(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
海水を脱塩する方法であって、以下の：
海面より下に配置され、海と連結している１つまたは複数の開口部に加え、屋根に配置された充填装置を含む、海辺に配置された密閉された貯水槽を準備する工程と、
前記充填装置により海水を前記貯水槽に充填する工程であって、ここで前記開口部が密閉されている、工程と、次いで、前記貯水槽を密閉するために、前記充填装置を閉鎖する工程と、
前記開口部を開口する工程であって、前記海水に連結する貯水槽の内部にある海水を排出し、
ここで、前記貯水槽の水位が下がり、前記海面を超える高さｈで安定し、かつ
前記貯水槽内の前記高さｈより上に水蒸気が生成され、かつ前記貯水槽の天井の海面上の高さが、前記高さｈより高くなることによって、前記貯水槽内で生成される水蒸気が処理可能となる、工程と、
前記生成した水蒸気を凝縮して、脱塩水を得る工程と、
海に向けて前記貯水槽内の高さｈにある水面から水を除去して、海水の温度に、前記貯水槽の水面の水温を維持する工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記貯水槽の土台が、海面より下に配置されており、ここで前記開口部が、海に面した前記貯水槽の水面にあり、前記海面より下にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記水蒸気の一部が、前記貯水槽の外で凝縮される前に、前記貯水槽から連続的に除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記１つまたは複数の重ねたベイスンが、前記貯水槽の内部で、前記貯水槽内の水面の上に前記貯水槽内の水面と平行して提供されており、前記貯水槽内部からの海水が、これらのベイスンにポンプで入れられており、前記これらのベイスン内の水が、海に向けて連続して取り除かれており、前記水蒸気が各ベイスンで凝縮されている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記貯水槽が第１の貯水槽であり、さらに前記方法が、
前記第１の貯水槽と同一の方法で機能する第２の貯水槽に海水を供給することであって、前記供給が、海面を下回る深さZで海の内部の取水ポイントからのポンプおよびパイプの手段によるものであり、ここで、前記第２の貯水槽内の水の温度は、前記第１の貯水槽内の水の温度よりも低く、
前記第２の貯水槽の水は、前記第１の貯水槽の水蒸気を凝縮するために使用されており、前記第２の貯水槽からの水が、前記凝縮の間温度が上昇され、海へと除去されており、
前記第２の貯水槽からの水は、前記第１の貯水槽の水蒸気が配置されている空間に配置されたパイプに注入されることにより、前記水蒸気の一部を凝縮し、水を回収するよう意図された貯水槽に凝縮した水を通過させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記貯水槽の開口部に面した海面が、閉じた封じ込め空間を提供する壁により安定化されており、処理システムが提供され、前記封じ込められた壁に配置されており、前記封じ込められた空間に入り、前記貯水槽を供給するために使用される海水を処理するためのシステムが提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記貯水槽を横断するチューブを介して前記貯水槽に熱を注入して他の施設により提供されたエネルギーの再利用を含み、加熱されている前記貯水槽の水の蒸留が、凝縮器を備えた連続したベイスンのシステムを介して行われる請求項１に記載の方法。
【請求項８】
多段フラッシュ蒸発する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
多重効用蒸留の手段により脱塩する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水の脱塩に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術：海水を脱塩するシステムおよび方法は周知であり、実に何千ものそれらを利用する脱塩プラントが世界中で使用されている。採用されている主要なシステムおよび方法は、膜型（基本的に、逆浸透、ＲＯ）および蒸発型（基本的に、多段フラッシュ蒸発（ＭＳＦ）および多重効用蒸留（ＭＥＤ））である。これら２つのシステムおよび方法に関連し得るか、または関連していない可能性がある他の技術、例えば、電気的、化学的、凍結、または「再生可能エネルギー」技術などが存在する。本発明によるシステムおよび方法の利点は、これらのシステムおよび方法のほとんどに適合するが、本発明は既存のシステムおよび方法と異なる。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
