使用压力驱动膜实现高回收率脱盐的制作方法
【专利说明】使用压力驱动膜实现高回收率脱盐
【背景技术】
[0001] 在错流压力驱动膜脱盐系统中，供入液流通常供入压力容器的高压进液口中，该 压力容器在与膜元件中的膜并联的流路上引导加压盐溶液，并且一部分水通过连接自该压 力容器的低压连接穿过膜并流出。含有已提高浓度的存留溶解物的剩余盐溶液可从连接自 压力容器的第二高压连接流出，该第二高压连接以浓缩液口表示（参见图1)。
[0002] 图IA和IB涉及现有技术（EP1691915)中用于压力驱动膜脱盐的错流压力容器， 示出了在顺流（IA)和逆流（IB)过程中的流路布置，其中，在不断消除穿过膜的低压产品流 (Q3)的同时，高压液流Ql和液流Q4的连接在左侧（L)和右侧（R)之间切换。
[0003] 研宄表明（I&EC v46，EP1691915)，在这种压力驱动错流脱盐系统中，通过切换与 压力容器的高压口连接的供液和浓缩液连接，可逆转待脱盐的液流，在诱导时间结束前执 行此操作可防止矿物质结垢。这样，可以不使用或几乎不使用防密封剂来防止膜元件中发 生沉淀。而且，一个惯常做法是，在高回收率压力驱动膜脱盐过程中，一个或多个脱盐膜元 件按多级方式布置在压力容器中，从而在上游级中有更多的压力容器，并且这些压力容器 把其浓缩液流引至下游级中的较少数目的压力容器的供液口。这称为压力容器的锥形流路 布置形式。这种做法可保证下游压力容器中的最低错流速率，而这有助于防止被胶体、有机 物和生物物质淤塞，并能降低膜表面的盐浓度。根据业界研宄成果的揭示（欧洲专利公告 EP1893325,其完整揭示内容通过引用结合于此），通过使用一种特别的阀门布置形式，在 切换待换位的压力容器区段上的浓缩液和进液连接的同时，可以把下游级压力容器区段从 下游级移至上游级，并与移至下游级的由相似压力容器数目构成的上游级压力容器区段交 换。通过这样的方式，承受最高浓度浓缩液的下游级的膜元件末端现在与最低浓度的供入 溶液和最低浓度的微溶盐类接触。这会使I&EC v46和EP1691915(这些文献的完整揭示内 容通过引用结合于此）中所述的诱导时间变为零。
[0004] 在I&EC V46的逆流布置形式中以及在与压力容器的换位相关的专利申请 EP1893325的锥形流路布置形式中，压力容器中的所有膜元件都定期接触不饱和溶液。另一 方面，处于第二级压力容器的开关阀（例如图2所示的V Bf、VAjP V a，当这些阀门处于第二 级压力容器的下游时）的下游的管道始终承受过饱和溶液，这些过饱和溶液可能没有或几 乎没有防密封剂。因此，虽然能防止压力容器中的膜发生结垢，但是可能无法防止这些开关 阀的下游管道中发生结垢。当压力维持装置P/FV是可能导致释放压力的下游区产生气穴 的减压阀时，尤其可能发生这种结垢，如图2的液流14所示。一个惯常做法是把流量传感 器、传导率传感器和其它成分传感器布置在压力维持装置下游的浓缩液管线上，而这些传 感器若发生结垢则可能导致其发生故障或误报。这又可能干扰工厂的适当控制策略。本发 明的一个目的是提供一种解决此问题的实用方案，此方案不会浪费渗透液，并且不会中断 采用压力容器逆流或换位布置形式的脱盐系统的平稳运转。
[0005] 在EP1893325中，说明了利用三通阀来实现压力容器换位的一个特定实施例（参 见图2,其中，BW指半咸水，P-I指渗透液（第I步）、P-II指渗透液（第II步），CT指浓 缩液）。虽然此方法很有效，但是可能造成问题，因为这些阀门必须在很短的时间内在三通 阀的一个端口和另一个端口之间切换。而且，它不易实现压力容器区段的隔离，而这种隔离 是在操作其余脱盐单元的同时进行维护或诊断工作所需要的。而且，当下游元件区段被切 换至上游级时，虽然提供有辅助旁通阀（AV)来分担来自于上述下游元件区段的一部分流 量，但是这个特定实施例未说明这种用于上游元件区段的旁通阀，因而在上述的很短时间 内，只有很少数目的压力容器区段在上游级中工作，直到新的压力容器区段被换位到该区 段中，所以在该时段内这些压力容器区段会承受大得多的流量，该流量可能超过允许流量。 同时，当新的压力容器区段被换入第一级时，若全部设计流量都被立即供至此换位的区段， 则此区段可能承受有害的水锤或其它机械应力。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种用于在高回收率脱盐系统中的一个或多个级之间换位压力容器 区段的方法和装置，从而在不使用或几乎不使用防密封剂的条件下能消除膜的矿物质结 垢。