(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発再循環冷却水システムを作動するための装置であって、該システムは再循環水流、補給水源、補給水流、及びコントローラーを含み、
（ａ）コントローラーと連絡する監視用デバイスであって、該監視用デバイスは再循環水流、補給水流、及び／又は補給水源のアルカリ度を少なくとも測定するために作動可能であり、
（ｂ）前記コントローラーと連絡する伝達用デバイスであって、該伝達用デバイスは前記監視用デバイスからのアルカリ度を前記コントローラーに伝達するために作動可能であり、前記コントローラーは、測定されたアルカリ度が予め選択された基準に合致するかを決定するための命令を実行するために作動可能であり及びシステム内の任意のデバイスへの命令又はデータの伝達を開始するために操作可能であり、
（ｃ）前記コントローラーと連絡する受け取り用デバイスであって、該システム内の任意の構成成分又はデバイスから伝達された命令又はデータを受け取るために作動可能であり、
（ｄ）前記コントローラーと連絡するイオン交換デバイスであって、該イオン交換デバイスはイオン交換物質を含み、コントローラーからの受け取られた伝達された命令を介して前記補給水流を該イオン交換物質と接触させるために活性化されることができ、該イオン交換デバイスは特性のサブセットを調整するために作動可能であり、
（ｅ）再循環冷却水流の１つ以上の追加的濃度を調整するために作動可能である任意の追加的源、並びに
（ｆ）１つ以上の制御活動を活性化する任意の１つ以上の機構
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に蒸発再循環冷却水システムにおける腐食、スケール及び水の消費量を監視し並びに制御する方法に関わる。より具体的には、本発明は補給水流をイオン交換装置に接触させることを通じて、かかる特性を監視し及び制御する方法に関わる。本発明は自動化された方法に特に関係する。
【背景技術】
【０００２】
開放型再循環冷却水システムは、さまざまなプロセスから廃熱を除去するために広く用いられているプロセスである。完全に効率的な開放型再循環システムは、全補給水を気化冷却に利用し、ブローダウン流がないものであろう。現実には、このレベルの効率を達成するシステムはない。冷却塔から空気に取り込まれる水（ドリフト）による損失などの意図しないものであれ、漏れによるようなものであれ、水の損失は常に発生する。さらに、システムの構成成分のスケーリング及び／又は腐食を引き起こす溶存種の蓄積を制限するために必要な、塔からの制御されたブローダウンの除去も生じる。
【０００３】
スケーリング、腐食及び再循環水の微生物活性の有害な効果を低減するために化学的添加物がシステムに注入される。通常これらの添加物は再循環水の濃度を比較的一定に維持するために必要な割合で加えられる。必要な用量は、その再循環水の化学的、物理的、微生物的な環境により生成される条件に必要な処理の強度により決定される。この目的を達成するため、一般的に添加の速度は再循環システム内で消費され及びブローダウン流により流出して低下する添加物量を補うように制御される。したがって、ブローダウン流の流量の削減は必要用量を維持するのに必要な処理用化学物質の注入速度を減少させる。
【０００４】
補給水から溶存種を除去するための水処理プロセスの使用は公知であり文献に記載されている。これらのプロセスは、それぞれが異なった特性の水を精製する、ろ過、沈殿、並びに膜及びイオン交換法を含むさまざまな範囲の公知の方法を包含する。しかしながら、補給水から全ての溶存種を除去することは必要ではないし、さらには望まれない。さまざまな潜在的スケーリング無機物の溶解度は大幅に異なり、いくつかの溶存種は腐食阻害に寄与する。完全に精製された水は腐食性であり取り扱いが困難である。理想的な前処理プロセスは、問題のある成分を除去若しくは削減し及び望ましい成分を維持又は増大させるものであろう。
【０００５】
水の成分の観点から、補給水の前処理が行われる冷却塔システムは３つの条件のゾーンから成る：（ｉ）前処理装置に先立つ原水、（ｉｉ）濃縮された塔の水との調合に先立つ処理済補給水、及び（ｉｉｉ）調合され濃縮された塔の水である。前記原水は源水の組成を有し、前記処理済補給水は前処理プロセスの特性により決定される組成を有し、及び調合された塔の水は冷却塔システムの合計の作動により決定される組成を有する。これらの流れは大きな容積測定流速を有することができ、鉄合金、亜鉛合金又は銅合金などの腐食損傷を受けやすい設計材料と接触することができる。これらの大きな導管を耐腐食材料により置き換えることは実用的ではなく、したがって前記３つのゾーンのそれぞれにおいて水の腐食性を管理することは重要である。
