混合能量回收系统的制作方法

背景技术：

1、反渗透(reverse osmosis, 缩写为ro)工艺使用一组膜元件，膜元件允许溶剂(例如水)穿过膜，但阻挡溶解的固体(例如盐)。ro用于微咸水和海水的脱盐，其中进料流束被膜分离成淡水流束(称为渗透液)，而其余部分作为浓缩盐水流束(称为浓缩液或盐水或废液)摈弃，浓缩盐水流束在略低于进入膜阵列的进料压力的压力下离开膜。本文的论述将集中于脱盐，但是它同样适用于使用膜的任何类型溶剂的所有分离工艺。

2、图1示出了一种ro系统，该ro系统包括微咸水或海水（微咸水或海水被称为进料）的源，所述源通过管道1连接到高压泵(high-pressure pump, 缩写为hpp) 2。hpp 2的排放物通过由控制阀3提供流量调节的管道4进入膜10。渗透液通过管道11离开。盐水通过管道16离开膜10到排液管6。控制阀8调节盐水流量。

3、膜中的渗透液产生的速率(称为通量率)由净驱动压力(net driving pressure,ndp)确定，净驱动压力(ndp)等于流体压力减去膜中进料的平均渗透压。渗透压由被溶解固体的浓度决定。当进料穿过膜长度时，它变得越来越浓缩，因此逐渐具有更高的渗透压和更低的ndp。因此，渗透液的产量沿着膜的长度减小。

4、所产生的渗透液的量除以进料量称为回收率。例如，如果从10 m3的进料中回收4m3的渗透液，回收率为40%。在海水反渗透(seawater reverse osmosis, swro)系统中，一组膜可以回收率高达约45%，同时维持可接受的能量消耗和渗透液质量。

5、如果期望更高的回收率，则使用图2中所描绘的现有技术膜布置。盐水通过管道5离开膜10并进入泵7，泵7升高压力以恢复npd，并且然后进入第二膜15。由于由泵7供应的增大的ndp，附加的渗透液通过管道12离开膜15，并被渗透液集管13收集。盐水通过管道16离开膜15到排液管6。控制阀8调节盐水流量。

6、能量回收装置(energy recovery devices, erd)常常用于回收离开最后一级的盐水流束中的液压能量。与本公开相关的erd是涡轮增压器和等压室。

7、涡轮增压器使用盐水液压能量来使另一股流束（典型地是进入膜级的进料）的压力增压。关于为高压脱盐设计的涡轮增压器，请参考图2.1。涡轮增压器26包括泵部段47和涡轮部段48，泵部段47具有进料入口32、进料出口33，涡轮部段48具有盐水入口34和盐水出口35。泵部段包括扩散器37，扩散器37用耐磨环42环绕泵叶轮36，并且与进料入口32和进料出口33流体连通。涡轮部段48包括喷嘴环或蜗壳39，喷嘴环或蜗壳39利用耐磨环43环绕叶轮38并且与盐水入口34和盐水出口35流体连通。泵和涡轮叶轮附接到轴40，轴40由轴承41支撑。在操作中，高压盐水进入盐水入口34，穿过喷嘴环39，在喷嘴环39处，高切向速度被赋予流体，然后进入叶轮38，并将扭矩赋予轴40。盐水通过盐水出口35离开。进料进入入口32，穿过叶轮36，叶轮36响应于由涡轮叶轮38生成的轴扭矩而旋转。现在具有高切向速度的进料进入扩散器37，扩散器37将速度转换为静态压力。进料通过出口33离开。

8、阀44可被打开以允许添加盐水流动到喷嘴环或蜗壳45，从而增大盐水流量或减小通过涡轮部段48的盐水流动阻力。图2.2示出了用于如前文中所描述的配备有盐水辅助喷嘴的涡轮增压器的典型工艺符号。

9、请参考图3。所描绘的系统类似于图2，添加了涡轮增压器21和26。来自hpp 2的进料进入涡轮增压器21的泵部段18，涡轮增压器21的泵部段18使进料的压力增压，然后进料穿过管道9到第一膜10。高压盐水通过管道5离开膜10进入涡轮增压器26的泵部段27，该泵部段27增大流束的压力，而压力增大的流束然后进入第二膜15。渗透液通过管道12离开膜15并由渗透液集管13收集。盐水通过管道16离开膜15到涡轮增压器26的涡轮部段28。液压能量被回收并用于为泵部段27提供动力。部分减压的盐水穿过管道29到涡轮增压器21的涡轮部段20以向泵部段18赋能。盐水通过管道17离开涡轮部段20到排液管6。

10、图3中所描绘的现有技术是当设计新设施时获得增大回收率的优选方法。增大ro系统的回收率能够增进系统的经济性能。然而，存在有数百种ro系统是回收率有限的单级系统。如果替换现有hpp和erd的成本被认为过于昂贵，则意味着为了更高的回收率，需要添加第二级，同时尽可能多地保留现有系统部件以降低改造的总成本。

11、等压室将进料流加压至等于盐水流，并以略低于进入的盐水流的压力而排放进料。因此，等压室起到高压泵的作用，其将进料流加压至等于盐水流。单独的高压泵将进料流加压至等于渗透液流。需要附加的泵来升高等压室的进料排放量，以补偿2至4巴的压力损失，从而与膜压力相匹配。

