УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ВОДЫ ПОСРЕДСТВОМ ОБРАТНОГО ОСМОСА ИЛИ НАНОФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК B01D61/02 B01D61/06 B01D61/12 C02F1/44 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение относится к устройствам и способам, которые применяют обратный осмос или нанофильтрационные мембраны, чтобы удалять растворенную твердую фазу из подаваемой воды.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ

Обратный осмос (RO) или нанофильтрацию обычно выполняют при функционировании в установившемся режиме. Поток пермеата ограничивают до сравнительно узкого интервала функционирования, и поток концентрата ограничивают в соответствии с требованиями для поперечного потока внутри мембранного модуля. Это приводит к многочисленным ограничениям в устройствах с функционированием мембраны. Например, чтобы увеличить степень извлечения, требуются дополнительные стадии с мембранами. Обычно, можно ожидать степень извлечения 50% посредством стадии. Соответственно, чтобы достигнуть степени извлечения 75%, требуются две стадии, и три стадии будут предоставлять степень извлечения при 85%. В случаях, когда применяют дополнительные стадии, это часто приводит к необходимости дополнительного закачивания или управления энергопотреблением, чтобы регулировать плотность потока воды через мембраны для обратного осмоса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится к устройству и способу для обработки подаваемой воды, которые применяют один или более модулей для обратного осмоса или нанофильтрации, которые могут достигать высокой степени извлечения воды посредством: (1) постоянного потока пермеата; (2) постоянного исходного подаваемого потока; или (3) переменной подачи пермеата в зависимости от требований, когда потребность в воде изменяется.

В одном варианте осуществления раскрыты мембранное устройство и способ для обработки подаваемой воды. Устройство включает одну или несколько ступеней с узлом для обратного осмоса или нанофильтрации для обработки подаваемой воды. Узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации образует пермеат и концентрат. Две зоны нагнетания включены в устройство - зона низкого давления и зона высокого давления. Подачу к узлу для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации выполняют при высоком давлении. В одном варианте осуществления, насос высокого давления применяют, чтобы закачивать смесь (исходную среду) подаваемой воды, пермеата и концентрата к узлу для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и через него. Концентрат направляют в резервуар для концентрата или накопительный резервуар, где концентрат поддерживают при низком давлении. В течение этого времени, поток пермеата или входящей подаваемой воды регулируют таким образом, чтобы поддерживать расход пермеата или входящей подаваемой воды в основном постоянным. Этот способ выполняют таким образом, на который делается ссылка как на первый режим. Во втором режиме, часть концентрата, аккумулированного в накопительном резервуаре для концентрата, дренируют, наряду с продолжением подачи подаваемой воды в устройство и образования пермеата и концентрата.

В другом варианте осуществления данное изобретение включает способ обработки подаваемой воды в устройстве, включающем узел для обратного осмоса или нанофильтрации и накопительный резервуар для концентрата. Способ включает два режима функционирования, первый режим и второй режим. В первом режиме функционирования, способ включает повышение давления подаваемой воды и направление подаваемой воды через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, чтобы получить пермеат и концентрат. Концентрат направляют из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации к накопительному резервуару для концентрата. Концентрат из накопительного резервуара закачивают к узлу для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и прокачивают через него. Пермеат, выпускаемый из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации разделяют на первый поток пермеата и второй поток пермеата. Первый поток пермеата направляют к месту доставки, в то время как второй поток пермеата рециркулируют через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации. Во втором режиме функционирования способ включает удаление части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, в то время как подаваемая вода под давлением и рециркулированный второй поток пермеата все еще направляются через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, и концентрат из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации направляется к накопительному резервуару для концентрата.

Также данное изобретение включает мембранное устройство для обработки подаваемой воды. В одном варианте осуществления устройство включает узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, сконфигурированный, чтобы производить пермеат и концентрат. Кроме того, предоставлена подающая линия для пермеата для направления первой части пермеата к месту доставки. Также предоставлена линия для рециркуляции пермеата, сконфигурированная, чтобы принимать вторую часть пермеата. Также устройство включает накопительный резервуар для концентрата.+Также предоставлена линия для концентрата, функционально соединенная между узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и накопительным резервуаром для концентрата для направления концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации к накопительному резервуару для концентрата. Кроме того, предоставлен насос, размещенный выше по потоку от узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации. Линия для подачи концентрата функционально соединена между накопительным резервуаром для концентрата и насосом для перемещения концентрата из накопительного резервуара для концентрата к насосу. Также предоставлена подающая линия для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, функционально соединенная между насосом и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации. Первая линия для подачи подаваемой воды сконфигурирована, чтобы содержать подаваемую воду, подлежащую обработке. Линия для рециркуляции пермеата, первая линия для подачи подаваемой воды и подающая линия для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации сконфигурированы таким образом, что концентрат, подаваемая вода и вторая часть пермеата объединяются и закачиваются в узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации. Также предоставлена линия сливания концентрата, функционально соединенная с накопительным резервуаром для концентрата для дренирования концентрата из накопительного резервуара для концентрата.

Другие цели и преимущества данного изобретения станут очевидными из рассмотрения представленного ниже описания и сопроводительных чертежей, которые являются лишь иллюстрацией данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию устройства для обработки воды, применяющего узел с матрицей для обратного осмоса или нанофильтрации.

Фиг. 2 представляет собой схематическую иллюстрацию другого варианта осуществления устройства для обработки воды, применяющего один или несколько узлов мембранного отделения.

Фиг. 3 представляет собой схематическую иллюстрацию другого варианта осуществления устройства для обработки воды, применяющего двухстадийную систему мембранного отделения.

