit, and two-stage SWRO unit. The particle size of the sand in the sand filter can be varied and is usually on the order of 0.3 to 1.0 mm. The pre-treatment part of this system is incorporated into this new invention, but is double NF (two stage) -thermal or NF (two stage) -SWRO (two stage) thermal (FIGS. 4 and 5). Is not shown. This filtration step is excluded from the method when the seawater feed is taken from an efficiently made coastal well or from microfiltration (MF) or ultrafiltration (UF) membrane pretreatment. The
商業的SWRO又はNFプラントでは、膜部材は通常直列に一つの加圧容器当たり六つの部材として配列されている。この型の膜構成は、世界中の商業的NF及びSWROプラントの多くで好ましい構成になっている。これは、図7及び8に示されている商業的Umm Lujj SWROプラント中の二重NF−SWROの操作でも用いられているNF及びSWRO部材の配列でもある。一つの加圧容器内に六つの部材の性能を確立するため、実証ユニットは、図13に示したように、一つの加圧容器当たり六つの部材(8″×40″)の代わりに二つのNF部材(8″×40″)を夫々取付けた三つの加圧容器を用いて建造された。第一:第二:第三加圧容器内の二つの部材の夫々の性能は、同じ図の中に示されている通りであり、次の比率になっていた。 In commercial SWRO or NF plants, membrane members are usually arranged in series as six members per pressurized vessel. This type of membrane configuration has become a preferred configuration in many commercial NF and SWRO plants worldwide. This is also the array of NF and SWRO members used in the dual NF-SWRO operation in the commercial Umm Lujj SWRO plant shown in FIGS. In order to establish the performance of six members within one pressurized vessel, the demonstration unit can replace two members instead of six members (8 ″ × 40 ″) per pressurized vessel, as shown in FIG. It was constructed using three pressurized vessels each fitted with an NF member (8 ″ × 40 ″). The performance of each of the two members in the first: second: third pressurization vessel was as shown in the same figure and had the following ratio.
印加圧力25バール及びT=30℃で、45,000ppmのTDSを有する11.95m3/時の供給物から:
生成物流 4.61 : 3.3 : 1.32 合計 : 9.28m3/時
生成物回収率 38% : 28% : 11% 全回収率 : 78%
生成物TDS 28,000 : 35,000 : 40,000 一緒にした生成物 : 32,270ppm
各容器について、生成物回収率は、NF生成物対全供給物11.95m3/時の比率として計算した。同じ図で示したように、第三容器内の二つの部材(element)は高度に応力を受けている;それらはTDS=69,100ppmを有する3.99m3/時だけの供給物、即ち、最初の二つの部材について、例えば11.95m3/時の供給物の1/3を、P=24バールで受け、それらには第三容器部材供給物浸透圧の増大を克服するため、一層高い圧力がそれらの操作に必要である場合、TDS=45,000ppmの海水がP=25バールで供給された。
From a feed of 11.95 m 3 / h with an applied pressure of 25 bar and T = 30 ° C. and a TDS of 45,000 ppm:
Product logistics 4.61: 3.3: 1.32 Total: 9.28m 3 / hr
Product TDS 28,000: 35,000: 40,000 Combined product: 32,270 ppm
For each vessel, product recovery was calculated as the ratio of NF product to total feed 11.95 m 3 / hour. As shown in the same figure, the two elements in the third container are highly stressed; they have a feed of only 3.99 m 3 / hour with TDS = 69,100 ppm, ie For the first two parts, for example, 1/3 of the feed at 11.95 m 3 / hour is received at P = 24 bar, which is higher to overcome the increase in the third container part feed osmotic pressure. When pressure was required for their operation, TDS = 45,000 ppm seawater was supplied at P = 25 bar.
第三容器内の最終二つの部材についてのこの大きな応力、又はその一部分を除去し、NF工程の効率を増大するため、本発明では、NFユニットについて図4で示したような構成を用いた。この構成では、NF工程は二つの段階で、それらの間にエネルギー回収ターボーチャージャーを配置して行われた。この構成は二つの機能を有する:それは生成物流及び水回収率を増大し、後で示すように、単位水生成物当たりのエネルギー消費を減少する。第一:第二NF段階の部材数の比は、約2:1の程度の比になるようにした。更に、この構成では、約50%の第一段階NF回収率で、第一及び第二NF段階内の各部材は、殆ど同じ量の供給物を受け、第二段階の部材は、第一段階部材へ送られたのと殆ど同じ量の供給物を受けたが、第一段階のためのSWRO回収率が50%より低い場合には一層多量の供給物を受けた。P=25±10バールで海水が供給された第一段階は、例示として平行な二つのNFブロックからなり、ここで一つのブロックは、海水供給物品質(TDS)により、平行に配列された多数の加圧容器からなり、夫々の加圧容器には四つのNF部材(element)が取付けられていた。供給物TDSが大洋品質以下のものであるならば、一つの加圧容器内に合計5〜6の部材を用いることができた。一方、第二段階は、第一段階ブロック内の場合のモジュール数の約1/2のモジュールを有する一つのNFブロックを有する。全てのモジュールは平行に配列され、その各々が4NF部材を取付けた一つの加圧容器からなる。第一及び第二段階のNF部材は、それらが35±10バールまでの高圧に耐えることができるならば、同じ型のものでもよく、或は第二段階NF部材を、第一段階NF部材によって許容される圧力よりも高い、45バールまでの一層高い圧力許容性を有するように選択する。第二段階NFユニットには、第一段階モジュールからの一緒にした排除物が、その圧力を25±10バールから35±10バールへターボーチャージャーにより増大した後、供給される。もし必要ならば、第二段階の圧力は、図4及び5に示したように、ターボーチャージャーにより増大した後に第一段階排除物を受けることができる加圧ポンプを使用することにより更に増大(加圧)することができ、それを更に希望の圧力値へ上昇させる。ターボーチャージャー圧力増加(ΔP)は、次のものに等しい〔ポンプ・エンジニアリング社(Pump Enguneering, Inc.)マニュアル#299910〕:
ΔPtc=(nte)(Rr)(Pr−Pc) (2)
nte=水圧エネルギー移動効率
Rr=ターボーチャージャーへのブライン流対供給物流の比
Pr=ターボーチャージャーへのブライン圧力
Cc=ターボーチャージャーを出るブライン圧力
In order to remove this large stress on the last two members in the third container, or a part thereof, and increase the efficiency of the NF process, the present invention uses the configuration shown in FIG. 4 for the NF unit. In this configuration, the NF process was performed in two stages with an energy recovery turbocharger placed between them. This configuration has two functions: it increases the product stream and water recovery and reduces the energy consumption per unit water product, as will be shown later. The ratio of the number of members in the first: second NF stage was set to a ratio of about 2: 1. In addition, with this configuration, at a first stage NF recovery of about 50%, each member in the first and second NF stages receives approximately the same amount of feed, and the second stage member is the first stage NF. Received almost the same amount of feed as was sent to the part, but received a higher amount of feed when the SWRO recovery for the first stage was lower than 50%. The first stage in which seawater was supplied at P = 25 ± 10 bar consists of two parallel NF blocks by way of example, where one block is a number arranged in parallel according to seawater feed quality (TDS). Each of the pressurized containers was provided with four NF elements. If the feed TDS was of ocean quality or less, a total of 5-6 members could be used in one pressurized