DE3230814C1

DE3230814C1 - Vorrichtung zur Trennung des Lösungsmittels aus einer Lösung

Info

Publication number: DE3230814C1
Application number: DE3230814A
Authority: DE
Inventors: Rafael Manjarrez Andion 11570 Mexico Montano
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-08-19
Filing date: 1982-08-19
Publication date: 1984-02-09

Description

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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Abtrennung eines Lösungsmittels aus einer Lösung durch Umkehrosmose, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse mit Ein- und Auslaß für die Lösung und einem Auslaß für das abgetrennte Lösungsmittel und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Wickel, der aus spiralig um ein Sammelrohr herumgewickelten Transportschichten besteht, wobei an jeder Transportschicht für die Lösung radial innen und radial außen eine Transportschicht für das Lösungsmittel anliegt, die ihrerseits von halb durchlässigen Membranen umgeben ist, die Transportschicht für die Lösung einen spiralförmigen Lauf der Lösung vom radial äußeren Ende des Wickels zum zentralen S?mmelrohr ermöglicht und die Transportschicht für das Lösungsmittel an einem der beiden axialen Enden in eine Sammelkammer für das Lösungsmittel mündet.

Derartige Trennvorrichtungen sind durch die DE-AS 42 366 bekannt. Sie spielen vor allem bei der Meerwasserentsalzung eine große Rolle. Sie gestatten es, salzfreies Trinkwasser aufgrund des Phänomens der halb durchlässigen Membranen zu gewinnen. Diese halb durchlässigen Membranen sind Scheidewände, die zwar die Wassermoleküle durchtreten lassen, jedoch für die im Wasser gelösten Moleküle bzw. Ionen undurchlässig sind. Während bei der Osmose das Wasser durch die halb durchlässigen Membranen hindurch zu konzentrierteren Lösungen hereingezogen wird, spielt sich bei der Meerwasser-Entsalzung der umgekehrte Vorgang ab. Hier wird die Lösung einem starken Überdruck ausgesetzt, der dem osmotischen Druck entgegengerichtet ist und um Größenordnungen höher liegt, so daß

ίο reines Wasser durch die halb durchlässigen Membranen nach außen tritt und die Konzentration der Restlösung zunimmt

Von den bereits bekannten Trennvorrichtungen zeichnet sich die eingangs beschriebene durch ihre spiralige Anordnung der Transportschichten durch geringen Platzbedarf bezogen auf die Trennleistung aus. Die bekannte, eingangs beschriebene Trennvorrichtung arbeitet in der Wefce, daß mehrere spiralig verlaufende Transportschichten für die zu verarbeitende Lösung in das zentrale Sammelrohr münden, wobei jede Transportschicht für die Lösung von halb durchlässigen Membranen umgeben ist, die in sich eine Transportschicht für das Lösungsmittel aufweisen. Die zu verarbeitende Lösung wird dem zentralen Sammelrohr zugeführt und verteilt sich von dort spiralförmig in die angeschlossenen Transportschichten. Aufgrund des inneren Überdruckes difundiert ein Teil des Lösungsmittels durch die anliegenden halb durchlässigen Membranen hindurch in die benachbarten Transportschichten für das Lösungmittel. Das Lösungsmittel wird in seinen Transportschichten axial an den Rand des Wickels geführt und kann dort abgenommen werden, wohingegen die angereicherte Restlösung am anderen Ende des zentralen Sammelrohres abströmt und im allgemeinen der nächsten Trennvorrichtung zugeführt wird.

Ein Hauptproblem dieser bekannten Trennvorrichtungen besteht darin, daß sich die halb durchlässigen Membranen relativ rasch zusetzen und an Durchlässig· keit einbüßen. Die Trennwirkung und damit die Ausbeute an Lösungsmittel, im Ausführungsbeispiel also an Wasser, nimmt dadurch drastisch ab.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß mit zunehmender Konzentration der Restlösung der Entzug von Lösungsmittel aufgrund von Depolarisationserscheinungen erschwert wird.

Hiervon ausgehend, liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Trennvorrichtung mit spiraliger Anordnung der Transportschichten hinsichtlieh ihrer Trennwirkung und Ausbeute zu verbessern. Dabei soll sich die erfindungsgemäße Maßnahme durch niedrige Kosten und durch Beibehaltung der spezifischen Vorteile der bekannten Trennvorrichtungen auszeichnen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Transportschicht für das Lösungsmittel zahlreiche Unterbrechungen aufweist, die die benachbarten Transportschichten für die Lösung so miteinander verbinden, daß die am äußeren Umfang des Wickels zugeführte Lösung teils spiralig, teils radial nach innen zu dem Sammelrohr strömt (wobei selbstverständlich axiale Überlagerungsströmungen möglich sind).

