KR19980703054A - 여과 감시 및 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공지의 특성을 갖는 필터에 공급스트림의 오염 효과를 결정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법은 공지의 특성을 갖는 필터를 통해 공급스트림을 통과시키는 단계와, 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 결정하는 단계와, 이 데이타로부터 연속적으로 또는 다수의 시간 간격으로 필터에 대한 공급스트림의 오염 특성에 반응하여 공급물 오염 지수(FFI, feed fouling index)를 계산하는 단계를 포함한다. 여과 시스템의 작동을 감시하는 방법 및 장치가 또한 개시되어 있으며, 이러한 방법은 소정 샘플링 속도로 여과 시스템 내의 소정 위치에서 시스템 변수 값을 샘플링하는 단계와, 소정 시간 간격으로 샘플링된 변수 값으로부터 변수 프로파일 특성을 발생시키는 단계와, 여과 시스템의 교정 작업을 결정하도록 변수 프로파일 특성을 분석하는 단계를 포함한다. 역류세척 효율에 기초하여 여과 시스템을 감시하고 제어하는 장치 및 방법이 또한 개시되어 있으며, 이러한 방법은 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 시스템의 역류세척 사이클 중 소정 시간에서 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항 값을 결정하는 단계와, 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템의 역류세척 사이클의 효율을 표시하는 역류세척 효율 값을 계산하는 단계와, 계산된 역류세척 효율 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함한다.

Description

여과 감시 및 제어 시스템
섬유 막 여과는 다수의 중공 튜브형 미세 다공성 섬유를 사용하는 공지된 방법이다. 각 섬유는 여과액으로부터 불순물을 추출하면서 여과액이 섬유의 외부로부터 섬유의 미세 구멍을 통해 섬유의 내부로 유동할 수 있도록 되어 있다. 미세 구멍은 예를 들어 직경이 약 0.2 미크론일 수도 있다.
실제로, 수천의 섬유가 서로 다발로 되어 셀에 내장되며, 전체 조립체는 모듈(5, 도2 참조)로 알려져 있다. 셀(6)은 통상 원통형이며, 섬유(7)는 셀의 종방향으로 연장된다. 셀의 단부는, 각 단부에서 플러그(8)를 형성하는 포팅(potting)으로 알려진 수지 등으로 통상 밀봉된다. 중공 섬유(7)의 단부는 포팅 플러그(8)를 통해 포팅 플러그(8) 내에 내장되어, 각 섬유(7)의 내부가 양 단부에서 모듈(5)의 외부와 연결되며, 그에 의해, 여과액이 두 단부 위치로부터 제거될 수 있다. 또는, 각 섬유의 양 단부는 포팅을 통해 연장되어 모듈(5)의 한 단부에서 외부와 연결되거나, 또는 하나의 섬유 단부는 포팅을 통해 연장되고 다른 섬유 단부는 밀봉될 수도 있다.
도1에서 도시된 바와 같이, 모듈(5)은 통상 (그러나, 반드시는 아님) 정렬되어 배치된 뱅크(9)에 배치되며, 각 뱅크는 매니폴드(10)와 공유하는 일 열의 모듈(5)을 포함한다.
사용 시, 공급물 또는 유입물이 모듈 셀의 내부와 섬유의 외부 사이의 공간으로 공급된다. 여과액은 섬유(7)의 미세 다공성 막을 통해 섬유의 내부로 유동하며, 그 후, 섬유의 길이를 따라 플러그(8)를 통과하여 모듈(5)의 외부로, 통상 매니폴드 내로 유동한다.
여과 시스템의 작동은 시스템으로의 공급물의 유동과, 여과액의 유동과, 가스 및/또는 여과액을 사용한 필터의 역류세척(backwashing)과, 역류 세척 중 습윤제(wetting agent) 및 특수 화학 세제의 공급을 제어하는 다수의 밸브(11)에 의해 통상 제어된다. 이들 밸브(11)는, 각 밸브로의 압축 공기의 유동이 전기 작동 솔레노이드에 의해 제어되면서, 압축 공기에 의해 통상 공압적으로 작동된다.
시스템의 작동은 시스템의 여러 지점에서 유체 유동, 유체 압력, 온도 등의 변수를 측정하는 탐지기에 의해 감시될 수도 있다. 시스템이 미리 세팅된 제어 상태에 따라 작동하는 것을 보장하도록 피드백 루프가 시스템에 구축될 수도 있다.
사용 중 섬유가 여과된 불순물로 막히게되며, 불순물을 제거하고 여과 효율을 유지하기 위해 규칙적으로 역류세척(backwashing)이 필요하다. 역류세척의 빈도 및 종류는 여과되는 공급스트림의 상태 및 종류에 따라 달라질 것이다. 도3은 여러 가지 종류의 공급물에 대한 플럭스 감소(flux decline)를 도시한다. 많은 예에서, 공급스트림의 상태는 다이내믹하며 따라서 언제 얼마나 자주 역류세척이 필요할 지를 예측하는 것은 어렵다. 이 때문에 시스템은 최악의 경우의 상태에 대비하도록 세팅될 수도 있어서, 시스템이 비효율적으로 가동된다.
특히, 특정 목적을 위한 여과 플랜트를 설계할 때 필요한 모듈(5)의 크기, 수 및 종류를 선택하는 것은 다수의 인자를 고려하여야 한다. 예를 들어, 플랜트 용량, 필요한 여과 수준, 역류세척 필요조건 및 여과될 공급스트림의 종류가 각각 조사될 필요가 있다. 이러한 인자들 중 몇몇 인자는 상대적으로 측정이 용이하지만, 특히 공급스트림의 특성을 수량화하는 것은 어렵다. 이러한 점에서, 플랜트 설계자는 유사한 종류의 공급스트림의 이전 경험에 기초하여 공급스트림에 대한 가정을 하도록 되기 쉽다. 특정 여과 결과가 달성되는 것을 보장하기 위해, 공급스트림에 대한 최악의 경우를 가정하여 플랜트가 설계된다. 따라서, 설계자는 상술된 다른 인자뿐만 아니라 크기 및 가격 조건에 대한 이들 공급스트림 가정을 균형 잡아야 한다.
공급스트림의 문제는 특수하거나 유일한 공급스트림에 대한 것일 때 더욱 문제된다. 이러한 경우, 필요한 종류의 필터 유니트에 특수 공급스트림의 영향을 평가하기 위해 비례 모델(scale model)에 의한 값비싼 시험이 필요할 수도 있다. 이는, 특히 많은 다양한 필터 유니트가 시험되는 경우, 여과 플랜트 설계 및 건설 비용을 크게 증가시킨다.
본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 하나 이상의 단점을 극복하거나 또는 적어도 상당히 완화시키는 데 있다.
본 발명의 적어도 일 태양에서 본 발명의 다른 목적은 리얼 타임(real time)으로 공급스트림의 상태를 확인하고 공급스트림의 상태에 대응하여 다이내믹하게 여과 시스템을 제어할 수 있는 제어 및 감시 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 한외여과(ultrafiltration) 및 미량여과(microfiltration) 시스템에 관한 것이며, 특히, 막 여과 시스템에서 사용되는 시험, 감시 및 제어 시스템에 관한 것이다.
