JP2011088094A - 淡水製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】淡水の製造効率が高く、しかも膜モジュールの透過膜が破損することのない淡水製造装置を提供する。
【解決手段】ポンプ２として、海水の沸騰温度を常温での沸騰温度より高くなるように海水を高圧に加圧することができるポンプを用いる。海水を加熱する加熱手段４としては、海水を常温での沸騰温度より高く、かつポンプによって加圧された後の沸騰温度より低い温度に加熱することができる加熱手段を用いる。
【選択図】図１

Description

この発明は、透過膜を利用して海水やかん水等の原水から淡水を製造するための淡水製造装置に関する。

従来、この種の製造装置の一つとして海水から淡水を製造する淡水製造装置がある。この淡水製造装置は、下記特許文献１に記載されているように、膜モジュールを備えている。膜モジュールは、透過膜を介して互いに接する液室及び分離室と、この分離室に仕切りを介して接する海水導入室とを有している。海水導入室には、海水がポンプによって供給される。海水導入室を出た海水は、加熱手段によって加熱された後、液室に導入される。

加熱手段によって加熱された海水が液室に導入されると、液室と分離室との間の温度差に相当する水蒸気分圧差の分だけ海水から水蒸気が分離し、透過膜を通って分離室に入り込む。この結果、液室内の海水は、その塩分濃度が高くなり、濃縮海水となって外部に排出される。一方、分離室に入り込んだ水蒸気は、海水導入室に導入された海水により仕切り壁を介して冷却される。そして、凝縮して淡水となって回収される。なお、分離室に入り込んだ水蒸気は、海水導入室内の海水を予備加熱する。

特開平２−９４９０号公報

上記構成の淡水製造装置においては、液室導入される海水の温度を高温にするほど淡水の製造効率を高くすることができる。しかしながら、従来の淡水製造装置では、海水が１００°Ｃ以下の範囲でしか加熱されていなかった。これは、海水の温度が１００°Ｃを越えると、海水が液室内において沸騰してしまい、透過膜が破損されるおそれがあるからである。また、沸騰によって液室の圧力が上がり液室内の液体成分を追い出すおそれがある。このため、海水の温度を１００°Ｃを越える高温にすることができず、淡水の製造効率を高くすることができないという問題があった。

この発明は、上記の問題を解決するために、液室、この液室に透過膜を介して接する分離室、及びこの分離室に仕切りを介して接する原水導入室を有する膜モジュールと、上記原水導入室に上記原水を供給するポンプと、このポンプを動作させる動力源と、上記原水導入室と上記液室との間に設置され、上記原水導入室から上記液室に供給される上記原水を加熱する加熱手段とを備え、上記液室内の原水から水蒸気が上記透過膜を介して上記分離室に分離され、この水蒸気から淡水が得られる淡水製造装置において、上記ポンプとして、上記原水の沸点が１００°Ｃを越えるまで上記原水を加圧することができる加圧ポンプが用いられ、上記加熱手段として、上記原水の上記液室内への導入時の温度が１００°Ｃを越える温度まで加熱することができる加熱手段が用いられていることを特徴としている。
この場合、上記液室から排出された濃縮原水によって駆動される駆動手段をさらに備え、上記駆動手段が上記ポンプを動作させるための補助動力源として用いられていることが望ましい。
上記分離室から排出される淡水によって駆動される第２駆動手段をさらに備え、上記第２駆動手段が上記ポンプを動作させるための第２補助動力源として用いられていることが望ましい。
第２液室、この第２液室に第２透過膜を介して接する第２分離室、及びこの第２分離室に第２仕切りを介して接する第２原水導入室を有する第２膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第２原水導入室を介して上記ポンプに吸引され、上記液室から排出される濃縮原水が上記第２液室に導入され、上記濃縮原水から水蒸気が上記第２透過膜を介して上記第２分離室に分離されることが望ましい。
上記分離室から排出された淡水が上記第２分離室に導入されることが望ましい。
第２液室、この第２液室に第２透過膜を介して接する第２分離室、及びこの第２分離室を第２仕切りを介して接する第２原水導入室を有する第２膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第２原水導入室に導入され、上記駆動手段を駆動した上記濃縮原水が上記第２液室に導入され、上記第２液室内の濃縮原水から水蒸気が上記第２透過膜を介して上記第２分離室に分離されることが望ましい。
上記分離室から排出される淡水によって駆動される第２駆動手段をさらに備え、上記第２駆動手段が上記ポンプを動作させるための第２補助動力源として用いられ、上記第２駆動手段を駆動した上記淡水が上記第２分離室に導入されることが望ましい。

