(57)【要約】【課題】流体処理システム【解決手段】少なくとも２つのシリンダー状の容器を含む流体処理システムであって、各々の容器がイオン交換樹脂、高分子吸着剤、無機吸着剤、および活性炭から選択される少なくとも１つの処理媒体を有し；各々の容器が端部にフラットヘッドおよびフラクタル液体移送マニホールドを有し；さらにシステムが少なくとも１つの膜脱気装置ユニットを含む前記流体処理システム。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つのシリンダー状の容器を含む流体処理システムであって、各々の容器がイオン交換樹脂、高分子吸着剤、無機吸着剤、および活性炭から選択される少なくとも１つの処理媒体を有し；各々の容器が端部にフラットヘッドおよびフラクタル液体移送マニホールドを有し；さらにシステムが少なくとも１つの膜脱気装置ユニットを含む前記流体処理システム。
【請求項２】
アニオンイオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器およびカチオンイオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器を含む請求項１に記載の流体処理システム。
【請求項３】
アニオンおよびカチオンイオン交換樹脂が、４００ミクロン〜７００ミクロンの調和平均サイズを有し、また少なくとも９５％のビーズが調和平均サイズから５０ミクロンの域を超えないビーズである請求項２に記載の流体処理システム。
【請求項４】
流速１０ｍ３／時〜６０ｍ３／時で水が処理される請求項３に記載の流体処理システム。
【請求項５】
アニオンイオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器とカチオンイオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器が実質的に同じサイズである請求項４に記載の流体処理システム。
【請求項６】
アニオンイオン交換樹脂を有する２つの容器およびカチオンイオン交換樹脂を有する２つの容器を有する請求項５に記載の流体処理システム。
【請求項７】
流速４０ｍ３／時〜６０ｍ３／時で水が処理される請求項６に記載の流体処理システム。
【請求項８】
それぞれ支持フレーム上にある２つの部分で構成され、さらにそれぞれの部分は幅２．３０ｍ×高さ２．３７ｍ×長さ６．０８ｍを超えない請求項７に記載の流体処理システム。
【請求項９】
各々の容器の内径が１．１ｍ〜１．２５ｍである請求項８に記載の流体処理システム。
【請求項１０】
各々の容器の高さが１．２ｍ〜１．３ｍである請求項９に記載の流体処理システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はイオン交換および吸着工程に有用な高効率流体処理システムに関する。
【０００２】
高効率流体処理システムへの既往の取り組みが米国特許第４，６７３，５０７号に開示されている。この文献において、イオン交換樹脂の粒子サイズおよび樹脂ビーズのオーバーパッキングの程度が選択され、実質的に均一な液体フロー分布を提供している。前記ビーズは約１２０ミクロンのサイズを有し、通常イオン交換に使用されているものより浅い樹脂床において、常時圧縮下で保持される。
【０００３】
本発明によって取り組まれる問題は、標準的な床厚さ（ｂｅｄ　ｄｅｐｔｈ）においてより速い流速を可能にするために、より大きい粒子サイズを有する処理媒体を用いた高効率流体処理システムへの要求である。
【０００４】
本発明は、少なくとも２つのシリンダー状容器を含む流体処理システムを提供し、ここで各々の容器はイオン交換樹脂、高分子吸着剤、無機吸着剤および活性炭から選択される少なくとも１つの処理媒体を有しており、各々の容器は各端部がフラットヘッドでありフラクタル液体移送マニホールド（ｆｒａｃｔａｌ　ｌｉｑｕｉｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｍａｎｉｆｏｌｄ）を有しており、また前記システムは少なくとも１つの膜脱気装置ユニットを含む。
【０００５】
図１は容器がイオン交換樹脂を含む本発明の好ましい態様を例示するフローチャート図である。図２は本発明の好ましい態様に従ったスキッドマウント型（ｓｋｉｄ−ｍｏｕｎｔｅｄ）イオン交換システムの底面を示す図である。図３は本発明の好ましい態様に従ったスキッドマウント型イオン交換システムの頂面の等角図を示す図である。
