DE2046064C3 - Verfahren zum Entsalzen von Salzwasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Entsalzen von Salzwasser und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entsalzen von Salzwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Das Problem der Reinigung von Salz- oder Brackwasser zwecks Herabsetzung seines Salzgehalts auf einen Wert, der es für Bewässerungszwecke oder als Trinkwasser für Mensch und Tier brauchbar werden läßt, besteht seit vielen Jahren. Es sind auch bereits zahlreiche Vorschläge zur Lösung dieses Problems gemacht worden, beispielsweise sind des öfteren die Verdampfung oder Destillation einschließlich einer Mehrstufen-Schnellverdampfung und einer Mehrfach-Destillation sowie Kombinationen beider Verfahren vorgeschlagen worden. Außerdem ist auch die Umkehrosmose bzw. das unter Druck erfolgende Hindurchdrängen des Wassers einer Salzlösung durch eine halbdurchlässige Membran vorgeschlagen worden. 5 Obgleich ein einstufiges Umkehrosmose-Verfahren vorgeschlagen wurde, wurde es immer für wünschenswert angesehen, zwei oder drei noch mehr Verfahrensstufen anzuwenden.
Die bisher bekannten Entsalzungsverfahren fanden
ίο neben anderen Nachteilen, insbesondere wegen der hohen Produktionskosten für das gereinigte Wasser, nur zögernde Aufnahme. Während bereits die zur Durchführung dieser Entsalzung erforderliche Ausrüstung einen bedeutsamen Kostenfaktor darstellt, ergibt die zur Trennung des Wassers vom Salz erforderliche Energie den am meisten ins Gewicht fallenden Kostenfaktor. Die zur Senkung des Salzgehalts von 36 000 ppm (Teile je Million Teile), d. h. dem durchschnittlichen Salzgehalt von Seewasser, auf 1500 ppm durch Umkehrosmose erforderliche Energie beträgt etwa 2,27 kcal je 0,454 kg als mechanische Leistung, während die für die Mehrstufen-Schnelldestillation zur Senkung des Salzgehalts auf etwa 5 bis 10 ppm nötige Wärmeenergie ungefähr das Zehnfache beträgt. Tatsächlich wurde es im Fall von Verdampfungs-Entsalzungsverfahren als wesentlich angesehen, die Verdampfungsanlage eng mit einem Kraftwerk zu verbinden, um verfügbare Energie wirtschaftlich auszunutzen. Dies führte jedoch zum zusätzlichen Problem der Anpassung der Ausgangsleistung des Verdampfungsverfahrens an den Lastbedarf des Kraftwerks sowie zum Problem des vergleichsweise schlechten Wirkungsgrades bei der Umwandlung der verfügbaren Energie in Form von Wärme in über ein Stromverteilersystem zu verteilende elektrische Energie.
Eine bekannte Vorrichtung (Desalination 6 [1969], Seiten 13 bis 24) zum Entsalzen von Seewasser durch Verdampfen und Kondensieren verwendet einen mehrstufigen Verdampfer, einen Kondensator und einen Wärmeaustauscher. Dabei wird frisches Seewasser zunächst erwärmt und dann in mehreren Stufen verdampft und fortschreitend abgekühlt, wobei es auf jeder Stufe einen geringeren Sättigungsdruck und damit eine niedrigere Temperatur hat. Das Seewasser verdampft in jeder Stufe und wird fortschreitend abgekühlt, wobei es von Stufe zu Stufe eine höhere Salzkonzentration annimmt, bis über die unterste Stufe die Sole entladen wird. Ein Teil der Sole kann dabei wieder zurückgeleitet werden, um nochmals die
so einzelnen Stufen zu durchlaufen.