【０００６】
冷却システムを前処理プロセスの有無により比較する場合、冷却システムの操作の全体の考慮に前処理システムの操作要件を含めることが重要である。例えば、前処理操作の包含が冷却システムからのブローダウンの削減又は除去を可能にするとしても、この前処理操作は、冷却塔により実現される水の節約の便益を部分的又は完全に相殺する、それ自身のためのブローダウンを要求する可能性がある。ほとんどの前処理操作は、その連続的な操作のために処理用及び／又は再生用化学物質を必要とする。
【０００７】
この分野の従来技術は、主として、石灰軟化、逆浸透などの膜プロセス、及びイオン交換プロセスなどの沈殿プロセスにより処理された補給水を用いる冷却システムの操作から成る。大きなカテゴリーとして、沈殿プロセスはよく知られており、かつ広く実施されている。本発明プロセスと比較して、軟化用化学物質の注意深く制御された添加を要する大規模な操作を要し、大容積の固体廃棄物及びしばしば不安定なスケールを生成する水を発生させる。特に逆浸透を用いる膜プロセスも、冷却水補給用前処理に用いられる分野において周知である。膜プロセスは、しかしながら、スケーリングと付着物の影響を受けやすく、しばしば未処理の補給水を用いる冷却塔に必要なもの大幅に超えるブローダウンを必要とする。逆浸透プロセスは高純度の水を生成する。この高純度水は、腐食性イオンが低濃度であるという利益を有する。抑制性のイオンも除去され、冷却システムで使用される場合、この高純度水は一般的に極めて腐食性で取り扱いが困難である。以下で議論されるが、本発明のプロセスは、従来技術の２つの大きなカテゴリーの持つ制限を克服するものである。
【０００８】
従来技術には多くの公知のイオン交換プロセスがある。集合的に、それらはカチオン、アニオン又は混合イオン交換プロセスを含む。カチオン及びアニオン交換樹脂はさらに強酸性及び弱酸性カチオン並びに強塩基性及び弱塩基性アニオンのカテゴリーに副分類される（非特許文献１）。いくつかのこれらのプロセスは冷却水補給前処理において用いられている。よく知られ、広く実施されている冷却塔の補給水の処理法は、硬度の除去のためのナトリウム−サイクリング軟化の使用である（非特許文献２）。このプロセスは、原水をナトリウム型の強酸性カチオン（ＳＡＣ）イオン交換カラムを通過させることを含む。このプロセスにより生成される水は、ナトリウムによるほぼ完全な硬度物質（例えば、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋）の置換を有し、ＣａＣＯ３や他のカルシウムによるスケールに関して非スケーリング水を提供する。この水のアニオン含有量は無変化のままである。冷却塔の補給水の処理に適用された場合、このアプローチはいくつかの制限と欠点をこうむる。補給水から腐食性アニオン類（例えば、Ｃｌ−、ＳＯ４２−）が除去されないため、それらは冷却塔の中で問題のある濃度まで濃縮されてしまう。
【０００９】
さらに、天然水の炭素鋼に対する腐食性は、水中の腐食性種の抑制性種（例えば、ＣＯ３２−）に対する比率により強く影響される（非特許文献３）。原水中のこの比率が好ましくない場合、処理プロセスはそれを改善しない。別の欠点は、樹脂の再生に必要とされる大過剰（一般的に吸着された硬度物質の３倍）の食塩水が、顕著な排出問題を発生することである。このプロセスの変法は、特許文献１（Ｄｕｋｅ）に記載されており、腐食を制御するために高濃度のケイ酸塩（＞２００ｍｇ／Ｌ  ＳｉＯ２）及び高いｐＨ（＞９．０）を用いている。
【００１０】
弱酸の使用による脱アルカリ化は、ボイラーの補給水の処理においてよく知られた処理アプローチである。冷却水補給水の前処理手段としてこの方法を用いている｛特許文献２（Ｓｔａｎｄｅｒ）及び特許文献３（Ｌｉｔｔｍａｎｎ）を参照のこと｝。このプロセスは、原水を水素又はプロトン型の弱酸性カチオン（゛ＷＡＣ゛）交換樹脂を含むカラムを通過させることを含む。原水中の炭酸及び重炭酸イオンは、弱塩基性樹脂から水素イオンを引き抜くことができ、及び重炭酸イオンを炭酸（すなわち、Ｈ２ＣＯ３）に変換し、樹脂に荷電サイトを生成する。ついで荷電サイトは、２価の硬度物質のイオンから優先してカチオンを引き抜く。このプロセスにより生成される水は、３．５〜６．５のｐＨを持ち、わずかに酸性であり（カラムの消耗の度合いに依存して）、アルカリ度の除去に比例して低下された硬度を持つ。いったん消耗すると、イオン交換カラムは強酸により再生される。ＷＡＣ樹脂の使用による利益は、再生用物質が少過剰ですみ、再生がより効率的でることである。
