圧力交換器

圧力交換器は、高圧流体から低圧流体へ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稼働し、高圧の廃液が発生します。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の圧力を低圧流体に伝達することです

特に効率的な圧力交換器の一つに、回転式圧力交換器があります。この装置は、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流から低圧流に直接伝達されます。ダクト内に残留する流体の一部は、流体の混合を防ぐバリアとして機能します。この回転動作は、高圧の弾丸を発射する旧式の機関銃に似ており、常に新しい流体カートリッジが補充されます。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、充放電を繰り返します。

圧力交換器の性能は、エネルギー伝達プロセスの効率と流体間の混合度によって測定されます。流体のエネルギーは、流量と圧力の積で表されます。効率は、圧力差と装置を通過する体積損失（漏れ）の関数であり、以下の式で計算されます。

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

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、添え字Bはデバイスへの低圧供給、添え字Gはデバイスへの高圧供給を表します。混合は、入口ストリーム中の化学種の濃度と、デバイスへの流量比の関数です。

逆浸透

圧力交換器が広く使用されている用途の一つに、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。図示されているように、膜[C]からの高圧濃縮水は[3]、ERD[D]に送られます。ERDはこの高圧濃縮水流を用いて低圧海水流を加圧し（流[1]は流[4]になります）、その後、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流と合流します。この合流した流は膜[C]に送られます。濃縮水は低圧[5]でERDから排出され、流入する給水流[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。膜水回収率が40%の海水ROシステムでは、ERDは膜供給流量の60%を供給します。循環ポンプもエネルギーを消費しますが、このポンプは水を循環させるだけで加圧は行わないため、そのエネルギー消費量はほぼ無視できるほど小さく、高圧ポンプの消費エネルギーの3%未満です。つまり、膜供給流量の約60%は、ほとんどエネルギーを投入することなく加圧されます。

用途

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

初期の海水淡水化プラントの設計では、様々な蒸発技術が採用されていました。最も先進的なのは、多段フラッシュ蒸留式海水淡水化装置です。この装置は複数の段階を経て製造され、飲料水1立方メートルあたり9kWh以上のエネルギー消費量となります。そのため、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の低い地域、または廃熱を利用できる処理プラントの隣接地に建設されました。

1970年代には、海水逆浸透（SWRO）プロセスが開発されました。このプロセスは、海水を高圧下で密な膜に通すことで塩分や不純物をろ過し、飲料水を生成します。これらの塩分や不純物は、高濃度の塩水として連続的にSWRO装置から排出されますが、この塩水には大量の高圧エネルギーが含まれています。このエネルギーの大部分は、適切な装置を用いることで回収できます。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、膜性能の低さ、圧力損失の制限、そしてエネルギー回収装置の不足により、飲料水1立方メートルあたりのエネルギー消費量が6.0kWhを超えていました。

圧力交換エンジンの応用例としては、逆浸透膜プロセスを用い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。供給塩水は膜アレイによって高圧の超塩水（ブライン）と低圧の飲料水に分割されます。高圧のブラインはもはやこのプロセスでは流体として利用できませんが、含まれる圧力エネルギーは大きな価値があります。圧力交換エンジンは、ブラインの圧力エネルギーを回収し、供給塩水に伝達するために用いられます。圧力エネルギーをブライン流に伝達した後、ブラインは低圧で排水されます。

工業規模で飲料水を製造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。これらのタービンはプラントから排出される濃縮水（塩水）によって作動し、この濃縮水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水圧によって^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}伝達され、約98%の効率で供給水に伝達されます。^{[ 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され、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年と異なります。

エネルギーコストと資本コストの削減により、世界中の多くの地域で初めて、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可能になりました。電力コストの高い島嶼部ではコストが多少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させる可能性を秘めています。

他の分野で既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。この圧力交換システムは、特に透過水生産量が約2000 m³/日以上の大規模プラントに適しています。

参照

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した

参考文献

^ NO 870016、Leif J. Hauge
^米国特許 4887942、Leif J. Hauge、「液体用圧力交換器」、1988年9月2日発行
^逆浸透システム

[1] NO 870016、Leif J. Hauge

[2] 米国特許 4887942、Leif J. Hauge、「液体用圧力交換器」、1988年9月2日発行

[3] 逆浸透システム

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