液体处理设备的制作方法

专利名称：液体处理设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液体处理设备，包括
-分离结构，其包括膜件、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过 膜件的第一液体的第一出口 、及用于输送流过膜件的第二液体的第二出口 ； -容积泵，其适用于向分离结构提供与泵元件的旋转成比例的进入液体
量；
-压力恢复单元，其适用于从分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的 第一液体量。
背景技术：
常用液态物质流过膜件的装置来分离液态组分的物质。在与水处理相 关的过程中，这类装置通过从水中分离溶解的盐类而用于咸水淡化目的， 和通过从水中分离如细菌和病毒之类的污染物常常用于水的净化。类似的 装置也被用于从果汁中除去液体以使其具有一定浓度以及常用于从液体中 除去物质或用于浓缩液体中的物质。
一般而言，分离结构接收含有各种物质、以下称之为进入液体的液态 组分并输送两种不同的液体，每种液体具有多种物质中不同含量的一种物 质。当然，这两种不同液体都可以是有价值的。然而，往往两种液体中的 一种是需要的液体，而另一种液体需要处置。为了区分这两种液体，以下 的描述将用"第一液体"表述未流过膜件的液体，用"第二液体"表述流 过膜件的液体。
通常，理想的是让尽可能多的液体透过膜件。这可通过增加穿过膜件 的压力差来实现，即，通过使进入液体的压力提高到接近规定的膜件最大 极限压力点来实现。在根据逆向渗透原理工作的咸水淡化厂中，根据盐的
浓度，通常将进水(咸水，saltwater)压力增到约60-70巴。在此压力下， 咸水进入带有可渗透的逆向渗透膜件的分离结构，以便净化水。由于利用 率一般为25-35%， 65-75%的咸水作为该过程的副产品(第一流体)从系统中舍弃。这种舍弃的液体的盐浓度比接收的咸水高，下文称其为盐水
(brine )。盐水返回期间，其经受60-70巴的压降，由此释放的能量相应于 被最初提高咸水压力的泵消耗的能量的65-70%。为了回收海水返回过程中 所释放的能量，在分离结构之后常常插入压力恢复单元。
例如美国专利5，482，411示出了一种逆向'渗透系统。
压力恢复单元不仅可恢复压力，由此也节省能源；其还在第一流体的 出口提供足够的反压力。
现有装置存在的常见问题是，膜件中的污垢增加了阻止液体渗过膜件 的阻力。结果，进入液体的固定压力在第一液体和第二液体之间提供的比 率随时间而变化。已知装置的这个特点是不希望的。首先，负载和往往非 常昂贵的膜件的磨损随着时间而增加，其次，若膜件是新的，第一和/或第 二液体的具体消耗要求装置的尺寸过大。

发明内容
本发明的一个目的是能使液体处理设备的生产量更恒定，并能降低膜 件的磨损。据此，本发明的第一方面，提供一种前面所提到的那类设备， 其中驱动结构适用于向泵元件和恢复元件提供可变且同步的转速。
进入液体必需以第 一流体的形式或者以第二流体的形式离开分离结 构。由于供给的进入液体量与泵元件的旋转成比例，排放的第一液体量与 恢复元件的旋转成比例，透过膜件的液体、即第二液体的量由两个量之间 的差确定。由于泵元件和恢复元件的速度可变且同步，本发明在不需要考 虑调节反压力的前提下有利于以简便的方式改变流过分离结构的流体总流 量，或者，即使膜件随时间推移而脏污，本发明也可用于使流过分离结构 的液体流量固定。
分离结构可以是例如公知类型的过滤结构或逆向渗透结构，也就是说， 其包括在膜件一侧上的进口和出口及在膜件的相对侧上的出口 。取决于所 述膜件，所述分离可从咸水或污染的水中提供纯净水，或者所述分离可从 浓度低的初级产品中提供浓缩的产品，例如，从较稀的果汁中提供浓缩果 汁。
容积泵可提供相对于泵元件的旋转基本固定的几何位移。从叶轮泵、 轴向活塞泵、回转泵、径向活塞泵和其他泵中已知这类特点。与旋转和液体的排出量之间的比率完全取决于反压力的离心泵相比，在给定的每分钟