本発明に従ったシステムおよび方法は、完全に密封された貯水槽の構築および利用によって特徴付けられる。この貯水槽の壁、天井、および任意の支持柱は、それらにかかる著しい負荷に耐えるために必要な強度を有していなければならない。脱塩する水が海水である場合、貯水槽は海辺に設置する必要がある。使用される建築材料は、海水に適合する必要がある。貯水槽の土台の表面積は、生成する脱塩水の量によって決まり、土木工学の制約によってのみ制限される。貯水槽は、外部と２つの方法だけで連通する。（１）第１の連通手段は屋根の上に配置された装置を介してであり、屋根は、貯水槽全体が海水で満たされるようにでき、次いで、貯水槽が完全に密封されるように閉じられる。（２）貯水槽は、海面より下に配置された１つ以上の開口部を通して流体連結した海とも連通する。これらの開口部は、貯水槽を満たす際には（制御システムによって）密閉する必要がある。充填後、それらは徐々に開けられて、タンク内部の海水を海の水と流体連結させる。貯水槽の海水と海の水との間に流体連結手段を提供するための簡単な解決策は、建設中に、貯水槽の土台を海水面より低い位置に設置すること、および説明した貯水槽の側面開口部を海面より下に配置することである。その一方で、貯水槽の上部は海面より上になるであろう。
【０００４】
貯水槽の天井が配置される海面上の高さを指定することが必要である。次の例は、この高さの設定を容易にするであろう。このタイプの貯水槽は、海面上１３メートルの高さであり、海水で満たされて密閉される。次いで、貯水槽の海水と海の水との間の流体連結の開口部（複数の開口部）が徐々に開かれる。貯水槽内の水位が低下して、海面上の高さｈで安定するであろう。３つのポイントを考える。第１のポイントＡは、海の中に海面の高さで置かれる。第２のポイントＢは、Ａと同じ高さであるが、貯水槽の内部に置かれる。第３のポイントＣは、貯水槽内の水面の高さに置かれる。ポイントＡは戸外にあり、従って、大気圧下にあり、Ｐａで指定される。もし、貯水槽外部の水と貯水槽内の水が流体連結していれば、ポイントＡと同じ高さである、ポイントＢにおける圧力は、大気圧と等しいであろう。海の水が貯水槽の水と流体連結されていた時に、貯水槽が完全に充填されたと考えると、ポイントＣで存在していた圧力は、貯水槽内の海水温度における飽和蒸気に起因した圧力であり、Ｐｓで指定される。流体静力学の基本原理により、ポイントＢとＣとの間の圧力差は、Ｐａ−Ｐｓ＝ρｇｈであり、ここでρは海水の濃度であり、ｈはポイントＣとポイントＢとの間の高さの差であり、ｇは局所的な重力加速度で、約９．８ｍ／秒／秒である。次にｈ＝（Ｐａ−Ｐｓ）／ｐｇであり、ｈの値は約９．５〜１０メートルという結果になる。それは、上の計算式に示すように、例のために選択された１３ｍとは明らかに無関係である。貯水槽の天井の海面上の高さは、この高さｈに、貯水槽内で生じる水蒸気を処理するために必要な空間に割り当てられる追加の高さを加えた高さに等しいはずである。
【０００５】
そして、フラッシュ蒸発システム：水蒸気を凝縮すると、貯水槽の水面における水温を海の海水温度に維持しながら、圧力が低下して、水が貯水槽の水面から海に向かって移動するシステム、に相当するシステムを用いて脱塩水を得るために、脱塩水から成るこの蒸気を凝縮するのに適したシステムを使用することは十分である。従って、「フラッシュ蒸発」の現象を利用している。同じ結果は、貯水槽の水面から抜く水を変えないままにして、貯水槽の海水上にある蒸気の一部を連続して除去することによる凝縮操作で置き換えることによって得ることができる。除去された蒸気が次いで、貯水槽の外部で凝縮されて、脱塩水が得られる。蒸気の凝縮速度、または前記蒸気の除去速度により、「許容不均衡」が作られる。脱塩される水の量と［製品の］品質との間で妥協を得ることが望ましい（例えば、「蒸留された」水蒸気と一緒に塩水滴が含まれるのは回避すべきである）。貯水槽の水面から放出された１トンの水は、温度が１度下がるごとに
Ｅ＝ｍＣｐＡｔ
