水淡化成套装置及生产纯水和盐的系统的制作方法

专利名称：水淡化成套装置及生产纯水和盐的系统的制作方法
水淡化成套装置及生产纯水和盐的系统发明背景发明领域概括地说，本发明涉及淡化、盐生产和水生产。具体地说，本发明涉及将海水转化为饮用水的方法。相关技术描述数百年来，通常通过露天蒸发礁湖或热浓缩设备和工艺通过蒸发性浓缩海水或其他天然存在的盐水来生产食盐。许多现代工业工艺需要相当高纯度的盐，诸如基本不含不合需要的化学成分或呈味组分的氯化钠盐。这种高纯度盐可从一些天然地质地层中开采， 也可通过除去原料溶液中存在的主要不要杂质的浓缩和处理步骤从其他盐水中得到。在不能得到新鲜水时，历史上最初还通过诸如冷冻或蒸馏的热工艺且近年来通过诸如反渗透或膜蒸气渗透的膜工艺和/或通过混合膜/热方法由天然盐水或淡盐水生产饮用水、高品质水或纯水。在用盐水进料开始时，所有这些水生产方法都回收或纯化进料中所存在水的仅一部分，且通常产生浓度比原料流明显高的废盐水。两种工艺(盐生产和纯水生产)各自可用海水或淡盐水进料开始，且特别是在可从第二产物容易地得到额外经济效应时的情况下或在关于水回收或固体管理的环境考虑占优势的情况下，对于联产这两种商品已经产生了一些提议。然而，水可能是价值最低的商品，且在需要水且可以得到进水供应的地方安置水成套设备时，大量工程技术致力于设置水处理以使资金和操作成本减至最少，即，使总项目的产水量达到最大或使生产每单位水所耗的资金和/或操作处理成本减至最少。生产水的工艺以不同效果处理、除去或浓集不同固体。相反，盐成套设备常常通过除去大量原始溶质通常以较低量产生更有价值的商品。盐制造者可采用不同分离或精制方法，所述方法可能与水处理机制或生产目标对立或不太相容。已经提议组合并优化水和盐的联产，尽管这些提议中的许多是受到具体环境任务(诸如矿排水净化)驱动，但它们利用天然的有利环境(诸如存在相当纯的含盐地下水)或由高级规划目标(诸如完全消除液体流出物(ZLD)、提取附属价值或实现对具体废物输出的较好控制)驱动。虽然这类具体或自顶向下(top-down)的系统提议在概念上可响应某些要求，但是它们在提供通用的海水和盐的方法方面具有缺陷。更好的方法将采用严格推理的分析来根据成本、效率、能量消耗、 水回收率或其他因素的竞争性考量来整合系统。然而，在当地条件以及可用以进行处理的多种处理设备和材料方面存在极大变化，且设备范围覆盖不同领域的专业技术。对于预测非标准系统的操作或效力，诸如在高混合固体负载下的选择性过滤，存在受限量的理论或模拟工具，且这类系统的模拟耗时且复杂。申请人不知道能够由常见海水或明显不纯的淡盐水有效生产高品质盐输出物和纯水输出物二者的现有工业规模的成套装置。多种因素造成了事件的该状态。水是廉价的商品，而在由淡盐水或盐水进料生产纯水中使用的设备需要大量资本投资且成套装置的操作需要大量能量输入。在特定条件组合下以稳定、经济且物理上可预测的方式操作的成套装置的设计是一个复杂的工程问题。盐生产包括至少一种高浓度的盐水流，但是高浓度通常引入生垢和腐蚀问题，特别是在高通量、高温或多管路处理设备中，且因此通常被视为超出在模拟高产量水系统中采用的输入参数的保守范围。从远景来看，可能需要设计水生产系统并同时纯化工艺废物流来生产盐，例如作为零液体排放(ZLD)的方法，但工程实施需要从水基透过流到必定产生但未优化的盐水流的概念转移，这可能需要深入使用新纯化方法适于浓缩盐水中间物流。一个问题在于海水及其他天然盐水含有许多溶解物和杂质，因此纯水生产工艺的富盐侧物流(反渗透水处理的浓缩的被拒流或蒸馏工艺的残余物)包含限制水侧的通量或处理速率和/或回收率且如果希望得到高品质盐，则必须在盐水侧除去的其他固体。这些溶解的固体可能具有腐蚀性且生成水垢，所进行的脱水工艺消耗大量能量且浓缩的盐混合物需要纯化。此外，预定生产规模强烈控制着资金成本和废物流的大小。以40-50%回收率操作的海水反渗透(RO)成套装置对于每单位渗透流产生1-1 单位的浓盐水废物，因此输入泵、清洁井和预处理都必须加大尺寸。海水盐生产成套装置必须除去超过输入质量的 90-95%的水，因此，蒸发礁湖似乎提供最低廉(虽然缓慢)的处理方法，而高能方法的成本变得相当高。对于基于膜的整合水和盐生产已经采用了许多相关且可能是建议性的第一步骤。^iMarian Turek StJ 11 Seawater Desalination and Salt Production in Hybrid Membrane-Thermal Process (在混合膜-热方法中的海水淡化和盐生产)(Desalination 153(2002)173-177)和 Marian Turek 和 Maciej Gonet 的题为 Nanofiltration in the Utilization of Coal Mine Brines (煤矿盐水利用中的纳滤)(Desalination 108(1996) 171-177)的文章中确定了一些系统。