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur Verbesserung der Trennwirkung eine Erhöhung der

^b5 Strömungsgeschwindigkeit der zu verarbeitenden Lösung mit zunehmender Konzentration angestrebt werden muß. Zu diesem Zweck verläßt die Erfindung das bisher übliche Prinzip der rein spiralförmigen

Strömung, indem die Transportschicht für das Lösungsmittel lokale Durchgänge für die Lösung anbietet Diese Durchgänge gestatten es einem Teil der Lösung, einzelne Windungsgänge ihre Transportschicht zu überspringen und auf kürzerem Weg n?ch innen zu gelangen. Dadurch stellt sich zum Inneren des Wickels hin eine Geschwindigkeitszunahme ein. Diese Geschwindigkeitszunahme erfolgt gleichsinnig wie die Konzentrationszunahme, was folgende Vorteile bringt: Diejenigen Membranbereiche, die der höchsten Konzentration der Lösung ausgesetzt sind, werden mit der höchsten Strömungsgeschwindigkeit und mit der kürzesten Verweilzeit passiert Das bedeutet, daß einerseits die Gefahr von Ablagerungen und von Verstopfungen der Membran verringert und andererseits die bei höherer Konzentration auftretenden Polarisationsprobleme reduziert werden. Dabei wirkt die höhere Strömungsgeschwindigkeit zugleich als Reinigungsfaktor, und zwar an denjenigen Membranen, die im hohen Konzentrationsbereich liegen und deshalb besonders gefährdet sind.

Für die Ausbildung der Unterbrechungen in der Transportschicht für das Lösungsmittel bestehen verschiedene Möglichkeiten, wobei immer nur zu beachten ist daß das Lösungsmittel an diesen Stellen nicht seine Transportschicht verlassen und in die Lösung zurückströmen kann. Es kommen also beispielsweise Transportschichten für das Lösungsmittel in Betracht, die nach einem bestimmten Muster gelocht sind, um an diesen Löchern die unmittelbare Verbindung zwischen radial aufeinanderfolgenden Transportschichten für die Lösung herzustellen. Besonders zweckmäßig in hersieliungstechnischer Hinsicht hat es sich erwiesen, die Unterbrechungen durch Unterteilung der Transportschicht für das Lösungsmittel in eine Vielzahl getrennter, in Umfangsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgender Abschnitte zu bilden. Diese Abschnitte können in einfacher Weise durch parallel zum Sammelrohr verlaufende Streifen gebildet werden, wobei sich die günstige Möglichkeit anbietet, für jeden Abschnitt einen fertigen Membranschlauch zu verwenden, der lediglich zum Einbau flachgedrückt wird.

Dieser Membranschlauch ist zweckmäßig am einen oder an beiden Axialenden offen, damit für den Austritt des Lösungsmittels aus dem Membranschlauch kein zusätzlicher Strömungswiderstand überwunden werden muß.

Zweckmäßigerweise ist das Gehäuse so ausgebildet, daß der Wickel in an sich bekannter Weise leicht austauschbar ist, wenn seine Einwirkung nicht mehr die gewünschten Werte aufweist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung; dabei zeigt

F i g. 1 den Aufbau der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung mit teilweise abgewickelten Transportschichten;

F i g. 2 ein Fließschema in vereinfachter und vergröberter Darstellung und

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Trennvorrichtung.

Fig. 1 zeigt mehrere um ein Sammelrohr 1 herumgewickelte Transportschichten. Die Enden dieser Transportschichten sind zur Verdeutlichung etwas abgewickelt. Es handelt sich um drei Transportschichten 2,3 und 4, die jeweils als Strömungskanal für die Lösung dienen und um dazwischenliegende Transportschichten 5, 6 und 7, die jeweils als Strömungskanal für das Lösungsmittel dienen.

Als Material für die sechs genannten Transportschichten eignen sich beliebige Netzstrukturen, Gewebe od. dgl, die der Flüssigkeit eine möglichst widerstandsarme Durchströmung gestatten und ihr im Sinne eines Distanzhalters zwischen den Nachbarschichten einen ausreichenden Strömungsquerschnitt sichern.

Während die Transportschichten 2, 3, 4 für die Lösung durchgehend spiralig nach innen laufen und in

hi das Innere des Sammelrohres 1 münden, handelt es sich bei den Transportschichten 5,6,7 für das Lösungsmittel um eine Vielzahl einzelner Abschnitte 5a, 56,6a, 6b, 7a, Tb. Diese Abschnitte folgen in Umfangsrichtung mit Abstand aufeinander und bilden jeweils eine Kammer,

; 5 die außen von halb durchlässigen Membranen umgeben ist und innen mit einer Transportschicht gefüllt ist. Die Membranen sind zumindest an ihren parallel zum Sammelrohr 1 laufenden Rändern miteinander verbunden, sie können also durch einen flachen Membran-

J(i schlauch gebildet sein. Grundsätzlich können für die Membranen ebenso wie für die Transportschichten dieselben Stoffe verwendet werden wie bei den herkömmlichen Trennanlagen.

Fig.2 zeigt in stark vereinfachter Darstellung das Fließschema. Dabei besteht der Wickel im Gegensatz zu F i g. 1 nur aus einer Transportschicht 2 für die zu bearbeitende Lösung und aus einer hieran anliegenden Transportschicht 5 für das Lösungsmittel. Die letztgenannte Transportschicht 5 ist, wie zuvor beschrieben,

.«> durch mehrere in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte 5a, 5b usw. gebildet, die jeweils eine Membrankammer bilden. Beide spiralig umeinandergewickelten Transportschichten 2 und 5 sind in einem zylindrischen Gehäuse 8 untergebracht. Dieses zylindrisehe Gehäuse trägt einen Anschluß 9 für die Zufuhr der zu bearbeitenden Lösung.

