DE2924971A1 - Verfahren zur entsalzung von loesungen unter anwendung der umgekehrten osmose - Google Patents

Description

• "Verfahren zur Entsalzung von Lösungen
• unter Anwendung der umgekehrten Osmose" Die Trennung von salzhaltigen Lösungen unter Anwendung der umgekehrten Osmose in ein salzarmes sogenanntes Permeat und ein im Vergleich zur salzhaltigen, der umgekehrten Osmoseanlage zulaufenden Lösung angereichertes Konzentrat ist bekannter Stand der Technik.
• So wird z.B. industrielles Brauchwasser oder Trinkwasser aus im wesentlichen kochsalzhaltigem Brackwasser oder Seewasser hergestellt. Der eigentliche Reversosmoseteil einer solchen Anlage ist in Bild 1 vereinfacht dargestellt. Eine Förderpumpe 1 bringt die zu entsalzende Lösung 2 vom Umgebungsdruck PO auf den Arbeitsdruck P1. Dieser Arbeitsdruck P1 hat dabei folgende Kriterien zu erfüllen; Er muß höher sein, als der den Salzkonzentrationen X1, X2 und X zugeordnete osmotische Druck Druck und er muß den apparatespezifischen Eigenschaften, wie innerer Druckabfall von P1 auf P2 in der Reversosmoseapparatur auf der Konzentratseite sowie Permeatleistung bei gegebener oder vorzugebender, wirksamer Oberfläche an semipermeabler Membran entsprechen.
• Das Verhältnis von Permeat P sowie Konzentrat K zur zulaufenden Lösung L ist begrenzt, und zwar im Extremfall durch die Sättigungskonzentration der gelösten Salze X5 (wobei X2 kleiner als X5 bleiben muß) und allgemein durch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, da der osmotische Druck und damit der Arbeitsdruck P1 im Verhältnis zur Konzentrationsdifferenz X2 - XO erheblich ansteigt.
• Obwohl das Reversosmoseverfahren als reversibles Verfahren vom Prinzip her energiesparend sein kann, ist der Energieaufwand häufig sehr hoch, wenn das Verhältnis von K/L aus zuvor geschilderten Gründen relativ groß ist und die EnergierUckgewinnung aus dem Konzentrat bei dem Abbau des Druckes von P2 hinter der Reversosmoseapparatur auf den Umgebungsdruck PO (oder auch einem anderen Druck kleiner oder größer als PO) aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht gelingt. So sind Erfolge in der Anwendung von Entspannungsmaschinen bisher nicht bekannt geworden. Der Druckabbau von P2 auf PO im Strom des Konzentrats K wird daher im allgemeinen in einer Drosselarmatur 3 unter Verzicht auf Energierückgewinnung vorgenommen.
• Bei Anwendung eines schon früher vorgeschlagenen Verfahrens mit einer entsprechenden Apparatur kann jedoch auf eine Entspannungsmaschine anstelle der Drosselarmatur 3 verzichtet und dennoch die potentielle Energie des Konzentrats K mit hohem Wirkungsgrad zurückgewonnen werden. Dieses Verfahren ist in den Bildern 2.1 und 2.2 für zwei alternierende Betriebsphasen dargestellt.
• Der Lösungsstrom L wird dabei in zwei Ströme aufgeteilt: In einen Strom L1 = P (Permeat) und einen Strom L2 K (Konzentrat). Die Förderpumpe 5 preßt L1 von Umgebungsdruck PO auf den Arbeitsdruck P1. Die Förderpumpe 4 hat die Differenzmenge L2 ebenfalls vom Umgebungsdruck PO auf einen nur geringfügig höheren Druck P4 zu fördern, mit dem ent#psc#hen# 2.1-eln bestimmtes Konzentratvolumen aus dem Membrandoppelspeicher 7.2 unter Oberwindung von weiter unten erläuterter Druckverluste in die Umgebung zu fördern ist. Die Gesamtapparatur arbeitet. abgesehen von der Reversosmose 2 periodisch. Die Lösung L fließt jedoch der Anlage kontinuierlicKU das Konzentrat K intermittierend oder auch quasi-kontinuierlich ab.
• Die Membrandoppelspeicher 7.1 und 7.2, auch Flow Work Exchangers genannt, bestehen aus einem Druckkörper, der durch eine Membrane in zwei volumenvariable Kammern geteilt wird.