vessel. On the other hand, the second stage has one NF block with about half the number of modules in the first stage block. All modules are arranged in parallel, each consisting of one pressurized vessel fitted with a 4NF member. The first and second stage NF members may be of the same type as long as they can withstand high pressures up to 35 ± 10 bar, or the second stage NF member may be replaced by the first stage NF member. Choose to have a higher pressure tolerance up to 45 bar, higher than the allowable pressure. The second stage NF unit is fed with the combined reject from the first stage module after increasing its pressure from 25 ± 10 bar to 35 ± 10 bar by a turbocharger. If necessary, the second stage pressure can be further increased (added) by using a pressurized pump that can receive the first stage rejection after being increased by the turbocharger, as shown in FIGS. Pressure) and raise it further to the desired pressure value. The turbocharger pressure increase (ΔP) is equal to the following (Pump Enguneering, Inc. Manual # 299910):
ΔP tc = (nte) (R r ) (P r −P c ) (2)
nte = hydraulic energy transfer efficiency R r = ratio of brine flow to supply to turbocharger vs. feed stream P r = brine pressure to turbocharger C c = brine pressure exiting turbocharger
例えば、図12に示した場合、SWROユニットについて計算されたΔPは、37.5バールに等しい(0.65×0.65×83=37.5バール)。 For example, in the case shown in FIG. 12, ΔP calculated for the SWRO unit is equal to 37.5 bar (0.65 × 0.65 × 83 = 37.5 bar).
NF(二段階)−SWRO(二段階)の構成は、図12に例示されている。NFユニットは、第一段階NFユニットに25±10バールまでの圧力を与えるように高圧ポンプから構成され、そのユニットは二つの平行に配列されたモジュールからなる。前に述べたように、一つのモジュールは、8″×40″の膜部材又は他の大きさの膜部材の四つのNFを含む一つの加圧容器からなる。NF膜は渦巻き状に巻いた形、中空微細繊維、管状、又は板状の形態になっていてもよいが、殆ど全ての商業的NF膜は、薄いフイルム状の複合体であり、渦巻き状に巻いた形態を有するナノセルロース重合体から作られている。その重合体は、例えばラマン(Raman)その他、Chem. Eng. Progress. 7(1):58 (1988)に記載されているような、負に帯電した基を有する通常疎水性型のものである。海水供給物は周囲海水温度で第一段階モジュールへ供給され、それらの一緒にされた加圧排除物は、一つのモジュール当たり四つのNF部材を有する次の第二段階モジュールへ、図10に例示して示したように、二つの段階の間に固定されたターボーチャージャーにより35±5バールまでその圧力を増大した後に供給される。もし必要ならば、加圧ポンプにより40バールより高い圧力に上昇することができる。第二NF段階中のモジュール数は、第一NF段階中のそれらの数の約1/2であるが又はほぼその数等しい。海水供給物前処理ユニットは、図6に示した供給物前処理の場合と同じ部品及び構成を有する。別法として、海岸井戸からの直接の供給物は、前処理ユニットを必要とすることなく、或はMF又はUF膜前処理からの供給物も使用できる。 The configuration of NF (two stages) -SWRO (two stages) is illustrated in FIG. The NF unit consists of a high-pressure pump so as to apply a pressure of up to 25 ± 10 bar to the first stage NF unit, which unit consists of two modules arranged in parallel. As previously mentioned, one module consists of one pressurized vessel containing four NFs of 8 ″ × 40 ″ membrane members or other sized membrane members. While NF membranes may be in the form of spirals, hollow microfibers, tubes, or plates, almost all commercial NF membranes are thin film composites that are spirally shaped. Made from a nanocellulose polymer having a rolled form. The polymer is of the usually hydrophobic type with negatively charged groups, as described, for example, by Raman et al., Chem. Eng. Progress. 7 (1): 58 (1988). . The seawater feed is fed to the first stage module at ambient seawater temperature and their combined pressure exclusion is illustrated in FIG. 10 to the next second stage module with four NF members per module. As shown, it is supplied after increasing its pressure to 35 ± 5 bar by a turbocharger fixed between the two stages. If necessary, a pressure pump can raise the pressure above 40 bar. The number of modules in the second NF stage is about 1/2 or approximately equal to their number in the first NF stage. The seawater feed pretreatment unit has the same parts and configuration as the feed pretreatment shown in FIG. Alternatively, direct feed from coastal wells can be used without the need for a pretreatment unit or from MF or UF membrane pretreatment.
第一及び第二NF段階からの一緒にしたNF生成物を、(1)50±10バールの圧力を与える一つの高圧ポンプを有するSWROユニットへ送り、(2)平行に配列され、慣用的SWROプラントで用いられている種類の膜、例えば、東洋紡又は東レ又はヒドラナウティクス(Hydranautics)、又はフィルムテク(Filmeec)、又はデュポンの膜等からなるモジュールのブロックからなる第一段階SWROへ送られ、(3)第一段階SWROモジュールから収集された加圧排除物をターボーチャージャーに通してその圧力を約85±5バールへ上昇し、次にこの加圧排除物を(4)第二段階SWROユニットで、各モジュールが、高圧許容性ブライン転化の4〜6までのSWRO部材、例えば東レ820BMC又は同等のSWRO膜を取付けた一つの加圧容器からなるSWROモジュールの一つのブロックから構成されたユニットへ供給する。ターボーチャージャーを用いることにより、もし必要ならば、加圧ポンプを用いることにより、圧力を90バールまで上昇することができる。二つのSWRO段階からの一緒にした生成物を収集し、飲料水の品質を有する最終的生成物からなるが、硬質物質が劇的に減少したSWRO排除物は、図5に例示したように、熱式ユニットへの補充物として使用される。 Combined NF products from the first and second NF stages are (1) sent to a SWRO unit with one high pressure pump giving a pressure of 50 ± 10 bar, and (2) arranged in parallel, conventional SWRO The type of membrane used in the plant, e.g. Toyobo or Toray or Hydranautics, or Filmmec, or sent to the first stage SWRO consisting of a block of modules consisting of DuPont membranes, (3) Pass the pressure exclusion collected from the first stage SWRO module through a turbocharger and increase its pressure to about 85 ± 5 bar, then the pressure exclusion (4) the second stage SWRO unit Each module is fitted with one to four SWRO members of high pressure acceptable brine conversion, eg Toray 820BMC or equivalent SWRO membrane. SWRO supplied to one unit made up of a block of modules consisting of vessels. By using a turbocharger, if necessary, the pressure can be increased to 90 bar by using a pressure pump. SWRO exclusions that collect the combined products from the two SWRO stages and consist of a final product with drinking water quality, but with dramatically reduced hard matter, as illustrated in FIG. Used as a supplement to the thermal unit.
