DE2917058A1 - Ein- oder mehrstufiges verfahren zur entsalzung bzw. teilentsalzung von salzhaltigem wasser mit einem salzgehalt von ueber 13g/kg vorzugsweise meerwasser unter anwendung der umkehrosmose - Google Patents
Ein- oder mehrstufiges verfahren zur entsalzung bzw. teilentsalzung von salzhaltigem wasser mit einem salzgehalt von ueber 13g/kg vorzugsweise meerwasser unter anwendung der umkehrosmoseInfo
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Description
Anmelder; 5270 Gummersbach, den 25.4.1979
L. & C. Steinmüller GmbH Pa 79°4
Postfach 1949/1960
5270 Gummersbach 1
5270 Gummersbach 1
Patentanmeldung
"Ein- oder mehrstufiges Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung von
salzhaltigem Wasser mit einem Salzgehalt von über 13g/kg vorzugsweise
Meerwasser unter Anwendung der Umkehrosmose"
Die Erfindung bezieht sich auf ein ein- oder mehrstufiges Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung von
salzhaltigem Wasser mit einem Salzgehalt von über 13g/kg
vorzugsweise Meerwasser unter Anwendung der Umkehrosmose.
Die Trennung eines Meerwasserstromes oder hoch salzhaltigen Rohwasserstromes P in einen salzarmen Permeat—
strom ρ und einen salzreichen Konzentratstrom B unter Anwendung der umgekehrten Osmose ist bekannt. So wird
z.B. aus Meerwasser in bisher mindestens zweistufiger Verfahrensweise Trinkwasser oder Brauchwasser hergestellt.
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Kennzeichnend für die umgekehrte Osmose ist, daß unter Anwendung von mechanischer bzw. elektrischer Energie
der Rohwasserstrom von einem Umgebungsdruck Po auf einen Förderdruck p^^ + Δ p^ (siehe Fig. 1)
(Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose mit Energierückgewinnung aus dem Konzentrat) gepreßt wird. Das so
geförderte Rohrwasser wird dann einem oder mehreren Umkehrosmoseapparaten UO zugeführt, wobei durch Strömungsverluste
in Leitungen und Druckverluste in nicht dargestellten Armaturen und Regelarmaturen der Druck
auf P1^ abgebaut wird* In der Umkehrosmose durchströmt
das Permeat P die semipermeablen Membranen, baut seinen
Druck auf p-^ ab und verringert dabei seinen Salzgehalt
von der Rohwasserkonzentration m„ auf die Permeatkonzentration
m « m„. Auf der Primärseite der Membran
P F
verringert sich der Wasserstrom von F auf B. Dabei
verringert sich der Wasserstrom von F auf B. Dabei
sinkt dessen Druck umAp. auf p-p» und <^β Konzentration
steigt von m„ im Rohwasser auf mB im Konzentrat. Trotz
Verringerung von Druck und Menge ist im Konzentrat B jedoch häufig noch so viel Energie vorhanden, daß eine
Energierückgewinnung in einer z.B. Entspannungsturbine T möglich und sinnvoll ist. In einer solchen Turbine wird
der Konzentratstrom B von p^p - Δ P*? auf Po entspannt.
Es liegt nun in der Eigenart der umkehrosmotischen Vorgänge, daß eine hohe Permeatausbeute a « £ und die
damit verbundene hohe Konzentrationsänderung um mß - mp
einen hohen Arbeitsdruck p^2 ar" Austritt aus der Umkehrosmoseapparatur
erfordert, da an bzw. in der semipermeablen Membran die an sich bekannte osmotische Druckdifferenz
und der Reibungsverlust in der Membran überwunden werden müssen.
Um den Arbeitsdruck nicht zu hoch zu treiben, sind umkehrosmotische
Prozesse bisher auch nur mit etwa mittleren
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Drücken von 55 bis max. 70 bar als wirtschaftliche Obergrenze betrieben bzw· ausgelegt worden. Das geschah
einmal mit Rücksicht auf die mechanischen Eigenschaften der Membranen, aber auch mit Rücksicht
auf den Aufwand für die Druckerzeugung. Trotz durchgeführter Rückgewinnung von im Permeat enthaltener
Energie ist der Energiebedarf der Umkehrosmose noch erheblich.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung
von salzhaltigen Wässern unter Anwendung der Umkehrosmose zu schaffen, bei dem der im allgemeinen erhebliche
Badarf an mechanischer bzw. elektrischer Energie je Einheit des erzeugten Produktwassers
(Permeat) minimiert wird unter gleichzeitiger Optimierung des Investitions- und Betriebsaufwandes
für die im allgemeinen erforderliche Vorbehandlung des einzusetzenden Rohwassers.
