DK166807B1 - Vaeskeseparationscelle og afstandsorgan hertil samt en afstandsplade til anvendelse i afstandsorganet - Google Patents

Description

i DK 166807 B1

En væskeseparationscelle, f.eks. til omvendt osmose, ultrafiltrering, dialyse eller især elektrodialyse af en væske, består af en stabel af flade kamre, som hver er defineret af modsat beliggende flader af en membran, som 5 adskiller det fra det næste kammer, og langs siderne af et afstandsorgan. En anden væske strømmer langs hvert kammer med overførsel af urenheder tværs gennem den adskillende membran fra væsken (diluatet) i et kammer til væsken (koncentratet) i det tilgrænsende kammer. F.eks.

10 kan diluatet være vand, der er forurenet med salte, og som skal renses ved passage gennem et kammer, medens koncentratet kan være brakvand, havvand eller andet vand, der skal modtage urenhederne tværs over membranen fra diluatet i det tilgrænsende kammer.

15

Passage for tilførsel og bortledning af diluat til et sæt af kamre og koncentrat til et andet sæt af kamre må tilvejebringes gennem afstandsorganet og membranerne, og således vil afstandsorganet og membranerne omfatte pas-20 sende indbyrdes forbundne kanaler for tilførsel og bortledning. Hvert afstandsorgan har et åbent midterparti, som definerer væskekammeret, og passager eller kanaler for tilførsel og bortledning af væske.

25 Egnede overføringsorganer må forefindes for at overføre væske fra en tilførselskanal eller bortledningskanal i kammeret. Disse overføringsorganer er udformet som spalter, huller eller lignende passager, som forbinder kanalerne og det åbne midterparti af et kammer.

30

Et alvorligt problem ved væskeseparationsceller af denne type består deri, at der i tilfælde af lækage af væske indeholdende urenheder (koncentratet) til den væske, som er renset eller skal renses (diluatet), vil ske en kraf-35 tig reduktion af den opnåelige rensning. Det er derfor af afgørende betydning at formindske eller eliminere uønsket lækage mellem tilgrænsende kamre og mellem tilførsels- og DK 166807 B1 2 bortledningskanaler og kamrene, bortset fra gennem de ønskede overføringsorganer. Afstandselementerne og membranerne må derfor være stablet sammen på en sådan måde, at lækage forhindres. Dette har dog ikke tidligere nemt kun-5 net opnås, og som følge deraf har værdien af elektrodia-lyse-metoderne været alvorligt begrænset. En fundamental vanskelighed består deri, at en rende eller et andet overføringsorgan, som strækker sig ind i overfladen af et afstandselement mellem en tilførsels- eller bortlednings-10 kanal og det åbne midterparti, vil medføre en alvorlig tilbøjelighed for den tilgrænsende membran og det tilgrænsende afstandsorgan til at bøje ind i denne rende og derved muliggøre en lækage.

15 Et særligt problem består ved dialyse, især elektrodialy-se, på grund af nødvendigheden af at opretholde en konstant høj strømningshastighed og en strømningshastighed, som er ensartet tværs over hvert kammer. Hvis strømningshastigheden ikke er ensartet, vil koncentrationen af io-20 nerne, der skal fjernes, i koncentrationsområdet af cellen, hvor strømningshastigheden er lav, blive for kraftig, og det vil føre til udfældning af saltene i de flade kamre. Så snart udfældning sker i væsentlig grad, vil cellen have tilbøjelighed til ikke at kunne fungere.

25

En simpel type afstandsorgan, som er prøvet i elektrodia-lyseceller, består af et ensartet net af plastmateriale, der strækker sig gennem cellen, hvorved membranerne adskilles over hele deres areal, eventuelt i forbindelse 30 med en stiv flad strimmel på hver side af nettet langs kanterne heraf, således at den fleksible membran vil opnå en tæt forsegling ved hjælp af strimlen. Dette er dog ikke særligt effektivt, idet samlingen af afstandselementerne er vanskelig og kostbar, og lækage forbliver et 35 problem.

DK 166807 B1 3

Ifølge US patent nr. 3 256 174 anvendes et enkelt afstandselement i hvert kammer, og afstandsrammen er udstyret med borede huller fra tilførselskanalerne til det åbne midterparti eller har render, der er udformet i et lag 5 af afstandselementet og dækket af et overliggende laminat. Dette system er dog kostbart og kræver et tykt afstandselement med deraf følgende mindre effektiv separation i kammeret. Endvidere bliver væskerne ikke tilført og bortledt ensartet til hele området af hvert kammer, og 10 en udfældning i koncentrat-kamrene er en risiko.

I beskrivelserne til GB 921 094 og FR 1 281 549 er igen beskrevet et enkelt afstandselement, som er udstyret med overføringsorganer, der forbinder det åbne midterparti 15 med tilførsels- eller bortledningskanaler, idet overføringsorganerne består af en spalte med mindst én bøjning til at reducere membranens tilbøjelighed til at bøje sig ind i spalten. En alternativ løsning er angivet i form af et porøst komprimerbart afstandselement i spalten, som 20 udgør en understøtning for en membran, men tillader passage af vand gennem spalten. Sådanne afstandselementer er dog vanskelige at fremstille og vil resultere i et overordentlig højt trykfald mellem tilførselsrørene og kammeret mellem membranerne. Ligeledes er væsketilførslen ikke 25 ensartet, og der findes stillestående zoner, hvor der er risiko for udfældninger.

I beskrivelserne til GB 1 447 174 og DE 24 18 369 er foreslået forskellige kombinationer af afstandselementer og 30 membraner, og også her består overføringsorganerne af passager, der forbinder tilførsels- eller afledningskanalerne og det åbne midterparti.