【００１１】
このプロセスにより生成された水は、多くの構築用の共通材料に対してきわめて腐食性であり、特許文献４（Ｗｉｌｄｉｎｇ）、特許文献２（Ｓｔａｎｄｅｒ）、及び特許文献５（Ｄｅｒｈａｍ）に開示されているプロセスは、冷却塔において、所望のｐＨとアルカリ度を達成するための、制御された脱アルカリ剤システムの回避のための方法を教示している。しかしながらこの水も処理装置と混合が行われる冷却塔の間の区域の金属に対して依然として非常に腐食性のままである。Ｗｉｌｄｉｎｇ、Ｓｔａｎｄｅｒ、及び特許文献６（Ｂａｕｍａｎｎ）も、この目的のための強酸性カチオン交換の使用を記載している。
【００１２】
冷却システム補給水を処理するためのアニオン交換樹脂の使用も記載されている。特許文献７（Ｆｕｊｉｔａ）及び特許文献８（Ｏｔａｋａ）並びに特許文献９は、補給水を重炭酸型の強塩基性（「ＳＢＡ」）アニオン交換樹脂を通過させることから成るプロセスを記載している。交換プロセスは腐食性の塩素イオンと硫酸イオンを除去し、それらを抑制性の重炭酸イオンで置換して水の腐食性を低下させる。いったん消耗すると、樹脂は重炭酸ナトリウムなどの重炭酸塩で再生される。樹脂のＣｌ−及びＳＯ４２―に対する選択性は、再生のために大過剰量の重炭酸塩を必要とする。
【００１３】
したがって、再循環冷却水システム中の水からスケーリング及び腐食性の傾向を除去するための改善されたプロセスの必要性が存在する。特に重要なのは、補給水又は過剰なブローダウンを必要としない理想的なイオン性組成物の混合物である水を生成するための処理法を提供することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第６，９２９，７４９Ｂ２号
【特許文献２】米国特許第６，７４６，６０９号
【特許文献３】米国特許第４，５３２，０４５号
【特許文献４】米国特許第５，７３０，８７９号
【特許文献５】米国特許第４，９３１，１８７号
【特許文献６】米国特許第５，７０３，８７９号
【特許文献７】米国特許第５，８２０，７６３
【特許文献８】米国特許第第５，９８５，１５２号
【特許文献９】特開平６−１５８３６４号
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｔｈｅ  Ｎａｌｃｏ  Ｗａｔｅｒ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，１９９８年，２〜１２「Ｉｏｎ  交換」，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ社，１９９８年
【非特許文献２】Ｊ．Ｐ．Ｗｅｔｈｅｒｅｌｌ  ａｎｄ  Ｎ．Ｄ．Ｆａｈｒｅｒ，Ｒｅｃｅｎｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｔｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｗｉｔｈ  Ｚｅｒｏ  Ｂｌｏｗｄｏｗｎ，Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｔｏｗｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＴＰ−８９−１３，１９８９
【非特許文献３】Ｔ．Ｅ．，Ｌａｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｒ．Ｖ．Ｓｋｏｌｄ，Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｒｅｌａｔｉｎｇ  Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ｔｏ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｔｅｅｌ  ａｎｄ  Ｃａｓｔ  Ｉｒｏｎ，１９５８  Ｉｌｌｉｎｏｉｓ  Ｓｔａｔｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｕｒｖｅｙ，Ｃｈａｍｐａｉｇｎ，ＩＬ  ｐｐ．［４３］〜４６：ｉｌｌ．ＩＳＷＳ  Ｃ−７１
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