のエネルギーを発散し、式中ｍは除去された水の重さ（ここでは１０００ｋｇ）であり、Ｃｐは、一定圧力における、除去された海水の比熱（１℃につき１キログラムあたり約４．２キロジュールに等しい）であり、Ａｔは除去された水の温度の低下（ここではＡｔは１℃）に等しい。このエネルギー損失は海水の塩分濃度および温度によって決まり、この場合は約４２０万ジュールである。この温度での水の蒸発の潜熱は、約２４０万ジュールに等しく、それにより４２０万ジュールで約１．７５ｋｇの蒸気が解放されるであろう。ｐ、Ｃｐに対する正確な値、および処理のために利用可能な海水の温度または塩分濃度などの様々な異なるパラメータの関数としての、蒸発の潜熱は、計算され得るか、または公開された表から得られ得る。
【０００６】
１トンの水を貯水槽の水面から海の方に移動するためには、それを行う際に、位置エネルギーが（水が大気圧に戻されると持つ）圧力エネルギーに転換されるので、わずかなエネルギー量しか必要ない。それは、貯水槽の水面の高さから海へ移される間の（水の粘度に起因した）摩擦エネルギーを補うために必要なだけである。
【０００７】
水蒸気内に混入し得る海水滴の存在を制限するために、水蒸気が貯水槽内の水面から移動される速度を制限する必要がある。この速度に対する許容値は、一般に、毎秒数メートルである。この結果は、貯水槽からの水蒸気の凝縮に起因した圧力低下を制限することによって得られる。金属グリッド（デミスター）を設置すると、蒸気に混入し得る海水滴が保持される結果となるであろう。［最終的に］貯水槽から海へ［戻された］移動された、水の塩分濃度の増加は、脱塩の他のシステムおよび方法において経験される増加と比較して非常に低いことに留意すべきである。脱塩の本方法は、非常に環境に優しい。
【０００８】
貯水槽内で処理される水の量は、１つ以上の低い高さ（約４０ｃｍ）の重ねたベイスン（ｂａｓｉｎ）を、貯水槽内部に、貯水槽内の水面の上にその水面と平行して、加えることにより増加できる。海の海水温度である、貯水槽内部の海水が、これらのベイスンにポンプで入れられる。各ベイスン内の凝縮システムで水蒸気が凝縮される。これらのベイスン内の水は、連続して海に移される。ベイスンをこのように積み重ねると、貯水槽の同じ設置面積に対して、レベル数に比例して、脱塩水の量が増加する。水蒸気は、前記の場合と同じ方法で除去できる。
【０００９】
第１の貯水槽と同じ方法で稼働する、第２の貯水槽も追加され得る。この第２の貯水槽は、十分なサイズのポンプおよびパイプを通して海の内部からくみ上げた海水を供給される。海の内部の取水ポイントは海面下の深さＺにおいてである。取水ポイントの深さが深いほど、海水温度が低くなって圧力が高くなる。深さが減少すると低下する圧力エネルギーが位置エネルギーに変換されるので、水を貯水槽に供給するために大量のエネルギーを必要としない。ポンプによって消費されるエネルギーは、水の粘度のためにパイプ内の摩擦によって失われるエネルギーを補うのに役立つ。
【００１０】
このように、２つの貯水槽が提供される。温度が、貯水槽に隣接した海の海水温度であって、その海水が前記貯水槽に供給するために使用される、第１の貯水槽、および中の水の温度がさらに低い、第２の貯水槽。この温度は、取水ポイントの深さＺを設定することによって選択できる。この場合、それは、第１の貯水槽の水蒸気を凝縮するために使用される第２の貯水槽からの冷水である。これは、いくつかの方法で行うことができる。２つの貯水槽は、ＭＳＦまたはＭＥＤ装置で使用されるものに類似した方式で凝縮するために利用される漏れ防止パイプによって連結できる。例えば、第１の貯水槽の水蒸気を含んだ空間内に配置されているパイプに冷水を注入すると、蒸気の一部が凝縮し、このように凝縮された水は、それを収集するための他の貯水槽（タンクまたは他の容器）に入れることができる。第２の貯水槽からの冷水は、海に排出され、この作業中、この冷水の温度は上昇していた。
【００１１】
貯水槽の海との連結開口部に面した海の水位は、この水位が大きく変動すると脱塩作業が中断しがちな場合には、一定に保つことができる。この目的のために、閉じた封じ込め空間（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ  ｓｐａｃｅ）を提供する壁が、貯水槽と海との間の連結開口部に向かい合って、海中に追加され得る。これらの封じ込め空間に入って貯水槽（複数可）に供給されるようになる水を処理するための海水処理システムも追加され得、この処理システムは説明した壁自体内に設置され得る。
【００１２】
本発明を使用する海水脱塩の投資費用および運用費は、他の全ての方法が使用されたものよりも大幅に低い。かかる施設に対する保守は実質的にないが、保守が必要な場合は、施設の運用が中断されないような、かつ特に、貯水槽を空にして再充填しないような方法で、水中作業員によって実行され得る。