MSFDユニットの構成は、二重及び三重ハイブリッドでの他の熱式脱塩ユニットの構成の一例として例示することができる。MSFDユニットは、三つの領域:(1)加熱領域、(2)フラッシュ及び熱回収(HRC)領域、及び(3)熱排除(HRJ)領域+他の付随部材:脱気装置、ブライン循環(BR)ポンプ等(一例として図6に示したMSFパイロットプラントの構成参照);からなる。商業的MSFプラントは、同じレイアウトを有するが、10〜20段階以上のフラッシュ及び熱回収領域のための遥かに大きな数の段階を有する。加熱領域では、ボイラーからの水蒸気、又は発電機からの低圧水蒸気が、一群の管になった塩水加熱容器を通過した海水を加熱し、その流れの凝集物をボイラーへ戻す。加熱された海水は、フラッシュ熱回収領域の第一段階容器中へ流れ、そこで周囲圧力は、加熱海水をフラッシュ(爆発速度で激しく沸騰)させるように制御されている。加熱された水の僅かな%のものが水蒸気へ転化され、それが潜熱を放出して管上に凝縮し、その段階を通る熱交換器の管中の水を加熱する。凝集した蒸気は蒸留物淡水蒸気生成物として収集され、一方、ブライン(高い塩濃度を有する海水)は、第一段階よりも低い周囲圧力に制御されて作動する第二段階へ流れる。フラッシュ、蒸気凝集、及び次の段階へのブラインの流れの過程を、種々の熱回収段階を通して繰り返し、然る後、最終段階からのブラインを熱排除段階へ流し、そこでそれが冷却され、然る後、その一部分を濃縮ブライン・ブローダウン(B.B.)として排出し、残りの部分をフラッシュ及び熱回収領域を通って蒸発工程へ再循環して戻す。 The configuration of the MSFD unit can be exemplified as an example of the configuration of another thermal desalination unit in double and triple hybrids. The MSFD unit consists of three regions: (1) heating region, (2) flash and heat recovery (HRC) region, and (3) heat rejection (HRJ) region + other ancillary members: deaerator, brine circulation (BR ) Pump or the like (see the configuration of the MSF pilot plant shown in FIG. 6 as an example). Commercial MSF plants have the same layout but a much larger number of stages for flash and heat recovery areas of 10-20 or more stages. In the heating zone, steam from the boiler or low-pressure steam from the generator heats the seawater that has passed through the salt water heating vessel in a group of tubes and returns the aggregates of that flow to the boiler. The heated seawater flows into the first stage vessel in the flash heat recovery area, where ambient pressure is controlled to flash the heated seawater (boiling vigorously at the explosion rate). Only a small percentage of the heated water is converted to water vapor, which releases latent heat and condenses on the tubes, heating the water in the heat exchanger tubes through that stage. The agglomerated vapor is collected as a distillate fresh water vapor product, while brine (seawater with a high salt concentration) flows to a second stage that operates under a lower ambient pressure than the first stage. The process of flushing, steam agglomeration, and the flow of brine to the next stage is repeated through the various heat recovery stages, after which the brine from the final stage is passed to the heat rejection stage where it is cooled, and so on. Later, a portion is discharged as a concentrated brine blowdown (BB) and the remaining portion is recycled back to the evaporation process through the flash and heat recovery zones.
図4(NF2−熱式の場合)及び図5(NF2−SWRO2(排除物)−熱式の場合)に例示したように、この場合、例えば、熱式ユニットはMSFD、又はMED、又はVCD、又はRHユニットであり、それはNF生成物又はSWRO排除物、又はそれらの組合せを補充物として受け、この補充物を生成物(蒸留物)とブライン・ブローダウンに分離する。同様に、同じ議論は、図5の、熱式ユニットがMSFD、又はMED、又はVCD、又はRHの他の海水熱式脱塩ユニットのいずれかである場合、熱式脱塩ユニットのいずれにでも拡張することができる。熱式ユニットの性能は、慣用的熱式法でTBT限界をそれに加えることなく、操作条件に依存する。MSFユニットは、スケール形成性硬質イオン(特に、NF前処理により完全になくなるか、又は非常に低い濃度レベルまで減少することができる硫酸塩及び炭酸水素塩イオン)が除去されているために、現在MSFDの場合には120℃のそれらの限界値よりも遥かに高いTBTで、更にMED、又はVCD、又はRHユニットの場合には約70℃の限界よりも遥かに高いTBTで操作することができる。 As illustrated in FIG. 4 (NF 2 -thermal case) and FIG. 5 (NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal case), in this case, for example, the thermal unit is MSFD or MED, Or a VCD, or RH unit, which receives the NF product or SWRO reject, or a combination thereof as a supplement, which is separated into product (distillate) and brine blowdown. Similarly, the same discussion applies to any of the thermal desalination units in FIG. 5 where the thermal unit is either MSFD, MED, or VCD, or any other seawater thermal desalination unit of RH. Can be extended. The performance of the thermal unit depends on the operating conditions without adding a TBT limit to it with conventional thermal methods. MSF units are currently free of scale-forming hard ions (especially sulfate and bicarbonate ions that can be completely eliminated by NF pretreatment or reduced to very low concentration levels). In the case of MSFD, it is possible to operate at a TBT far above their limit of 120 ° C., and in the case of MED, or VCD, or RH units, a TBT far above the limit of about 70 ° C. .