前一论文涉及用高品质氯化钠盐水治理煤矿水，所述水通过热结晶法淡化。后一论文基于以前的经验来探究使用纳滤预处理以增加不那么纯的淡盐水的组合系统能实现的水回收率的组合系统的经济情况。这类系统的经济情况强烈取决于当地能量成本。这类方法的优化(如用于更浓的天然盐水，诸如海水)需要开发经济且可信任地精制在水生产线中产生的浓且混合的盐水流的适当技术以及开发使系统总体上有效操作的优化和预测算法的适当模拟和解决方案。在水生产侧，在本领域中已知海水是在生产用于饮用或农业用途的水期间通过一阶段或二阶段纳滤方法处理。数十年来，某些纳滤或脱硫膜(有或没有后面的反渗透)已经用于调适海水，使得其可在油田生产应用中用作不含硫酸盐的不生垢的井下注入水，或进行更完全的脱矿质处理以用于诸如锅炉、冷却器或热蒸馏进料的应用。另外，已有研究针对模拟在热电联产成套装置中并入的水系统从而评估用诸如多阶段闪蒸/反渗透的混合法的水生产的成本和效率。一种这样的研究解释了能源成本、碳信用额和其他输入量。因此，已经探究了与评价水生产系统有关的许多参数，有时是为了增加系统的感知价值(例如碳信用额)从而证明解决双重水/盐生产问题的更大成本是合理的。另外，随着有效纳滤膜的发明，已经提出通过作为盐提取方法中的一个阶段的纳滤纯化浓盐溶液。英国专利GB2395946已经概括地提出用于联产水和盐的混合膜/热成套装置。 据申请人所了解，该提议似乎没有产生起作用的成套装置。虽然历史上盐或水生产成套装置很可能针对具体所有者来具体工程化，诸如市政当局(对于水)或烃、聚合物或食品加工器(对于盐或亚氯酸盐)，但是全世界已经在从头开始设计更大的工业平台，使其值得去深入调查整合的可能效率。
对于生产适于城市供应、用于动力、锅炉或其他工业用途或农业用途的纯水存在客观且相当大的需求，这些需求可存在于需要高纯度盐水或盐产物用于食品或化学生产的相同区域或相同位置。发明概述本发明公开了用于生产纯水和盐或浆液产物二者、可以大工业容量操作从而以高回收率有效提供水并以增强的效率有效提供高纯度盐的整合成套装置。本发明提供联产高纯度盐和一个或多个等级的高品质水(诸如饮用、锅炉品质、农业或其他纯化水或所述水的共混物)二者的新型且改进的系统。本发明还提供了用于将海水转化为饮用水的简化且成本有效的方法。本发明还公开了淡化成套装置，其用海水或淡盐水进料操作并由第一处理区产生浓缩且选择性改进的盐被拒流和纯水透过流，第一处理区经配置以使用膜淡化工艺以高回收率生产初级水(primarily water) 0来自第一处理区的被拒流具有如下组分分布天然二价或多价生垢离子明显减少、基本贫硫酸盐、总溶解固体量(TDS)明显高于传统海水反渗透(SWRO)被拒流，其仍然适合热处理工艺。所述系统可通过一价盐组分增强。第一处理区可建造为独立的单元，对于给定的输出容量，其有利地需要相对减小的输入和预处理组分并以高回收率产生高品质透过流。在另一实施方案中，第一处理区可与第二处理区整合，在第二处理区中所述被拒流被进一步浓缩、纯化并加工以产生高纯度盐产物。第二处理线或常规浓缩工艺可在不增加整个水和盐成套装置的输入/预处理足迹(footprint)的情况下从富盐被拒流中回收高纯度盐，且可以极大能量效率产生盐同时产生极小的废物排放流，并产生额外量和各等级的纯水，从而在整个系统中实现60-85%的水回收率。这容许对于给定水生产量使用小得多的输入泵、预处理化学品和设备、清洁井和其他处理或加压设备，且初始水生产线中被拒流的浓缩和部分精制程度使盐生产成本降低到低于现有基准，提供高度纯化的NaCl产物，同时产生极少废物。在随附于本公开并形成本公开的一部分的权利要求书中将详细地指出表征本发明的新颖性的各种特征。为了更好地理解本发明、通过其使用而获得的其操作优势和好处， 可参考附图和描述性材料。附图是用来表示本发明的许多形式的示例。这些图并不意欲显示可进行和使用本发明的所有途径的限制。当然可对本发明各种部件做出变化和替代。本发明还在于所述要素的子组合和子系统以及使用它们的方法。附图简述从本文的说明书和权利要求书中结合示出构造和说明性实施方案的细节的附图将理解本发明的这些和其他方面，其中

图1示意地示出了根据本发明的一个实施方案用于整合生产盐和水输出物的系统；图IA为示出针对一个代表性成套装置计算的在海水进料和相应被拒流和透过流中的组分的代表性浓度的水质表。图IB示出在纳滤透过流中有关物质的品质改进百分数；图2示出具有多阶段纳滤和反渗透区的工艺流程图，指出了代表性水质和回收率或不同区。