したがって本開示は冷却塔システムの操作のための改善されたプロセスを記載する。水のスケーリング及び腐食性傾向を低下させことに加えて、本発明の方法は、処理プロセスの結果として局在的な腐食性若しくはスケーリング条件をまったく発生させることなく、システムからの排出をさらに除去又は低下させる。記載される測定及び制御システムは、一般的に測定のアレー、制御論理の実行方法、並びに補給水の処理のためのイオン交換装置の活性化を含む制御活動のアレーを含む。前記測定は、流速の物理的測定、水の組成の化学的測定、及び水の腐食性又はスケーリング傾向などの性能に関連する評価指標を含み得る。好適には、前記測定は１つ以上のｐＨ、伝導度、硬度、アルカリ度、腐食性、スケーリング傾向、処理用添加物の用量レベル、及び補給水中、処理済補給水、及び再循環水中の処理用添加物の残存量を含む。
【００１７】
好適な態様では、本発明はシステム内のスケーリング及び腐食可能性を減少させる冷却システムの操作のためのプロセスを含む。これらの可能性は、補給水及び冷却システムでの脱気及び濃縮後の水の両方で減少され、従来技術の目立った欠点を克服するものである。さらに本発明は、原水及び濃縮水の両方の流れの特性の最適化のためにプロセスを調整する手段、及び冷却システムからのブローダウンまたは放出を最小化する手段について記載する。
【００１８】
１実施形態では、本発明は蒸発再循環冷却水システムを監視し制御する方法である。このシステムは一般的に再循環水流、補給水源、及び補給水流などの構成要素を含む。この方法は、補給水流の硬度及びアルカリ度を減少させる手段、補給水流の硬度及びアルカリ度を減少させた後に腐食性を減少させる手段、補給水源、補給水流及び／又は再循環水流の化学成分及び／又は性能特性を測定する手段、測定された化学成分及び／又は性能特性が最適範囲にあるかを決定する手段、及びこのシステムの１つ以上の操作パラメータを調整する手段を含む。
【００１９】
別の態様では、本発明は、蒸発再循環冷却水システムの監視及び制御方法である。このシステムは一般的に再循環水流、補給水源、補給水流、最適添加物源、及び少なくとも１つの構成成分との情報交換のコントローラーなどの構成成分を含む。このシステムが作動状態にある間、この方法は、再循環水流、補給水流、及び／又は補給水源の１つ以上の特性の測定を含む。次いで測定された特性は順に前記コントローラーに伝達され、測定された特性（複数も可）が予め選ばれた基準に合致するかが決定される。測定された特性（複数も可）が予め選ばれた基準に合致しない場合、前記コントローラーは少なくとも１つの以下の機能を実行するために操作することができる：（ｉ）補給水源からの補給水流とイオン交換物質に接触させるために１つ以上のデバイスを操作可能になるように活性化し、イオン交換物質を測定された特性（複数も可）のサブセットを調整するために操作可能にすること、（ｉｉ）１つ以上の添加物を蒸発再循環冷却水システムに導入するために随意に追加的なソースを活性化すること、及び（ｉｉｉ）１つ以上の制御活動を随意に活性化すること。
【００２０】
さらなる態様では、本発明は蒸発再循環冷却水システムを作動させるための装置であり、このシステムは一般的に再循環水流、補給水源、補給水流及びコントローラーなどの構成成分を含む。前記コントローラーと通信しているのは、再循環水流、補給水流、及び／又は補給水源の１つ以上の特性を監視するように操作可能な監視用デバイスである。コントローラーと連絡している伝達デバイスは、測定された特性（複数可）を、前記監視デバイスから前記コントローラーに伝達するために操作可能である。前記コントローラーは、測定された特性（複数可）が予め選択された基準に合致するか否かを決定するために命令を実行し、及びシステム中の任意の構成成分若しくはデバイスへの命令又はデータの伝達を開始するために操作可能である。受け取るデバイスもコントローラーと連絡しており、及び同様にシステム中の任意の構成成分又はデバイスから伝達された命令又はデータを受け取るために操作可能である。
【００２１】
本発明に従う好適な実施形態は、前記コントローラーと連絡しているイオン交換デバイスを含む。このイオン交換デバイスはイオン交換物質を含み、及び前記コントローラーから受け取った命令を通じてイオン交換物質と補給水流を接触させるために活性化されることができる。このイオン交換物質は特性（複数可）のサブセットの調整を可能とするように選ばれる。この特性（複数可）は１つ以上の追加的な濃度を調整するために操作可能な、任意の追加的なソースを通じても調整することができる。
【００２２】