Фиг. 4 представляет собой еще одну схематическую иллюстрацию другого варианта осуществления устройства для обработки воды, применяющего двухстадийный способ мембранного отделения.

ОПИСАНИЕ ТИПИЧНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

При дополнительной ссылке на Фиг. 1, устройство для обработки воды по данному изобретению представлено на ней и обозначено в целом цифровым обозначением 10. Первоначально, базовые компоненты устройства 10 для обработки воды будут описаны, и затем будет рассмотрен способ или процесс, выполняемый данным устройством для обработки воды.

Устройство 10 для обработки воды включает один или несколько узлов 20 мембранного отделения. В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 1, узел 20 мембранного отделения содержит матрицу для обратного осмоса. В вариантах осуществления, показанных на Фиг. 2-4, описанных далее в данном документе, узел мембранного отделения может включать узлы для обратного осмоса или нанофильтрации. Вариант осуществления, показанный на Фиг. 1, будет первоначально описан.

Матрица 20 для обратного осмоса может включать единственную стадию или модуль для обратного осмоса (RO), который будет создавать степень извлечения примерно 50%, или двухстадийную структуру для обратного осмоса, которая создает степень извлечения примерно 75%. Дополнительные стадии могут быть применены, чтобы увеличить степень извлечения. Выше по потоку от матрицы 20 для обратного осмоса расположен насос высокого давления 22. Устройство 10 для обработки воды включает обычный узел 24 с рекуперации энергии. Как будет пояснено ниже, как концентрат от матрицы 20 для обратного осмоса, так и, в некоторых случаях, подаваемая вода к матрице для обратного осмоса проходит через узел 24 с рекуперации энергии. Тепло, связанное с концентратом, оставляющим матрицу 20 для обратного осмоса, эффективным образом переносится к подаваемой воде, проходящей через узел 24 с рекуперации энергии. Между узлом 24 с рекуперации энергии и впускной стороной матрицы 20 для обратного осмоса функционально соединен насос 26 для рекуперации энергии. Насос 26 для рекуперации энергии функционирует, чтобы закачивать подаваемую воду, выпускаемую из узла 24 с рекуперации энергии, к матрице 20 для обратного осмоса.

Выше по потоку от насоса высокого давления 22 расположен резервуар низкого давления для концентрата или накопительный резервуар 28. В некоторых случаях, резервуар низкого давления для концентрата или накопительный резервуар 28 называют как резервуар для хранения концентрата. Резервуар низкого давления для концентрата или накопительный резервуар 28 является закрытым и находится под давлением. В то время как давление может варьироваться в резервуаре низкого давления для концентрата или накопительном резервуаре 28, давление в них поддерживают при более низкой величине, чем давление на выпускной стороне насоса 22 высокого давления. В одном примере, давление в резервуаре низкого давления для концентрата или накопительном резервуаре 28 может поддерживаться при примерно 30 фунтов на квадратный дюйм (207 кПа). Следует принимать во внимание, что резервуар является необязательным. Вместо резервуара, трубопровод выше по потоку от насоса 22 высокого давления может просто быть увеличен, чтобы аккумулировать и поддерживать концентрат.

Устройство 10 для обработки воды может включать несколько клапанов для регулирования потока подаваемой воды, концентрата и пермеата через устройство. В варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 1, устройство 10 для обработки воды включает автоматические регулирующие клапаны 30, 32 и 34. Кроме того, предоставлены обратные клапаны 36 и 38. Обратный клапан 36 допускает лишь протекание слева направо, и обратный клапан 38 допускает лишь протекание справа налево, как видно на Фиг. 1.

Устройство 10 для обработки воды сконструировано, чтобы предоставлять поток пермеата к потребителю или к выбранному месте доставки. На Фиг. 1 указано обозначение «поставляемый пермеат». Непосредственно выше по потоку от него находится клапан 40 для регулирования потока, который расположен ниже по потоку от автоматического регулирующего клапана 34. Как будет рассмотрено ниже, посредством селективного регулирования клапана 40 для регулирования потока, возможно регулирование расхода пермеата, доставляемого устройством.

Устройство 10 для обработки воды сконструировано для функционирования в двух основных режимах. Первый режим называют как нормальный рабочий режим. Второй режим называют как режим выпуска концентрата или режим дренирования.

Первоначально, в первом нормальном рабочем режиме, клапаны 30, 32 и 34 закрыты. Подаваемую воду под давлением, которая является водой, находящейся под давлением, направляют в устройство посредством линии 42. Подаваемая вода в линии 42 предотвращена от прохождения через обратный клапан 38. Соответственно, подаваемая вода под давлением поступает в линию 44 и проходит через узел 24 с рекуперации энергии. Подаваемая вода, выходящая из узла 24 с рекуперации энергии, закачивается посредством насоса 26 для рекуперации энергии в матрицу 20 для обратного осмоса (RO) и через нее. Это образует пермеат и концентрат. Поскольку в этот момент времени автоматический регулирующий клапан 34 закрыт, пермеат, выходящий из матрицы 20 для обратного осмоса, направляется по линии 50, через обратный клапан 38, где пермеат смешивается с подаваемой водой в линии 42, и смесь направляется через узел 24 для рекуперации энергии, где насос 26 для рекуперации энергии закачивает ее в матрицу 20 для обратного осмоса (RO) и прокачивает через нее. Этот характер протекания для подаваемой воды и пермеата продолжается на протяжении некоторого времени. В то же время, концентрат, образованный матрицей 20 для обратного осмоса, направляют по линии 46 и через узел 24 для рекуперации энергии в линию 48, которая подает концентрат к резервуару низкого давления для концентрата или накопительному резервуару 28. Резервуар низкого давления для концентрата или накопительный резервуар является уплотненным, что поддерживает остаточное давление от узла 24 для рекуперации энергии. Концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре 28 находится при достаточном давлении, чтобы вызывать прохождение концентрата через обратный клапан 36 к насосу 22 высокого давления, который закачивает концентрат в матрицу 20 для обратного осмоса и прокачивает через нее. Следует принимать во внимание, что концентрат, выпускаемый насосом 22 высокого давления, смешивается с отходящим потоком от насоса 26 для рекуперации энергии и общая смесь закачивается в матрицу 20 для обратного осмоса и прокачивается через нее.