Hvis et sådant afstandselement anvendes alene mellem et 35 par membraner, kan membranen bøje sig ind i spalter til fremkaldelse af lækage mellem tilførselskanalen og det tilsluttede kammer. I beskrivelsen er omtalt anvendelsen DK 166807 B1 4 af en sådan ramme sammen med et formlegeme på begge sider af afstandselementet, der er stift nok til at forhindre nedbøjning i spalterne, og som tilvejebringer en kontinuerlig flad stang i berøring med membranen mellem væske-5 tilførselskanalerne og det åben midterparti. Det beskrevne system kræver anvendelsen af mindst to forskellige typer afstandselementer og må have mindst tre afstandselementer mellem hvert par membraner, hvorved separationskammeret bliver uønsket dybt.

10

Ifølge US 3 703 466 og FR 2 070 975 anvendes par af afstandselementer mellem hvert par af membraner. Overførselsorganerne er tilvejebragt ved spalter, som hver fører fra en af kanalerne til det åbne midterparti, idet spal-15 terne er forbundne over et område mellem kanalen og det åbne midterparti til dannelse af en kontinuert væskepassage. Selv om dette i nogen grad reducerer lækageproblemerne, fordi det er muligt at arrangere membranerne på hver side af parret af afstandselementer i kontakt langs 20 periferien med en kontinuert fast overflade, giver den i US 3 703 466 viste konstruktion stadig alvorlige problemer, især når den anvendes til dialyse med høj strømningshastighed. Kanalerne består af forholdsvis små huller, der generelt er arrangeret i hjørnerne af afstands-25 elementer, og spalterne, der rager mellem disse hjørnepassager og det åbne midterparti, må nødvendigvis være af et lille antal med meget små dimensioner. Som følge deraf vil der være et meget stort trykfald, hvis en sådan celle drives ved høje strømningshastigheder, og der vil være en 30 alvorlig risiko for stillestående zoner i koncentrat-kamrene. En anden vanskelighed ved den i US 3 703 466 viste konstruktion består deri, at der nødvendigvis skal anvendes to forskellige typer afstandsplader i hvert kammer.

35 Forskellige kombinationer af afstandsplader er vist i FR 1 603 631, men atter her er der kun kanaler ved hjørnerne, og trykfaldet ved dette arrangement vil være endnu DK 166807 B1 5 større, fordi en passage med cirkulært, tværsnit fører gennem en meget snæver dyse til en aflang passage, der står i forbindelse med snævre spalter i et tilsluttet afstandsstykke. Også her vil der være et kraftigt trykfald 5 og alvorlige bundfældningsproblemer på grund af stillestående zoner.

I GB 1 013 464 anvendes et par forbundne afstandselementer til at definere hvert kammer. En af afstandspladerne 10 har spalter fra kanalerne rettet imod, men kun delvis ført til det åben midterparti, og den anden plade har spalter fra det åben midterparti rettet mod, men kun ført delvis til kanalen. Spalterne i den ene plade overlapper spalterne i den anden plade, således at der er en konti-15 nuert kanal fra kanalen til kammeret. De i beskrivelsen illustrerede spalter er meget brede, idet der kun er ca.

6 stykker langs hver side af en plade. Også derfor er der en alvorlig risiko for stillestående zoner, og især vil bredden af spalterne være så stor, at selv om pladerne er 20 udformet af temmelig stift materiale, vil de forskydes ind i spalterne i så høj grad, at der opstår lækage. Sandsynligvis derfor har den i dette patentskrift viste konstruktion ikke opnået kommerciel betydning. Tilsvarende vanskeligheder forekommer også ved det i GB 1 439 876 25 viste afstandsorgan.

Det vil således forstås, at der er et stort behov for at tilvejebringe afstandssamlinger eller organer, som tillader konstruktion af væskeseparationsceller til dialyse 30 eller elektrodialyse, hvorved lækageproblemerne af den ovenfor beskrevne art er reduceret eller elimineret, således at der kan opnås store og ensartede strømningshastigheder, uden at der opstår uacceptable trykfald.

35 Opfindelsen angår således et afstandsorgan til adskillel se af membraner i et væskekammer af en væskeseparationscelle, bestående af et par afstandsplader, der begge har DK 166807 B1 6 et åbent midterparti, som definerer væskekammeret, kanaler eller passager for tilførsel og bortledning af væske til cellen og et antal spalter, som hver forbinder en af kanalerne med det åbne midterparti og hver har en åben 5 munding, der fører enten til det åbne midterparti eller til den pågældende kanal og samles til en lukket stamme, idet kanalerne er således indbyrdes forbundne, at kanalerne i en plade med deres mundinger i det åbne midterparti står i forbindelse med kanalerne i den anden plade, 10 hvor mundingerne fører ind i kanalerne og derved muliggør en væskestrøm mellem kanalerne og det åbne midterparti, og afstandsorganet er ejendommeligt ved, at kanalerne omfatter tilførselspassager og afløbspassager, der strækker sig langs modsatte sider af afstandspladen over i det væ-15 sentlige hele fladen og det åbne midterparti, at spalterne er fordelt i det væsentlige ensartet over bredden af hver kanal, og at i det mindste nogle af spalterne er forskudte, således at stammen af hver af disse omfatter en del, der er forskudt i det mindste i tværretningen i 20 forhold til mundingen, hvorhos alle spalter, der ikke er forskudt i den ene plade, står i forbindelse med en forskudt spalte i den anden plade.