Diese Vorrichtung setzt nicht zuletzt infolge der zahlreichen Stufen einen beträchtlichen Aufwand voraus.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines verbesserten, kostensparenden Verfahrens zum Entsalzen von Salzwasser und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Entsalzen von Salzwasser durch Verdampfen und Kondensieren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Teil des Salzwassers verdampft und kondensiert wird, der Rest des Salzwassers nach Vorwärmung in einem Wärmeaustauscherabschnitt des Verdampfers durch eine an sich bekannte Umkehrosmoseanlage geführt wird, der Druck des Zulaufwassers in die Umkehrosmoseanlage durch den Druck des daraus abgeführten Ablauf-Salzwassers und die Menge des Zulaufwassers in die Umkehrosmoseanlage durch die Menge des
Produktwassers aus dieser Anlage so geregelt werden, daß das Produktwasser aus der Umkehrosmoseanlage einen praktisch konstanten Salzgehalt aufweist und daß die Produktströme vom Verdampfer und von der Umkehrosnioseanlage vereinigt werden
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem Verdampfer, einem Kondensator und einem Wärmeaustauscher ist erfindongsgemäß gekennzeichnet durch eine Umkehrosmoseanlage, der Salzzulaufwasser zugeführt wird und die Produktwasser abgibt, eine Pumpe zur Zuführung von erhitztem, unter Druck stehendem Salzwasser vom Verdampfer zur Umkehrosmoseanlage, eine Regeleinrichtung zur Überwachung des Druckes des vom Verdampfer der Umkehrosmoseanlage zugeführten heißen Salzwassers in Abhängigkeit vom Druck des Ablauf-Salzwassers einerseits und zur Überwachung der Menge dieses der Umkehrosmoseanlage zugeführten heißen Salzwassers in Abhängigkeit von der Menge des Produktwassers andererseits sowie gekennzeichnet durch eine Mischeinrichtung zur Vereinigung des Destillats vom Verdampfer mit dem Produktwasser der Umkehrosmoseanlage.
Gemäß der Erfindung läßt sich durch Kombination eines Umkehrosmose-Entsalzungssystems mit einem Verdampfungs-Entsalzungssystem ein einzigartiger Ausgleich der Energieeingaben und -ausgänge beider Systeme mit geringstmöglichen Energieverlust erreichen. Die Gesamt-Energieeingabe wird wesentlich vermindert, und es wird gleichzeitig die Durchsatzkapazität der für das Umkehrosmosesystem verwendeten Ausrüstung erhöht. Auf diese Weise werden die Kosten für das kombinierte System weiter herabgesetzt. Diese Kombination gewährleistet außerdem große Betriebs-Anpassungsfähigkeit, da sie eine solche Einstellung der relativen Durchsatzmengen durch die beiden Systeme zuläßt, daß jeder gewünschte Salzgehalt des kombinierten Produkts aus Seewasser im Bereich von unter 10 ppm, wie er durch Verdampfung allein erreicht werden kann, bis 1500 ppm erzielbar ist, wie er sich bei alleiniger Verwendung eines einstufigen Umkehrosmosesystems erreichen läßt; außerdem wird hierdurch die Arbeitsweise des Systems von jeder nennenswerten Abhängigkeit von der Bedarfsgröße eines zugeordneten Kraftwerks befreit. Beträchtliche Vorteile der Erfindung werden durch Kombination der Systeme zur Lieferung eines Produkts mit einem Salzgehalt von etwa 250 bis 1000 ppm bei Verwendung von Seewasser mit einem Salzgehalt von etwa 36 000 ppm erzielt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung steht nach der Vereinigung der Systeme ein kleiner Leistungsüberschuß zur Verfügung, der sich auf wirtschaftliche Weise durch einen elektrischen Strom verfügbar machen läßt.
Für die Erfindung kann jede herkömmliche Verdampfungsanlage verwendet werden. Obgleich ein Mehrstufen-Schnellverdampfer bevorzugt wird, kann auch ein Mehrfacheffekt-Verdampfer oder ein Langrohr-Verdampfer benutzt werden. Ebenso kann auch jede beliebige herkömmliche Umkehrosmoseanlage sowohl in Einstufen- als auch in Mehrstufenbauart verwendet werden.
Im folgenden ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. IA und IB eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zur Veranschaulichung, wie die Flüssigkeits- bzw. Materialdurchsatzmengen sowie die Energieeingabers und -ausgänge aufeinander abgestimmt werden.