Во время первоначального периода первого режима функционирования, качество пермеата определяют или тестируют. Как только качество пермеата, образованного матрицей 20 для обратного осмоса, достигает приемлемого качества, тогда автоматический регулирующий клапан 34 открывают. Клапан 40 для регулирования потока в нижнем течении устанавливают, чтобы доставлять поток пермеата при определенном расходе к потребителю или к месту ниже по течению. Следует заметить, что насос 22 высокого давления управляется контроллером, таким как программируемый контроллер (PLC), и в одном варианте осуществления управляется, чтобы поддерживать постоянный поток пермеата от матрицы для обратного осмоса. Из этого следует, что общий поток пермеата, выпускаемый из матрицы 20 для обратного осмоса, измеряют и применяют посредством контроллера для того, чтобы регулировать насос 22 высокого давления таким образом, чтобы общий поток пермеата являлся в основном постоянным. Расход пермеата от матрицы для обратного осмоса может превышать расход пермеата, который проходит через клапан 40 для регулирования потока к потребителю. Это означает, что часть образованного пермеата рециркулируют через матрицу 20 для обратного осмоса посредством линий 50 и 44 и через узел 24 для рекуперации энергии, где он закачивается обратно к матрице для обратного осмоса посредством насоса 26 для рекуперации энергии.

Поэтому, в этом первом режиме функционирования, высокая степень извлечения воды (по меньшей мере, степень извлечения 50%) достигается при постоянном потоке пермеата и, вместе с этим, поток подаваемой воды в устройство 10 по существу равен потоку воды, направляемой потребителю. Однако поток пермеата к потребителю или ниже по течению от клапана 40 для регулирования потока может быть различным, в этом случае расход пермеата рециркулируемого через матрицу 20 для обратного осмоса, будет варьироваться.

В конечном счете, однако, концентрат, направляемый в резервуар низкого давления для концентрата или накопительный резервуар 28, будет становиться таким концентрированным, что требуется выпуск или дренирование. Имеются различные методы измерения концентрации концентрата, и различные пороговые величины или заданные значения могут быть установлены. Одним из подходящих средств является подвергание концентрата испытанию на удельную проводимость, и когда удельная проводимость достигла заданного значения, тогда устройство 10 для обработки воды будет автоматически переключено на второй режим функционирования, который включает выпуск или сливание по меньшей мере некоторого количества из резервуара низкого давления для концентрата или накопительного резервуара 28. В этом втором режиме функционирования, регулирующие клапаны 30 и 32 открыты. При этом концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре 28 поддерживают при низком давлении. Часть концентрата будет принуждена к протеканию из резервуара для концентрата или накопительного резервуара 28 в линию 52 и через автоматический регулирующий клапан 32. Дренированный концентрат может быть дополнительно обработан или размещен подходящим образом. В течение этого времени, подаваемую воду под давлением направляют по линии 54 и через автоматический регулирующий клапан 30 к насосу 22 высокого давления. Эффективным образом, насос 22 высокого давления вызывает протекание подаваемой воды по линии 54 к впускной стороне насоса 22 высокого давления. Таким образом, в то время как часть концентрата дренирована из резервуара для концентрата или накопительного резервуара 28, устройство для обработки воды продолжает функционировать в отношении подаваемой воды, теперь прямо направляемой в насос 22 высокого давления и к матрице 20 для обратного осмоса и через нее. Тем не менее, даже в то время как часть концентрата дренирована из резервуара для концентрата или накопительного резервуара 28, матрица 20 для обратного осмоса создает поток пермеата, и по меньшей мере часть этого потока пермеата может быть передана через клапан 40 для регулирования потока к месту ниже по течению, и, кроме того, часть пермеата может быть рециркулирована через линию 50, обратный клапан 38, линию 44, узел 24 для рекуперации энергии и через насос 26 для рекуперации энергии и назад к матрице 20 для обратного осмоса. Соответственно, в то же самое время, матрица 20 для обратного осмоса продолжает производить концентрат, который направляют по линии 46, через узел 24 для рекуперации энергии и назад к резервуару для концентрата или накопительному резервуару 28. В предпочтительном варианте осуществления, протекание потока концентрата через резервуар для концентрата или накопительный резервуар 28 является поршневым режимом потока, так что концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре смещен посредством воды с более низкой концентрацией, образованной от обработки лишь подаваемой воды или смеси подаваемой воды и пермеата. Во время второго режима функционирования концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре 28 становится менее концентрированным. Иными словами, свежий концентрат, направляемый в резервуар для концентрата или накопительный резервуар 28 является, по меньшей мере первоначально, менее концентрированным, чем концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре 28. Во всяком случае, концентрацию непрерывно регулируют, и в некоторый момент времени она является подходящей, чтобы переключить устройство 10 для обработки воды назад к первому режиму или нормальному рабочему режиму. А именно, посредством испытания на удельную проводимость, например, концентрат в резервуаре для концентрата или накопительном резервуаре 28 может быть проанализирован, и когда удельная проводимость достигает заданного значения, которое позволяет применить первый режим функционирования, тогда устройство 10 для обработки воды может быть автоматически переключено на первый режим функционирования посредством автоматического регулирования различных клапанов, рассмотренных выше. В альтернативном варианте, второй режим или режим выпуска концентрата может быть приведен в действие в течение заданного периода времени, и по прошествии заданного периода времени устройство может быть переключено назад к первому режиму функционирования.

