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KR20190132472A - 일체형 압력 모니터링을 포함하는 와권형 모듈 조립체 - Google Patents

일체형 압력 모니터링을 포함하는 와권형 모듈 조립체 Download PDF

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KR20190132472A
KR20190132472A KR1020197032005A KR20197032005A KR20190132472A KR 20190132472 A KR20190132472 A KR 20190132472A KR 1020197032005 A KR1020197032005 A KR 1020197032005A KR 20197032005 A KR20197032005 A KR 20197032005A KR 20190132472 A KR20190132472 A KR 20190132472A
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spiral
chamber
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스티븐 디. 존스
루크 프랭클린
Original Assignee
다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

압력 용기 내에서 정렬되는 복수의 와권형 모듈로서, 제1 모듈이 제1 단부에 인접하게 위치되고 제2 모듈이 제2 단부에 인접하게 위치되는 복수의 와권형 모듈; 제1 와권형 모듈 및 압력 용기의 제1 단부 사이에서 압력 용기 내에 위치되는 대향하는 제1 및 제2 측을 포함하는 유동 플레이트로서, 제1 측이 제1 와권형 모듈에 대면하고 제2 측이 제1 단부에 대면하며, 유동 플레이트는 제1 측으로부터 제2 측으로 통과하는 제1 와권형 모듈과, 공급 유입구 및 농축물 유출구에 더 가까운 부분으로부터 유동하는 유체 내의 압력 강하를 생성하는 복수의 홀을 포함하는, 유동 플레이트; 및 유동 플레이트의 대향측에 위치된 유체 간의 압력차를 측정하도록 구성되는 차압 센서를 포함하는 와권형 모듈 조립체.

Description

일체형 압력 모니터링을 포함하는 와권형 모듈 조립체
본 발명은 전반적으로 와권형 모듈 조립체, 특히, 가압 유체를 처리하는 데에 유용한 조립체에 관한 것이다.
매우 다양한 유체 분리에 와권형 멤브레인 조립체가 사용된다. 종래의 실시예에서, 하나 이상의 와권형 역삼투(RO) 또는 나노-여과(NF) 멤브레인 모듈("요소")가 통상의 압력 용기 내에서 연속적으로 연결된다. 대형 수처리 설비는 통상적으로 각각 6 내지 8개의 와권형 모듈을 포함하는 다수의 트레인 및/또는 용기의 스테이지를 포함한다. 모듈이 압력 용기 내에서 밀봉되는 것을 고려하면 모니터링 모듈 성능이 어렵다. 그렇지만, 다양한 기법이 개발되었으며, 예를 들면: WO2012/117669, US8808539, US8617397, US8519559, US8272251, US8210042, US7886582, US2011/10114561 및 JP2016/019932가 참조된다. 기존 모듈 및 압력 용기 디자인을 조금 수정하거나 수정하지 않고 후퇴형 프로브의 사용을 방지하는 것을 포함하는 덜 복잡한 모니터링 시스템이 요구된다.
본 발명은 와권형 모듈 조립체, 그 사용 방법, 및 이러한 조립체의 조합을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 요지의 와권형 모듈 조립체(39)는,
압력 용기(40)로서, 제1 단부(38) 및 제2 단부(38') 사이에서 축(X)을 따라 연장되는 챔버(41), 적어도 하나의 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 및 침투물 유출구(44), 압력 용기의 단부(38, 38')에 위치되는 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 포함하고, 침투물 유출구(44)는 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 통하여 축 방향으로 연장되는, 압력 용기 (40);
챔버(41) 내에 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 모듈(2, 2')로서, 제1 모듈(2)은 제1 단부(38)에 인접하게 위치되고, 제2 모듈(2')은 제2 단부(38')에 인접하게 위치되고, 각 와권형 모듈(2, 2')은 내측 주변(9)을 포함하는 침투물 수집 튜브(8)의 둘레에 감기는 적어도 하나의 멤브레인 엔벨로프(4)를 포함하고, 각각의 와권형 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)는 서로 밀봉 유체 연통되는, 복수의 와권형 모듈(2, 2');
제1 와권형 모듈(2)의 침투물 수집 튜브(8) 및 침투물 유출구(44)와 밀봉 유체 연통되는 침투물 어댑터 튜브(52),
제1 와권형 모듈(2) 및 압력 용기(40)의 제1 단부(38) 사이에서 챔버(41) 내에 위치되는 대향하는 제1 및 제2 측(60, 61)을 포함하는 유동 플레이트(58)로서, 유동 플레이트(58)는 제1 측(60)이 제1 와권형 모듈(2)에 대면하고 제2 측(61)이 제1 단부(38)에 대면한 상태에서 침투물 어댑터 튜브(52)를 중심으로 동심으로 배치되고 챔버(41) 내에서 반경 방향 외측으로 연장되고, 유동 플레이트(58)는 공급 유입구(42) 및 농축물 유출구(42')에 더 가까운 부분 및 제1 와권형 모듈(2) 사이에서의 유체 내의 압력 강하를 생성하며 제1 측(60)으로부터 제2 측(61)쪽으로 지나는 복수의 홀(62)을 포함하는, 유동 플레이트(58); 및
챔버(41) 내에 위치되며 유동 플레이트(58)의 제1 및 제2 측(60, 61)과 연통되는 차압 센서(64)로서, 차압 센서(64)는 유동 플레이트(58)의 대향측(60, 61)에 위치되는 유체 간의 압력차를 측정하도록 구성되는, 차압 센서(64)를 포함한다.
