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Verfahren zum Abtrennen
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von Ionen aus einem strömenden Fluid :und Vorrichtung zur Durchführung
desselben
Verfahren zum Abtrennen von Ionen aus einem strömenden
Fluid und Vorrichtung zur Durchführung desselben Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Abtrennen von Ionen aus einem strömenden Fluid.
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Die an sich naheliegende Möglichkeit, Trink- und Süßwasser durch eine
Entsalzung von Meerwasser zu gewinnen, hat bislang noch nicht zu Anlagen geführt,
die hinsichtlich der Entstehungs- und/oder Unterhaltskosten wirtschaftlich befriedigen
können. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind im wesentlichen in Forschung und im Anlagenbau
zwei konkurrierende Verfahren vertreten: Die Entsalzung durch Destillation und die
Entsalzung durch Membranprozesse. Das Fehlen von preiswerten Energiequellen verhindert
zum einen an vielen Orten einen wirtschaftlichen Einsatz von Destillationsverfahren,
zum anderen ergeben sich durch die korrodierenden Eigenschaften des erhitzten Salzwassers
Werkstoffprobleme. Auch das Problem einer Verkrustung von Wärmetauschern ist noch
nicht hinreichend gelöst.
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Bei den Membranprozessen entstehen hohe Energiekosten zur Erzeugung
des Drucks, der notwendig ist, um das Wasser durch die Membranen pressen. Diese
Energiekosten sind jedoch geringer als bei den Destillationsverfahren. Die bisherige
Erfahrung zeigt jedoch, dass die Membranen alle zwei bis drei Jahre ausgetauscht
werden müssen. Die Verwendung von Membranen bei Salzkonzentrationen von mehr als
1% ist zudem problematisch, so dass einstufige Membranprozesse bislang im wesentlichen
nur zur Entsalzung von Brackwasser verwendbar sind.
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Aus der DT-OS 1 811 114 ist schliesslich ein Verfahren zum Entsalzen
von Meerttasser bekannt, bei dem das Meerwasser durch nichtleitende Röhren gepumpt
wird, welche auer zur Pumprichtung des Wassers von einem Magnetfeld durchsetzt sind,
wobei die an Stellen normal zur Flussrichtuna des Meerwassers und zur Richtung des
Maqnetfelds eine höhere Ionenkonzentration aufweisenden Wassermengen durch in Strömungsrichtung
angeordnete Rohre von dem in der Mitte fliessenden Strom gereinigten Wassers getrennt
werden sollen. Mit Permanentmagneten ist eine derartige Stofftrennung aufgrund der
erforderlichen hohen Feldstärken im industriellen Maßstab nicht durchführbar, so
dass Elektromagnete verwendet werden müssen. Dies erfordert hohe Investitionskosten
für die Elektromagnete, die Eisenkerne, die Starkstromgleichrichter etc. Bei einem
Betrieb dieser bekannten Anlage ergeben sich zudem hohe Energiekosten durch die
VerlustwMrme der Magnete und die bei den benötigten Stromst#rken grossen elektrischen
Leistungsverluste. Die Verlustwc9rme der Elektromagnete bedingt zudem eine ungleichmbssige
Erwärmung des durch die Anlage strömenden Fluids, wodurch Turbulenzen in der Strom
mung entstehen, welche eine bereits eingetretene Entmischung der zu trennenden Stoffe
teilweise wieder rückgSngJg machen. Auch die in den Eisenteilen der tragenden Struktur
der
Anlage induzierten magnetischen Wirbelfelder und die dadurch bedingten Feldverluste
wirken sich nachteilig aus.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Abtrennen von Ionen aus einem strömenden Fluid zu schaffen,
das in den Investitions- und in den Betriebskosten wesentlich günstiger ist als
die bislang bekannten Verfahren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst,
dass man das Fluid eine nichtleitende Kammer so durchfliessen lässt, dass es diese
vollstHndig ausfüllt, dass man das Fluid dabei ein quer zur Strömungsrichtung anliegendes
elektrisches Feld über eine derartige Strecke durchlaufen lässt, dass zumindest
in einem Teil des StrEimungsquerschnitts eine Entmischung zwischen Ionen und Fluid
stattgefunden hat, und dass man die Strömung des Fluids anschliessend in zumindest
zwei Teilströmungen unterteilt, von denen die eine das an Ionen verarmte oder befreite
Fluid und die zumindest eine andere ein mit Ionen angereichertes Fluid enthält.