• Eine praktische Anwendung des vorgeschlagenen Prinzips ist jedoch vermutlich wegen der Schwierigkeiten in der Praxis bisher nicht bekannt geworden. Es können die den Druckkörper in zwei Kammern teilenden Membranenauch nur dann dauerhaft und zuverlässig arbeiten, wenn die Druckkörper und die Membranen aufeinander angepaßt sinnvoll geometrisch gestaltet werden.
• Erfindungsgemäß wird das erreicht, wenn die Membranen in den beiden Extremlagen an den inneren Oberflächen der Druckkörper satt anliegen. Die zweckmäßige Gestaltung der Speicher gemäß vorliegender Erfindung ist in den Bildern 7 bis 10 dargestellt. In diesen Bildern sind mit der Pos.-Nr. 12 jeweils der Druckbehälter und mit der Pos.-Nr. 13 die Membrane gekennzeichnet. Bild 7 zeigt als Druckkörper eine Kugel und als Membrane eine an einem Hauptkreis mit der Kugel befestigte flexible oder elastische Halbkugel. Bild 8 zeigt anstelle der Kugel einen ellipsoiden Rotationskörper, Bild 9 einen Doppelkonus.
• Alle Konfigurationen nach Bild 7 bis Bild 9 erlauben in den Extremlagen der Membrane für diese keine verwirrte Lage, so daß eine Schädigung der Membrane durch Druckeinflsse nicht möglich ist. Ein ähnlicher Effekt kann auch erzielt werden, wenn die Membran 13 im kugelförmigen Druckbehälter nach Bild 10 nach dem Prinzip einer Fußballblase angeordnet ist, wobei die Blase im oberen und unteren Scheitelpunkt der Kugel befestigt wird und z.B. der untere Befestigungspunkt zur Einleitung von Flüssi gkeit ins Blaseninnere verwendet wird.
• Bei Anwendung der dargestellten Doppel speicher strömt das Konzentrat in der in Bild 2 dargestellten Betriebsphase mit dem. Druck P2 in die obere Kammer des Membrandoppelspeichers 7.1 und drückt das im unteren Teil befindliche Lösungsvolumen der Saugseite der Pumpe 6 zu, die die vergleichsweise geringzügige Druckdifferenz P1 - P3 zu überwoinden hat. Die Druckdifferenz P2 - P3 setzt sich zusammen aus dem Walkwiderstand der Membrane in dem Membrandoppelspeicher rund dem Strömungswiderstand im Rohrleltungssystem. Die Druckdifferenz Pl -P2 ist der innere Druckabfall der Reversosmoseapparatur.
• Die Membrane in den Membrandoppelspeichern ist praktisch immer frei von Zugspannungen oder die entsprechenden Zugbeanspruchungen sind vorgebbar begrenzt, da die Membrane sich in den extremen Endlagen an der Behälterwand abstützt und in den schwimmenden Mittellagen nur durch ihren Walkwiderstand belastet ist. Diese Spannungsfreiheit oder Spannungsbegrenzung ist erheblich im Hinblick auf ein Versagen des erforderlichen Umschaltsteuersystems.
• Eine systeminhärente Sicherheit ist noch dadurch gegeben, daß iit:h in den beiden variablen Kammern auf der einen Seite die Lösung L2 und auf der anderen Seite das Konzentrat K befinden, beide also nicht in das Permeat P im Falle eines Membranschadens eindringen können. Die Membrane kann daher extrem flexibel gestaltet werden.
• Während die Lösung L2 aus dem Speicher 7.1 verdrängt wird, wird mit der Pumpe 4 Lösung L2 in den Membrandoppeispeicher 7.2 unter Verdrängung des auf der anderen Seite der Membrane befindlichen Konzentra#olumens ge- w drtlckt. Ist im Speicher 7.1 keine Lösung L2 mehr, werden die beiden Speicher entsprechend Bild 2.2 umgeschaltet.
• Permeat P und Konzentrat K strömen praktisch kontinuierlich. Die Schaltung der Absperrarmaturen ist in den Bildern 2.1 und 2.2 verständlich dargestellt.
• Eine Reversosmoseaniage kann, was bei Anlagen mit großer Kapazität oder aus steuerungstechnischen Gründen sinnvoll sein kann, auch mit mehr als zwei Doppelmembran~ speichern erfindungsgemäß betrieben werden.
• Die Vorteile der Anwendung vorliegender Erfindung liegen in der Möglichkeit, bei Verwendung konventioneller Pumpen 4, 5 und 6 ohne Entspannungsmaschine fUr das Konzentrat zu erheblichen Energleeinsparungen zu kommen, wie folgendes Beispiel zeigt.