다수의 추가적인 실시예가 설명된다.
도면은 스케일에 맞지 않으며 설명을 용이하게 하기 위해 이상화된 도면을 포함한다. 가능한 경우, 도면 및 기재된 설명 전체에서 동일한 참조 부호가 동일하거나 유사한 특징을 나타내는 데에 사용된다.
도 1은 와권형 모듈의 부분적으로 절개된 사시도이다.
도 2는 압력 용기 내에서 직렬 관계로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 모듈을 포함하는 와권형 모듈 조립체의 단면도이다.
도 3은 유동 플레이트 및 차압 센서를 도시하는 부분적으로 조립된 와권형 모듈 조립체의 부분적으로 절개된 단면 사시도이다.
도 4는 엔드 캡 및 스러스트 링 사이에 설치된 유동 플레이트를 도시하는 완전히 조립된 와권형 모듈 조립체의 부분적으로 절개된 단면도이다.
본 발명은 역삼투(RO) 및 나노여과(NF) 시스템에서의 사용에 적합한 와권형 모듈을 포함한다. 이러한 모듈은 하나 이상의 RO 또는 NF 멤브레인 엔벨로프와, 침투물 수집 튜브 주위에 감긴 공급 스페이서 시트를 포함한다. 엔벨로프를 형성하는 데에 사용되는 RO 멤브레인은 거의 모든 용해염에 대해 비교적 불침투성이며 통상적으로 염화 나트륨과 같은 1가의 이온을 갖는 염의 약 95%를 초과하는 양을 거부한다. RO 멤브레인은 또한 통상적으로 분자량이 대략 100 돌턴보다 큰 유기 분자뿐만 아니라 무기 분자의 약 95%를 초과하는 양을 거부한다. NF 멤브레인은 RO 멤브레인에 비하여 더 투과성이며, 2가의 이온의 종에 따라 2가의 이온을 갖는 염의 약 50%를 초과하는 양(종종 90%를 초과하는 양)을 거부하면서 통상적으로 1가의 이온을 갖는 염의 약 95% 미만의 양을 거부한다. NF 멤브레인은 또한 통상적으로 대략 200 내지 500 돌턴보다 큰 분자량을 갖는 유기 분자뿐만 아니라 나노미터 범위의 파티클을 거부한다. 이러한 설명을 위해, "과잉여과(hyperfiltration)"라는 용어는 RO 및 NF 모두를 포함한다.
대표적인 와권형 멤브레인 모듈이 전반적으로 도 1에 2로서 도시된다. 침투물 수집 튜브(8) 주위에 하나 이상의 멤브레인 엔벨로프(4) 및 선택적 공급 스페이서 시트(들)("공급 스페이서")(6)을 동심으로 감는 것에 의해 모듈(2)이 형성된다. 침투물 수집 튜브(8)는, 내측 주변(9)과, 대향하는 제1 및 제2 단부(13', 13) 사이에서 연장되는 길이를 포함하며, 그 길이의 일부분을 따라 복수의 개구(24)를 포함한다. 각각의 멤브레인 엔벨로프(4)는 바람직하게는 2개의 실질적으로 직사각형 단면의 멤브레인 시트(10, 10')를 포함한다. 멤브레인 시트(10, 10')의 각각의 단면은, 멤브레인 또는 전방측(34)과, 지지 또는 후방측(36)을 갖는다. 멤브레인 엔벨로프(4)는 멤브레인 시트(10, 10')를 씌우고 그 에지를 정렬하는 것에 의해 형성된다. 바람직한 실시예에서, 멤브레인 시트의 단면(10, 10')은 침투물 스페이서 시트(12)를 둘러싼다. 이러한 샌드위치형 구조는, 예를 들면, 실런트(14)에 의해, 3개의 에지(16, 18, 20)를 따라, 함께 고정되어 엔벨로프(4)를 형성하는 한편, 제4 에지, 즉, "근위 에지"(22)는 침투물 수집 튜브(8)에 접하여 엔벨로프(4)(및 선택적 침투물 스페이서(12))의 내측 부분이 침투물 수집 튜브(8)의 길이의 일부분을 따라 연장되는 개구(24)와 유체 연통된다. 모듈(2)은 단일의 엔벨로프 또는 공급 스페이서 시트(6)에 의해 각각 분리되는 복수의 멤브레인 엔벨로프(4)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 인접하게 위치된 멤브레인 리프(leaf) 패킷(packet)의 후방측(36) 표면을 접합하는 것에 의해 멤브레인 엔벨로프(4)가 형성된다. 멤브레인 리프 패킷은 2개의 멤브레인 "리프"을 형성하도록 그 자체가 접힌 실질적으로 직사각형 멤브레인 시트(10)를 포함하며, 각각의 리프의 전방측(34)은 서로 대면하며, 접힘부는 멤브레인 엔벨로프(4)의 근위 에지(22)와 축 방향으로 정렬되며, 즉, 침투물 수집 튜브(8)와 평행하게 된다. 공급 스페이서 시트(6)는 접힌 멤브레인 시트(10)의 대면하는 전방측(34) 사이에 위치되는 것으로 도시된다. 공급 스페이서 시트(6)는 모듈(2)을 통한 공급 유체의 유동을 용이하게 한다. 도시되지 않았으나, 추가적인 중간층이 또한 조립체에 포함될 수 있다. 멤브레인 리프 패킷 및 그 제조의 대표적인 예가 US 7875177에서 더 설명된다.
