DE2442741C3 - Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennanlagen.

Vorrichtungen dieser Art haben den Zweck, übereine Senkung der Energiekosten beim Betrieb der Trennanlagen die Gestehungskosten des gewünschten Trennprodukts zu senken.

Trennanlagen, die auf der Basis der umgekehrten Osmose arbeiten, sind z.B. in der Lage, Meerwasser zu entsalzen oder die Trockensubstanz in Molke anzureichern. Im ersten Falle wird das Produkt (Meerwasser) an der semipermeablen Membrane in das Permeat (reines Wasser) und das Konzentrat (aufkonzentriertes Meerwasser) getrennt. Im zweiten Falle wird das Produkt (Molke) in das Permeat (reines Wasser) und das Konzentrat (mit Trockensubstanz angereicherte Molke) zerlegt Einmal ist das Ziel der Trennung das Permeat (reines Wasser), im anderen Falle ist es das Konzentrat (mit Trockensubstanz angereicherte Molke). In beiden Fällen beaufschlagt das Produkt unter hohem Druck den Modul, eine Anordnung mehrerer semipermeabler Membrane. Bis auf den infolge Strömungswiderstände im Modul auftretenden Druckverlust findet man die dem Produktstrom zugeführte Druckenergie im Konzentratstrom wieder vor.

Die auf der umgekehrten Osmosi basierenden Trennverfahren, die sogenannten Membran-Verfahren, konkurrieren mit Destillations- und K ristallisations-Verfahren. Eine Wirtschaftlichkeit gegenüber diesen Konkurrenzverfahren ist bei kleinen Produktionskapazitäten und unter Ausnutzung der im Konzentratstrom mitgeführten Druckenergie gegeben. Dit Kosten des gewünschten Trennproduktes, also Permeat- bzw. Konzentratkosten pro Kubikmeter, sind unter anderem eine Funktion der Anlage-, der Membranwechsel- und der Energiekosten. Eine Senkung der Energiekosten wird durch Energie-Rückgewinnung erreicht Bei der Energie-Rückgewinnung wird dem Konzentratstrom in einer geeigneten Vorrichtung durch arbeitsleistende Entspannung Druckenergie entzogen und diese dem frischen Produktstrom wieder zugeführt.

Anlagen mit Energie-Rückgewinnung sind bekannt.

In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der umgekehrten Osmose in Verbindung mit der Energie-Rückgewinnung große Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen gemacht Kommerzielle Anlagen mit über 1000 Kubikmeter pro Tag werden bereits zur Brackwasser-Entsalzung eingesetzt Anlagen zur Entsalzung von Meerwasser existieren bislang als Versuchsanlagen. Vorrichtungen zur Energie-Rückgewinnung existieren als Prototypen. In theoretischen Arbei-

ten wurden diese Vorrichtungen auf ihre Wirtschaftlichkeit hin untersucht

So wird von C. Y. Cheng, S. W. Cheng und L. S. Fan, AICHE Journal 13, 1967, 438 eine Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung diskutiert Diese Vorrichtung, dort »flow work exchanger« genannt, wird vom Konzentratstrom angetrieben und komprimiert einen Toil des Produktstroms auf den erforderlichen Anlagedruck.
In der Zeitschrift »Chemie-Ingenieur-Technik«,

ίο HeR 11/1974, wird auf eine einstufige Meerwasserentsalzungs-Anlage durch umgekehrte Osmose hingewiesea Ohne näher auf die Vorrichtung zur Energie-Rückgewinnung einzugehen, diskutiert diese Veröffentlichung insbesondere in A b b. 1 und Tabelle 1 Permeatkosten unter Berücksichtigung der Energie-Rückgewinnung.

