DE2917058C2

DE2917058C2 - Ein- oder mehrstufiges Verfahren zur Entsalzung bzw. Teilentsalzung von Wasser unter Anwendung der Umkehrosmose

Info

Publication number: DE2917058C2
Application number: DE2917058A
Authority: DE
Inventors: Kurt Manfred Dr.-Ing. 5270 Gummersbach Pohl
Original assignee: L&C Steinmueller GmbH
Current assignee: Hitachi Zosen Inova Steinmueller GmbH
Priority date: 1979-04-27
Filing date: 1979-04-27
Publication date: 1982-04-22
Also published as: IT8004815A0; JPS55145508A; DE2917058A1; GB2048113A; FR2455000A1; GB2048113B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein ein- oder mehrstufiges Verfahren zum Entsalzen bzw. Teilentsalzen von Wasser mittels einer Umkehrosmose bei einem verminderten Energiebedarf.

Die Trennung von wäßrigen Salzlösungen F in ein Konzentrat B und ein gereinigtes Permeat P unter Anwendung der Umkehrosmose ist bekannt.

Nach den bekannten Verfahren der Umkehrosmose, die jüngst durch die Entwicklung von semipermeablen Membranen geeigneter Durchlässigkeit und Selektivität -sowie durch die Konstruktion von Apparaten brauchbar wurden, wird auf der Lusungsscite Fein bis etwa 100 bar hoher, äußerer Druck aufgegeben, der abhängt vom osmotischen Druck und vom St. jmungswiderstand der Membran bei gleichzeitigem Erhalt einer genügend hohen Durchtrittsgeschwindigkeit. Dabei diffundiert das Lösungsmittel aus der Lösung Fdurch die Membran und konzentriert die Lösung Fauf.

Auf diese Weise wird z. B. aus Meerwasser in bisher mindestens zweistufiger Verfahrensweise Trinkwasser oder Brauchwasser hergestellt.

Kennzeichnend für die Umkehrosmose ist, daß unter Anwendung von Energie der Rohwasserstrom von einem Umgebungsdruck P_n auf einen Förderdruck pi\+Apu (siehe Fig. 1) (Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose mit Energierückgewinnung aus dem Konzentrat) gepreßt wird. Das so geförderte Rohwasser wird dann einem oder mehreren Umkehrosmoseapparaten LIO zugeführt, wobei durch Strömungsverlust^ in Leitungen und Druckverluste in nicht dargestellten Armaturen und Regelarmaturen der Druck auf pw abgebaut wird. In der Umkehrosmose durchströmt das Permeat Pdie semipermeablen Membranen, baut seinen Druck auf pn ab und verringert dabei seinen Salzgehalt von der Rohwasserkon/entration me auf die Permeat konzentration m_p< < rrif. Auf der Primärseite der Membran verringert sich der Wasserstrom von Fauf B. Dabei sinkt dessen Druck um Δρ\ auf p_l2, und die Konzentration steigt von m> im Rohwasser auf nin im Konzentrat. Trotz Verringerung von Druck und Menge ist im Konzerttratstrom 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\i—Äp\i auf />j entspannt. Es liegt nun in der Eigenart der umkehrosmolischen Vorgänge, daß eine

hohe Permeatausbeufe a = ζ. lind die damit verbundene hohe Konzentrationsänderungum me—mFeinen hohen Arbeitsdruck pu am 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 m*i mit etwa mittleren 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 der» 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 Bedarf an 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.

Zur Lösung dk-ser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Verfahren vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Umkehrosmose im Verhältnis von Druck zu Permeatausbeute führt, wobei man das Rohwasser in einem einstufigen Verfahren oder in der ersten Stufe eines mehrstufigen Verfahrens bei einem Salzgehalt von über 13 g/kg Lösung auf einen Prozeßanfangsdruck von über 80 bar bringt und das Permeat in einem Verhältnis zum Rohwasser von über 40% abtrennt und bei einem Salzgehalt unter 13 g/kg die korrespondierenden Werte auf über 60 bar und über 70% einstellt.

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-V in der Förderpumpe oder des Gesamtenergieaufwandes W= W_P- Wt führt, wobei Wr die zurückgewonnene Energie in der Turbine ist. Der Abfall des Energieverbrauches ist zunächst stark und erreicht dann ein ausgeprägtes Minimum, nach dessen Durchschreiten der Energiebedarf wieder stark ansteigt (vgl. Fig. 2).

Der erzielbare Effekt soll durch die nachstehende Beschreibung verdeutlicht werden. Zur Herstellung eines Permeats aus einem Rohwasser wird dieses in zuvor beschriebener Weise auf einen Druck pn vor der Umkehrosmoseapparatur gepreßt. Unter dem Einfluß der Differenz zwischen diesem Druck und dem Druck />;- 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

Im Falle eines zweistufigen Verfahrens kann 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 liegen und die Trennung in den Konzentratstrom und den Permeatstrom bei einem Mengenverhältnis von Permeat zu Rohwasser von über 0,7 erfolgen.

