專利名稱：用于反滲透的大型管裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及液體的過濾，特別包括水的過濾。
背景現(xiàn)在，對于凈化液體有著非常廣泛的需求，最經(jīng)濟的要素之一是生產(chǎn)淡水。世界上許多地區(qū)的飲用淡水或農(nóng)業(yè)用水都不足，而在另一些地區(qū)本來可以供給大量的淡水，但水經(jīng)常被化學或生物污染物、金屬離子和類似物污染。另外對于諸如工業(yè)化學品和食品果汁等其他液體也有需要商業(yè)凈化的持續(xù)需求。例如，美國專利第4,759,850號討論了反滲透的用途，即在存在多余的醚的情況下，用于從碳氫化合物中去除乙醇，美國專利第4,959,237號討論了用于橙汁的反滲透的用途。
除了蒸餾技術(shù)以外，水和其他液體的凈化通常通過過濾來實現(xiàn)。已知有許多過濾形式，包括反滲透(RO)，精過濾和超級過濾，在這里，應(yīng)該理解到所有的這些技術(shù)都用統(tǒng)一的術(shù)語“過濾”來表示。
反滲透包括在壓力下采用半透膜來分離組份。這里使用的術(shù)語“膜”指的是一種功能性過濾裝置，可以包括一層或多層半滲透層以及一層或多層支撐層。根據(jù)所采用的膜的細密度，反滲透可以去除從宏觀分子到微觀顆粒的不同尺寸的顆粒，現(xiàn)代反滲透裝置能夠去除顆粒、細菌、孢子、病毒、甚至Cl-或Ca++等離子。
對于反滲透膜(RO)存在幾個問題，包括膜的過度污染和用于產(chǎn)生穿過膜的所需壓力的高昂費用。這兩個問題相互關(guān)聯(lián)，使大多數(shù)或者全部的已知RO膜裝置都需要在工作時采用相對于所生產(chǎn)的滲透液的量而言相對更大量的進給液體對膜進行沖洗。例如，沖洗液體與從海水中回收的脫鹽滲透液之比例如大約是3∶2。由于所用的海水中僅有一些恢復(fù)為凈化水，這就浪費了用于保持水的能量，使其本身效率不高。
通過采用例如頒布給Cheng等人(1970年1月)的US3,489,159所述的工作交換泵來減少過濾泵送時的能量消耗，該專利作為參考文獻包括在這里。在這種系統(tǒng)中，穿過過濾元件的“廢”液中的壓力用于對供給液體加壓。但不利的是，工作交換泵采用了相對復(fù)雜的管線，并且在任何情況下它們的操作都不連續(xù)。這些因素大幅增加了安裝和操作費用。
還有一種削減過濾泵送時的能量消耗的已知方法是采用一個或多個渦輪機以從“廢”液中回收能量。一個典型的例子是圖3所示的頒布給Vanquez-Figueroa(1996年10月公開)的PCT/ES96/00078，該專利也作為參考文獻包含在本文中。在那個例子中，進給液體被壓送到山脊，并從山上流下而進入過濾裝置，廢液流經(jīng)渦輪機以回收一些泵送能量。
圖1表示了采用能量回收渦輪機的已有技術(shù)過濾系統(tǒng)的概略圖。過濾系統(tǒng)10通常包括一個泵20、多個平行滲透器30、一個能量回收渦輪機40和一個滲透或過濾液體保持箱50。液體進給管線是筆直向前的，其進口管線(未表示)攜帶著進給液體從預(yù)處理裝置(未表示)流到泵20，進給管線22攜帶著加壓進給液體從泵20流到滲透器30，滲透液收集管線32將減壓的滲透液從滲透器30傳送給保持箱50，廢液收集管線34將加壓的廢液從滲透器30傳送給能量回收渦輪機40，廢液排出管線42將減壓的廢液從能量回收渦輪機40排放到系統(tǒng)10之外。
根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)能夠相對提高能量效率，但是從管線的角度來看還有些復(fù)雜。除了其他部件，每一滲透器30都具有至少三個壓力連接件-一個用于進給液體，一個用于廢液，一個用于滲透液。在大型系統(tǒng)中，這種流體連接件的維護可能很貴，特別是滲透器中的過濾元件每幾年就要更換。
WIPO公開說明書98/46338描述了一種改進裝置，其中包括螺旋卷繞過濾器的多個生產(chǎn)模塊以機械方式串聯(lián)，同時以平行方式提供進給液體通道、過濾液體通道和廢液通道。這種布局(有時在這里稱為S/P模塊化形式)使得一系列相連的模塊能夠很容易地被安裝、更換和去除。WO98/46338建議了多種將模塊在空間中有效布局的方式，例如通過插入到深井或淺井以及塔中、沿著地面布置、插入小丘或山的一側(cè)或者埋于路下或停車場下。它還建議，通過采用滑動配合接頭將鄰近的生產(chǎn)模塊相互匹配來提高安裝和拆卸效率，并且生產(chǎn)模塊可以通過連接件而保持在相互配合的狀態(tài)以支撐電纜或支桿。
但是，WIPO公開說明書98/46338沒有提示怎樣通過采用模塊化能量回收裝置來削減S/P模塊化生產(chǎn)模塊的能量消耗。因此，還需要用簡單的方法來回收這種系統(tǒng)、特別是大型系統(tǒng)(每天至少1百萬加侖)中的能量消耗，因為其效率低下是非常明顯的。