• Aus 60 m³/h Seewasser mit einem Salzgehalt X1 - 38000ppm sind 20 m3/h Trinkwasser mit einem S#lzgehalt XO w 500 ppm herzustellen. Die Konzentratkonzentration ist X2 ; 57QOQppm. Unter den vorliogenden Voraussetzungen Er fordert eine Flachmembran-Platten-Reversosmose folgende Betriebabedingungen L = 60 m³/h PO = 1 bar P = 20 m3/h Pl =80 bar K = 40 m3/h P2 = 75 bar.
• Bei einem Gesamtwirkungsgrad von 50 % X ist der Leistungsbedarf der Pumpe 1 für eine Anlage nach Bild 1 280 kW oder 14 kWh je m3 Permeat.
• Der Leistungsbedarf einer erfindungsgemäßen Anlage nach Bildern 2.1 und 2.2 beträgt hingegen mit P3 r 73 bar und P = 3 bar sowie .4 L1 = P = 20 m³/h und L2 = K = 40 m³/h unter sonst gleichen Voraussetzungen für die Pumpe 4 4,5 kW für die Pumpe 5 93,o kW für die Pumpe 6 16.5 kW insgesamt l14,o kW oder 5.7 kWh Je m3 Permeat. Gegenüber der Anordnung nach Bild 1 werden erfindungsgemäß 60 IL der auf zuwendenden Energie bzw. 8,3 kWh je m3 Permeat eingespart.
• Eine weitere Möglichkeit zur Anwendung des energiesparenden Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung ist in Bild 3 für die mit Bild 2.1 korrespondierende Betriebsphase dargestellt. Die Kammern der Membrandoppelspeicher sind dabei voneinander getrennt (7.1 in 7.1a und 7.lb, 7,2 in 7.2a und 7.2b) und die trennende Membrane durch ein Gaspolster ersetzt. Da sich das Polsterqas mit der Zeit in der Flüssiqkeit löst, muß das Gas von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich erqänzt werden. Zur Verkleinerung der Stoffaustauschfläche für die Polsterqas-Absorption iat erfindunqsqemäß die freie Flüssigkeit'soberfläche in den Behältern 7.1a, 7.1b, 7.2 und #.2b mit einer schwimmenden diffusionshemmenden oder diffusionsverhindernden Lage abgedeckt.
• Es ist ferner möglich, die Membrane in den Membrandoppelspeichern ebenfalls erfindungsgemäß durch geeignete Strömungsführung in ihrer Trennwirkung partiell zu ersetzen.
• In den Bildern 4, 5a und 5b sind die Möglichkeiten dargestellt, eine für eine solche Substitution erforderliche Pfropfströmung quasi zu ersetzen.
• Dabei wird von der weiter oben beschriebenen Tatsache Gebrauch gemacht, daß eine systembedingte leichte oder eine betriebsstörungsbedingte umfangreiche Durchmischung von Löung L und Konzentrat K der Qualität des Produktes Permeat P nicht abträglich ist (s. Bilder 1, 2.1 und 2.2).
• Nach Bild 4 sind die Speicher 7.1 und 7.2 durch jeweils eine Serie vox Speichern ersetzt, die in den beiden'alternierenden Betriebsphasen in unterschiedlicher Richtung durchströmt werden. In der linken Hälfte von Bild 4 treibt das Konzentrat K unter hohem Druck die Lösung L2 zur Druckerhöhungspumpe der Reversosmose. In der rechten Hälfte von Bild 4 treibt ein Volumstrom L2 a K das Konzentrat K im Oberschuß unter niederem Druck in die Umgebung. Die Konzentrationen in den einzelnen Teilspeichern 7.ln bis 7.1.1 bzw. 7.2.n bis 7.2.1 nehmen, was leicht verständlich ist, mit der dritten Ziffer dieser Teilnummern ab. Da eine gewisse Konzentrationserhöhung in den Speichern 7.1.1 und 7.1.2 gegenüber der Speichertrennung mittels Membranen nicht ausgeschlossen werden kann, wird in der Niederdruck-Spülphase mit größerer Menge L2 gespült, als dem Bedarf der Reversosmose an zulaufender Lösung entspricht. Der Effekt der Konzentrationserhöhung durch Rückvermischung wird umso geringer, je höher die Stufenzah Aus diesem Grunde wird ebenfalls erfindungsgemäß der Ersatz einer definierten Anzahl von Stufen gemäß Bildern 5a und 5 b durch einzelne Behälter 7.1 und 7.2 mit FüllkörperfUllu#gen vorgeschlagen, die diese Behälter longitudial <Bild < n kleine Einzelbehalter mit quasi unendlicher Anzahl unterteilen.