图3示出用于盐生产区的优选盐水浓缩器的细节。图4示意地示出根据本发明的一个实施方案用于整合生产盐和水输出物的另一系统；以及图如为示出针对一个代表性成套装置计算的在海水进料和相应被拒流和透过流中的组分的代表性浓度的水质表。发明详述本文使用的近似语在整个说明书和权利要求书中可用于修饰任何数量表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行改变。因此，由诸如“约”的术语修饰的值并不局限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语可与用于测量该值的仪器的精度相对应。除非上下文或语句中另有指出，否则范围界限可以进行组合和/或互换，并且这种范围被确定为且包括本文中所包括的所有子范围。除了在操作实施例中或其他地方中指明之外，说明书和权利要求书中所使用的所有表示成分的量、反应条件等等的数字或表达在所有情况下都应被理解为受到词语“约”的修饰。“任选的”或“任选地”是指随后描述的事件或情况可能出现或可能不出现，或者随后确定的物质可能不存在或者可能存在，并且该描述包括其中发生该事件或情况或其中存在该物质的情形和其中不发生该时间或情况或其中不存在该物质的情形。本文使用的词语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其他变体意欲涵盖非排它性的包括。例如，包括列出要素的工艺、方法、物品或设备不必受限于那些要素，而是可以包括其他没有明确列出或属于这种工艺、方法、物品或设备固有的要素。除非上下文明确规定，否则单数形式“一个/种”和“所述(该)”包括复数个讨论对象。本发明公开了用于生产纯水和盐或浆液产物二者、可以大规模工业容量操作从而以高回收率有效提供水并以大大增强的效率有效提供高纯度盐的整合装置。图1中公开了淡化成套装置，其用海水或淡盐水进料22操作并由第一处理区20 产生浓缩且选择性改进的盐被拒流Bl和纯水透过流Al，第一处理区20经配置以使用膜淡化工艺以高回收率生产初级水。第一处理区20也可称为第一加工区或第一处理线。来自第一处理区20的被拒流Bl具有如下组分分布天然二价或多价生垢离子明显减少、基本贫硫酸盐、总溶解固体量(TDS)明显高于传统海水反渗透(SWRO)被拒流，其仍然适合热处理工艺。所述系统可通过一价盐组分增强。第一处理区20可建造为独立的单元，对于给定的输出容量，其有利地需要相对减小的输入和预处理组分并以高回收率产生高品质透过流。优选第一处理区20可与第二处理区40整合，在第二处理区40中被拒流Bl被进一步浓缩、纯化并加工以产生高纯度盐产物。在一个实施方案中，公开了用于处理海水或淡盐水进料22的淡化成套装置，其中所述淡化成套装置包括有效除去生垢物质的第一处理区20和反渗透区观，反渗透区观以高回收率操作以产生纯化的透过流Al和作为盐水输出物以加工成散装盐的选择性富NaCl 盐被拒流Bi。在一个供选的实施方案中，所述被拒流可浓缩到总溶解固体量(TDQ高于约 85，OOOppm0第二处理区40进一步浓缩被拒流Bl并使不要的杂质从所述被拒流中化学沉淀且形成精制的浓缩流，使得盐可通过结晶以高于约99%的纯度作为高纯度盐产物连续回收。虽然第二处理区40可包括一个或多个常规盐生产阶段诸如蒸发礁湖和沉淀池，或由一个或多个常规盐生产阶段诸如蒸发礁湖和沉淀池组成，但是优选第二处理区40采用热或混合工艺来浓缩来自第一区的被拒流Bi，同时还产生一种或多种额外纯水或馏出物流A2，由此进一步提高总水回收率。所述一种或多种额外纯水流可具有与第一处理区20的初级主体水(primary bulk water)回收率不同的等级，且在产生两种这类物流时，各自可具有不同的品质，使得根据当地工业、民用或农业需求，可将纯化的水流共混或单独供应到不同类的工业和民用用户。在两种情况下，盐生产和额外蒸馏品质水都由相同原始物流产生，例如由来自第一处理区20的被拒流Bl产生，因此不需要增加任何前端预处理资本设备。在一个实施方案中，第二处理区40经构造以浓缩并精制被拒流Bi，其中第二处理区40通过热或混合区(hybrid section)浓缩被拒流Bl并产生纯水和精制盐产物，同时以高于约62%的水回收率操作。在一个供选的实施方案中，总回收率可高于约65%-约70%。随后例如通过软化来纯化热处理线区40中产生的浓盐流，诸如用氢氧化钠软化以除去剩余的镁或诸如铁的多价金属，用碳酸钠软化以使钙沉淀，和/或用其他化学组合软化以使残留金属和杂质离子沉淀，使得所得盐产物符合预定纯度标准(例如，NaCl纯度水平且没有关键的污染物)以便用于氯碱或其他用户应用。浓缩并进一步纯化的物流通到结晶器48阶段并使纯盐产物结晶。高纯度盐可作为湿固体或作为盐浆从蒸发器/离心机回路中提取，其中物流温度可例如用机械蒸气再压缩容易地控制，从而提供过饱和的盐溶液并优化氯化钠结晶。所述处理区可经由膜压滤法以高于约55%的回收率产生纯化的透过流并除去污染盐生产的多数物质。所述膜压滤法可包括有效除去基本所有硫酸盐的纳滤沈软化。或者，第一处理区20包括多阶段纳滤沈单元，使得二价离子基本从纳滤透过流中除去，同时以高于约65%的回收率水平操作以形成一价盐增强的透过流从而进行浓缩。