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Das erfindungsgemässe Verfahrenlbedingt zum einen geringe Investitionskosten,
da eine entsprechende Anlage einfach ist und zu ihrer Herstellung weder aufwendige
Werkstoffe noch Präzisionsteile benötigt werden. Auch die Kosten für den Unterhalt
bzw. die Wartung der Anlage sind bescheiden, da keine Teile verwendet sind, die
einem Verschleiss unterliegen und deshalb regelmässig überprüft und ausgetauscht
oder gereinigt werden messen. Da auch der zur Durchführung des Verfahrens benötigte
Energiebedarf gering ist, wird es möglich, auch im qrosstechnischen Maßstab eine
wirtschaftliche Abtrennung von Ionen aus strömenden Fluiden durchzuführen.
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Bei dem erfindungsgemflssen Verfahren wird das Fluid hevorzugt in
laminarer Strömung durch das elektrische Feld geleitet.
Als elektrisches
Feld wird dabei vorzugsweise ein über weite Bereiche homogenes elektrisches Feld
verwendet. Aus Energiegründen ist es günstig, wenn das Fluid aufeinanderfolgend
durch mehrere elektrische Felder hindurchgeführt wird, wobei die in Strnmunosrichtuno
aufeinander folgenden Felder gegenüber den jeweils zuvor liegenden eine erhöhte
Feldstärke aufweisen.
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Fiir die Wirksamkeit der Trennung ist es giinstig, wenn die elektrischen
Feldlinien im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids verlaufen,
weil in diesem Fall auf die in Strömungsrichtung bewegten Ionen die grösste Kraftwirkung
senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgeübt wird.
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Das Verfahren eignet sich zur Trennung von jeglichen Fluiden, besonders
jedoch zur Reinigung von Flfissiqkeiten, wobei bei einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung einer derartigen Verfahrensführuna für das Verhältnis zwischen dem
Strömungsweg 1L der Flijssigkeit im elektrischen Feld und der Erstreckung d des
Stromungsauerschnitts in Feldrichtung folgende Beziehung gilt:
wenn mit vL die mittlere, dh. integrierte bzw. durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit
der Flfissiqkelt, mit y deren Viskosität, mit r der Radius der geladenen Partikel
in der Flüssigkeit, mit z. die Zahl der Flementarladungen der einzelnen Partikel,
mit eO die Elementarladung, mit E der Betrag der angelegten wirksamen Feldstärke
und mit g r die r Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit bezeichnet ist.
Die
zur Trennung verwendeten elektrischen Felder werden vorzugsweise durch Spannungen
von etwa 1 kV bis etwa loo kV erzeugt, die von aussen an zwei einander gegenüberliegende
Seiten des strömenden Fluids angelegt werden.
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Die Spannungen sollen möglichst nahe an der Durchschlagsgrenze liegen,
wobei die so erzeugte Feldstärke mbglichst nahe an der Durchschlagsgrenze des jeweiligen
Bereichs der Kammer liegen soll.
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Zweckmässigerweise werden, abgesehen von dem an Ionen verarmten Teil
des Fluids, zwei getrennte, mit Ionen unterschiedlichen Vorzeichens angereicherte
Teilströmungen aus der Kammer herausgeführt, von denen zumindest die eine zur Aufladung
eines Kondensators verwendet wird, der zur Erzeugung des elektrischen Ablenkfeldes
dient oder beiträgt.
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Vorzugsweise werden hiermit die nahe dem Eingang der Kammer liegenden
Kondensatornlatten aufgeladen, zwischen denen eine geringere Spannung herrscht als
an den Ablenkplatten, die, in Strömungsrichtung gesehen, näher am Ende der Kammer
liegen.
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Die mit Ionen angereicherten Teilströmungen werden am Ende der Kammer
von deren Wandungsbereich bevorzugt in Strömungsrichtung abgezogen. Es ist jedoch
auch möglich, die mit Ionen angereicherten Teilströmungen in beliebiger Richtung
abzuziehen, wenn ein Unterdruck angelegt ist.