Die bisher aus der Literatur bekannten Vorrichtungen zur Energie-Rückgewinnung haben den Nachteil, daß sie zum Teil aus einer unmittelbaren Kombination von Hochdruckpumpe und Hydraulikmotor bestehen Diese Kopplung von zwei separaten Aggregaten ist im Hinblick auf einen hohen Wirkungsgrad, den eine optimale Energie-Rückgewinnung erfordert, unvorteilhaft. Die von Fan und Mitarbeitern vorgeschlagene Lösung hat den Nachteil, daß der im Aufbau zwar sehr einfache »flow work exchanger« mit seinen vier Ventilen nur unter zusätzlichem Einsatz von zwei Pumpen (»low-pressure low head pump« und »highpressure low head pump«) arbeiten kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, in einem einzigen Aggregat (Vereinigung von Hydraulik-Pumpe und -Motor) unter Verwendung minimal möglicher Steuerungs- und Kraftübertragungsteile hydraulische Energie zwischen zwei Strömen (Konzentrat- und Produktstrom) auszutauschen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beispielsweise eine Plunger-Pumpe mit doppelt wirkendem Stufenkolben, deren Aufbau und Funktion im normalen Einsatz bekannt ist, erfindungsgemäß zwei Funktionen gleichzeitig übernimmt, nämlich die Funktion einer Pumpe und die eines Motors. Dies geschieht dadurch, daß ein Teil des Stufenkolbens Arbeits- und der andere Antriebskolben wird. Der Arbeitskolben komprimiert den Produktstrom auf den erforderlichen Verfahrensdruck vor der Membrane, wobei der Antriebskolben gleichzeitig treibend von dem hochgespannten Konzentratstrom beaufschlagt wird. Die Stufung des Kolbens richtet sich nach den Volumen-Stromverhältnissen bei Produkt- und Konzentratstrom. In gleicher Weise wie eine Plunger-Pumpe mit doppelt wirkendem Stufenkolben, die hier exemplarisch behandelt wird, läßt sich eine beidseitig beaufschlagbare Membranpumpe verwenden. Die Membrane tritt dabei sinngemäß an die Stelle des Stufenkolbens, wobei das Schluckvermögen des Arbeits- bzw. Antriebszylinders über eine Kolbenstange, die von der Membrane wahlweise produkt- bzw. konzentratseitig aus

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dem Gehäuse zum Antrieb herausgeführt wird, variierbar ist

In einer Ausfuhrungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der Antriebs- kleiner als der Arbeitskolben ausgeführt und aus dem Gehäuse zum Antrieb herausgeführt Auslaßventil für den Produkt- und Einlaßventil für den hochgespannten, treibenden Konzentratstrom ist erfindungsgemäß ein selbsttätig arbeitendes Doppelventil. Das Ansaugen des Prodrktstromes durch den Arbeitskolben erfolgt in bekannter Weise über ein selbsttätig arbeitendes, durch Federkraft schließendes Saugventil. Über ein in bekannter Weise z.B. durch Nocken gesteuertes Auslaßventil wird das Konzentrat am Ende des Antriebshubes auf den Ausschiebedruck gedrosselt und aus dem Antriebszylinder ausgeschoben, wobei gleichzeitig produktseitig frisches Produkt über den Arbeitskolben durch das Saugventil angesaugt wird. Da durch Druckverlust im Modul der Druck im energetisch zur Nutzung anstehenden Konzentrat im Regelfall stets kleiner als der dem Produktstrom aufzuprägende Verfahrensdruck und je nach Verfahren der Konzentrat- kleiner als der Produkt-Volumenstrom ist, muß der Stufenkolben angetrieben werden. Die erforderliche Antriebskraft richtet sich nach den Druck- und Volumenstromverhältnissen bei Produkt- und Konzentratstrom und den mechanischen und hydraulischen Verlusten der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der Arbeitskolben aus dem Gehäuse herausgeführt und kleiner als der Antriebskolben ausgeführt. Diese Ausführungsform der Vorrichtung kann unter den im Regelfall vorliegenden Druckverhältnissen bei geeigneten durch die Ausbildung des Stufenkolbens vorgegebenen Produkt- und Kon7entrationsströmen ohne Antriebsenergie arbeiten.

Eine mehrzylindrige parallele Anordnung von Arbeits- und Antriebszylinder (z. B. Dreizylinder-Anordnung) ist zum Zwecke eines geringeren Ungleichformigkeitsgrades der Vojumenströme, eines selbsttätigen Anlaufs und zum Öffnen des Doppelventils zu Beginn des Arbeits- bzw. Antriebshubes bei beiden Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung notwendig.

Die mit den Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Energie-Rückgewinnung in Trennanlagen, die nach der umgekehrten Osmose arbeiten, mit einem einzigen Aggregat, das Hydraulikmotor und -pumpe in sich vereint, unter Verwendung minimal möglicher Steuerungs- und Kraftübertragungsteile möglich ist und demzufolge eine Energieübertragung mit geringsten Verlusten erfolgt.