Eine genauere Untersuchung des Erfindungsgedankens kommt nun zu dem überraschenden Ergebnis, daß ein höherer
Arbeitsdruck und die dabei ausgenutzte, mögliche Vergrößerung der Ausbeute zu einer Verringerung des
Energieaufwandes W in der Förderpumpe oder des Gesamtenergieaufwandes W = Wp - W_ führt, wobei W_, die zurückgewonnene
Energie in der Turbine ist. Der Abfall des Energieverbrauches ist zunächst stark und erreicht
dann ein ausgeprägtes Minimum, nach dessen Durchschrei ten der Energiebedarf wieder stark ansteigt.
Der erzielbare Effekt soll durch die nachstehende Beschrei· bund verdeutlicht werden. Zur Herstellung eines Permeate
aus einem Rohwasser wird dieses in zuvor beschriebe-
030044/0465 #/*
• D —
ner Weise auf einen Druck ρ ^, vor der Umkehrosmoseapparatur
gepreßt. Unter dem Einfluß der Differenz zwischen diesem Druck und dem Druck p^« auf der Sekundärseite
der Membranen wird das Permeat durch diese getrieben. Die treibende Druckdifferenz wird jedoch durch die
hydrodynamischen Verluste in der Apparatur und durch die sogenannte osmotische Druckdifferenz vermindert.
hydrodynamischen Verluste in der Apparatur und durch die sogenannte osmotische Druckdifferenz vermindert.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet
ist, daß das salzhaltige Rohwasser vor Trennung in einen salzreichen Konzentratstrom und einen
salzarmen Permeatstrom auf einen Prozeßanfangsdruck von über 80 bar gepreßt wird, und die Trennung in den
salzreichen Konzentratstrom und den salzarmen Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis von Permeat zu Rohwasser
von über 0,4 erfolgt.
Die Erfindung sieht ferner vor, daß im Falle eines zweistufigen Verfahrens der Prozeßanfangsdruck in der
zweiten Stufe des in der ersten Stufe auf höchstens 1,5 g/kg vorentsalzten Rohwassers der zweiten Stufe
über 60 bar liegt, und die Trennung in den Konzentratstrom und den Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis
von Permeat zu Rohwasser von über 0,7 erfolgt.
Bei der Entsalzung bzw. Teilentsalzung von Brackwasser oder Prozeßwasser mit einem Salzgehalt von
unter 13 g/kg können nach der Erfindung die Prozeßparameter, Druck über 60 bar, Mengenverhältnis
von Permeat zu Rohwasser von über 0,7 der im vorhergehenden beschriebenen zweiten Stufen eines
zweistufigen Behandlungsverfahrens zur Anwendung kommen.
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Die osmotische Druckdifferenz hat ihren höchsten Wert am Austrittsende der Umkehrosmose-Apparatur, da dort die Salzkonzentration am höchsten ist. Die osraotische Druckdifferenz
ist dieser Salzkonzentration praktisch proportional. Der verbleibende Rest der treibenden Druckdifferenz muß als eine
etwa konstant anzusetzende Größe angesehen werden, da dieser verbleibende Rest die Membranfläche bestimmt, wodurch diese
in wirtschaftlichen Grenzen gehalten wird. Eine Erhöhung der Permeatausbeute ist daher nur durch eine Erhöhung des
Arbeitsdruckes unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich. Ein höherer Arbeitsdruck bedeutet jedoch eine
Erhöhung der Pumpenleistung, die aber durch die Verminderung des Rohwasserbedarfs bei gleichzeitig steigender Ausbeute vubenfompensiert wird. Da Druck und Ausbeute andersartigen, gegenläufigen Gesetzmäßigkeiten gehorchen, kommt
es bei der richtigen Kombination der den Permeatfluß treibenden Druckdifferenz, der Bemessung der Membranflächen
und der richtig gewählten Permeatausbeute zu dem Minimum an Energiebedarf je Permeateinheit. Dieses Minimum hat also
drei Auslegungsvoraussetzungen:
- die Auslegung der Pumpe nach Fördermenge und Förderhöhe
- die Auslegung der Umkehrosmose-Apparatur nach ihrer Membranfläche
- die Auslegung der Turbine oder im Falle eines
Verzichtes auf die Energierückgewinnung die Auslegung der Entspannungsapparatur nach Durchsatz und Druckdifferenz
Der Betrieb unter relativ hohem Arbeitsdruck und bei hoher Ausbeute an diesem Minimalpunkt oder in dessen Nähe wird
als Erfindung beansprucht. Ein über den Vorteil des minimierten Energiebedarfs hinausgehender Vorteil ist noch der,
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— O —
daß bei der relativ hohen Permeatausbeute a am Energieminimum
der Rohwasserbedarf F auch relativ klein ist, und damit der Aufwand an Investitionen, Wartung und Betrieb
für die Rohwasservorbehandlung durch Flockung, Sedimentation, Druckfiltration, Entkeimung, Entchlorung
und Sicherheitsfiltration ebenso relativ klein ist.