【０００６】
「フラクタル液体移送マニホールド」は、水力学的にほとんど同一な流路を用いて、液体を実質的に均一に分布させるためのマニホールドシステムである。このタイプのシステムが、例えば、米国特許第４，９９９，１０２号および第５，３５４，４６０号、およびＭ．Ｋｅａｒｎｅｙ著；「Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｆｌｕｉｄ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｗｉｔｈ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ　Ｆｒａｃｔａｌｓ」；Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｃｏｍｍｕｎ．；ｖｏｌ．１７３，４３−５２（１９９９）に開示されている。マニホールドは、処理される液体および再生剤溶液に適合するあらゆる材料で作ることができる。好ましい材料としては、例えば、ＰＶＣ、ｃＰＶＣおよびポリプロピレンが挙げられる。好ましくは、フラクタル液体移送マニホールドはシリンダー状であり、シリンダー状容器の各端部に設置され、容器の切断面にわたって実質的に均一な分布でもって液体を容器に入れることを可能にする。好ましくは、フラクタル液体移送マニホールドは、１つの流入口および複数の流出口を有する。好ましくは、液体移送マニホールドは、容器の外径と実質的に同じ直径を有し、クランプによって容器に取り付けられている。本発明の他の態様として、マニホールドは容器の内径と実質的に同じ直径を有し、容器内に位置する。マニホールドによって提供される実質的に均一なフロー分布は、異なる組成物の液層間の明確な分離を保持することにより容器内の処理媒体に最大効率を達成させ、それにより、より速い流速もしくはより小さい容器を用いることが可能になる。再生剤溶液が容器に入るのに通過するマニホールドによって再生剤溶液が効率的に分布されることを確実にするこの配置によって、再生効率も最大化される。加えて、再生剤が供給フローと反対の方向で容器を通過するように方向付けられ、さらに容器が各端部にフラクタル液体移送マニホールドを有する場合、供給フローおよび再生剤フローはともに効率的に分布される。
【０００７】
膜脱気装置ユニットは液体から溶存気体を除去することが可能なシステムである。好ましくは、脱気装置は水から二酸化炭素および酸素を除去する。膜脱気装置は典型的には、膜の片側上に流体、もう片側上にガスをながして使用する。脱気装置内のミクロ孔を有する（ｍｉｃｒｏｐｏｒｏｕｓ）膜は、液体分子を保持しつつ、気体分子がその孔を通過するのを可能にする。膜の両側にかかる圧力が調整され、所望の物質移動を促進させる。好ましくは、ミクロ孔を有する膜は、例えば、ポリプロピレンをはじめとする合成高分子から作られた疎水性中空繊維膜である。当該技術分野の技術の詳細については、Ｆ．　Ｗｉｅｓｌｅｒ著、「Ｍｅｍｂｒａｎｅ　Ｃｏｎｔａｃｔｏｒｓ：Ａｎ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」；Ｕｌｔｒａｐｕｒｅ　Ｗａｔｅｒ；５月／６月　１９９６，２７−３１を参照せよ。
【０００８】
好ましくは、本発明のシステムで使用されるシリンダー状容器は、圧力容器であり、縦に配置される。容器および付属するパイプおよびバルブは処理される液体および再生剤溶液に適合するあらゆる材料にで作られる。好ましい材料として、例えば、ブチル−ゴムでライニングした鋼およびステンレス鋼が挙げられる。
好ましくは、処理媒体が流体で膨潤する場合、処理媒体が実質的に容器の内部を満たす。好ましくは、容器はフラットヘッドおよびフラットボトムを有し、曲面ヘッドおよびボトムを有する容器と比較して、容器の高さを減少させる。好ましくは、容器の内径は０．６ｍ〜１．５ｍである。好ましくは、容器の内径は少なくとも０．７５ｍ、より好ましくは、少なくとも０．９ｍである。好ましくは、内径は１．２５ｍを超えない。本発明の好ましい一態様として、容器の内径は、１．１ｍ〜１．２５ｍである。容器の高さは好ましくは少なくとも０．６ｍであり、より好ましくは少なくとも０．９ｍであり、最も好ましくは少なくとも１．１ｍである。好ましくは、容器の高さは１．３ｍを超えない。本発明の好ましい態様として、容器の高さは１．２ｍ〜１．３ｍである。