Det er således af afgørende betydning, at hvert par for-25 bundne spalter, som tilsammen danner en spalte, der strækker sig mellem det åbne midterparti og kanalen, skal omfatte mindst én forskudt spalte. Det er muligt, at alle spalterne i en plade er forskudt, og at ingen af spalterne i den anden plade er forskudt, men det foretrækkes 30 sædvanligvis, at i det mindste nogle af spalterne i hver plade skal være forskudt. Individuelle afstandsplader som ovenfor defineret, hvor mindst nogle af spalterne er forskudt, udgør en udførelsesform for opfindelsen. Sædvanligvis er mindst 10 %, fortrinsvis mindst 30 % og især 35 mindst 50 % af spalterne i en sådan plade forskudte.

DK 166807 B1 7

Spalterne er arrangeret langs kanalerne af begge plader på en sådan måde, at i hovedsagen hver spalte uden forskudte dele står i forbindelse med en forskudt spalte.

F.eks. kan spalterne i begge plader være arrangeret i 5 blokke af hver spaltetype, eller spalter med og uden forskudte dele kan skifte langs kanalen. Fortrinsvis er de fleste eller alle spalter forskudte.

Ifølge opfindelsen kan spalterne langs en kanal omfatte 10 nogle, hvis mundinger vender ind imod det åbne midterparti, og andre, hvis mundinger vender ind imod kanalen, f.eks. arrangeret i blokke af hver type. Fortrinsvis er kanalerne hver udvalgt af type 1 kanaler og type 2 kanaler. Spalterne fordelt langs type 1 kanaler har alle de-15 res mundingsåbninger vendende ind imod kanalen, og spalterne fordelt langs type 2 kanalerne har alle deres mundingsåbninger vendende ind imod det åbne midterparti. I et afstandsorgan omfattende disse foretrukne plader vil en kanal af type 1 stå i forbindelse med en kanal af type 20 2 i den anden plade. Hensigtsmæssigt har hver afstands plade en kanal af type 1 og en kanal af type 2, således at to i det væsentlige identiske plader kan anvendes som et afstandsorgan.

25 I det britiske patent nr. 1 013 464 beskrevne system har spaltemundingen og den lukkede spalte-stamme en ensartet bredde, idet spalten er rektangulær. Hvis bredden af spalten reduceres, vil dette formindske risikoen for, at den anden plade bøjer ind i spalten og giver en lækage.

30 Selv med styrehuller gennem afstandspladerne til indsætning af bolte eller andre fastgørelsesorganer er det uheldigvis vanskeligt at placere afstandspladerne nøjagtigt i væskeseparationscellen, og en formindskelse af bredden af spalterne forøger vanskeligheden. Som følge 35 deraf vil en simpel formindskelse af bredden af spalterne som vist i GB 1 013 464 ikke føre til et velegnet produkt, fordi spalterne i praksis har tilbøjelighed til at DK 166807 B1 8 forskydes i en sådan grad, at de ikke står i god indbyrdes forbindelse for at tillade den nødvendige kontinuerte passage af væskestrømmen mellem kanalerne og væskekammeret. Forskydningen blokerer spalterne og forhindrer fuld-5 stændigt en strømning eller reducerer deres dimensioner, så der forårsages en uønsket forøgelse af trykfaldet.

Den omhandlede væskeseparationscelle kan anvendes til ultrafiltrering ved relativt lavt tryk, f.eks. under 10^ 10 Pa, men den er særlig værdifuld ved dialyse og elektro-dialyse, hvor de ovennævnte problemer for første gang overvindes.

Ved at tilvejebringe kanaler langs i det væsentlige hele 15 bredden af det åbne rum og ved at tilvejebringe spalter, som i hovedsagen er ensartet fordelt langs kanalen, kan der opnås en ensartet strøm gennem hvert kammer, således at risikoen for uønsket bundfældning i kammeret mindskes. Eftersom den ene eller begge spalter af hvert af de for-20 bundne par er forskudte spalter, er det let muligt at opnå en nøjagtig placering af spalterne, selv om spaltemundingerne er meget snævre. Trykfaldet er ikke noget alvorligt problem, selv om spaltemundingerne er snævre, fordi spalterne er fordelt ensartet langs hele bredden af kam-25 meret. Lækage forhindres, fordi mundingerne er tilstrækkeligt snævre, således at der ikke er nogen væsentlig risiko for, at tilgrænsede afstandsplader bøjer ind i mundingerne af en spalte, og fordi hver membran er understøttet langs kanterne af denne på begge sider af et kon-30 tinuert væv af afstandsplademateriale.

Ifølge opfindelsen er det således muligt at opnå en meget højere grad af rensning, end man hidtil har opnået. Hvis diluat-vandet fra begyndelsen f.eks. har en koncentration 35 af 30000 ppm opløste salte, har det i praksis været vanskeligt eller umuligt at opnå en slutkoncentration af di-luatet på mindre end 1500 ppm med hidtil kendte elektro- DK 166807 B1 9 dialyse-metoder, men ifølge den foreliggende opfindelse er det let muligt at opnå koncentrationer af diluat under 300 ppm, f.eks. under 30 ppm. Ifølge opfindelsen kan man således reducere koncentrationen af urenheder ved dialyse 5 eller ved elektrodialyse med en faktor på mindst 50, sædvanligvis på mindst 100 og ofte på mindst 500, f.eks. op til 1000 eller endog 2000.

