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WO2014061948A1 - 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치 - Google Patents

에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치 Download PDF

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WO2014061948A1
WO2014061948A1 PCT/KR2013/009140 KR2013009140W WO2014061948A1 WO 2014061948 A1 WO2014061948 A1 WO 2014061948A1 KR 2013009140 W KR2013009140 W KR 2013009140W WO 2014061948 A1 WO2014061948 A1 WO 2014061948A1
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WO
WIPO (PCT)
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reverse osmosis
desalination
pressure
brine
energy recovery
Prior art date
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Ceased
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PCT/KR2013/009140
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English (en)
French (fr)
Inventor
김영진
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KROSYS Inc
Original Assignee
KROSYS Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KROSYS Inc filed Critical KROSYS Inc
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • the present invention relates to a reverse osmosis desalination apparatus having an improved energy recovery method, and more particularly, to a reverse osmosis desalination apparatus having an energy recovery means with a greatly improved operating method.
  • Desalination by reverse osmosis is a solution that does not pass through the semipermeable membrane, for example when water is compressed against the semipermeable membrane at a pressure higher than the osmotic pressure of the solution, such as Sea Water or Brackish Water. Silver is the method where the concentration is concentrated and the solution passed through the membrane is obtained with treated water without salt.
  • the main problem in the desalination process by reverse osmosis is that a high pressure (reverse osmosis) is needed to overcome the osmotic pressure, and as a result, the desalination device becomes an energy consuming facility.
  • a reverse osmosis desalination apparatus having an energy recovery device for recovering the retained energy of the concentrate exiting the desalination module to the brine to be desalted with most of the reverse osmosis pressure is a US patent. Publication US 6,491,813 B2 (Dec. 10, 2002).
  • Cylinder block 8 having three pistons 3 and 4 is used as an energy recovery device.
  • the concentrated solution Q 3 exiting the desalting module 15 while retaining most of the reverse osmosis pressure flows into the downstream chamber 17 of the piston 3 (with the shaft of the cylinder 6), and recovers energy of the concentrated solution.
  • Q 1 is pressurized into the system in the upstream chamber 17 'of the piston 3 (the shaftless side of the cylinder 6).
  • the pressure in the closed circuit 20-21-23-22 is the upstream pressure P of the piston 4.
  • the desalination apparatus of FIG. 1 does not require a separate high pressure pump and thus is useful in a small desalination apparatus, but the recovery rate Q of the desalination apparatus represented by 'flow rate of the desalination water exiting the reverse osmosis membrane / flow rate of the salt water to be desalted' 2 / Q 1 (hereafter referred to as 'R') is fixed by the geometric ratio of the cross section of piston 3 or 4 to the cross section of shaft 5, ie the cross-sectional area of shaft 5 / cross-section of piston 3 or 4 There is a limit to increase the recovery rate of the desalination unit.
  • the pressure Ps of the pump 1 at the operating point should be equal to the 'recovery rate of the desalting apparatus x the working pressure of the reverse osmosis membrane'.
  • the brine supply pump 1 it is not easy to prepare as a pump.
  • Figure 2 is another embodiment of the reverse osmosis desalination apparatus having an energy recovery device according to the prior art, the shaft 5 has a smaller cross-sectional area than the previous embodiment, and the high pressure pump 25 is installed in the high pressure line 20.
  • the desalting concentrate Q 30 exiting the desalting module 15 while retaining most of the reverse osmosis pressure is introduced into the downstream chamber 17 (the shaft of the cylinder 6) of the piston 3 to recover the energy of the concentrate.
  • One brine Q 10 is pressurized into the system in the chamber 17 'upstream of piston 3 (the shaftless side of cylinder 6).
  • the desalination apparatus of FIG. 2 has an advantage that the recovery rate of the apparatus can be easily changed compared to the desalination apparatus of FIG. 1 by changing the flow rates of the pump 1 and the pump 25.
  • Equation 4 is derived.
  • the reverse osmosis desalination apparatus has a problem that a salt water supply pump 1 having a high working pressure and a high working flow condition is required.
  • FIG. 3 to 5 show an internal flow path of the power valve 131 with the pilot valve 130, which is controlled by the positions of the pistons 3 and 4 in the desalting apparatus according to the prior art of FIG. 1, as a working fluid of the power valve 131.
  • the brine 2 supplied by the brine feed pump 1 is used.
  • the present invention has been made in order to improve the problems of the prior art desalination apparatus, it is possible to supply the brine to be desalted even at low pressure to the energy recovery device when using the pre-treatment working pressure of the demineralized salt, separate pressurization It is an object of the present invention to provide a desalination apparatus capable of operating the system only by recovering the energy of the concentrate without any means.
  • the present invention provides a desalination apparatus in which a relative quantitative increase in the brine flow rate injected into the system from the energy recovery means does not occur with respect to the flow rate of the concentrated liquid flowing into the energy recovery means, as well as a pressure increase effect of the brine injected into the system occurs. For other purposes.
  • the present invention can exclude the pressurization means such as the salt water supply pump, so that the entire installation can be simplified, and the consideration of the pressurization means such as the salt water supply pump is omitted even when adjusting the arrangement of the system to change the recovery rate. It is another object of the present invention to provide a desalination apparatus that can easily design a system.
  • the present inventors completely change the manner in which the conventional reverse osmosis desalination apparatus supplies the concentrate exiting the desalination module with most of the reverse osmosis pressure to the shaft side of the cylinder, and the brine to be desalted is supplied to the shaftless side of the opposite cylinder.
  • the present invention has been accomplished by finding that the above-mentioned concentrate exiting the desalination module is supplied to the shaftless side of the cylinder, and the brine to be desalted is supplied to and treated at the shaft side of the opposite cylinder to achieve the above object.
  • the present invention provides the following.
  • the present invention provides a desalination module comprising one or more containers including one or more reverse osmosis membranes; A high pressure pump for providing reverse osmosis pressure to the desalination module; An energy recovery device for recovering energy of the concentrated liquid exiting the desalination module, the two reciprocating slides are accommodated in two cylinders separated from each other by a central block, and connected to each other by a shaft extending through the central block.
  • the brine to be desalted from the pretreatment unit is boosted to recover the energy of the concentrate without the aid of other pressurizing means to join the high pressure desalted to be brine exiting the high pressure pump. It provides a reverse osmosis method desalination apparatus with improved energy recovery method characterized in that it can be.
  • the present invention is improved reverse osmosis method characterized in that the system can be operated by alternately supplying the brine to be desalted to the side of the shaft of the cylinder even if the working pressure of the brine pretreatment unit without the brine supply pump as it is Provide a desalination device.
  • the present invention is characterized in that the energy recovery means characterized in that the relative quantitative increase in the flow rate of the brine injected into the system at the side of the shaft of the cylinder with respect to the flow rate of the concentrate alternately flowing out of the desalination module to the shaftless side of the cylinder does not occur. It provides a reverse osmosis desalination apparatus provided with.
  • the present invention is configured to connect the desalination module to any one of the cylinders in the operating state 2, if the control valve according to the present invention connected the concentrate collector to any one of the two cylinders in the operating state 1 It provides a reverse osmosis desalination apparatus having an energy recovery means characterized in that arranged.
  • control valve is operated by the pressure of the concentrate exiting the desalination module.
  • control valve is operated by two operating methods.
  • the pressure of the concentrated liquid exiting the desalination module is simultaneously applied to both chambers of the control valve, and the concentrated liquid from one of the chambers is discharged by the solenoid valve (first method), or the pipeline and the shaft are formed in the central block.