모듈 제조 중, 침투물 스페이서 시트(12)는 멤브레인 리프 패킷이 그 사이에 개재된 상태에서 침투물 수집 튜브(8)의 둘레 주위에 부착될 수 있다. 인접하게 위치된 멤브레인 리프(10, 10')의 후방측(36)은 그 주변(16, 18, 20)의 부분의 주위에 밀봉되어 침투물 스페이서 시트(12)를 감싸며 멤브레인 엔벨로프(4)를 형성한다. 침투물 스페이서 시트를 침투물 수집 튜브에 부착하는 적합한 기법이 US 5538642에 설명된다. 멤브레인 엔벨로프(들)(4) 및 공급 스페이서(들)(6)이 침투물 수집 튜브(8) 주위에 동심으로 감기거나 "말려" 2개의 대향하는 스크롤면(입구 스크롤면 및 출구 스크롤면)을 형성한다. 결과적인 나선형 번들이 테이프 또는 다른 수단에 의해 제 위치에 유지된다. 모듈의 스크롤면은 그런 다음 트림될 수 있으며, US 7951295에 설명된 바와 같이, 스크롤면 및 침투물 수집 튜브(8) 사이의 접합부에 실런트가 선택적으로 적용될 수 있다. 모듈의 단부, 예를 들면, 입구 단부(30) 및 출구 단부(30') 중 어느 하나는 노출된 스크롤면일 수 있거나, 도 3에 32로서 도시된 바와 같이, 신축 방지 장치(또는 "엔드 캡")를 포함할 수 있다. US 6632356에 예가 설명된다. 테이프와 같은 불침투성층이 US 8142588에 설명된 바와 같은 권형 모듈의 둘레 주위에 감길 수 있다. 대안적인 실시예에서, 다공성 테이프 또는 섬유글라스 코팅이 모듈의 주변에 적용될 수 있다.
작동 시, 가압된 공급 액체(물)는 입구 단부(30)에서 모듈(2)에 유입되고, 모듈을 통하여 전반적으로 축 방향으로 유동하며, 농축물로서 화살표(26)로 도시된 방향으로 출구 단부(30')에서 유출된다. 침투물은 멤브레인(10, 10')을 통하여 연장되는 화살표(28)로 전반적으로 도시된 침투물 유로를 따라 유동하고, 침투물이 침투물 수집 튜브(8)를 통하여 개구(24)로 유입되고 튜브(8)의 제2 단부(13)로부터 유출되는 멤브레인 엔벨로프(4)로 유입된다.
와권형 모듈의 다양한 부품을 구성하는 재료가 당업계에 잘 알려져 있다. 멤브레인 엔벨로프의 밀봉에 적합한 실런트는 우레탄, 에폭시, 실리콘, 아크릴레이트, 핫-멜트 접착제 및 UV 경화성 접착제를 포함한다. 통상적이지는 않지만, 열, 압력, 초음파 용접 및 테이프의 적용과 같은 다른 밀봉 수단도 사용될 수 있다. 침투물 수집 튜브는 통상적으로 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌, 폴리염화비닐, 폴리술폰, 폴리(페닐렌 옥사이드), 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 플라스틱 재료로 형성된다. 트리코트 폴리에스테르 재료가 침투물 스페이서로서 통상적으로 사용된다. 일부 모듈에서, 침투물 수집 튜브는 다수의 단면을 포함하며, 이는 접착제 또는 스핀 용접 등에 의해 함께 접합될 수 있다. US 8388848에 추가적인 침투물 스페이서가 설명된다.