12、图4示出了等压室112，等压室112用于从高压盐水回收液压能量以给进料流束加压。等压室和它们如何起作用是本领域中公知的，并且在此不再详细公开。

13、等压室的固有液压特性包括：离开该单元的hp进料压力略低于hp盐水压力。此外，进入等压室的hp盐水的体积等于离开等压室的hp进料的量，不计泄漏。hp盐水压力始终高于hp进料压力是至关重要的。同样，从泵缸清除盐水的进料充注要求进料压力大于通向排液管的盐水压力。图4示出了在ro系统中使用等压室112能量回收装置和增压泵110的现有技术。等压室112通过管道16接受来自膜10的高压盐水，并通过管道17将低压下的盐水排放到排液管6。控制阀8调节盐水流量。进料通过管道150进入等压室112的速率与盐水流动通过管道16进入等压室112的速率相同。进料通过管道148离开等压室112，通过泵110到管道4。hpp 2和等压室112的组合的流动进入膜10。泵110典型地提供2至4巴的压力增压。

14、图5示出了使用等压室112的现有技术，等压室112从第二膜15接收盐水。此构造使用级间泵7来升高第一膜10与第二膜15之间的压力。如上文所指出，等压室112在比管道16中盐水压力低2至4巴的压力下通过管道148排放进料。典型地，第二膜15中的盐水压力比去往第一膜10的进料高约25巴。减去管路和第二膜15中损失的最大值4巴，得到管道148中的进料压力比膜10所需的高21巴。过大的压力必须由控制阀149引导或被浪费掉。这代表大量的能量损失，这些能量原本可以被回收用于有用的目的。

技术实现思路

1、一种系统被设计为从流体处理操作回收能量，该流体处理操作使用膜从进料流束移除杂质。能量回收装置，诸如涡轮增压器、等压室和多级泵用于回收能量。

1.一种流体处理系统，其包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，泵连接到进料出口，所述泵用于将来自进料出口的流体的压力增大到所述第一膜的操作所需的压力。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，进料泵操作性地连接到所述压力下的流体的源，所述进料泵提供所述第一膜的操作所需的压力的至少一部分。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述进料泵是具有第一级堆叠和第二级堆叠的多级泵，所述第一级堆叠具有入口端口和出口端口，所述入口端口操作性地连接到所述压力下的流体的源，所述出口端口操作性地连接到用于所述第二级堆叠的第一入口开口，用于所述第二级堆叠的第二入口开口操作性地连接到所述等压室的进料出口开口。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，马达用于驱动所述进料泵，变频驱动器连接到该用于驱动所述进料泵的马达以提供对供应到所述第一膜的入口的流体的压力的控制。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，马达用于操作与所述等压室的进料出口连接的泵，变频驱动器连接到该用于操作与所述等压室的进料出口连接的泵的马达以提供对供应到所述多级泵的第二入口开口的流体的压力的控制。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，第一流量计操作性地连接到所述第一膜的出口，第二流量计操作性地连接到所述第二膜的出口，第三流量计操作性地连接到所述等压室的排放开口，第四流量计操作性地连接到所述等压室的进料出口。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，控制器操作性地连接到所述第一流量计、第二流量计、第三流量计和第四流量计，连接到用于所述进料泵的变频驱动器以及用于与所述等压室的进料出口连接的泵的变频驱动器，所述控制器调节所述系统中的流率和压力以实现供应到用于所述第一膜和所述第二膜的入口的流体进料的期望压力。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，减压阀操作性地连接到所述等压室的进料出口，所述减压阀调节来自所述等压室的进料出口的流体的流量。

10.一种高压泵，其包括：

11.根据权利要求10所述的泵，其中，马达连接到所述可旋转轴。

12.根据权利要求11所述的泵，其中，变频驱动器操作性地连接到所述马达。

13.根据权利要求10所述的泵，其中，所述第一入口壳体中的入口端口连接到压力下的流体的源。

14.根据权利要求13所述的泵，其中，所述第二入口壳体的入口端口连接到压力下的流体的源。

15.一种流体处理系统，其包括：

16.根据权利要求15所述的系统，其中，马达用于驱动所述多级进料泵，变频驱动器连接到所述用于驱动所述多级进料泵的马达以提供对供应到所述第一膜的入口的流体的压力的控制。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，马达连接到所述第二能量回收涡轮增压器的涡轮部段，变频驱动器连接到所述连接到所述第二能量回收涡轮增压器的涡轮部段的马达以提供对供应到多级泵的第二入口开口的流体的压力的控制。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，第一流量计操作性地连接到所述第一膜的出口，第二流量计操作性地连接到所述第二膜的出口，第三流量计操作性地连接到所述第二能量回收涡轮增压器的涡轮部段的排放出口。

19.根据权利要求18所述的系统，其中，控制器操作性地连接到所述第一流量计、第二流量计和第三流量计，并且连接到用于所述连接到所述第二能量回收涡轮增压器的涡轮部段的马达的变频驱动器，所述控制器调节所述系统中的流率和压力以实现用于供应到用于所述第一膜和第二膜的入口的流体进料的期望压力。

20.根据权利要求15所述的系统，其中，减压阀操作性地连接到第二涡轮增压器的泵部段的进料出口，所述减压阀调节来自进料出口的流体的流量。