發(fā)明概述本發(fā)明描述了一種具有能量回收裝置的模塊化過濾系統(tǒng)。在優(yōu)選實施例中，過濾系統(tǒng)設(shè)置成如下形式，即多個生產(chǎn)模塊以機械形式串聯(lián)而形成一條生產(chǎn)鏈，每一公共進給液體流通路徑、公共廢液流通路徑、公共產(chǎn)品流通路徑都沿生產(chǎn)鏈布局。在優(yōu)選實施例的另一種方案中，能量回收裝置包括一個渦輪機以從流經(jīng)的液體或者“廢”液中回收能量。再一個實施例還包括模塊化的加壓裝置，用于對進給液體加壓，并為能量回收和加壓裝置提供一根公共的驅(qū)動軸。
本發(fā)明的各個目的、特征和優(yōu)點將結(jié)合附圖(其中相同的序號表示相同的元件)從下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述中更清楚地體現(xiàn)出來。
附圖簡要描述圖1是采用能量回收渦輪機的已有技術(shù)的過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖2是采用能量回收裝置的本發(fā)明所述過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明所述的過濾系統(tǒng)組的示意圖。
圖4是采用一個能量回收裝置和一個潛水泵的本發(fā)明過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖5是采用工作交換泵的本發(fā)明所述處于水平結(jié)構(gòu)的過濾系統(tǒng)的示意圖。
圖6是采用工作交換泵的本發(fā)明所述處于垂直結(jié)構(gòu)的過濾系統(tǒng)的示意圖。
詳細描述圖2中，優(yōu)選過濾系統(tǒng)110通常包括一個加壓裝置120、一組反滲透或其他過濾器130、一個能量回收裝置140和一個滲透或過濾液體保持箱150。與圖1類似，來自管線112的進給液體進入一預(yù)處理裝置114，然后通過管線116穿過加壓裝置120。經(jīng)過加壓后，進給液體管線122將加壓后的進給液體從加壓裝置120傳送給滲透器130，滲透收集管線132將減壓后的滲透液從滲透器130傳遞給保持箱150，廢液收集管線134將加壓廢液從滲透器130傳遞給能量回收裝置140，并且廢液排出管線142將減壓后的廢液從能量回收裝置140傳送到系統(tǒng)110之外。與圖1類似，應(yīng)該認識到，進給液體可以是能進行過濾處理的任何液體，進給液體包括水或至少一種諸如鹽水或海水的水溶液。在其他場合，進給液體可以包括食品，例如橙汁，或者是需要凈化的石油中間產(chǎn)品。
與圖1所示過濾系統(tǒng)10有很大不同的是，圖2所示的過濾系統(tǒng)110準備使多種過濾器130和至少部分進給液體管線122、滲透收集管線132以及廢液收集管線134包含在生產(chǎn)鏈中相互連接的一系列制造模塊160中或者至少部分地由它們限定。在優(yōu)選實施例中，生產(chǎn)鏈可以保持在形成大型管裝置170的通道或殼體內(nèi)，通道或殼體的內(nèi)壁與生產(chǎn)模塊配合，以形成多條液流管線122、132和134中的至少一條。在這種實施例的結(jié)合或替換形式中，廢液流通路徑和產(chǎn)品流通路徑都被認為是“沿生產(chǎn)鏈布局”。
盡管在直徑方面比上述實施例有更小的限制，生產(chǎn)模塊160仍在很多方面與生產(chǎn)模塊40相似并且是有利的，所述生產(chǎn)模塊40在公開說明書WO98/09718和WO98/46338中以多種形式進行了描述。另外，應(yīng)該理解到生產(chǎn)模塊160可以設(shè)置成與垂線保持任何關(guān)系，包括垂直、傾斜甚至水平。因此，大型管裝置170可以設(shè)置成更為水平或者不必太水平，并且可位于地面上方或地面，或者是以其他方式，例如部分地埋入地下。在其他所述實施例中，例如，大型管裝置170可以設(shè)置在淺井中，所述淺井的深度可能小于100或者小于50英尺。在其他實施例中，大型管裝置170可以設(shè)置在一座塔中、小丘中、山中或者作為它們的一部分。在另一方面，可以將多個大型管裝置170相連以形成一組裝置(未表示)，這組裝置可以以任何組合形式設(shè)置。
過濾部分最好是螺旋卷繞形式的，例如象WO98/09718中所述的那樣。但是，在其他實施例中，也可以采用任一種其他形式的過濾器。這樣，應(yīng)該很容易理解到可以采用扁平膜，管狀、螺旋狀和/或空心管式過濾器。例如，空心式過濾器可以以與Eckman(1995年11月)的US5,470,469所述相似的方式進行布局。
