用于操作高回收率分离过程的方法和系统技术方案

一种反渗透系统和方法包含：泵，所述泵对进料流进行加压；第一膜阵列和第二膜阵列，所述第一膜阵列和所述第二膜阵列产生渗透液流和盐水流。第一能量回收装置使用来自第二盐水流的第一能量来对第一盐水流进行加压。第一辅助阀、第二辅助阀、第一旁通阀和第二旁通阀与所述第一能量回收装置和第二能量回收装置相关联。第二能量回收装置使用来自所述第二盐水流的第二能量来增加所述进料流的第二压力。第一流量计产生所述第一渗透液流的第一流量信号。第二流量计产生所述第二渗透液流的第二流量信号。第三流量计产生所述第二盐水流的第三流量信号。电动机驱动所述第一能量回收装置。控制器响应于所述流量信号而控制所述阀。

Methods and systems for operating high recovery separation processes

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于操作高回收率分离过程的方法和系统相关申请本申请要求于2018年9月21日提交的美国实用专利申请第16/138,291号的优先权并且还要求于2017年9月25日提交的临时申请第62/562,694号的权益。上述两个申请的公开内容通过引用并入本文。
本公开总体上涉及流体分离系统，并且，更具体地说，涉及一种使用多个能量回收装置进行多级流体分离的方法和系统。
技术介绍
本节中的陈述仅提供与本公开相关的背景信息，并且不构成现有技术。反渗透系统通常使用一个或多个膜外壳，其具有一个或多个膜，用于从溶液中提取基本上纯的流体。脱盐反渗透膜收纳来自微咸水或海水的进料流体，并从中提取淡水。当进料流体的压力超过允许渗透液或产品流体穿过半透性反渗透膜的流体的渗透压时，淡水被提取或分离。留在膜输入侧的流体的盐浓度变高，因为穿过膜的淡水不包含盐。穿过膜的水被称为渗透液。生产淡水所需的压力与反渗透外壳内的进料溶液中的总溶解固体(TDS)的浓度成比例。对于典型的海水，浓度约为百万分之35,000(ppm)，相应的渗透压约为每平方英寸450磅(psi)(3,102kPa)。对于70,000ppm的进料流体，渗透压大约翻倍到900psi(约6,205kPa)。典型的海水反渗透系统使用一系列可以回收高达约45％的淡水并可以从原始体积的海水中生成约55％的浓盐水的膜。净驱动压力(NDP)等于进料压力减去渗透压力。净驱动压力是可用于驱动纯流体穿过膜的压力能量。现在参考图1A，根据现有技术的反渗透系统10包含膜阵列12，所述膜阵列从进料管18中的进料流生成通过渗透液管14的渗透液流和通过盐水管16的盐水流。进料流源自通常包含微咸水或海水的水源19。联接到电动机22的进料泵20将进料流18加压到所需压力，并且进料流18以所需压力进入膜阵列12。膜阵列12包含膜外壳或压力容器24和膜26。进料流18在离开膜阵列12之前流过膜26的部分形成通过渗透液管14流出的渗透液流14。进料流18在离开膜阵列12之前不流过膜26的部分形成盐水流，盐水流从盐水管16中离开。渗透液流14是收集在罐28中或通过管道输送到所需位置的低压净化流体流。盐水流16是包含被膜26阻挡的溶解物质的高压流。盐水流16的压力仅略低于进料流18。控制阀30可用于调节膜阵列12中的流量和压力。盐水流16可以流过控制阀30并流入排水管或罐32。现在参考图1B，图1A的膜26通常由多个元件40形成。元件40通常通过将多个片材和间隔件轧制在一起而形成为圆柱形。在该实例中，第一片材42和第二片材44在三个侧面上粘合在一起，第四个侧面与中央收集管46粘合连通，将渗透液传送到如箭头48所示的期望位置。盐水(也可以被称为废液50)不进入收集管46。片材和间隔件粘合在膜片材42与44之间，以允许片材44稍微分开，并允许渗透液流到收集管46。第二间隔片材54用于保持膜片材稍微分开，并允许轴向流通过元件，且允许盐水或废液50从所述元件流过。现在参考图1C，入口管60将流体流体地传送到压力容器24中。流量分配器62将流体分配到反渗透元件40A-40E，而不是分配到元件40A-40E周围。流体分配器62跨元件40A的表面径向扩散流体流。密封件64允许来自分配器62的流体不绕过第一元件40A。流体继续依次通过元件40A-40E。渗透液收集管46A、46B、46C、46D和46E收纳来自每个相应元件40A-40E的渗透液。连接器66A-66D连接连续的收集管46A-46E。防伸缩装置68可用于保持元件40A-40E相对于流量分配器62的位置。在大多数应用中，使用三到八个元件。此实例中使用了五个元件。盐水出口管70用于将盐水从压力容器24中排出。渗透液出口收集管沿箭头48所示的方向流动。随着进料从一个元件到另一个元件，总溶解固体的量增加，直到盐水离开管道70为止。渗透压主要由总溶解固体的浓度决定。与前面的元件相比，每个随后的元件经历更高的浓度，从而经历比前面的元件更高的渗透压和更低的净驱动压力。因此，每个随后的元件的渗透液产量都比前面的元件的渗透液产量更低。RO系统中的海水的最小净驱动压力为约100psi(689.5kPa)。初始进料压力必须大大高于初始渗透压力，以确保在阵列末端有足够的净驱动压力。典型的压力可以为约800psi(5516kPa)，而渗透压为约450psi(3103kPa)，这为第一元件产生350psi(2413kPa)的净驱动压力。在阵列的末端，渗透压可以为700psi(4826kPa)，这一压力将净驱动压力降低到100psi(689.5kPa)。高初始净驱动压力是较浪费的，因为这种高压远远高于最佳渗透液产生速率所需的压力。