我々のR&Dで行われた商業的に入手できるNF膜についての現場での研究から、それらは性能の点で甚だしく異なっていることが例示され、多かれ少なかれ三つの群に分類することができる:「A」群は、大きな排除率を有するが低い透過物流〔流束(flux)〕を有することを特徴とする気密な構造のNF膜であるのに対し、「C」群は、大きな流れ及び穏やかなイオン排除性、特にTDSを有し、一方「B」群は、透過物流及びイオン排除性について良好な釣り合いの取れた性能を有する(ハッサンその他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、1999年10月)。殆ど全てのNF膜は、90%を越える優れた硫酸塩排除率及び良好な炭酸水素塩排除率を有し、それらを、NF2ユニットへの供給物の酸・前処理、又はNF生成物の後処理により許容可能なレベルへ更に減少させることができる。しかし、それらは、Ca++、Mg++、Cl−、及びTDSの排除では異なっている(図14)。この研究の結果として、「B」群の膜が、Umm Lujj SWROプラントの二重NF−SWRO操作で用いられて成功を収めている(ハッサンその他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、2001年10月)。NF「B」群の同じ型及び/又は「C」群の選択されたNF膜が、本発明において、図4及び5に示したようなNF及びSWROの構成で本発明のプラントの第一段階NF容器で用いられている。一層高い圧力に対する許容性を有する膜を有する「B」群型の膜は、第二段階NFユニットで用いられている。 Field work on commercially available NF membranes conducted at our R & D illustrates that they differ significantly in performance and can be classified into more or less three groups: The “A” group is an NF membrane with an airtight structure characterized by having a high rejection rate but a low permeate flow (flux), whereas the “C” group is a large flow and mild The “B” group has good balanced performance in terms of permeate flow and ion exclusion (Hussan et al., Proceedings of IDA International Conference on Desalination, 1999 10). Moon). Almost all NF membranes have an excellent sulfate rejection rate of over 90% and a good bicarbonate rejection rate, which can be combined with the acid-pretreatment of the feed to the NF 2 unit, or the NF product. It can be further reduced to an acceptable level by post-processing. However, they, Ca ++, Mg ++, Cl -, and are different in exclusion of TDS (Figure 14). As a result of this study, the “B” group of membranes has been successfully used in the dual NF-SWRO operation of the Umm Lujj SWRO plant (Hussan et al. Moon). The same type of NF “B” group and / or selected NF membranes of “C” group, in the present invention, in the first stage of the plant of the present invention in the configuration of NF and SWRO as shown in FIGS. Used in NF containers. “B” group type membranes with membranes with higher pressure tolerance are used in the second stage NF unit.
前に例示したように、NF膜の「B」群の二つのNF8″×40″膜部材が夫々入った三つの加圧容器からなる実証プラントを用いることにより、P=25バール、約12m3/時の供給速度、及びT=30℃で、第一及び第二モジュール部材から66%の生成物回収率が達成された(図13)。反復実験で、8m3/時の供給速度、P=24バール、及びT=28℃で、同じNF膜を有する同じ四つの部材を操作した時には、僅か約62%の回収率しか達成されなかった(図15)。約5.1〜5.2m3/時のNF生成物流が、供給物8m3/時から得られ、NF供給物量、その温度、及び圧力が一定に保たれる限り、この第一段階NFユニットから約62%の生成物回収率が維持され、それらは生成物伝導度に一定性を与えている(図15)。約35℃までの供給物温度の制御は、MSFユニットの熱排除領域中のMSF蒸留物を冷却するのに用いた一部の暖かい海水(43℃)を、適当な海水部分(18〜25℃)と混合することにより行われた(図6参照)。供給物温度の変動と共にNFユニット性能の変動は、NFユニットをこの混合工程を用いずに海水供給物(18〜25℃)だけで操作した場合について、図15に明確に例示されている。 As illustrated previously, by using a demonstration plant consisting of three pressurized vessels, each containing two NF8 ″ × 40 ″ membrane members of the “B” group of NF membranes, P = 25 bar, about 12 m 3. A product recovery rate of 66% from the first and second module members was achieved at a feed rate of / hour and T = 30 ° C. (FIG. 13). In replicates, only about 62% recovery was achieved when operating the same four members with the same NF membrane at a feed rate of 8 m 3 / hour, P = 24 bar, and T = 28 ° C. (FIG. 15). About 5.1~5.2m 3 / NF product stream time is obtained from feed 8m 3 / time, NF supply amount, as long as the temperature and that the pressure is kept constant, the first stage NF unit A product recovery of about 62% was maintained, giving them consistency in product conductivity (FIG. 15). Control of the feed temperature up to about 35 ° C can be achieved by replacing some warm seawater (43 ° C) used to cool the MSF distillate in the heat rejection zone of the MSF unit with the appropriate seawater portion (18-25 ° C). ) And mixing (see FIG. 6). The NF unit performance variation along with the feed temperature variation is clearly illustrated in FIG. 15 for the case where the NF unit is operated with only the seawater feed (18-25 ° C.) without this mixing step.
