圧力交換器

圧力交換器は、高圧流体ストリームから低圧流体ストリームに圧力エネルギーを伝達します。多くの産業プロセスは高圧で動作し、高圧の廃液ストリームを伴います。このようなプロセスに高圧流体を供給する 1 つの方法は、圧力交換器を使用して廃液圧力を低圧ストリームに伝達することです。

特に効率的な圧力交換器の 1 つに、回転式圧力交換器があります。このデバイスは、回転軸と平行な縦方向のダクトを備えた円筒形のローターを使用します。ローターは、2 つのエンド カバーの間にあるスリーブ内で回転します。圧力エネルギーは、ローターのダクト内で高圧ストリームから低圧ストリームに直接伝達されます。ダクト内に残っている液体の一部は、ストリーム間の混合を防ぐバリアとして機能します。この回転動作は、高圧弾を発射する旧式の機関銃の動作に似ており、新しい液体カートリッジが継続的に補充されます。ローターのダクトは、圧力伝達プロセスが繰り返されるにつれて充電と放電を行います。

圧力交換器の性能は、エネルギー転送プロセスの効率と、流れの混合度によって測定されます。流れのエネルギーは、流量と圧力の積です。効率は、圧力差と装置を通した体積損失 (漏れ) の関数であり、次の式で計算されます。

$${\displaystyle \eta ={\frac {\Sigma {\text{ エネルギー出力}}}{\Sigma {\text{ エネルギー入力}}}}={\frac {(Q_{G}-L)\times (P_{G}-HDP)+(Q_{B}+L)\times (P_{B}-LDP)}{Q_{G}\times P_{G}+Q_{B}\times P_{B}}}\qquad \qquad (1)}$$

ここで、Q は流量、P は圧力、L は漏れ流量、HDP は高圧差圧、LDP は低圧差圧、下付き文字 B はデバイスへの低圧供給を示し、下付き文字 G はデバイスへの高圧供給を示します。混合は、入口ストリーム内の種の濃度とデバイスへの流量の比率の関数です。

圧力交換器が広く使用されている用途の 1 つに、逆浸透 (RO) があります。RO システムでは、圧力交換器はエネルギー回収装置 (ERD) として使用されます。図に示すように、膜 [C] からの高圧濃縮液は [3] ERD [D] に送られます。ERD はこの高圧濃縮液ストリームを使用して低圧海水ストリームを加圧し (ストリーム [1] がストリーム [4] になります)、次に (循環ポンプ [B] の助けを借りて) 高圧ポンプ [A] によって生成された最高圧力の海水ストリームに合流します。この合流したストリームは膜 [C] に供給されます。濃縮液は低圧 [5] で ERD から出て、入ってくる給水フロー [1] によって排出されます。

圧力交換器は、高圧ポンプの負荷を軽減することで、これらのシステムのエネルギーを節約します。 40% の膜水回収率で稼働する海水ROシステムでは、ERD が膜供給流量の 60% を供給します。 エネルギーは循環ポンプによって消費されますが、このポンプは単に水を循環させるだけで加圧はしないため、そのエネルギー消費はほぼ無視できます。高圧ポンプで消費されるエネルギーの 3% 未満です。 したがって、膜供給流量の約 60% が、ほとんどエネルギーを投入することなく加圧されます。

海水淡水化プラントは長年にわたり飲料水を生産してきました。しかし、最近まで淡水化はプロセスのエネルギー消費量が多いため、特別な状況でのみ使用されていました。^[要出典]

初期の海水淡水化プラントの設計では、さまざまな蒸発技術が利用されていました。最も先進的なのは、多段フラッシュ蒸留海水蒸発淡水化装置です。これは複数の段階を利用し、生産される飲料水 1 立方メートルあたり 9 kWh を超えるエネルギーを消費します。このため、大型の海水淡水化装置は、当初は中東などのエネルギー コストが低い場所、または廃熱を利用できる処理プラントの隣に建設されました。

1970 年代に海水逆浸透 (SWRO) プロセスが開発されました。これは海水を高圧下で密閉膜に通して塩分や不純物をろ過し、海水から飲料水を作るものです。これらの塩分や不純物は、大量の高圧エネルギーを含む濃縮塩水として連続的に SWRO 装置から排出されます。このエネルギーのほとんどは、適切な装置で回収できます。1970 年代から 1980 年代初頭に建設された初期の SWRO プラントの多くは、膜の性能が低いこと、圧力降下が限られていること、エネルギー回収装置がないことなどから、生産される飲料水 1 立方メートルあたり 6.0 kWh を超えるエネルギーを消費していました。

圧力交換エンジンが応用されている例としては、逆浸透膜プロセスを使用した飲料水の製造が挙げられます。このプロセスでは、供給塩水が高圧で膜アレイに送り込まれます。次に、入力された塩水は膜アレイによって高圧の超塩水 (塩水) と低圧の飲料水に分割されます。高圧の塩水は、このプロセスでは流体としては役に立ちませんが、含まれる圧力エネルギーは高い価値があります。圧力交換エンジンは、塩水の圧力エネルギーを回収して供給塩水に転送するために使用されます。塩水の流れの圧力エネルギーを転送した後、塩水は低圧で排出されます。

工業規模で飲料水を生産するために海水を淡水化するために稼働しているほぼすべての逆浸透プラントには、タービンをベースとしたエネルギー回収システムが装備されています。これらはプラントから排出される濃縮物（塩水）によって作動し、この濃縮物の高圧に含まれるエネルギーを通常は機械的に高圧ポンプに伝達します。圧力交換器では、塩水に含まれるエネルギーが油圧で^{[1] [2]}伝達され、約 98% の効率で供給されます。^[3]これにより、淡水化プロセスのエネルギー需要が大幅に削減され、運用コストも削減されます。その結果、経済的なエネルギー回収が実現し、このようなシステムの償却期間は運用場所に応じて 2 年から 4 年の間で変わります。

エネルギーと資本コストの削減により、世界中の多くの場所で、1立方メートルあたり1ドル未満のコストで海水から飲料水を生産することが初めて可能になりました。電力コストが高い島ではコストが少し高くなる可能性がありますが、PEは海水淡水化市場を急速に拡大する可能性があります。

他の分野ですでに使用されている圧力交換システムを適用することで、逆浸透システムのエネルギー回収の効率は、逆回転ポンプやタービンを使用する場合よりも大幅に向上します。圧力交換システムは、とりわけ、約 ≥ 2000 m3/日の透過水生産などの大規模なプラントに適しています。

• リチャード・ストーバーは、現在ほとんどの海水逆浸透淡水化プラントで使用されているエネルギー回収装置の開発の先駆者です。

• エネルギー回収装置の性能分析 (Richard L. Stover Ph.D. 著)
• Ghalilah SWRO Plant、Richard L. Stover Ph.D.著^{[永久リンク切れ‍ ]}
• [1]
• [2]
• http://www.energyrecovery.com/news/documents/ERDsforSWRO.pdf ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• http://www.energyrecovery.com/news/pdf/eri_launches_advanced_swro.doc ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• https://archive.today/20130421173348/http://www.patentstorm.us/patents/7306437-description.html