在理想情况下，进料压力将稳定增加，以补偿不断增加的渗透压，从而在整个阵列中产生恒定的净驱动压力。反渗透系统的另一个问题是极化。极化是在膜表面附近形成盐度和污垢的浓度变得非常高的停滞边界层。当通过膜元件的流速降低到一定值时，就会发生极化。当流速相对于第一元件的入口流速下降到百分之五十以下时，极化通常变得严重。可回收的渗透液的典型量约为百分之五十或更低，并且典型范围可以介于百分之三十八与百分之四十五之间。现在参考图2A，一种实现更高渗透液回收率的方法是采用第一组压力容器210A、210B，所述一组压力容器供给第二组压力容器210C。在此实例中，在第一级212中展示出了两个压力容器，在第二级214中展示出了单个压力容器。这种类型的配置称为2:1阵列。进料流体进入分布在压力容器210A与210B之间的进料歧管220。盐水通过盐水歧管224离开压力容器210A和210B，到达第二级214中的压力容器210C。渗透液通过渗透液歧管228离开压力容器210A和210B。渗透液歧管228也与压力容器210C中产生的渗透液连通。较高浓度的盐水通过盐水管230从压力容器210C中排出。当然，其它类型的阵列配置也是已知的，如3:2和4:3。对于三级系统，使用了6:4:2的配置。两级系统的渗透液回收率为约百分之五十到百分之七十五。所述三级系统的渗透液回收率也可以高达约百分之八十五。图2B中展示了两级系统的第二个实例如。在此实例中，在两级之间使用了增压泵240。即，增压泵240与盐水歧管224连通，并将盐水歧管224中的压力升高到期望的压力，以补偿第一级212的压力容器210A和210B中发生的净驱动压力的损失。众所周知，能量回收装置(如涡轮增压器)用在反渗透系统中以回收从末级排出的盐水流中的液压能量并提高另一股流(如进料流)的压力。在图3A中，压力容器310具有被引导至涡轮增压器314的盐水流312，所述涡轮增压器具有泵部分316和涡轮机部分318。涡轮机部分318收纳高压盐水流312，所述盐水流进而用于驱动收纳来自高压泵320的进料流体的泵316。高压泵320由电动机322驱动。涡轮机318也可以通过共用轴332连接到电动机330。电动机330由变频装置334驱动。在操作期间，进料流体被高压泵320加压到中间水平。进料流体的最终压力由涡轮增本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反渗透系统，其包括：/n泵，所述泵能够操作以对进料流进行加压；/n第一膜阵列，所述第一膜阵列被配置成收纳所述进料流并从所述进料流产生第一渗透液流和第一盐水流；/n第二膜阵列，所述第二膜阵列被配置成收纳所述第一盐水流并从所述第一盐水流产生第二渗透液流和第二盐水流；/n第一能量回收装置，所述第一能量回收装置被配置成收纳所述第二盐水流并使用来自所述第二盐水流的第一能量来增加所述第一盐水流的第一压力；/n第一辅助阀和第一旁通阀，所述第一辅助阀和第一旁通阀与所述第一能量回收装置相关联；/n第二能量回收装置，所述第二能量回收装置被配置成在所述第一能量回收装置之后收纳所述第二盐水流，并使用来自所述第二盐水流的第二能量来增加所述进料流的第二压力；/n第二辅助阀和第二旁通阀，所述第二辅助阀和第二旁通阀与所述第二能量回收装置相关联；/n第一流量计，所述第一流量计产生对应于所述第一渗透液流的第一流量的第一流量信号；/n第二流量计，所述第二流量计产生对应于所述第二渗透液流的第二流量的第二流量信号；/n第三流量计，所述第三流量计产生对应于所述第二盐水流的第三流量的第三流量信号；/n电动机，所述电动机联接到所述第一能量回收装置，所述电动机能够操作以使用来自电源的能量驱动所述第一能量回收装置；以及/n控制器，所述控制器与所述第一流量计、所述第二流量计和所述第三流量计通信，所述控制器响应于所述第一流量信号、所述第二流量信号和所述第三流量信号而控制所述第一辅助阀、所述第一旁通阀、所述第二辅助阀和所述第二旁通。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170925 US 62/562,694;20180921 US 16/138,2911.一种反渗透系统，其包括：
泵，所述泵能够操作以对进料流进行加压；
第一膜阵列，所述第一膜阵列被配置成收纳所述进料流并从所述进料流产生第一渗透液流和第一盐水流；
第二膜阵列，所述第二膜阵列被配置成收纳所述第一盐水流并从所述第一盐水流产生第二渗透液流和第二盐水流；
第一能量回收装置，所述第一能量回收装置被配置成收纳所述第二盐水流并使用来自所述第二盐水流的第一能量来增加所述第一盐水流的第一压力；
第一辅助阀和第一旁通阀，所述第一辅助阀和第一旁通阀与所述第一能量回收装置相关联；
第二能量回收装置，所述第二能量回收装置被配置成在所述第一能量回收装置之后收纳所述第二盐水流，并使用来自所述第二盐水流的第二能量来增加所述进料流的第二压力；
第二辅助阀和第二旁通阀，所述第二辅助阀和第二旁通阀与所述第二能量回收装置相关联；
第一流量计，所述第一流量计产生对应于所述第一渗透液流的第一流量的第一流量信号；
第二流量计，所述第二流量计产生对应于所述第二渗透液流的第二流量的第二流量信号；
第三流量计，所述第三流量计产生对应于所述第二盐水流的第三流量的第三流量信号；
电动机，所述电动机联接到所述第一能量回收装置，所述电动机能够操作以使用来自电源的能量驱动所述第一能量回收装置；以及
控制器，所述控制器与所述第一流量计、所述第二流量计和所述第三流量计通信，所述控制器响应于所述第一流量信号、所述第二流量信号和所述第三流量信号而控制所述第一辅助阀、所述第一旁通阀、所述第二辅助阀和所述第二旁通。