Hensigten med at udforme en lukket spalte-stamme til at 10 omfatte en del, der er forskudt i mindst den ene retning på tværs i forhold til mundingen af stammen går ud på, at spalterne kan bevæges på tværs til den forbundne spalte, idet der stadig opnås en kontinuert passage, i en større udstrækning, end hvis stammen af hver spalte var rektan-15 gulær og af samme bredde som mundingen. Sædvanligvis er hver spalte forskudt i begge retninger på tværs i forhold til mundingen, idet spalten f.eks. er trekantet, T-formet eller nøglehulsformet. Tilfredsstillende resultater kan dog opnås, hvis spalten er forskudt i blot den ene tvær-20 retning, f.eks. L-formet eller tilsvarende afskåret i en vinkel på mindre end 90° i forhold til kanten af passagen eller det åbne midterparti, hvad tilfældet måtte være.

Hvis forbundne spalter i et afstandsorgan kun er forskudt i den ene retning, skal spalterne være forskudt i modsat-25 te retninger i den forbundne plade.

Generelt er den forskudte del af spalte-stammen forskudt i forhold til mundingen som følge af, at den er bredere end mundingen. Dette arrangement har ikke blot den fordel 30 som ovenfor nævnt i forbindelse med unøjagtig tilpasning af spalterne, men resulterer også i et lavere trykfald langs væskepassagen, som består af forbundne spalter, selv om de er placeret nøjagtigt i forhold til hinanden, i forhold til plader med rektangulære spalter. Fortrins-35 vis er bredden af den forskudte del af spalte-stammen bredere end bredden af vævet af pladematerialet mellem de forskudte dele, fordi en kontinuerlig væskepassage derved DK 166807 Bl 10 uundgåeligt vil være dannet, uden hensyn til placeringen på tværs af afstandspladerne i forhold til hinanden. Den maksimale bredde af spalte-stammen er fortrinsvis 1,2 til 5 gange bredden af spaltemundingen, sædvanligvis 1,5 til 5 3 gange bredden af spaltemundingen. Mundingen af hver spalte er sædvanligvis fra 0,5 til 5 mm, fortrinsvis fra 1 til 3 mm. Spalterne sædvanligvis 2 til 10 mm brede i stamme-området, hvor der forekommer overlapning af spalter, fortrinsvis fra 3 til 5 mm.

10

Selv om bredden af væv-materialet mellem stamme-delene fortrinsvis er mindre end bredden af hver stamme-del, må den ikke være alt for snæver, fordi pladen ellers vil svække, og kanterne defineret ved tilgrænsede spalter kan 15 brække af under brugen af afstandspladerne. Fortrinsvis er bredden mindst 1,5 mm og sædvanligvis over 2,5 mm.

Afstandspladerne fremstilles hensigtsmæssigt af et tyndt fleksibelt materiale, f.eks. et plastmateriale, såsom po-20 lyvinylchlorid eller polyolefiner, f.eks. homo- eller co-polymere af ethylen og propylen. Fortrinsvis er afstandspladen dannet af polypropylen. Pladen har sædvanligvis en tykkelse på 0,2 til 3 mm, fortrinsvis nær ved 0,5 og 1,5 mm. Pladernes modstand mod bukning og nedbøj-25 ning i en spalte er i nogen grad afhængig af forholdet mellem tykkelsen og bredden af spalten. Sædvanligvis ligger forholdet mellem tykkelsen af afstandspladen og bredden af spaltemundingen mellem 1:5 og 5:1, fortrinsvis 1:2 og 1:0,3.

30

Kanalerne for tilførsel og afledning af væske til og fra det åbne midterparti findes i de lange modsat anbragte sider af afstandspladen. Hver passage kan hensigtsmæssigt omfatte et eller flere i hovedsagen rektangulære huller i 35 afstandspladen, sædvanligvis over hele bredden af det åbne midterparti. Spalterne er fordelt i hovedsagen ensartet langs hver kanalpassage, og for opnåelse af det bed- DK 166807 B1 11 ste resultat er afstanden af spalterne i de to afstandsplader, som danner et afstandsorgan, i hovedsagen den samme. Nogen grad af uensartethed, f.eks. af dimensionerne af spalterne eller deres afstande, kan tolereres, så-5 fremt det ikke resulterer i kraftig uensartet strømning gennem cellen. Spalterne er fordelt i det væsentlige over hele bredden af kanalen og af det åbne midterparti, således at der i en celle med et afstandsorgan opnås en hovedsagelig ensartet strømning over hele bredden af kamme-10 ret, der er defineret ved det åbne midterparti. Ved celler til elektrodialyse er det især nødvendigt at opretholde en strømning tværs over hele arealet af membranen på alle tidspunkter, fordi der ved fravær af strømning vil opstå høje koncentrationer af ioner ved membranover-15 fladen, hvilket kan resultere i, at der opstår f.eks. ændringer af pH-værdi og bundfældning af salte, hvilket er meget uønsket. Ved at opretholde en ensartet strømning tværs over membranen vil der også ske en forøgelse af effektiviteten af overføringen af mikroorganismer gennem 20 membranen.

