多段渗透辅助的反渗透系统和方法技术方案

本文公开了用于净化和浓缩液体进料流的系统和工艺。在该系统中，将从反渗透段的高压侧输出的浓缩液体用作被称为渗透辅助反渗透的构造中的反渗透段的低压侧的提取液。这降低了跨过膜的渗透压差，从而允许获得高溶质浓度，加速了液体的净化。通过以逆流布置布置多个渗透辅助反渗透段也可以获得降低的系统压力。与用于高浓度流的传统热工艺相比，降低了整体系统能耗。

Multi-stage osmosis-assisted reverse osmosis system and its application

Systems and processes for purifying and concentrating liquid feed streams are disclosed. In this system, concentrated liquids from the high-pressure side of the reverse osmosis section are used as extracts from the low-pressure side of the reverse osmosis section in a structure called osmosis-assisted reverse osmosis. This reduces the osmotic pressure difference across the membrane, thus allowing high solute concentration and accelerating liquid purification. Reduced system pressure can also be obtained by arranging multiple osmosis-assisted reverse osmosis sections in a countercurrent arrangement. Compared with the traditional thermal process for high concentration flow, the energy consumption of the whole system is reduced.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多段渗透辅助的反渗透系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求2016年6月6日提交的美国临时专利申请序列No.62/346,116和2017年3月7日提交的美国临时专利申请序列No.62/467,858的优先权。这些公开内容通过引用整体并入本文。
技术介绍
本公开涉及通过从液体进料流中除去各种溶质来净化液体进料流以获得净化的渗透物或输出流的系统和方法。特别地，预期这些方法可用于盐水的脱盐和卤水的浓缩。以逆流渗透辅助反渗透(OARO)布置来布置多个反渗透段，与传统的反渗透工艺相比，逆流渗透辅助反渗透布置允许使用降低的压力和整体更低的能量消耗。另外，该布置允许将这种系统应用于这样的流，该流被浓缩至超过反渗透通常实用的浓度。渗透膜是半渗透屏障，其允许较小分子(通常为溶剂分子，例如水)通过，同时阻止相对较大的分子或离子(例如溶解在溶剂中的溶质)的通过。渗透压通常与渗透膜两侧的液体之间的溶质浓度差有关。反渗透(“RO”)是向含有超过渗透压的较高溶质浓度的渗透膜一侧施加压力的工艺，其用于反向驱动渗透工艺，即驱动溶剂通过渗透膜至具有较低溶质浓度的一侧。RO适用于广泛的应用，特别是当需要从溶剂中除去盐和/或溶解的固体时，并且通常用于脱盐。为了实现增加的溶剂分离，必须施加更高的驱动压力。然而，由于许多可用的渗透膜的操作压力限制，增加驱动压力并不总是可行的。已经使用了其他方法，如蒸馏(例如，多级闪蒸、真空等)；机械蒸汽再压缩；热蒸汽再压缩；正渗透；和/或单级或多级蒸发器。与反渗透相比，这些方法通常都是相对能量密集的。其他方法依赖于使用多个段间泵，阀门，从膜的低压侧到高压侧的旁路，以及混合相似浓度的流的管道，以提高工艺效率。然而，实际上，这样的设置操作起来很复杂，尤其是在启动和工艺异常期间。仍然需要不太复杂的反渗透方法和系统，该方法和系统允许净化液体，但在降低的压力下操作和/或具有降低的整体系统能量消耗，并且可以与具有高溶质浓度和低溶质浓度的液体一起使用。
技术实现思路