  • the position of the reciprocator in the control valve is determined by releasing the pressure by the combination of the grooves formed in the second method (second method), and the concentrated liquid which is the main flow of the control valve according to the position of the reciprocator. It is pressurized by one cylinder of this energy recovery means, and the energy-recovered concentrate of the other cylinder is drained.
  • the present invention provides a desalination apparatus capable of operating the system only by recovering the energy of the concentrate without a separate pressurization means when using the working pressure used in the pretreatment process of the brine, so that the brine can be supplied to the energy recovery device even at a low pressure.
  • the present invention does not cause a relative quantitative increase in the flow rate of the brine injected into the system from the energy recovery means with respect to the flow rate of the concentrate flowing into the energy recovery means, but rather an energy recovery means in which the pressure increase effect of the brine intruded into the system occurs. It has the effect of providing a reverse osmosis desalination apparatus provided with a.
  • the present invention can exclude the pressurization means such as the salt water supply pump, so that the entire installation can be simplified, and the consideration of the pressurization means such as the salt water supply pump is omitted even when adjusting the arrangement of the system to change the recovery rate. It is possible to design the system has an easy effect.
  • FIG. 1 is a fluid flow diagram of the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the prior art
  • FIG. 2 is a fluid flow diagram of the reverse osmosis desalination apparatus according to another embodiment of the prior art
  • FIG. 3 is a view showing the fluid flow of the power valve having a pilot valve in the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the prior art
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams showing the internal flow path of the power valve having a pilot valve in the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the prior art divided into the operating state 1 and the operating state 2 of the power valve, respectively,
  • 6 and 7 are flow diagrams of the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, respectively, and are shown in the operating state 1 and the operating state 2 of the control valve,
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the control valve of the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention
  • 9A, 9B, and 9C are plan, front and side views, respectively, of the control valve of FIG. 8;
  • FIG. 9D is a B-B cutaway view of the control valve of FIG. 9B.
  • FIG. 10 and 11 are A-A cutaway views of the control valve of FIG. 9A, respectively, illustrating the control valve having a solenoid valve divided into an operating state 1 and an operating state 2;
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing the internal flow path of the control valve having a pilot valve in the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention divided into an operating state 1 and an operating state 2, respectively.
  • brine feed pump 2 brine 3
  • piston 5 shaft
  • pilot valve 131 power valve 132, 134: chamber
  • Brine 202 Brine pretreatment unit 203, 204: Piston
  • brine supply line 225 high pressure pump 226: concentrate collector
  • a 1 Cross-sectional area of shaftless side of piston
  • a 2 Cross section of the piston shaft side
  • FIGS. 6 and 7 are respectively a flow chart of the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, two cylinders 206, 207 separated from each other by a central block 209
  • Desalination module 215 consisting of a cylinder block 208 having two pistons 203, 204 reciprocally slidably connected to and connected to each other by a shaft 205 extending through the central block 209, and one or more vessels having one or more reverse osmosis membranes 216.
  • a control valve 214 for alternately connecting the desalination module 215 to the two cylinders 206 and 207 to alternately press the brine to be desalted from the two cylinders 206 and 207 into the system.
  • a high pressure pump 225 for providing an osmotic pressure, and a pre-treatment unit 202 of the brine 201 to be desalted.
  • the reverse osmosis desalination apparatus in the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention, although the cylinder block 208 having the same structure as the cylinder block 8 of the reverse osmosis desalination apparatus according to the prior art is used as an energy recovery device, the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention Is very different from the reverse osmosis desalination system according to the prior art in the manner of operating the energy recovery device.
  • the reverse osmosis desalination apparatus has a high-pressure concentrate (Q 3 , Q 30 ) exiting the desalination module while retaining most of the reverse osmosis pressure. 2 side), brine (Q1, Q10) the inlet and, recovering the concentrate energy on the side of the cylinder (17 ', 18' without shaft, is an energy recovery device operating in such a way that the press-in system in the a 1 side).
  • the high pressure concentrated liquid Q 300 exiting the desalination module is alternately connected to the shaftless side of the cylinders 206 and 207 of the energy recovery apparatus.
  • cylinder 206 and the shaft side is not 207; flows alternately in (217, 218 a 1 side), brine (Q 100) a number of times the energy of the concentrated liquid is a cylinder 206 and side (217 ', 218' in shaft 207; A 2 side) is operated in such a way that the energy recovery device is operated by alternately injecting into the system (desalination module 215), the space of the energy recovery device in which the high-pressure concentrate is introduced and the brine that recovered the energy of the concentrate is injected into the system
  • the space of the energy recovery device is significantly different from the reverse osmosis desalination device according to the prior art.
  • the operating method of the energy recovery device in the reverse osmosis desalination device according to the present invention uses the principle of "force (F) applied to piston ⁇ pressure (P) acting on piston x cross-sectional area of piston (A)",
  • F force
  • P piston ⁇ pressure
  • A piston x cross-sectional area of piston
  • the need for a brine feed pump (1) with high working pressure and high working flow conditions by + P S is as described above.
  • the high pressure concentrate Q 300 is supplied to the shaftless sides 217 and 218 of the cylinders 206 and 207, and the brine Q 100 that recovers the energy of the concentrate is Since it is press-fitted into the system from the shafts 217 'and 218' of the cylinders 206 and 207, the flow rate equation of [Equation 6] and the pressure relationship of [Equation 7] below are established, and the reverse osmosis method according to the prior art of FIG.
  • the reverse osmosis desalination apparatus can operate the system without the brine supply pump for supplying the brine to the energy recovery means, it is possible to compactly reduce the whole equipment, even when changing the arrangement of the system to change the recovery rate
  • the design of the system has an easy effect without considering the brine supply pump for supplying the brine to the energy recovery means.
  • the desalination device has two working conditions according to the operating state of the control valve 214.
  • the brine Q 100 pretreated in the pretreatment unit 202 is transferred to the cylinder 207 through the check valve 213 by the working pressure (3 bar) of the pretreatment unit 202.
  • the recovered brine (Q 100 ) is pressurized by the check valve 210 to the high pressure line 220 through the check valve 210 from the shaft side 217 'of the same cylinder 206 and joined with the high pressure desalted salt (Q W ) leaving the high pressure pump 225 to reverse osmosis membrane. It is sent to the desalination module 215 containing 216. At the same time, the concentrate used for energy recovery in the last operating state exits the shaftless side 218 of cylinder 207 and is discharged to concentrate collector 226.
  • the brine (Q W + Q 100 ) infiltrated into the desalination module 215 is obtained as a desalted product (Q 200 ) through the reverse osmosis membrane 216, desalination concentrate (Q 300 ) that does not penetrate the reverse osmosis membrane 216 and exits the desalination module 215 )
  • the brine is used as an energy source for injecting the brine into the high pressure line 220 from the shaft side 217 'of the same cylinder 206 (i.e., the energy of the demineralized concentrate is recovered in the brine).
  • the high pressure concentrate (Q 300 ) flows from the desalination module 215 to the shaftless side 218 of the cylinder 207 through the control valve 214 and presses and moves the pistons 203 and 204 to the left side, the brine recovered the energy of the concentrate ( desalination modules Q 100) are joined to the same cylinder 207, the shaft-side 218 'desalination brine (Q W to be processed) of the high pressure is pressed into the high-pressure line 220 coming out of the high pressure pump 225 through a check valve 211 in that in comprises a reverse osmosis membrane 216 Sent to 215 At the same time, the concentrate used for energy recovery in the last operating state exits the shaftless side 217 of the cylinder 206 and is discharged to the concentrate collector 226.
  • the brine (Q W + Q 100 ) pressurized in the desalination module 215 as in operating state 1 is obtained as a desalted product (Q 200 ) that has passed through the reverse osmosis membrane 216, and does not penetrate the reverse osmosis membrane 216 and leaves the desalination module 215.