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Wenn das zu trennende Fluid eine leitende Fliissigkeit ist, wird diese
bei der Durchführung des 5terfahrens bevorzugt geerdet, da sich hierdurch beim Eintritt
in die Anlage und bei deren Austritt aus derselben keine Sicherheitsprobleme ergeben.
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Gemäss einer Weiterbildung des erfindunosgemsse Verfahrens lässt man
das Fluid vor Durchlaufen des neuer zur
Strömungsrichtung anliegenden
elektrischen Feldes ein inhomogenes elektrisches oder magnetisches Feld durchlaufen,
das auf die gleichnamig geladenen Partikel der einen Ladungssorte eine sammelnde
Linsenwirkung ausübt, welche diesen Partikeln eine, der Kraftwirkung des quer zur
StrKmungsrichtung anliegenden elektrischen Feldes gleichgerichtete Bewegungskomponente
erteilt. Dies ist ffir die Energiebilanz des Trennungsvorganges vorteilhaft.
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Das Verfahren kann nicht nur, wie vorstehend beschrieben, einstufig,
sondern auch mehrstufig, gegebenenfalls im Kreislauf durchgeführt werden, wobei
man dem Fluid zur Vermeidung von Turbulenzen, die durch Wärmestau auftreten können,
mittels Wä.rmeaustauschern die während der Ionentrennung aufgenommene Wärme entzieht.
Die Wärmetauscher sind bevorzugt zwischen den einzelnen Stufen angeordnet oder bei
sehr langen Stufen zwischen verschiedenen Elektrodenpaaren.
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Das erfindungsgemNsse Verfahren eignet sich besonders zur Abtrennung
von Ionen dissoziierter Salze aus geringer dissoziierten Lösungsmitteln, insbesondere
zum Entsalzen von Meerwasser und/oder industriellen Abwässern. Eine weitere bevorzugte
Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht im Reduzieren des SSuregehalts
von Fruchtsäften oder Weinen.
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Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens eignet sich
besonders eine Vorrichtung, die aus einer rohrartigen Kammer besteht, in die eine
Zuführung filr das Fluid mündet, sowie zumindest zwei voneinander getrennte aus
der Kammer herausführende Auslässe, von denen der eine für das an Ionen verarmte
Fluid, der zumindest eine andere für das mit Ionen angereicherte Fluid dient. Eine
geeignete Vorrichtung, beispielsweise eine Pumpe, fördert das Fluid in kontinuierlicher
Strömung durch die Kammer.
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Hohe Förderdrücke der Pumpe sind hierbei nicht notwendig, da sie lediglich
die Strömungsverluste in der Anlage ausgleichen müssen. An der Kammer sind erfindungsgemäss
zumindest zwei einander gegenüberliegende, auf unterschiedliches elektrisches Potential
bringbare und qegenfiber dem Fluid isolierte Elektroden derart angeordnet, dass
das Fluid zwischen ihnen hindurchströmt. Durch die Isolation der Elektroden wird
verhindert, dass bei leitenden Fluiden ein Strom zwischen ihnen fliesen kann, der
zu einer elektrolytischen Zersetzung sowie zu durch Erwärmung des Fluids bedingten
Energieverlusten und zu Ritekmischungserscheinungen führen wird. Mit dieser Maßnahme
ist zugleich die Korrosionsgefahr der Elektroden gebannt.
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Aus diesen Gründen empfiehlt es sich, auch zumindest das Innere der
gesamten Kammer aus einem elektrisch nicht leitenden Material zu fertigen oder mit
einer Schicht aus einem elektrisch nicht leitenden Material zu überziehen. Hierdurch
lässt sich ein preiswertes Elektrodenmaterial verwenden, zB ein dünner Film aus
aufgedampftem Aluminium, da keine Korrosionsgefahr besteht.
