(57)【要約】【課題】高い効率で逆浸透膜カートリッジから排出された高圧濃縮水が有するエネルギーを回収でき、膜分離装置の全体の消費電力量を最適に、且つ要求された希薄水の流量を、適切な水質を確保しつつ最適な制御で安定して供給できる膜分離装置及びその運転方法を提供すること。【解決手段】容積形エネルギー回収装置５を用い、容積形エネルギー回収装置５で加圧された原水を高圧ライン１０を流れる高圧原水に合流させる供給海水バイパスライン１５と、ブースタポンプ６と、温度センサ４３と、供給原水流量を制御する制御装置７を設け、制御装置７は、温度センサ４３で検出された原水の温度、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、高圧ポンプ３及びブースタポンプ６の性能曲線の関係を用いて設定流量値の希薄水流量Ｑ1が得られるように逆浸透膜カートリッジ４に供給する原水流量を制御する。【選択図】図１
2010063976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、
前記エネルギー回収手段として前記逆浸透膜カートリッジより排出される濃縮水を導入し、前記供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、
前記容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパスラインと、
前記バイパスラインの途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、
前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水の温度を検出する原水温度センサと、
前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段を設け、
前記原水流量制御手段は、前記原水温度センサで検出された原水の温度、前記逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、前記高圧ポンプ及びブースタポンプの性能曲線の関係を用いて設定された所定の希薄水流量が得られるように前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の膜分離装置において、
前記設定された所定の希薄水流量は、該希薄水の適切な水質を確保しつつ、前記逆浸透膜の希薄水流量曲線上の最適な流量であることを特徴とする膜分離装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の膜分離装置において、
前記原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の膜分離装置において、
前記高圧ライン、前記バイパスライン、前記逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、前記濃縮ラインから前記容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、
前記原水流量制御手段は、前記流量制御弁の少なくとも一つを制御して前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置。
【請求項５】
供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、前記逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、前記高圧ポンプで加圧された高圧原水を前記逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転方法において、
前記エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、
前記逆浸透膜カートリッジより排水する濃縮水を前記容積形エネルギー回収装置に導入し、前記供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水を前記ブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を前記高圧ポンプと前記逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させると共に、原水温度センサで検出された原水の温度、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、前記高圧ポンプ及びブースタポンプの性能曲線の関係を用いて設定された所定の希薄水流量が得られるように前記逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする膜分離装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、逆浸透膜カートリッジに海水等の原水を高圧ポンプで加圧して供給し、淡水等の希薄水を得る膜分離装置、及びその運転方法にある。
【背景技術】
【０００２】
