反滲透設備的製作方法

2023-11-03 15:01:17

專利名稱：反滲透設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有膜片單元、高壓泵、壓力交換器和增強泵的反滲透設備，其 中，膜片單元具有入口、滲透物出口和濃縮物出口，高壓泵與入口連接，壓力交換器在其濃 縮物端與濃縮物出口連接，以及增強泵位於壓力交換器與入口之間。
背景技術：
反滲透設備比如被用作從鹽水或髒水(在下面被概括稱作「給水」)中獲取飲用 水。為此，給水通過高壓泵加以相對較高的壓力，比如SObar或更高，且被送入膜片單元的 入口。在膜片單元中設置可半滲透的膜片，其留住給水的髒物或鹽且僅允許清潔過的水 (被稱作滲透物)穿過。殘留的給水中的鹽或髒物濃度上升。具有較高濃度(還被稱作濃 縮物)的給水通過濃縮物出口從膜片單元中被排出。這種濃縮物仍然具有相對較高的壓 力，比如60至70bar，從而人們希望再次獲取在濃縮物中含有的能量含有物。本發明不限於 採用水作為液體。因此公知的是，將濃縮物出口與壓力交換器連接在一起。具有較高壓力的濃縮 物輸送到壓力交換器的濃縮物端。給水輸送到另外一側(供給側)，給水的壓力通過濃縮 物被升高。比如在 DE3781148T2、US5338158、US5988993、W099/17028AU US6540487B2 或 US7214315B2中描述了壓力交換器。最後一個文獻還提到了在反滲透設備中的應用。不過，壓力交換器或壓力變換器通常不能將濃縮物的壓力完全傳遞到給水上。膜 片單元也通常在入口與濃縮物出口之間具有一定的壓力下降。為了將給水的藉助於壓力交 換器被置入升高的壓力下的部分帶入最終膜片單元所需的壓力下，需要一種增強泵。這種 增強泵必須被驅動，即需要額外的能量。其操控麻煩。如果增強泵輸送過多的液體，則其可 能不僅輸送給水也輸送濃縮物，從而使膜片的入口側的濃縮物濃度上升，這又造成了效率 的惡化。這種現象被稱作「混合」。在含鹽較高時能量消耗會上升。很多系統由此採用一個 或多個流量計，用以避免液體的混合。

發明內容
本發明的目的在於，儘可能低地保持能量消耗。該目的通過前述類型的反滲透設備(Umkehrosmosevorrichtung)如下實現，即增 強泵被設計為容積式泵。容積式泵是具有正的排出量(VerdrSngung )的泵，在這種泵中液體通過封閉的容 積輸送。換句話說，容積式泵針對每個工作周期具有一個恆定的輸送功率。一個工作周期 比如可以是一次轉動或一個活塞行程等等。容積式泵為比如活塞泵、齒輪泵、擺線泵、軌道 泵、膜片泵、軟管泵、蠕動泵、螺栓泵、主軸泵、偏心凸輪泵或葉片泵，其中，以上列舉不是完 全的。容積式泵具有公知的效率和在轉速與泵功率(即輸送的量)之間足夠線性的特性。 相反，不以封閉的容積工作的泵不具有在轉動與泵功率之間的線性依賴關係。其包括比如 離心泵、噴氣泵和蝸輪泵，其中，此處的列舉也不是完全的。容積式泵相對於離心泵具有較小的能量消耗。因此，首先相對於迄今結合反滲透設備所採用的離心泵實現了能量節省。 離心泵針對較大的流量相對於容積式泵需要非常高的轉速。如果壓力交換器安裝在同一軸 上，其必須以同樣高的轉速運轉。這可能導致用於壓力交換的時間太短。另一個優點在於， 利用容積式泵可以相比於迄今本質上更精確地控制經過壓力交換器的流量。該流量基本上 是容積式泵的轉速的線性函數。因此，可以以簡單的方式實現藉助於壓力交換器能夠以濃 縮物的壓力加壓儘可能多的給水。相反可以避免濃縮物經過壓力交換器輸送且然後再到達 膜片單元的入口。因此，可以實際上避免給水和濃縮物的混合物，這對於效率是有利的。優選在濃縮物輸出端與壓力交換器之間設置測量馬達。該測量馬達代替流量計確 定從濃縮物輸出端至壓力交換器的流量。同時，可以利用在濃縮物中所包含的能量，用以 比如驅動壓力交換器。