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Zweckmässigerweise werden die Elektroden auf ihrer dem Innern der
Kammer zugekehrten Seite mit einer Isolierschicht überzogen, wonach sie unmittelbar
zwei einander gegenüberliegende Wandungen der Kammer bilden. Die Elektroden werden
vorzugsweise parallel zueinander in Paaren angeordnet, welche bevorzugt die gleiche
Fläche und Gestalt aufweisen.
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Günstigerweise nehmen die einander eenherliegenden Elektroden eines
Elektrodenpaares gegenüber dem Fluid eine dem Betrag nach gleiche, dem Vorzeichen
nach entgegengesetzte Potentialdifferenz ein.
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Die Ausdehnung der Kammer in Feldrichtung ist wesentlich kleiner als
quer zur Feld- und quer zur Str(imungqrichtut Zumindest in der mit den Elektroden
versehenen Bereich ist
der Strömungsquerschnitt der Kammer bevorzugt
konstant.
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Besonders günstig scheint ein im wesentlichen rechteckförmiger Querschnitt
zu sein.
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Gemäss einer besonders bevorzugten Ausfiihrungsform der erfindungsgemässen
Vorrichtung gilt für die Längserstreckung 1L der Elektroden und den Abstand d zwischen
diesen die folgende Beziehung:
wenn mit vL die Stromungsgeschwindigkeit der Fltissigkeit, mit'# deren Viskosität,
mit r der Radius der geladenen Partikel in dem Fluid, mit zi die Zahl der Elementarladungen
der einzelnen Partikel, mit eO die Elementarladung, mit E der Betrag der angelegten
wirksamen Feldstärke und mit #r die Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit ber
zeichnet ist.
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Durch die vorgenannte Beziehung wird sichergestellt, dass am Ende
der Anlage die erwfinschte Entmischung zwischen dem Fluid und den in ihm befindlichen
Ionen stattgefunden hat.
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Die folgenden rechnerischen ttberlegungen erläutern den vorstehenden
Sachverhalt: Die von dem elektrischen Feld eines Elektrodenpaares auf die mit dem
Fluid zwischen dem Elektrodenpaar hindurchströmenden Ionen ausgeiibten Kräfte lassen
sich durch folgende Beziehung wiedergeben: F =q ~ E (1)
wobei Q
die Ladung der Partikel, E die wirksame elektrische Feldstärke bedeuten.
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Auf die in dem Fluid enthaltenen Ionen - im Falle der Meerwasserentsalzung
im wesentlichen die in Wasser dissoziierten Na+ und Cl#-Ionen - wirkt neben der
in Formel (1) angegebenen Coulomb'schen Anziehungskraft, welche die genannten Partikel
in Richtung auf die Elektroden zu beschleunigen versucht, eine retardierende Reibungskraft,
welche die Bewegung der Partikel in Richtung auf die Elektroden bremst.
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Diese Reibungskraft lMsst sich nach dem Stokes'schen Widerstandsgesetz
durch folgende Formel ausdrücken: FW 5 6T t-r-vT (2) In Anbetracht der geringen
Wanderungsgeschwindigkeit der Ladungsträger sei hier modellm#ssig davon ausgegangen,
dass die geladenen Partikel in Form einer Kugel mit dem Radius r vorliegen und laminar
umströmt seien. v bezeichnet die Wanderungsgeschwindigkeit der geladenen Partikel.
Mitt ist die Viskosität des Fluids bezeichnet, im Falle der Meerwasserentsalzung
diejenige von Wasser.
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Durch Gleichsetzen der obigen Gleichungen (1) und (2) ergibt sich
im Kräftegleichgewicht für die geladenen Partikel deren Wanderungsgeschwindigkeit
v durch folgende Beziehung:
Hierin bedeuten Er ie die Dielektrizitätskonstante des in das r Feld E eingebrachten
Fluids, zi die Zahl der Elementarladungen der einzelnen Partikel und eo die Elementarladung.