上記膜分離装置を海水淡水化設備で説明すると、海水淡水化設備は主として、前処理装置、高圧ポンプ、逆浸透膜カートリッジから構成されている。取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられた後、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜カートリッジへと圧送される。逆浸透膜カートリッジ内の高圧海水の一部は逆浸透圧に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩分濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜カートリッジから濃縮海水（リジェクト）として排出される。海水淡水化設備における最大の運用コストである使用する電力の半分以上は、高圧ポンプによる海水の加圧に費やされる。従って、逆浸透膜カートリッジから排出された高塩分濃度の濃縮海水（リジェクト）が保有する圧力エネルギーを回収する方法が、特許文献１乃至３等で紹介されている。
【０００３】
上記特許文献１乃至３に示す膜分離装置では、エネルギー回収にペルトン水車を用い流量制御弁を介して逆浸透膜カートリッジからの濃縮海水（リジェクト）をペルトン水車に供給し、この水車の回転力で、高圧ポンプの回転力を助成するように構成されている。また、エネルギー回収に逆転ポンプを用いたものもある。このようにエネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いるものはエネルギー回収効率が低いという問題があった。
【０００４】
一方、容積形エネルギー回収装置（例えば、容積形のピストンポンプ）は、一般的にエネルギー回収効率が高く、エネルギー回収装置に容積形を用いているものもある。しかしながら、エネルギー回収装置に容積形を用いた既存のものは、エネルギー回収装置自体のエネルギー回収効率や動作のみに関しての着眼に基づくものであり、逆浸透膜の浸透圧特性を考慮した流量調整を行うものではなかった。
【特許文献１】特開昭５９−１８９９１０号公報
【特許文献２】特開昭５９−１９９００４号公報
【特許文献３】国際公開第１９８５／００１２２１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、エネルギー回収にペルトン水車や逆転ポンプを用いたときより、高い効率で逆浸透膜カートリッジから排出された高圧濃縮水が有するエネルギーを回収でき、膜分離装置の全体の消費電力量を最適に制御でき、要求された希薄水の流量を適切な水質を確保しつつ、最適な制御で安定して供給できる膜分離装置、膜分離装置の運転方法を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は、簡易かつ低価格で操作性のよい流量制御装置を備えた膜分離装置、膜分離装置の運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置において、エネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより排出される濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を用い、容積形エネルギー回収装置で加圧された原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させるバイパスラインと、バイパスラインの途中に設けられ該バイパス配管中を流れる原水を加圧するブースタポンプと、逆浸透膜カートリッジに供給される原水の温度を検出する原水温度センサと、逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御する原水流量制御手段を設け、原水流量制御手段は、原水温度センサで検出された原水の温度、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、高圧ポンプ及びブースタポンプの性能曲線の関係を用いて設定された所定の希薄水流量が得られるように逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【０００８】
上記のようにエネルギー回収手段として逆浸透膜カートリッジより濃縮水を導入し、供給される原水の一部を加圧する容積形エネルギー回収装置を採用し、原水流量制御手段は、原水温度センサで検出された原水の温度、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、高圧ポンプ及びブースタポンプの性能曲線の関係を用いて設定された所定の希薄水流量が得られるように逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御するので、逆浸透膜カートリッジから排出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収、即ち高圧ポンプが原水を加圧するエネルギーと容積形エネルギー回収装置が回収するエネルギーの差を最小にすることができる。
【０００９】
また、本発明は、上記膜分離装置において、設定された所定の希薄水流量は、希薄水流の適切な水質を確保しつつ、逆浸透膜の希薄水流量曲線上の最適な流量であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、上記膜分離装置において、原水流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、上記膜分離装置において、高圧ライン、バイパスライン、逆浸透膜カートリッジから吐出された濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導く濃縮ライン、該容積形エネルギー回収装置から濃縮水を排水する排水ライン、濃縮ラインから容積形エネルギー回収装置をバイパスして濃縮水を排水する濃縮水バイパスラインにそれぞれ流量制御弁を設け、原水流量制御手段は、前記流量制御弁の少なくとも一つを制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【００１２】