  • Q 300 flows into the shaftless side 218 of the cylinder 207 through the control valve 214 with pressure approximately equal to the pressure of the brine (Q W + Q 100 ) entering the desalination module 215 to further guide the pistons 203 and 204. It is moved to the left and used as an energy source to inject brine into the high pressure line 220 from the shaft side 218 'of the same cylinder 207.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view of the control valve 214 of the reverse osmosis desalination apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figures 9a, 9b, 9c is a plan view, a front view, a side view of the control valve 214 of FIG.
  • FIG. 9D is a BB cutaway view of the control valve 214 of FIG. 9B.
  • the control valve 214 includes a cover 301 having a connector, a left side wall 302 and a right side wall 305 restricting the movement of the reciprocating mover, a body block 303, a reciprocating mover 304, a reciprocating follower 306, and a connector. It consists of the bottom plate 307.
  • Concentrate discharge ports 312 and 313 are formed at both edges of the bottom plate 307, and in the center part, the hole 314 is connected to the shaftless side of the cylinder 206 of the energy recovery means (cylinder block 208) and the shaftless side of the cylinder 207.
  • a hole 316 and a hole 315 connected to the concentrate collector 226 are formed, respectively.
  • FIG. 10 and 11 are AA cutaway views of the control valve 214 of FIG. 9A, respectively, and the operating state of the control valve 214 with the solenoid valve S, which is one of the two operating methods of the control valve, is changed to the operating state 1 and the operating state 2.
  • the figure shows it separately.
  • the operation state 1 of the control valve 214 is as follows.
  • the concentrated liquids P 300 and Q 300 are simultaneously introduced into the chamber 310 and the chamber 311 (see FIG. 11) of the control valve 214 through the concentrate passage holes 308 and 309 formed in the reciprocator 304 of the control valve 214 from the desalination module 215.
  • the reciprocator 304 is fixed in the left and right pressure equilibrium state by simultaneously pressing P 300 in the chambers 310 and 311.
  • the concentrate pressurizing the chamber 311 of the two chambers was discharged through the concentrate outlet 313 by the solenoid valve S connected with the timer T, so that the pressure equilibrium of the reciprocator 304 was broken, so that the reciprocator 304 was the right side wall of the chamber 311.
  • the reciprocating follower 306 also moves to the right along with the reciprocating traveler 304.
  • the concentrate pressurizing the chamber 310 of the two chambers is discharged through the outlet 312 by the solenoid valve S again by the operation of the timer T, so that the reciprocating mover 304 moves to the left side wall 302 of the chamber 310.
  • the reciprocating follower 306 also moves to the left side with the reciprocating mover 304.
  • the concentrate (P 300 , Q 300 ) enters the shaftless side 218 of the cylinder 207 through the hole 316 of the bottom plate 307 which opens from the reciprocating follower 306. And the concentrate used for energy recovery through the holes 314, 315 of the bottom plate 307, which is surrounded by the reciprocating follower 306 as the reciprocating follower 306 moves to the left. ) And is collected in the concentrate collector 226.
  • FIGS. 12 and 13 are diagrams showing the internal flow path of the related device divided into an operating state 1 and an operating state 2 for another one of the two operating methods of the control valve 214.
  • the pressure P 300 of the concentrate exiting the desalination module is simultaneously applied to both chambers of the control valve.
  • the operation of the control valve 214 of FIGS. 12 and 13 is performed through the discharge passages 401, 402, which are formed in the central block 209 of the cylinder block 208. It is distinguished from the operation method of the control valve 214 of FIGS. 10 and 11 in which discharge of the concentrate is caused by the solenoid valve in that it is caused by the combination of the groove 404 formed in the shaft 205 and the 403.
  • 300 , Q 300 ) Flow path is connected to control valve 214 so that control valve 214 300 By 12 and the concentrate (P) in accordance with the operation of the control valve 214.
  • 300 , Q 300 ) Flows into the shaftless side of the cylinder 206 The energy recovered concentrate exits the shaftless side of cylinder 207 and is collected in concentrate collector 226.

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Abstract

본 발명은 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치는 탈염모듈 215와; 상기 탈염모듈 215에 역삼투압을 제공하기 위한 고압펌프 225와; 상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액(Q300)의 에너지를 회수하기 위한 실린더 블록 208과; 상기 탈염모듈 215를 상기 실린더 블록 208의 실린더 206, 207에 교대로 연결시켜 주는 컨트롤 밸브 214와; 탈염처리될 염수 201의 전처리부 202를 포함하여 이루어지는 역삼투법 탈염장치에 있어서; 상기 컨트롤 밸브 214가 상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액(Q300)의 압력에 의하여 작동하고, 상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액(Q300)이 상기 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽에 교대로 유입되고, 상기 전처리부 202를 나오는 탈염처리될 염수(Q100)가 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에 교대로 유입되어, 농축액(Q300)의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에서 교대로 고압라인 220 쪽으로 압입되도록 함으로써, 상기 전처리부 202를 나오는 탈염처리될 염수(Q100)가 다른 가압수단 없이 농축액(Q300)의 에너지를 회수하는 것만으로 승압되어 상기 고압펌프 225를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류될 수 있는 것임을 특징으로 하고 있다.

Description

에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치
본 발명은 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운전방식이 크게 개선된 에너지 회수수단을 구비한 역삼투법 탈염장치에 관한 것이다.
역삼투법(Reverse Osmosis)에 의한 탈염은, 물의 경우를 예로 들자면 바닷물 (Sea Water) 또는 염수용액(Brackish Water)이 그 용액의 삼투압보다 높은 압력으로 반투막에 대하여 압축될 때, 그 반투막을 통과하지 못한 용액은 그 농도가 농축되고 막을 통과한 용액은 염이 제거된 처리수로 얻어지는 방법이다. 이러한 역삼투법에 의한 탈염과정에서 가장 문제가 되는 것은 삼투압을 이기기 위한 높은 압력(역삼투압)이 필요하여 결과적으로 탈염장치가 에너지 소비가 큰 시설로 된다는 것이다.
역삼투법에 의한 탈염장치의 이러한 문제점을 개선하기 위한 종래기술로서, 역삼투압의 대부분을 지닌 채로 탈염모듈을 나오는 농축액의 보유에너지를 탈염처리될 염수에 회수시키는 에너지 회수장치를 가진 역삼투법 탈염장치가 미국특허공보 US 6,491,813 B2 (2002. 12. 10.)에 개시되어 있다.
도 1은 종래기술에 따른 에너지 회수장치를 가진 역삼투법 탈염장치의 일실시예로서, 샤프트 5에 의해 서로 연결되고, 중앙 플레이트 9에 의해 서로 분리된 2개의 실린더 6, 7 내에서 각각 왕복활주 가능한 2개의 피스톤 3, 4를 가지는 실린더 블록 8이 에너지 회수장치로 사용되고 있다.
도 1의 탈염장치에서는 역삼투압의 대부분을 보유한 채로 탈염모듈 15를 나오는 농축액(Q3)이 피스톤 3의 하류측 챔버 17(실린더 6의 샤프트 있는 쪽)에 유입되고, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q1)는 피스톤 3의 상류측 챔버 17'(실린더 6의 샤프트 없는 쪽)에서 시스템으로 압입된다.
도 1의 탈염장치에서 폐쇄회로 20-21-23-22의 압력은 피스톤 4의 상류측 압력 PS에서 출발하여 축차적으로 '탈염처리될 염수와 역삼투막을 나오는 탈염처리수의 유량비(Q1/Q2)' 만큼씩 증가하여 정상상태(steady state)의 역삼투압에 이르게 된다.