转数(RPM)且只考虑效率的情况下，叶轮泵和轴向活塞泵提供基本相同
的量。所述效率被定义为从进口到出口流过压力恢复单元或容积泵的液体 量与沿相反方向液体的反向流之比。根据泵的效率，相对于旋转的泵送液 体量在某种程度上取决于反压力。
压力恢复单元可以是与容积泵类似的结构。在一个实施例中，至少一
个、优选泵和恢复单元两者均为轴向活塞单元，例如，在EP0774073中公 开的那种类型。也可将容积泵和压力恢复单元结合于一个单元中。
驱动结构可以是常规电力驱动或液压驱动马达，其设有用于调节旋转 速度的控制机构，例如，设有用于改变AC马达的旋转速度的变频器。或者， 马达可为频率控制马达(FCM)。可将马达连接到驱动泵元件和恢复元件两 者的一根轴上。在另一实施例中，用两个独立的马达分别驱动泵元件和恢 复元件。在该实施例中，可由控制两个马达的速度的控制器建立两个元件 之间的同步旋转。在又一实施例中，可将泵和恢复单元一体地结合到被单 一的一个马达驱动的单一的一个单元内。
同步结构可提供容积泵的旋转元件和压力恢复单元的旋转元件之间的 直接联结以使两个元件以相同速度旋转，或者同步结构可提供一个可旋转 元件的RPM和另 一可i走转元件的RPM之间的固定比率。
容积泵和压力恢复单元可以是例如由工作液体、即通过泵或单元移位 的液体来润滑的那种类型。在这类泵或单元中，效率取决于RPM，通常RPM 增加时效率降低。对于低转数的RPM来说，每一转流过泵或单元的液体量 比高转数的RPM每一转流过泵或单元的液体量大得多。
可通过使用具有不同效率变化的容积泵和压力恢复单元使这种作用以 特别有利的方式用于改变同步RPM。作为一个例子，对于指定增加同步 RPM的情况，若泵单元的效率低于压力恢复单元的效率，则供给的进入液 体量少于每转排放的第一液体量，结果迫使通过膜件的液体量、即第二液 体量增加。换句话说，容积泵和压力恢复单元的这种选择能通过增加RPM 来提高第二流体与第 一流体的比率，而第 一和第二液体之间的比率通常可 通过改变泵元件和恢复元件的同步转速来控制。
为了保护膜件免于过载，可根据在分离结构中测得的压力调节RPM。 作为一个例子，可根据进入液体压力和离开分离结构时的第一液体的压力之间的压差来调节RPM，或只根据膜件的面向进口和第一流体出口的那侧 上的压力来调节RPM。
不期望设备起动和停止、特别是逆向渗透结构的起动和停止，因为其 往往会减少膜件的寿命或至少缩短膜件的必需清洁之间的时间。为了减少 设备的起动和停止次数，可根据第一和第二液体之一的消耗情况来调节
淡水的消耗情况来调节RPM,优选调节成可获得与消耗量相等的淡水产量。 据此，该设备可包括用于确定消耗量的机构。这可包括安插在远离分离结 构、排放第一和/或第二液体的管线内的流量测量结构，或者其可包括位于 接收第 一和第二液体之一或两者的緩冲拒内的水位测量结构。
为了进一步保护膜件免于过载从而提高设备或膜件的寿命或增长清洁 』莫件之间的时间，该i殳备还可包4舌起动结构(start-up structure )，通过该起 动结构可确定驱动结构的最大加速度，进而可确定泵元件和恢复元件的最 大加速度。据此，设备合闸时，可将其调节成从零RPM开始旋转并在可选 定的间隔期间、例如一到五分钟内达到其期望的速度，如在三分钟后达到 期望速度。这有利于控制分离结构中可控的压力增加，从而可保护膜件免 于过载。
第二方面，本发明提供了一种操作液体处理设备的方法，该液体处理 设备包括带有膜件的分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流 过膜件的第一液体的第一出口、及用于输送流过膜件的第二液体的第二出 口 ，该处理设备还包括适用于向分离结构供给与泵元件的旋转成比例的进 入液体量的容积泵，和适用于从分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的 第 一液体量的压力恢复单元，本方法包括根据接收来自分离结构的液体的 消耗以不同速度同步驱动泵元件和恢复元件。