Afstandspladerne har hensigtsmæssigt en polygonal udformning med et lige antal sider, f.eks. rektangulær, og er fortrinsvis regulært polygonalt, f.eks. hexagonalt eller 25 særligt hensigtsmæssigt kvadratisk. Kanaler på modsatte sider af polygonen fra dele af tilførsels- og afløbskanaler findes for en første væske, der passerer gennem cellen. Kvadratiske afstandsplader ifølge opfindelsen er fortrinsvis udstyret med sidepassager for de sider, som 30 ikke har kanaler, af i hovedsagen samme dimensioner og placering som kanalerne, mellem det åbne midterparti og yderkanten af afstandselementet. Disse sidepassager kan f.eks. danne en del af tilførsels- og afløbskanalerne for en anden væske i cellen. Identiske afstandsorganer kan 35 anvendes i tilsluttede væskekamre, gennem hvilke andre væsker strømmer vinkelret på hinanden, og i en sådan celle er afstandselementerne orienteret 90° i forhold til DK 166807 B1 12 hinanden. Sidepassagerne i et afstandsorgan sammen med passagerne i det andet afstandselement udgør en del af tilførsels- og afledningskanalerne for væske, der passerer ind i kammeret, som udgør det åbne midterparti af det 5 sidstnævnte afstandsorgan. På tilsvarende måde har identiske hexagonale afstandsorganer kanaler i to modsat beliggende sider og sidepassager i hver af de andre fire sider, der kan anvendes til væskeadskillelsesceller med tre separate strømme, idet afstandsorganerne er oriente-10 ret 60° i forhold til afstandsorganerne mellem de tilgrænsende membraner.

Ved det foretrukne afstandsorgan, hvor afstandspladerne i hovedsagen er identiske, skal arrangementet af spalterne 15 være således, at når en af pladerne er vendt om og/eller roteret 180° i forhold til en identisk plade, vil spalterne med mundingsåbningerne vendende ind imod kanalerne i den ene plade stå i forbindelse med spalter med deres mundinger vendende imod det åbne midterparti i den anden 20 plade.

Det åbne midterparti i hver plade kan være fuldstændigt åbent eller kan indeholde prelorganer, som får væsken til at strømme langs ikke-lineære baner mellem indløbsåbnin-25 gen og udløbsåbningen.

Hvert afstandsorgan og i virkeligheden hele væskeseparationscellen holdes fortrinsvis adskilleligt sammen ved hjælp af kompression, og der er ikke noget behov for 30 fastgørelse med lim eller cement. En stabel kan holdes sammen ved hjælp af bolte, som er stukket gennem huller i afstandselementerne og membranerne, eller ved hjælp af plader i hver ende af stablen, hvilke plader er boltet sammen.

Et afstandsnet af i og for sig kendt art kan anbringes i hvert kammer mellem parrene af membraner. I nogle syste- 35 DK 166807 B1 13 mer kan der være ionbytterharpikspartikler eller fibre eller andre partikler eller fibre i kamrene. I sådanne tilfælde kan det være hensigtsmæssigt at forhindre passage af partikler ud af kammeret ved at inkludere et lag af 5 gaze mellem de to plader, som danner et afstandselement, til blokering af kanalerne.

Opfindelsen er særlig fordelagtig i forbindelse med celler til elektrodialyse, men har også værdi ved dialyse, 10 f.eks. ved dialyse af blod, ultrafiltrering, især lavtryksultrafiltrering, og tværstrømnings-mikrofiltrering.

Lækage kan undgås, når der er store trykforskelle, f.eks.

5 op til 3,5 . 10 Pa, mellem tilgrænsende kamre.

15 Diluatet og koncentratet af væsker, der anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, kan være en vilkårlig af de væsker, der anvendes ved sådanne processer. Når processen er elektrodialyse, og diluatet og koncentratet begge er af vandig art, vil diluatet ofte være vand, der er for-20 urenet med opløste salte, og koncentratet er ofte urent vand, f.eks. havvand.

I nogle tilfælde er det ønskeligt at fjerne ioner, som er opløst i en blanding af vand og et med vand blandbart 25 organisk opløsningsmiddel. Hvis man f.eks. pumper for skellige væsker ned i underjordiske kilder under forskellige trin af udvinding af carbonhydrider, såsom gas og olie, vil disse væsker ofte indeholde aktive bestanddele, som er meget kostbare, og som det derfor er ønskeligt at 30 recirkulere. Når væskerne fjernes fra en kilde, f.eks. en kilde under havvandet, kan de være fortyndet med vand, sædvanligvis havvand. Før recirkulering af væskerne er det derfor nødvendigt at fjerne vandet for at opretholde koncentrationen af komponenterne i væsken. Hvis forure-35 ningen er havvand, vil fjernelse ved destillation eller anden afdampningsprocedure sandsynligvis resultere i dannelsen af saltaflejringer. Det er derfor nødvendigt at DK 166807 B1 14 fjerne de opløste salte før inddampningen og at gøre dette på en sådan måde, at man ikke beskadiger de andre komponenter i væsken.

5 Særlige problemer opstår, når methan og andre meget flygtige carbonhydrider opsamles, fordi der ved lækning af vand ind i en komprimeret strøm af methan er en risiko for dannelse af faste aflejringer af methanhydrat med mulig deraf følgende blokering af ventiler. Det er derfor 10 nødvendigt at injicere en med vand blandbar væske, f.eks. med methanol, men fortrinsvis ethylenglycol, i strømmen for at optage tilstedeværende vand og forhindre dannelsen af disse aflejringer. Det har imidlertid været økonomisk vanskeligt, især i forbindelse med olie- og gasrigge i 15 havområder, at opretholde koncentrationen af organisk væske til genanvendelse på grund af vanskeligheden ved koncentrationen. Som følge deraf har man ofte valgt at nedlægge en gaskilde, så snart der sker lækage af havvand ind i den, i stedet for at prøve at kontrollere den ved 20 tilsætning af ethylenglycol, efterfulgt af koncentration af den dannede vandige ethylenglycolblanding.