Der Vorteil soll an einem Beispiel verdeutlicht werden.
Für die Herstellung von Trinkwasser aus Meerwasser mit einem Salzgehalt von 42000 ppm (Arabischer Golf), entsprechend
einer Molarität des Rohwassers von m„ = l»34y
wird das Verfahren der umgekehrten Osmose angewendet. Die Umkehrosmose muß in zwei Stufen, d.h. zweimal durchgeführt
werden, damit der zuträgliche Salzgehalt im Trinkwasser unter 500 ppm erreicht wird. Da ohnehin zweistufig
gearbeitet werden muß, kann mit einer Membran mit einer Selektivität von 90 % in der ersten Stufe
gearbeitet werden, d.h. an einem Flächenelem-ent der
Membran betagt die Verringerung der Salzkonzentration berechnet aus Konzentrat und Permeat, jedoch bezogen
auf das Permeat 90 %. Die folgenden Betrachtungen bleiben auf die erste Umkehrosmosestufe beschränkt, da
diese vom Aufwand jeder Art gegenüber der zweiten Stufe erheblich ist; sie gelten im Prinzip aber auch für die
zweite Stufe. Die Prozeßanfangsdrücke in einer zweiten Stufe liegen dabei nach dem derzeitigen Stand der
Technik durchweg unter 60 bar, bei Ausbeuten erheblich unter 60 %. Die grundlegenden Daten für die erste Stufe,
deren Erklärung aus der Fig. 1 hervorgeht, sind:
Molarität des Rohwassers mp » 1,34 (Mol/nT)
Selektivität der Membran S - 90 Wirkungsgrade der Pumpen T) p »66
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ORIGINAL INSPECTED
Wirkungsgrad der Turbine γι _, a 61 (%)
Zulaufdruck vor der Pumpe P = 2 (bar) Ablaufdruck hinter der Turbine P3 » 2 (bar)
Zulaufdruck vor der Pumpe P = 2 (bar) Ablaufdruck hinter der Turbine P3 » 2 (bar)
Tafel 1: Grundlegende Daten für Beispiel Meerwasserentsalzung.
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ORIGINAL INSPECTED
Permeatausbeute
a - I 100
| Permeatstrom | P | Wp | |
| Hohwas sers trom | P | ||
| Druckdiffe renz an der Pumpe |
ΔΡρ | ||
| Druck vor der Umkehrosmose |
P11 | ||
| O -π |
2 spezifischer ο Leistungsbedarf ο der Pumpe |
wp - | |
| IIGINAl | *"* spezifische ^ Leistungsabgabe |
W m m |
|
•g an spezifischer
π Leistungsbedarf
Leistungsverhältnis
W ■ W —V
wm/v
(m3A)
(bar)
(bar)
(bar)
(kWh/m5)
(kWh/m5)
(kWh/m5)
(kWh/m5)
(kWh/m5)
(kWh/m5)
33 17
40 50 60 70 80 90
1 1 1 1 11
2,50 2,00 1,67 1,43 1,25 1,11
90 98 111 131 170 283
86
99 119 158 271
9,5 8,3 7,8 7,9 8,9 13
1,76 1,32 1,02 0,80 0,64 0,50
7,74 6,96 6,73 7,04 8,29 12,?