第三方面，本发明提供一种操作液体处理设备的方法，液体处理设备 包括带有膜件的分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过膜 件的第一液体的第一出口 、以及用于输送流过膜件的第二液体的第二出口 ， 该处理设备还包括适用于向分离结构供给与泵元件的旋转成比例的进入液 体量的容积泵，以及适用于从分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的第 一液体量的压力恢复单元，本方法包括根据分离结构中测得的压力以不同 速度同步驱动泵元件和恢复元件。第四方面，本发明提供了一种操作液体处理设备的方法，液体处理设 备包括带有膜件的分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过 膜件的第 一液体的第 一 出口 、以及用于输送流过膜件的第二液体的第二出 口 ，该处理设备还包括适用于向分离结构供给与泵元件的旋转成比例的进 入液体量的容积泵，以及适用于从分离结构排放与恢复元件的旋转成比例 的第 一液体量的压力恢复单元，本方法包括通过调节泵元件和恢复元件同 步旋转的加速度来调节分离结构内的压力梯度。
第五方面，本发明提供一种操作逆模式(inverse mode )下的渗透设备 的方法，渗透设备包括带有逆向渗透膜件的渗透结构、适用于在正常操作 中接收咸水的进口、用于输送不流过膜件的盐水的第一出口、以及用于输 送流过膜件的淡水的第二出口 ，该处理设备还包括适用于向逆向渗透结构 供给与泵元件的旋转成比例的咸水量的容积泵，以及适用于从逆向渗透结 构中排放与恢复元件的旋转成比例的盐水量的压力恢复单元，本方法包括 向进口供给淡水并在低于激发咸水透过膜件所需的速度下同步驱动泵元件 和恢复元件。作为一个例子，该设备通常在一定的RPM下运行以使咸水透 过膜件，当淡水涌过结构时，在正常运行期间该设备在速度为35-70%的范 围内运行。由于渗透压力，淡水可消灭聚集在膜件上的细菌。


下面，参考附图对本发明一优选实施例进行详细说明。附图中 图1示出了本发明的逆向渗透设备；
图2示出了 RPM与通过容积泵和压力恢复单元移位的流体量之间的比
率；
图3示出了图1所示的逆向渗透设备，其包括了用于收集产生的淡水 的水箱。
具体实施例方式
图1示意地示出了用于从咸水中提供淡水的逆向渗透设备1。该设备 包括两个分离结构2、 3,它们并联于进口管4、用于第一液体的第一出口 管5、及用于第二液体的第二出口管6之间，在此情况中第一液体为盐水， 第二液体为淡水。每个分离结构包括膜件7、用于接收进入液体(该例中为咸水)的进口 8、用于输送第一液体(该例中为具有较高的盐浓度的盐水)
的第一出口 9、及用于输送为淡水的第二液体即流过逆向渗透膜件7的水的 第二出口 10。该设备还包括供给压力为60-70巴的咸水的轴向活塞式容积 泵(piston displacement pump ) 11。 4立于分离结构2、 3的另一侧上的压力恢 复单元或压力转换器12将高压盐水的能量传递给进入分离结构的咸水。压 力转换器12和泵11通过一根共用轴13由频率控制的马达14驱动。
第一压力传感器15测量进口内的压力，第二压力传感器16测量第一 出口内的压力。在一种操作模式下，根据第一和第二压力传感器15、 16测 得的压力之间的压力差控制马达14的RPM因而控制泵11和恢复单元12 的RPM。
图2所示的泵曲线17示出了泵11的RPM(沿横坐标)和以升/每分钟 为单位的由泵ll移位于进口 8内的液体量(纵坐标)之间的比率。恢复曲 线18示出了压力转换器12的RPM (沿横坐标)和以升/每分钟为单位的由 压力转换器12排出第一出口 9的液体量(沿纵坐标)之间的比率。正如通 过两条曲线17、 18的斜度的差异所示出的那样，效率、即RPM改变时相 对于压力恢复单元12和泵11的RPM每分钟移位的液体量的变化不同。由 于泵曲线17的斜度比恢复曲线18的斜度陡，RPM的增加导致进入进口 8 的液体量与通过第一出口 9排;^丈出的液体量之间的差增加。由于这种差异 必须经过第二出口 IO排出分离结构，所述差的增加导致每分钟透过膜件7 的液体量增加，于是，提高了淡水的生产率。在图2中，恢复速率曲线19 表示斜度差，从而也表示设备的恢复速率。