図3に示したように、第一容器のNF部材によりSO4 =、Mg++、Ca++、及びCHO3 −のスケール形成性硬質イオンの排除率は、夫々99.9、98.3、96.8、及び84.4%であるのに対し、第二容器中の同じ型のNF膜部材による硬質イオン排除率は99.9、98.3、96、及び78%であった。或る実験では、第一及び第二容器中のNF部材の生成物中にはSO4 =イオンは全く検出されなかった。98%以上であるSO4 =、Mg++、及び全硬質イオン(Ca++及びMg++について)のスケール形成性硬質イオン排除率は、第一及び第二容器中のNF部材生成物の場合と殆ど同じ程度であり、Ca++イオンの排除率については同様であることが認められている。しかし、容器1及び2のNF部材間のHCO3 −の排除率には差が存在し(表3)、それはNF生成物の酸・後処理により、又は図6の前処理領域への酸添加の制御により、希望のレベルへ減少することができる。この実験で確立されたNF硬質イオン排除率は、一つの加圧容器中に同じ型の六つのNF部材が配置されたUmm Lujjプラントで前に達成されたものと同様である(図10)。約8m3/時の供給物と比較した生成物水回収率は、第一及び第二加圧容器の前の方の部材について36.3%及び25.6%であり、四つの部材からは合計約62%であった。
As shown in FIG. 3, the removal rates of the scale-forming hard ions of SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , and CHO 3 − by the NF member of the first container are 99.9, 98.3, and 96, respectively. The hard ion rejection by the same type of NF membrane member in the second container was 99.9, 98.3, 96, and 78%, while .8 and 84.4%. In some experiments, no SO 4 = ions were detected in the product of the NF member in the first and second vessels. The scale forming hard ion rejection of SO 4 = , Mg ++ , and total hard ions (for Ca ++ and Mg ++ ) greater than 98% is almost the same as that of the NF member product in the first and second containers. It is recognized that the same is true for the Ca ++ ion rejection rate. However, there is a difference in the rejection rate of HCO 3 − between the NF members of
硬質イオンに対するNF膜の優れた排除率と比較して、一価Cl−イオンの排除率は、容器1及び2のNF部材について、夫々僅か35.6及び23.8%であるが、それらのTDSイオン排除率は夫々42.7及び31.4%であり、NFによる排除が、一価イオンの排除よりも共有結合硬質イオンの方が遥かに大きいが、RO(BWRO、SWRO、LPRO、及び緩いRO)は、多かれ少なかれ一価及び共有結合イオンについては同じ排除率を有すると言う前の議論を裏付けている。
Compared to the excellent rejection of the NF membrane for hard ions, the rejection of monovalent Cl - ions is only 35.6 and 23.8% for the NF members of
上の結果から、図16に示したように、NFの性能は、適用した圧力、操作温度、供給物流(量)及び品質(TDS)の操作条件に依存する。これらの操作条件を制御することにより、既に確立したように、図4及び5に示したような構成を有するNF前処理ユニット中の第一NF段階から、約62%以上の回収率を得ることができることを結論することができる。更に、NF第一段階の排除物から、それを同じ図の第二段階へ供給した場合、約35%の回収率が容易に得られ、二つの段階からの全回収率を75%にすることができた。第一段階を25バールで回収率62%で操作し、第二段階を回収率40%で操作した時、パイロットプラントで二段階NFユニットから77%の全回収率が達成された。供給物は、湾岸海水、TDS≒45,000ppmからなっていた。上の77%回収率で行なったように、パイロットプラント供給物を8m3/時から9m3/時へ増大し、25バールの同じ圧力を維持することにより、NF生成物回収率が80%へ上昇した。この回収率は、僅かに高い回収率値でさえも、湾岸海水(TDS 45,000ppm)を用いて操作したNF(二段階)ユニットから、供給物に適当なスケール防止剤を添加することにより、得ることができる。前に述べたように、これは、Umm Lujjプラントで同じ加圧容器内に直列に配置した六つの部材から得られた70%のNF生成物回収率に比較されるものである(ハッサンA.M.その他、脱塩に関するIDA国際会議予稿集、バーレーン、2002年3月)。 From the above results, as shown in FIG. 16, the performance of NF depends on the operating conditions of applied pressure, operating temperature, supply flow (quantity) and quality (TDS). By controlling these operating conditions, a recovery rate of about 62% or more can be obtained from the first NF stage in the NF pretreatment unit having the configuration shown in FIGS. 4 and 5 as already established. You can conclude that Furthermore, if it is supplied from the NF first stage reject to the second stage in the same figure, a recovery rate of about 35% can be easily obtained, and the total recovery rate from the two stages should be 75%. I was able to. When the first stage was operated at 25 bar and a recovery rate of 62% and the second stage was operated at a recovery rate of 40%, a total recovery of 77% was achieved from the two-stage NF unit in the pilot plant. The feed consisted of Gulf seawater, TDS≈45,000 ppm. As was done with the 77% recovery above, increasing the pilot plant feed from 8 m 3 / hr to 9 m 3 / hr and maintaining the same pressure of 25 bar, the NF product recovery is 80% Rose. This recovery can be achieved by adding an appropriate scale inhibitor to the feed from an NF (two-stage) unit operated with Gulf Seawater (TDS 45,000 ppm), even at slightly higher recovery values. Obtainable. As stated previously, this is compared to the 70% NF product recovery obtained from six components placed in series in the same pressurized vessel at the Umm Lujj plant (Hussan A. et al. M. Others, Proceedings of IDA International Conference on Desalination, Bahrain, March 2002).
NF2段階と熱式ユニットとの完全な統合は、図4のNF2生成物の全てを熱式ユニットへ送ることにより例示することができ、以前には120℃のTBTでNF生成物について操作されたMSFパイロットプラントユニットから65〜75%の蒸留水回収率が得られていた(ハッサンその他、Desalination, 118 (1998) p. 35-51)。後で同じパイロットプラントで70%より高い回収率が得られている。図4の熱式ユニット(MSFD)を、NF生成物からなる補充物について約125℃のTBTで操作した場合、約71%の同じ蒸留物回収比が得られた。二重NF−熱式システムへ316m3/時の初期海水供給速度で得られた全予想蒸留生成物は、54%の全回収率で170m3/時である(図4)。 The complete integration of the NF 2 stage and the thermal unit can be illustrated by sending all of the NF 2 product of FIG. 4 to the thermal unit, previously operating on the NF product at 120 ° C. TBT. A distilled water recovery rate of 65-75% was obtained from the MSF pilot plant unit (Hassan et al., Desalination, 118 (1998) p. 35-51). Later, recovery rates higher than 70% were obtained in the same pilot plant. The same distillate recovery ratio of about 71% was obtained when the thermal unit (MSFD) of FIG. 4 was operated with a TBT of about 125 ° C. for a replenishment consisting of NF product. The total expected distillation product obtained with an initial seawater feed rate of 316 m 3 / h into the dual NF-thermal system is 170 m 3 / h with a total recovery of 54% (FIG. 4).