上記のように流量制御手段は、高圧ポンプ及び／又はブースタポンプの回転数を制御するか、又は高圧ライン、バイパスライン、濃縮ライン、排水ライン、濃縮水バイパスラインに設けた流量制御弁の少なくとも１つを制御して逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御するので、簡単な構成で逆浸透膜カートリッジから排出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収できる。
【００１３】
また、本発明は、供給された原水を加圧する高圧ポンプと、逆浸透膜カートリッジと、逆浸透膜カートリッジより濃縮水側下流に配置したエネルギー回収手段とを備え、高圧ポンプで加圧された高圧原水を逆浸透膜カートリッジに導入し、希薄水と濃縮水に分離する膜分離装置の運転方法において、エネルギー回収手段として容積形エネルギー回収装置を用いると共に、ブースタポンプを設け、逆浸透膜カートリッジより排水する濃縮水を容積形エネルギー回収装置に導入し、供給される原水の一部を加圧し、該加圧した原水をブースタポンプで加圧し、該加圧した原水を高圧ポンプと逆浸透膜カートリッジを接続する高圧ラインを流れる高圧原水に合流させると共に、原水温度センサで検出された原水の温度、逆浸透膜カートリッジの逆浸透膜の温度に対する膜特性、原水中の溶質濃度と逆浸透圧の関係、高圧ポンプ及びブースタポンプの性能曲線の関係を用いて設定された所定の希薄水流量が得られるように逆浸透膜カートリッジに供給される原水流量を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、下記のような優れた効果が期待できる。
・膜分離装置全体の所要電力が少なく、操作性のよい、簡易低価格の膜分離装置及び膜分離装置の運転方法を提供できる。
・要求された希薄水の流量を、適切な水質を確保しつつ、最適な制御で安定して供給することができる。
・逆浸透膜カートリッジから吐出された高圧濃縮水の圧力エネルギーを効果的に回収でき、即ち、高圧ポンプが原水を加圧するために使用したエネルギーとエネルギー回収手段が回収したエネルギーとの差が最小となるので、膜分離装置の運転に要する所要エネルギーが少なく、運用コストが安価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。膜分離装置として海水淡水化装置を例に説明する。図１は本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。図示するように本海水淡水化装置は、取水ポンプ１、前処理装置２、高圧ポンプ３、逆浸透膜カートリッジ４、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５、ブースタポンプ６、制御装置７を備えている。
【００１６】
取水ポンプ１により取水された海水１００は、前処理装置２により所定の水質条件に整えられた後、供給ライン９を通って電動モータ８により駆動される高圧ポンプ（ＨＰ）３に供給され、該高圧ポンプ（ＨＰ）３で加圧され、高圧ポンプ（ＨＰ）３と高圧ポンプ（ＨＰ）３を接続する接続管である高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する。逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１内の海水の一部は、逆浸透圧力に打ち勝って逆浸透膜４ａを通過し、溶質（塩分）が除去され、希薄水（脱塩水）１０２として取り出される。その他の海水は、溶質（塩分）濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜カートリッジ４から濃縮海水ライン１３へ排出される。
【００１７】
逆浸透膜カートリッジ４から排出された高圧の濃縮水である濃縮海水（リジェクト）１０３が保有する圧力エネルギーは容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に導入され、圧力エネルギーを失った濃縮海水（リジェクト）１０３は、エネルギーが回収された低圧濃縮海水（リジェクト）１０４として排水ライン１４を通って廃棄される。容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５としては、例えば後に詳述する容積形のピストンポンプ等が使用されており、該容積形のピストンポンプで供給ライン９の海水の一部がポンプアップされ、供給海水バイパスライン１５へと排出され、最終的には高圧ライン１０を通る高圧海水に合流する。
【００１８】
逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の制御弁や切替弁等における圧力損失、エネルギー回収チャンバーと内部ピストンとの間の漏れ損失等により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。そこで、供給海水バイパスライン１５中を通る海水と高圧ライン１０中を通る海水を合流させるために、供給海水バイパスライン１５の途中に電動モータ１６で駆動されるブースタポンプ６を設置し、上記圧力損失分だけ供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧する。このブースタポンプ（ＢＰ）６は、高圧ポンプ（ＨＰ）３に比べて小さい容量で供給海水バイパスライン１５中を通る海水を高圧ライン１０中を通る海水に合流させることができる圧力に昇圧できる。