본 발명이 섬유 막 여과 시스템(fiber membrane filtering system)에의 적용례에 대해 기술되었지만, 본 발명은 일반적으로 한외여과/미량여과 시스템에 적용 가능하며 설명되는 특정 적용례에 한정되지는 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 본 발명의 양호한 실시예를 설명하기로 한다.
도1은 통상의 직교류(cross-flow) 미량여과 시스템을 도시한다.
도2는 도1에서 사용된 섬유 모듈의 상세 단면도를 도시한다.
도3은 시간에 대한 다양한 종류의 플럭스 감소를 도시한다.
도4는 막의 저항 특성의 그래프를 도시한다.
도5는 역류세척에 따르는 여과액의 체적 대 저항의 그래프를 도시한다.
도6은 본 발명의 제4 태양에 따른 장치의 개략적인 선도를 도시한다.
도7은 연속 막 여과기용의 통상적인 역류세척 프로파일을 도시한다.
도8은 리웨트 프로그램 오류(rewet program fault)를 갖는 리버스 오스모시스(Reverse Osmosis)에 대한 전처리를 위한 가정용수 공급원 상에 설치된 여과기로부터 얻을 수 있는 스냅샷 프로파일을 도시한다.
도9는 오류가 정정된 도8과 같은 여과기의 스냅샷 프로파일을 도시한다.
도10은 오류가 있는 여과액 밸브 포지셔너를 갖는 여과기로부터 얻은 스냅샷 프로파일을 도시한다.
도11은 오류가 교정된 도10과 같은 여과기의 스냅샷 프로파일을 도시한다.
도12는 잉여 리웨트 압력 스파이크를 갖는 여과기로부터 얻은 스냅샷 프로파일을 도시한다.
도13은 오류가 교정된 도12와 같은 여과기의 스냅샷을 도시한다.
본 발명의 제1 태양에 따르면, 본 발명은 공지의 특성을 갖는 필터에 공급스트림의 오염 효과를 판단하는 방법에 있어서, i) 공지의 특성을 갖는 필터를 통해 공급스트림을 통과시키는 단계와, ii) 연속적으로 또는 다수의 시간 간격에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 결정하는 단계와, iii) 이 데이타로부터 필터에 대한 공급스트림의 오염 특성을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI, feed fouling index)를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
양호하게는, FFI는 여과된 체적의 함수로써 필터를 통한 저항의 변화를 도표화하여 곡선이 직선에 근접한 지점 또는 구간에서 이렇게 도표화된 곡선의 그라디언트(gradient)를 측정함으로써 계산된다.
양호한 실시예에서, 저항의 변화는 시간에 대해 필터를 통과하는 공급스트림의 누적 체적을 읽음으로써 측정될 수도 있다. 또는, 압력 감지 장치가 막 통과 압력(TMP) 강하에 의해 저항 변화에 관계되도록 필터의 양 측에 위치될 수도 있다.
본 발명의 제2 태양에서는, 본 발명은 여과 시스템을 감시하고 제어하는 온라인식 방법에 있어서, i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항을 결정하는 단계와, ii) 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템으로의 공급스트림의 오염 성질을 표시하는 지수를 계산하는 단계와, iii) 계산된 공급물 오염 지수의 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
여과 시스템은 제어 인자로서 공급물 오염 지수를 사용하여 여러 가지 방식으로 제어될 수도 있다. 예를 들어, 역류세척 사이클은 특정 량의 공급스트림에 대해 최적화되어 연속 기준으로 공급스트림의 양에 따라 다이내믹하게 변화될 수도 있다. 마찬가지로, 시스템에는 초기 설치 시 여과 시스템의 성능을 최적화하는 초기 공급스트림 양을 기초로 한 자기 셋업 공정(self set up procedure)을 제공할 수도 있다.
특히, 본 발명은 역류세척 공급원(backwash lagoon)의 오염 특성 측정 시 유용하다. 여과 프로세스는 유입되는 공급물을 여과액 및 역류세척 스트림으로 분리한다. 역류세척 스트림은 통상 공급스트림 유동의 10%이다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 건조 구역(arid area)에서 여과 시스템과 같이 역류세척 스트림으로부터 가능한 한 많은 액체를 복구시키도록 하는 것이 중요하다. 이러한 경우에 역류세척은 통상 공급원에 설치(settle)된다. 공급원으로부터 표면에 뜨는 것은 여과 시스템의 전방으로 복귀되어 유입되는 공급스트림과 쇈디드되거나(shandied) 또는 혼합된다. 표면에 뜨는 유동을 온 오프 시킴으로써, 공급원의 오염 특성은 공급물 오염 지수의 변화를 감지함으로써 감시될 수 있다. 표면에 뜨는 것의 오염 성질이 공급물 오염 지수를 상승시킴으로써 도시된 바와 같이 과도하게 상승되기 시작하면, 시스템은 자동적으로 또는 작업자의 작업을 요청함으로써 이러한 문제를 교정하기 위한 작업을 개시하도록 될 수 있다.
제3 태양에서, 본 발명은 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 결정하는 오프라인식 방법에 있어서, i) 공지의 특성을 갖는 필터를 통해 소정 압력에서 공급스트림의 샘플을 통과시키는 단계와, ii) 연속적으로 또는 다수의 시간 간격에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 결정하는 단계와, iii) 이 데이타로부터 공지의 필터에 공급스트림 샘플의 오염 특성을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI)를 계산하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
양호하게는, 이러한 방법은 여과 유니트에서 사용하기 위한 막 필터에 대해 계산된 제2 FFI와 FFI를 상관(correlating)시키는 단계를 또한 포함한다.
바람직하게는, FFI는 여과된 체적의 함수로써 필터를 통한 저항의 변화를 도표화하여 곡선이 대체로 직선에 근접한 지점 또는 구간에서 이렇게 도표화된 곡선의 그라디언트를 측정함으로써 계산된다.
필터의 저항의 변화는 필터를 통한 공급스트림의 누적 체적을 다수의 소정 시간의 지점에서 기록함으로써 측정되는 것이 바람직하다.
다른 실시예에서는, 압력 감지 장치가 시간에 대한 필터의 저항의 변화를 측정하도록 또는 평가하도록 사용될 수도 있다.
FFI는 저항 또는 압력 데이타의 입력에 반응하여 컴퓨터에 의해 계산되는 것이 바람직하다. 양호한 특정 실시예에서, 컴퓨터는 입력된 데이타로부터 외삽하여 FFI의 보다 정확한 계산을 제공한다.
제4 태양에서, 본 발명은 상기 제3 태양의 방법에 의해 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 결정 시 사용하는 장치에 있어서, 공지의 성질을 갖는 필터와, 소정 압력에서 상기 필터를 통해 공급스트림의 샘플을 통과시키는 수단과, 시간에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 측정하는 수단과, 다른 공지의 필터에 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 평가하도록 유동에 대한 저항의 측정된 변화에 기초하여 상기 필터에 공급스트림의 오염 성질을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI)를 양적으로 계산하는 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
양호하게는, 필터를 통해 공급스트림 샘플을 통과시키는 수단은 샘플을 유지하기 위한 용기 및 소정 압력에서 필터로 샘플의 전달을 위해 용기 내의 샘플을 가압하는 수단을 포함한다.
양호하게는, 가압 수단은 수동으로 작동되는 펌프이다. 보다 양호하게는, 상기 용기 및 가압 수단은 변형된 수동 작동되는 가든-스프레이 장치(garden- spraying apparatus)의 형태로 제공된다.