这种改进方法解决了在利用压力驱动膜进行多级脱盐的过程中在末级和前一级之间换 位压力容器区段时存在以下危险的难题：a)由于各级流量的变化而发生水锤现象；和b)膜 元件供液侧的压力维持装置的下游浓缩液管线中发生结垢。本发明通过在每级中而不仅是 在末级中结合一个双向旁通阀来解决这些问题。另外，本发明还利用一系列阀门定期地使 用不饱和溶液冲洗膜供液侧的压力维持装置下游的浓缩液管线。脱盐膜可为反渗透型或纳 米过滤型膜，以存留一种或多种结垢物质，例如钙、碳酸盐、硫酸盐、氟化物、钡、锶离子，或 者砂子等中性物质。
[0007] 在本发明的一个方面，本发明提供一种用于对布置为锥形流路结构的膜压力容器 区段在上游级和下游级以及下游级和上游级之间进行换位的方法，以防止上游级中的流量 发生突变，该方法包括：在把膜区段从上游级移出或向上游级移入的任何膜区段换位过程 开始时，通过供入液流的旁流来使上游级中的膜区段旁路；和，在膜区段换位过程完成后， 停止上游级中的膜区段的旁路。该方法的有助于防止水锤的一个特定实施例包括：减慢旁 路上和膜区段出入口的双通阀的启闭速度，以便有足够的时间实现压力平衡。
[0008] 本发明还提供一种在压力驱动膜脱盐过程中使管线不发生未使用防密封剂稳定 的微溶矿物质的过饱和溶液结垢的方法，该方法包括：使用不饱和溶液定期冲洗浓缩液管 线，并使浓缩液流并行地流过配有适当的压力维持装置和浓缩液监测传感器的消除管线， 从而在冲洗浓缩液管线的同时使膜脱盐过程保持正常运转。所述微溶矿物质可为活性超过 其在浓缩液中的热力学溶解度（取决于浓缩液的成分、温度和压力）的任何可溶类物质。
[0009] 锥形流路布置形式中的各种阀门的启闭可通过适合于确定进行启闭的时机的控 制装置（例如PLC、微控制器、个人电脑-PC)来进行。可选地，冲洗的频率可高达每小时一 次。可代替地，冲洗频率可低至每当任何特定的压力容器区段被移至多级膜脱盐过程的最 下游级时进行一次。在另一种可代替的方式中，冲洗频率可设为每小时一次和每当任何特 定压力容器区段被移至最下游级时进行一次之间的任何时间间隔。
[0010] 可选地，脱盐渗透液可用于不饱和溶液。可替代地，不饱和溶液可在供至脱盐过程 的入口之前经过处理。比较有利的方式是，当膜脱盐过程和浓缩液管线正常运转时，不饱和 溶液在独立的冲洗回路中不断循环。
[0011] 优选地，当正在冲洗浓缩液管线时，把来自于脱盐过程的浓缩液送至旁通管线，其 中，在冲洗浓缩液管线之前的正常运转过程中，该旁通管线是冲洗回路的一部分，并且该旁 通管线包括压力维持装置，该压力维持装置设置为在冲洗浓缩液管线的过程中维持膜脱盐 设备的高压管线中的压力。可替代地，当正在冲洗浓缩液管线时，把来自于脱盐过程的浓缩 液经由旁通管线送出，而不维持脱盐过程中的压力，并且冲洗可在很短的时间内（例如1-5 分钟左右）进行。可选地，仅使用不饱和溶液冲洗压力维持装置下游的浓缩液管线。
[0012] 在本发明的另一个方面中，本发明提供一种锥形流路脱盐设备，该设备包括：配置 为向设备提供高压供入液流的高压泵，其中，高压泵的出口通过供给管线与并联布置的膜 压力容器区段连接，膜压力容器区段的一组高压口通过入口阀连接至供给管线，膜压力容 器区段的另一组高压口通过另一组出口阀连接至级间增压泵的入口；和，与膜压力容器区 段并联并包括可控旁通阀的旁通管线，其中，该旁通管线连接在供液高压泵的出口和级间 增压泵的入口之间。在本发明的一些实施例中，所述设备可不具有级间增压泵，在此情况 中，膜压力容器区段的高压出口通过出口阀直接连至第二级入口阀的阀组，该阀组通向由 并联的压力容器构成的第二级膜区段，其中，旁通阀连接在供液高压泵的出口和第二级入 口阀的阀组之间。旁通阀可通过简单的开关阀实现。可选地，旁通阀可通过比例阀实现。旁 通阀优选由气动执行机构控制，或者，可代替地，旁通阀可由电动执行机构控制。
[0013] 所述设备可包括冲洗回路，该冲洗回路由冲洗溶液供液罐、循环泵、以及连接冲洗 溶液供液罐和循环泵以构成循环管线的循环管线构成，其中，此冲洗回路的循环管线的一 部分与浓缩液消除管线并联。优选地，与浓缩液管线并联的冲洗回路部分配有压力维持装 置。附加或可代替地，与浓缩液管线并联的冲洗回路部分通过安装在并联段的每端