【００１９】
制御装置７には、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出するポンプ吐出流量（供給海水流量）算出部２０、理想の希薄水流量を設定希薄水量ＱS1として設定する希薄水流量設定部２１、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定するＢＰ回転数選定部２２−１、及びブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線と高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を記憶する記憶部２３を備えている。なお、ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定としブースタポンプ６の回転数を制御して所定の希薄水流量Ｑ1を得る場合であるが、後に詳述するが図５及び図６に示すように、バルブ開度選定部２２−２、２２−３を設け、高圧ポンプ（ＨＰ）３及びブースタポンプ（ＢＰ）６の設定吐出流量に対してバルブの開閉度を制御する場合、図７に示すようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を一定とし、ＨＰ回転数選定部２２−４を用いて高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を制御する場合もある。
【００２０】
ポンプ吐出流量算出部２０には圧力センサ２６で検出した高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力Ｐ0-1と圧力センサ２７で検出したブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力Ｐ0-2、及び圧力センサ１９で検出された逆浸透膜カートリッジ４の高圧室１１側の圧力Ｐ2が入力されるようになっている。ポンプ吐出水流量算出部２０は逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの膜特性変化及び海水１００中の海水溶質（塩分）濃度等を考慮し、逆浸透膜カートリッジ４で処理する希薄水流量ＱIが希薄水流量設定部２１で設定された設定希薄水量ＱS1になるように、供給海水流量（ポンプ吐出流量）Ｑ0を算出する。即ち希薄水流量Ｑ1が設定希薄水流量ＱS1になるように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1とブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量Ｑ0-2を算出する。
【００２１】
ＢＰ回転数選定部２２−１は、記憶部２３に記憶されている高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線を参照して、ポンプ吐出流量算出部２０で算出したポンプ吐出流量Ｑ0（Ｑ0-1＋Ｑ0-2）が得られるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定する（ここでは高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1を所定の一定値としブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して所定のポンプ吐出流量Ｑ0を得る）。この選定された回転数はドライバ（ここではインバータ２４）を介して、電動モータ１６に送られ、ブースタポンプ（ＢＰ）６は選定された回転数で回転する。
【００２２】
なお、図１において、Ｐ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力、Ｑ0-1は高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量、Ｃ0-1は高圧ライン１０の供給海水の溶質（塩分）濃度、Ｐ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力、Ｑ0-2はブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、Ｃ0-2は供給海水バイパスライン１５の溶質（塩分）濃度、Ｐ1は逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力、Ｑ1は希薄水（脱塩水）流量、Ｃ1は希薄水の溶質（塩分）濃度を夫々示す。
【００２３】
図２は制御装置７の機能ブロック図であり、制御装置７は、ＤW−Ｔ機能部７−１、ΔＰ−Ｑ1機能部７−２、π−ＣM機能部７−３、Ｑ−Ｈ機能部７−４を備えている。ＤW−Ｔ機能部７−１は、図示するように縦軸にＤW／Ｔ（ＤWは逆浸透膜４ａの水の拡散係数）を横軸に供給海水の温度Ｔを示すデータを備えている。ΔＰ−Ｑ1機能部７−２は縦軸に逆浸透膜４ａの逆浸透圧πを越える圧力ΔＰを横軸に希薄水流量Ｑ1を示すデータを備えている。π−ＣM機能部７−３は縦軸に浸透圧πを横軸に海水溶質（塩分）濃度ＣMを示すデータを備えている。Ｑ−Ｈ機能部７−４は縦軸に高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）の合成水頭圧Ｈを横軸に吐出流量Ｑを示すデータ（Ｑ−Ｈ曲線）を備えている。
【００２４】