양호하게는, 필터 요소는 셀룰로스 아세테이트 종류로 제조된다. 특히 바람직하게는 0.22 마이크로미터의 셀룰로스 아세테이트 필터 용지가 사용된다.
일 실시예에서, 조절 수단은 압력 게이지를 장착한 조절 가능한 밸브의 형태를 갖는다. 제2 압력 게이지가 용기와 조절기 사이에 인라인식으로 위치되는 것이 바람직하다.
양호하게는, 하나 이상의 수동 작동 가능한 밸브가 장치의 프라이밍 및 세척을 가능하게 하도록 제공된다.
측정되어 제어 변수로서 사용될 수도 있는 여과 시스템의 다른 변수는 역류세척 효율이다. 역류세척 효율은 여과 시스템 및 공급스트림 모두의 성질이며, 따라서, 여과 시스템 성능을 최적화시키도록 사용될 수도 있다. 또한, 복잡한 시험적인 설계를 사용함으로써 다수의 설계 중 어는 설계가 주어진 위치 또는 작동 상태 세트에 가장 적절한지를 평가할 수 있다.
역류세척 효율은 또한 공급스트림의 성질에 따라 변화되며 공급스트림에 알룸(alum)과 같은 화학물질을 투여(dosing)할 때 pH 변화와 함께 극적으로 변화되기 때문에, 투여 절차를 제어하기 위한 유용한 제어 변수인 것이 발견되었다. 유용한 제어 방법은 직접 pH를 측정하여 제어 변수로서 pH를 사용하여 제어하는 것이다. 그러나, pH 센서는 정확한 측정을 유지하는 것이 어려워서 공급스트림의 오염 특성을 사용한 제어가 보다 신뢰성 있는 작업을 제공하도록 설정되었다.
본 발명의 제5 태양에 따르면, 여과 시스템을 감시하고 제어하는 방법에 있어서, i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 시스템의 역류세척 사이클 중 소정 시간에서 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항 값을 결정하는 단계와, ii) 단계 i)에서 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템의 역류세척 사이클의 효율을 표시하는 역류세척 효율 값을 계산하는 단계와, iii) 계산된 역류세척 효율 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
양호하게는, 역류세척 사이클 중 소정 시간은 이전 역류세척 직후, 다음 역류세척 직전 그리고 다음 역류세척 직후이다.
본 발명의 제6 태양에 따르면, 여과 시스템을 감시하고 제어하는 장치에 있어서, i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 시스템의 역류세척 중 소정 시간에서 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항 값을 결정하는 수단과, ii) 수단 i)에서 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템의 역류세척 사이클의 효율을 표시하는 역류세척 효율 값을 계산하는 수단과, iii) 계산된 역류세척 효율의 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 수단을 포함하는 장치가 제공된다.
본 발명의 제7 태양에 따르면, 여과 시스템의 작동을 감시하는 방법에 있어서, i) 소정 샘플링 속도로 여과 시스템 내의 소정 위치에서 시스템 변수 값을 샘플링하는 단계와, ii) 소정 시간 간격으로 샘플링된 변수 값으로부터 변수 프로파일 특성을 발생시키는 단계와, iii) 여과 시스템의 교정 작업을 결정하도록 변수 프로파일 특성을 분석하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
양호하게는, 분석 단계는 소정 특성에 대해 발생된 프로파일 특성을 비교하여 소정 특성으로부터 이탈(diverge)하는 발생된 특성 내의 구역을 확인(identifying)하는 단계를 포함한다.
제8 태양에 따르면, 본 발명은 여과 시스템의 작동을 감시하는 장치에 있어서, i) 소정 샘플링 속도로 여과 시스템 내의 소정 위치에서 시스템 변수 값을 샘플링하는 수단과, ii) 소정 시간 간격으로 샘플링된 변수 값으로부터 변수 프로파일 특성을 발생시키는 수단과, iii) 여과 시스템의 교정 작업을 결정하도록 변수 프로파일 특성을 분석하는 수단을 포함하는 장치를 제공한다.
분석 수단은 소정 특성에 대해 발생된 프로파일 특성을 비교하여 소정 특성으로부터 이탈하는(diverge) 발생된 특성 내의 구역을 확인하는 수단을 포함할 수도 있다. 이러한 비교의 결과로서, 상기 분석 수단은 이탈(divergence)을 야기하는 가능한 고장부를 표시하며 문제점에 대한 가능한 해결 방법을 제시하여 고장부가 교정되거나 또는 우회되며 시스템 작동이 최적 작동으로 복귀될 수도 있다.
이러한 조절(troubleshooting)은 작업자/사용자에게 스냅샷의 상호 작용하는 표시가 제공되며, 작업자는 스냅샷의 구역을 표시할 수 있으며 그는 스냅샷의 구역의 분석에 대해 고장부 또는 해결책 대한 상세(detail)에 관심을 가져 그를 얻음으로써 상호 작용하는 방식으로 수행될 수도 있다. 필요한 분석의 종류의 선택은 드롭 다운 메뉴 (drop down menu) 등에 의할 수도 있다.
본 발명의 양호한 일 실시예에서, 감시 및 제어 시스템은 시스템의 선정된 작동 변수를 감시하도록 배치된 다수의 감지 및 감시 장치에 인터페이싱된 전용 컴퓨터 처리 시스템을 포함한다. 시스템 프로그램의 제어 하에서 프로세서는 입력된 변수에 반응하여 여과 시스템의 작동을 제어한다. 시스템 작동의 제어와는 별도로, 제어 및 감시 시스템은 시스템 성능, 데이타 기록(data logging) 및 시스템 원격측정법을 정기적으로 시험하도록 프로그래밍될 수도 있다.
상술된 바와 같이, 공급물 오염 지수(FFI, feed fouling index)는 공급스트림의 상태의 양호한 표지이다. 이러한 지수는 공급스트림이 현재 얼마나 오염되었는가 및 공급시스템의 양에 따라 얼마나 변화될 것이냐의 함수이다. 특정 시스템의 FFI는 다음과 같이 계산될 수 있다. 특정 막의 저항은 R = (ΔP x A)/(η x Q)에 의해 결정된다.
여기서,
R = 유동에 대한 저항 (m-1), 통상 1012,
η = 공급스트림의 점성(Pa, S), 물이라고 가정,
ΔP = 막 통과 압력(Pa), 통상 TMP라 함,
Q = 막을 통한 유동(m3sec-1), 및
A = 막의 면적(m2).
액체가 막을 통과할 때 액체는 오염되며 저항이 증가된다. 많은 경우에, 이러한 증가는 막을 통과한 액체의 양에 비례한다. 저항 특성의 그래프는 도4에서 도시되어 있다.
R = Rm+ Rf= Rm+ FFI x V/A
여기서
Rf= 오염 층에 의한 유동에 대한 저항
Rm= V가 0일 때 유동에 대한 저항
FFI = 공급물 오염 지수, 통상 0 - 500 x 1012m-2,
V = 막을 통과하는 여과액의 부피.
표준 섬유에 비교한 소정 섬유의 성능은 MMP로 주어지며, 여기서, 표준 섬유에 대한 MMP는 1이다. 막(X)에 대해서는,
MMPX= FFIX/ FFIMSF
여기서,
MMPX= 섬유(x)에 대한 막의 다공성,
FFIX= 섬유(x)에 대한 공급스트림 오염 지수, 및
FFIMSF= FFIX에 대해 사용되는 동일한 공급스트림 상의 표준 섬유에 대한 공급물 오염 지수.