멤브레인 시트는 특히 제한되지 않으며, 매우 다양한 재료, 예를 들면, 셀룰로오스 아세테이트 재료, 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리아미드, 폴리술폰아미드, 폴리비닐리덴 플루오르화물, 등이 사용될 수 있다. 바람직한 멤브레인은, 1) 부직 후방 웹 (예를 들면, Awa Paper Company로부터 이용 가능한 폴리에스테르 섬유 직물과 같은 부직포)의 후방층(후방측), 2) 약 25 내지 125 μm의 통상적인 두께를 갖는 다공성 지지부를 포함하는 중간층, 및 3) 통상적으로 약 1 마이크론 미만, 예를 들면, 0.01 내지 1 마이크론, 보다 통상적으로, 약 0.01 내지 0.1 μm의 두께를 갖는 박막 폴리아미드 층을 포함하는 상부 구분층(전방측)을 포함하는 3층 복합물이다. 후방층은 특히 한정되지 않지만, 바람직하게는, 배향될 수 있는 섬유를 포함하는 부직포 또는 섬유 웹 매트를 포함한다. 대안적으로, 범포(sail cloth)와 같은 직조 직물이 사용될 수 있다. US 4,214,994; US 4,795,559; US 5,435,957; US 5,919,026; US 6,156,680; US 2008/0295951 및 US 7,048,855에 대표적인 예가 설명된다. 다공성 지지부는 통상적으로 본질적으로 제한 없는 침투물의 통로를 허용하는 충분한 크기이지만 그 상부에 형성된 박막 폴리아미드 층의 가교와 간섭하는 데에 충분히 크지 않은 기공 크기를 갖는 중합체 재료이다. 예를 들면, 지지부의 기공 크기는 바람직하게는 약 0.001 내지 0.5 μm의 범위이다. 다공성 지지부의 비한정적 예는 폴리술폰, 폴리에테르 술폰, 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 폴리비닐리덴 플루오르화물 등의 다양한 할로겐 중합체로 형성되는 것을 포함한다. 바람직하게는 미공성 중합체 층의 표면 상에서의 다기능성 아민 모노머 및 다기능성 할로겐화 아실 모노머 사이의 계면 중축합 반응에 의해 구분층이 형성된다.
역삼투용 프로토-통상적인 멤브레인은 m-페닐렌 디아민 및 트리메소일 클로라이드의 반응에 의해 형성되는 FilmTec Corporation의 FT-30™형 멤브레인이다. 이러한 계면 중축합 반응 및 다른 계면 중축합 반응이 여러 자료(예를 들면 US 4277344 및 US 6878278)에 설명된다. 다공성 지지부의 적어도 하나의 표면 상에서, 다기능성 아민 모노머를 다기능성 할로겐화 아실 모노머와 계면 중합하는 것에 의해 폴리아미드 멤브레인 층이 준비될 수 있다(각 용어는 단일종 또는 다종의 사용 모두를 지칭하는 것으로 의도된다). 본원에 사용된 "폴리아미드"라는 용어는 분자쇄를 따라 아미드 연쇄(-C(O)NH-)가 발생하는 중합체를 지칭한다. 다기능성 아민 및 다기능성 할로겐화 아실 모노머는 가장 통상적으로 용액의 코팅 단계에 의해 다공성 지지부에 적용되며, 다기능성 아민 모노머는 통상적으로 수성계 또는 극성(polar) 용액 및 유기계 또는 비극성(non-polar) 용액으로부터의 다기능성 할로겐화 아실로 코팅된다.
작동 시, 하나 이상(예를 들면, 통상적으로 6 내지 10 개)의 와권형 모듈이 와권형 조립체를 종합적으로 형성하는 압력 용기 내에 수용된다. 이러한 용기는 공급 유입구, 농축물 유출구 및 침투물 유출구를 포함한다. 공급 유입구는 공급 액체의 가압 소스와 연결을 위해 구성된다. 농축물 유출구는 재사용 또는 폐기를 위한 경로로의 연결을 위해 구성된다. 침투물 유출구는 저장, 사용 또는 추가적인 처리용 경로로의 연결을 위해 구성된다. 본 발명에서 사용되는 압력 용기는 특히 한정되지 않지만, 바람직하게는 작동 조건과 연관된 압력을 견딜 수 있는 고체 구조를 포함한다. 용기 구조는 바람직하게는 내부에 수용될 와권형 모듈의 외측 주변에 크기 및 형상이 대응하는 내측 주변을 갖는 챔버를 포함한다. 압력 용기의 배향은 특히 한정되지 않지만, 예를 들면, 수평 및 수직 배향이 모두 사용될 수 있다. 적용 가능한 압력 용기, 모듈 배치 및 로딩의 예가 US 6074595, US 6165303, US 6299772 및 US 2008/0308504에 설명된다. 대형 시스템용 압력 용기의 제조자는 미니애폴리스 MN의 Pentair, Vista CA의 Bekaert, 이스라엘 Beer Sheva의 Bel Composite를 포함한다.