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Aus der konstruktiv vorgegebenen, zur Entmischung des Fluids erforderlichen
Ablenkung der geladenen Partikel 1T und deren Wanderungsgeschwindigkeit v im elektrischen
Feld ergibt sich die mittlere Verweilzeit r eines geladenen Partikels in der Trennvorrichtuna
durch folgende Beziehung:
Aus der Verweilzeit ~ der geladenen Partikel im Ablenkfeld lässt sich bei gegebener
mittlerer Durchstrmungsaeschwindigkeit v des Fluids zwischen den Elektroden die
zur Durchführung einer Entmischung notwendige Bau länge 1 des L Elektrodenbereichs
gemäss folgender Beziehung berechnen:
Durch Einsetzen der Formel (3) erhält man das für die Geometrie der Trennvorrichtung
wichtige Verhältnis von Strömungsweg 1L zur Ablenkstrecke l:
Die Kammer ist am Austrittsende des Fluids durch zumindest zwei mit ihren Enden
parallel zu den Elektroden ausgerichtete Wandungen in zwei Rand- und einen Mittelbereich
unterteilt, in welche die verschiedenen Ausltisse aus der Kammer münden.
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Durch diese Maßnahne wird verhindert, dass sich am Ende der Kammer
die in Nachbarschaft zu den Elektroden mit Ionen angereicherten Teilströmungen wieder
mit der in der Mitte der Kammer befindlichen, an Ionen verarmten Teilströmung des
Fluids vermischen. Die Wandungen reichen in der Kammer bis in den Elektrodenbereich
hinein, vorzugsweise eine Strecke die bis zu zwei Elektrodenabständen entspricht.
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In einer Weiterbildung der Erfindung enthält die Vorrichtung im Bereich
der Zuführung des Fluids in die Kammer zumindest eine für die gleichnamig geladenen
Partikel der einen Ladungssorte eine Sammelwirkung ausWibende elektrische oder magnetische
Linse, deren Achse in Richtung auf diejenige der einander gegenüberliegenden Elektroden
geneigt ist, welche die genannten geladenen Partikel anzieht. Im Falle einer elektrischen
Linse liegt die erste der zumindest drei Lochelektroden am Miindungsbereich des
Fluids in die Kammer und die letzte im Bereich des ersten Ablenkplattenpaares.
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Die beiliegende Zeichnung dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung:
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm von einer erfindungsgemässen Meerwasser-Entsalzungsanlage;
Fig. 2 zeigt einen Ouerschnitt durch eine Trennkammer; Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt
durch die in Fig.2 gezeigte Trennkammer.
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Die in Fig.1 gezeigte Meerwasser-Entsalzungsanlage besteht aus einer
Kammer K, der Meerwasser M mittels einer Pulse P zugeleitet wird. In der Kammer
K wird durch ein senkrecht zur Durchflussrichtung des Meerwassers angelegtes elektrisches
Feld eine zunehmende Trennung zwischen den im Meerwasser dissoziierten Salzionen
und dem Reinazasser bewirkt.
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Die Ionen konzentrieren sich dabei zunehmend im Bereich der Kammerwandung,
so dass aln rechten Ende der Kammer eine mit t Ionen angereicherte Sole S abgezogen
wurden kann. Von der
Mitte der Kammer wird das Reinwasser R aus
der Kammer herausgeführt. In der Salzwasserzuleituncj und in der Reinwasserableitung
ist zur Überwachung des #7erfahrens je ein Leitfähigkeitsmeßgerät L angebracht.
Der Aufbau der Kammer K ist in den Fig.2 und 3 nhcr darqestellt.
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Der Querschnitt von Fig.2 zeigt die sich über die gesamte Querseite
der Kammer erstreckenden, einander gegenilberliegenden Elektroden 1 und 1' , die
mit Isolationsschichten 2 von dem Innern der Kammer getrennt sind. Die Elektroden
und die Isolation sind im Innern einer tragenden Struktur 3 aufgebracht, welche
die im Querschnitt rechteckförmige Kammer bildet. Mit dem Bezugszeichen 4 sind zwei
parallel zu den Elektroden 1,1' ausgerichtete Wandungen bezeichnet, die das Innere
der Kammer in zwei Rand- und einen Mittelbereich unterteilen, in welche die Auslässe
6 und 6' fiir die Sole und der Aus lass 5 für das Reinwasser R munden.
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Die Anlegung der Spannung an die Elektroden 1,1' erfolgt mittels Zuleitungen
7,7'. Das Meerwasser wird in die Kammer durch eine Zuleitung 8 eingeführt.