本発明は、追加の制御活動のための任意の機構をさらに含む。代表的な制御活動としては、ブローダウン回路の制御、システム中の原水のバイパス流の調整、システムへの追加的注入の調整又はシステムからの除去、ＣＯ２又は他の炭素種のシステムへの追加又は除去、原水の補給水との調合、追加的ソースからのスケール、腐食、及び／又は生物制御添加物の調整、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
【００２３】
効率的かつ信頼性のある冷却システム操作を達成するための装置と方法を提供することは本発明の利点である。
【００２４】
冷却システムにおけるより効率的な水の使用を通じて従来技術の制約を克服することは本発明の別の利点である。
【００２５】
本発明のさらなる利点は、冷却システム中の水の腐食及びスケーリング傾向を低下させる装置と方法を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに別の利点は、冷却システムの処理化学物質の放出をブローダウン流とともに減少させることである。
【００２７】
追加的な特徴及び利点は本明細書において記載され、以下の詳細な説明、図面、及び実施例から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は典型的な蒸発再循環冷却水システムの概略を示す。
【図２】図２は本発明の好適な実施形態の模式的表現である。
【図３】図３は本発明の方法により、さまざまな段階で生成される水質特性の例を示す。
【図４】図４は再循環流、バイパス流、及びアルカリ源を含む本発明の別の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図を参照するが、蒸発再循環冷却システムの典型的な要素が図１に示される。冷却システム１００は補給水流１０２を含み、これは補給水源（図示されていない）に接続されている。収集タンク１０１は機能的に排熱デバイス１０４（集合的に「冷却装置」）、ブローダウン回路１０６、熱交換器１１２に供給する導管１１０、再循環導管１１４、処理剤追加注入器１１６、追加注入点１１８を含む。再循環水の蒸発損失１０８は排熱デバイス１０４を通じて生じる。
【００３０】
図２は本発明の好適な実施形態の概略図である。冷却システム２００は上記で冷却システム１００について記載された構成成分に加えて、記載された方法の実行のために操作可能な追加的構成成分を含み、及び本発明の記載された装置を含む。コントローラー２０２は直接又は間接の通信状態にある（点線２０４ａ〜２０４ｇで示される）。記載された任意の構成成分の間のかかる通信は、有線ネットワーク、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、無線ネットワーク、インターネット接続、マイクロ波中継装置、赤外線中継装置などを解して可能であることが理解されるべきである。
【００３１】
「コントローラー、「コントローラー・システム」及び同様の用語は、プロセッサ、記憶装置、ブラウン管、液晶ディスプレー、プラズマディスプレー、タッチスクリーン、若しくは他のモニター、及び／又は他の構成成分などを備えた手動オペレーター又は電子機器を称する。特定の例では、前記コントローラーは１つ以上のアプリケーションに特異的な集積回路、プログラム、アルゴリズム、１つ以上のシークエンス固定型デバイス、及び／又は１つ以上の機械的デバイスと統合して操作可能であることができる。このコントローラー・システムの機能のいくつか又は全ては、ハードワイアのネットワーク、ローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、無線ネットワーク、インターネット接続、マイクロ波中継装置、赤外線中継装置などを通じた通信のために、ネットワークサーバのように中央配置であることができる。さらに、信号処理アルゴリズムを促進するためにシグナルコンディショナやシステムモニターなどの他の構成成分を含んでよい。
【００３２】
１実施形態では、制御方式は自動化されている。別の実施形態では、制御方式は手動又は半自動化されており、オペレーターが信号を解釈する。制御論理のかかる実行う手段は、前記システムからの入力データのアレーを受け取り、解釈し、制御行動を決定し、それらを制御作動装置と通信する能力のある任意のデバイスであることができる。好適には、可能な制御行動のアレーは、所望の水の化学的性質と特性を達成するために、上述のシステム要素の操作を調整できる能力を有する。代表的な操作的調整は、限定はされないが、ブローダウン回路の制御、システムに流入する原水バイパス流の調整、システムへの追加的注入の調整、又はシステムからの除去、ＣＯ２又は他の炭素種のシステムへの追加又は除去、原水の補給水との調合、追加的ソースからのスケール、腐食、及び／又は生物制御添加物の調整、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