와권형 모듈 조립체의 통상적인 실시예가 전반적으로 도 2에 39로서 도시된다. 도시된 바와 같이, 조립체는 압력 용기(40)의 가압 가능 챔버(41) 내에서 직렬 배치로 (축 X를 따라) 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 모듈(2, 2')을 포함한다. 챔버(41)는 모듈(2, 2')을 둘러싸는 주변 표면(43)을 포함한다. 인접한 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)는 인터커넥터(46)에 의해 선택적 침투물 밀봉재(48)와 함께 접합될 수 있다. 접합된 튜브(8)의 효과는 용기(40)의 결합된 침투물 수집 영역(50)을 형성한다는 것이다. 압력 용기(40)는 제1 및 제2 단부(38, 38') 사이에서 중심축(X)을 따라 연장된다. 용기(40)는 용기(40)의 일단(38, 38')에 위치되는 적어도 하나의 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 포함한다. 엔드 플레이트(54)의 제거는 챔버(41)가 모듈(2)과 로딩되고 언로딩되도록 한다. 대안적인 실시예에서, 제거 가능 엔드 플레이트(54, 54')는 양단(38, 38')에 위치될 수 있다. 용기(40)는 다수의 유체 포트(42, 42', 44, 44'), 예를 들면, 적어도 하나의 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 및 침투물 유출구(44)를 포함한다. 용기의 각 단부(38, 38')에, 추가적인 포트, 예를 들면, 공급 유입구, 농축물 유출구 및 침투물 유출구(44, 44')가 포함될 수 있다. 마찬가지로, 공급 입구 및 농축물 유출구는 도 2에 도시된 것과 반대의 배향으로 제공될 수 있다. 설명의 단순화를 위해, 공급 입구 및 농축물 유출구는 일반적으로 포트(42/42')로 언급될 수 있다. 반경 방향 구성에 도시되며, 하나 이상의 공급 및 농축물 포트는 용기(40)의 단부(38, 38')를 통하여 연장되는 축 방향 구성을 제공할 수 있다. 간극 공간(56, 56')이 용기(40)의 단부(38, 38') 및 가장 인접한 모듈(2, 2') 사이의 챔버(41) 내에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 엔드 플레이트(54')에 가장 가깝게 위치된 모듈(2') 상의 축 방향 하중을 전달하도록 설계되는 간극 공간(56') 내에 스러스트 링(76)이 위치될 수 있다.
도시된 바와 같이, 침투물 어댑터 튜브(52)는 가장 인접한 축 방향으로 정렬된 와권형 모듈의 침투물 수집 튜브(8)와 유체 연통되는 용기(40)의 어느 하나의 단부 또는 양단 (38, 38')에 위치될 수 있다. 예를 들면, 침투물 어댑터 튜브(52)는 제1 와권형 모듈(2)의 침투물 수집 튜브(8) 및 침투물 유출구(44)와 밀봉 유체 연통되도록 구비된다. 바람직한 실시예에서, 침투물 어댑터 튜브(52)는 침투물이 제1 와권형 모듈(2)로부터 침투물 유출구(44)로, 예를 들면, 침투물 수집 영역(50)으로부터 유동하여 용기(40)로부터 배출되도록 하는 밀봉된 통로를 형성하는 중공형 도관(53)을 포함한다. 대안적으로, 침투물 어댑터 튜브(52)는 침투물 수집 영역(50)의 일단(38')을 밀봉하는 제2 와권형 모듈(2')의 침투물 수집 튜브(8)의 내측 주변(9) 내에 밀봉되는 플러그(66)를 포함할 수 있고, 침투물이 침투물 수집 영역(50)으로부터 침투물 유출구(44')로 유동하는 것을 방지한다. 도 2의 실시예에서, 간극 공간(56, 56')이 상응하는 침투물 어댑터 튜브(52, 52')와 함께 용기(40)의 인접한 양단(38, 38')에 도시된다. 침투물 어댑터 튜브(52)는 단일의 일체형 유닛일 수 있거나, 가장 인접한 모듈(2, 2') 및 침투물 유출구(44) 모두에 대해 단위 밀봉을 형성하도록 접합하는 복수의 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 침투물 어댑터 튜브(52, 52')는 각각 용기(40) 내부로 침투물 유출구(44, 44')를 통과하는 침투물 파이프를 포함하는 제1 부분과, 가장 인접한 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)로의 연결을 포함하는 제2 감합 부분을 포함한다. 2개의 부분이 오링에 의해 밀봉되는 것으로 도시된다. 침투물이 그 가장 인접한 와권형 모듈의 침투물 수집 튜브(8)로부터, 즉, 제1 와권형 모듈(2)로부터 유동하여 용기(40)로부터 유출되도록 하는 밀봉된 통로를 제공하는 중공형 도관(53)을 갖는 좌측의 침투물 어댑터 튜브(52)가 도시된다. 우측의 침투물 어댑터 튜브(52')는 가장 인접한 와권형 모듈, 즉, 제2 와권형 모듈(2')의 침투물 수집 튜브(8) 내에 밀봉되는 플러그(66)를 포함한다. 플러그(66)는 용기(40) 내의 가압된 공급 또는 농축물 용액의 인접한 영역(68, 68')으로부터, 이 침투물 수집 튜브(8)의 중공형 내측(9)을 포함하는 침투물 수집 영역(50)을 밀봉한다. 이는 가압된 공급 또는 농축물 용액이 침투물 수집 튜브(8)로 유입되는 것을 방지한다.