次に、図２の機能ブロック図に基づいて制御装置７の作用を説明する。ＤW−Ｔ機能部７−１はＴとＤW／Ｔの関係式曲線５５から温度センサ４３で検出した供給海水の温度ＴよりＤW／Ｔを算出しており、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの種類により定まる係数Ｋは下式から求まる。
Ｋ＝Ｋ0（ＤW／Ｔ）
（但し、Ｋ0は逆浸透膜４ａの種類で定まる既知の定数、ＤWは水の拡散係数）
ここで、設定変更前の吐出圧力（供給海水圧力）Ｐ0が仮設定されている。
また、π−ＣM機能部７−３は、上記のように縦軸に浸透圧πを横軸に海水溶質（塩分）濃度ＣMを示しており、曲線５４は海水溶質（塩分）濃度ＣMと浸透圧πの関係を示す。曲線５４の関係から海水溶質（塩分）濃度ＣMが求まれば、供給海水の海水浸透圧πMが求まる。
【００２５】
また、逆浸透膜カートリッジ４の供給側の海水溶質（塩分）濃度ＣMは、近似的にＣM≒（Ｃ0＋Ｃ2）／２で定まる。海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は回収率Ｑ1／Ｑ0が著しく変化しない限り、上記近似式でよい。従って、逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の海水溶質（塩分）濃度Ｃ0、濃縮海水溶質（塩分）濃度Ｃ2は特に装置の通常運転中は定数とみなすことができる。
【００２６】
また、π−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４は縦軸が同スケールでしてあり、逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力ＰMは仮設定した吐出圧力Ｐ0から逆浸透膜カートリッジ４での供給側高圧ライン１０の海水の管路による損失ヘッドＰＬ１を減じたものである。逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側圧力Ｐ1は略一定であり、また希薄水の溶質（塩分）濃度Ｃ1は一定とみてよいから希薄水の浸透圧π1は一定としてよい。そこで逆浸透圧ΔＰは、
ΔＰ＝（ＰM−Ｐ1）−（πM−π1）
と算出される。（この関係はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４の間に取り出して示している）
【００２７】
ΔＰ−Ｑ1機能部７−２はπ−ＣM機能部７−３とＱ−Ｈ機能部７−４と縦軸のスケールを等しくしており、逆浸透膜カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1は、直線５６で示される下記式で求まる。
Ｑ1＝ＡMＫΔＰ                                                  （１）
（但し、ＡMは逆浸透膜４ａの面積、ΔＰは逆浸透膜カートリッジ４に供給される海水の浸透圧πMを越える逆浸透膜４ａ近傍の圧力である）
【００２８】
制御装置７のＱ−Ｈ機能部７−４は、縦軸に圧力Ｈを横軸に流量Ｑを示したものであり、ポンプのＱ−Ｈ曲線（図３に詳細を示すように、合成Ｑ−Ｈ曲線５３、５３’は高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線を、曲線５１は高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を、曲線５２、曲線５２’はブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線）と、逆浸透膜カートリッジ４への吐出圧力Ｐ0に対応する逆浸透圧カートリッジ４の希薄水流量Ｑ1の曲線５７を同スケールで示した図となっている。
【００２９】
制御装置７で逆浸透膜カートリッジ４に供給する供給海水流量Ｑ0を制御する制御処理手順を説明する。ここでは、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を一定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量を制御する処理手順である。
【００３０】
（ステップＳＴ１）
先ず、理想の希薄水流量Ｑ1（＝ＱS1）を希薄水流量設定部２１から設定する。
【００３１】
（ステップＳＴ２）
次に、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎが仮定される。図３はＱ−Ｈ機能部７−４の詳細を示す図である。ここでは、逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水の流量制御を高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定とし、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変えることで行う場合のＱ−Ｈ曲線を示している。図示するように、高圧ポンプ（ＨＰ）３の回転数を固定したＱ−Ｈ曲線５１に対して、ブースタポンプ（ＢＰ）６の（濃縮海水ライン１３側圧力を含めた）Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’に変えると高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成したＱ−Ｈ曲線は合成Ｑ−Ｈ曲線５３から合成Ｑ−Ｈ曲線５３’へと変化する。
【００３２】
（ステップＳＴ３）
上記式（１）により算出された希薄水流量Ｑ1をＱ1CALCとする。
【００３３】
（ステップＳＴ４）