Det har nu overraskende vist sig, at elektrodialyse kan anvendes til vidtgående fjernelse af opløste ioner fra en 25 blanding af vand og en med vand blandbar væske. Elektro-dialysen kan udføres ved anvendelse af kendte elektrodia-lyse-celler, men fortrinsvis udføres den ved anvendelse af en elektrodialysecelle ifølge opfindelsen som ovenfor beskrevet. På denne måde er det let muligt at reducere 30 saltkoncentrationen fra f.eks. 20000 ppm til en værdi af mindre end 500 ppm og derved undgå sammenbagning og tilstopning af inddampningsapparatet.

Opfindelsen skal i det efterfølgende illustreres nærmere 35 ved hjælp af tegningen, hvor: 15 DK 166807 B1 fig. 1 viser en afstandsplade, fig. 2 viser et forstørret udsnit af spalterne, som danner kanaler i et afstandsorgan, hvori to plader er rettet 5 ind, fig. 3 viser et forstørret udsnit af spalterne, der danner kanalerne i et afstandsorgan, hvori de to plader er forkert rettet ind, 10 fig. 4 er et tværsnit langs linien IV-IV af fig. 2 af et kammer, omfattende afstandsorganet og membranerne, fig. 5 er et tværsnit gennem en del af en membran/af-15 standsstabel, omfattende et tværsnit langs linien V-V af det i fig. 2 viste afstandsorgan, fig. 6 viser en membran for anvendelse med den i fig. 1 viste afstandsplade, og 20 fig. 7 viser et eksploderet billede af en del af cellesamling for to fødevæsker, der strømmer vinkelret på hinanden ved hjælp af afstandspladerne ifølge fig. 1 og membranen vist i fig. 6.

25

Et par af identiske afstandsplader 1, som anvendes til at fremstille en afstandssamling, har et åbent midterparti 2, kanaler, som hver danner to rektangulære huller 8 og 9, sidepassager, som hver danner to huller 10 og 11, hul-30 ler 12 til optagning af bolte, og sæt af spalter 13 og 14 (i unøjagtigt målestoksforhold). De af hullerne 8 dannede passager er af type 1 som ovenfor defineret, og kanalen bestående af huller 9 er af type 2.

35 De viste spalter 13 og 14 har hver en snæver munding 30, enten mod en kanal 8 og 9 eller mod det åbne midterparti 2, og har en stamme 31 med en udvidelse 32. Sidedelene 33 DK 166807 B1 16 og 34 af denne udvidelse er hver forskudt i tværretningen i forhold til mundingen 30. Pladematerialet mellem spalterne 13 har form af tænder 15, som ved de lukkede ender af spalte-stammerne samler sig til et kontinuerligt om-5 råde 20, medens pladematerialet mellem spalterne 14 har form af tænder 16, der bag de lukkede stammer af spalterne 14 samler sig til et kontinuert område 21. Det kontinuerte eller massive område 18 og 19 adskiller det åbne midterparti 2 fra sidepassagerne, som er dannet af hul-10 lerne 10 og 11.

To plader 1, drejet 180° i forhold til hinanden, danner et afstandsorgan, og de åbne midterpartier 2 af afstandspladerne skaber et kammer, der er begrænset af to membra-15 ner 17, de massive områder 18 og 19 langs to modsatte sider af afstandselementerne, og de massive stykker 20 og 21 på de andre sider af afstandselementet.

De nøglehulsformede spalter 13 og 14 mødes langs hvert 20 område 20 og 21, idet de overlapper ved deres udvidelser af stammerne 32 langs længdecentrene af områderne 20 og 21. Hvert par af overlappende spalter 13 og 14 danner en kontinuert kanal, vist ved pilen 23, mellem kanalhullerne 8 og 9 af det kammer, som dannes af det åbne midterparti 25 2 af afstandspladen 1.

Når pladen 1 er rettet korrekt ind som vist på fig. 2, vil de forstørrede dele 32 af spalterne 13 og 14 mødes nøjagtigt til dannelse af de bredest mulige kanaler 23.

30 Når pladerne 1 er rettet forkert ind som vist på fig. 3, vil spalterne 14 mødes med tænderne 15 mellem spalterne 13, og spalterne 13 vil mødes med tænderne 16 mellem spalterne 14. Da diameteren af de udvidede dele af stammen 32 er større end bredden af tænderne på deres snævre-35 ste punkter, vil spalterne stadig danne kontinuerte kanaler til og fra kammeret.

DK 166807 B1 17 I en celle skifter par af afstandsstykker med membranerne. Som vist på fig. 4 holdes membranerne 17 fra hinanden ved deres kanter ved hjælp af afstandspladerne, og på grund af den forholdsvis snævre bredde af mundingerne 31 5 af spalterne er der praktisk taget ingen risiko for de-formering af nabostillede afstandsplader i spalterne. Som et resultat af kompressionen af kanterne af stablen ved indføringen af bolter i hullerne 12, vil hver flade af hver membran være i kontakt med et kontinuert område af 10 ikke-deformeret afstandsplade omkring hele det åbne midterparti af et afstandsorgan og samtidig omkring alle kanaler og sidekanaler, således at risikoen for lækage mellem væskestrømmene undgås eller mindskes.

15 De illustrerede afstandselementer anvendes i et tostrømssystem af samme art som beskrevet i britisk patentskrift nr. 845 185, hvori en strøm flyder gennem på hinanden følgende kamre mellem membraner, og den anden strøm flyder gennem de andre kamre, og hvori strømmene flyder i 20 indbyrdes vinkelrette retninger. Et eksempel på et sådan arrangement er illustreret i det eksploderede billede, som er vist på fig. 7, af en af samlingerne, som er gentaget til dannelse af en hel stabel.