本公开提出了满足这些需求的部分级联的逆流反渗透系统。本文的各种实施方案中公开了用于净化液流的系统和方法，其中以部分级联的逆流布置对反渗透段进行分段。与常规布置相比，本文公开的布置在具有类似的分离效率的情况下允许降低渗透压差，净化具有非常高的溶质浓度的溶液，以及在降低的压力下操作。本文公开了用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：(a)初始渗透辅助反渗透段，其具有高压侧和低压侧，该高压侧具有用于接收液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口，该低压侧具有用于接收来自高压侧出口的再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间渗透辅助反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，排出高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到低压侧入口的再循环流，以及排出低压侧出口的排出流；并且其中中间段接收来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，其具有：高压侧，具有用于接收净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口，以及输出渗透物的低压侧。在一些实施方案中，最终反渗透段的废料流与来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流合并并由中间区段接收。该系统还可以包括用于增加稀释流的压力的加压装置。在其他实施方案中，最终反渗透段的废料流与液体进料流合并，并由初始渗透辅助反渗透段接收。有时，该系统还包括减压设备，其中至少初始渗透辅助反渗透段的再循环流通过该减压设备，以降低再循环流的压力。此外，该系统还可以包括位于各个中间渗透辅助反渗透段的高压侧出口处的能量回收设备。在特定实施方案中，该系统还包括(i)进料泵，其用于对由初始渗透辅助反渗透段接收的液体进料流进行加压，(ii)一个或多个段间泵，其用于对由中间区段接收的稀释流进行加压，以及(iii)最终泵，其用于对由最终反渗透段接收的净化流进行加压。在特定实施方案中，中间区段具有第一中间渗透辅助反渗透段和第二中间渗透辅助反渗透段，第一中间渗透辅助反渗透段接收来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流，而第二中间渗透辅助反渗透段的高压侧接收第一中间反渗透段的排出流，净化流是第二中间渗透辅助反渗透段的排出流，并且最终反渗透段的废料流与第一中间渗透辅助反渗透段的排出流合并，并由第二中间渗透辅助反渗透段接收。有时，该系统还包括用于对液体进料流进行预处理的装置。预处理装置可包括电容去离子系统和正渗透系统中的至少一者。而且，该系统还可以包括超声处理系统。在一些实施方案中，初始渗透辅助反渗透段具有多个初始渗透辅助反渗透模块，其中各个初始渗透辅助反渗透模块的低压侧出口输出产出流，并且使产出流合并以形成稀释流。有时，对于各个初始渗透辅助反渗透模块，将高压侧出口排出的输出流分流，以形成供给到低压侧出口的再循环流。可以使再循环流通过阀门或能量回收设备，之后在将其再循环流进料到低压侧出口。在其他实施方案中，中间区段具有多个中间渗透辅助反渗透段或模块，其中各个中间渗透辅助反渗透段/模块的低压侧出口输出产出流，并且使产出流合并以形成净化流。有时，对于各个中间渗透反向段/模块，将高压侧出口排出的输出流分流，以形成供给到低压侧出口的再循环流。可以使再循环流通过阀门或能量回收设备，之后将其再循环流进料到低压侧出口。在一些其他实施方案中，初始渗透辅助反渗透段具有多个初始渗透辅助反渗透模块，其中各个初始渗透辅助反渗透模块的低压侧出口输出产出流，并且将各个产出流送至单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。换句话说，各个初始反渗透模块都具有专用的渗透物浓缩段。在其他实施方案中，中间区段具有多个中间渗透辅助反渗透段或模块，并且各个中间渗透辅助反渗透段/模块的低压侧出口输出产出流。将各个产出流送至单独的渗透物浓缩段，其输出浓缩物流和渗透物流。再次，换句话说，各个中间渗透辅助反渗透段/模块具有专用的渗透物浓缩段。该系统还可以包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段。压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液。压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液。高压浓缩物流是通过对(a)初始区段的浓缩物流和(b)中间区段的浓缩物流中的至少一者进行加压而产生的。所述高压稀释液可以供给产生高压浓缩物流的压力交换器，和/或供给能量回收设备。可以配置/操作压力延迟渗透段，使得流过高压侧和低压侧的流体是逆流或顺流的。还公开了用于净化液体进料流以获得渗透物的方法，包括：将液体进料流进料至如上所述的系统。最终反渗透段的废料流可以与来自初始渗透辅助反渗透段的稀释流合并并由中间区段接收。