공급물 오염 지수(FFI, feed fouling index)는 연속 미량여과 플랜트로부터 상류 공정의 효율을 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 생물반응기(bioreactor)가 2차 오수 또는 처리된 종이 폐기물을 생성하도록 사용되는 경우 또는 정수기가 음용수(potable water)를 처리하도록 사용되는 경우, FFI는 부유하는 고체 수준 및 고체의 성질(입자 크기, 압축성 등)의 평가를 제공할 것이다. 이러한 상류 프로세스의 작동 변수를 변화시켜 FFI를 감시함으로써, 연속 미량여과 프로세스가 최적화될 수 있으며, 보다 경제적인 성능을 가능하게 한다.
오염된 층의 압축성은 TMP가 증가되기 때문에 소정의 오염 층의 저항의 증가의 측정 수단이다. 이는 FFI의 명백한 증가로 알 수 있다. 몇몇 공급스트림은 상대적으로 압축 불가능하거나, 또는 시초 TMP 값에 대해 약간 압축 가능하게 될 수도 있다. 강물은 이러한 종류에 속한다. 그러나, 유기 고체 레벨이 증가되면서 압축성이 증가된다. 오수는 유기 고체의 양에 따라 압축 가능하다. 부유하는 고체 레벨이 높으면, 특히, 조류(algae)가 존재하면, 압축성은 높다. 종이 폐기물은 특히 압축 가능하다.
양호한 질의 2차 오수(부유하는 고체 및 용해된(soluble) BOD가 5 미만)는 통상의 또는 저질 2차 오수보다 상당히 작은 압축성을 갖는다. FFI는 또한 낮으며, 보다 높은 플럭스 및 보다 높은 TMP's가 사용될 수 있다. 후자는 또한 화학 세척 사이의 시간을 연장시켜, 시스템의 작업 비용을 감소시킨다.
재순환 압력 강하는 모듈 폐쇄(blocking)의 측정 수단이다. 인산염을 제거하기 위해 오수의 플로싱(floccing) 시, TMP는 캐시(cach) 역류세척으로 복구될 수도 있다. 도달된 최대 TMP는 낮게 유지될 수도 있으나, 재순환 압력은 신속하게 증대(build up)된다. 이는 모듈에서의 고체의 증대에 관련된다. 이러한 인자는 통상 발생되는 최대 TMP보다는 화학 세척을 개시하도록 사용될 수 있다.
도6에서 도시된 양호한 제2 실시예에서, 본 발명은 상술된 방법을 사용한 공급스트림의 잠재적인 오염 영향을 결정 시 사용하기 위한 장치(30)를 포함한다.
장치(30)는 샘플 용기(31) 및 수동 작동 가능한 압력 펌프(32)를 포함한다. 압력 호스(33)는 용기(31)의 내부로부터 필터 하우징(34)으로 연장되며, 제1 압력 게이지(36)를 장착한 수동으로 작동 가능한 인라인식(in-line) 제1 밸브(35)를 포함한다. 제2 알력 게이지(37)가 또한 용기(31)와 필터 하우징(34) 사이의 호스(33)에 인라인식으로 제공된다. 다른 실시예에서, 압력 호스(33)는 생략되며, 밸브(35)는 직접 필터 하우징(34)과 용기(31)의 내부를 연결한다.
필터 하우징(34)은 공지의 특성을 갖는 (도시되지 않은) 폐기 가능한(disposable) 필터 요소를 지지하도록 되어 있다. 양호한 실시예에서, 0.2 μm의 셀룰로스 아세테이트 필터 용지가 사용된다.
사용 시, 공급스트림 샘플은 용기(31) 내에 위치된다. 장치는 프라이밍되고(primed) 깨끗한 필터 요소가 필터 하우징(34) 내에 설치된다. 그 후, 수동 펌프가 약 120 kPa로 용기를 가압하도록 작동된다.
제1 밸브(35)는 공급스트림 유체가 정상적으로(steady) 50 kPa에서 필터로 공급될 때까지 개방된다. 필터 하우징(34)의 출구측으로부터 유동하는 여과액이 (도시되지 않은) 측정 비이커에 포획된다. 매 분(minute) 종료시, 약 16 개의 샘플이 취해질 때까지 여과액의 누적 체적이 기록된다.
그 후, 유동은 정지될 수도 있으며 장치는 다른 시험 준비를 위해 플러싱되어(flushed) 세척된다.
기록된 시간 및 누적 체적 자료는 상술된 수식에 따라 공급스트림의 FFI를 계산하는 적절한 소프트웨어 프로그램으로 입력된다. FFI는 시간/체적 곡선을 외삽하는(extrapolate) 소프트웨어를 포함함으로써 보다 정밀하게 계산될 수도 있다. 평균 또는 내삽(interpolation)과 같은 다른 데이타 조작 기술이 마찬가지로 사용될 수 있다.
다른 밸브(38, 39)가 장치 프라이밍(priming) 및 세척을 위해 제공될 수도 있다. 공급스트림 샘플의 유동 특성 및 압력을 달리 제어 또는 측정하기 위한 밸브, 게이지 또는 압력 센서가 제공될 수도 있다.
FFI는 공급스트림 및 필터의 특성이다. FFI의 범위를 갖는 다른 종류의 필터의 성질을 측정함으로써, 필터 종류의 범위에 특정 공급스트림의 잠재적인 오염 효과가 하나의 공급스트림 샘플로 양적으로 평가될 수도 있다. 여과 시스템은 값비싼 시험 절차를 필요로 하지 않으면서 특정 성능 수준으로 설계되고 스케일링될(scaled) 수 있다.
FFI는 기존 여과 시스템 작동을 최적화시키며, 감시하며 및 조정하도록 사용될 수도 있다. 온라인식 태양에서, 본 발명은 공급스트림 품질의 연속 또는 규칙적인 점검을 수행할 수도 있다. 이에 의해, 역류세척 및 유지보수 사이클이 최대한 효율적으로 수행될 수 있다.
본 발명의 오프라인식 태양(off-line form)은 온라인식 시험을 포함하지 않는 기존 시스템을 조정하도록 사용될 수도 있다. 또는, 오프라인식 시스템, 특히, 기술된 장치는 여과 시스템이 설계되기 전 공급스트림 품질 평가 시 매우 귀중한 도구로서 사용될 수도 있다. 공급스트림 품질의 정량적 평가에 의해 시스템 설계자들은 소정의 공급스트림에 반응하여 다양한 여과 요소의 가상의 행동(likely behavior)을 보다 정확하게 예측할 수 있다. 이는 여과되는 공급스트림이 유일한 또는 희귀한 종류일 때 특히 중요하다.
전술한 바와 같이, 역류세척 효율은 또한 유용한 제어 변수이다. 도5에서 도시된 바와 같이, 각 역류세척 후, 막의 저항은 감소되나 원래의 값으로 복귀되지는 않는다. 역류세척 효율은 저항 값이 원래의 값에 얼마나 근접하는가의 측정이다.
역류세척 효율(BE, backwash efficiency)은 다음과 같이 정의된다.