Bei der Entsalzung bzw. Teilentsalzung von Brackwässer öder Prözeßwässer 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. Die osmotische Druckdifferenz hat ihren höchsten Wert am Austrittsende der Umkehrosmose-Apparatur, da dort die Salzkonzentration am höchsten ist. Die osmotische 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 zunächst überkompensiert wird. Da Druck ur-d 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

Tafel 2

10 Vorteil des minimierten Energiebedarfs hinausgehender Vorteil ist noch der, daß bei der relativ huhen Permeatausbeute a am Energieminimum der Rohwasserbedarf Fauch relativ klein ist und damit der Aufwand an Investitionen, Wartung und Betrieb für die Roh Wasservorbehandlung 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 42 000 ppm entsprechend einer Molarität (als Ionenmolarität berechnet) des Rohwassers von /n/ = 134, wird das Verfahren der umgekehrten Osmose angewendeL 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 (Salzdruckhaltevermögen) von 90% in der eisten Stufe gearbeitet werden. Die folgenden Betrachtungen bleiben auf die erste Umkenrosmosestufe beschränkt, da diese vom Aufwand jeder Art gegenüber der zweiisn Stufe erheblich ist; sie gelten im Prinzip aber auch für die zwene Stufe. Die Prozeßanfangsdrücke in einer zweiten Stufe liegen dabei nach dem derzeitigen Stand der Technik durchweg unter 60 bar, bei Ausbeuten erheblich über 60%. Die grundlegenden Daten für die erste Stufe, deren Erklärung aus der F i g. 1 hervorgeht, sind:

Tafel 1

Grundlegende Daten
für Beispiel Meerwasserentsalzung

Molarität des Rohwassers
Selektivität der Membran
Wirkungsgrade der Pumpen
Wirkungsgrad der Turbine
Zulaufdruck vor der Pumpe
Ablaufdruck unter der
Turbine

/77F= 1,34(MoIZm¹)
S =90(%)
TjP = 66(%)
7?7=61(%)
P₁₁ =2 (bar)

P₃ =2 (bar)

Umkehrosmose Stufe 1 für Mee.wasserentsalzung nach Bild 1 und Tafel 1 Eingerahmte Werte = konventionelle Auslegung

Permeatausbeute a - '■

Permealstrom P

Rohwai.serstrom F

Druckdifferenz Δ P₁,
an der Pumpe

Druck vor der P_u
Umkehrosmose

(m-Vh)
(m³/h)
(bar)

(bar)

10

77

20
1
5

80

65 68

Wp

(kWh/m-¹) 33 17

Spezifischer wp

Leistungsbedarf '

der Pumpe

Spezifische "Y-^ (kWh/m³) 8,4 4,0

Leistungsabgabe

der Turbine

Spezifischer w = w_D - w_T (kWh/m³) 24 13

Leistungsbedarf

Leistungs- 10OiV₇-Af/. (%) 26 23

Verhältnis

30

3,33 85

73 12

2,5

9,4 21

50

70

80

90

1 1

2.50 2.00
90 98

1111
1.67 1.43 1.25 1.11 111 131 170 283

8k

8.3

119

7.8

7,9

l.«8 271

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 12,7 19 16 13 10 7 4

Der Einfluß der Pumpen-Druckdifferenz ΔΡ_Ρ auf die Ausbeute und auf den spezifischen Energiebedarf Wr und Wgeht aus der Tafel 2 hervor, noch deutlicher aus der Fig.2. Die Symbole in dieser Figur korrespondieren mit den Erklärungen in der Tafel 2.

Die Minima liegen

RJr	K	= 7,65	(kWh/m	³)	bei
	a	= 62	(%) und
A	P_n	= 112	(bar),
rar	W	= 6,80	(kWh/m	^J)	bei
	a	= 57	(%) und
A	Pn	= 107	(bar)

Geht man davon aus, daß bisher allenfalls Ausbeuten von 30% unter vergleichbaren Voraussetzungen realisiert wurden, so ergeben sich gegenüber dem Be^ trieb am Punkt des Ertergierninimums roigende Verschfechlerungeri

1) Tür W_n:

2) für W:

12-7,65

7,65

9,4 - 6,8
6,8

100 = 57(%)
100 = 3S(%)

3) für W_n gegen W: 100 = 23 (%)

4) PUfF--:
a

5) bzw.

J__J_
3062

1	i	I
62	30	57

57"

100 = 107 (%)

100= 90(%)

Die Zahlen machen den vorteilhaften Betrieb am Minimalpunkt deutlich. Aus den Ziffern 1 und 2 geht hervor, daß der Energiebedarf bei der derzeit etwa üblichen Permcatausbeute 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 (Ziffer 3) am Minimalpunkl für den Betrieb nur mit einer Pumpe ohne

2ö Kücfcgewinnungstufbine mit dem Energiebedarf einschließlich Rückgewinnung bei der üblichen kleinen Permeatausbeute ist um 38% schlechter zu Ungunsten des üblichen Betriebes. Aus den Ziffern 4 und 5 geht der um 90 bis 107% 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.

Hierzu 2 Blatt Zcichnuimen

Claims

Patentanspruch:

Ein- oder mehrstufiges Verfahren zum Entsalzen bzw. Teilentsalzen von Wasser mittels einer Umkehrosmose bei einem verminderten Energiebedarf, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umkehrosmose im Verhältnis von Druck zu Permeatausbeute führt, wobei man das Rohwasser in einem einstufigen Verfahren oder in der ersten Stufe eines mehrstufigen Verfahrens bei einem Salzgehalt von über 13 g/kg Lösung auf einem Prozeßanfangsdruck von über 80 bar bringt, und das Permeat in einem Verhältnis zum Rohwasser von über 40% abtrennt und bei einem Salzgehalt unter 13 g/kg die korrespondierenden Werte auf über 60 bar und über 70% einstellt