上記設定した設定希薄水流量ＱS1の値と上記算出した希薄水流量Ｑ1CALCとを比較する。そしてこの誤差が大きいときは上記ステップＳＴ２に戻りブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを再仮定してステップＳＴ２〜ＳＴ４をループとして繰り返し、希薄水流量Ｑ1と算出した希薄水流量Ｑ1CALCの誤差が小さくなるまで繰り返す。つまり、先にステップＳＴ２で仮定した吐出圧力Ｐ0で求まるＱ1CALCが、Ｑ1CALC−ＱS1＞０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0を小さくするように、Ｑ1CALC−ＱS1＜０になるときは、再仮定の吐出圧力Ｐ0の値が大きくなるようにブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数Ｎを変更し、Ｑ−Ｈ曲線を曲線５２から曲線５２’と変化することで全体のＱ−Ｈ曲線（合成Ｑ−Ｈ曲線）を曲線５３から曲線５３’にし、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において設定値ＱS1になるような値に持っていく。また、吐出圧力Ｐ0を曲線５７において希薄水流量の最大値Ｑ1maxになる吐出圧力値Ｐ01に持っていくことにより、希薄水流量を最大値Ｑ1maxにすることができる。
【００３４】
逆浸透膜カートリッジ４に供給する吐出圧力Ｐ0が曲線５７に対して上記設定した希薄水流量ＱS1になるようにするために、具体的な制御方法としてはＢＰ回転数選定部２２−１により、ブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を選定し、ドライバ２４（ここではインバータ）に出力する。ドライバ２４は電動モータ１６の回転数を制御してブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御し、回転数Ｎを変化させブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線が曲線５２から曲線５２’と変化することで、相対的に全体のＱ−Ｈ曲線も曲線５３から曲線５３’に変化する。
【００３５】
上記のように制御装置７は希薄水流量Ｑ1の値を設定すると供給海水の濃度と浸透圧の関係が定まっているため、高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の合成Ｑ−Ｈ曲線をブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を変更する事で任意に設定した希薄水の流量に合わせることができる。つまり高圧ポンプ（ＨＰ）３とブースタポンプ（ＢＰ）６の運転点と希薄水流量Ｑ1との関係は一義的に決定される。また、希薄水流量Ｑ1の設定値を逆浸透膜カートリッジ４（逆浸透膜４ａ）の曲線５７における希薄水流量の最大値Ｑ1max点に合せると、該最大値Ｑ1max点での希薄水流量が得られる。
【００３６】
図４は容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５の一例として、容積形のピストンポンプの構成例を示す図である。容積形のピストンポンプ３０は制御切替弁３１、切替弁３２、２個のエネルギー回収チャンバー３３、３４を備えている。制御切替弁３１の流入口には濃縮海水ライン１３が接続され、流出口には排水ライン１４が接続されている。また、切替弁３２の流入口には供給ライン９が接続され、流出口には供給海水バイパスライン１５が接続されている。
【００３７】
上記構成の容積形のピストンポンプ３０において、制御切替弁３１を図４（ａ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧の濃縮海水（リジェクト）１０３はエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｂの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３３の内に供給ライン９及び切替弁３２を通って供給されていた海水は、ピストン３３ａに押圧されて濃縮海水（リジェクト）１０３と同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方、供給海水バイパスに圧力エネルギーを伝達したエネルギー回収チャンバー３４には、供給ライン９の海水が切替弁３２を通って流入し、ピストン３４ａを矢印Ｃの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失した低圧濃縮海水（リジェクト）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００３８】
制御切替弁３１を図４（ｂ）に示すように切り替えると、濃縮海水ライン１３からの高圧の濃縮海水（リジェクト）１０３はエネルギー回収チャンバー３４に流入し、ピストン３４ａを矢印Ｆの方向に押圧移動させると共に、該エネルギー回収チャンバー３４の内の海水は、ピストン３４ａに押圧されて濃縮海水（リジェクト）１０３と同じ圧力に加圧され切替弁３２を通って、供給海水バイパスライン１５に吐出される。一方供給ライン９の海水は切替弁３２を通ってエネルギー回収チャンバー３３に流入し、ピストン３３ａを矢印Ｅの方向に押圧移動させると共に、圧力の消失した低圧濃縮海水（リジェクト）１０４は排水ライン１４に吐出される。
【００３９】