도 3은 도 2에 도시된 것과 유사한 부분적으로 조립된 와권형 모듈 조립체를 도시한다. 그러나, 추가적인 설명을 용이하게 하기 위해 엔드 플레이트(54') 및 선택적 스러스트 링(76)이 제거된다. 특히, 조립체는 조립의 중간 상태로 도시된, 즉, 용기(40)의 단부(38')로부터 와권형 모듈(예를 들면, 제2 모듈(2'))의 엔드 캡(32')에 대한 당접 배치를 향하여 챔버(41) 내로 축 방향으로 이동되는, 유동 플레이트(58)를 포함한다. 유사한 실시예를 나타내는 완전히 조립된 와권형 모듈 조립체가 도 4에 도시된다. 유동 플레이트(52)는 침투물 어댑터 튜브(52')의 주위에 동심으로 배치되며 챔버(41) 내에서 반경 방향 외측으로 연장된다. 밀봉 부재(72)는 바람직하게는 유동 플레이트(58) 주위에 원주 방향으로 위치되고 챔버(41)의 주변 표면(43)과 밀봉 계합하도록 구성된다. 유동 플레이트(52)는 대향하는 제1 및 제2 측(60, 61)를 포함하고, 제1 측(60)이 와권형 모듈(2, 2')에 대면하고 제2 측(61)이 용기(40)의 대응하는 단부(38, 38')에 대면하는 상태에서, 제1 또는 제2 와권형 모듈(2, 2')(즉, 최외측 모듈) 중 적어도 하나 및 압력 용기(40)의 제1 또는 제2 단부(38, 38')의 각각 사이에서 챔버(41) 내에 위치된다. 유동 플레이트(58)는, 제1 측(60)으로부터 제2 측(61)으로 지나는 복수의 홀(62)을 포함하며, 복수의 홀은 인접하게 위치된 와권형 모듈(2, 2') 및 각각의 유체 포트, 즉, 공급 유입구(42) 또는 농축물 유출구 사이의 유체 내에 압력 강하를 일으킨다.
바람직한 실시예에서, 홀(62)의 개수 및 크기는, 5 cm/sec의 면속도에 대하여 0.05 psi(3.45 kPa) 및1.5 psi(10.3 kPa) 사이, 보다 바람직하게는, 0.1 psi(0.69 kPa) 및 1.0 psi(6.9 kPa) 사이의 압력 강하를 생성하는, 유동 플레이트(58)를 통하여 유동하는 유체(예를 들면, 25°C의 물)에 대한 저항을 생성한다. 예를 들면, 3.5 cm 직경 침투물 튜브를 갖는 20 cm 직경 모듈은 304 cm2의 공급 유동 면적을 가질 수 있다. 5 cm/sec의 면속도는 공급 또는 농축물 용액의 초당 약 1.52 리터에 대응할 것이다.
파이프의 단일의 중심 오리피스에서, 질량 유량 qm(kg/s)은 오리피스 직경 d(m), 밀도 ρ1(kg/m3) 및 차압 Δp(Pa)으로부터 추정될 수 있다. (ISO 5167-1:2003). 브래킷 내의 부분은 통상적으로 0.6 및 0.85 사이인 무차원 단위의 조합이다.
Figure pct00001
설명된 이러한 관계 및 20 cm 직경 모듈로부터, 4 mm 직경의 50개의 홀이 5 cm/sec 면속도에서 플레이트(58)를 횡단하여 약 1 psi(6.9 kPa)의 압력 강하를 생성하는 것을 추정할 수 있다. 다수의 홀을 갖는 플레이트 내의 압력 강하를 산출하는 보다 정밀한 방법이 Malavasi 등의 Flow Measurement and Instrumentation, 28 (2012) 57-66에 설명되었다. 바람직한 실시예에서, 유동 플레이트(58)는 0.5 및 10 mm 사이, 보다 바람직하게는, 1 mm 및 5 mm 사이의 복수의 홀을 포함한다.
구성 재료에 따라, 유동 플레이트(58)를 횡단하여 유도되는 압력 강하는 유동 플레이트의 실질적인 변형을 일으킬 수 있다. 일부 실시예에서, 유동 플레이트(58)는 그 측부(60, 61) 중 적어도 하나에 적어도 하나의 및 바람직하게는 다수의 반경 방향 지지 리브(70)를 포함한다. 일부 실시예에서, 밀봉 부재(72)는 유동 플레이트(58)의 주변에 구비된다. 밀봉 부재(72)는 가장 인접한 와권형 모듈(2)의 엔드 캡(32) 또는 챔버(41)의 내측 주변 표면(43)과 접촉하여, 유동 플레이트(58)의 홀(62)을 통해 공급 용액을 강제하는 밀봉재를 형성한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 유동 플레이트(58)는 또한 스러스트 링(76) 및 와권형 모듈(2')의 엔드 캡(32') 사이에 위치될 수 있다.