BE = 1 - (R3- Ri)/(R2- Ri) x 100
여기서, Ri= 시간 i에서의 저항이다. (i = 1은 이전 역류세척 바로 직후, i = 2는 문제의 역류세척 직전, i = 3은 문제의 역류세척 직후)
역류세척 효율은 역류세척의 효율을 최적화시키도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 기계로의 공기 라인의 용량(따라서 공기 공급량)의 증가는 역류세척의 최대 음의(negative) TMP를 증가시킨다. 따라서, 이는 역류세척 효율을 증가시킨다. 또한, 공기 온 펌프 온(AOPO, air on pump on) 단계의 포함은 역류세척의 효율을 증가시키는 것을 알 수 있다. AOPO는 가스 역류세척이 아직 진행 중 연속 미량여과 유니트의 셀 내로 공급 유체가 다시 공급되는 프로세스를 말한다. 10초의 AOPO 지속시간은 5초의 AOPO에 비해 역류세척 효율을 보다 더 개선시키지 않는다. 또한, 역류세척 중 8,000 리터/시간/모듈의 직교류 유동은 4,000 리터/시간/모듈과 동일한 역류세척 효율을 나타낸다. 역류세척의 모든 단계, 즉, 공기 온의 지속 시간(예비 AOPO), AOPO의 길이, 세척 단계의 속도 및 지속시간 등이 최적화될 수 있다. 이는 기계 종류, 공급물 종류, 시간에 대한 특정 공급물, 또는 높은 플럭스가 작동 비용보다 중요하게 되면 동일한 공급물에 대해 변화되는 것이 당연하다.
또한, 역류세척 효율 측정은 공급물의 처리를 최적화하도록 사용될 수 있다. 염소는 리버스 오스모시스(RO, reverse osmosis) 막의 오염을 감소시키며, 액체 역류세척으로서 한외필터(ultrafilter)에서 사용될 수도 있다. 폴리프로필렌 막으로 오수에서 그리고 PVDF 막으로 생활 오수(town water)에서 모두, 연속 미량여과를 위한 역류세척 효율을 개선시키는 것으로 생각된다. 다른 화학 물질이 역류세척 효율을 개선시키도록 사용될 수도 있다. 이러한 화학 물질의 농도 및 이들이 가해지는 방식은 (즉, 공급물이 막에 부딪히기 전 그리고 역류세척 직후 화학 물질의 보다 높은 펄스를 가할 수 있는 역류세척 후 화학 물질만을 가하는 시간은) 보다 최적화될 수 있다. 역류세척이 보다 효율적인 것으로 알려지기 전 기계가 최대 TMP로 가동되는 것이 가능하다. (이는 여과 시 일정 시간 후 또는 소정의 TMP 또는 저항이 증가된 후 역류세척의 현재 방법과 비교된다.)
또한, 막에 고체의 부착을 방지하기 위해 예비 피막(precoat)의 사용은 역류세척 효율 측정치를 사용하여 최적화될 수 있다. 이는 피막 상에 불순물의 수집 효과를 가지며, 피막 및 불순물은 역류세척 프로세스 중 막으로부터 제거된다. 이러한 예비 피막은 역류세척 가능한 한외필터, 나노필터 또는 RO 필터도 가능하도록 사용될 수 있다.
프로세스를 최적화하기 위해 역류세척 효율을 사용하는 예는 실제 (용해된) 칼라를 제거하기 위한 음용수의 플로싱(floccing)이다. pH가 감소되면 알룸 플록(alum floc)의 효율은 증가된다. 그러나, pH가 6.0 아래로 떨어지면 역류세척 효율은 약 98%로부터 70%로 감소된다. 이는 다시 pH를 6.0 위로 상승시키면 역전된다는 것이 발견되었다.
여과 시스템이 올바로 작동되고 있는지 여부를 보장하도록 그리고 시스템 성능의 악화 또는 고장(failure)을 검사하도록 시스템을 제어하고 감시함으로써 다수의 시험 절차가 사용될 수도 있다.
폐수 여과 시스템은 수천의 섬유를 각각 포함하는 수 백의 모듈을 포함한다. 이러한 시스템에서의 고장은 드물지만, 하나의 섬유의 고장 또는 파손은 여과되지 않은 유입물을 고장난 섬유의 내부로 유입시켜 여과액을 오염시킴으로써 전체 시스템의 완전성(integrity)을 손상시킬 수 있다.
고장난 섬유(failed fiber)를 포함하는 모듈을 색출하는 공지의 시험은 확산 공기 유동 (DAF, Diffusive Air Flow) 시험이다. 확산 공기 유동은 막 내의 물에 공기의 가용화(solubilisation)를 통해 높은 압력 구역으로부터 낮은 압력 구역으로의 유동이다. 이 시험에서 섬유들과 소정의 모듈(들)의 셀 사이의 공간은 공기 또는 물로 충전되며 섬유의 내부에는 가압된 공기가 공급된다. 섬유 막은 액체로 구멍을 충전시키도록 미리 적셔지며 공기가 섬유의 내부로부터 섬유의 외부로 확산되는 속도가 측정된다. 고장난 섬유가 없는 경우, 속도는 특정 막에 대한 소정의 압력 차이에서 섬유 내부로부터 섬유 외부로 예상된 확산 유동을 표시하는 기준 값과 상관될 것이다.
임의의 압력이 초과되면 확산 유동은 구멍에서 공기 버블의 발생에 의해 동요(upset)될 것이다. 이는 막의 버블 지점으로 알려지며 이하의 식에 의해 한정된다.
P = 4·cos(θ)·B·γ/d
여기서,
P = 버블 지점 압력,
θ = 웨팅 각(wetting angle),
B = 비콜드 모세관 상수(Bechold capillary constant),
γ = 웨팅 액체의 표면 장력, 및
d = 구멍 직경.
구멍을 통한 확산 유동에 대향된 고장부를 통한 공기 유동에 의한 성분을 포함할 것이기 때문에 고장난 섬유가 존재하면 측정된 속도는 보다 높다. 섬유 루멘(fiber lumen)의 완전성 감시에 유용한 다른 시험은 압력 감소 시험(pressure decay test)이다. 이 시험은 일반적으로 표준 기계 상에 자동화된 프로세스로서 몇몇 형태로 사용 가능하다. DAE 시험에서, 루멘은 우선 압력(통상 100 kPa)으로 공기에 의해 가압되어 막의 셀 측을 충분히 유지한다. 일단 시험 압력에 도달되면, 여과액 측은 밀봉되며 셀 측은 대기로 통풍된다. 그 후, 시간에 대한 여과 시스템의 압력 강하가 감시된다. 이러한 압력 강하는 막을 통한 공기 유동에, 따라서, 누설 밸브가 없다면 시스템 완전성에 직접 관계된다.
이 시험은 현장에서(on-site) 수행되는 간단하고 편리한 시험이면서 log 4.5 내지 5.0 미만의 완전성 레벨을 필요로 하는 시스템에 특히 유용하다. 그러나, log 5 보다 큰 완전성 레벨은 1 kPa/min(0.14 psi/min) 미만의 압력 강하율을 필요로 하며, 이는 정확히 측정하는 것이 어렵다. 이러한 경우 DAF 시험이 사용된다.
이들 시험은 규칙적인 간격으로 그리고/또는 감지된 성능 변수의 악화에 대응하여 제어 시스템에 의해 자동적으로 수행될 수 있다.