도 1의 탈염장치는 별도의 고압펌프를 필요로 하지않아 소형의 탈염장치에서는 유용성이 크지만, '역삼투막을 나오는 탈염처리수의 유량/탈염처리될 염수의 유량' 으로 나타내어지는 탈염장치의 회수율 Q2/Q1(Recovery of Membrane; 이하 'R'이라 함) 가 피스톤 3 또는 4의 단면과 샤프트 5의 단면의 기하학적 비율, 즉, '샤프트 5의 단면적/피스톤 3 또는 4의 단면적'에 의하여 고정되는 바, 탈염장치의 회수율을 높이는데 한계가 있다.
또한, 도 1의 탈염장치는 그 동작점(Operating Point)에서 펌프 1의 압력(Ps)이 '탈염장치의 회수율×역삼투막의 작업압력'과 같아야 하는 바, 이러한 동작점에서의 작업조건을 갖춘 상업용 펌프로서의 염수공급펌프 1을 준비하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있다.
도 2는 종래기술에 따른 에너지 회수장치를 가진 역삼투법 탈염장치의 다른 실시예로서, 샤프트 5의 단면적이 앞의 실시예에 비하여 작은 것을 사용하고, 고압라인 20에 고압펌프 25를 설치한 것이다.
상기 도 2의 탈염장치에서도 역삼투압의 대부분을 보유한 채로 탈염모듈 15를 나오는 탈염농축액(Q30)이 피스톤 3의 하류측 챔버 17(실린더 6의 샤프트 있는 쪽)에 유입되고, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q10)는 피스톤 3의 상류측 챔버 17'(실린더 6의 샤프트 없는 쪽)에서 시스템으로 압입된다.
도 2의 탈염장치는 펌프 1과 펌프 25의 유량을 변경함으로써 도 1의 탈염장치에 비하여 장치의 회수율이 용이하게 변경될 수 있는 이점이 있다.
그러나, 도 2의 탈염장치에서는 샤프트 5의 단면적 및 체적을 무시할 수 있을 정도의 작은 것으로 가정하여, 실린더 6의 샤프트 없는 쪽(17')을 나와 폐쇄회로 6-22-20-15-21-23에 유입되는 염수의 유량(Q10)과, 같은 폐쇄회로 6-22-20-15-21-23을 나와, 같은 실린더 6의 샤프트 있는 쪽(17)에 유입되는 농축액의 유량(Q30)이 서로 같고(즉, Q10 = Q30), 고압펌프 25에 의해 탈염모듈 15에 공급되는 염수의 유량(QW)과 역삼투막 16을 나오는 탈염생산물의 유량(Q20)이 서로 같은 것으로 상정하고 있으나(즉, QW = Q20), 후술하는 도 2의 종래기술에 따른 에너지 회수장치의 시판품에 대한 실측값에서도 알 수 있는 바와 같이, 실린더 6, 7의 샤프트 없는 쪽17', 18'는 같은 실린더 6, 7의 샤프트 있는 쪽 17,18에 비하여 샤프트 5의 단면적만큼 실린더(피스톤)의 단면적이 크고, 샤프트 5의 체적만큼 실린더의 체적이 커서, 도 2의 종래기술에 따른 탈염장치가 상정한 Q10 = Q30, QW = Q20의 유량 관계식은 사실상 성립되지 않는다.
즉, 도 2의 종래기술에 따른 탈염장치에서는 아래의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]의 유량 관계식이 성립하고, 아래의 수학식에서 회수율 R은 필요에 따라 변경가능하며, 피스톤 3의 샤프트 없는 쪽의 단면적 A1은, 같은 피스톤 3의 샤프트 있는 쪽의 단면적 A2보다 크므로(A1/A2 > 1), [수학식 3]의 유량 관계식 Q10 = Q30(A1/A2)에서 Q10 > Q30 이 되어 종래기술에서 상정한 Q10 = Q30의 관계식이 성립되지 않을 뿐만 아니라, 오히려 에너지 회수장치에 유입되는 농축액의 유량(Q30)에 대하여 시스템에 전달되는 염수의 유량(Q10)의 상대적인 양적증가가 일어남을 피할 수 없다.
수학식 1
Figure PCTKR2013009140-appb-M000001
수학식 2
Figure PCTKR2013009140-appb-M000002
수학식 3
Figure PCTKR2013009140-appb-M000003
[수학식 1] ~ [수학식 3]으로부터 다음의 수학식 4가 유도된다.
수학식 4
Figure PCTKR2013009140-appb-M000004
또한, 도 2의 종래기술에 따른 탈염장치에서 폐쇄회로 6-22-20-15-21-23에 따라 유체의 흐름이 이루어지기 위해서는 아래의 [수학식 5]의 압력 관계식이 성립되어야 하고, 도 2의 탈염장치에서 P10＞P30 , (A2/A1)＜1 이므로, 압력이 낮은 쪽(P30)에서 압력이 높은 쪽(P10)으로 염수(Q10)를 공급하기 위해서는 높은 압력수치의 작업압력(PS)을 가진 염수공급펌프 1이 필요하다.
수학식 5
Figure PCTKR2013009140-appb-M000005
[여기서, P10 은 고압펌프 25의 작업압력, △P는 피스톤의 미끄럼 마찰을 포함한 시스템의 압력강하, P30은 탈염모듈을 나오는 농축액의 압력, PS는 염수공급펌프 1의 작업압력을 각각 나타냄]
예를 들어, 도 2의 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 에너지 회수장치(실린더 블록 8)의 시판품에 대한 A2/A1의 실측값 0.89와, R = 0.3, P10 = 50 bar, P30 = 49 bar, △P = 7 bar를 각각 상기 [수학식 3] 내지 [수학식 5]에 대입해 보면, Q10 = 1.12Q30, Q10 = 2.621Q20, QW = 0.712Q20, PS > 13.4 bar로 계산되어, 도 2의 종래기술에 따른 탈염장치의 경우, 작업압력 50 bar, 작업유량 0.712Q20의 작업조건을 갖춘 고압펌프(25)와, 작업압력 13.4 bar 이상, 작업유량 2.621Q20의 작업조건을 갖춘 염수공급펌프(1)가 필요해진다.
즉, 도 2의 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치는 높은 작업압력과 높은 작업유량 조건을 갖춘 염수공급펌프 1을 필요로 한다는 문제점을 가지고 있다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 종래기술에 따른 탈염장치에서 피스톤 3, 4의 위치에 의하여 제어되는, 파일럿 밸브 130을 구비한 동력밸브 131의 내부유로를 나타내고 있으며, 동력밸브 131의 작동유체로서 염수공급펌프 1에 의해 공급되는 염수 2가 사용되고 있다.
본 발명은 종래기술의 탈염장치가 안고 있는 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 낮은 압력에서도 탈염처리될 염수를 에너지 회수장치에 공급할 수 있어 탈염처리될 염수의 전처리 작업압력을 이용할 경우, 별도의 가압수단 없이 농축액의 에너지를 회수하는 것만으로 시스템의 운영이 가능한 탈염장치의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 에너지 회수수단에 유입되는 농축액의 유량에 대하여 에너지 회수수단으로부터 시스템에 압입되는 염수 유량의 상대적인 양적 증가가 일어나지 않을 뿐만 아니라 시스템에 압입되는 염수의 압력증가 효과가 일어나는 탈염장치의 제공을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 염수공급펌프 등의 가압수단을 배제할 수 있어 설비 전체를 간략하게 구성할 수 있고, 시스템의 배열을 조정하여 회수율을 변화시킬 때에도 염수공급펌프 등의 가압수단에 대한 고려를 생략할 수 있어 시스템의 설계가 용이한 탈염장치의 제공을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명자는 종래기술의 역삼투법 탈염장치가 역삼투압의 대부분을 보유한 채로 탈염모듈을 나오는 농축액을 실린더의 샤프트 있는 쪽에 공급하고, 탈염처리될 염수는 반대쪽 실린더의 샤프트 없는 쪽에 공급하여 처리하던 방식을 완전히 바꾸어서, 탈염모듈을 나오는 상기 농축액을 실린더의 샤프트 없는 쪽에 공급하고, 탈염처리될 염수는 반대쪽 실린더의 샤프트 있는 쪽에 공급하여 처리함으로써 상기의 목적을 달성할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
보다 구체적으로 본 발명은 이하의 것을 제공한다.