• Ferner wird erfindungsgemäß beansprucht, den spezifisch schwereren Strom unten und den spezifisch leichteren Strom oben in die vorgeschlagenen, membranlosen Speicher einzuführen, wodurch die Rückvermischung vermindert wird.
• Als besonders vorteilhaft haben sich dabei laminar durchströmte lamellenartige Einbauten entsprechend Bild 5 a erwiesen. Während bei kreiszylindrischen oder kanalartigen Einbauten und laminarer Strömung der schnellste Strömungsfaden etwa zweimal so schnell wie der integrale Durchschnitt fließt, strömt der schnellste Strömungsfaden zwischen parallelen Lamellen nur etwa 1,5-mal so schnell. Diese Verhältnisse sind von den fluid-dynamischen Stoffeigenschaften des strömenden Mediums abhängig.
• Eine wesentliche Verbesserung dieser Verhältnisse kann noch erzielt werden, wenn die Lamellen entsprechend Bild 6 gegeneinander paarweise versetzt angeordnet werden. Dann strömt bei gleicher Lamellengesamtfläche der schnellste Strömungsfaden nur noch etwa 1>3i-iiial so schnell wie der integrale Durchschnitt. Infolge der laminaren Strömung findet flu1ddynamisch von der Theorie her keine Durchmischung htntereinander strömender StoffStröme statt. Die Diffusionsgeschwindigkeit ist von untergeordneter Größenordnun#. Die trotzdem bestehende Tendenz zu einer Durchmischung kann noch dadurch verringert werden, daß erfindungsgemäß der spezifisch schwerere Strom im unteren Teil der Doppel speicher gespeichert wird. Bei der jeweils reversierten Strömung findet eine Umkehrung des Strömungsprofils und damit ein Ausgleich statt.
• Das Bild 6 zeigt eine entsprechende paarweise Anordnung der Lamellen 9 und 10 im Doppelspeicher-DrucÇbehälter 9.
• Die Vorrichtungen 11 an den oberen und unteren Lamellenenden dienen dabei der besseren Eintrittsverteilungwfür die Strömung. Es ist vom Prinzip her unerheblich, aus wieviel Lamellenpaaren 9 und 10 das Lamellenpaket besteht. Praktisch zweckmäßig ist jedoch eine mehrfache Paarung.
• Obwohl In der Spülphase die Menge L2 größer ist als die erforderliche Lösungsmenge Le, ist der geringe Mehraufwand in Höe von etwa 20 X für die Fördermenge in bezug auf den Gesamtenergleverbrauch unerheblich, da der Leistungsbedarf fUr diesen Stoffstrom ohnehin von geringerer Bedeutung ist und die größere Strömungsmenge durch den geringeren Druckverlust eines Lamellenspelchers gegenüber einem Membranspeicher pumpenleistungsmäßig kompensiert wird.
• Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Trennung einer salzhaltigen Lösung unter Anwendung der umgekehrten Osmose in ein salzarmes Permeat und ein salzreiches Konzentrat, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das die Reversosmoseapparatur (2) unter Druck verlassende Konzentrat jeweils einer Kammer oder einem Ende von sogenannten Doppelspeichern (7.1 bzw. 7.2) zufließt, die entweder aus kugel-, ellipsoid- oder doppelkegligen Rotationskörpern mit geometrisch ähnlicher Trennmembrane (Bilder 7, 8, 9 und 10, Pos. 12 und 13) oder membranlosen Druckkörpern ohne oder mit Füllkörper- oder Lamelleneinbauten bestehen (Bilder 3, 4, 5a, 5b und 6), wobei gleichzeitig ein Lösungsvolumen aus der anderen Kammer oder dem anderen Ende des Doppelspeichers einer Pumpe (6) zufließt, die dieses Lösungsvolumen auf den Eintrittsdruck P1 unter Überwindung einer relativ kleinen Druckdifferenz der Reversosmoseapparatur preßt, daß parallel zu diesem Vorgang die zu trennende Salzlösung in den entsprechenden Kammerteil eines zweiten oder weiteren gleichartigen Membrandoppelspeichers strömt und dabei aus dessen anderer Seite praktisch drucklos Konzentrat (K) in die Umgebung fördert, yonzentrat, das in der vorangehenden der entsprechen alternierenden Betriebsphasen unter Druck und bei entsprechender Verdrängungsleistung in diese andere Kammer eingebracht worden ist.