여과 시스템은 여과 시스템의 작동을 제어하기 위한 다수의 밸브를 사용하며, 이들 밸브의 올바른 작동은 시스템 성능의 최적화에 매우 중요하다. 본 발명의 일 태양에 따른 제어 시스템은 밸브의 제어 및 감시를 위한 다수의 선택사양을 제공한다.
여과기 상의 하나의 밸브가 고장났는지 또는 누설되는지 여부를 탐지하는 것은 어렵다. 주요 고장은 기계 작업을 정지시킬 것이며 여과 고장 경보에 의해 간단히 탐지된다. 지능 감시 및 제어 시스템의 사용에 의해 밸브 성능의 광범위한 감시가 가능하다. 제어 시스템은 소정 기준 시간에서 기계의 압력 프로파일을 측정하며 규칙적인 간격으로 또는 연속적으로 기준 프로파일과 현재의 값을 비교한다. 큰 차이가 없으면, 이는 기계가 정상적으로 가동되고 있는 것을 나타내며 모든 밸브는 올바로 작동된다. 임의의 큰 차이는 밸브 고장을 표시하며 감시 시스템에 의해 보고될 것이다.
이하의 실시예는 막 여과 시스템의 역류세척 사이클에 대한 압력 프로파일에 관련된 본 발명의 일 태양을 도시한다. 그러나, 상술된 바와 같이 이러한 태양에 따른 본 발명은 예를 들어, 폴리머 용액(melt) 여과, 가스 여과와 같은 임의의 여과 시스템 및 필터 막의 규칙적인 세척이 필요한 리버스 오스모시스 시스템(reverse osmosis system)의 작동 변수에 동일하게 적용 가능하다.
역류세척 프로파일은 역류세척 사이클 중 발생된 압력 및 유동의 기록이다. 이는 역류세척 중 무엇이 발생되었는지에 대한 상당한 양의 정보를 제공하며 본 발명의 본 실시예에서는 연속 막 여과 유니트의 역류세척 성능의 문제점을 진단하도록 사용된다.
역류세척의 성질 때문에 압력 및 유동은 급격히 변화되며, 따라서, 변화를 측정하고 기록할 수 있는 특수 데이타 기록 장비(data logging equipment) 및/또는 소프트웨어를 사용하여 기록된다. 가장 통상적으로 사용되는 수단은 얻어진 데이타의 수집, 저장, 표시 및 분석을 위한 적절한 소프트웨어와 함께 아날로그 수단 입력 또는 직접 디지털 입력을 위해 필요한 아날로그 디지털 변환기 및 아이솔레이터(isolator) 와 결합된 랩탑 컴퓨터에 의한 것이다. 통상의 역류세척 프로파일에서, 공급물 및 여과액 압력의 그리고 공급물(또는 여과액) 유동의 데이타가 수집될 것이다. 이러한 장비는 장기간의 데이타 수집중 매 2분마다 한번씩과 비교되는 통상 초당 10 내지 20 지점의 속도 데이타를 샘플링한다.
역류세척 프로파일을 해석하기 위해 역류 세척의 여러 가지 단계 및 이들의 목적의 이해가 필요하다.
연속 미량여과 유니트에 대한 통상의 프로파일이 도7에서 도시되어 있다. 제공된 데이타는 초당 20 샘플의 샘플링 속도로 데이타 기록 장비를 사용하여 수집되었다. 막 통과 압력(TMP, transmebrane pressure)이 공급물 및 여과액 압력 사이의 차이로부터 계산되며 도7에 또한 도시되어 있다.
도7에서 도시된 압력 프로파일은 역류세척의 효율에 영향을 주는 여러 역류세척 단계와 관련된 다수의 특징을 포함한다. 다음은 도7을 참조하여 역류세척 단계를 설명하기로 한다.
도7에서, 초기 역류세척 단계는 루멘 배수 단계(A, drain lumen step)이다. 이 단계의 기능은 공기로 가압하기 전 루멘으로부터 액체를 배수하는 것이다. 루멘 배수는 막 버블 지점을 초과하지 않으면서 합리적인 시간으로 루멘으로부터 액체를 압박하기에 충분한 공기 압력을 필요로한다. 루멘 배수 압력이 너무 높으면, 셀 측 내로 공기의 돌파(breakthrough)가 발생될 수도 있다. 이는 역류송풍(blowback) 단계(C)에서 감소된 음의 막 통과 압력(TMP) 및/또는 불규칙한 역류 송풍을 야기할 수 있다. 루멘이 충분히 배수되지 않으면, 역류세척은 불규칙하게 될 것이다. 따라서, 루멘은 가장 효과적인 역류세척을 달성하기 위해 충분히 배수되어야 한다.
다음 단계는 가압 단계(B)이다. 이 단계 중 셀 및 여과액 측 모두는 이상적으로는 약 600 kPa(87 psi)로 가압되어야 한다. 이는 역류송풍 단계 중 최대 음의 TMP가 된다. 도1에서 셀 및 여과액 모두는 약 600 kPa로 균일하게 가압되며 이 단계 중 최소 음의 TMP가 있다.
가압 단계는 다음은 역류송풍 단계(C)이다. 셀 측 밸브의 신속한 개방에 의해 이 단계에서 발생된 음의 TMP는 막의 효과적인 역류세척에 매우 중요하다. 발생된 음의 TMP는 역류세척 밸브가 개방되는 속도, 셀 측의 공기의 존재(단계(B) 이상), 및 액체 가속이 극복해야 하는 역류세척 라인에서의 저항에 따라 변화될 수 있다.
에어 온 펌프 온 단계(D)는 대부분의 공급스트림에서 특히 유익하다. 충분한 시간이 이 단계에 대한 프로그램에서 허용되어야 한다(최소 5초). 프로파일에 대한 공급물 유동 속도의 추가는 이 지점에서 충분한 공급물 유동을 보장하는 데 도움을 준다.
셀 세척 단계(shell sweep step) 중 여과 및 리웨팅 전 셀 측으로부터의 공기의 제거 및 모듈로부터의 고체의 완전한 플러싱을 보장하기 위해 충분한 유동이 필요하다.
이 단계를 위한 시간은 소정 설계 세척 유동에 기초하여 세팅된다고 가정할 때, 이 단계에서의 유동이 설계 유동 이하이면 모듈 폐색(blockage) 및 조악한 역류세척 회복을 야기하는 불충분한 고체 제거가 발생될 것이다. 유동이 설계 유동보다 높으면 잉여 역류세척이 발생되며, 전체 효율을 감소시킬 것이다.
단계(F)는 루멘을 재충전하고 리웨팅 전 여과 시스템으로부터의 잔여 공기를 제거(purge)하는 것이 필요하다.
루멘 충전(lumen fill)이 불충분하면 이는 리웨트(rewet)의 가압 단계 중 공기가 루멘으로 유입되어 가역류세척(pseudo-backwash) 및 그에 의한 조악한 리웨트를 야기할 것이다. 과도하게 긴 배기 단계(exhaust step)는 역류세척에 영향을 미치지 않으나 가동 정지 시간(downtime) 및 폐기물 체적을 증가시켜, 전체 효율 및 여과액 생산이 저하될 것이다.
역류세척 프로세스에서 다음 단계는 리웨트 사이클이다. 이러한 사이클은 여과 사이클의 재개를 위한 적절한 상태로 루멘을 복귀시키기 위해 필요하다. 이 사이클은 가압 단계(G)와 함께 개시되며, 역류세척 가압 단계(B)와 같이 여과액 및 셀 측 압력 모두는 적어도 500 kPa, 양호하게는 600 kPa(87 psi)에 도달되어야 한다. 이보다 낮은 압력은 불완전한 리웨팅을 야기할 수도 있다.