본 발명은 하나 이상의 역삼투막을 구비하는 하나 이상의 용기로 이루어진 탈염모듈과; 상기 탈염모듈에 역삼투압을 제공하기 위한 고압펌프와; 상기 탈염모듈을 나오는 농축액의 에너지를 회수하기 위한 에너지 회수장치로서, 중앙블록에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더에 왕복활주 가능하게 수용되고, 상기 중앙블록 을 통하여 뻗어있는 샤프트에 의해 서로 연결되는 2개의 피스톤을 가지는 실린더 블록과; 상기 탈염모듈을 상기 2개의 실린더에 교대로 연결시켜 주는 컨트롤 밸브 와; 탈염처리될 염수의 전처리부를 포함하여 이루어지는 역삼투법 탈염장치에 있어서; 상기 탈염모듈을 나오는 농축액이 상기 실린더의 샤프트 없는 쪽에 교대로 유입되고, 상기 전처리부를 나오는 탈염처리될 염수가 상기 실린더의 샤프트 있는 쪽에 교대로 유입되어, 농축액의 에너지를 회수한 염수가 상기 실린더의 샤프트 있는 쪽에서 교대로 고압라인 쪽으로 압입되도록 함으로써, 상기 전처리부를 나오는 탈염처리될 염수가 다른 가압수단의 도움없이 농축액의 에너지를 회수하는 것만으로 승압되어 상기 고압펌프를 나오는 고압의 탈염처리될 염수에 합류될 수 있는 것임을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 염수공급펌프 없이 염수 전처리부의 작업압력을 그대로 이용해도 탈염처리될 염수를 상기 실린더의 샤프트 있는 쪽에 교대로 공급하여 시스템을 가동할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 탈염모듈을 나와 실린더의 샤프트 없는 쪽에 교대로 유입되는 농축액의 유량에 대하여 상기 실린더의 샤프트 있는 쪽에서 시스템에 압입되는 염수의 유량의 상대적인 양적증가가 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 회수수단을 구비한 역삼투법 탈염장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 컨트롤 밸브가 작동상태 1에서 농축액 수집기를 2개의 실린더 중 어느 하나의 실린더에 연결시켰으면, 작동상태 2에서는 상기 어느 하나의 실린더에 탈염모듈을 연결시키기 위하여 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수수단을 구비한 역삼투법 탈염장치를 제공한다.
여기서, 상기 컨트롤 밸브는 탈염모듈을 나오는 농축액의 압력에 의하여 작동된다.
또한, 상기 컨트롤 밸브는 2가지 작동방법에 의하여 작동된다.
즉, 탈염모듈을 나오는 농축액의 압력이 상기 컨트롤 밸브의 양쪽 챔버에 동시에 가해지고, 그 중 한쪽 챔버의 농축액이 솔레노이드 밸브에 의하여 방출되거나(제1 방법) 또는, 중앙 블록에 형성되어 있는 관로와 샤프트에 형성되어 있는 홈의 조합에 의해 방출(제2 방법)되어 압력이 해제됨으로써 컨트롤 밸브 내부의 왕복이동자의 위치가 결정되며, 상기 왕복이동자의 위치에 따라 컨트롤 밸브의 주된 흐름(main flow)인 농축액이 에너지 회수수단의 한쪽 실린더에 가압되고, 다른쪽 실린더의 에너지 회수된 농축액은 수집(drain)된다.
본 발명은 낮은 압력에서도 염수를 에너지 회수장치에 공급할 수 있어 염수의 전처리 과정에서 사용하는 작업압력을 이용할 경우, 별도의 가압수단 없이 농축액의 에너지를 회수하는 것만으로 시스템의 운영이 가능한 탈염장치를 제공하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 에너지 회수수단에 유입되는 농축액의 유량에 대하여 에너지 회수수단으로부터 시스템에 압입되는 염수 유량의 상대적인 양적 증가가 일어나지 않을 뿐만 아니라 오히려 시스템에 압입되는 염수의 압력증가 효과가 일어나는 에너지 회수수단을 구비한 역삼투법 탈염장치의 제공이 가능한 효과를 가진다.
또한, 본 발명은 염수공급펌프 등의 가압수단을 배제할 수 있어 설비 전체를 간략하게 구성할 수 있고, 시스템의 배열을 조정하여 회수율을 변화시킬 때에도 염수공급펌프 등의 가압수단에 대한 고려를 생략할 수 있어 시스템의 설계가 용이한 효과를 가진다.
도 1은 종래기술의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 유체 흐름도이고,
도 2는 종래기술의 다른 실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 유체 흐름도이며,
도 3은 종래기술의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서 파일럿 밸브를 구비한 동력밸브의 유체흐름을 나타내는 도면이고,
도 4, 도 5는 각각 종래기술의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서 파일럿 밸브를 구비한 동력밸브의 내부유로를 동력밸브의 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여 나타내는 도면이며,
도 6, 도 7은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 유체 흐름도로서 컨트롤 밸브의 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 컨트롤 밸브에 대한 분해사시도이며,
도 9a, 도 9b, 도 9c는 각각 도 8의 컨트롤 밸브에 대한 평면도, 정면도, 측면도이고,
도 9d는 도 9b의 컨트롤 밸브에 대한 B-B 절단면도이며,
도 10, 도 11은 각각 도 9a의 컨트롤 밸브에 대한 A-A 절단면도로서 솔레노이드 밸브를 구비한 컨트롤 밸브의 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여 나타내는 도면이고,
도 12, 도 13은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서 파일럿 밸브를 구비한 컨트롤 밸브의 내부유로를 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여나타내는 도면이다.