在一个实施方案中，第二处理区40通过化学沉淀除去残留杂质以产生精制的盐浓缩物，且纯盐在使盐从饱和溶液中结晶的温度或进一步浓度下分离。结晶48可由晶种驱动，使得从沉淀和离心回路中有效且连续输出盐输出物，且产物的结晶和纯度二者可通过允许从回路中少量定期排料而增强，从而保持诸如钾的剩余不要的物质在结晶器观中低于饱和且低于会损害结晶或产物品质的水平。为此，以约的初始盐水进料体积或3%的结晶器体积冲洗就足够了，产生用于生产高度纯化的NaCl产物的接近零液体排放(ZLD)方法。在一个实施方案中，第二处理区40纯化盐且随后使盐结晶，通过定期冲洗保持结晶器中的低杂质含量从而除去未通过纳滤26除去的干扰污染物。在另一实施方案中，所述精制盐浓缩物形成湿盐或浆液，所述湿盐或浆液从结晶器晶种回路中离心提取且晶种流从离心机返回到结晶器液体中以驱使结晶以便连续输出浓缩的盐产物。有利地，热浓缩和机械蒸气再压缩蒸发器44各自可产生额外纯水输出流，增加总水回收率，使得利用100 %的第一处理区20的反渗透输出物(例如透过流和盐水)。在一个实施方案中，可使用从结晶器48 中定期或连续排料来限制来自结晶产物的特定杂质。在一个实施方案中，纯水生产阶段和选择性盐或氯化钠的富集通过使海水或淡盐水进料22流通过海水预处理M (粗筛、介质过滤器、絮凝和澄清、超滤和/或其他预处理工艺)以除去悬浮固体和相当大部分的有机物，接着纳滤沈来进行。纳滤沈使得硫酸盐大幅度减少(例如，超出约95%且优选超出约98% )，除去二价离子，同时至少稍微选择性地通过一价离子。初始纳滤26在比较低的进料压力下操作且优选包括数个阶段，使得纳滤沈透过流为进料量的约70%-约80%或更多，实现了高水回收率。该纳滤透过流形成中间透过流，所述中间透过流基本不含生垢硫酸盐、比较贫二价离子且富含一价盐(主要是NaCl)， 其TDS为进料TDS的约2/3。根据另一实施方案，该中间透过流随后可进料到淡盐水反渗透(RO) 28、海水反渗透(SWRO)或其他RO过滤系统。纳滤(NF)沈允许RO观系统对该透过流以高回收率不生垢地且极少需要阻垢剂地操作，从而产生纯水输出物和明显浓缩的被拒流。例如，二阶段NF 沈可以约70% -约80%的回收率操作，且RO区28可包括第三阶段高压盐水回收阶段以对该NF透过流以约70% -约80%或更高的回收率操作，在第一处理区20中提供约50% -约 70%或更高的总回收率。某些淡盐进料22的回收率可能更高。来自肌区观的被拒流Bl 含有大大浓缩且改进品质的氯化钠、基本不含硫酸盐且大大贫化镁和钙、及可管理浓度的钾和其他微量组分。与海水进料22相比，已经除去约75% -约90%或更多原始水组分，且物流可浓缩到TDS高于85，OOOppm,明显高于常规SWRO盐水的水平且高于常规盐生产工艺的进料22，使得需要比较少的能量来使该被拒流饱和并制得最终盐输出物。RO被拒流Bl的进一步浓缩可通过热工艺或其他蒸发性浓缩器44进行。可使用机械蒸气压缩单元来增强蒸发效率，同时在该阶段回收额外水。在一个实施方案中，第二处理区40包括产生额外纯水或馏出物A2、同时进一步浓缩所述选择性富盐被拒流的机械蒸气压缩机44。例如，在制得纯化盐产物的过程中，通到热浓缩/盐生产阶段的RO被拒流Bl 中存在的约70% -约90%或更多的水可作为额外水回收，包括馏出物品质的水，增加来自双工艺线的总产水率。在两个区中产生的大部分废液诸如NF废物流Cl、来自预处理回洗、 盐结晶器排料和其他工艺的相对小量的水可通到城市废物流或消化工艺中，用澄清流出物稀释或采用其他方式无害化处理或排放。或者，如果成本低或可以利用过量蒸汽，则可以诸如结合热电联合方案使用热或蒸汽驱动的蒸发器44和结晶器48。选择用于预先除去多价离子的膜(其可通过使用在比较低的驱动压力下操作的合适纳滤膜的一个或多个阶段实现)有利地调节RO进料(例如NF透过流)，使得RO可在几乎没有阻垢剂或没有阻垢剂的情况下以极高回收率驱动，同时确保RO被拒流Bl组成对热处理设备的下游化学品或盐生产区中残留杂质的随后沉淀的需求降低。增加的RO回收率产生明显浓缩的RO被拒流Bi，且热工艺可经济地用于具有降低的生垢倾向和热盐纯化加工的其他优势的更浓的盐进料。纳滤26为RO提供一价盐增强的进水、为所述工艺的盐浓缩和纯化区提供更浓的盐水，且降低或消除了对于膜阻垢剂处理的需求，同时使得RO区 28以高回收率操作。第一加工区中的RO区观可包括初始淡盐水阶段以及一个或多个较高压力的SWRO阶段，例如包括在约80大气压-约100大气压的压力下对更早阶段RO盐水操作的盐水回收阶段，以同时使RO产水量达到最大并升高被拒流的TDS浓度而无需施加过度泵送能量或不会引起膜生垢负担。根据另一实施方案，采用NF处理的饮用水生产线也可用于将生垢组分减少到容许RO进料的中等pH升高以使得硼物质存在于RO进料中的程度，且使得单阶段或二阶段RO 能够有效除去进料中的剩余硼到低于约0. 