차압 센서(64)는 챔버(41)에 위치되고, 유동 플레이트(58)의 제1 및 제2 측(60, 61)과 동시 연통된다. 차압 센서(64)는 유동 플레이트(58)의 대향측(60, 61)에 위치되는 유체 간의 압력차를 측정하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 차압 센서(64)는 다이어프램을 포함한다. 바람직하게는, 다이어프램은 유동 플레이트(58)의 대향하는 제1 및 제2 측(60, 61)과 접촉하는 용액을 분리한다. 차압 센서의 예는 Omega의 PX26-001DV, Dwyer 629C-02-CH-P2-E5-S1, 및 Cole-Parmer EW-68071-52를 포함한다.
차압 센서(64)는 바람직하게는 유동 플레이트(58)에 고정되며, 용기(40) 외측에 위치되는 외부 전원 또는 신호 프로세서 또는 저장 장치와 연통되는 전력 및 신호 리드 또는 와이어를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전력 또는 신호 리드는 차압 센서(64)로부터 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 또는 침투물 유출구(44)를 통하여 마이크로 프로세싱 유닛(78)과 같은 외부에 위치된 장치로 연장될 수 있다. 다른 실시예에서, 전력 또는 신호를 전송하는 리드는 차압 센서(64)로부터 간극 공간(56, 56') 내에 위치된 마이크로 프로세싱 유닛(78)으로 연장될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 침투물 어댑터 튜브(52) 내에 위치된 와이어는 침투물 유출구(44)를 통과하며, 용기(40)의 내측 및 외측 사이를 통과하는 이러한 와이어는 차압 센서(64)용 전력 또는 차압 측정에 대응하는 신호 중 적어도 하나를 제공한다.
일부 실시예에서, 차압 센서(64)는 보호 중합체 수지(예를 들면, 열경화성 또는 열가소성 재료) 내에 수용되거나 "포팅되며(potted)", 이에 따라, 10 바를 초과하는 공급 압력, 보다 바람직하게는, 15 바를 초과하거나 심지어 20 바를 초과하는 공급 압력에서 기능할 수 있게 한다. 바람직한 포팅 재료는 우레탄, 에폭시 및 핫 멜트를 포함하고, 차압 센서(64)는 각각 0 내지 10 바, 0 내지 15 바 또는 0 내지 20 바 사이에서 압력을 변경하는 것에 의해 그 판독이 1% 미만으로 변화할 때 "기능(function)"하도록 고려된다.
와권형 모듈 조립체는 또한 침투물 어댑터 튜브(52)에 장착될 수 있거나 침투물 어댑터 튜브(52) 내에 위치될 수 있는 제2 센서(74)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제2 센서(74)는 침투물 어댑터 튜브(52) 내에 위치되고 침투물 어댑터 튜브(52)의 중공형 도관(53)과 유체 연통된다. 다른 실시예에서, 제2 센서(74)는 플러그(66) 상에 위치되고 가장 인접한 와권형 모듈(2)의 침투물 수집 튜브(8)의 중공형 주변(9)과 유체 연통된다. (이 실시예가 도 4에 도시된다.) 제2 센서는, 침투물 어댑터 튜브(52)의 중공형 도관(53) 또는 침투물 수집 튜브(8)의 내측 주변(9)에서의 접촉된 침투물 용액 및 챔버(41)의 간극 공간(56, 56') 내의 가압된 공급 또는 농축물 용액 사이의 압력차를 측정하도록 구성되는 제2 차압 센서일 수 있다. 다른 실시예에서, 제2 센서(74)는 침투물 용액의 형광, 전도성 또는 유량을 측정할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제2 센서(74)는 제1 차압 센서(64)로서 동일한 마이크로 프로세싱 유닛(78)과 통신하는 제2 세트의 전력 및 신호 리드 또는 와이어를 포함할 수 있다.
마이크로 프로세싱 유닛(78)은 압력 용기(40)의 내측 또는 외측에 위치될 수 있다. 이는 특히 한정되지 않으며, 적용 가능한 예는 Analog Devices로부터의 AD5931로서 자율 집적 회로와, Texas Instruments로부터의 모델 CC2430 또는 CC2530과 같은 집적 회로를 포함한다. 추가적인 예는 Arduino 및 Raspberry Pi 보드를 포함한다. 마이크로 프로세싱 유닛(78)은 바람직하게는 프로토콜, 제어 기능 및 데이터를 저장하는 플래시 메모리를 포함한다. 마이크로 프로세싱 유닛(78)은 바람직하게는 제거 가능 엔드 플레이트(54) 및 침투물 어댑터 튜브(52) 중 적어도 하나에 고정된다. 용기의 외측으로부터 용기 내의 센서로 연장되는 와이어의 개수를 줄이기 위해, 마이크로 프로세싱 유닛(78)은 바람직하게는 용기(40) 내에 위치되고, 바람직하게는, 간극 공간(56) 내에 위치된다. 결과적으로, 용기의 외측으로부터 챔버(41)로 지나는 데에 요구되는 와이어의 수가 더 적다. 바람직하게는, 마이크로 프로세싱 유닛(78)은 포팅 재료에 봉입되고 침투물 어댑터 튜브(52)에 접합된다.