図5に示した構成で例示したように、三重ハイブリッドNF2−SWRO2(排除物)−熱式操作により一層よい回収率が実現されており、この場合、約60%以上の全回収率を達成することができる。同じ図に示したように、SWROユニットは、二重NF−SWRO脱塩システム間にターボチャージャーを配置した二段階でも操作されている。これは、後で開発されたSWRO高圧膜を使用することを考慮すると極めて実現性があり、適用可能になっている。SWROパイロットプラントレベルでは、そのプラントを50バールの印加圧力でNF生成物に対し操作すると、60%の水回収率が達成され、70バールの印加圧力では、80%の回収率へ上昇する(図17)。同様に、56〜58%の水回収率が、一段階だけでNF生成物に対し操作されたUmm Lujj SWROトレイン100で、達成された(ハッサンその他による前の文献参照)。
As illustrated in the configuration shown in FIG. 5, triple recovery NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal operation achieves a better recovery rate, in which case a total recovery rate of about 60% or more is achieved. Can be achieved. As shown in the same figure, the SWRO unit is also operated in two stages with a turbocharger placed between the dual NF-SWRO desalination systems. This is extremely feasible and applicable when considering the use of a SWRO high-pressure membrane developed later. At the SWRO pilot plant level, if the plant is operated on an NF product at an applied pressure of 50 bar, a water recovery rate of 60% is achieved, and at an applied pressure of 70 bar, it rises to 80% recovery rate (Figure 17). Similarly, a water recovery of 56-58% was achieved with the Umm
図5に示したように、52%の第一段階SWRO水回収率を仮定し、37,500m3/日のNF生成物供給速度で第一段階により合計19,500m3/日が達成されるのに対し、36%の水回収率及び約92バールの圧力で第二段階SWROにより僅か6480m3/日しか得られず、供給物としてNF生成物の37,500m3/日から25,980m3/日の全SWRO生成物水、又はそれら段階についての全SWRO回収率は69%以上である。硬質イオン含有量を非常に低くして、第二SWRO段階へ適用した高圧のために、二段階SWROユニットから71%より高い回収率が予想される。これは、全NF(二段階)−SWRO(二段階)脱塩ハイブリッドの全最終生成物回収率を約52%(0.75×0.69)にする。 As shown in FIG. 5, assuming the first stage SWRO water recovery ratio of 52%, a total 19,500m 3 / day can be achieved by the first stage NF product feed rate of 37,500m 3 / day In contrast, only 6480 m 3 / day is obtained by the second stage SWRO at a water recovery of 36% and a pressure of about 92 bar, with a feed of NF product from 37,500 m 3 / day to 25,980 m 3 Total SWRO product water / day, or total SWRO recovery for those stages is 69% or more. Because of the very low hard ion content and the high pressure applied to the second SWRO stage, a recovery rate higher than 71% is expected from the two-stage SWRO unit. This brings the total end product recovery of the total NF (two stage) -SWRO (two stage) desalted hybrid to about 52% (0.75 × 0.69).
更に、上記場合のSWRO排除物を熱式ユニットへの補充物にすることにより(図5参照)、蒸留物の形での水回収率を、SWRO排除物の70%まで達成することができる。しかし、第二段階からのSWRO排除物は約91,900ppmであり、熱式ユニットから70%の回収率を達成するのを困難にしている。この問題を解決し、実験的にスケール形成を起こすことなくパイロットプラントで証明されている140,000ppmの許容可能なTDSレベルまで熱式ユニット・ブローダウンを限定するため、この場合のSWROユニットからの排除物11,625m3/日を、図5に示すように、37,500m3/日NF生成物と混合し、49,125m3/日の一緒にした混合物を熱式ユニットへの補充物とする。この場合も、このSWRO排除物+NF生成物の混合物からの熱式ユニット回収率として69%の回収率で、全蒸留物は33,895m3/日であり、SWRO透過物+熱式ユニット蒸留物から構成された三重ハイブリッドユニットの全産出量は、約60%の全プラント水回収率で59,775m3/日である。このように、三重ハイブリッド構成で脱塩プラントを操作すると、二つのNF熱式構成を用いることにより僅か52%であったのに対し、約60%へのプラント飲料水回収率を増大する。熱式ユニット最高塩水温度を上昇させる操作により、産出比利得(GOR)及び性能比(PR)の両方が増大し、図18に示すように、エネルギー消費を減少し、水生産コストを低下する有利な結果が得られる。 Furthermore, by using the SWRO reject in the above case as a supplement to the thermal unit (see FIG. 5), water recovery in the form of a distillate can be achieved up to 70% of the SWRO reject. However, the SWRO exclusion from the second stage is about 91,900 ppm, making it difficult to achieve 70% recovery from the thermal unit. To solve this problem and to limit the thermal unit blowdown to an acceptable TDS level of 140,000 ppm which has been proven in pilot plants without experimental scale formation, the SWRO unit from this case Exclusion 11,625 m 3 / day is mixed with 37,500 m 3 / day NF product as shown in FIG. 5, and the combined mixture of 49,125 m 3 / day is used as a supplement to the thermal unit. To do. Again, the total distillate is 33,895 m 3 / day with 69% recovery as thermal unit recovery from this SWRO reject + NF product mixture, SWRO permeate + thermal unit distillate. The total output of the triple hybrid unit composed of 59,775 m 3 / day with a total plant water recovery of about 60%. Thus, operating a desalination plant in a triple hybrid configuration increases plant drinking water recovery to about 60%, compared to only 52% by using two NF thermal configurations. The operation of increasing the thermal unit maximum brine temperature increases both the output specific gain (GOR) and the performance ratio (PR), which reduces the energy consumption and lowers the water production costs, as shown in FIG. Results.
単位水生成物当たりのエネルギー必要量及び水コストを低下すると共に、水流量及び生成物回収率の両方であるプラント生産率を増大する利点が得られることの外に、この最適二重NF2−熱式及びNF2−SWRO2(排除物)−熱式、又は別法として、NF2−SWRO1(排除物)−熱式海水脱塩法は、熱式脱塩ユニット(MSFD、又はMED、又はVCD、又はRH)のいずれかを使用することにより、次の利点が得られる: In addition to the benefits of lowering energy requirements per unit water product and water costs and increasing plant production rates, both water flow rate and product recovery, this optimal dual NF 2 − Thermal and NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal, or alternatively, NF 2 -SWRO 1 (exclusion) -thermal seawater desalination is a thermal desalination unit (MSFD or MED, Or VCD, or RH), the following advantages are obtained:
(1) 硬質物の著しい減少、その結果スケール形成の減少又は皆無のため、スケールの形成を防ぐために従来法のシステムで行われていたような、SWRO又は熱式脱塩過程への供給物にスケール防止性化学物質を添加する必要はもはやない。勿論、このことは環境の観点から重要な利点である。なぜなら、そのような化学物質が、海洋環境中へもはや廃棄されることがなく、或は埋立地スラッジ又貯水槽へ廃棄されることはないからである。 (1) Due to the significant reduction of hard material, and consequently the reduction or absence of scale formation, to the feed to the SWRO or thermal desalination process as was done in conventional systems to prevent scale formation There is no longer a need to add scale-inhibiting chemicals. Of course, this is an important advantage from an environmental point of view. This is because such chemicals are no longer discarded into the marine environment, or into landfill sludge or water tanks.
(2) 更に、懸濁固体又はバクテリアを含んでいない点で、NF生成物の純度が高いために、SWRO膜を通る圧力差(ΔP)が非常に低いままになっており、従って、SWRO膜が汚染されない。このことは、SWRO膜の寿命を(三重ハイブリッドで用いた場合)一層長くすることになるのみならず、高効率膜性能の持続を、頻繁なクリーニングを行うことなく維持し続けることになる。 (2) Furthermore, due to the high purity of the NF product in that it does not contain suspended solids or bacteria, the pressure differential (ΔP) through the SWRO membrane remains very low, thus the SWRO membrane. Is not contaminated. This not only extends the life of the SWRO membrane (when used in a triple hybrid), but also continues to maintain high efficiency membrane performance without frequent cleaning.