5ppm且优选低于约0. 3ppm的水平。根据该实施方案，处理来自高回收率海水NF生产线的透过流以使其pH升到高于8. 3，且优选在RO生产线之前升到优选约8. 3-约10. 5，以使硼物质离子化，因此基本除去硼并提供饮用水。这种系统构造代表着海水到饮用水技术的实质简化及其进展。此外，通过NF实现的碳酸氢盐和缓冲离子的明显减少允许用很少苛性碱实现PH从约8. 3升高到约10. 5，且所述系统可在较高压力和较高回收率下不生垢地操作。在一个实施方案中，公开了包括纳滤沈单元和反渗透单元28的用于处理海水或淡盐水进料22的淡化成套装置，纳滤沈单元经配置以形成生垢和结垢组分(scaling and fouling component)明显减少的纳滤透过流，所述透过流进料到反渗透单元观。RO单元 28可以高回收率操作以形成纯化水透过流Al和浓缩到TDS高于约85，OOOppm的不生垢的盐被拒流Bi。NF透过流可进料到处于升高的pH下的RO单元28以形成具有小于约0. 5ppm 硼的纯化水透过流Al。纳滤透过流的pH在反渗透单元28之前升高且以约70%的回收率操作，同时产生高回收率纯化水透过流Al。在一个实施方案中，pH从约8. 3升高到约10. 5。如图1中示意性所示，根据本发明的一个实施方案的系统10包括第一加工区20 和第二盐生产区40或盐和水生产区40。第一处理区20可包括或可接收来自已知类型的预处理区M的进料22，且包括纳滤(NF)区沈和反渗透(RO)区观，产生三种输出流，即初级淡化水RO透过流A1、初级RO被拒浓盐生产流B1和NF被拒或废物流C1。第一处理区20的 RO观区优选为对NF透过流以高回收率(约70%或更高)操作的多阶段RO处理单元，产生第一处理区20的主要产物流Ap B1 (水和盐浓缩物)。因此，第一处理区20包括产生物流 工工的膜过滤单元。NF废物流C1和诸如预处理过滤器反洗和漂洗水的其他较少的废物流可通到城市废水处理装置以便在废物消化器中利用其电解质和有机物或在排放前用废物净化剂输出流稀释。如图1进一步示出，由RO区观产生的浓盐生产流B1通到盐生产区40，盐生产区 40包括盐水浓缩器44区、纯化或精制区46和结晶/盐输出区48、48a。浓缩器44使盐水进料的盐度升高到接近饱和。随后通过在区46中加入钠或其他适当盐来化学沉淀浓缩物中仍存在的剩余二价金属离子来进行纯化，因此同时除去这些组分并使如此调整的盐水流的一价离子含量平衡，且产生几乎浓缩到饱和点的纯盐水Bla。可以加入NaOH和Na2CO3,但也可以使用与纯化相容的其他碳酸盐。结晶器48随后进行选择性NaCl结晶以提供固体或浆液或二者，盐产物S基本不含钾且适于工业、食品加工或氯碱应用。第二区40可用诸如蒸发礁湖和沉淀池的传统盐生产技术实施，以进一步浓缩并精制物流I。然而，物流B1优选可通过区40中的热设备浓缩。在一个实施方案中，浓缩器 44可为蒸发性盐水浓缩器，优选为诸如降膜蒸发器的单元，且可用蒸气再压缩机单元操作以便增强能量效率并加强水回收。蒸气再压缩机单元44可压缩在与进入的盐水流&接触热交换中再循环的蒸汽，增强过程的能量效率，同时产生作为阶段40的一种输出流的冷却的压缩(液体)馏出物流A2。进一步浓缩的盐流或浆液S构成第二输出物。馏出物流A2可为高TDS盐水进料B1中存在的水的50%或更多，且可将其加到来自区20的RO透过流A1中或与RO透过流A1共混。更一般而言，馏出物A2将具有比物流A1高的纯度，因此其可保持作为单独的馏出物品质输出流用于诸如需要超纯水(UPW)品质的化学、医药、半导体或其他工业应用的工艺。物流ApA2等中的一种或多种的硬度可针对味道被调节(例如用氢氧化钙或其他离子)或用另外的方式调适物流并形成饮用产物。有利地，NF区沈有效除去硫酸盐且可大大降低原始进料22的钙、镁、碳酸氢盐或其他组分的含量。图IA示出区20的代表性膜构造的进料和透过流中主要溶解物质的浓度。超过约98%的硫酸盐、约75%的钙和约85%的镁通过NF除去，使得即使在NF透过流接着由RO区28以高回收率加工且RO流中的TDS的含量被浓缩相应因子时，在被拒流中这些离子的浓度也保持较低。此外，虽然被拒流Bl的总固含量接近100，000ppm，但其具有可在第二区40中被热处理而不引起生垢问题的组成，且在进一步浓缩后，NaCl盐可被比较直接地纯化并有效沉淀且有效结晶。NF膜可为如下膜，诸如但不限于由Dow Chemical Company (Midland, Michigan)、GE Osmonics (Minnetonka, Minnesota)禾口其他供应商通常销售用于硫酸盐去除的膜。GE Osmonics膜可具有与进料浓度相对无关的特别高的硫酸盐弃去作用。