【０００９】
処理システムがイオン交換システムである場合、システムはアニオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器およびカチオン交換樹脂を有する少なくとも１つの容器を含む。典型的に、これらの樹脂のうちの１つをそれぞれ有する１組の容器は、直列接続で使用され水を脱塩する。好ましくは、１組以上の容器がイオン交換システム中に存在し、１組以上の容器が使用されている間、１組以上の容器を再生させることが可能である。最も好ましいイオン交換システムは２組の容器を有する。本発明の好ましい態様において、２組の容器、膜脱気装置システム、および付属するパイプを有するイオン交換システムは、それぞれ支持フレーム（「スキッド（ｓｋｉｄ）」）上に２つの部分に組み立てられ、さらにそれぞれの部分は幅２．３０ｍ×高さ２．３７ｍ×長さ６．０８ｍを超えることはない。これらの寸法は、各部分が標準的な海上輸送用コンテナーに適合するのを可能にする。
【００１０】
好ましくは、イオン交換システムは比較的大きなビーズを有し、高流速を可能にする。好ましくは、ビーズは商業的に入手可能である４００ミクロン〜７００ミクロン、より好ましくは５００ミクロン〜６５０ミクロン、最も好ましくは６００ミクロン〜６５０ミクロンの調和平均サイズを有する均一な粒子サイズの樹脂である。好ましくは、少なくともビーズの９５％が平均値から５０ミクロン以内である。最も好ましくは、少なくともビーズの９５％が大きさ５８０ミクロン〜６８０ミクロンの範囲である。均一な粒子サイズの樹脂は知られており、スクリーニング、エクスパンディングおよびジェッチィングを含む様々な方法で製造される。例えば、米国特許第３，９２２，２５５号は、制御可能で均一な粒子サイズのビーズの製造方法を開示する。
【００１１】
典型的に、イオン交換システムは、カチオン交換樹脂の量に対して多量のアニオン交換樹脂を必要とする。本発明のシステムにおいて、アニオン交換容器の前に、膜脱気装置ユニットを使用することは、流入水から二酸化炭素を除去し、従ってアニオン交換樹脂の負荷を減少させる。これはアニオン交換樹脂の効率を増加させさらに、本発明の好ましい態様において、アニオン交換容器のサイズを実質的にカチオン交換容器と同じサイズにまで減少させることができる。好ましくはカチオンおよびアニオン交換容器は、最大効率およびシステムの組み立ての柔軟性のために同サイズである。
【００１２】
好ましいイオン交換システムにおいて、均一なフロー分布および好ましい粒子サイズの範囲である樹脂ビーズの使用は、高流速の使用を可能にする。好ましくは、水は好ましいイオン交換システムにおいて、流速１０ｍ３／時〜６０ｍ３／時、より好ましくは少なくとも流速２０ｍ３／時、より好ましくは少なくとも３０ｍ３／時、最も好ましくは少なくとも４０ｍ３／時で処理される。本発明の好ましい一態様として、水は流速４０ｍ３／時〜６０ｍ３／時で処理される。本発明の好ましい他の態様として、水は流速３０ｍ３／時〜４０ｍ３／時で処理される。本発明の好ましい他の態様として、水は流速２０ｍ３／時〜３０ｍ３／時で処理される。好ましくは、より小さなフローの範囲がここで言及されるよりしいさな容器サイズに対応する。イオン交換樹脂の再生は様々な流速で行うことができ、当業者に理解されているように、再生剤濃度、容積および樹脂との接触時間に依存している。好ましくは、流速２ｍ３／時〜１０ｍ３／時で再生が行われる。好ましくは、流速毎時２〜８床体積（ＢＶ／ｈ）でイオン交換樹脂の再生が行われる。アニオン交換樹脂は、典型的にカチオン交換樹脂よりも遅く再生し、例えば、水酸化ナトリウムによるアニオン交換樹脂の再生は、好ましくは３〜６ＢＶ／ｈ、最も好ましくは約４ＢＶ／ｈで行われる。好ましくは、カチオン交換樹脂は硫酸によって４〜８ＢＶ／ｈ、最も好ましくは６〜８ＢＶ／ｈで再生される。好ましくは、供給フローは底部から容器に入り、一方再生剤フローは頂部から入り、さらに容器は、底部にフラクタル液体移送マニホールドをおよび頂部に別のフラクタル液体移送マニホールドを有し、供給および再生剤フローの両方を均一に分布させる。
【００１３】