通過測量馬達的轉速提供了關於濃縮物的流量的信息，該信息比如 可以被用於控制壓力交換器或容積式泵。如果在此處設置測量馬達，其與在壓力交換器的 另一側的容積式泵配合作用。測量馬達還可以設置在壓力交換器的兩個其它接口中的一個 上。壓力交換器和容積式泵優選具有相互匹配的通過量(Durchsatzvolumina)。因此， 容積式泵在預設的時間段內輸送如壓力交換器在相同的時間段內以提高的壓力加壓的給 水一樣多的給水。為此比如可以設置，壓力交換器和容積式泵具有共同的控制裝置，通過該 控制裝置比如可以相互依賴地控制容積式泵和壓力交換器的轉速。在一個可替換的實施方式中，容積式泵可以被設計為伺服傳動液壓泵 (Verstellpumpe)。伺服傳動液壓泵針對每一轉動或工作周期具有可變的輸送量。如果容積 式泵最初不具有與壓力交換器的容量相匹配的輸送量，則還可以在運行中實現這種匹配。此外特別優選的是，容積式泵之後連接濃縮物傳感器，其與容積式泵的調節裝置 連接。濃縮物傳感器確定是否向給水中流入了過多的濃縮物。如果是這種情況，則相應地 減小容積式泵的輸送量，用以避免濃縮物與給水的混合。調節裝置可以以不同的方式工作， 比如機械地、液壓地或電氣地工作。壓力交換器和容積式泵優選具有共同的驅動軸。因此，可以以簡單的方式使容積 式泵的轉速與壓力交換器的轉速相匹配。利用通過量的相應的匹配可以實現理想的工作 點。在該工作點上以濃縮物的壓力對最大可能的給水量進行加壓，不會使濃縮物進入給水 中。共同的驅動軸還提供了構造上優點。比如僅需唯一一個用於壓力交換器和容積式泵的 驅動裝置。壓力交換器還可以在低轉速的情況下運行，這是因為容積式泵在低轉速的情況 下也按照要求輸送。有利的還有，容積式泵和壓力交換器具有共同的軸密封區域。容積式泵和壓力交 換器都具有至少一個液體位於提高的壓力下的區域。可以將加以高壓的軸密封區域置於容 積式泵與壓力交換器之間，從而僅需驅動軸的向外的套管。在共同的軸密封區域中對密封 性的需要較小。有利的還有，容積式泵具有端側上的泵入口，容積式泵利用端側設置在壓力交換 器上。由此獲得了殼體，在殼體中已經設置了用於高壓水的槽。由此節省了額外的管道。由 此減小了壓力損失，這對於效率是有利的。泵入口優選位於壓力交換器的輸入端的對面。泵入口和壓力交換器在濃縮物端上 的輸入端在一條直線上或在旋轉方向上相互錯開地設置。這導致具有提高的壓力的濃縮物
4可以將給水從壓力交換器的轉子中以最小可能的壓力損失向容積式泵輸送。這也獲得了較 好的效率。在另一個有利的實施方式中，高壓泵具有與容積式泵共同的驅動軸。這樣，可以 以同一馬達驅動高壓泵和容積式泵。所有驅動裝置都可以比如被設計為電動機，其由變頻 器供給，因此在此也可以調節多個或一個馬達的速度。高壓泵和容積式泵採用共同的驅動 軸的優點在於，使得反滲透設備的控制更加容易。高壓泵主要負責為膜片單元提供液體量。 所需的液體量的標準根據在滲透出口上提取多少液體來確定。濃縮物量也取決於滲透量 (Permeatmenge)。如果提取更多的滲透物，則透出更多的液體且自動地產生更多的濃縮物。 即得出了高壓泵的輸送功率與濃縮物量之間的線性的依賴關係。由於濃縮物應該將其壓力 儘可能完全地傳遞到給水上，還必須輸送相應量的給水。給水通過容積式泵的輸送與給水 通過高壓泵的輸送的依賴關係在很大的範圍內也是線性的。因此，可以毫無問題地使用共 同的驅動軸，不過其前提是採用容積式泵作為增強泵。優選將高壓泵、壓力交換器和容積式泵組合成一個結構單元。這首先具有的作用 在於，高壓泵、壓力交換器和容積式泵具有共同的驅動軸且被同一馬達驅動。該馬達可以被 設計為轉速控制的電動機，用以將輸送功率與滲透需要相匹配。此外，該實施方式的優點在 於，需要較小的向外密封。如果比如軸僅在一個端側從結構單元中引出，在軸中採取軸密 封。