【００３３】
図２はさらにイオン交換デバイス２１０ａ及び２１０ｂ（時に集合的にイオン交換デバイス２１０と称される）を説明する。この実施形態に従い、補給水流１０２は、硬度とアルカリ度を低下させた流れ１０２ａを生成するために、まずイオン交換デバイス２１０ａで処理される。次いで、腐食性の低下された流れ１０２ｂを生成するために、流れ１０２ａはイオン交換デバイス２１０ｂで処理される。代替的な実施形態に従うと、冷却水システム２００は、１、２、又はより多くのイオン交換デバイスを含み得る。イオン交換デバイス２１０は好適には、補給水流の測定される特性（複数可）のサブセットを調整するために作動可能な、少なくとも１つの種類のイオン交換物質を含む。代表的イオン交換物質としては、カチオン交換物質、弱酸性カチオン交換物質、アニオン交換物質、弱塩基性アニオン交換物質、及びそれらの組み合わせが挙げられる。かかる物質は当技術分野ではよく知られている。コントローラー２０２は、補給水流１０２をイオン交換物質と接触させるために、イオン交換デバイス２１０（２１０ａ及び／又は２１０ｂを含む）を活性化させるために作動可能である。
【００３４】
補給水流の硬度及びアルカリ度の減少のための好適な手段は、任意に再生手段を含むイオン交換システムである。より好適には、それはプロトン型への再生手段を伴うカチオン交換物質を含む交換システムである。最も好適には、それは酸性型への再生手段を伴う弱酸カチオン交換媒体を含むイオン交換システムである。
【００３５】
水の腐食性を低下させるための手段は、好適には水のｐＨを増大させるシステムである。より好適には、それは腐食性を減少させるために吸着された抑制性物質を含み、及び腐食性アニオンを吸着する能力のあるアニオン交換システムである。最も好適には、それは再生の手段を伴う弱塩基アニオン交換体を含むイオン交換システムである。
【実施例】
【００３６】
上述の記載は、説明の目的のために意図され本発明の範囲を限定することを意図していない以下の実施例を参照することにより、よりよく理解されるであろう。
【００３７】
［実施例１］
図３は本発明のさまざまな段階で生成される水質特性の予想的な実施例を表す。フローチャート３００は蒸発再循環冷却システムのさまざまな点に沿った水質特性の変化の典型的な経路を示す。表３０２は冷却システムの補給水に用いられる典型的な源水の組成を表す。この原水はカラム３０４を通過させられ、このカラムは酸性再生剤によりＨ＋つまりプロトン型にされた弱酸性（カルボン酸官能化）カチオン（ＷＡＣ）交換樹脂を含む。カルボン酸官能基の比較的弱い酸性のためにこの樹脂は、塩基として機能する種により水素イオンが除去されない限り、イオン交換能力をほとんど持たないか、まったく持たない。アルカリ度（この目的のために原水のＨＣＣＶ、及びＣＯ３２−はカルボン酸官能基と反応することができ、ＣＯ２及びイオン交換樹脂の遊離カルボン酸型を生成する）。いったん樹脂がこのような脱プロトン化により荷電すると、それはカチオン性溶質を補給水から吸着する。カルボン酸樹脂は一般的に、Ｃａ２＋＞Ｍｇ２＋＞＞Ｎａ＋の順序のカチオン選択性を有する。
【００３８】
このプロセスの全体の結果は表３０６に示される中間体水の組成であり、高濃度のＣＯ２及びＷＡＣカラム３０４から漏れた少量の無機酸を含む。これは通常３．５〜５．５の範囲のｐＨを有し、送水管に通常使用される鉄及び黄色金属類に対して硬度に腐食性であることが予期される。表３０６により表されるＷＡＣカラム３０４との接触により生成された水は、腐食性低減のための手段により処理される。この実施例では、カラム３０８は遊離塩基型の弱塩基性アニオン（ＷＢＡ）樹脂を含む。ＷＢＡ樹脂は水に不溶性のイオン交換物質であり、通常１級又は２級アミンである弱い塩基性基により官能化されている。遊離塩基型では、樹脂は荷電性しておらず無機イオン交換能力を持つ。遊離塩基型ＷＢＡ樹脂は表３０６に表される組成の水に溶解した二酸化炭素及び無機酸と反応し、その上にプロトンを吸着して正電荷を帯び、溶解したＣＯ２の大部分を重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）の形にする。プロトン化されると、ＷＢＡ樹脂はアニオン交換能力を獲得してアニオンを吸着する。この実施例中ではアニオン吸着の優先順位はＳＯ４２−＞＞Ｃｌ−＞ＨＣＯ３−である。このプロセスからの水の典型的な組成が表３１０に示される。
【００３９】