下面將詳細描述加壓裝置120，應(yīng)該理解到，任何能夠提供適當泵送容積和壓力的泵或泵系統(tǒng)都可以用在過濾系統(tǒng)110中來對進給液體加壓。這包括正排量泵、葉片泵、水頭壓力裝置或其他裝置。另一方面，有些泵和泵系統(tǒng)比其他泵更有效，這樣的泵和系統(tǒng)是特別適用的。一種特別有效的泵送系統(tǒng)是兩級渦輪泵，例如圖2所示。這里，進給液體首先流入相對較低壓力的渦輪機120A，然后進入到相對較高壓力的渦輪機120B。有利的是，低壓和高壓渦輪機120A、120B可以從單一的驅(qū)動軸120C和馬達120D獲取動力，然而，也可以采用具有多根驅(qū)動軸和/或多個馬達的其他實施例。
能量回收裝置140可以是多種不同形式的，包括正排量裝置(未表示)。在圖2中，例如，能量回收裝置140與渦輪機140A制成一體，所述渦輪機140A容納來自生產(chǎn)模塊160的加壓廢液。
能量回收裝置140可以是多種不同形式的，包括正排量裝置(未表示)、渦輪機裝置(未表示)或皮爾頓式水輪機130A(如圖4所示)。能量回收裝置140還最好以模塊形式連接到加壓裝置120上。在圖2和3所示的特定實施例中，通過將兩加壓裝置120和能量回收裝置140設(shè)置在公共動力模塊165中而實現(xiàn)模塊化，還通過將泵驅(qū)動軸連接到驅(qū)動軸120C上來從能量回收裝置向泵120A、130B傳遞動力。在替換實施例中，通過將加壓裝置120和能量回收裝置140設(shè)置在獨立的動力模塊(未表示)中而實現(xiàn)模塊化，這兩個模塊最好通過一個公共驅(qū)動鏈相連。
對于模塊化結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)該理解到有多個優(yōu)點。過濾器和流通管線集成到生產(chǎn)模塊中是非常有利的，因為它簡化了過濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在物理上是串聯(lián)方式的，但從液流上講是平行方式的。相對于圖1所示的傳統(tǒng)系統(tǒng)來說，這種系統(tǒng)本身就能在建造和維護方面有效地節(jié)約費用。加壓裝置和能量回收裝置的模塊化還有利于節(jié)約費用。此外，這種動力模塊能夠在給定的過濾系統(tǒng)中被容易地插入并替換，并且能夠在一組這樣的過濾系統(tǒng)中用對應(yīng)的模塊互換。
從圖3中可以很容易地看出某些優(yōu)點。在圖3中，一組過濾系統(tǒng)200包括第一微型過濾系統(tǒng)202、第二超過濾或不過濾系統(tǒng)204和第三超級過濾或反滲透系統(tǒng)206。許多部件都可以模塊化以增強互換性和節(jié)約費用。例如，每一過濾系統(tǒng)可具有預(yù)處理裝置214A、214B和214C，在這種情況下可以是紫外線或其他殺菌裝置。裝置組200的所有過濾系統(tǒng)202、204、206所用的進給液體由井209提供，該進給液體被泵208壓送到第一預(yù)處理裝置214A中。然后進給液體通過管線216A傳到第一過濾系統(tǒng)202中，這里，進給液體在生產(chǎn)模塊260A中被過濾。廢液通過管線234A離開第一過濾系統(tǒng)202。來自第一過濾系統(tǒng)202的滲透液通過管線被第二過濾系統(tǒng)204收集，并且在生產(chǎn)模塊260B中被進一步過濾。廢液通過管線234B離開第二過濾系統(tǒng)204。來自第二過濾系統(tǒng)204的滲透液通過管線216C被第三過濾系統(tǒng)206收集。在第三過濾系統(tǒng)206中，相對純凈的液體被加壓裝置220加壓，并在生產(chǎn)模塊260C中被進一步過濾。廢液通過管線234C離開第三過濾系統(tǒng)206。通過采用能量回收裝置240將來自第三過濾系統(tǒng)206的滲透液減壓，并且滲透液流到保持箱250中。
當然，圖2和3所示的系統(tǒng)布局僅是用于舉例的，也可以采用許多其他布局。例如，圖3表示了一個裝置組200，其中進給液體通過多個串聯(lián)設(shè)置的過濾系統(tǒng)逐步地經(jīng)過多次的過濾。在一替換實施例中，很有利的是僅將進給液體過濾一次，使得多個過濾系統(tǒng)以平行方式而不是串聯(lián)方式進行工作。在另一替換實施例中，裝置組可以采用多條進給液體源，例如通過多個井而不是一個公共井。在另一替換實施例中，多個過濾系統(tǒng)可以相對于某地點設(shè)置成多種狀態(tài)。例如，一些系統(tǒng)可以設(shè)置在地下較深的地方，而另一些設(shè)置在靠近地面的地方，或者設(shè)置在一座塔中。