Ausführungsbcispicle der Erfindung sollen nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennanlagen mit konzentratseitigem Gehäusedurchtritt des Stufenkolbens,

Fig.2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennamagen mit produktseitigem Gehäusedurchtritt des Stufenkolbens.

In F i g. 1 ist eine Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennanlage mit konzentratseitigem Gehäusedurchtritt des Stufenkolbens schematisch dargestellt

Im Gehäuse 1 befindet sich der erfindungsgemäß aus Arbeits- und Antriebskolben 2 α und 2 b bestehende Stufenkolben 2. Der Arbeitskolben 2 α läuft im Arbeitszylinder 3, der Antriebskolben Ib im Antriebszylinder 4 und ist über die Gehäusebohrung" 1 e aus dem Gehäuse 1 herausgeführt und gegen dieses mit der Antriebskolben-Packung 15 gedichtet.

Die Abdichtung der Arbeits- und Antriebszylinder 3 und 4 gegeneinander erfolgt über die Arbeitskolben-Packung 14. Im Arbeitszylinder-Saugkanal 5, mit seinem Produkt-Eintritt £1 sitzt ein selbsttätig arbeitendes, in bekannter Weise aus Saugventilsitz 1 a, Ventilteller 6 und Ventilfeder 7 bestehendes Arbeitszylinder-Saugventil. Ein ebenfalls selbsttätig arbeitendes und in bekannter Weise aus Druckventilsitz 1 b und Ventilsitz Ic, den Ventiltellern 9 und 9 a, der VentiJteller-Verbindungsstange 9 b und der Ventilfeder 10 bestehendes Doppelventil steuert erfindungsgemäß den Arbeitszylinder-Druckkanal 8 mit seinem Produkt-Austritt A1 und gleichzeitig den Antriebszylinder-Kanal 11 mit seinem Konzentrat-Eintritt El. Die Venlilteller-Verbindungsstange 9 b ist über den Dichtspalt 17 im Gehäuse 1 berührungsfrei gedichtet. Die Steuerung des Antriebszylinder-Austrittskanals 11 a mit seinem Konzentrat-Austritt Al erfolgt über ein z. B. durch einen Nocken gesteuertes und in bekannter Weise aus Ventilsitz 1 d, Ventilteller 12, Ventilstange 12 a und \ jntilfeder 13 bestehendes Antriebszylinder-Auslaßventil. Die Ventilstange 12 a ist über die Ventilstangen-Packung 16 im Gehäuse 1 gedichtet. Am Antriebskolben 2 b greift von außen die Antriebskraft Fan.

In der in der Fig. 1 gezeigten Stufenkolben-Stellung wird gerade der Arbeits- bzw. Antriebshub vollzogen. Das Doppelventil Ib, Ic, 9, 9a, 9b, 1« ist in Offenstellung. Das Hauptzylinder-Saugventil 1 a, 6, 7 und das Antriebszylinder-Auslaßventil Id, 12. 12 0,13 sind geschlossen. Das Produkt wird aus dem Arbeitszylinder 3 mit dem Arbeitskolben 2 a durch den Spalt zwischen Druckventilsitz 1 b und Ventilteller 9 des Doppelventils 1 b, 1 c, 9, 9 a, 9 b, 10 über den Arbeitszylinder-Druckkanal 8 und dessen Produkt-Austritt A 1 aus dem Gehäuse 1 gegen den erforderlichen Druck im Modul der Trennanlage herausgefördert. Gleichzeitig strömt durch den Konzentrat-Eintritt El und den Spalt zwischen Ventilsitz 1 c und Ventilteller 9ö des Doppelventils 1 b. Ic, 9, 9a, 10 Konzentrat unter hohem Druck über den Antriebszylinder-Kanal 11 in den Antriebszylinder 4, beaufschlagt die Ringfläche des Stufenkolbens 2, die durch den rückwärtigen Teil des Arbeitskolbens 2a in Verbindung mit dem Antriebskolben Ib gebildet wird und treibt den Stufenkolben 2 weiter nach links bis zum oberen Totpunkt, dem Endpunkt des Arbeits- bzw. Antriehshubes, von dem aus die Stufenkolben-Bewegung in umgekehrter Richtung erfolgt. Auf Grund der im Regelfall zwischen Produkt- und Konzentratstrom herrschenden Druckverhältnisse ist dabei zusätzlich eine Antriebskraft F notwendig, die am aus dem Gehäuse 1 herausgeführten Teil des Antriebskolbens Ib angreift. Am oberen Totpunkt schließt infolge ausbleibenden Produktstromes das Doppelventil Ii, Ic, 9, 9(7, 9 b, 10 durch die von der Ventilfeder 10 ausgeübte Kraft selbsttätig; gleichzeitig öffnet das in bekannter Weise z.B. durch einen Nocken gesteuerte