この後の実施例で実証されるように、ＷＢＡ処理により生成された水は腐食を受けやすい伝送ライン又は導管３１２を経由して冷却ユニットに伝送されるために十分に低い腐食性を持つ（図１に示されるように、冷却ユニット３１４は収集タンク及び排熱デバイスを含む）。脱ガス化、蒸発及び濃縮（この実施例では１０倍）のプロセスを通して、水は表３１６に示される組成を達成し、これは腐食及びスケールの制御に好ましいものである。
【００４０】
［実施例２］
腐食及びスケール制御のために最適な水の化学的組成は、補給水の合計硬度の増大又は減少を必要とする可能性がある（Ｔ．Ｅ．，Ｌａｒｓｏｎ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｖ．Ｓｋｏｌｄ，  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｓｔｕｄｉｅｓ  Ｒｅｌａｔｉｎｇ  Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ｔｏ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｔｅｅｌ  ａｎｄ  Ｃａｓｔ  Ｉｒｏｎ，  １９５８  Ｉｌｌｉｎｏｉｓ  Ｓｔａｔｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｕｒｖｅｙ，Ｃｈａｍｐａｉｇｎ，ＩＬ  ｐｐ．［４３］〜４６：ｉｌｌ．ＩＳＷＳ  Ｃ−７１を参照されたい）。本発明に従うと、この状況は前記測定及び制御システムにより検出され、及び以下の制御活動のいずれか又はそれらの組み合わせによって作動させることができる。ブローダウン速度の減少（冷却ユニット３１４のブローダウン回路３１５を経由する）は、補給水中の全ての溶存種の濃度を増加させる一方、増加は濃度を減少させる。しかしながら、増加されたブローダウンは冷却システム操作の効率を低下させるため、これは最も望ましい活動ではない。
【００４１】
図４を参照し、システム中では、硬度は部分的バイパス流４０２によっても増加させ得る。硬度の減少が要求される場合、適正な制御行動は、循環流４０４を活性化して流入する原水と混合し、効果的にアルカリ度の合計硬度に対する比率を増大させ、それによりＷＡＣカラム３０４の効率を増大させることであろう。ＷＡＣカラム３０４の硬度除去は、ＷＡＣカラム３０４の前に、例えば炭酸ナトリウム又は重炭酸ナトリウムを供給するアルカリ源４０６からの注入導管４０８を経由する補足的注入により増加させることができる。好適な実施形態では、コントローラー２０２は通信回線４１０ａ、４１０ｂ、及び４１０ｃを通じてさまざまなシステム構成成分と連絡する。前記コントローラー２０２は、１、２、又は任意の適切な数のかかる通信回線をシステム構成成分とともに含み得ることが理解されるべきである。
【００４２】
［実施例３］
天然水の供給物はさまざまな溶質組成を持つ。冷却システム処理に特に重要なものは、腐食抑制性イオンの腐食促進性イオンに対する比率である。冷却システム中の望ましい水の組成を維持しながら軟化プラント（すなわち、ＷＡＣカラム）の効率的な操作を与え続けるために、本発明の測定及び制御システムをこの比率の変動を調整するために作動できる。実施例１で説明した原理のために、ＷＢＡアニオン交換体の操作もこの目的のために特に重要である。このＷＢＡ樹脂イオン交換作用は、原水のアルカリ度とＷＡＣカラムとの相互作用により生成された、溶解されているＣＯ２により作動される。アルカリ物質の濃度が攻撃的イオンの濃度より少ないとき、攻撃的イオン（例えば、Ｃｌ−及びＳＯ４２−）の除去は不十分となる可能性がある。逆にもし原水のアルカリ度が攻撃的イオンの濃度を超える場合、アニオン交換能力の一部は腐食制御にとって望ましい種である重炭酸イオンの吸着に用いられてしまう。本発明に従う制御行動の１つはＷＡＣカラムの前若しくは後に注入によりＣＯ２を添加するか又はストリッピングによりＣＯ２を除去することである。
【００４３】
［実施例４］
腐食試験はＮａｐｅｒｖｉｌｌｅ市でのイリノイ州の水道用水（ミシガン湖）と銅及び軟鋼切り取り試験片を用いて以下の３つの条件で行われた。（ｉ）蛇口から採取したままの原水、（ｉｉ）ＷＡＣ処理したもの、及び（ｉｉｉ）ＷＡＣ／ＷＢＡ処理したもの。切り取り試験片はそれぞれ３種類の組成の水に一晩曝された。結果は表１に示されている。原水が炭素鋼に対して中程度に腐食性であり、ＷＡＣ処理水は極度に腐食性であり、ＷＡＣ／ＷＢＡ処理水ははるかに腐食性が少ないことが見出された。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