Bei der in der Zeichnung dargestellte'; Ausführungsform der Erfindung wird das über eine Speiseleitung 10 zugeführte Seewasser mit einer Temperatur von 16,7°C und einem Salzgehalt von etwa 36 000 ppm in zwei Ströme aufgeteilt, von denen der kleinere Strom 12 unmittelbar zu einem Salzwasser-Sumpf 14 geschickt wird, aus welchem die Umkehrosmoseanlage gespeist wird, während der Haupt-Strom 15 durch den Wärmeaustauscher- bzw. Kondensatorabschnitt 17 einer Mehrstufen-Schnellverdampfereinheit 18 geleitet und dort erwärmt wird. Dieser letztere Strom wird seinerseits in zwei Ströme aufgeteilt, von denen der kleinere Strom 19 über einen Entlüfter 20 dem Ejektor 110 der Seilverdampfereinheit zugeleitet wird. Außerdem werden Inertgase vom Wärmeaustauscherabschnitt 17 über eine Leitung 15 zum Entlüfter 20 abgeleitet Der Haupt-Strom 21 der Verdampfereinheit 18 wird jedoch zum Salzwasser-SumpiF 14 geleitet, um zusammen mit dem kleineren Strom 12 an eingespeistem Salzwasser eine eine Mischtemperatur von 29,4°C besitzende Wasserzufuhr für die Umkehrosmose zu bilden. Die höhere Temperatur dieser Salzwasser-Zufuhr ermöglicht eine höhere Durchsatzmenge durch die Membranen der Umkehrosmoseeinheiiten als dies der Fall wäre, wenn das ursprüngliche Seewasser mit einer Temperatur von 16,7°C unmittelbar verwendet werden würde.
Im Mehrstufen-Verdampfer 18 wird der 327,4 Milionen Liter pro Tag führende kleinere Strom 19 vom Wärmeaustauscherabschnitt 17 teilverdampft, was zu einem Produktstrom 22 mit einem Salzgehalt von nur 5 ppm und etwa 27,8C C führt. Von diesem Produktstrom von 189 Millionen Liter pro Tag wird nur ein sehr kleiner Teil von 23 800 kg/Std. in einem Strom 24 als Teil der Zufuhr für einen Hauptdampferzeuger-Kessei 26 abgezweigt, während der Hauptteil über eine Leitung 28 mit dem Produkt von der Umkehrosmoseanlage vermischt wird, wie später noch erläutert wird. Der Rest des in den Mehrstufen-Verdampfer eingeführten Seewassers wird als Salzwasserstrom 30 abgeleitet, der etwa 136 Millionen Liter je Tag ausmacht und einen Salzgehalt von 54 000 ppm besitzt.
Das im Salzwasser-Sumpf 14 befindliche Gemisch von 29,4°C wird durch eine Überdruck-Pumpe 32 und Förder-Pumpen 34,36 mit einem Druck von 63,3 kg/cm2 (absolut) und in einer Durchsatzmenge von 1275 Millionen Liter je Tag in die erste Stufe einer Umkehrosmoseeinheit 38 gefördert. Der Ausgangsstrom 40 dieser Einheit besitzt einen Salzgehalt von 1500 ppm und eine Durchsatzmenge von 326 Millionen Liter pro Tag. Ein Hauptteil dieses Ausgangs gelangt als Strom 42 über Förder-Pumpen 44,46 zur Umkehrosmoseeinheit 48 der zweiten Stufe, wobei der Durchsatz 201 Millionen Liter pro Tag beträgt, während der Rest des Ausgangsstroms 40 der ersten Stufe ails Strom 50 mit einer Durchsatzmenge von 125 Millionen Liter pro Tag und einer Temperatur von 29,4°C mit den anderen Produktströmen der Anlage zu einem Haupt-Ausgangsstrom 52 vereinigt wird.