这允许使用两个或更多个NF阶段来实现高于约70%、优选高于约75% -约80% 的回收率，因此在仍然有效除去超过98%的硫酸盐的同时，使肌区观可以利用的进料达到最大。二阶段NF将提供约75%的纳滤回收率。尽管具有第二或第三阶段单元的较高回收率RO构造中通常需要高压且通常存在较高TDS浓度，NF透过流中生垢物质的减少也允许RO区28也以高回收率且在利用比较少的阻垢剂的情况下操作。例如，三阶段RO单元可对透过流以75%的回收率操作。如图IA进一步示出，在NF透过流中钠和氯离子的含量都稍微降低，但这些物质或者可通过适当选择具有不同渗透特性的海水软化膜来稍微加强，例如，其中已经增强了一价通道从而降低总操作压力。适用于本发明的系统的通常合适的NF膜包括但不限于得自Dow Chemical Company (Midland, Michigan)的 Filmtec 系列、DK 系列的 SffNF 膜或得自 GE Osmonics (Minnetonka, Minnesota)的 SeaSoft 禾口 导自 Toray (Poway, California)的水NF膜。如图1中示出的实施方案，盐生产区40进一步浓缩区20的盐水输出物以及产生额外水。区40包括蒸发器/浓缩器区44，精制或纯化区46和结晶区48，在图2中指出它们的一些代表性流量和操作条件。盐水浓缩器或蒸发器44接受来自第一处理区20的RO 28的高浓度被拒流Bl并进一步浓缩该物流到接近于盐饱和点，同时在蒸发器44中回收作为馏出物Α2的相当大部分的剩余水。可将进一步浓缩的物流进料到纯化槽46中，其中加入诸如碳酸钠和氢氧化钠的钠盐以使钙、镁和诸如铁的其他金属沉淀，因此同时纯化NaCl 流以符合高纯度盐标准并使一价离子平衡。因此，随后将纯化并浓缩的物流通到结晶器48 中，其中浓度可增加到高于饱和并回收其他馏出物。有利地，NF阶段沈中除去相当大部分的钙和镁大大减少区40的纯化阶段46中需要的化学品的量。计算表明，对于生产106，000立方米纯水/天或854，000吨盐/年的淡化成套装置来说，化学品节约程度相当大。如果不提供初始NF，则用以除去二价离子以避免在结晶器中生垢并在结晶器中以极小冲洗循环操作的NaOH和Na2CO3的量将为约329，411吨/ 年NaOH消耗量和92，927吨/年Na2CO3消耗量。对于用如上所述的NF处理的物流计算的相应数字为76，769吨/年NaOH消耗量和11，妨4吨/年Na2CO3消耗量，使得增加的化学品节约为 252，642 吨 / 年 NaOH 和 81，473 吨 / 年 Na2CO3。在 0. l$/kg NaOH 和 0. 25$/kg Na2CO3 的价格下，其转化为每年对于NaOH节约$25，264, 000且对于Na2CO3节约$20，368，000。除了直接化学品节约之外，通过配置系统使得纯化步骤处理通常低含量的二价杂质，通到结晶器中的物流可以在生垢倾向大大降低的情况下可信任地加工，且以用量较少、频率较低的冲洗操作，同时保证剩余杂质没有达到将妨碍结晶或损害盐产物的纯度的浓度。另外，通过采用初始NF阶段沈来调节进料22以使肌区观以明显高于常规SWRO回收率水平的回收率操作，且产生相应更浓的被拒流Bi，明显降低热加工以生产盐的能量成本。通过比较，对于处于35，000TDS的粗海水进料来说，以50%的回收率(代表高端回收率)操作的常规SWRO成套设备将具有70，000TDS的被拒流浓度，需要在盐水浓缩器/蒸发器44中进一步浓缩到250，000TDS。计算生产1吨盐的能量消耗(基于以3. 25KWH/m3透过流的膜淡化区和以26. 31kffh/m3的蒸发器进料的蒸发器区)为((100/3. 5) - (100/7)) *3. 25+(100/7) *26· 31 = 46. 43+375. 85 = 422. 28kffh0相比之下，由于额外的NF区(3. 75kWh/m3)，本发明将以仅略高的能量消耗由膜淡化区产生40%更浓的盐水输出物(98，000TDS)，且能量消耗将为((100/3. 5) - (100/9. 8)) *3. 75+(100/9. 8) *26· 31 = 68. 87+268. 47 = 337. 34kWh。这代表着每吨盐的增加的能量节约为84. 94kWh。如图3中所示，盐生产区40优选包括机械蒸气再压缩设备100，其收集并再压缩随着盐水在降膜蒸发器中循环而释放的蒸气。可使再压缩蒸气与诸如随着进入的SWRO被拒流(在图1中，B1)浓缩到约250，OOOppm的浓度以用于最后纯化步骤的降膜蒸发器阶段的一个或多个蒸发器阶段接触热交换，再压缩蒸气也可用于换热器110，换热器110使引入的盐水流温度在汽提器或除气器120之前升高。从这些加热和汽提单元的排气130损失小， 为进料22体积的1或2%之下，且高达约60%的盐水进料可作为有效构成一种额外高纯度水输出物的再压缩蒸气回收。