上記構成を有するこの発明によれば、原水の沸騰温度が常温での沸騰温度より高温になるように、原水がポンプによって高圧に加圧されているから、原水を１００°Ｃ以上の高温に加熱することができる。したがって、淡水の製造効率を向上させることができる。しかも、原水が液室において沸騰することがないので、透過膜等の沸騰に伴う不具合の発生を確実に防止することができる。

図１は、この発明の第１実施の形態の概略構成を示す図である。 図２は、この発明の第２実施の形態の概略構成を示す図である。

以下、この発明を実施するための最良の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の第１実施の形態を示す。この実施の形態の淡水製造装置Ａは、海水（原水）から淡水を製造するためのものであり、膜モジュール１、ポンプ２、回転動力源（動力源）３及び加熱手段４を有している。なお、この発明に係る淡水製造装置Ａは、海水以外の原水、例えばかん水から淡水を製造することも可能である。

膜モジュール１は、ケーシング１ａを有している。このケーシング１ａの内部には、透過膜１ｂ及び仕切り１ｃが設けられている。これにより、ケーシング１ａの内部が、透過膜１ａを介して互いに接する液室１ｄ及び分離室１ｅ、並びに分離室１ｅに仕切り１ｃを介して接する海水導入室（原水導入室）１ｆに区分されている。

透過膜１ｂは、その両側の温度差に相当する水蒸気分圧差で高温側から低温側へ気体成分のみを選択的に透過させるものであり、そのような性質を有するものであれば公知の各種のものを採用することができる。例えばAdvantech社のT0101Aや、Donaldson社のTX1301を挙げることができる。

透過膜１ｂを介して互いに接する液室１ｄと分離室１ｅとのうちの液室１ｄには、後述するよう高温（例えば１０５°〜１８０°Ｃ）の海水（図示せず）が上部より導入される。したがって、分離室１ｅには透過膜１ｂを通って水蒸気（図示せず）が流入する。この水蒸気は、液室１ｄ内の海水より低温ではあるが、常温より高温（例えば、１００°〜１７５°Ｃ程度）になっている。

仕切り１ｃは、耐熱フィルムなどの耐熱性のある樹脂薄膜や、チタンなどの金属薄板で構成される。したがって、仕切り１ｃを介して接する分離室１ｅと海水導入室１ｆとは一種の熱交換器を構成している。この場合、分離室１ｅには、上記のように水蒸気などの気体成分が透過されるのに対し、海水導入室１ｆには、下部より常温の海水が導入される。したがって、海水導入室１ｆ内の海水は、分離室１ｅ内の水蒸気によって加熱される。逆に、分離室１ｅ内の水蒸気は、海水導入室１ｆ内の海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。この淡水の下部の温度は、常温（導入海水温度）より若干高温であり、例えば常温＋（１°〜５°Ｃ）程度になっている。なお、この実施の形態では、海水導入室１ｆ内を海水が膜モジュール１の一端側（下端側）から他端側（上端側）へ流れ、淡水が膜モジュール１の一端側に位置する分離室１ｅの一端部から取り出されることから明らかなように、分離室１ｅと海水導入室１ｆとは一種の対向流型熱交換器になっている。勿論、他の形式の熱交換器を構成するようにしてもよい。

ポンプ２は、海水を常圧から高圧に加圧して淡水製造装置に供給するためのものであり、海水が常温での沸騰温度（１００°Ｃ）より高い温度で沸騰するように海水を高圧に加圧する。例えば、海水の沸騰温度が１０５°〜１８０°Ｃになるように、海水を絶対圧力で０．１５〜１ＭＰａ程度に加圧する。望ましくは、海水の沸騰温度が１２０°〜１５０°Ｃになるように、絶対圧力で０．２〜０．５ＭＰａ程度に加圧する。このような加圧のためのポンプ２としては、例えば多段の渦巻きポンプを用いることが望ましいが、往復動型のポンプを用いてもよい。ポンプ２は、電動モータ等からなる回転動力源（動力源）３及び後述する補助回転動力源（補助動力源）たる第１及び第２回転駆動手段（駆動手段、第２駆動手段）５，６によって動作される。つまり、回転駆動される。

加熱手段４は、例えば熱交換器からなるものであり、この実施の形態では対向流型熱交換器が用いられている。勿論、加熱手段４として他の形式の熱交換器あるいはヒータ等の他の加熱器を用いてもよい。加熱手段４は、ケーシング４ａを有している。ケーシング４ａの内部には、仕切り４ｂが設けられている。仕切り４ｂは、金属等の熱伝導性に優れた材料によって構成されている。ケーシング４ａに仕切り４ｂが設けられることにより、ケーシング４ａの内部が低温室４ｃと高温室４ｄとに区分されている。