［実施例５］
この実施例は従来技術の欠点を示す。米国特許第４，５３２，０４５号（Ｌｉｔｔｍａｎ）及び６，７４６，６０９号（Ｓｔａｎｄｅｒ）は、ＷＡＣ処理水及び原水の混合が受容できる程度の腐食の制御を提供することを示唆している。しかしながら表２からのデータはそれが事実ではないことを示している。表２は処理水及び原水のさまざまな混合と、それらの試験溶液中の溶解金属イオンの測定による腐食性を示す。原水／処理水の８０／２０容積％での混合すらも、銅、鋼鉄、真鍮及び亜鉛めっき鋼に対する腐食性を顕著に増大させた。
【００４６】
【表２】
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【００４７】
［実施例６］
本発明に従う制御行動の実施例は、硬度及びアニオンの除去を増加させるための処理水のリサイクリング及び原水との混合である。ＷＡＣ物質による硬度の除去は、通常は水中に存在するアルカリ度に比例する。アルカリ度が合計硬度より低い場合、通常は合計硬度の一部のみが除去される。ＷＡＣカラムの前の点での処理水のリサイクリングにより、混合水のアルカリ度及び硬度はより綿密に平衡化され、硬度除去の範囲が増加される。このプロセスからのデータは表３に示される。合計硬度及びＣａをほぼ平衡化するために２番目のパスは２／１の原水の循環水に対する割合であった。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
［実施例７］
原水源の価値が大幅に溶質の組成にあることはよく知られている（Ｎａｌｃｏ  Ｗａｔｅｒ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，「ＩｏｎＥｘｃｈａｎｇｅ，」ページ２〜１２、１９９８年）。この実施例は、そのような変化する組成に本発明の方法が適応することを可能にする制御行動を説明する。この制御行動は、硬度除去の範囲を増加又は減少させるために、ＷＡＣカラムに接触させる前にアルカリ性又は酸性添加物を原水に加えることを含む。酸性種としては硫酸、塩酸、硝酸、有機酸などの１つ以上の強酸が上げられる。アルカリ性種としては、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の炭酸化物、重炭酸化物、若しくは水酸化物が挙げられる。
【００５０】
表４の結果は軟化プロセスに先立つ重炭酸ナトリウム添加の効果を示している。最初の３つの列は典型的なアルカリ度不足水及びＷＡＣ／ＷＢＡプロセスの工程の結果を示す。最後の３つの列は８０ｐｐｍ（ＣａＣＯ３として）の重炭酸ナトリウムの添加の効果を示す。硬度及び腐食性イオン除去の劇的な改善が観察された。
【００５１】
【表４】
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【００５２】
［実施例８］
変化する水質及び冷却塔水の所望の最終組成はＷＡＣ及びＷＢＡカラム／イオン交換物質の両方の効率の制御を望ましいものとする。ＷＢＡカラムによる腐食性イオンの除去及びその結果生じるアルカリ度の増大は通常はＷＡＣカラムにより生成されるＣＯ２により制御される。所望の制御行動を達成するための本発明の別の制御行動はＣＯ２の添加又は除去である。表５の結果はこの効果を示している。最初の３つの列はＷＡＣカラムにより自然に生成されたＣＯ２による発生された処理効果を示す。最後の４つの列はＣＯ２の添加又は除去の効果を示す。かかる制御行動を通じて、抑制性イオンの腐食性イオンに対する比率を調整することが可能であり、それによりこのプロセスにより生成される水の腐食性の制御が可能となる。表５では、ＮＣは「自然生成のＣＯ２：Ｎａｔｉｖｅ  ＣＯ２」、ＤＣは「脱炭酸化：Ｄｅｃａｒｂｏｎａｔｅｄ」及びＦＣは「完全炭酸化：Ｆｕｌｌｙ  Ｃａｒｂｏｎａｔｅｄ」を意味する。
【００５３】
【表５】
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【００５４】
本明細書に記載された好適な実施形態のさまざまな変更及び修正は当業者にとり明白であることが理解されるべきである。かかる変更及び修正は本発明の精神と範囲を逸脱することなく、及び意図された利点を損なうことなく、なされることができる。かかる変更及び修士も添付された特許請求の範囲に包含されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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