(3) この二重NF2−SWRO2法を三重ハイブリッド熱式システムの一部分として用いることにより生成したSWRO生成物の高い品質、即ち、飲料水品質のために、慣用的に操作されていたSWROプラントでは通常行われていたような第二段階ROユニットは不必要であり、この場合、この第二段階は、TDS<500ppmの良好な品質の水を生ずるために必要とされる。更に、透過物と蒸留物との混合は、高TDS透過生成物の許容性を与え、この場合もSWRO膜の寿命の延長を可能にする。 (3) SWRO that has been conventionally operated due to the high quality of the SWRO product produced by using this dual NF 2 -SWRO 2 method as part of a triple hybrid thermal system, ie, drinking water quality A second stage RO unit, as is normally done in plants, is unnecessary, in which case this second stage is required to produce good quality water with TDS <500 ppm. Furthermore, the mixing of permeate and distillate gives the acceptability of high TDS permeate and again allows for extended life of the SWRO membrane.
(4) NF2−SWRO2(排除物)−熱式法の本発明の三重ハイブリッドの一つの主な利点は、SWRO排除物の品質が良好なことにあり、それを、熱式海水脱塩プラントへの補充物として適格にする。表4に示したように、懸濁固体及びバクテリアが存在しないことによる高度の透明性の外に、それが含有するスケール形成性硬質イオン、SO4 =、Mg++、Ca++、及びHCO3 −の濃度が低いことである。 (4) NF 2 -SWRO 2 (exclusion) —One main advantage of the triple hybrid of the present invention of the thermal method is that the quality of the SWRO exclusion is good, which is converted to thermal seawater desalination. Qualify as a supplement to the plant. As shown in Table 4, besides the high transparency due to the absence of suspended solids and bacteria, the scale-forming hard ions it contains, SO 4 = , Mg ++ , Ca ++ , and HCO 3 − The concentration of is low.
NF及びSWROの各々を二段階で操作した場合、NF−SWRO(排除物)−MSDD、又はMED、又はVCD、又はRHの三重ハイブリッド脱塩システムでのこの生成物の一層の有用性は、本方法の全水回収率を増大する。 When each of NF and SWRO is operated in two stages, the further usefulness of this product in a NF-SWRO (exclusion) -MSDD, or MED, or VCD, or RH triple hybrid desalination system is Increase the total water recovery of the process.
(5) 本発明の方法(膜部分のみ)についてのエネルギー消費/生成物m3:このNF2−SWRO2(排除物)−熱式:慣用的SWROの百万ガロンプラントについてのエネルギー消費量/m3は、0.44:1の比になっている。三重ハイブリッドのNF2−SWRO2部分についての本発明の方法のエネルギー消費量(KW時/m3)は、NF前処理をせずに操作した慣用的SWROシステムで必要になる値の約44%である。エネルギー必要量は、式3により計算した:
エネルギー(KW時/m3)=[Qf.Hfρ/366Qpe] (3)
式中:
− Qf及びQpは、夫々供給物及び生成物の量(単位、m3/時)である。
− Hは、圧力ヘッド(単位、m)である。
− ρは、海水の密度(1.03)である。
− eは、ポンプ効率(≒0.85)である。
(5) Energy consumption for the method of the invention (only the membrane part) / product m 3 : this NF 2 -SWRO 2 (exclusion) -thermal formula: energy consumption for a conventional SWRO million gallon plant / m 3 has a ratio of 0.44: 1. The energy consumption (KW hour / m 3 ) of the method of the present invention for the NF 2 -SWRO 2 portion of the triple hybrid is approximately 44% of the value required for a conventional SWRO system operated without NF pretreatment. It is. The energy requirement was calculated according to Equation 3:
Energy (KW hour / m 3 ) = [Q f . H f ρ / 366Q p e] (3)
In the formula:
- Q f and Q p is the amount of each feed and product (unit, m 3 / h).
-H is the pressure head (unit, m).
-Ρ is the density of seawater (1.03).
-E is the pump efficiency (≈0.85).
水処理ハンドブック、第5版、1979年、ホールステッド・プレス・ブック(Halsted Press Book)、John Wiley & Sons出版社参照。「ポンプハンドブック」第2版、イゴール(Igor)J.カラシック・ウィリアム(Karassik Willian)C.クルチュ(Krutzsch)、ウォレンH.フランセール(Warren H. Franser)、及びジョセフP.メシナ(Joseph P. Messina)、McGraw Hill出版社、国際出版、工業的工学シリーズ(Industrial Engineerirg Series)も参照。 See Water Treatment Handbook, 5th Edition, 1979, Halsted Press Book, John Wiley & Sons Publisher. “Pump Handbook” 2nd edition, Igor J.M. Karassik Willian C.I. Krutzsch, Warren H. Franchen (Warren H. Franser) and Joseph P. See also Joseph P. Messina, McGraw Hill Publisher, International Publishing, Industrial Engineerirg Series.