В некоторых случаях, клапан 40 для регулирования потока является регулируемым потребителем непрерывным или периодическим образом. Например, потребитель может иметь резервуар для хранения пермеата ниже по потоку от клапана 40 для регулирования потока. Клапан 40 для регулирования потока может быть различным и регулироваться посредством датчика уровня в резервуаре для хранения пермеата. Соответственно, если уровень пермеата в резервуаре для хранения пермеата повышается, это приводит к активированию клапана для регулирования потока, чтобы ограничить протекание через клапан. Это не обязательно требует, чтобы клапан для регулирования потока был полностью закрыт, как это обычно происходит с некоторыми устройствами обратного осмоса. Это будет приводить к рециркуляции некоторой части пермеата от 0% до 100%, в зависимости водопотребления потребителя или потребности в воде. Этот режим функционирования делает возможным для устройства обратного осмоса (RO) предоставлять автоматически изменяемый расход пермеата, наряду с поддержанием высокой степени извлечения воды, которая обычно невозможна вследствие необходимости поддерживания минимальной скорости поперечного потока внутри модулей обратного осмоса.

Имеют место многие преимущества в отношении устройства обратного осмоса, описанного выше. Во-первых, устройство и способ достигают высокой степени извлечения воды при в основном постоянном потоке пермеата. Термин «в основном постоянный поток пермеата» означает, что на протяжении выбранного периода времени расход пермеата изменяется на 5% или менее. Во-вторых, устройство и способ достигают высокой степени извлечения воды при постоянном потоке подаваемой воды. В заключение, устройство и способ достигают такой же высокой степени извлечения воды при переменной подаче пермеата.

Фиг. 2 отображает альтернативные устройство и способ для обработки воды посредством одного или нескольких узлов мембранного отделения. Устройство и способ, представленные на Фиг. 2, являются по существу сходными с теми, что описаны выше и показаны на Фиг. 1. Имеется, однако, несколько различий между двумя способами.

Что касается Фиг. 2, предоставлен резервуар или контейнер 100 для подаваемой воды, функционально соединенный с впускной линией для подаваемой воды. Назначением резервуара 100 для подаваемой воды является сохранение некоторой части подаваемой воды и при подобранных временах выпуска, которые сохраняют подаваемую воду в устройстве. Могут иметь место промежутки времени, когда поток входящей подаваемой воды является недостаточным для оптимального функционирования устройства. Более конкретно, не всегда является практичным внезапное увеличение потока подаваемой воды в устройство. Соответственно, сохраненная подаваемая вода в резервуаре 100 предоставляет дополнительную подаваемую воду, которая может являться необходимой или потребляться устройством при разных обстоятельствах, чтобы функционировать эффективным образом и по назначению. Следует заметить, что имеется пара воздушных линий, функционально соединенных с резервуаром 100 для подаваемой воды. Впускная воздушная линия 102 и выпускная воздушная линия 104 функционируют, чтобы направлять воздух в резервуар 100 для подаваемой воды и из него. Для того, чтобы регулировать поток воздуха при условиях аккумулирования и выпуска, предоставлены два клапана 106 и 108.

Резервуар 100 может допускать различные режимы. В одном режиме, входящую подаваемую воду направляют в резервуар. Во втором режиме, резервуар 100 просто поддерживает и содержит в себе подаваемую воду. В третьем режиме, содержащуюся подаваемую воду или ее часть выпускают из резервуара 100 для подаваемой воды в устройство. Для того, чтобы аккумулировать подаваемую воду, клапан 106 закрывают и клапан 108 открывают. Соответственно, во время режима аккумулирования, воздух выпускают по линии 104. Когда резервуар 100 для подаваемой воды выпускает подаваемую воду, клапан 108 закрыт и клапан 106 открыт. В этом случае, сжатый воздух направляют в линию 102, и сжатый воздух вытесняет аккумулированную подаваемую воду из резервуара 100 для подаваемой воды в устройство.

Устройство и способ, представленные на Фиг. 2, включают несколько регулирующих элементов для регулирования протекания подаваемой воды, пермеата и концентрата через устройство 10. Более конкретно, показан ряд регуляторов потока, обозначенных как FC. Детали регулятора потока не показаны и не рассмотрены в данном документе, поскольку они не относятся как таковые к сущности данного изобретения и, кроме того, регуляторы потока известны и применяются обычными специалистами в данной области техники в мембранных устройствах. Во всяком случае, регулятор потока FC обычно включает датчик расхода для измерения, например, расхода жидкости через трубу или трубопровод. Кроме того, регулятор потока может обычно включать контроллер, который осуществляет контроль над расходом потока, который измеряется датчиком расхода. Обычно, такие контроллеры функционально соединены с насосом, таким как насос с переменным расходом, и запрограммированы, чтобы регулировать насос таким образом, чтобы создавать желательный или предварительно заданный расход. На Фиг. 2 показаны три регулятора потока, 110, 112 и 114. Регулятор 110 потока в варианте осуществления, проиллюстрированном на Фиг. 2, расположен в линии входящей подаваемой воды, и в этом конкретном случае расположен выше по потоку от резервуара 100 для подаваемой воды. Регулятор 110 потока в линии подаваемой воды применяют в совокупности с потоком продукта, чтобы определять гидравлическую степень извлечения устройства и соответственно инициировать цикл промывки. Регулятор 112 потока функционально соединен с линией для пермеата, которая вытянута от узла 20 мембранного отделения. Он функционально соединен с насосом 22 с переменным расходом, который расположен выше по потоку от узла 20 мембранного отделения. Регулятор 112 потока функционирует, чтобы управлять насосом 22 высокого давления таким образом, чтобы создавать в основном постоянный поток пермеата от узла 20 мембранного отделения. Регулятор 114 потока размещен непосредственно ниже по потоку от насоса 26 для рекуперации энергии. Он функционально соединен с насосом 26 для рекуперации энергии таким образом, чтобы контролировать и изменять расход воды, проходящей от насоса 26 для рекуперации энергии к линии, которая соединяет насос 22 высокого давления с узлом 20 мембранного отделения. Кроме того, предоставлен узел регулирования потока (FCD), который расположен в сливной линии 52 непосредственно ниже по потоку от автоматического регулирующего клапана 32. Этот узел регулирования потока применяют, чтобы регулировать выпуск концентрата по линии 52.