这使总水回收率升高超过盐纯化步骤约18%到约22% RO透过流体积或以上。如上所述的纯化包括优选通过施用钠盐使某些剩余硬度物质沉淀并使槽 46中的一价物质重新平衡，因此避免钾的任何增加。在纯化之后，盐流通到如先前论述的结晶/离心分离单元48，其中可以控制温度和/或压力以保持特定饱和点以便纯NaCl结晶。 定期冲洗防止钾浓度累积，且保持其他杂质的含量处于不损害结晶速率或盐品质的足够低水平。如图1和图3所图示，在纯化46之后，高品质的浓盐流通到结晶器48中，其可例如作为低压蒸发性浓缩器44操作，以进一步升高盐浓度和/或也可降低或以其他方式控制浓缩温度到所要的盐沉淀点，使得可以连续结晶或取出盐。结晶器48产生体积通常比最初提到的馏出物流小的另一馏出物流。在整个整合装置中，当现场需要UPW水用于诸如半导体制造的灵敏应用、无热原水用于医药用途、高压蒸汽涡轮机动力或其他工艺时，可通过离子交换、电去电离或其他纯化工艺将一个或多个馏出物流加工到更高品质。有利地，这些馏出物侧流可更有效地被处理到比典型新鲜水或含天然物质的地下供水高的品质，因此在工业平台需要这种高纯度水时，整合装置提供甚至更大的成本节约。图4示出淡化工艺的另一实施方案，其通过在NF沈之后将pH调节在约8. 3至约 10. 5之间来改进水质，从而大大除去在中性PH下不良解离但在较高pH下较好地解离的物质。这对于硼特别成立，其常被调节到小于约0.5mg/L的产物含量。通过使pH升高到高于硼酸(太小而不能通过RO除去)的pKa，所述酸离子化为硼酸根且被完全弃去，导致含量小于约0.5ppm。在RO观之前的NF沈将诸如硬度物质和硫酸盐的生垢组分降低到足以防止在RO观中生垢的水平，RO观于所需的升高的pH下以中等水回收率操作。在较高水回收率下，NF沈允许加入小剂量防垢剂来控制生垢。图4A示出该实施方案的典型性能以及增强的硼去除。与图IA中的1. 8mg/L相比，图4A中的所得硼含量为0. 3mg/L0结合调整pH水平具有相当大的经济效益，因为其去除了对于额外处理阶段的需求，具体地说对于硼和其他类似不解离物质去除的需求。在本发明的另一实施方案中，公开了水淡化系统10，其包括用于具有纯水输出容量的系统的输入区，其大小足以供应并预处理规定流量的含硫酸盐的海水或淡盐水进料 22 ；纳滤沈工艺，其经构造以过滤规定流量从而以高于约70%-约80%的回收率产生硫酸盐浓度降低至少约90%的纳滤透过流；和反渗透工艺观，其接收作为进料的纳滤透过流并操作从而以高于约70% -约80%的回收率产生反渗透透过流Al和适于增强工业NaCl生产的浓反渗透被拒流Bi。因此，反渗透透过流Al为规定流量进料的约49% -约64%且输入区的大小可小于纯水输出容量的两倍。可将反渗透被拒流Bl提供到热浓缩器44以将物流浓缩到饱和并结晶，且热浓缩器44可回收一种或多种额外纯水流，使得纳滤透过流的约 75%-约95%被作为纯水回收。纳滤沈可除去进料中存在的相当大部分的二价金属离子， 使得反渗透被拒流在浓缩器44中不生垢且盐通过使污染物在结晶之前化学沉淀而更经济地纯化。在另一实施方案中，所述系统包括多个纳滤阶段以实现高于约70%的回收率，所述纳滤的透过流进料到多阶段反渗透中以实现高水回收率，同时产生具有约100,000的TDS 且适于盐制造的选择性富盐被拒流。虽然已经参照优选实施例描述了本发明，但是本发明相关领域中的普通技术人员在不脱离本发明的技术范围的情况下可能对这些实施方案做出各种变化或替代。因此，本发明的技术范围不仅涵盖上述的那些实施例，而且还涵盖所有落在权利要求范围内的实施方案。在此的文字描述使用实施例来公开本发明的实施方案，包括最佳方式，以及使本领域的任何技术人员都能够实践本发明的实施方案，包括制作和使用任何设备或体系和进行任何结合的方法。本发明的可取得专利权的范围由权利要求书限定，且可包括本领域的技术人员能想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构要素，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言没有明显差别的等效结构要素，则这些实施例规定为在权利要求书的范围内。
权利要求
1.用于处理海水或淡盐水进料的淡化成套装置，其中所述淡化成套装置包括a.有效去除生垢物质的第一处理区，和b.以高回收率操作以生产纯化的透过流和作为盐水输出物的选择性富NaCl盐被拒流的反渗透区。
2.权利要求1的淡化成套装置，其还包括经构造以浓缩并精制所述被拒流的第二处理区，其中第二处理区通过热或混合区浓缩所述被拒流并产生纯水和纯化的盐产物。
3.权利要求1的淡化成套装置，其中所述被拒流被浓缩到高于约85，OOOppm总溶解固体量。
4.权利要求1的淡化成套装置，其中所述淡化成套装置具有小于由所述反渗透区产生的透过流大小的两倍的盐水进料输入流。