低温室４ｃには、上記ポンプ２によって加圧され、さらに海水導入室１ｆ内において予備加熱された海水がケーシング４ａの一端側から導入される。低温室４ｃに導入された海水は、低温室４ｃ内をケーシング４ａの他端側に向かって流れる。一方、高温室４ｄには、水、その他の高温の熱媒体（図示せず）が導入される。熱媒体は、ケーシング４ａの他端側から一端側へ向かって流れ、その間に海水を加熱する。この場合、海水は、ポンプ２によって加圧されているので、沸騰温度が常圧での沸騰温度より高くなっており、加圧状態での沸騰温度より若干低い程度の高温に加熱される。例えば、１０５°〜１８０°Ｃ程度の高温に加熱される。望ましくは、１２０°〜１５０°Ｃに加熱される。

加熱された高温高圧の海水は、上記のように、膜モジュール１の液室１ｄに導入される。液室１ｄに導入された海水のうちの水の一部が水蒸気として透過膜１ｂを通過して分離室１ｅに流入する。分離室１ｅに流入した水蒸気は、海水導入室１ｆ内の海水を加熱する一方、それ自体は海水導入室１ｆ内の海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。

水蒸気が分離された海水は、塩分濃度の高い濃縮海水として液室１ｄから流出する。一方、分離室１ｅ内に入り込んだ水蒸気は淡水として分離室から流出する。濃縮海水は、そのまま海に戻し、また淡水をそのまま回収してもよい。しかし、それらは常温、常圧より高温、高圧であり、高いエネルギを有している。このエネルギを利用するために、液室１ｄの後段には、第１回転駆動手段（駆動手段）５が設けられ、分離室１ｅの後段には、第２回転駆動手段（第２駆動手段）６が設けられている。

第１回転駆動手段５は、濃縮海水が有する高温高圧のエネルギを回転力として取り出すためのものであり、例えばタービンが用いられる。この第１回転駆動手段５は、ポンプ２に連結されており、補助回転動力源として回転動力源３と一緒にポンプ２を回転駆動する。一方、第２回転駆動手段６は、淡水が有する高圧のエネルギを回転力として取り出すためのものであり、例えばタービンが用いられる。この第２回転駆動手段６は、ポンプ２に連結されており、第２補助動力源として回転駆動源３及び第１回転駆動手段５と一緒にポンプ２を回転駆動する。このように、ポンプ２を第１及び第２回転駆動手段５，６によって回転駆動しているので、回転動力源３に使用されるエネルギを少なくすることができ、省エネルギを達成することができる。なお、第１回転駆動手段５と第２回転駆動手段６の回転数を調節するために、各手段５，６に減速機を設けてもよい。

上記構成の淡水製造装置Ａによれば、海水を１００°Ｃを越える１０５°〜１８０°Ｃという高温に加熱しているので、膜モジュール１による淡水化効率を向上させることができ、それによって淡水の製造効率を向上させることができる。しかも、液室１ｄに導入される海水（原水）が加圧され、その沸騰温度が実際の加熱温度より高くなっているので、海水が液室１ｄ内において沸騰することがない。よって、透過膜１ｂの破損や液室１ｄ内の高圧化に起因する液体の押しのけ等の沸騰に伴って発生する不具合を確実に防止することができる。

次に、図２に示すこの発明の第２実施の形態を説明する。この実施の形態の淡水製造装置Ｂは、第２膜モジュール７をさらに備えている。第２膜モジュール７は、膜モジュール１と同様に構成されており、膜モジュール１のケーシング１ａ、透過膜１ｂ、仕切り１ｃ、液室１ｄ、分離室１ｅ、及び海水導入室１ｆにそれぞれ相当する第２ケーシング７ａ、第２透過膜７ｂ、第２仕切り７ｃ、第２液室７ｄ、第２分離室７ｅ、及び第２海水導入室（第２原水導入室）７ｆを有している。

第２液室７ｄには、第１回転駆動手段５を通過した濃縮海水が導入される。第２液室７ｄに導入される濃縮海水は、常温より高い温度、例えば８０°〜１０５°Ｃ程度の温度を維持している。したがって、濃縮海水中の水が水蒸気となって第２透過膜７ｂを通り、第２分離室７ｅに入り込む。第２液室７ｄを通過してさらに塩分濃度が高くなった濃縮海水は、海水中に排出される。

第２分離室７ｅには、上記のように、濃縮海水から分離した淡水が入り込む。この淡水の温度は、７６°〜１００°Ｃになっている。また、第２分離室７ｅには、第２回転駆動手段６を回転させた淡水が入り込む。この淡水の温度は、７９°〜１０１°Ｃになっている。第２分離室７ｅに第２仕切り７ｃを介して接する第２海水導入室７ｆには、ポンプ２によって吸引された海水が導入される。この海水は、第２分離室７ｅ内の水蒸気及び淡水によって予備加熱される。一方、第２分離室７ｅ内の水蒸気は海水によって冷却されて凝縮し、淡水になる。そして、第２回転駆動手段６を通過して第２分離室７ｅに入り込んだ淡水と一緒に第２分離室７ｅから流出し、淡水として回収される。