[부호의 설명]
1:염수공급펌프 2:염수 3, 4:피스톤 5:샤프트
6, 7:실린더 8:실린더 블록 9:중앙 플레이트
10, 11, 12, 13:체크밸브 14:교환밸브 15:탈염모듈
16:역삼투막 17:피스톤 3의 하류측 챔버 17':피스톤 3의 상류측 챔버
18:피스톤 4의 하류측 챔버 18':피스톤 4의 상류측 챔버
19:탈염생산물 라인 20:고압라인 21, 23:농축액 라인
22:염수공급 라인 24:마이크로스위치 25:고압펌프
26:농축액 수집기 27:염수 수집기
130:파일럿 밸브 131:동력밸브 132, 134:챔버
135, 137, 138:관로 136:홈
201:염수 202:염수 전처리부 203, 204:피스톤
205:샤프트 206, 207:실린더 208:실린더 블록
209:중앙 블록 210, 211, 212, 213 체크밸브 214:컨트롤 밸브
215:탈염모듈 216:역삼투막
217:실린더 206의 샤프트 없는 쪽(피스톤 203의 상류측 챔버)
217':실린더 206의 샤프트 있는 쪽(피스톤 203의 하류측 챔버)
218:실린더 207의 샤프트 없는 쪽(피스톤 204의 상류측 챔버)
218':실린더 207의 샤프트 있는 쪽(피스톤 204의 하류측 챔버)
219:탈염생산물 라인 220:고압라인 221, 222:농축액 라인
223:염수공급 라인 225:고압펌프 226:농축액 수집기
301:연결구를 가진 덮개 302:왼쪽 측벽 303:몸체 블록
304:왕복 이동자 305:오른쪽 측벽 306:왕복이동 추종자
307:바닥판 308, 309:농축액 통과 홀(hole) 310, 311:챔버
312, 313:농축액 방출구 314:실린더 206의 샤프트 없는 쪽에 연결되는 홀(hole)
315:농축액 수집기에 연결되는 홀(hole)
316:실린더 207의 샤프트 없는 쪽에 연결되는 홀(hole)
317:연결구 318:배출구 S:솔레노이드 밸브 T:타이머
401, 402, 403:관로 404:홈(groove)
405:컨트롤 밸브로부터의 농축액 수집기
A1:피스톤의 샤프트 없는 쪽의 단면적
A2:피스톤의 샤프트 있는 쪽의 단면적
PS:염수공급펌프의 작업압력 PP1: 염수 전처리부의 작업압력
P1, P10, P100:탈염모듈에 공급되는 염수의 압력
P3, P30, P300:탈염모듈을 나오는 농축액의 압력
Q1, Q10, Q100:탈염처리될 염수의 유량
Q2, Q20, Q200:역삼투막을 나오는 탈염생산물의 유량
Q3, Q30, Q300:탈염모듈을 나오는 농축액의 유량
QW:고압펌프에 의하여 탈염모듈에 공급되는 염수의 유량
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6, 도 7은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 유체 흐름도로서, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치는, 중앙블록 209에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 206, 207에 왕복활주 가능하게 수용되고 상기 중앙 블록 209를 통하여 뻗어있는 샤프트 205에 의해 서로 연결되는 2개의 피스톤 203, 204를 가지는 실린더 블록 208과, 하나 이상의 역삼투막 216을 구비하는 하나 이상의 용기로 이루어진 탈염모듈 215와, 상기 2개의 실린더 206, 207로부터 탈염되어질 염수를 교대로 시스템에 압입하기 위하여 상기 탈염모듈 215를 상기 2개의 실린더 206, 207에 교대로 연결시켜 주는 컨트롤 밸브 214와, 상기 탈염모듈 215에 역삼투압을 제공하기 위한 고압펌프 225와, 탈염처리될 염수 201의 전처리부 202를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치는 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치의 실린더 블록 8과 동일한 구조의 실린더 블록 208을 에너지 회수장치로 사용하고 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치는 에너지 회수장치를 운용하는 방식에서 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치와 크게 차이가 난다.
즉, 종래기술(도 2)에 따른 역삼투법 탈염장치는 역삼투압의 대부분을 보유한 채로탈염모듈을 나오는 고압의 농축액(Q3, Q30)이 에너지 회수장치의 샤프트 있는 쪽 실린더(17, 18; A2측)에 유입되고, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q1, Q10)는 샤프트 없는 쪽 실린더(17', 18'; A1측)에서 시스템으로 압입되는 방식으로 에너지 회수장치가 운용되고 있다.
이에 비하여, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 컨트롤 밸브 214의 유로가 에너지 회수장치의 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽에 교대로 연결되어 탈염모듈을 나오는 고압의 농축액(Q300)이 상기 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽(217, 218; A1측)에 교대로 유입되고, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)는 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽(217', 218'; A2측)에서 교대로 시스템(탈염모듈 215)에 압입되는 방식으로 에너지 회수장치가 운용되는 것으로, 고압의 농축액이 유입되는 에너지 회수장치의 공간과 농축액의 에너지를 회수한 염수가 시스템으로 압입되는 에너지 회수장치의 공간이 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치와 크게 다르다.
본 발명에 따른 역삼투법 탈염장치에서의 에너지 회수장치의 운용방식은 「피스톤에 가해지는 힘(F) ∝ 피스톤에 작용하는 압력(P) × 피스톤의 단면적(A)」의 원리를 이용한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 고압의 농축액이 상대적으로 큰 단면적을 가진 피스톤의 A1측을 가압함으로써(종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 고압의 농축액이 상대적으로 작은 단면적을 가진 피스톤의 A2측을 가압하고 있음; 도 2 참조), 시스템으로 압입되는 염수에 대하여 보다 큰 가압력을 발생시켜 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 필요하였던 높은 작업압력의 염수공급펌프(1)의 도움없이 염수를 시스템으로 압입될 수 있도록 하는 점에 주안점을 두고 있다.
종래기술(도 2)에 따른 역삼투법 탈염장치에서의 에너지 회수수단의 운용방식은 유량 관계식 Q10 = Q30(A1/A2), 압력 관계식 P10 + △P ＜ P30(A2/A1) + PS에 의해 높은 작업압력과 높은 작업유량 조건을 갖춘 염수공급펌프(1)가 필요함은 앞서 설명한 바와 같다.
이에 대하여, 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 고압의 농축액(Q300)이 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽 217, 218에 공급되고, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)는 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽 217', 218'에서 시스템으로 압입되므로 아래의 [수학식 6]의 유량 관계식과 [수학식 7]의 압력 관계식이 성립하여, 앞서 도 2의 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 성립하였던 유량 관계식 Q10 = Q30(A1/A2), 압력 관계식 P10 + △P ＜ P30(A2/A1) + PS 와 비교하여 보면, 본 발명에 따른 역삼투법 탈염장치와 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치는 유량이나 압력 관계식에서 A1, A2 간의 상대적 비율이 서로 역수의 관계에 있고, 특히 압력 관계식에서 본 발명에 따른 역삼투법 탈염장치는 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 필요로 하였던 높은 작업압력(PS)의 염수공급펌프 1을 비교적 저압인 염수 전처리부 202의 공정압력(PP1)으로 대체할 수 있음을 알 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2013009140-appb-M000006
수학식 7
Figure PCTKR2013009140-appb-M000007
[여기서, P100 은 고압펌프 225의 작업압력, △P는 피스톤의 미끄럼 마찰을 포함한 시스템의 압력강하, P300은 탈염모듈을 나오는 농축액의 압력, PP1은 염수 전처리부의 작업압력(통상 3 bar 정도임)을 각각 나타냄]
본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에 대하여 앞서 도 2의 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 적용하였던 에너지 회수장치의 시판품에 대한 A2/A1의 실측값 0.89와, R = 0.3, P100 = 50 bar, P300 = 49 bar, △P = 7 bar를 그대로 각각 상기 [수학식 6], [수학식 7]에 대입해 보면, Q100 = 0.89Q300, PP1 > 1.94 bar로 산정되어(종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 Q10 = 1.12Q30, PS > 13.4 bar로 산정되었음), 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치에서는 에너지 회수장치에 유입되는 농축액의 유량(Q300)에 대하여 시스템에 압입되는 염수의 유량(Q100)의 상대적인 양적증가가 일어나지 않으며, 종래기술에 따른 역삼투법 탈염장치에서 필요로 하였던 높은 작업압력(13.4 bar 이상)의 염수공급펌프 1 없이 염수 전처리부 202의 공정압력(3 bar)을 그대로 이용해도 시스템을 가동할 수 있을 정도로 종래기술에 비하여 시스템에 전달되는 염수의 압력증가 효과가 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 역삼투법 탈염장치는 에너지 회수수단에 염수를 공급하기 위한 염수공급펌프 없이도 시스템의 운영이 가능하여 설비 전체를 조밀하게 축소할 수 있고, 시스템의 배열을 조정하여 회수율을 변화시킬 때도 에너지 회수수단에 염수를 공급하기 위한 염수공급펌프에 대한 고려없이 시스템의 설계가 용이한 효과를 가진다.