리웨트 사이클의 다음 단계는 리웨트 배기 단계(H)이다. 이 단계에서 셀 및 여과액 압력은 대체로 동일한 속도로 강하된다는 점이 중요하다. 셀 및 여과액 압력이 다른 시간에 강하되면, 그 결과 음 또는 양의 TMP가 될 것이며 이들은 방지되어야 한다.
리웨트 배기 단계 중 약간의 공기가 섬유 벽으로부터 셀 측 내로 방출된다. 셀 배기 단계(I)의 목적은 여과로 복귀되기 전 셀로부터 이러한 공기를 제거(또는 제2 리웨트)하는 데 있다.
역류 세척 작업의 보다 상세한 설명이 본 명세서에서 참조된 관련 특허 출원 제PCT/AU95/00587호, 오스트레일리아 특허 공개 제55847/86호, 오스트레일리아 특허 제34400/84호 및 오스트레일리아 특허 공개 제77066/87호에서 설명되어 있다.
역류세척 프로파일은 압력 및 유동을 직접(필요시 다른 데이타와 함께) 측정한다. 따라서, 밸브, 액츄에이터, 솔레노이드 등의 시각적인 점검을 사용하여 항상 명백하지는 않는 고장을 찾아낼 수 있다.
이하의 실시예는 프로파일 분석을 사용하여 확인될 수 있는 문제점의 종류를 표시하도록 설계되었다.
제1 실시예 - 4M10C CMF 유니트 - 리웨트 프로그램 고장
도8은 리버스 오스모시스로 전처리를 위해 가정용수 공급원에 설치된 4M10C 기계로부터 얻은 스냅샷 프로파일을 도시한다. 스냅샷은 20 Hz의 샘플링 속도로 기록 장비를 사용하여 수행되었다. 기계는 불충분하게 가동되었으며 빈번한 세척을 필요로 하였다.
사이클의 역류세척부(0 내지 65초)에 기록된 유일하게 비정상적인 특징은 셀 세척(sweep) 중 여과액 압력이 높게 유지된다는 점이다. 이는 셀 세척 단계의 개시 후 5 초간 통풍되도록 다시 프로그램되었다.
역류세척 단계와는 달리 리웨트 프로파일은 명백히 비정상적이다. 여과액 및 셀 측이 균일하게 가압되지 않았으며 600 kPa에 도달하지도 않았기 때문에 리웨트 가압 단계에서 문제점이 명백하다. 이는 공기가 시스템으로부터 탈출하고 있으며 충분한 가압이 방해된다는 것을 의미한다. 플랜트의 보다 상세한 검사에 의해 공급물 밸브가 리웨트 가압 단계 중 폐쇄되지 않았다는 것을 알 수 있다. 이는 용이하게 고칠 수 있는 프로그래밍 오류이다. 수정된 프로파일이 도9에서 도시되어 있다. 새로운 프로파일은 셀 세척 중 여과액 압력의 통풍 효과 및 리웨트 프로파일에서의 현저한 개선을 도시한다.
제2 실시예 - 90M10C CMF 유니트 - 잘못된 여과액 밸브 포지셔너
90M10C 기계로부터 얻은 프로파일이 도10에 도시되어 있다. 역류세척 및 리웨트 가압 단계 중 가압은 보잘것없다. 역류송풍 중의 TMP는 음이 아니고 실제로 양이며 따라서 실제 역류세척이 전혀 없다. 이러한 경우에서의 고장은 여과액 제어 밸브이다. 밸브 포지셔너는 여과액 제어 밸브가 어떠한 단계에서도 완전히 폐쇄될 수 없게 한다. 따라서 공기가 연속적으로 여과액 라인을 통해 손실되기 때문에 유니트는 가압될 수 없다.
여과액 제어 밸브 포지셔너를 다시 조절한 후, 프로파일이 도11에서 도시된 결과로 다시 기록되었다. 현재, 음의 TMP는 양호한 역류세척을 하는 약 380 kPa이다.
그러나, 프로파일은 여전히 리웨트 배기중 음의 TMP 스파이크의 지속시간이 바람직한 것(약 2.5초, 1초의 권장 최고치 참조)보다 길다는 사소한 문제점을 나타낸다. 이는 가압 단계의 초기 부분 중 셀 측 밸브들 중 하나가 여전히 부분적으로 개방되어 야기된 프로그램 오류에 의한 것으로 밝혀졌다. 이에 의해 여과액이 루멘으로부터 셀로 압박되어 여과 시스템 내로 잉여 공기를 공급하는 것이 가능하다. 그 결과 여과액 배출은 그렇지 않은 경우 추가의 공기 팽창에 의한 것만큼 신속하게 발생되지 않는다.
제3 실시예 - 300M10 - 과도한 리웨트 압력 스파이크
이 기계는 지표수를 여과한 음용수 플랜트의 일부로서 설치되었다. 이 기계는 플랜트 유동 및 TMP를 감시하도록 차트 리코더와 결합되었다. 차트 리코더는 180 kPa까지의 역류세척/리웨트 사이클 중 압력 스파이크를 표시한다. 이들 스파이크는 감소된 역류세척 효율 및 증가된 오염을 야기할 수도 있다. 스냅샷이 데이타 기록 장비를 사용하여 수행되어 20 Hz의 속도로 샘플링되었다. 그 결과의 프로파일이 도12에 도시되어 있다.
사이클의 역류송풍 단계는 양호한 음의 TMP(-446 kPa)를 나타내며 정상으로 보인다. 리웨트 사이클은 가압 중 177 kPa 및 배기중 117 kPa의 양의 스파이크를 갖는 압력 스파이크의 공급원이다.
압력 프로파일과 함께 공정 테이블(sequence table)의 시험은 스파이크가 공급물 및 역류세척 밸브의 폐쇄에 대응한다는 것을 나타낸다. 이러한 경우 역류세척 밸브는 공급물 밸브보다 빨리 폐쇄되어 셀 측이 가압된다. 이는 공급물 밸브 폐쇄 후 그리고 역류세척 밸브 폐쇄 전 2초의 지연을 제공함으로써 교정된다. 도13으로부터, 문제의 압력 스파이크가 기본적으로 제거되었다는 것을 알 수 있다. 상대적으로 작으며 문제될 것 같지 않기 때문에 불필요하다 하더라도 다른 몇몇 스파이크를 최소화하도록 다른 튜닝이 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 제어 및 감시 시스템에 의해 제공될 수 있는 다른 특징은 여과 시스템을 통해 사용되는 밸브의 작동의 실제 제어이다. 여과기를 세팅하는 것은 밸브 작동 타이밍을 조심하는 것을 필요로 하며 이러한 타이밍 중 몇몇은 장소 특성(site specific)이다.
밸브의 작업을 조절하는 펄스 폭에 의해 밸브들은 필요한 임의의 속도로 정확히 개폐된다. 제어 시스템은 워터 햄머(water hammer)를 방지하도록 밸브를 개폐 속도를 조절할 수 있다.
제어 및 감시 시스템은 압력 스파이크를 감시하며 따라서 밸브를 제어할 수도 있다. 이러한 감시는 밸브가 시간이 경과되면서 노후화되기 때문에 밸브의 성능 악화를 보상하는 폐쇄 루프 제어를 제공할 수도 있다.