本発明の利点を更に例示するため、湾岸海水供給物、TDS45,000ppmの百万USガロン/日(mgd)の生産のため、完全に総合した最適二重NF(二段階)−熱式プラント設計を用いて、商業的プラントのシミュレーションを行なった。湾岸水のNF回収率を75%に設定し、TBT≧現在の限界で、操作した熱式ユニット回収率を72%に設定したが、80%以上の一層高い蒸留物回収が達成された。表5は、本発明の最適NF(二段階)−熱式海水脱塩法を適用することにより回収率で得られる、慣用的熱式法に勝る多くの利点を例示している。排除物(ブライン)の量も少ない。35%の蒸留物回収率で、慣用的熱式法によるこの百万USガロン/日プラントへの補充物は、1:0.65の供給物比で、54%の回収率で、451.4m3/時であるのに対し、NF2−熱式法では僅か292.6m3/時であった。三重ハイブリッド構成のNF2−SWRO2−熱式により、表5に示したものと同様であるか、それより更に一層高い全水回収率を達成することができる。なぜなら、三重ハイブリッド構成により、二重ハイブリッドNF2−熱式によって達成されるものよりも一層高い回収率が達成されるからである。前に述べたように、SWRO排除物を、MSFD、又はMED、又はVCD、又はRHの種々の熱式ユニットの一つへの補充物とした場合、蒸留物及びSWRO透過物の形で一層多量の水を回収することができる。
To further illustrate the advantages of the present invention, a fully integrated optimal dual NF (two stage) -thermal plant design for the production of Gulf Seawater feed, TDS 45,000 ppm, million US gallons per day (mgd) Was used to simulate a commercial plant. Gulf water NF recovery was set to 75%, and with TBT ≧ current limits, the operated thermal unit recovery was set to 72%, but higher distillate recovery of over 80% was achieved. Table 5 illustrates the many advantages over conventional thermal methods that can be obtained in recovery by applying the optimal NF (two-stage) -thermal seawater desalination method of the present invention. The amount of reject (brine) is also small. With a distillate recovery of 35%, this million US gallon / day plant supplement by conventional thermal method is 451.4 m at a feed ratio of 1: 0.65, 54% recovery. 3 / hr, compared to only 292.6 m 3 / hr in the NF 2 -thermal method. Trihybrid construction of NF 2 -
要約すると、本発明の現在の最適方法は、単独で操作された慣用的熱式又はSWRO海水脱塩法の場合よりも遥かに高い効率を有する。更に、これらの多くの利点は、湾岸海水(TDS45,000ppm)の脱塩に適用する場合に限定されるものではない。二重ハイブリッドにより約65%以上の全回収率と同様、一層高いNF、熱式、及びSWRO生成物回収率を、本方法を大洋海水(TDS35,000ppm)の脱塩に適用した場合に達成することができる。供給物、排除物の量のみならずエネルギー必要量は、湾岸海水供給物の脱塩の場合のそれらの値よりも、大洋海水供給物の脱塩の場合の方が著しく低くなると予想される。なぜなら、主に約80%以上の一層高いNF生成物回収率が、特に適当なスケール防止剤をNFユニット供給物へ添加した場合に、得られるためである。 In summary, the present optimal method of the present invention has a much higher efficiency than the conventional thermal or SWRO seawater desalination process operated alone. Furthermore, many of these advantages are not limited to application to the desalination of Gulf Seawater (TDS 45,000 ppm). Higher NF, thermal, and SWRO product recovery rates are achieved when the process is applied to desalination of ocean seawater (TDS 35,000 ppm) as well as a total recovery of about 65% or more with the dual hybrid. be able to. The amount of energy required, as well as the amount of feed and rejects, is expected to be significantly lower in the case of demineralization of the ocean seawater feed than in the case of desalination of the gulf seawater feed. This is mainly because higher NF product recovery rates of about 80% or more are obtained, especially when a suitable scale inhibitor is added to the NF unit feed.
上で明確には記載しなかったが、明らかに本発明の本質及び範囲内に入る本発明の多くの態様が存在することは明らかである。従って、上の記載は、例としてのみ考えられるべきであり、本発明の実際の範囲は、添付の特許請求の範囲からのみ決定されるべきである。図12に示したように、二段階NFユニットからのNF生成物を二段階SWRO2への供給物にすることについて同様な請求項を作ることができるが、本発明の特許請求の範囲は、熱式ユニットをMSFD、又はMED、又はVCD、又はRHにすることができる場合の最適二重NF(二段階)−熱式、及び三重NF2−SWRO2(排除物)−熱式海水脱塩法にのみ限定されている。 Although not explicitly described above, it is clear that there are many aspects of the present invention that clearly fall within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the above description should be considered as exemplary only, and the actual scope of the present invention should be determined only from the appended claims. As shown in FIG. 12, a similar claim can be made for making the NF product from the two-stage NF unit a feed to the two-stage SWRO 2 , but the claims of the present invention are: the thermal unit MSFD, or MED, or VCD, or optimal dual NF (2 stages) when it is possible to RH - thermal, and triple NF 2 -SWRO 2 (elimination thereof) - thermal seawater desalination Limited to law only.
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Claims (23)
然る後、前記第一水生成物を熱式海水脱塩ユニットに通して、最終的第二水生成物(蒸留物)及びブライン排出物(ブローダウン)を生成させる工程
を含む、最適脱塩方法及び装置。 Brine containing high concentrations of hard scale-forming ionic species, microorganisms, particulate matter and high concentrations of total dissolved solids into a two-stage membrane nanofiltration (NF 2 ) unit and energy recovery turbocharger during those stages A (TC) unit is placed and replenished with a pressure pump as needed to form a first water product from the combined NF product of the first and second NF stages, or said stage Generating the first product from an NF unit having a pressure pump in between, wherein the first water product is generated from an NF unit with an energy recovery pressure exchanger (PX). On the other hand, the NF unit itself consists of two stages and a pressure pump disposed between the stages, in which case the first water product has a reduced content of the ionic species. A process in which microorganisms, particulate matter and most scale-forming hard ions are removed therefrom, and then the first water product is passed through a thermal seawater desalination unit to produce a final second water production. Optimal desalination method and apparatus comprising the steps of producing a product (distillate) and a brine discharge (blowdown).
然る後、前記第一水生成物を、一段階又は二段階とされた海水逆浸透ユニットに通し、この場合、一段階SWROはエネルギー回収PXユニットを具え、高圧許容性膜(P=84バール)を有し、一方、二段階SWROユニットは、図5に示したように、ブラインからのエネルギー回収TCを具えており、飲料水品質の第三水生成物(透過物)及び塩度は増大しているが硬質物質は劇的に減少した第四水生成物排除物を形成する工程、及び
然る後、前記第四水生成物排除物を熱式脱塩ユニットに通し、飲料水品質の第二水生成物(蒸留物)及びブライン排出物ブローダウンを形成する工程
を含む、脱塩方法。 Seawater containing a high concentration of hard scale-forming ionic species, microorganisms or particulate matter and total dissolved solids is passed through a two-stage membrane nanofiltration (NF 2 ) unit according to claim 1 and the ionic species Producing a first water product in which the content of (TDS) is reduced and microorganisms, particulate matter and most scale-forming hard ions are removed;
Thereafter, the first water product is passed through a one-stage or two-stage seawater reverse osmosis unit, where the one-stage SWRO comprises an energy recovery PX unit and a high-pressure permissible membrane (P = 84 bar). While the two-stage SWRO unit has an energy recovery TC from brine, as shown in FIG. 5, and the drinking water quality third water product (permeate) and salinity increase However, the hard material forms a dramatically reduced quaternary water product exclusion, and then the quaternary water product exclusion is passed through a thermal desalination unit to improve drinking water quality. A desalting process comprising forming a second water product (distillate) and a brine discharge blowdown.
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