2.根据权利要求1所述的反渗透系统，其中所述第一能量回收装置包括第一涡轮增压器，所述第一涡轮增压器包括第一涡轮机，所述第一涡轮机收纳所述第二盐水流，并且所述第二能量回收装置包括第二涡轮增压器，所述第二涡轮增压器包括第二涡轮机，所述第二涡轮机在所述第一涡轮机之后收纳所述第二盐水流。


3.根据权利要求2所述的反渗透系统，其中所述第一涡轮机包括第一主喷嘴和第一辅助喷嘴，所述第一主喷嘴收纳所述第二盐水流，所述第一辅助喷嘴包括第一辅助阀，所述第一辅助阀选择性地将所述第二盐水流的第一部分传送到第一蜗壳，并且其中所述第二涡轮机包括第二主喷嘴和第二辅助喷嘴，所述第二主喷嘴收纳所述第二盐水流，所述第二辅助喷嘴包括第二辅助阀，所述第二辅助阀选择性地将所述第二盐水流的第二部分传送到第二蜗壳。


4.根据权利要求3所述的反渗透系统，其进一步包括第一旁通阀，所述第一旁通阀选择性地将所述第二盐水流的至少第三部分传送绕过所述第一涡轮机，并且所述反渗透系统进一步包括第四旁通阀，所述第四旁通阀使所述第二盐水流的至少第四部分绕过所述第二涡轮机。


5.根据权利要求4所述的反渗透系统，其中所述第一涡轮增压器包括第一涡轮增压器外壳，所述第一涡轮增压器外壳包括第一旁通通道和所述第一辅助喷嘴，并且其中所述第二涡轮增压器包括第二旁通通道和第二辅助喷嘴。


6.根据权利要求5所述的反渗透系统，其进一步包括第一阀杆，所述第一阀杆形成所述第一旁通阀和所述第一辅助阀两者，并且所述反渗透系统进一步包括第二阀杆，所述第二阀杆形成所述第二旁通阀和所述第二辅助阀两者。


7.根据权利要求6所述的反渗透系统，其中所述第一阀杆包括第一端口，所述第一端口通过所述第一阀杆联接，使得当所述辅助喷嘴部分打开时，旁通流体的一部分通过所述端口绕过所述涡轮机。


8.根据权利要求7所述的反渗透系统，其中所述第一端口包括多个并联安置的端口，所述多个端口在所述第一阀杆移动以打开所述辅助喷嘴...

【专利技术属性】
技术研发人员：小伊莱·奥克莱哈斯，
申请(专利权)人：弗路伊德设备开发有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US