許多部件可以有利地設(shè)置成模塊化形式以增強互換性和節(jié)約費用。例如，每一過濾系統(tǒng)都可以具有一個預(yù)處理裝置214A、214B、214C，在這種情況下，它們是紫外線裝置或其他殺菌裝置。用于裝置組200中所有過濾系統(tǒng)202、204的進給液體由井209提供，并通過泵208壓送到第一預(yù)處理裝置114A。進給液體接著通過管線116A流進第一過濾系統(tǒng)202，在那里，進給液體在生產(chǎn)模塊260中被過濾。廢液通過管線134A離開第一過濾系統(tǒng)202。來自第一過濾系統(tǒng)202的滲透液通過管線112B被第二過濾系統(tǒng)204收集。廢液通過管線134B離開第二過濾系統(tǒng)204，穿過能量回收裝置140。來自第二過濾系統(tǒng)204的滲透液流到保持箱250中。
在圖4中，過濾系統(tǒng)310包括設(shè)置在一個公共動力模塊365中的一個加壓裝置320和一個能量回收裝置340。皮爾頓式水輪機或ERT340A從位于廢液收集管線134中的廢液中回收能量，并通過公共驅(qū)動軸320C向驅(qū)動潛水泵320A、320B提供附加的能量。
在圖5中，一系列生產(chǎn)模塊522連接在一起形成一個大型管裝置510。生產(chǎn)模塊522最好在許多方面與‘293申請中所述的生產(chǎn)模塊540相同，盡管這里在直徑方面比前述實施例具有更小的限制。另外，應(yīng)該理解到生產(chǎn)模塊522可以設(shè)置成與垂線相關(guān)的任何關(guān)系，包括垂直、傾斜、甚至水平。因此，大型管裝置510可以設(shè)置成更為水平或者不必太水平，并且可位于地面上方或地下，或者是以其他方式，例如部分地埋入地下。在其他所述實施例中，大型管裝置510可以設(shè)置在淺井中，所述淺井的深度可能小于100或者小于50英尺。在其他實施例中，大型管裝置170可以設(shè)置在一座塔中、小丘中、山中或者作為它們的一部分。在另一方面，可以將多個大型管裝置510相連以形成一組裝置，這組裝置可以以任何組合形式設(shè)置。
優(yōu)選的工作方式與WO98/09718申請中所述的相似，只是用于操作半透膜的所需壓力的主要部分是從某些壓力源獲得而不是從水頭壓力獲得。因此，在圖5中，液體可以從井道水頭或其他壓力源512抽吸或向上泵送，通過進入管線513到達一個選擇性的預(yù)處理裝置514。盡管液體通常是水或至少是例如鹽水或海水等水溶液，另外本文這里所述的部分也采用了鹽水或海水作為實施例，但應(yīng)該理解到，實際的任何液體都可以被本文所述的裝置和方法進行凈化。
鹽水或海水從預(yù)處理裝置514流到高壓工作交換泵516，采用該泵是能夠?qū)λM一步加壓，并將水泵送入生產(chǎn)模塊522。在這個特定實施例中，所述鹽水或海水沿通道524流動，有些水流過一個膜以形成穿過通道526的滲透液，同時，剩下的水從排出管道536排出。接著，通道526中的滲透液通過管道532流到儲存箱534中。
如上所述，大型管裝置510可以實際設(shè)置在任何位置，但是這里被支撐件524抬升在高于地面幾英尺的位置上。還可以采用水泥支撐地板或其他地面覆蓋物。
圖6表示了一個類似的裝置，其中大型管裝置610垂直設(shè)置在淺井中。為了便于對比，除了每一序號都增加100外，每一元件都用與圖5相同的序號方式表示。
再詳細描述高壓泵516、616，應(yīng)該理解到可以采用能夠提供適當泵容積和泵壓的任一泵或泵系統(tǒng)。這包括正排量泵、葉片泵和其他形式的泵。另一方面，有些泵和泵系統(tǒng)比其他泵更有效，這樣的泵和系統(tǒng)是特別適用的。本文優(yōu)選的泵系統(tǒng)是例如在美國專利3,489,159中所述的工作交換系統(tǒng)等泵系統(tǒng)。
這樣，本文描述了采用具有模塊化能量回收系統(tǒng)的過濾系統(tǒng)的特定實施例和應(yīng)用情況。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解到，除了這些已經(jīng)描述的系統(tǒng)外，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，可以采用許多別的改進。因此，在本發(fā)明公開的精神下，本發(fā)明主題并不受到限制。
權(quán)利要求書按照條約第19條的修改1．一種過濾系統(tǒng)，包括至少兩個以機械形式串聯(lián)而形成一條生產(chǎn)鏈的生產(chǎn)模塊；一公共進給液體流通路徑、公共廢液流通路徑、以及公共產(chǎn)品流通路徑，其都沿生產(chǎn)鏈布局；一個能量回收裝置，它從廢液流通路徑中的廢液中獲取能量；和一個壓力泵，用于將加壓液體供應(yīng)給生產(chǎn)模塊。