上記のように、逆浸透膜カートリッジ４や濃縮海水ライン１３の圧力損失、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５である容積形のピストンポンプ３０の制御切替弁３１や切替弁３２等における圧力損失により、供給海水バイパスライン１５中の海水の圧力は高圧ライン１０を通って逆浸透膜カートリッジ４に流入する海水の圧力より低い。ブースタポンプ６は供給海水バイパスライン１５中の海水を加圧してこの圧力損失を補償し、高圧ライン１０中の海水と合流させるために設けられている。従って、ブースタポンプ６は高圧ポンプ３より小さい容量のポンプで済む。
【００４０】
上記構成の海水淡水化装置において、逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの脱塩率は、膜特性、即ち温度、圧力、透過流量から予測される。なお、上記例では、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５として、容積形のピストンポンプの例を示したが、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に限定されるものではなく、例えば特表２００４−５００５０２号公報に開示されている圧力交換装置でもよい。即ち、限られた空間内でエネルギー伝達をしている装置であれば、どのようなものでも良い。
【００４１】
上記実施形態例では、ドライバ（ここではインバータ）２４により、電動モータ１６の回転数、即ちブースタポンプ（ＢＰ）６の回転数を制御して供給圧力を調整する場合を示したが、図５に示すように、制御装置７にＢＰ回転数選定部２２−１に替え、バルブ開度選定部２２−２を設け、該バルブ開度選定部２２−２でドライバ２４を介して、設定した供給圧力に合わせるように、濃縮海水ライン１３に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ１、排水ライン１４に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ２、供給海水バイパスライン１５に設けた流量調整用のバルブ（流量制御弁）Ｖ３、及び高圧ライン１０に設けた流量調整用のバルブＶ（流量制御弁）４の開度を制御して、それぞれ流量を制御してもよい。
【００４２】
また、図６に示すように、バルブ開度選定部２２−３及び濃縮海水ライン１３中を流れる濃縮海水を容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５をバイパスして排水する濃縮水バイパスライン１７を設け、該バイパスライン１７に流量を調整するバルブ（流量制御弁）Ｖ５を設け、該バルブ開度選定部２２−３でドライバ２４を介して該バルブＶ５の開度を制御して容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５に流入する濃縮海水流量を制御するようにしてもよい。
【００４３】
更に、図７に示すように、ＨＰ回転数選定部２２−４を設け、該ＨＰ回転数選定部２２−４で高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量Ｑ0-1をドライバ（ここではインバータ）２４を介して高圧ポンプ（ＨＰ）３を駆動する電動モータ８の回転数を変更して、高圧ポンプ（ＨＰ）３から吐出される海水流量（逆浸透膜カートリッジ４に供給する海水流量）を制御してもよい。図８に示すように、ブースタポンプ（ＢＰ）６のＱ−Ｈ曲線５２に対して、高圧ポンプ（ＨＰ）３のＱ−Ｈ曲線を曲線５１から曲線５１’に変化させた場合、ブースタポンプ（ＢＰ）６と高圧ポンプ（ＨＰ）３の合成Ｑ−Ｈ曲線は曲線５３から曲線５３’となる。目標の希薄水流量（目標の脱塩水流量）Ｑ1の設定値ＱS1を逆浸透膜カートリッジ４の逆浸透膜４ａの曲線５７の希薄水の最大値Ｑ1MAXに合わせることにより、逆浸透膜カートリッジ４を逆浸透膜４ａの最大希薄水点で運転できる。
【００４４】
次に、上記膜分離装置において、希薄水１０２の適切な水質を確保しつつ、希薄水流量Ｑ1を逆浸透膜カートリッジの希薄水流量曲線上の最適な流量にすること（請求項２）について説明する。図２のＤW−Ｔ機能部７−１のＤW／ＴとＴの関係を示す曲線５５は、供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0によって微小に変化する。よって、希薄水１０２の水質を適切に保つには微小な曲線５５の変化を補償する必要がある。希薄水流量（脱塩水流量）Ｑ1と海水温度Ｔの関係は、Ｑ1＝ＡMＫΔＰ、Ｋ＝Ｋ0（ＤW／Ｔ）の関係式と、ＤW／ＴとＴの曲線５５の関係から求まる。つまり希薄水流量Ｑ1と海水温度Ｔとの関係も図９に示すように、略比例関係で示すことが可能とる。  
【００４５】
図９のｆ（ＤW／Ｔ）は供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0によって、図１０に示すように変化する。また、一方で、供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0が高いと図１１に示すように、相対的に希薄水の溶質（塩分）Ｃ1濃度も高くなってしまう。つまり水質が悪くなる。
【００４６】
そこで供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0をモニターすると共に、上記希薄水流量Ｑ1と海水温度Ｔとの関係図に供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0をパラメータとしたデータマップを予め制御装置７に記憶しておくことにより、供給する海水１００の温度Ｔに対しての希望の溶質（塩分）濃度Ｃ1を保った希薄水流量を提供できる。これを図１２を用いて説明すると、例えば供給する海水１００の溶質（塩分）濃度Ｃ0が高いため水質が悪い場合、水質を補償するために希薄水流量をＱ1からＱ1’へ移行する。これにより希望の溶質（塩分）濃度Ｃ1を保った希薄水を得ることができる。