此外，可以在結構單元中設置必要的槽，從而節省了外部的管路或管道連接，而且還降 低了能量消耗，因為減少了壓力損失。此外優選的還有，容積式泵設置在壓力交換器與高壓泵之間。這產生了有利的針 對各液體(即針對濃縮物和針對給水)的槽引導。有利的引導有益於將壓力損失保持得較 小且由此使效率儘可能高。容積式泵和高壓泵優選具有從結構單元出來的共同出口。由此簡化了結構單元與 膜片單元之間的管路連接。原則上僅還需唯一一個在膜片單元的入口與結構單元之間的管 道。因此還可以將壓力損失保持得很小，從而使該措施還有益於較好的效率。壓力交換器在其濃縮物端優選具有濃縮物影響裝置，其具有下列元件中的至少一 個旁通閥、洩壓閥和節流閥。旁通閥實現了比如膜片單元的濃縮物輸出端的壓力釋放。洩 壓閥避免了壓力交換器以不允許的高壓加壓在濃縮物端，以及節流閥可以用於避免空穴作 用的風險。此外，節流閥還有助於影響低壓給水向低壓濃縮物的流通。所有三個元件可以 單個地、成對地或三個一起使用。優選的還有，平行於容積式泵設置安全閥。該安全閥避免容積式泵上的壓力差過 大。


下面藉助於優選的實施例結合附圖描述本發明。其中，圖1示出了反滲透設備的第一實施方式，圖2示出了反滲透設備的第二實施方式，圖3示出了具有壓力交換器和容積式泵的單元的示意截面圖，圖4示出了反滲透設備的第三實施方式以及圖5示出了具有壓力交換器、容積式泵以及高壓泵的單元的示意截面圖。
具體實施例方式圖1示意性示出了反滲透設備1，其也可被稱作反滲透裝置或反滲透結構。反滲透設備具有膜片單元2，其具有入口 3、滲透物出口 4和濃縮物出口 5。在入口 3與滲透物出口 4之間設置膜片6。膜片單元2藉助於由馬達9驅動的高壓泵8從儲備7、比如大海中供給給水。高壓 泵8可以是比如活塞泵。馬達9可以被設計為電動機，其由變頻器操控。因此，可以以可變 的轉速以及由此以可變的輸送功率運行高壓泵8。儲備7中的水簡化起見被稱作「給水」。濃縮物出口 5與壓力交換器11的濃縮物端10連接，確切地說與高壓濃縮物接口 HPC連接。濃縮物端10還具有低壓濃縮物接口 LPC，其又與儲備7連接。壓力交換器11還具有給水端12，其具有低壓給水接口 LPF和高壓給水接口 HPF。 低壓給水接口 LPF與給水泵13連接，其還向高壓泵8供給給水。給水泵13同樣由馬達14 驅動。還可以針對高壓泵8和壓力交換器11的供給採用不同的泵。壓力交換器11由馬達15驅動，其在這裡將壓力交換器11的轉子置於旋轉中。以 公知的方式通過低壓給水接口 LPF以給水填充轉子的槽。此外，給水將槽中含有的濃縮物 穿過低壓濃縮物接口 LPC推出，濃縮物由此回流到儲備7中。如果轉子以一定的角度比如 大約180°被轉動，則濃縮物在高壓濃縮物接口 HPC上穿過高壓給水接口 HPF將給水再次推 出，從而使得位於高壓給水接口 HPF上的給水已經被置於升高的壓力下。不過該壓力還不是高壓泵8的輸出端上的壓力，這是因為膜片單元2在其入口 3 與其濃縮物出口 5之間具有一定的壓力損失且壓力交換器11也造成一定的壓力損失。因 此在壓力交換器11之後設置以容積式泵16形式的增強泵。容積式泵16被馬達17驅動。容積式泵在每一轉動中不受轉速影響輸送恆定的體積量。因此得出在轉速與輸送 功率之間的近似線性的關係。容積式泵16可以被設計為活塞泵、齒輪泵、擺線泵、軌道泵、 膜片泵、軟管泵、蠕動泵、螺栓泵、主軸泵、偏心凸輪泵、葉片泵等等。此類容積式泵16具有 相對於比如離心泵、噴氣泵或蝸輪泵更好的效率。馬達9、14、15和17可以由控制裝置18操控。控制裝置18「知道」，壓力交換器11 的通過量(Durchsatz)是多少。因此，控制裝置18還可以如下控制容積式泵16的馬達17， 即容積式泵16相對精確地產生輸送功率，其與壓力交換器16的通過量相匹配。容積式泵 16的一個很大的優點在於，如上所述，其具有轉速與輸送功率之間的線性的依賴關係，從而 可以通過改變轉速精確地調節輸送功率。