5.权利要求1的淡化成套装置，其中第一处理区经由膜压滤工艺以高于约55%的回收率生产纯化的透过流并除去污染盐生产的多数物质。
6.权利要求2的淡化成套装置，其中所述装置以高于约62%的水回收率操作。
7.权利要求2的淡化成套装置，其中总回收率高于约65%-约70%。
8.权利要求2的淡化成套装置，其中第二处理区a.进一步浓缩所述被拒流，且b.从所述被拒流中化学沉淀不要的杂质且形成精制的浓缩流，使得盐可以通过结晶以高于约99%的纯度作为高纯度盐产物连续回收。
9.权利要求2的淡化成套装置，其中第二处理区还包括用于由所述精制的浓盐流形成盐固体或浆液的结晶器。
10.权利要求2的淡化成套装置，其中第二处理区通过化学沉淀除去残留杂质以产生精制的盐浓缩物，且纯盐在使盐从饱和溶液中有效结晶的温度或进一步浓度下分离。
11.权利要求9的淡化成套装置，其中从所述结晶器中定期或连续排料用以限制来自所述结晶产物的杂质。
12.权利要求2的淡化成套装置，其中来自所述被拒流的精制盐浓缩物形成湿盐或浆液，所述湿盐或浆液从结晶器晶种回路中离心提取且晶种流从离心机返回到结晶器液体中以驱使结晶以便连续输出浓缩的盐产物。
13.权利要求5的淡化成套装置，其中所述膜压滤法包括有效除去基本所有硫酸盐的纳滤软化。
14.权利要求1的淡化成套装置，其中第一处理区包括多阶段纳滤区，其中二价离子基本被从纳滤透过流中除去且以高于约65%的回收率水平操作以形成一价盐增强的透过流以便浓缩。
15.权利要求2的淡化成套装置，其中第二处理区包括生产额外纯水且进一步浓缩所述选择性富盐被拒流的机械蒸气压缩机。
16.处理海水或淡盐水进料的淡化成套装置，所述成套装置包括纳滤单元和反渗透单元，所述纳滤单元经配置以形成生垢和结垢组分明显减少的纳滤透过流且将所述透过流进料到所述反渗透单元。
17.权利要求16的淡化成套装置，其中所述反渗透单元以高回收率操作以形成纯化水透过流和浓缩至TDS高于约85，OOOppm的不生垢的盐被拒流。
18.权利要求16的淡化成套装置，其中所述纳滤透过流进料到处于升高的pH下的反渗透单元以形成具有小于约0. 5ppm硼的纯化水透过流。
19.权利要求18的淡化成套装置，其中所述纳滤透过流的pH在反渗透前升高且以约 70%的回收率操作，同时产生高回收率纯化水透过流。
20.权利要求18的淡化成套装置，此外，其中所述纳滤允许在加入小剂量防垢剂或阻垢剂时控制生垢。
21.权利要求18的淡化成套装置，其中所述pH从约8.3升高到约10. 5。
22.水淡化系统，其包括a.输入区，其大小适合为具有纯水输出容量的系统供应并预处理规定流量的含硫酸盐的海水或淡盐水进料，b.纳滤工艺，其经构造以过滤所述规定流量以高于约70%-约80%的回收率产生纳滤透过流且硫酸盐浓度降低至少约90% ；和c.反渗透工艺，其接收所述纳滤透过流作为进料并操作以高于约70%-约80%的回收率产生反渗透透过流和适合增强的工业NaCl生产的浓缩的反渗透被拒流，由此所述反渗透透过流量达进料的所述规定流量的约49% -约64%且所述输入区的大小小于所述纯水输出容量的两倍。
23.权利要求22的水淡化系统，其中提供所述反渗透被拒流到热浓缩器以将所述物流浓缩到饱和并结晶，且所述热浓缩器回收一种或多种额外纯水流，使得所述纳滤透过流的约75% -约95%作为纯水回收。
24.权利要求22的水淡化系统，其中所述纳滤除去所述进料中存在的相当大部分的二价金属离子，使得所述反渗透被拒流在所述浓缩器中不生垢且盐通过使污染物在结晶之前化学沉淀而更经济地纯化。
25.权利要求22的淡化系统，其中所述系统包括多个纳滤阶段以实现高于约70% 的回收率，所述纳滤的透过流进料到多阶段反渗透中以实现高水回收率，同时产生具有约 100, 000的TDS且适于盐制造的选择性富盐被拒流。
26.权利要求23的淡化系统，其中第二处理区使盐纯化且随后结晶，通过定期冲洗以除去没有通过纳滤除去的干扰污染物而保持所述结晶器中的少杂质。
全文摘要
本发明公开了淡化成套装置，所述成套装置用海水或淡盐水进料操作并由第一处理区产生浓缩且选择性改进的盐被拒流和纯水透过流，第一处理区经配置以使用膜淡化工艺以高回收率生产初级水。来自第一处理线的被拒流具有如下组分分布天然二价或多价生垢离子明显减少、基本贫硫酸盐、总溶解固体量明显高于传统海水反渗透被拒流，其仍然适合热处理工艺。所述系统可通过一价盐组分增强。所述单元可与第二处理区整合，在第二处理区中第一被拒流被进一步浓缩、纯化并加工以产生高纯度盐产物。
文档编号C01D3/14GK102272053SQ200980153770
公开日2011年12月7日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月30日
发明者I·埃利亚诺, J·赫伯特, L·D·维默, N·沃拉, R·L·所罗蒙 申请人:通用电气公司