25 Mellem hvert par membraner 17 findes en afstandssamling 35a, 35b, der hver består af to afstandsplader 1. De to afstandsplader i en afstandssamling er identiske, og en af pladerne er drejet 180° omkring en akse vinkelret herpå gennem centrum for planen i forhold til den anden pla-30 de eller er i stedet drejet 180° omkring en akse parallel med og midtvejs mellem indførsels- og afløbspassager, der dannes af hullerne 8 og 9, i forhold til den anden plade. Afstandssamlingen i tilgrænsende kamre 35a og 35b er identiske, men de er drejet en vinkel 90° om en akse vin-35 kelret på og gennem centrummet for deres planer i forhold til den anden. Sædvanligvis findes et net anbragt i kammeret, som er dannet af det åbne midterparti 2 af af- DK 166807 B1 18 standspladerne eller af en afstandssamling, men dette er ikke vist på figuren for tydeligheds skyld.

Membranerne 17 mellem hvert par af afstandssamlinger er 5 identiske med hinanden, som det er vist på fig. 6, og har passager bestående af huller 8a til 11a og boltehuller 12a, der passer med hullerne 8 til 11 og boltéhullerne 12, respektivt, i de tilgrænsende afstandsplader.

10 For tydelighedens skyld er der på fig. 7 vist alene strømningsretningen for strømmene gennem cellen. Indførselskanalen er dannet ved (i rækkefølge fra bunden) mem-branside-kanalen dannet af hulle 10a i den første membran 17a, sidepassager dannet af hullerne 11 og 10, respek-15 tivt, i afstandspladen 1, som danner den første afstandssamling 35a, membransidepassagen dannet af hullet 10a i den anden membran 17b, og passagerne dannet af hullerne 9 og 8, respektivt, i afstandspladerne, som danner den anden afstandssamling 35b. Afløbskanalen dannes tilsvarende 20 ved sidepassager, bestående af hullet 11a i membranen 17a, sidepassager dannet ved hullerne 10 og 11 af 35a, sidepassagerne dannet ved hullerne 11a i membranen 17b og passager dannet af hullerne 8 og 9 i samlingen 35b.

25 Væske fra indførsels- og afløbsstrømme forhindres i at komme ind i kammeret, der er dannet af de åbne midterpartier 2a og 2b af pladesamlingen 35a mellem membranerne 17a og 17b ved hjælp af faste stænger 18 og 19 mellem sidepassagerne, som er dannet af hullerne 10 og 11, og de 30 åbne mindre partier 2a og 2b. Væske fra indførselsstrømmen træder ind i kammeret dannet af de åbne midterpartier 2c og 2d af pladen af afstandssamling 35b mellem membranen 17b og den tilgrænsende membran 17a (ikke vist) ved hjælp af spalter 13 og 14 som illustreret ved pilen 23 i 35 fig. 5. Væsken passerer gennem kammeret som angivet ved pile 36 og træder ud via spalter 14 og 13 langs de modsatte kanter af kammeret ad en rute, der er den omvendte 19 DK 166807 B1 af den, som er vist ved pilen 23 i fig. 5, og udgør en del af afløbsstrømmen.

Stablen af membraner og afstandselementer kan holdes sam-5 men ved hjælp af bolte, som er stukket gennem hullerne 12 og 12a. Det af boltene opnåede tryk tætner afstandspladerne og membranerne sammen langs de flade kontinuerte partier 18 til 21 af afstandspladerne til mindskning af lækage uden anvendelse af klæbemiddel. Stablen kan let 10 adskilles og samles igen til udskiftning af membraner, hvis de bliver beskadiget.

De viste afstandselemneter kan tilpasses anvendelse i systemer med tre eller flere strømme ved at have højere po-15 lygonale afstandselementer og membraner, hvori hver strøm udnytter to sider, fortrinsvis to modsat beliggende sider, af polygonen. Et tre-strømsystem kan f.eks. have en syre, en alkali og en affaldsstrøm, og kan omfatte hexa-gonale afstandselementer og membraner.

20

Den resterende del af konstruktionen af cellen vil, bortset fra den hidtil ukendte afstandssamling, være af konventionel art. Således benyttes konventionelle membraner til dialyse, elektrodialyse eller andre formål, og hvis 25 processen består i en elektrodialyse, skal der tilføjes passende elektroder og elektrodekamre. Det foretrækkes sædvanligvis, at hver side af cellen skal være fra 300 mm til 3 m i bredden og for hver kvadratisk celle som vist kan hver side være mellem 300 og 12000 mm, ofte 500 eller 30 1000 mm i bredden, særligt foretrukket 500 mm. I praksis vil antallet af spalter 13 og 14 derfor sædvanligvis være større end antallet vist på tegningen.

Opfindelsen skal i det efterfølgende illustreres nærmere 35 ved hjælp af et eksempel.

20 DK 166807 B1

Fortyndede opløsninger indeholdende 50/50-blandinger af monoethylenglycol og havvand blev afsaltet ved elektro-dialyse under anvendelse af en celle, hvorved der anvendes det i fig. 7 illustrerede arrangement af afstandsele-5 menter og membraner, idet havvand anvendes som koncentratvæsken. Niveauet for opløste salte i den fortyndede opløsning varierer mellem 30000 og 40000 ppm. Disse opløsninger blev afsaltet ved recirkulering gennem stablen med en strømningshastighed på ca. 16 1/min., indtil den 10 ønskede koncentration af opløste faste stoffer på under 300 ppm var opnået. Dette viste, at der praktisk taget ikke var nogen lækage, eftersom den mindste grad af af-saltning, som i tilfælde af lækage kunne opnås, ville være 15000 ppm. Strømudbyttet lå mellem 80 og 90 % ved en 15 spænding på 1,5 volt pr. cellepar.