因此，可通过改变泵和恢复单元的同步运动的RPM控制液体处理设备 1的输出。如上面所提到的那样，可根据分离结构中的压力来测量RPM, 例如，通过使用在图1所示的两个压力传感器15、 16来测量，或者如将要 结合图3讨论的那样，根据淡水的消耗来测量RPM。
图3示出了图1所示设备的更完整的结构，其包括用于收集淡水的水 箱20。该水箱包括高位开关21和低位开关22。为了减少设备的起动和停 止次数，水位开关分别被定位在距离顶部和底部一定距离之处。高位开关 被触发时，水箱具有用于淡水的附加空间。当高位开关被触发时，RPM降 低直到淡水水位降低到较低水位为止。以类似的方式，低位开关的触发可 导致RPM增加直到淡水水位达到下限上方为止。在一可供选择的实施例中，可在输送管23上安插流量计以便测量淡水的消耗，并控制RPM以补偿实 际消耗。
图3还示出了第二水箱24,当阀k5使管道25与出口管6连接时，第 二水箱接收来自分离结构2、 3的淡水。以类似的方式，阀k4可连通或断 开淡水流向水箱20。水箱24的出口 26通过开关sl可连接到进口管4。来 自水箱24的淡水被导引到逆向渗透结构的进口时，借助渗透压力可清洁膜 件及进口和第一 出口之间的区域，该渗透压力能消灭在盐环境下可存活的 微生物。导引淡水流过逆向渗透结构时，不必使水透过膜件，而只要沖洗 膜件。因此，相对于所施加的使水透过膜件的压力，此过程中逆向渗透结 构中的压力可显著降低。在这方面，泵元件和恢复元件的可变且同步的转 速因其在咸水改变为淡水时可方便地以改进的方式对逆向渗透结构中的压 力进行控制而更具优势。 一般而言，可将RPM降低到被认为是起动水透过 膜件所需的RPM的35-70%的范围。
权利要求
1. 一种液体处理设备(1)，包括分离结构(2、3)，其包括膜件(7)、用于接收进入液体的进口(8)、用于输送不流过所述膜件(7)的第一液体的第一出口(9)、及用于输送流过该膜件(7)的第二液体的第二出口(10)；容积泵(11)，其适用于向所述分离结构(2、3)提供与泵元件的旋转成比例的进入液体量；恢复单元(12)，其适用于从所述分离结构(2、3)排放与恢复元件的旋转成比例的第一液体量；其特征在于，所述设备包括适用于向所述泵元件和恢复元件提供可变且同步的旋转速度(RPM)的驱动结构(13、14)。
2. 如权利要求l所述的设备，其中，所述容积泵具有相对于所述泵元 件的旋转基本固定的几何位移。
3. 如权利要求2所述的设备，其中，所述容积泵为轴向活塞式容积泵。
4. 如权利要求2-3所述的设备，其中，所述容积泵和压力恢复单元具 有相同的结构。
5. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，所述压力恢复单元(12) 的效率和所述容积泵(11)的效率随RPM的改变而变化。
6. 如权利要求5所述的设备，其中，对于所述RPM的变化，所述压 力恢复单元(12)的效率变化与所述容积泵(11)的效率变化不同。
7. 如权利要求6所述的设备，其中，当所述RPM增加时恢复速率增加。
8. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，根据在所述分离结构(2、 3)中测得的压力调节所述RPM。
9. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，根据接收到的来自所述 分离结构(2、 3)的液体消耗调节所述RPM。
10. 如权利要求9所述的设备，其中，所述液体为所述第一液体。
11. 如权利要求9所述的设备，其中，所述液体为所述第二液体。
12. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，所述分离结构(2、 3) 为逆向-参透结构。
13. 如权利要求1-11中任一项所述的设备，其中，所述分离结构(2、 3)为过滤结构。
14. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，包括用于限制所述驱 动结构(13、 14)的加速度的起动结构。
15. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，所述用于固定RPM的 容积泵(11 )提供液体移位和RPM之间固定的比率。
16. 如上面任一项权利要求所述的设备，其中，所述驱动结构(13、 14)包括具有可变RPM的电力驱动马达(14)。
17. —种操作液体处理设备的方法，该液体处理设备包括带有膜件的 分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过所述膜件的第一液 体的第一出口、及用于输送流过所述膜件的第二液体的第二出口，该处理 设备还包括适用于向所述分离结构提供与泵元件的旋转成比例的进入液体 量的容积泵、和适用于从所述分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的第 一液体量的压力恢复单元，所述方法包括根据接收到的来自所述分离结构 的液体的消耗以不同速度同步驱动所述泵元件和恢复元件。
18. —种操作液体处理设备的方法，该液体处理设备包括带有膜件的 分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过所述膜件的第一液 体的第一出口、及用于输送流过所述膜件的第二液体的第二出口 ，该处理 设备还包括适用于向所述分离结构提供与泵元件的旋转成比例的进入液体 量的容积泵，和适用于从所述分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的第 一液体量的压力恢复单元，所述方法包括根据在所述分离结构中测得的压 力以不同速度同步驱动所述泵元件和恢复元件。
19. 一种操作液体处理设备的方法，该液体处理设备包括带有膜件的 分离结构、用于接收进入液体的进口、用于输送不流过所述膜件的第一液 体的第一出口、及用于输送流过所述膜件的第二液体的第二出口，该处理 设备还包括适用于向所述分离结构提供与泵元件的旋转成比例的进入液体 量的容积泵，和适用于从所述分离结构排放与恢复元件的旋转成比例的第 一液体量的压力恢复单元，所述方法包括通过调节所述泵元件和恢复元件 同步旋转的加速度调节所述分离结构内的压力梯度。
20. —种操作逆模式中的渗透设备的方法，该渗透设备包括带有逆向 渗透膜件的渗透结构、适用于在正常操作期间接收咸水的进口、用于输送不流过所述膜件的盐水的第一出口 、以及用于输送流过所述膜件的淡水的 第二出口 ，该处理设备还包括适用于向逆向渗透结构提供与泵元件的旋转 成比例的咸水量的容积泵，和适用于从所述逆向渗透结构中排放与恢复元 件的旋转成比例的盐水量的压力恢复单元，所述方法包括向进口供给淡水 并在低于激发咸水透过所述膜件所需的速度下同步驱动所述泵元件和恢复 元件。
全文摘要
本发明提供一种如逆向渗透设备1之类的液体处理设备，其中进入液体的一部分透过例如过滤器或膜件7，以便从咸水中提供淡水。该设备包括向液体提供所需的压力以驱动渗透过程的泵11/和将残余物的压力传递到进入液体的恢复单元12。以同步的和可变的速度驱动泵11和恢复单元12以控制输出，借此，例如，可调节过滤器或膜件上的污秽程度。本发明还提供控制同步速度的方法，例如，可根据压力或根据所产生的液体的消耗控制同步速度。
文档编号F04F99/00GK101421020SQ200780012712
公开日2009年4月29日 申请日期2007年2月8日 优先权日2006年2月10日
发明者简·利尼格, 迈克尔·劳尔森 申请人:丹佛斯公司