밸브의 위치 제어는 개방 루프 제어를 사용하여 시스템 내의 유동 및 압력 강하의 측정을 사용하는 루프를 제어함으로써도 가능하다.
상술된 본 발명의 태양은 상술된 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명의 다른 실시예도 가능하다.

Claims (28)

  1. 공지의 특성을 갖는 필터에 공급스트림의 오염 효과를 판단하는 방법에 있어서,
    i) 공지의 특성을 갖는 필터를 통해 공급스트림을 통과시키는 단계와,
    ii) 연속적으로 또는 다수의 시간 간격에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 결정하는 단계와,
    iii) 이 데이타로부터 필터에 대한 공급스트림의 오염 특성을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI, feed fouling index)를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, FFI는 여과된 체적의 함수로써 필터를 통한 저항의 변화를 도표화하여 곡선이 직선에 근접한 지점 또는 구간에서 이렇게 도표화된 곡선의 그라디언트(gradient)를 측정함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 저항의 변화는 시간에 대해 필터를 통과하는 공급스트림의 누적 체적을 읽음으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 압력 감지 장치가 막 통과 압력(TMP) 강하에 의해 저항 변화에 관계되도록 필터의 양 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 여과 시스템을 감시하고 제어하는 온라인식 방법에 있어서,
    i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항을 결정하는 단계와,
    ii) 단계 i)에서 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템으로의 공급스트림의 오염 성질을 표시하는 공급물 오염 지수를 계산하는 단계와,
    iii) 계산된 공급물 오염 지수의 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 결정하는 오프라인식 방법에 있어서,
    i) 공지의 특성을 갖는 필터를 통해 소정 압력에서 공급스트림의 샘플을 통과시키는 단계와,
    ii) 연속적으로 또는 다수의 시간 간격에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 결정하는 단계와,
    iii) 이 데이타로부터 공지의 필터에 공급스트림 샘플의 오염 특성을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI)를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 여과 유니트에서 사용하기 위한 막 필터에 대해 계산된 제2 FFI와 상기 FFI를 상관(correlating)시키는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 FFI는 여과된 체적의 함수로써 필터를 통한 저항의 변화를 도표화하여 곡선이 대체로 직선에 근접한 지점 또는 구간에서 이렇게 도표화된 곡선의 그라디언트를 측정함으로써 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 필터의 저항의 변화는 필터를 통한 공급스트림의 누적 체적을 다수의 소정 시간의 지점에서 기록함으로써 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 압력 감지 장치가 시간에 대한 필터의 저항의 변화를 측정하도록 또는 평가하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제6항에 있어서, FFI는 저항 또는 압력 데이타의 입력에 반응하여 컴퓨터에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 컴퓨터는 입력된 데이타로부터 외삽하여 FFI의 보다 정확한 계산을 제공하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항의 방법에 의해 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 결정 시 사용하는 장치에 있어서,
    공지의 성질을 갖는 필터와,
    소정 압력에서 상기 필터를 통해 공급스트림의 샘플을 통과시키는 수단과,
    시간에 대해 필터를 통한 공급스트림의 유동에 대한 저항의 변화를 측정하는 수단과,
    다른 공지의 필터에 공급스트림의 잠재적인 오염 효과를 평가하도록 유동에 대한 저항의 측정된 변화에 기초하여 상기 필터에 공급스트림의 오염 성질을 표시하는 공급물 오염 지수(FFI)를 양적으로 계산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 필터를 통해 공급스트림 샘플을 통과시키는 수단은 샘플을 유지하기 위한 용기 및 소정 압력에서 필터로 샘플의 전달을 위해 용기 내의 샘플을 가압하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 가압 수단은 수동으로 작동되는 펌프인 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 용기 및 가압 수단은 변형된 수동 작동되는 가든-스프레이 장치(garden-spraying apparatus)의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 필터는 셀룰로스 아세테이트 종류로 된 필터 요소를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제14항에 있어서, 하나 이상의 수동 작동 가능한 밸브가 장치의 프라이밍 및 세척을 가능하게 하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 여과 시스템의 작동을 감시하는 방법에 있어서,
    i) 소정 샘플링 속도로 여과 시스템 내의 소정 위치에서 시스템 변수 값을 샘플링하는 단계와,
    ii) 소정 시간 간격으로 샘플링된 변수 값으로부터 변수 프로파일 특성을 발생시키는 단계와,
    iii) 여과 시스템의 교정 작업을 결정하도록 변수 프로파일 특성을 분석하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 분석 단계는 소정 특성에 대해 발생된 프로파일 특성을 비교하여 소정 특성으로부터 이탈(diverge)하는 발생된 특성 내의 구역을 확인(identifying)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 여과 시스템의 작동을 감시하는 장치에 있어서,
    i) 소정 샘플링 속도로 여과 시스템 내의 소정 위치에서 시스템 변수 값을 샘플링하는 수단과,
    ii) 소정 시간 간격으로 샘플링된 변수 값으로부터 변수 프로파일 특성을 발생시키는 수단과,
    iii) 여과 시스템의 교정 작업을 결정하도록 변수 프로파일 특성을 분석하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 분석 수단은 소정 특성에 대해 발생된 프로파일 특성을 비교하여 소정 특성으로부터 이탈하는(diverge) 발생된 특성 내의 구역을 확인하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 제22항에 있어서, 비교의 결과로서, 상기 분석 수단은 이탈(divergence)을 야기하는 가능한 고장부를 표시하며 문제점에 대한 가능한 해결 방법을 제시하여 고장부가 교정되거나 또는 우회되며 시스템 작동이 최적 작동으로 복귀되는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제23항에 있어서, 작업자/사용자에게 발생된 프로파일 특성의 상호 작용하는 표시가 제공되며, 작업자는 발생된 프로파일 특성의 구역을 표시할 수 있으며, 작업자가 발생된 프로파일 특성의 구역의 분석에 대해 고장부 또는 해결책 대한 상세(detail)에 관심을 가져 그를 얻는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 여과 시스템을 감시하고 제어하는 방법에 있어서,
    i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 시스템의 역류세척 사이클 중 소정 시간에서 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항 값을 결정하는 단계와,
    ii) 단계 i)에서 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템의 역류세척 사이클의 효율을 표시하는 역류세척 효율 값을 계산하는 단계와,
    iii) 계산된 역류세척 효율 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 역류세척 사이클 중 소정 시간은 이전 역류세척 직후, 다음 역류세척 직전 그리고 다음 역류세척 직후인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 여과 시스템을 감시하고 제어하는 장치에 있어서,
    i) 시스템의 다수의 작동 변수를 감시함으로써 시스템의 역류세척 중 소정 시간에서 여과 시스템에서 사용된 여과 요소의 저항 값을 결정하는 수단과,
    ii) 수단 i)에서 결정된 저항 값을 사용하여 여과 시스템의 역류세척 사이클의 효율을 표시하는 역류세척 효율 값을 계산하는 수단과,
    iii) 계산된 역류세척 효율의 값에 따라 여과 시스템의 작동을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제27항에 있어서, 역류세척 사이클 중 소정 시간은 이전 역류세척 직후, 다음 역류세척 직전 그리고 다음 역류세척 직후인 것을 특징으로 하는 장치.
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