본 발명의 다수의 실시예가 설명되었고, 경우에 따라서는 특정 실시예, 선택, 범위, 구성 요소 또는 다른 특징이 "바람직한"것으로 특징된다. "바람직한" 특징의 이러한 지정은 본 발명의 필수적이거나 결정적인 양태로서 해석되지 않아야 한다. 설명된 범위는 구체적으로 종료점을 포함한다. 상술한 특허 및 특허 출원 각각의 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.

Claims (8)

  1. 와권형 모듈 조립체(39)로서,
    압력 용기(40)로서, 제1 단부(38) 및 제2 단부(38') 사이에서 축(X)을 따라 연장되는 챔버(41), 적어도 하나의 공급 유입구(42), 농축물 유출구(42') 및 침투물 유출구(44), 압력 용기의 단부(38, 38')에 위치되는 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 포함하고, 상기 침투물 유출구(44)는 상기 제거 가능 엔드 플레이트(54)를 통하여 축 방향으로 연장되는, 압력 용기;
    상기 챔버(41) 내에 직렬 배치로 축 방향으로 정렬되는 복수의 와권형 모듈(2, 2')로서, 제1 모듈(2)은 제1 단부(38)에 인접하게 위치되고, 제2 모듈(2')은 제2 단부(38')에 인접하게 위치되고, 각 와권형 모듈(2, 2')은 내측 주변(9)을 포함하는 침투물 수집 튜브(8)의 둘레에 감기는 적어도 하나의 멤브레인 엔벨로프(4)를 포함하고, 각각의 와권형 모듈(2, 2')의 침투물 수집 튜브(8)는 서로 밀봉 유체 연통되는, 복수의 와권형 모듈(2, 2');
    상기 제1 와권형 모듈(2)의 침투물 수집 튜브(8) 및 상기 침투물 유출구(44)와 밀봉 유체 연통되는 침투물 어댑터 튜브(52),
    상기 제1 와권형 모듈(2) 및 상기 압력 용기(40)의 제1 단부(38) 사이에서 챔버(41) 내에 위치되는 대향하는 제1 및 제2 측(60, 61)을 포함하는 유동 플레이트(58)로서, 유동 플레이트(58)는 제1 측(60)이 상기 제1 와권형 모듈(2)에 대면하고 제2 측(61)이 제1 단부(38)에 대면한 상태에서 상기 침투물 어댑터 튜브(52)를 중심으로 동심으로 배치되고 챔버(41) 내에서 반경 방향 외측으로 연장되고, 유동 플레이트(58)는 공급 유입구(42) 및 농축물 유출구(42')에 더 가까운 부분 및 제1 와권형 모듈(2) 사이에서의 유체 내의 압력 강하를 생성하며 제1 측(60)으로부터 제2 측(61)쪽으로 지나는 복수의 홀(62)을 포함하는, 유동 플레이트(58); 및
    상기 챔버(41) 내에 위치되며 상기 유동 플레이트(58)의 제1 및 제2 측(60, 61)과 연통되는 차압 센서(64)로서, 차압 센서(64)는 유동 플레이트(58)의 대향측(60, 61)에 위치되는 유체 간의 압력차를 측정하도록 구성되는, 차압 센서(64)를 포함하는, 와권형 모듈 조립체.
  2. 제2항에 있어서,
    상기 차압 센서(64)는 상기 유동 플레이트(58)의 대향하는 제1 및 제2 측(60, 61)과 접촉하는 다이어프램을 포함하는, 와권형 모듈 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차압 센서(64)는 중합체 수지 내에 수용되는, 와권형 모듈 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동 플레이트(58)는 상기 제1 및 제2 측(60, 61) 중 적어도 하나에서 적어도 하나의 반경 방향으로 연장된 지지 리브(70)를 포함하는, 와권형 모듈 조립체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 침투물 어댑터 튜브(52)는, 상기 제1 와권형 모듈(2)의 상기 침투물 수집 튜브(8)로부터 상기 침투물 유출구(44)로 침투물이 통과하도록 하는 밀봉된 통로를 형성하는 중공형 도관(53)과, 상기 침투물 어댑터 튜브(52) 내에 위치되고 상기 중공형 도관(53)과 연통되는 제2 센서(74)를 포함하는, 와권형 모듈 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 침투물 어댑터 튜브(52)는 상기 제2 와권형 모듈(2')의 상기 침투물 수집 튜브(8)의 상기 내측 주변(9) 내에 밀봉되는 플러그(66)를 포함하고, 상기 제2 센서(74)는 상기 플러그(66) 상에 위치되고 상기 제2 와권형 모듈(2')의 상기 침투물 수집 튜브(8)의 상기 내측 주변(9)과 유체 연통되는, 와권형 모듈 조립체.
  7. 제1항에 있어서,
    주변 밀봉 부재(72)가 상기 챔버(41)의 주변 표면(43)과 밀봉 접촉되는 상기 유동 플레이트(58)의 주위에 원주 방향으로 위치되는, 와권형 모듈 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유동 플레이트(58)는 스러스트 링(76) 및 상기 제2 와권형 모듈(2')의 엔드 캡(32') 사이에 위치되는, 와권형 모듈 조립체.
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