典型的に、イオン交換システムは容器再生時間と比較して長い容器作動時間を有している。例えば、作動時間１８時間、再生時間４時間はまれではない。本発明のシステムは容器サイズに対して高流速を使用することができる。これら高流速の結果、作動時間は減少し、再生時間とさらにほぼ等しくなる。例えば、本発明の好ましいイオン交換システムは、約３時間の作動時間および約２時間の再生時間を有している。ある適用において、大部分の時間、両方の容器を作動させておく能力が要求される可能性がある。
【００１４】
処理システムが２組の容器を有するイオン交換システムである好ましい態様を例示している図１を参照すると、供給水はライン１０から入り、適切なバルブ位置によって、１Ｃまたは２Ｃのいずれか作動中のカチオン交換容器の底部の入り口へと方向付けられ、ここでフラクタル液体移送マニホールド、次に樹脂床を通過し、他方のフラクタル液体移送マニホールドを通って容器頂部から出る。フローはその後膜脱気バンク３に送られ、ここでフローは膜脱気装置ユニットを並列に通過する。エアーはライン５０から膜脱気バンクに入り、減圧ポンプ４およびライン６０から出る。脱気装置からの水フローは、ｌＡまたは２Ａのいずれか作動中のアニオン交換容器の底部の入り口へと送られ、ここでフラクタル液体移送マニホールド、次に樹脂床を通過し、他方のフラクタル液体移送マニホールドを通って容器頂部から出て、次にライン２０から脱イオン水貯蔵タンクに送られる。所望の場合、いずれかのアニオン交換容器から出る水は、再利用ポンプ５およびライン１１によって作動中のカチオンおよびアニオン交換容器の両方を通して、再循環させることができる。
【００１５】
作動していないカチオン交換容器の同時再生が酸によって行われ、酸はライン３０から入り、１Ｃまたは２Ｃのいずれか再生されるカチオン交換容器の頂部に送られ、ここでフラクタル液体移送マニホールド、次に樹脂床を通過し、他方のフラクタル液体移送マニホールドを通って容器の底部を出て、ライン７０を通過し中和容器に送られる。ｌＡまたは２Ａのいずれか作動していないアニオン交換容器の再生がライン４０から水酸化ナトリウム溶液をいれる類似の方法によって行われ、ライン８０を通過し中和容器に排出される。
【００１６】
図２および３は、それぞれ、図１に概略的に図示した好ましいスキッドマウント型イオン交換システムにおける底部および頂部の等角図を図示している。膜脱気バンク３は、５つの膜脱気装置ユニット３ａ〜３ｅからなり、並流用に構成されており、それぞれのユニットは表面積約４２ｍ２を有するポリプロピレン中空繊維膜を含む。２つの部分のフレーム６ａおよび６ｂは、ブラケット（ｂｒａｃｋｅｔｓ）７ａおよび７ｂ（見えていない）によって固定されている。フレーム６ａはおよそ幅１．８２ｍおよび長さ３．５ｍである。フレーム６ｂはおよそ幅１．６７ｍおよび長さ３．５ｍである。フランジ９０、９１および９２はとりはずすことが可能であり、またブラケット７ａおよび７ｂは取りはずし、システムを２つの部分（１つはフレーム６ａに取り付けられ、他方はフレーム６ｂに取り付けられている）に分離することが可能である。システムの各部は、フレーム、容器、並びに全てのパイプおよびバルブを含み、約２．３３ｍの高さである。容器、ポンプ、ラインおよびバルブに取り付けられている各々のフレームは標準的な海上輸送用コンテナーに適合する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、処理システムが２組の容器を有するイオン交換システムである好ましい態様を例示する。
【図２】図２は、図１に概略的に図示した好ましいスキッドマウント型イオン交換システムにおける底部の等角図を図示する。
【図３】図３は、図１に概略的に図示した好ましいスキッドマウント型イオン交換システムにおける頂部の等角図を図示する。
【符号の説明】
１Ｃ、２Ｃ　カチオン交換容器
ｌＡ、２Ａ　アニオン交換容器
３　膜脱気バンク
３ａ〜３ｅ　膜脱気装置ユニット
４　減圧ポンプ
５　再利用ポンプ
６ａ、６ｂ　フレーム
７ａ、７ｂ　ブラケット
１０　水供給ライン
１１　再循環ライン
２０　イオン交換処理水供給ライン
３０　カチオン交換容器再生用酸供給ライン
４０　アニオン交換容器再生用水酸化ナトリウム溶液供給ライン
５０　エアー供給ライン
６０　エアー排出ライン
７０　カチオン交換容器再生用酸排出ライン
８０　アニオン交換容器再生用水酸化ナトリウム溶液排出ライン
９０、９１、９２　フランジ
【図１】
2004098049.tif 000002
【図２】
2004098049.tif 000003
【図３】
2004098049.tif 000004