由此避免濃縮物接口 5的濃縮物與供給泵13的 給水混合。還可以不受負荷影響地調節壓力。如果需要其它信息，比如關於濃縮物出口 5上的壓力的信息，則這裡可以設置相 應的壓力傳感器，其同樣與控制裝置18連接。其為了簡明起見未示出。可選地可以在濃縮物出口 5與壓力交換器11的高壓濃縮物接口 HPC之間設置測 量馬達19，其同樣與控制裝置18連接。測量馬達9可以通過驅動軸20與壓力交換器11連 接，從而測量馬達19不僅提供關於從膜片單元2的濃縮物出口 5流出多少濃縮物的信息， 還驅動壓力交換器11。通過測量馬達19的驅動一般來說是不夠的，因此馬達15通過另一 個驅動軸21額外地驅動壓力交換器11。驅動軸20、21在此分開地示出。不過其還可以由相同的構件形成。測量馬達19同樣被設計為具有恆定的排出量的馬達，即測量馬達19不受轉速的 影響具有針對每一轉動的恆定的通過量。容積式泵16還可以被設計為伺服傳動液壓泵，即可以將每一轉動排出的體積量 調節到希望的值上。圖2示出了變型的實施方式，其中，與圖1中相同的元件配有相同的附圖標記。控 制裝置18及其連接在此簡化起見未示出。壓力交換器11和容積式泵16在該實施方式中歸納為一個結構單元22。該結構單 元在圖3中示意性示出。馬達15通過共同的驅動軸21既與壓力交換器11連接也與容積式泵16連接。在 此，容積式泵16和壓力交換器11在端側構建在一起，比如通過端側的法蘭相互固定，其中， 未詳細示出的螺栓負責將容積式泵16與壓力交換器11形成一個單元。通過這種組裝成一個單元22的形式可以使高壓濃縮物接口 HPC與高壓給水接口 HPF位於一條直線上且與容積式泵16的輸入端23對準。在這種情況下比如被設計為擺線 轉子泵(Gerotorpumpe)的容積式泵16可以將壓力增強的給水在其輸出端HPFB上給出。此 處的壓力由此與高壓泵8的輸出端上的壓力相等。通過容積式泵16與壓力交換器11的組裝可以節省了外部的管道，即節省了各部 件之間的外部的管線引導。這一方面節省了製造時的成本，此外還減少了能量消耗，因為可 以減少壓力損失。此外有利的是，驅動軸21在壓力交換器11上以及在容積式泵16上具有共同的軸 密封區域對。因此，驅動軸21僅需在壓力交換器11上向外密封。為此，在壓力交換器11 的端側設置密封裝置25，其背向容積式泵16。該密封裝置25承載相對較低的壓力。圖2示出了壓力交換器11的濃縮物端10配有多個濃縮物流影響裝置。其中包括 旁通閥沈、洩壓閥27和節流閥觀，旁通閥可以通過壓力交換器11的輸入端產生短路且能 夠手動地或通過控制裝置控制，洩壓閥對過壓做出響應且將該過壓釋放到儲備7中，節流 閥用於將壓力交換器11中的空穴風險保持得較小且控制從低壓給水接口 LPF至低壓濃縮 物接口 LPC的液流。與容積式泵16平行地設置安全閥四，其比如可以被設計為彈簧加載的止回閥且 避免在容積式泵16上的壓力差過大。此處閥門的列舉不是完全的。可以設置比如針對所有裝置的通風閥。圖4和5示出了反滲透設備1的另一個實施方式，其中，相同的元件以與圖1至3 相同的附圖標記示出。在該實施方式中，在結構單元22中還集成高壓泵8，即容積式泵16、壓力交換器11 和高壓泵8由同一驅動軸21驅動。圖5在示意性的視圖中示出了此類結構的實現方法。高壓泵8在此被設計為軸向柱塞泵。與高壓泵8相鄰設置有容積式泵16，從而使 得高壓泵8和容積式泵16具有同一接口 HPFB，在該接口上將具有所需高壓的給水提供給膜 片單元2。容積式泵16在此設置在高壓泵8與壓力交換器11之間，從而使容積式泵16在 這種情況下不具有需向外密封的套管(DurchfUhrimg)。在一側由壓力交換器11設置相應 的端蓋，在另一側由高壓泵8設置端蓋。