19 16 13 10 7 4
Tafe 2 : Umkehrosmose Stufe 1 für Meerwasserentsalzung nach Bild 1 und Tafel 1
Eingerahmte Werte ■ konventionelle Auslegung
Der Einfluß der Pumpen-DruckdifferenzA p^tuf die Auebeute und
auf den spezifischen Energiebedarf Wp und W geht aus der Tafel 2
hervor, noch deutlicher aus der Figur 2.- Die Symbole in dieser Figur= korrespondieren mit den Erklärungen in der Tafel 2.
Die Minima liegen
| für | Wp - | 7,65 | (kWh/nf) | bei |
| a ■ | 62 | (%) und | ||
| A | Pp * | 112 | (bar) Λ | |
| für | w « | 6,80 | (kWh/m3) | bei |
| a * | 57 | (%) und | ||
| Δ | Pp - | 107 | (bar) |
Geht man davon aus, daß bisher allenfalls Ausbeuten von 30 % unter vergleichbaren Voraussetzungen realisiert wurden,
so ergeben sich gegenüber dem Betrieb am Punkt des Energieminimums folgende Verschlechterungen
1) für Wp s 1OO « 57 (%)
| 2) | für W | s | 9f4 | - 6,8 | h | 1OO - | 38 |
| für Wp gegen W |
S | 6,8 | 100 « | 23 | |||
| 3). | für F-4 ei |
9r4 | - 7,65 | 100 - | 107 | ||
| bzw. | 7,65 | 1OO « | 90 | ||||
| 4) | 1 30 |
- 1 62 |
|||||
| 1 62 |
|||||||
| S) | 1 30 |
57
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ORIGINAL INSPECTED
Die Zahlen machen den Betrieb an Minimalpunkt deutlich. Aus
1. und 2. geht hervor, daß der Energiebedarf bei der derzeit etwa üblichen Permeatausbeute von 30 %, je nachdem, ob mit
oder ohne Turbine für die Energierückgewinnung gearbeitet wird, um 57 % oder 38 % höher liegt als am Minimalpunkt. Selbst
ein Vergleich (Zeile 3.) am Minimalpunkt für den Betrieb nur mit einer Pumpe ohne Rückgewinnungsturbine mit dem Energiebedarf
einschließlich Rückgewinnung bei der üblichen kleinen Permeatausbeute ist um 38 % schlechter zu Ungunsten des üblichen
Betriebes. Aus den Zeilen 4 und 5 geht der um 90 bis 107 t höhere Rohwasserbedarf mit allen seinen Folgen für Investitionen und Betrieb der Rohwasser-Vorbehandlung hervor. Voraussetzung
dafür ist ein genügend hoher Pumpendruck und eine genügend große Ausbeute« , .. . · ·
030044/0465 ORIGINAL INSPECTED
-43-
Leerseite
Claims (3)
1. Ein- oder mehrstufiges Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung von salzhaltigem Wasser mit einem
Salzgehalt von über 13 g/kg vorzugsweise Meerwasser unter Anwendung der Umkehrosmose, dadurch
gekennzeichnet, daß das salzhaltige Rohwasser vor Trennung in einen salzreichen Konzentratstrom
und einen salzarmen Permeatstrom auf einen Prozeßanfangsdruck von über 80 bar gepreßt wird, und
die Trennung in den salzreichen Konzentratstrom und den salzarmen Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis
von Permeat zu Rohwasser von über 0,4 erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines zweistufigen
Verfahrens der Prozeßanfangsdruck in der zweiten Stufe des in der ersten Stufe auf höchstens
1,5 g/kg vorentsalzten Rohwassers der zweiten Stufe über 60 bar liegt, und die Trennung in den Konzentratstrom
und den Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis von Permeat zu Rohwasser von über 0,7 erfolgt.
3. Einstufiges Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung von Brackwasser oder Prozeßwasser mit einem
Salzgehalt von unter 13 g/kg unter Anwendung der Umkehrosmose, dadurch gekennzeichnet,
0300U/0465 #/"
daß das Brackwasser oder Prozeßwasser vor Trennung in einen Konzentratstrom und einen Permeatstrom
auf einen Prozeßanfangsdruck von über 60 bar gepreßt wird, und die Trennung in den Konzentratstrom
und den Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis von Permeat zu Rohwasser von über 0,7
erfolgt.
erfolgt.
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