Устройство 10 на Фиг. 2 также включает ряд датчиков C удельной проводимости. Датчики C удельной проводимости функционируют, чтобы измерять и определять удельную проводимость подаваемой воды или концентрата, и особенно применимы при определении, когда устройство должно быть переведено от режима 1 к режиму 2 и обратно. Следует заметить, что датчик 116 удельной проводимости расположен на впускной линии для подаваемой воды. Кроме того, имеется другой датчик 118 удельной проводимости, расположенный непосредственно ниже по потоку от накопительного резервуара 28 для концентрата, который, как рассмотрено выше, может содержать резервуар или увеличенную трубу или другой компонент, который может поддерживать и вмещать аккумулированный концентрат. В типичном устройстве эти датчики удельной проводимости функционально соединены с основным узлом управления устройством и предоставляют результаты измерения удельной проводимости в узел управления устройством, который, в свою очередь, применяет такую информацию или данные, чтобы определять, когда устройство должно быть переведено от режима 1 к режиму 2 и обратно.

При обращении снова к Фиг. 3, показан другой вариант осуществления, включающий устройство и способ обработки подаваемой воды в устройстве, включающем узлы для обратного осмоса или нанофильтрации. Устройство и способ, представленные на Фиг. 3, являются по существу сходными с теми, что описаны выше и показаны на Фиг. 2. Основное различие заключается в том, что устройство и способ, представленные на Фиг. 3, включают двухпроходное мембранное устройство. Этот вариант осуществления является применимым в случаях, в которых имеет место потребность в сравнительно высокой степени извлечения, и/или требование в отношении чистоты пермеата является сравнительно высоким.

При обращении снова к Фиг. 3, следует заметить, что первый пропускной узел мембранного отделения обозначен цифровым обозначением 20. Второй пропускной узел мембранного отделения обозначен в основном цифровым обозначением 120. Более конкретно, второй пропускной узел мембранного отделения включает узлы мембранного отделения 122 и 124.

Пермеат из узла 20 мембранного отделения направляют к насосу 126 высокого давления с переменным расходом. Насос 126 направляет пермеат в узел 122 мембранного отделения. Узел 122 мембранного отделения образует пермеат и концентрат. Концентрат, образованный узлом 122 мембранного отделения, направляют в линию 128, которая, в свою очередь, подает его в узел 124 мембранного отделения. Узел 124 мембранного отделения также образует пермеат и концентрат. Пермеат из узла 124 мембранного отделения направляют в линию 132, которая присоединяет его к пермеату, образованному узлом 122 мембранного отделения. Концентрат, образованный узлом 124 мембранного отделения, направляют в линию 130 и рециркулируют и подают в линию 42, где концентрат смешивают с входящей подаваемой водой.

Для того, чтобы регулировать поток пермеата, образованный узлами 122 и 124 мембранного отделения, предоставлен регулятор 134 давления. Следует указать, что на Фиг. 3 регулятор 134 давления расположен выше по потоку от насоса 126. Регулятор 134 давления функционально соединен с насосом 126 высокого давления с переменным расходом. Этот контур для регулирования давления содержит регулятор 134 давления и насос 126 с переменным расходом, действующим, чтобы регулировать частотно-регулируемое функционирование (VFD) насоса.

Фиг. 4 в основном сходно с устройством и способом, показанными на Фиг. 3. Однако, в этом случае, имеется регулятор 135 потока, который расположен ниже по потоку от узлов 122 и 124 мембранного отделения. Регулятор 135 потока функционально соединен с насосом 126 высокого давления с переменным расходом и функционирует, чтобы регулировать расход пермеата, образованного узлами 122 и 124 мембранного отделения. Способ, представленный на Фиг. 4, является альтернативным подходом к регулированию, где первый пропускной узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации функционирует при регулировании давления (регулятором давления 115), чтобы создать давление всасывания для второго пропускания насоса 126, и второй пропускной насос действует для регулирования потока на основании регулятора 134 потока, который функционирует, чтобы регулировать второй пропускной насос 126 высокого давления.