Ein von der Umkehrosmoseeinheit 38 der 1. Stufe abfließender Salzwasserstrom 54 strömt noch mit erhöhtem Druck durch eine Hydraulik-Turbine 56, die zum Antreiben der Pumpe 36 dient. Die Drehzahl der Tnrbine 56 wird mittels eines Druckgebers 58 und eines registrierenden Druck-Reglers 60 so geregelt, daß in der Umkehrosmoseeinheit 38 ein konstanter Druck aufrechterhalten bleibt, welcher mittels des Reglers auf
jeden beliebigen Wert eingestellt werden kann.
Das Gesamt-Durchsatzvolumen beider Pumpen 34 und 36, zusammen mit dem Volumen des teilentsalzien Produktstroms 40, wird durch einen registrierenden Durchsatz-Regler 62 konstant auf dem gewünschten Wert gehalten. Der Regler 62 ist über einen Durchsatzgeber 64 mit einem im Produktstrom 40 angeordneten Durchsatzfühler 66 und über einen registrierenden Regler 68 und einen Durchsatzgeber 70 mit einem im Zufuhrstrom angeordneten Durchsatzfühler 72 verbunden und gewährleistet einen konstanten Salzgehalt des Produktstroms 40, dessen Volumen mit Hilfe des Reglers 62 auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann. Der durch die Umkehrosmoseeinheit 48 der zweiten Stufe mit einer Durchsatzmenge von !60,3 Millionen Liter pro Tag gelieferte und einen Salzgehalt von 250 ppm bei 29,4°C besitzende teilentsalzte Produktstrom 74 wird mit dem Produktstrom 50 von der Umkehrosmoseeinheit 38 der ersten Stufe vermischt und trägt zur Bildung des Haupt-Ausgangs-Stroms 52 der Anlage bei.
Ein die zurückgehaltene Salzlösung von der Umkehrosmoseeinheit 48 der zweiten Stufe enthaltender Strom 76, dessen Salzgehalt 6500 ppm beträgt, wird mittels einer Pumpe 78 in die Umkehrosmoseeinheit 80 der dritten Stufe eingespeist. Der Produktstrom 82 von dieser Einheit 80, der einen Salzgehalt von 250 ppm bei einer Durchsatzmenge von 20,8 Millionen Liter pro Tag und einer Temperatur von 29,4°C besitzt, wird mit den Produktströmen 50 und 74 von den Einheiten der ersten bzw. zweiten Stufe vermischt und zu einem Produktwasser-Sumpf 84 der Umkehrosmoseanlage geleitet. Der von allen drei Umkehrosmoseeinheiten gelieferte, einen Salzgehalt von 758 ppm bei einer Durchsatzmenge von 307 Millionen Liter je Tag und einer Temperatur von 29.4°C besitzende Produktwasser-Strom 86 wird mit dem aus destilliertem Wasser bestehenden Produkt-Strom 28 vermischt und bildet einen kombinierten Wasser-Produktstrom mit einem Salzgehalt von 470 ppm. einer Temperatur von 28,3"C und einer Durchsatzmenge von 495 Millionen Liter pro Tag.
Ein die zurückgehaltene Salzlösung von der Umkehrosmoseeinheit 80 der dritten Stufe enthaltender Strom 88. dessen Salzgehalt 13 500 p"m hpträet und der unter einem Druck von 59,1 kg/cm2 (absolut) steht, wird durch eine Pumpe 90 auf einen Druck von 63,3 kg/cm2 (absolut) gebracht und über eine Leitung 91 zum Zufuhrstrom für die Umkehrosmoseeinheit 38 der ersten Stufe zurückgeführt.
Die gesamte Leistung zum Betreiben sowohl der Verdampfereinheit 18 als auch der Umkehrosmoseeinheiten 38, 48 und 80 wird durch den Kessel 26 geliefert. Die Pumpen 34, 46, 78 und 90 werden durch jeweils zugeordnete Dampf-Turbinen 92, 94, 96 bzw. 98 angetrieben, von denen die ersten beiden über eine Leitung 99 vom Kessel 26 mit Dampf von 102 kg/cm2 (absolut) und 510°C beschickt werden. Ein Turbogenerator 100 wird ebenfalls mit dem Hochdruckdampf der Leitung 99 beschickt und liefert die elektrische Energie zum Antrieb der Pumpen 32,44 in der Umkehrosmoseanlage sowie für den Antrieb von Pumpen 102 und 104 im Abfuhr-Salzwasserstrom 30 bzw. in dem destilliertes Wasser enthaltenden Produktstrom 22 des Verdampfers. Der Hochdruckdampf wird auch einer Turbine 106 eingespeist, welche eine Kessel-Speisewasserpumpe 108 antreibt.