본 발명의 일실시예에 따른 탈염장치는 컨트롤 밸브 214의 작동상태에 따라 2개의 작업조건을 가진다.
즉, 도 6에 나타낸 컨트롤 밸브 214의 작동상태(작동상태 1)에서는 전처리부 202에서 전처리된 염수(Q100)가 전처리부 202의 작업압력(3 bar)에 의하여 체크밸브 213을 통해 실린더 207의 샤프트 있는 쪽 218'에 유입되고, 탈염모듈 215로부터 고압의 농축액(Q300)이 컨트롤 밸브 214를 통해 실린더 206의 샤프트 없는 쪽 217에 유입되어 피스톤 203, 204를 오른쪽으로 가압·이동시키면, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 같은 실린더 206의 샤프트 있는 쪽 217'에서 체크밸브 210을 통해 고압라인 220 쪽으로 압입되어 고압펌프 225를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류되어 역삼투막 216을 포함하는 탈염모듈 215로 보내어진다. 동시에 지난 작동상태에서 에너지 회수에 이용된 농축액은 실린더 207의 샤프트 없는 쪽 218에서 나와 농축액 수집기 226으로 배출된다.
한편, 탈염모듈 215에 압입된 염수(QW+Q100)는 역삼투막 216을 투과하여 탈염처리된 생산물(Q200)로서 얻어지고, 역삼투막 216을 투과하지 못하고 탈염모듈 215를 나오는 탈염농축액(Q300)은 상기 탈염모듈 215에 들어가는 염수(QW+Q100)의 압력과 거의 대등한 압력을 보유한 채로 컨트롤 밸브 214를 통해 실린더 206의 샤프트 없는 쪽 217에 유입되어 피스톤 203, 204를 더욱 오른쪽으로 이동시켜 같은 실린더 206의 샤프트 있는 쪽 217'로부터 염수를 고압라인 220에 압입시키는 에너지원으로서 활용된다(즉, 탈염농축액의 에너지가 염수에 회수된다).
컨트롤 밸브 214의 작동상태 1에서 피스톤 203, 204가 그 이동거리의 마지막 지점에 도달하여 피스톤 203이 중앙 블록 209에 인접하면 컨트롤 밸브 214의 작동상태가 스위칭되어 컨트롤 밸브 214가 도 7의 작동상태 2로 변경된다.
상기 컨트롤 밸브 214의 작동상태가 스위칭되는 방법으로는 후술하는 바와 같이 전기적으로 타이머에 의하여 작동하는 솔레노이드 밸브를 이용하거나 샤프트 205의 홈을 이용하는 방법이 있다(도 10 내지 도 13 참조).
도 7에 나타낸 컨트롤 밸브 214의 작동상태 2에서는 전처리부 202에서 전처리된 염수(Q100)가 전처리부 202의 작업압력(3 bar)에 의하여 체크밸브 212를 통해 실린더 206의 샤프트 있는 쪽 217'에 유입되고, 탈염모듈 215로부터 고압의 농축액(Q300)이 컨트롤 밸브 214를 통해 실린더 207의 샤프트 없는 쪽 218에 유입되어 피스톤 203, 204를 왼쪽으로 가압·이동시키면, 농축액의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 같은 실린더 207의 샤프트 있는 쪽 218'에서 체크밸브 211을 통해 고압라인 220 쪽으로 압입되어 고압펌프 225를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류되어 역삼투막 216을 포함하는 탈염모듈 215로 보내어진다. 동시에 지난 작동상태에서 에너지 회수에 이용된 농축액은 실린더 206의 샤프트 없는 쪽 217에서 나와 농축액 수집기 226으로 배출된다.
작동상태 1과 마찬가지고 탈염모듈 215에 압입된 염수(QW+Q100)는 역삼투막 216을 투과하여 탈염처리된 생산물(Q200)로서 얻어지고, 역삼투막 216을 투과하지 못하고 탈염모듈 215를 나오는 탈염농축액(Q300)은 상기 탈염모듈 215에 들어가는 염수(QW+Q100)의 압력과 거의 대등한 압력을 보유한 채로 컨트롤 밸브 214를 통해 실린더 207의 샤프트 없는 쪽 218에 유입되어 피스톤 203, 204를 더욱 왼쪽으로 이동시켜 같은 실린더 207의 샤프트 있는 쪽 218'로부터 염수를 고압라인 220에 압입시키는 에너지원으로서 활용된다.
컨트롤 밸브 214의 작동상태 2에서 피스톤 203, 204가 그 이동거리의 마지막 지점에 도달하여 피스톤 204가 중앙 블록 209에 인접하면 컨트롤 밸브 214의 작동상태가 스위칭되어 컨트롤 밸브 214가 다시 도 6의 작동상태 1로 변경되면서 작업 사이클이 반복된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 역삼투법 탈염장치의 컨트롤 밸브 214에 대한 분해사시도이고, 도 9a, 도 9b, 도 9c는 각각 도 8의 컨트롤 밸브 214에 대한 평면도, 정면도, 측면도이며, 도 9d는 도 9b의 컨트롤 밸브 214에 대한 B-B 절단면도이다.
본 발명의 일실시예에 따른 컨트롤 밸브 214는 크게 연결구를 가진 덮개 301, 왕복 이동자의 이동을 제한하는 왼쪽 측벽 302와 오른쪽 측벽 305, 몸체 블록 303, 왕복 이동자 304, 왕복이동 추종자 306, 연결구를 가진 바닥판 307을 포함하여 이루어진다.
바닥판 307의 양쪽 가장자리에는 농축액 방출구 312, 313이 형성되고, 중앙부에는 에너지 회수수단(실린더 블록 208)의 실린더 206의 샤프트 없는 쪽에 연결되는 홀(hole) 314, 실린더 207의 샤프트 없는 쪽에 연결되는 홀(hole) 316과, 농축액 수집기 226에 연결되는 홀(hole) 315가 각각 형성된다.
도 10, 도 11은 각각 도 9a의 컨트롤 밸브 214에 대한 A-A 절단면도로서 컨트롤 밸브의 2가지 작동방법 중의 하나인 솔레노이드 밸브 S를 구비한 컨트롤 밸브 214의 작동상태를 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여 나타낸 도면이다.
도 10에 의하여 컨트롤 밸브 214의 작동상태 1을 설명하면 다음과 같다.
즉, 탈염모듈 215로부터 농축액(P300, Q300)이 컨트롤 밸브 214의 왕복이동자 304에 형성된 농축액 통과홀 308, 309를 통하여 컨트롤 밸브 214의 챔버 310과 챔버 311(도 11 참조)에 동시에 유입되어 왕복 이동자 304를 챔버 310과 311에서 동시에 가압(P300)함으로써 왕복 이동자 304를 좌·우 압력평형 상태로 고정시킨다.
곧 이어, 상기 2개의 챔버 중 챔버 311을 가압하던 농축액이 타이머 T와 연결된 솔레노이드 밸브 S에 의하여 농축액 방출구 313을 통해 방출됨으로써 왕복 이동자 304의 압력평형 상태가 깨어져 왕복 이동자 304가 챔버 311의 오른쪽 측벽 305로 이동하게 되고, 이에 따라 왕복이동 추종자 306도 왕복 이동자 304와 함께 오른쪽으로 이동하게 된다.
왕복이동 추종자 306이 오른쪽으로 이동함에 따라 왕복이동 추종자 306으로부터 개방되는 바닥판 307의 홀(hole) 314를 통해 컨트롤 밸브의 주된 흐름(main flow)인 농축액(P300, Q300)이 실린더 206의 샤프트 없는 쪽(217)에 유입되고, 왕복이동 추종자 306에 의해 둘러 싸이게 되는 바닥판 307의 홀(hole) 315, 316을 통해 에너지 회수에 이용된 농축액이 실린더 207의 샤프트 없는 쪽(218)에서 유출되어 농축액 수집기 226에 수집된다.