Имеются различные пути и средства, чтобы управлять и регулировать устройство и способ, описанные выше и представленные на Фиг. 1-3. Однако способ сосредоточен на обработке подаваемой воды в мембранном устройстве, которое функционирует в первом и втором режимах, описанных выше. В общем случае, предполагается, что в способе обработки подаваемой воды, как описано выше, функционирование в режиме 1 будет обычно продолжаться между 20 и 90 минутами. Режим 2 способа предусмотрен как являющийся стравнительно коротким, от примерно 1 минуты до 5 минут. Как правило, управление для переключения между режимами 1 и 2 может быть основано на удельной проводимости концентрата, измеренной датчиком 118 удельной проводимости. См. Фиг. 2-4. Могут иметь место две пороговые величины (или два заданных значения) удельной проводимости, одна из которых приводит в действие переход от режима 1 к режиму 2, и вторая из которых приводит в действие переход от режима 2 к режиму 1. Эти пороговые величины или заданные значения могут варьироваться, в зависимости от качества подаваемой воды, введения и применения потребителем обработанной подаваемой воды. Могут иметься другие схемы контроля, которые совмещены со схемой первичного контроля, такой как, как рассмотрена выше и основана на удельной проводимости. Например, может иметься хронизатор изменения. При этом, независимо от удельной проводимости, измеренной датчиком 118 удельной проводимости, устройство может быт запрограммировано, чтобы переключаться от режима 1 к режиму 2 и назад к режиму 1 на основании предварительно выбранных интервалов времени. Кроме того, третий уровень регулирования может быть основан на объемной степени извлечения. Объемная степень извлечения является просто общим расходом пермеата, деленным на общий расход входящей подаваемой воды. Все три из этих параметров могут быть объединены, чтобы регулировать устройство и способы, рассмотренные выше и представленные на Фиг. 1-4. В качестве альтернативы, один или различные комбинации этих параметров управления могут быть применены.

Устройство и способ, описанные выше и показанные на Фиг. 1-4, создают зоны высокого давления и низкого давления. А именно, трубопровод или трубопроводы в устройстве будет включать воду при высоком давлении и некоторые трубы или трубопроводы будут включать воду или концентрат при низком давлении. Для целей устройств и способов, показанных на Фиг. 1-4, термин «высокое давление» означает давление в интервале от 100 фунтов на квадратный дюйм до 1600 фунтов на квадратный дюйм (689 кПа - 11 МПа). Термин «низкое давление» означает давление менее чем 100 фунтов на квадратный дюйм (689 кПа). Более конкретно, в случае вариантов осуществления, представленных в данном документе, давление подаваемой воды в линии между насосом 22 высокого давления и первым узлом 20 мембранного отделения находится в интервале от 100-1600 фунтов на квадратный дюйм (689 кПа - 11 МПа). Давление на впускной стороне насоса 22 высокого давления составляет обычно от 20 фунтов на квадратный дюйм до менее чем 100 фунтов на квадратный дюйм (138-689 кПа). В одном варианте осуществления, например, давление непосредственно ниже по потоку от резервуар для концентрата или накопительного резервуара 28 составляет примерно 20 фунтов на квадратный дюйм (138 кПа). Поэтому следует принимать во внимание, что зона или область высокого давления устройства, показанного на Фиг. 1, например, включает линию от насоса 22 высокого давления к узлу 20 мембранного отделения, а также часть линии 46, протянутой между узлом 20 мембранного отделения и узлом 24 для рекуперации энергии, а также линию от узла 24 для рекуперации энергии через насос высокого давления 26 к линии, которая протянута между насосом 22 высокого давления и узлом 20 мембранного отделения. Вне этого, оставшаяся часть или зона устройства предполагает низкое давление. Более конкретно, резервуар для концентрата или накопительный резервуар 28 в вариантах осуществления, показанных на Фиг. 1-3, расположен вне зоны высокого давления и поддерживается при низком давлении. В некоторых случаях, устройство по данному изобретению относится к зоне высокого давления и зоне низкого давления. В соответствии с определением терминов «низкое давление» и «высокое давление», зона низкого давления является зоной, где вода в устройстве поддерживается при давлении менее чем 100 фунтов на квадратный дюйм (689 кПа). Зона высокого давления является зоной в устройстве, где давление воды поддерживается в интервале 100-1600 фунтов на квадратный дюйм (689 кПа - 11 МПа).

Данное изобретение может, разумеется, быть выполнено иными конкретными способами, чем те, что изложены в данном документе, без отклонения от объема и существенных характеристик данного изобретения. Представленные варианты осуществления поэтому должны рассматриваться во всех аспектах как иллюстративные и неограничивающие, и предполагается, что все изменения, которые входят в область значений и интервал эквивалентности приложенной формулы изобретения, включены в нее.

Изобретение относится к устройствам и способам, которые применяют обратный осмос или нанофильтрационные мембраны, чтобы удалять растворенную твердую фазу из подаваемой воды. Способ обработки подаваемой воды в устройстве, содержащем узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и накопительный резервуар для концентрата, данный способ включает: a. в первом режиме функционирования: i. причем узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации образует пермеат и концентрат; ii. направление концентрата к накопительному резервуару для концентрата и аккумулирование в нем концентрата; iii. разделение пермеата на первый и второй потоки пермеата; v. смешивание подаваемой воды со вторым потоком пермеата, чтобы образовывать смесь подаваемой воды с пермеатом; vi. после смешивания подаваемой воды со вторым потоком пермеата, направление концентрата из накопительного резервуара для концентрата и смешивание смеси подаваемая вода - пермеат с концентратом, чтобы образовывать вторую смесь; vii. повышение давления и прокачивание второй смеси через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и образование первого и второго потоков пермеата и концентрата и продолжение направления концентрата к накопительному резервуару для концентрата; viii. причем во время первого режима функционирования, ни подаваемая вода, ни первый или второй потоки пермеата не направляются в накопительный резервуар для концентрата; b. во втором режиме функционирования: i. сливание части концентрата из накопительного резервуара для концентрата; ii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, повышение давления и направление смеси подаваемой воды и пермеата через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и продолжение образования концентрата; iii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, продолжение направления концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата; iv. причем во время второго режима функционирования, ни подаваемая вода, ни первый или второй потоки пермеата не направляются в накопительный резервуар для концентрата; и с. причем способ является непрерывным способом, который продолжает направлять концентрат из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата как в первом, так и во втором режиме. Технический результат – повышение степени очистки воды. 3 н. 20 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обработки подаваемой воды в устройстве, содержащем узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и накопительный резервуар для концентрата, данный способ включает:

a. в первом режиме функционирования:

i. причем узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации образует пермеат и концентрат;

ii. направление концентрата к накопительному резервуару для концентрата и аккумулирование в нем концентрата;

iii. разделение пермеата на первый и второй потоки пермеата;

v. смешивание подаваемой воды со вторым потоком пермеата, чтобы образовывать смесь подаваемой воды с пермеатом;

vi. после смешивания подаваемой воды со вторым потоком пермеата, направление концентрата из накопительного резервуара для концентрата и смешивание смеси подаваемая вода - пермеат с концентратом, чтобы образовывать вторую смесь;

vii. повышение давления и прокачивание второй смеси через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и образование первого и второго потоков пермеата и концентрата и продолжение направления концентрата к накопительному резервуару для концентрата;

viii. причем во время первого режима функционирования, ни подаваемая вода, ни первый или второй потоки пермеата не направляются в накопительный резервуар для концентрата;

b. во втором режиме функционирования:

i. сливание части концентрата из накопительного резервуара для концентрата;

ii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, повышение давления и направление смеси подаваемой воды и пермеата через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и продолжение образования концентрата;

iii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, продолжение направления концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата;

iv. причем во время второго режима функционирования, ни подаваемая вода, ни первый или второй потоки пермеата не направляются в накопительный резервуар для концентрата; и

с. причем способ является непрерывным способом, который продолжает направлять концентрат из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата как в первом, так и во втором режиме.

2. Способ по п. 1, в котором, во время первого режима функционирования, смесь подаваемой воды и пермеата направляют к стороне высокого давления насоса, расположенного выше по потоку от узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и во втором режиме функционирования способ включает изменение характера протекания подаваемой воды и направление подаваемой воды к стороне низкого давления насоса.

3. Способ по п. 2, включающий, во время второго режима функционирования, направление второго потока пермеата к стороне высокого давления насоса, где второй поток пермеата смешивают с подаваемой водой на стороне высокого давления насоса.

4. Способ по п. 1, включающий в первом режиме функционирования направление смеси подаваемой воды и пермеата к стороне высокого давления насоса; и во втором режиме функционирования изменение характера протекания подаваемой воды и направление подаваемой воды к стороне низкого давления насоса перед смешиванием подаваемой воды и второго потока пермеата; и во втором режиме функционирования направление второго потока пермеата к стороне высокого давления насоса и смешивание подаваемой воды и второго потока пермеата на стороне высокого давления насоса.

5. Способ по п. 1, в котором во время первого режима функционирования, способ включает повышение давления накопительного резервуара для концентрата и направление концентрата под давлением из накопительного резервуара для концентрата к насосу, функционально соединенному между накопительным резервуаром для концентрата и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

6. Способ по п. 1, включающий измерение расхода пермеата, образованного узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, и регулирование насоса на основании измеренного расхода пермеата таким образом, чтобы создавать в основном постоянный поток пермеата узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

7. Способ по п. 1, в котором концентрат, образованный узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, протекает в накопительный резервуар для концентрата и через него, и причем протекание концентрата через накопительный резервуар для концентрата является поршневым режимом потока.

8. Способ по п. 1, в котором в первом режиме функционирования, способ включает направление смеси подаваемой воды и пермеата через устройство для рекуперации энергии, и после выпуска из устройства для рекуперации энергии смесь подаваемой воды и пермеата смешивают с концентратом из накопительного резервуара для концентрата.

9. Способ по п. 1, в котором насос функционально соединен между накопительным резервуаром для концентрата и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и причем способ включает поддерживание давления второй смеси в линии между насосом и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации при 1000-1600 фунтов на квадратный дюйм; и поддерживание давления в концентрате выше по потоку от насоса при менее чем 100 фунтов на квадратный дюйм.

10. Способ по п. 1, включающий направление смеси подаваемой воды и пермеата через устройство для рекуперации энергии, через которое концентрат из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации протекает; и, после выпуска смеси подаваемой воды и пермеата из устройства для рекуперации энергии, объединение смеси подаваемой воды и пермеата с концентратом в месте выше по потоку от насоса, расположенном между накопительным резервуаром для концентрата и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

11. Способ по п. 1, в котором во втором режиме функционирования, концентрат дренируют из накопительного резервуара для концентрата, и концентрат в накопительном резервуаре для концентрата не направляют через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

12. Способ извлечения растворенной твердой фазы из подаваемой воды посредством применения узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, функционирующего в двух различных режимах, причем узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации образует пермеат и концентрат, данный способ включает:

a. в первом режиме функционирования:

i. направление концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата и аккумулирование в нем концентрата;

ii. поддерживание концентрата в накопительном резервуаре для концентрата при низком давлении;

iii. обход накопительного резервуара для концентрата подаваемой водой и смешивание подаваемой воды с частью пермеата, чтобы образовывать смесь подаваемой воды и пермеата;

iv. смешивание смеси подаваемой воды и пермеата с частью концентрата из накопительного резервуара для концентрата, чтобы образовывать вторую смесь;

v. направление второй смеси в узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и через него, чтобы создавать пермеат и концентрат;

b. во втором режиме функционирования:

i. сливание части концентрата из накопительного резервуара для концентрата;

ii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, продолжение обхода накопительного резервуара для концентрата подаваемой водой и направление смеси подаваемой воды и пермеата через узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и

iii. при сливании части концентрата из накопительного резервуара для концентрата, продолжение направления концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации в накопительный резервуар для концентрата.