Der vom Auslaß der ersten Stufe des Turbogenerators 100 stammende Dampf mit einem Druck von 17,6 kg/cm2 und einer Temperatur von 3040C wird über eine Leitung 101 zu den die in der zweiten und dritten Stufe der Umkehrosmoseeinheit befindlichen Pumpen 78 und 90 antreibenden Turbinen % bzw. 98 geleitet und außerdem einem Luft-Ejektor 110 der Verdampfereinheit 18 eingespeist.
Der von den Auslassen der Turbinen 92,94,96,98 und 106 und vom Auslaß des Turbogenerators 100 der zweiten Stufe kommende Niederdruckdampf mit einem Drück von 1,41 kg/cm2 (absolut) wird über eine Leitung 103 einem Wärmeaustauscher 112 der Verdampfereinheit 18 zugeführt, wo er kondensiert wird. Das Kondensat wird durch eine auf dieselbe Weise wie die Pumpen 102 und 104 durch einen Elektromotor angetriebene Pumpe 114 zu einem Kondensat-Rücklaufstrom 116 gefördert, welcher einen Entlüfter 118 für den Kessel 26 speist. Ein 22 806 kg/Std. betragender kleiner Teil des Niederdruckdampfes wird über eine Leitung 120 unmittelbar dem Entlüfter 118 zugeführt
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Entsalzen von Salzwasser durch Verdampfen und Kondensieren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Salzwassers verdampft und kondensiert wird, der Rest des Salzwassers nach Vorwärmung in einem Wärmeaustauscherabschnitt des Verdampfers durch eine an sich bekannte Umkehrosmoseanlage geführt wird, der Druck des Zulaufwassers in die Umkehrosmoseanlage durch den Druck des daraus abgeführten Ablauf-Salzwassers und die Menge des Zulaufwassers in die Umkehrosmoseanlage durch die Menge des Produktwassers aus dieser Anlage so geregelt werden, daß das Produktwasser aus der Umkehrosmoseanlage einen praktisch konstanten Salzgehalt aufweist und daß die Produktströme vom Verdampfer und von der Umkehrosmosean'age vereinigt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Verdampfer, einem Kondensator und einem Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine Umkehrosmoseanlage, der Salzzulaufwasser zugeführt wird und die Produktwasser abgibt, eine Pumpe zur Zuführung von erhitztem, unter Druck stehendem Salzwasser vom Verdampfer zur Umkehrosmoseanlage, eine Regeleinrichtung zur Überwachung des Druckes des vom Verdampfer der Umkehrosmoseanlage zugeführten heißen Salzwassers in Abhängigkeit vom Druck des Ablauf-Salzwassers einerseits und zur Überwachung der Menge dieses der Umkehrosmoseanlage zugeführten heißen Salzwassers in Abhängigkeit von der Menge des Produktwassers andererseits sowie gekennzeichnet durch eine Mischeinrichtung zur Vereinigung des Destillats vom Verdampfer mit dem Produktwasser der Umkehrosmoseanlage.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hydraulik-Turbine zum Antrieb der Pumpe vorgesehen und von einem von der Umkehrosmose gelieferten Salzwasserstrom angetrieben ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine mehrstufige Umkehrosmoseanlage und durch jeweils eine Pumpe zur Förderung eines Teils des Produktstroms jeder Stufe unter Druck in die jeweils nachgeschaltete Stufe sowie durch eine Einrichtung zur Rückführung des Ablauf-Salzwassers von der letzten Stufe zum in die erste Stufe eingespeisten Salzwasserstrom.
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