Antriebszylinder-Auslaßventil 1 d, 12, 12 a, 13. Die Konzentratstromzufuhr zum Antriebszylinder 4 wird unterbrochen, und es erfolgen der Saughub über Arbeitskolben la im Arbeitszylinder 3, wobei selbsttätig das Hauptzylinder-Saugventil 1 α, 6,7 öffnet und damit gleichzeitig, nach Drosselung des Konzentrats im Antriebszylinder 4, Antriebszylinder-Kanal 11 und -Austrittskanal Ho auf Ausschiebedruck, das Ausschieben den Konzentrats durch den Antriebszylinder-Austrittskanal 11 o, den Spalt zwischen Ventilsitz 1 d _x0 und Ventilteller 12 und den Konzentrat-Austritt Al aus dem Gehäuse 1.

Im unteren Totpunkt, der Stufenkolben-Stellung am Ende des Saug- bzw. Ausschiebehubes, schließen das Arbeitszylinder-Saugventil 1 α, 6,7 selbsttätig und das Antriebszylinder-Auslaßventil Id, 12,12 a, 13 zwangsweise. Infolge der Mehrzylinder-Anordnung und der Schwungmomente der Triebswerksteile beginnt der Stufenkolben 2 aus der unteren Totpunktlage erneut den Arbeits- bzw. Antriebshub, wobei sich das Doppelventil Ib, Ic, 9, 9 a, 9b, 10 selbsttätig öffnet. Der bereits beschriebene Funktionszyklus beginnt von neuem.

Fig.2 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Es ist dabei lediglich eine Variante der Stufenkolben-Anordnung dargestellt. Der Stufenkolben 2, bestehend aus Aniriebskolben Ib und Arbeitskolben la, wobei letzterer über die Gehäusebohrung 1/ produktseitig aus dem Gehäuse herausgeführt und mit der Arbeitskolben-Packung 15 α gegen dieses gedichtet ist, fördert in der gezeigten Stellung den Produktstrom P in den Arbeitszylinder-Druckkanal 8, wobei er gleichzeitig über den Antriebszylinder-Kanal 11 mit dem Konzentratstrom K treibend beaufschlagt wird. Arbeitszylinder 3 und Antriebszylinder 4 sind gegeneinander durch die Arbeitskolben-Packung 14 α gedichtet. Im übrigen ist die Vorrichtung entsprechend Fig. 1 aufgebaut. Der früher beschriebene Funktionszyklus gilt sinngemäß, wobei eine eventuell notwendige Antriebskraft Fl am aus dem Gehäuse herausgeführten Arbeitskolben la angreift. Der Arbeitskolben la wird kleiner als der Antriebskolben Ib ausgeführt, so daß bei Mehrzylinder-Anordnung und entsprechender Dimensionierung des Stufenkolbens 2 und den im Regelfall zwischen Produkt- und Konzentratstrom existierenden Druckverhältnissen selbsttätiges Arbeiten der Vorrichtung ohne Antriebskraft F\ möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung für die Rückgewinnung von Strömungsenergie zum Einsatz in die nach der umgekehrten Osmose arbeitenden Trennanlagen mit einem Stufenkolben (2), der mit seinem Arbeitskolben (2 a) im Arbeitszylinder (3) in bekannter Weise einen Produktstrom komprimiert, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig der Antriebskolben (Ib) im Antriebszylinder (4) vom hochgespannten Konzentratstrom treibend beaufschlagt wird, wobei ein in bekannter Weise aus Druckventilsitz (1 b), Ventilsitz (1 c), den Ventiltellern (9) und (9 a), der Ventilteller-Verbindungsstange (9A) und der Ventilfeder (10) bestehendes Doppelventil gleichzeitig den Produkt-Austritt (/11) und den Konzentrat-Eintritt {El) steuert und wahlweise der Antriebskolben (Ib) konzentratseitig bzw. der Arbeitskolben (2 a) produktseitig über die Gehäusebohrung (1 <?) bzw. (Iß aus dem Gehäuse (1) herausgeführt ist