   2.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t r daß zwei oder mehrere Doppelspeicher angewendet werden.

   3.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e. k e n n -z e i c h n e t , daß unter Aufgabe der Kontinuierlichkeit des Verfahrensablaufs nur ein Doppelspeicher verwendet wird.

   4.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d ur c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Doppel speicher (7.1 und 7.2) durch jeweils zwei Speicher ersetzt werden, deren beider Fliisslgkeitsinhalte durch ein Gaspolster voneinander getrennt sind.

   5.) Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die freien Flüssigkeitsoberflächen zur Verminderung der Polstergasabsorption durch schwimmende, diffusionshemmende oder diffusionsvermindernde Lagen abgedeckt werden.

   6.) Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß Doppel speicher durch eine Serie von zwei oder mehr, wechselweise in zwei Richtungen durchströmte Einzelspeicher ersetzt werden.

   7.), Ver-fahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Serie aus Einzel speichern durch einen oder mehrere Speicher mit einer füllung aus FUllkörpern oder Einbauten ersetzt wird.

   8.) Verfahren nach den AnsprUchen 6 und 7 , d a d u r c h 9 e k e n n z e i c h n e tt-, daß die spezifisch schwerere Fltissigkelt unten und die spezifisch leichtere FlUssigkeit oben in den Speichern gespeichert werden, 9.) Verfahren nach den Ansprüchen 4, 6 und 7. d a-d d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Menge an Lösung, mit der das bei hohem Druck im Doppel speicher gespeicherte Konzentrat bei niederem Druck verdrängt wird, größer ist als die Menge des erwähnten, gespeicherten Konzentrats.

   10.) Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Einbauten aus planparallelen oder anderweitig parallelen Lamellen bestehen.

   11.) Verfahren nach Anspruch 10 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Lamellenpakete paarweise zueinander parallel versetzt angeordnet werden, wobei die Teilpakete aus zwei oder mehreren Paaren zusammengesetzt sein können.