以未詳細示出的方式還可以在所有實施方式中在與低壓給水接口 LPF或低壓濃 縮物接口 LPC的連接中安裝測量馬達，其驅動壓力交換器11。在這種情況下必須還要提高 供給泵13的壓力，由此該壓力可以驅動測量馬達，其又可以驅動壓力交換器11。圖4還示出了濃縮物傳感器30，其與容積式泵16的調節裝置31連接。容積式泵 16在此情況下以可調節的排出量設計。濃縮物傳感器30持續地確定由容積式泵16輸送的 給水的濃度。如果其判定濃縮物(或太多濃縮物)進入給水中，則相應地減小容積式泵16 的排出量，從而使容積式泵16的輸送功率與壓力交換器的通過率相匹配。
權利要求
1.一種反滲透設備，具有膜片單元、高壓泵、壓力交換器和增強泵，其中，所述膜片單元 包括入口、滲透物出口和濃縮物出口，所述高壓泵與所述入口連接，所述壓力交換器在其濃 縮物端與所述濃縮物出口連接，以及所述增強泵位於所述壓力交換器與所述入口之間，其 特徵在於，所述增強泵被設計為容積式泵(16)。
2.如權利要求1所述的反滲透設備，其特徵在於，在所述濃縮物出口(5)與所述壓力交 換器(11)之間設置測量馬達(19)。
3.如權利要求1或2所述的反滲透設備，其特徵在於，所述壓力交換器(11)和所述容 積式泵(16)具有相互匹配的通過量。
4.如權利要求1或2所述的反滲透設備，其特徵在於，所述容積式泵(16)被設計為伺 服傳動液壓泵。
5.如權利要求4所述的反滲透設備，其特徵在於，在所述容積式泵(16)後面連接濃縮 物傳感器(30)，所述濃縮物傳感器與所述容積式泵(16)的調節裝置(31)連接。
6.如權利要求1至5中任一項所述的反滲透設備，其特徵在於，所述壓力交換器(11) 和所述容積式泵(16)具有共同的驅動軸(21)。
7.如權利要求1至6中任一項所述的反滲透設備，其特徵在於，所述容積式泵(16)和 所述壓力交換器(11)具有共同的軸密封區域(24)。
8.如權利要求6或7所述的反滲透設備，其特徵在於，所述容積式泵(16)具有端側上 的泵入口，所述容積式泵利用所述端側設置在所述壓力交換器(11)上。
9.如權利要求8所述的反滲透設備，其特徵在於，所述泵入口(23)位於所述壓力交換 器(11)的輸入端(HPC)對面。
10.如權利要求1至9中任一項所述的反滲透設備，其特徵在於，所述高壓泵(8)具有 與所述容積式泵(16)共同的驅動軸(21)。
11.如權利要求10所述的反滲透設備，其特徵在於，所述高壓泵(8)、所述壓力交換器 (11)和所述容積式泵(16)被組合成一個結構單元(22)。
12.如權利要求11所述的反滲透設備，其特徵在於，所述容積式泵(16)設置在所述壓 力交換器(11)與所述高壓泵(8)之間。
13.如權利要求12所述的反滲透設備，其特徵在於，所述容積式泵(16)和所述高壓泵 (8)具有從所述結構單元(22)的共同出口(HPFB)。
14.如權利要求1至13中任一項所述的反滲透設備，其特徵在於，所述壓力交換器 (11)在濃縮物端(10)上具有濃縮物影響裝置，所述濃縮物影響裝置具有下列元件中的至 少一個旁通閥(26)、洩壓閥(27)和節流閥(28)。
15.如權利要求1至14中任一項所述的反滲透設備，其特徵在於，平行於所述容積式泵 (16)設置安全閥(29)。
全文摘要
本發明涉及一種反滲透設備(1)，具有膜片單元(2)、高壓泵(8)、壓力交換器(11)和增強泵，其中，膜片單元包括入口(3)、滲透物出口(4)和濃縮物出口(5)，高壓泵與入口(3)連接，壓力交換器在其濃縮物端(10)與濃縮物出口(5)連接，以及增強泵位於壓力交換器(11)與入口(3)之間。為了實現儘可能低的能量消耗，增強泵被設計為容積式泵(16)。
文檔編號F04F13/00GK102138007SQ200980133991
公開日2011年7月27日 申請日期2009年8月28日 優先權日2008年8月29日
發明者埃裡克·豪高, 威爾曼·弗裡德裡克森, 帕列·奧爾森 申請人:丹佛斯公司