该方法还可以包括在将稀释流与废料流合并之前增加稀释流的压力。在一些实施方案中，稀释流的溶质浓度约等于合并之前废料流的溶质浓度。最大系统压力可小于300psig。在一些实施方案中，液体进料流的溶质浓度为约3重量％至约12重量％；初始反渗透段的浓缩物流具有约7重量％至约25重量％的较高溶质浓度。该系统的能量消耗可为每产生1立方米渗透物小于4.0kWh。在一些实施方案中，所述系统还包括用于对由初始渗透辅助反渗透段接收的液体进料流进行加压的进料泵，用于对由中间区段接收的稀释流进行加本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口；以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口；以及输出所述渗透物的低压侧。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.06 US 62/346,116;2017.03.07 US 62/467,8581.一种用于净化液体进料流以获得渗透物的系统，包括：(a)初始反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述液体进料流的高压侧入口和用于输出再循环流和浓缩物流的高压侧出口；以及低压侧，具有用于接收来自所述高压侧出口的所述再循环流的低压侧入口和用于输出稀释流的低压侧出口；(b)具有一个或多个串联布置的中间反渗透段的中间区段，其中各个中间段具有：具有高压侧入口和高压侧出口的高压侧，具有低压侧入口和低压侧出口的低压侧，离开所述高压侧出口的再循环流和浓缩物流，被送到所述低压侧入口的所述再循环流，以及离开所述低压侧出口的排出流；并且其中所述中间区段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流并输出净化流；和(c)最终反渗透段，具有：高压侧，具有用于接收所述净化流的高压侧入口和用于输出废料流的高压侧出口；以及输出所述渗透物的低压侧。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述最终反渗透段的所述废料流与来自所述初始反渗透段的所述稀释流合并并由所述中间区段接收，并且该系统还包括用于增加所述稀释流的压力的加压装置。3.根据权利要求1所述的系统，还包括(a)减压设备，其中至少所述初始反渗透段的再循环流通过该减压设备，以降低所述再循环流的压力；或者(b)能量回收设备，其位于各个中间反渗透段的高压侧出口处；或者(c)进料泵，其用于对由所述初始反渗透段接收的所述液体进料流进行加压；段间泵，其用于对由所述中间区段接收的所述稀释流进行加压；以及最终泵，其用于对由所述最终反渗透段接收的所述净化流进行加压。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述中间区段具有第一中间反渗透段和第二中间反渗透段，所述第一中间反渗透段接收来自所述初始反渗透段的所述稀释流，所述第二中间反渗透段的高压侧接收所述第一中间反渗透段的排出流，所述净化流是所述第二中间反渗透段的排出流；并且所述最终反渗透段的所述废料流与所述第一中间反渗透段的所述排出流合并，并由所述第二中间反渗透段接收。5.根据权利要求1所述的系统，还包括用于对在所述初始反渗透段上游的所述液体进料流进行预处理的装置，其中用于对所述液体进料流进行预处理的装置包括电容去离子系统或正渗透系统。6.根据权利要求1所述的系统，其中：(a)所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述稀释流；或者(b)所述初始反渗透段具有多个初始反渗透模块，并且各个初始反渗透模块的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。7.根据权利要求1所述的系统，其中：(a)所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，所述产出流合并以形成所述净化流；或者(b)所述中间区段具有多个中间反渗透段，并且各个中间反渗透段的低压侧出口输出产出流，各个产出流被送到单独的渗透物浓缩段，该渗透物浓缩段输出浓缩物流和渗透物流。8.根据权利要求1所述的系统，还包括具有高压侧和低压侧的压力延迟渗透段，其中所述压力延迟渗透段的高压侧接收高压浓缩物流并输出高压稀释液；其中所述压力延迟渗透段的低压侧接收稀释液并输出浓缩液；并且其中所述高压浓缩物流是通过对(a)初始区段的浓缩物流和(b)所述中间区段的浓缩物流中...

【专利技术属性】
技术研发人员：库尔特·布洛姆，理查德·彼得森，安·E·莱恩，斯瓦沃米尔·威内基，达尔文·阿格米多，
申请(专利权)人：巴特尔纪念研究所，
类型：发明
国别省市：美国,US