<3 20 25 30 35

Claims (12)

1. Afstandsorgan (35a, 35b) til adskillelse af membraner 5 (17) i et væskekammer af en væskeseparationscelle, bestå ende af et par afstandsplader (1), der begge har et åbent midterparti (2), som definerer væskekammeret, kanaler eller passager (8, 9) for tilførsel og bortledning af væske til cellen og et antal spalter (13, 14), som hver forbin-10 der en af kanalerne med det åbne midterparti og hver har en åben munding (30), der fører enten til det åbne midterparti eller til den pågældende kanal og samles til en lukket stamme (31, 32), idet kanalerne er således indbyrdes forbundne, at kanalerne i en plade med deres mundin-15 ger i det åbne midterparti står i forbindelse med kanalerne i den anden plade, hvor mundingerne fører ind i kanalerne og derved muliggør en væskestrøm (23) mellem kanalerne og det åbne midterparti, kendetegnet ved, at kanalerne omfatter tilførselspassager og afløbs-20 passager, der strækker sig langs modsatte sider af afstandspladen over i det væsentlige hele fladen af det åbne midterparti, at spalterne er fordelt i det væsentlige ensartet over bredden af hver kanal, og at i det mindste nogle af spalterne er forskudte, således at stammen af 25 hver af disse omfatter en del (33, 34), der er forskudt i det mindste i tværretningen i forhold til mundingen, hvorhos alle spalter, der ikke er forskudt i den ene plade, står i forbindelse med en forskudt spalte i den anden plade. 30

2. Afstandsorgan ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hovedsagelig alle spalter er forskudte.

3. Afstandsorgan ifølge krav 1 eller 2, kendete g-35 net ved, at stammen (31, 32) af hver forskudt spalte er forskudt i begge tværretninger i forhold til mundingen, idet de forskudte spalter fortrinsvis er udformet DK 166807 B1 22 som nøglehuller eller T-formede, hvorhos forholdet mellem bredden af stammen af den forskudte spalte og bredden af mundingen af spalterne fortrinsvis ligger i området 1,2:1 til 5,0:1, især mellem 1,5:1 og 3,0:1. 5

4. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at bredden af stammen af de forskudte spalter er større end bredden af området mellem stammerne af tilgrænsende spalter. 10

5. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at bredden af hver spaltemunding er 0,5-3 mm, og at hver afstandsplade har en tykkelse på 0,5-3 mm. 15

6. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at forholdet mellem bredden af hver spaltemunding og tykkelsen af hver afstandsplade er mellem 0,2:1 og 5:1, fortrinsvis mellem 0,3:1 og 2:1. 20

7. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at hver plade har form af en regulær polygon med et lige antal sider, idet siderne uden rørledninger er udstyret med sidepassager (10, 11) 25 af hovedsagelig samme dimensioner som passagerne mellem det åbne midterparti og yderkanten af afstandsstykket, idet hver afstandsplade fortrinsvis er kvadratisk.

8. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, 30 kendetegnet ved, at det omfatter en termoplastisk plade, fortrinsvis af en polyolefin, såsom polypropylen. 1 Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, 35 kendetegnet ved, at kanalerne i hver plade er af type 1 (8) eller type 2 (9), således at de langs kanalerne af type 1 fordelte spalter (13) alle har deres mun- 23 DK 166807 B1 dinger indført i kanalerne, og de langs kanalerne af type 2 fordelte spalter (14) alle har deres mundinger indført i det åbne midterparti, således at der i hver plade fortrinsvis er en kanal af type 1, medens den anden kanal er 5 af type 2.

10. Afstandsorgan ifølge krav 9, hvor hver afstandsplade har en kanal af type 1 og en kanal af type 2, kendetegnet ved, at kanalen af type 1 i den ene plade 10 står i forbindelse med kanalen af type 2 i den anden plade.

11. Afstandsorgan ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at hver afstandsplade er 15 identiske, men at de er drejet 180° i forhold til hinanden.

12. Væskeseparationscelle, såsom en dialyse- eller elek-trodialysecelle, omfattende en stabel af flade kamre, der 20 hver er defineret ved modsatte flader af en membran og langs siderne af et afstandsorgan, kendetegnet ved, at afstandsorganet er udformet som angivet i ethvert af kravene 1-11. 25 13. Væskeseparationscelle ifølge krav 12, kende tegnet ved, at alle afstandsorganer er kvadratiske og identiske, idet de skiftevis er orienteret 90° i forhold til hinanden, således at to væskestrømme kan passere gennem cellen. 30

14. Afstandsplade (1) til anvendelse i afstandsorganet ifølge krav 1-10, hvilken plade har et åbent midterparti (2), som definerer et væskekammer, kanaler (8, 9) for tilførsel og bortledning af væske fra cellen samt et an-35 tal spalter (13, 14), der hver enkeltvis forbinder en af kanalerne og det åbne midterparti, og hver har en spalteåbning (30), som munder ud i det åbne midterparti eller i 24 DK 166807 B1 kanalen, og som fører ind i en lukket spalte-stamme (31, 32), kendetegnet ved, at kanalerne omfatter en tilførselspassage og en afløbspassage, der strækker sig langs modsatte sider af afstandspladen over i det væsent-5 lige hele fladen af det åbne midterparti, at spalterne er fordelt i det væsentlige ensartet over bredden af hver kanal, og at mindst én og fortrinsvis alle spalter er forskudte, således at stammen af hver af disse omfatter en del (33, 34), der er forskudt i det mindste i tværret-10 ningen i forhold til mundingen. 15 20 30 35