In der Praxis liegen selbstverständlich die benachbarten Transportschichten enger aufeinander. Sie sind hier lediglich zur Verdeutlichung der Strömungsverhältnisse vergröbert dargestellt.

Die Funktion ist folgende:

Die bei 9 mit Überdruck eingepumpte Lösung strömt zunächst längs ihrer spiralförmig verlaufenden Transportschicht 2, wobei sie innen und außen an den verschiedenen Membrankammern 5 entlangfließt. Aufgrund des Überdruckes ist die Lösung bestrebt, auch in die Membrankammern einzudringen. Aufgrund der Semipermeabilität der Membranen gelingt dies jedoch nur den Lösungsmittelmolekülen, also beispielsweise dem Wasser, während die Moleküle des gelösten Stoffes, also beispielsweise des Salzes, in der in der Transportschicht 2 strömenden Lösung verbleiben.

Durch die erfindungsgemäß angeordneten Unterbrechungen 10 zwischen aufeinanderfolgenden Membrankammern, im Ausführungsbeispiel sind dies die Unterbrechungen 10a ff., kann jedoch ein Teil der Lösung auf direktem Weg zu der nächstinneren Transportschicht gelangen. Dem spiralförmigen Teilstrom der Lösung überlagern sich somit Teilströme, die durch die Unterbrechungen 10 auf kürzerem Wege nach innen gelangen. Dies führt dazu, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit der Lösung nach innen zu erhöht, bis die Lösung über öffnungen an dem zentralen Innenrohr 1 in diecos eintritt. Diese Geschwindigkeitserhöhung, die mit ^b5 einer gleichzeitigen Konzentrationserhöhung der Lösung einhergeht, führt zu den eingangs näher beschriebenen Vorteilen, insbesondere der geringeren Verschmutzung und Konzentrationspolarisation an den

Membranen, die hohen Lösungskonzentrationen ausgesetzt sind.

Das in die Membrankammer 5 eingedrungene Lösungsmittel strömt in diesen axial nach außen, wo es in an sich bekannter Weise gesammelt wird.

F i g. 3 zeigt einen Axialschnitt durch die erfindungsgemäße Anlage. Man erkennt, daß das den Wickel enthaltende Gehäuse 8 seitliche Endplatten 11 und 12 aufweist. Beide Endplatten dienen zur Sammlung des seitlich aus den Membrankammern austretenden

Lösungsmittels. Die Entnahme des Lösungsmittels erfolgt über die Stutzen 13 und 14.

Außerdem erkennt man die bei 9 erfolgende Zufuhr der zu verarbeitenden Lösung und deren Abfuhr am einen oder an beiden Enden des zentralen Sammelrohres 1.

Das zylindrische Gehäuse 8 und die Endplatten 11 und 12 können aus beliebigen Werkstoffen hergestellt sein, beispielsweise aus Kunststoff, korrosionsbeständigem Stahl u. dgl.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abtrennung eines Lösungsmittels aus einer !lösung durch Umkehrosmose, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse mit Ein- und Auslaß für die Lösung und einem Auslaß für das abgetrennte Lösungsmittel und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Wickel, der aus spiralig um ein Sammelrohr herumgewickelten Transportschichten besteht, wobei an jeder Transportschicht für die Lösung radial innen und radial außen eine Transportschicht für das Lösungmittel anliegt, die ihrerseits von halb durchlässigen Membranen umgeben ist, die Transportschicht für die Lösung einen spiralförmigen Lauf der Lösung vom radial äußeren Ende des Wickels zum zentralen Sammelrohr ermöglicht und die Transportschicht für das Lösungsmittel an einem oder beiden axialen Enden in eine Sammelkammer für das Lösungsmittel mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportschicht (5, 6, 7) für das Lösungsmittel zahlreiche Unterbrechungen (10a, 10Z>, 10c, 10d, 1Oe usw.) aufweist, die die benachbarten Transportschichten (2, 3, 4) für die Lösung so miteinander verbinden, daß die am äußeren Umfang des Wickels zugeführte Lösung teils spiralig und teils radial nach innen zu dem Sammelrohr (1) strömt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungen (10a, iOb, 10c usw.) durch eine Unterteilung der Transportschicht (5, 6, 7) für das Lösungsmittel in eine Vielzahl getrennter, in Umfangsrichtung mit Abstand aufeinanderfolgender Abschnitte (5a, 5b; 6a, 6i>; 7a, Tb) gebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (5a, 5b; 6a, %b; 7a, 7b) durch parallel zum Sammelrohr (1) verlaufende Streifen gebildet sind, wobei die Abschnitte (5a, 56; 6a, 6b; 7a, Tb) von einem flachen Membranschlauch umgeben sind, der zumindest an einem axialen Ende offen ist.