2．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，還包括一根驅(qū)動軸，通過該驅(qū)動軸，至少一部分從廢液中獲得的能量用于向進給液體施加壓力。
3．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，還包括一個有助于向進給液體加壓的加壓裝置。
4．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個皮爾頓水輪機。
5．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個工作交換泵。
6．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個渦輪機。
7．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈包括至少3個生產(chǎn)模塊。
8．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈包括至少5個生產(chǎn)模塊。
9．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈插入到一縱長殼體中。
10．如權(quán)利要求9所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，該殼體大致設(shè)置在地面下。
11．如權(quán)利要求9所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，該殼體大致設(shè)置在地面上。
權(quán)利要求
1．一種過濾系統(tǒng)，包括多個以機械形式串聯(lián)而形成一條生產(chǎn)鏈的生產(chǎn)模塊；一公共進給液體流通路徑、公共廢液流通路徑、以及公共產(chǎn)品流通路徑，其都沿生產(chǎn)鏈布置；和一個能量回收裝置，它從廢液流通路徑中的廢液中獲取能量。
2．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，還包括一根驅(qū)動軸，通過該驅(qū)動軸，至少一部分從廢液中獲得的能量用于向進給液體施加壓力。
3．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，還包括一個有助于向進給液體加壓的加壓裝置。
4．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個皮爾頓水輪機。
5．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個工作交換泵。
6．如權(quán)利要求1所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，能量回收裝置包括一個渦輪機。
7．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈包括至少3個生產(chǎn)模塊。
8．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈包括至少5個生產(chǎn)模塊。
9．如權(quán)利要求1-6任一項所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，生產(chǎn)鏈插入到一縱長殼體中。
10．如權(quán)利要求9所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，該殼體大致設(shè)置在地面下。
11．如權(quán)利要求9所述的過濾系統(tǒng)，其特征在于，該殼體大致設(shè)置在地面上。
全文摘要
一種模塊化過濾系統(tǒng)(110),包括以機械形式串聯(lián)而形成一條生產(chǎn)鏈的多個生產(chǎn)模塊(160),該多個生產(chǎn)模塊通過進給液體(122)流通路徑、廢液(134)流通路徑、產(chǎn)品液體(132)流通路徑實現(xiàn)流體連通。該系統(tǒng)還包括一個渦輪機(140A)、工作交換裝置、或其他能量回收裝置(140)以從廢液回收能量。該系統(tǒng)還最好包括一個用于對進給液體(122)加壓的加壓裝置,并為能量回收裝置(140)和加壓裝置(120)提供一根公共的驅(qū)動軸(120C)。
文檔編號B01D63/04GK1300235SQ99805167
公開日2001年6月20日 申請日期1999年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月27日
發(fā)明者D·錢塞勒 申請人:納特國際公司