13. Способ по п. 12, в котором, во время первого режима функционирования, смесь подаваемой воды и пермеата направляют к стороне высокого давления насоса, расположенного выше по потоку от узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и во втором режиме функционирования способ включает изменение характера протекания подаваемой воды и направление подаваемой воды к стороне низкого давления насоса.

14. Способ по п. 13, включающий, во время второго режима функционирования, направление части пермеата к стороне высокого давления насоса, где часть пермеата смешивают с подаваемой водой на стороне высокого давления насоса.

15. Способ по п. 12, включающий в первом режиме функционирования направление смеси подаваемой воды и пермеата к стороне высокого давления насоса; и во втором режиме функционирования изменение характера протекания подаваемой воды и направление подаваемой воды к стороне низкого давления насоса перед смешиванием подаваемой воды и части пермеата; и во втором режиме функционирования направление части пермеата к стороне высокого давления насоса и смешивание подаваемой воды и части пермеата на стороне высокого давления насоса.

16. Способ по п. 12, в котором во время первого режима функционирования, способ включает повышение давления накопительного резервуара для концентрата и направление концентрата под давлением из накопительного резервуара для концентрата к насосу, функционально соединенному между накопительным резервуаром для концентрата и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

17. Способ по п. 12, включающий измерение расхода пермеата, образованного узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, и, на основании измеренного расхода пермеата, регулирование насоса, который закачивает вторую смесь в узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, таким образом, чтобы создавать в основном постоянный поток пермеата узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации.

18. Способ по п. 12, где концентрат, образованный узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, протекает в накопительный резервуар для концентрата и через него в поршневом режиме потока.

19. Способ по п. 12, в котором в первом режиме функционирования, способ включает направление смеси подаваемой воды и пермеата через устройство для рекуперации энергии, и после выпуска из устройства для рекуперации энергии смесь подаваемой воды и пермеата смешивают с концентратом из накопительного резервуара для концентрата.

20. Мембранное устройство для обработки подаваемой воды, выполненное с возможностью функционирования в первом режиме и втором режиме, и содержащее:

узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, выполненный с возможностью образования пермеата и концентрата;

подающую линию для пермеата для направления части пермеата к месту доставки;

линию для рециркуляции пермеата, выполненную с возможностью рециркулирования части пермеата, образованного узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации;

накопительный резервуар для концентрата, находящийся под давлением, выполненный с возможностью аккумулирования концентрата, образованного узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации;

линию для концентрата, функционально соединенную между узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и накопительным резервуаром для концентрата для направления концентрата из узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации к накопительному резервуару для концентрата;

насос, имеющий сторону низкого давления и сторону высокого давления, расположенный между накопительным резервуаром для концентрата и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации;

первую линию для подаваемой воды, которая выполнена с возможностью направления, во время первого режима функционирования, подаваемой воды к месту, где подаваемую воду смешивают с пермеатом из линии для рециркуляции пермеата, чтобы образовывать смесь подаваемой воды и пермеата;

линию для смеси подаваемой воды и пермеата для перемещения смеси подаваемой воды и пермеата к месту между насосом и узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации;

линию для подачи концентрата, соединенную между накопительным резервуаром для концентрата и насосом для направления концентрата из накопительного резервуара для концентрата к насосу;

причем указанный накопительный резервуар для концентрата, во время первого режима функционирования, выполнен с возможностью вызывания протекание концентрата под давлением из накопительного резервуара для концентрата к насосу;

вторую линию для подаваемой воды, которая выполнена с возможностью, во время второго режима функционирования, направления подаваемой воды к стороне низкого давления насоса;

линию сливания концентрата, которая выполнена с возможностью, во время второго режима функционирования, сливания концентрата непосредственно из накопительного резервуара для концентрата, и причем накопительный резервуар для концентрата, находящийся под давлением, функционирует, чтобы вызывать протекание концентрата из накопительного резервуара для концентрата в сливную линию; и

причем первая и вторая линии для подаваемой воды и линия для рециркуляции пермеата отделены от накопительного резервуара для концентрата, так что ни подаваемая вода, ни пермеат не направляются в накопительный резервуар для концентрата.

21. Устройство по п. 20, включающее в себя устройство для рекуперации энергии, функционально соединенное с линией для концентрата для рекуперации энергии, связанной с концентратом, протекающим через него, и перемещающим энергию к смеси подаваемой воды и пермеата или потоку пермеата, проходящему через устройство для рекуперации энергии.

22. Устройство по п. 20, включающее резервуар, функционально соединенный с первой и второй линиями для подаваемой воды и расположенный выше по потоку от линий для подаваемой воды; пару воздушных линий, расположенных выше по потоку от резервуара и функционально соединенных с резервуаром; и воздушные линии включают в себя линию для введения воздуха и линию для выпуска воздуха, при том что каждая линия включает регулирующий клапан.

23. Устройство по п. 20, в котором узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации является первым узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, и устройство включает второй узел для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации, расположенный ниже по потоку от первого узла для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и причем указанный насос является насосом с переменным расходом и расположен между накопительным резервуаром для концентрата и первым узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; и причем имеется второй насос с переменным расходом, расположенный между первым и вторым узлами для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации; регулятор давления, выполненный с возможностью измерения давления между первым узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и вторым насосом с переменным расходом, и выполненный с возможностью управления вторым насосом с переменным расходом; и регулятор потока для определения расхода между первым узлом для обратного осмоса (RO) или нанофильтрации и вторым насосом с переменным расходом и выполненный с возможностью управления первым насосом с переменным расходом.