【００４７】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。また、上記実施形態では容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５として容積形のピストンポンプ３０を説明したが、容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）５は容積形のピストンポンプに限定されるものではない。また、上記例では、膜分離装置として海水淡水化装置を例に説明したが、本発明に係る膜分離装置は膜海水淡水化装置に限定されるものではなく、例えば、井水や化石水等の各種原水を希薄水と濃縮水に分離するのに広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る海水淡水化装置の第１の態様を示す模式図である。
【図２】本発明に係る海水淡水化装置の制御装置の機能ブロック図である。
【図３】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【図４】容積形エネルギー回収装置として容積の形ピストンポンプの構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る海水淡水化装置の第２の態様を示す模式図である。
【図６】本発明に係る海水淡水化装置の第３の態様を示す模式図である。
【図７】本発明に係る海水淡水化装置の第４の態様を示す模式図である。
【図８】高圧ポンプ（ＨＰ）とブースタポンプ（ＢＰ）のＱ−Ｈ曲線を示す図である。
【図９】逆浸透膜の希薄水流量Ｑ1と供給海水温度Ｔの関係を示す図である。
【図１０】逆浸透膜の希薄水流量Ｑ1と供給海水温度Ｔの関係が供給する海水の溶質（塩分）濃度で変化する状態を示す図である。
【図１１】逆浸透膜の希薄水溶質（塩分）濃度Ｃ1と供給海水温度Ｔの関係が供給する海水の溶質（塩分）濃度で変化する状態を示す図である。
【図１２】希薄水の水質を確保するため希薄水流量Ｑ1をＱ1’に移行する逆浸透膜の希薄水流量Ｑ1と供給海水温度Ｔの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１      取水ポンプ
２      前処理装置
３      高圧ポンプ（ＨＰ）
４      逆浸透膜カートリッジ
４ａ    逆浸透膜
５      容積形エネルギー回収装置（ＥＲ）
６      ブースタポンプ（ＢＰ）
７      制御装置
７−１    ＤW−Ｔ機能部
７−２    ΔＰ−Ｑ1機能部
７−３    π−ＣM機能部
７−４    Ｑ−Ｈ機能部
８      電動モータ
９      供給ライン
１０    高圧ライン
１１    高圧室
１２    希薄水側
１３    濃縮海水ライン
１４    排水ライン
１５    供給海水バイパスライン
１６    電動モータ
１７    濃縮水バイパスライン
２０    ポンプ吐出流量（供給海水流量）算出部
２１    希薄水流量設定部
２２−１    ＢＰ回転数選定部
２２−２    バルブ開度選定部
２２−３    バルブ開度選定部
２２−４    ＨＰ回転数選定部
２３    記憶部
２４    ドライバ
２６，２７  圧力センサ
３０    容積形のピストンポンプ
３１    制御切替弁
３２    切替弁
３３，３４  エネルギー回収チャンバー
３３ａ，３４ａピストン
４３    温度センサ
Ｃ0      海水溶質（塩分）濃度
Ｃ1        希薄水の溶質（塩分）濃度
Ｃ2        濃縮海水溶質（塩分）濃度
ＣM        海水溶質（塩分）濃度
ＡM    逆浸透膜４ａの面積
ＤW    逆浸透膜４ａの水の拡散係数
Ｋ      逆浸透膜４ａの種類と温度により定まる係数
Ｐ0        吐出圧力（供給海水圧力）
Ｐ1        逆浸透膜カートリッジ４の希薄水側（脱塩水側）圧力
Ｐ2        逆浸透膜カートリッジ４の濃縮海水側圧力
ＰM        逆浸透膜カートリッジ４の供給側圧力
ΔＰ    逆浸透膜カートリッジ４に供給される浸透圧πMを越える逆浸透膜４ａ近傍の圧力
ＰL1    管路による損失ヘッド
Ｑ      吐出流量
Ｑ0        供給海水流量Ｑ0（ポンプ吐出流量），合成吐出流量
Ｑ1        希薄水流量（脱塩水流量）
Ｑ2        濃縮海水流量
Ｑ１MAX  最大の希薄水流量
Ｐ0-1    高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出圧力
Ｐ0-2    ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出圧力
Ｑ0-1    高圧ポンプ（ＨＰ）３の吐出流量
Ｑ0-2    ブースタポンプ（ＢＰ）６の吐出流量
πM    逆浸透膜４ａの浸透圧
π1    希薄水の浸透圧
Ｈ      合計水頭圧
Ｔ      海水温度
Ｖ１〜Ｖ５  バルブ（流量制御弁）
【図１】
2010063976.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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