이어서, 컨트롤 밸브 214의 작동상태 2를 도 11에 의하여 설명하면 다음과 같다.
상기 작동상태 1에서 농축액 수집이 끝나면 상기 2개의 챔버 중 챔버 310을 가압하던 농축액이 다시 타이머 T의 작동으로 솔레노이드 밸브 S에 의하여 방출구 312를 통해 방출됨으로써 왕복 이동자 304가 챔버 310의 왼쪽 측벽 302로 이동하게 되고, 이에 따라 왕복이동 추종자 306도 왕복 이동자 304와 함께 왼쪽으로 이동하게 된다.
왕복이동 추종자 306이 왼쪽으로 이동함에 따라 이번에는 왕복이동 추종자 306으로부터 개방되는 바닥판 307의 홀(hole) 316을 통해 농축액(P300, Q300)이 실린더 207의 샤프트 없는 쪽(218)에 유입되고, 왕복이동 추종자 306이 왼쪽으로 이동함에 따라 왕복이동 추종자 306에 의해 둘러 싸이게 되는 바닥판 307의 홀(hole) 314, 315을 통해 에너지 회수에 이용된 농축액이 실린더 206의 샤프트 없는 쪽(217)에서 유출되어 농축액 수집기 226에 수집된다.
작동상태 2에서의 농축액 수집이 끝나면 다시 작동상태 1로 변환되어 작업이 반복된다.
도 12, 도 13은 컨트롤 밸브 214의 2가지 작동방법 중 다른 하나에 대한 것으로서 그 관련장치의 내부유로를 작동상태 1, 작동상태 2로 구분하여 나타낸 도면이다.
도 12, 도 13의 컨트롤 밸브(214)도 상기 도 10, 도 11의 컨트롤 밸브(214)처럼 탈염모듈을 나오는 농축액의 압력(P300)이 상기 컨트롤 밸브의 양쪽 챔버에 동시에 가해지고, 그 중 한쪽 챔버의 농축액이 방출되어 압력이 해제됨으로써 작동되는 것으로서, 도 12, 도 13의 컨트롤 밸브(214)의 작동방법은 상기 농축액의 방출이 실린더 블록 208의 중앙 블록 209에 형성된 통과관로 401, 402, 403과 샤프트 205에 형성된 홈(groove) 404의 조합에 의하여 일어나는 점에서 솔레노이드 밸브에 의하여 농축액의 방출이 일어나는 도 10, 도 11의 컨트롤 밸브(214)의 작동방법과구분된다.
도 12에 의하여 컨트롤 밸브 214의 작동상태 1을 설명하면 다음과 같다.
피스톤 203, 204가 행정(行程)의 왼쪽 끝부분에 이르렀을 때 중앙 블록 209에 형성된 통과관로 401, 403과 샤프트 205에 형성된 홈 404 사이에 형성되는 유로를 통하여 탈염모듈 215로부터의 농축액(P300, Q300) 유로가 컨트롤 밸브 214와 연결되어 컨트롤 밸브 214가 농축액의 압력(P300)에 의하여 도 12와 같이 작동하고, 컨트롤 밸브 214의 작동에 맞추어 농축액(P300, Q300)이 실린더 206의 샤프트 없는 쪽에 유입됨과 동시에 에너지 회수된 농축액은 실린더 207의 샤프트 없는 쪽에서 유출되어 농축액 수집기 226에 수집된다.
이어서, 컨트롤 밸브 214의 작동상태 2를 도 13에 의하여 설명하면 다음과 같다.
상기 작동상태 1에서 농축액 수집이 끝나고 이번에는 피스톤 203, 204가 행정(行程)의 오른쪽 끝부분에 이르렀을 때 중앙 블록 209에 형성된 통과관로 402, 403과 샤프트 205에 형성된 홈 404 사이에 형성되는 유로를 통하여 탈염모듈 215로부터의 농축액(P300, Q300) 유로가 컨트롤 밸브 214와 다시 연결되어 컨트롤 밸브 214가 농축액의 압력(P300)에 의하여 도 13과 같이 작동하고, 컨트롤 밸브 124의 작동에 맞추어 이번에는 농축액(P300, Q300)이 실린더 207의 샤프트 없는 쪽에 유입되고 동시에 에너지 회수된 농축액은 실린더 206의 샤프트 없는 쪽에서 유출되어 농축액 수집기 226에 수집된다.
작동상태 2에서의 농축액 수집이 끝나면 다시 작동상태 1로 변환되어 작업이 반복된다

Claims (8)

  1. 하나 이상의 역삼투막 216을 구비하는 하나 이상의 용기로 이루어진 탈염모듈 215와;
    상기 탈염모듈 215에 역삼투압을 제공하기 위한 고압펌프 225와;
    상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액(Q300)의 에너지를 회수하기 위한 에너지 회수장치로서, 중앙블록 209에 의해 서로 분리되는 2개의 실린더 206, 207에 왕복활주 가능하게 수용되고 상기 중앙블록 209을 통하여 뻗어있는 샤프트 205에 의해 서로 연결되는 2개의 피스톤 203, 204를 가지는 실린더 블록 208과;
    상기 탈염모듈 215를 상기 2개의 실린더 206, 207에 교대로 연결시켜 주는 컨트롤 밸브 214와;
    탈염처리될 염수 201의 전처리부 202를 포함하여 이루어지는 역삼투법 탈염장치에 있어서;
    상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액(Q300)이 상기 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽에 교대로 유입되고, 상기 전처리부 202를 나오는 탈염처리될 염수(Q100)가 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에 교대로 유입되어, 농축액(Q300)의 에너지를 회수한 염수(Q100)가 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에서 교대로 고압라인 220 쪽으로 압입되도록 함으로써,
    상기 전처리부 202를 나오는 탈염처리될 염수(Q100)가 다른 가압수단의 도움없이 농축액(Q300)의 에너지를 회수하는 것만으로 승압되어 상기 고압펌프 225를 나오는 고압의 탈염처리될 염수(QW)에 합류될 수 있는 것임을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    염수공급펌프 없이 염수 전처리부 202의 작업압력을 그대로 이용해도 탈염처리될 염수(Q100)를 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에 교대로 공급하여 시스템을 가동할 수 있는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 탈염모듈 215를 나와 상기 실린더 206, 207의 샤프트 없는 쪽에 교대로 유입되는 농축액의 유량(Q300)에 대하여 상기 실린더 206, 207의 샤프트 있는 쪽에서 시스템에 압입되는 염수의 유량(Q100)의 상대적인 양적증가가 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브 214는 2가지의 작동상태를 가지며, 작동상태 1에서 농축액 수집기 226을 상기 2개의 실린더 206, 207 중 어느 하나의 실린더에 연결시켰으면, 작동상태 2에서는 상기 어느 하나의 실린더에 상기 탈염모듈 215를 연결시키기 위하여 구성되고 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브 214는 상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액의 압력(P300)에 의하여 작동되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 컨트롤 밸브 214는, 상기 탈염모듈 215를 나오는 농축액의 압력이 상기 컨트롤 밸브 214의 양쪽 챔버 310, 311에 동시에 가압되고, 그 중 한쪽 챔버의 농축액의 압력이 해제됨으로써 작동되는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 압력의 해제가 솔레노이드 밸브 S의 작동에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 압력의 해제가 중앙 블록 209의 관로 401, 402, 403과, 샤프트 205의 홈(groove) 404의 조합에 의해 형성되는 유로를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 회수방식이 개선된 역삼투법 탈염장치.
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