この淡水製造装置Ｂによれば、膜モジュール１によって淡水を分離するのみならず、第２膜モジュール７により濃縮海水から淡水をさらに分離しているから、淡水の製造効率をより一層向上させることができる。

次に、この発明の上記効果を明らかにするための実験例を紹介する。この実験例では、図１に示す淡水製造装置Ａが用いられている。そして、この発明の実施例では、ポンプ２によって海水が絶対圧力で０．５ＭＰａに加圧され、その後加熱手段によって１４５°Ｃに加熱された。比較例では、海水が絶対圧力で０．１ＭＰａに加圧され、９５°Ｃに加熱された。このとき加熱に必要なエネルギーは両方で１ｋｗになるように流量を調整した。この発明の実施例では淡水が８．４ｃｃ／sec製造され、比較例では淡水が４.1ｃｃｌ／sec製造された。これから明らかなように、この発明の実施例では、比較例に対して淡水の製造効率を概略倍増させることができた。

なお、この発明は、上記の実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲において各種の変形例を採用することができる。
例えば、上記の実施の形態においては、海水導入室１ｆの前段にポンプ２を設置しているが、ポンプ２は、海水導入室１ｆと低温室４ｃとの間に設置してもよい。また、第２海水導入室７ｆの前段にポンプとは別にポンプを設け、このポンプにて原水を第２原水導入室に導入するようにしてもよい。

Ａ 淡水製造装置
Ｂ 淡水製造装置
１ 膜モジュール
１ｂ 透過膜
１ｃ 仕切り
１ｄ 液室
１ｅ 分離室
１ｆ 海水導入室（原水導入室）
２ ポンプ
３ 回転動力源（動力源）
４ 加熱手段
５ 第１回転駆動手段（駆動手段）
６ 第２回転駆動手段（第２駆動手段）
７ 第２膜モジュール
７ｂ 第２透過膜
７ｃ 第２仕切り
７ｄ 第２液室
７ｅ 第２分離室
７ｆ 第２海水導入室（第２原水導入室）

Claims (7)

1. 液室、この液室に透過膜を介して接する分離室、及びこの分離室に仕切りを介して接する原水導入室を有する膜モジュールと、上記原水導入室に上記原水を供給するポンプと、このポンプを動作させる動力源と、上記原水導入室と上記液室との間に設置され、上記原水導入室から上記液室に供給される上記原水を加熱する加熱手段とを備え、上記液室内の原水から水蒸気が上記透過膜を介して上記分離室に分離され、この水蒸気から淡水が得られる淡水製造装置において、
   上記ポンプとして、上記原水の沸点が１００°Ｃを越えるまで上記原水を加圧することができる加圧ポンプが用いられ、
   上記加熱手段として、上記原水の上記液室内への導入時の温度が１００°Ｃを越える温度まで加熱することができる加熱手段が用いられていることを特徴とする淡水製造装置。
2. 上記液室から排出された濃縮原水によって駆動される駆動手段をさらに備え、上記駆動手段が上記ポンプを動作させるための補助動力源として用いられていることを特徴とする請求項１に記載の淡水製造装置。
3. 上記分離室から排出される淡水によって駆動される第２駆動手段をさらに備え、上記第２駆動手段が上記ポンプを動作させるための第２補助動力源として用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の淡水製造装置。
4. 第２液室、この第２液室に第２透過膜を介して接する第２分離室、及びこの第２分離室に第２仕切りを介して接する第２原水導入室を有する第２膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第２原水導入室を介して上記ポンプに吸引され、上記液室から排出される濃縮原水が上記第２液室に導入され、上記濃縮原水から水蒸気が上記第２透過膜を介して上記第２分離室に分離されることを特徴とする請求項１に記載の淡水製造装置。
5. 上記分離室から排出された淡水が上記第２分離室に導入されることを特徴とする請求項４に記載の淡水製造装置。
6. 第２液室、この第２液室に第２透過膜を介して接する第２分離室、及びこの第２分離室を第２仕切りを介して接する第２原水導入室を有する第２膜モジュールをさらに備え、上記原水が上記第２原水導入室に導入され、上記駆動手段を駆動した上記濃縮原水が上記第２液室に導入され、上記第２液室内の濃縮原水から水蒸気が上記第２透過膜を介して上記第２分離室に分離されることを特徴とする請求項２に記載の淡水製造装置。
7. 上記分離室から排出される淡水によって駆動される第２駆動手段をさらに備え、上記第２駆動手段が上記ポンプを動作させるための第２補助動力源として用いられ、上記第２駆動手段を駆動した上記淡水が上記第２分離室に導入されることを特徴とする請求項６に記載の淡水製造装置。

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