NL7905489A - Werkwijze voor het ontzouten van oplossingen onder toepassing van omgekeerde-osmose. - Google Patents

Description

* * H= VO 80^5 L. & C. Steinmiiller G.m.b.H., te Gummersbach, Bondsrepubliek Duitsland.

Werkwijze voor het ontzouten van oplossingen onder toepassing van omgekeerde-osmose.

De scheiding van zout-bevattende oplossingen onder toepassing van omgekeerde-osmos e in een zoutarm, zogenaamd permeaat en een in vergelijking met de zout-hevattende, aan de omgekeerde-osmose toestromende oplossing verrijkt concentraat, is bekende stand van de techniek.

5 Zo wordt bijvoorbeeld industrieel water of drinkwater uit in hoofd zaak keukenzout-bevattend brakwater of zeewater bereid. Het eigenlijke omgekeerde-osmose deel van een dergelijke inrichting is in fig. 1 vereenvoudigd afgebeeld. Een transportpomp 1 brengt de te ontzouten oplossing 2 van omgevingsdruk Pq op de bedrijfsdruk . Deze bedrijfs-10 druk moet daarbij aan de volgende criteria voldoen. Hij moet hoger zijn dan.de bij de zoutconcentraties X, X., Xn en X behorende osmo- I d o tische druk en hij moet met. de inrichtingsspecifieke eigenschappen, zoals inwendige drukverlaging van P^ op P^ in de omgekeerde-osmose-installatie op de concentraat zij de, alsmede permeaatvermogen bij ge-15 geven of voorgegeven werkzaam oppervlak aan het semipermeabele mem braan overeenkomen.

De verhouding van permeaat P alsmede concentraat K ten opzichte van de toestromende oplossing L is beperkt en wel in het uiterste geval door de verzadigingsconcentratie van de opgeloste zouten X (waar- s 20 bij X0 kleiner dan X moet blijven) en algemeen door de economie van de werkwijze, daar de osmotische druk en daarmede de bedrijfsdruk P^ in verhouding tot het concentratie-verschil X2 - XQ aanzienlijk stijgt.

Ofschoon het omgekeerde-osmose-procêdê als omkeerbare werkwijze uit principe energiebesparend kan. zijn, is de. benodigde energie vaak 25 zeer groot, als de verhouding K/L uit eerder geschetste overwegingen - relatief groot is en de energie-terug-winning uit het concentraat bij de verlaging van de druk van Pg achter de amgekeerde-osmose-installtie tot de omgevingsdruk Pq (of ook een andere druk kleiner of groter dan PQ) uit technische of economische overwegingen niet gelukt. Zo zijn 7905489 ί ϊ : . ' V . ·. . .· , 2 resultaten in.de toepassing van ontspanningsmachines tot dusver niet bekend geworden- De drukverlaging van Pg op Pq in de stroom van het concentraat K wordt derhalve in het algemeen in een smoortoestel 3 onder afzien van energeieterugwinning uitgevoerd.

5 Bij toepassing van een reeds eerder voor ges telde werkwijze met een geschikte inrichting kan echter van een ontspanningsmachine in plaats van.het smoortoestel 3 worden afgezien en desondanks de potentiële energie van het. concentraat K met hoge werkingsgraad worden teruggewonnen. Deze werkwijze is in de figuren 2.1 en 2.2. voor twee afwis- 10. selende bedrijfsfasen afgebeeld.

De oplossingsstroom L wordt daarbij in 2 stromen verdeeld, in een stroom L1 = P (permeaat) en een stroom Dg = K (concentraat). De transportpomp 5 perst L·^ van omgevingsdruk PQ op. de bedrijfsdruk P^.

De transportpomp ^ heeft de .verschilhoeveelheid Dg eveneens van omge-15 vingsdruk PQ op een iets hogere druk P^ te transporteren, waarmede overeenkomstig fig. 2.1 een bepaald concentraatvolume uit het membraan-dubbelreservoir T.2 onder overwinning van. verder beneden nader toegelichte drukverliezen in.de omgeving moet worden getransporteerd. De totale installatie werkt, afgezien van de omgekeerde osmose 2 periodiek.

20 . De oplossing L stroomt echter continu aan de inrichting toe, het concen traat K intermitterend of ook. kwasi-continu af.

De membraandubbelreservoirs 7.1 en 7*2 ook "Plow WorkBcchangers" genoemd, bestaan uit een druklichaam, dat door een membraan in twee volumenvariabele kamers verdeeld is.

25 Een praktische toepassing van het voorgestelde principe is ech- . ter vermoedelijk vanwege de moeilijkheden in de praktijk tot dusver niet bekend geworden. De de. druklichamen in twee kamers verdelende membranen kunnen slechts dan duurzaam en betrouwbaar werken, als de i druklichamen en de membranen op elkaar aangepast zinvol geometrisch 30 . gevormd worden. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt als de mem branen in de beide uiterste posities aan de binnenoppervlakken ruim aanliggen. De doelmatige uitvoering van de reservoirs volgens de onderhavige uitvinding is in.de figuren 7 - 10 afgebeeld. In deze figuren zijn met nr. 12 telkens het drukvat en met nr. 13 het membraan aange-35 _duid. Fig. 7 toont als druklichaam een kogel en als membraan een aan een hoofdcirkel met de kogel bevestigde flexibele of elastische halve 7905489 3 * * * kogel. Fig. 8 toont in plaats van de kogel een omwentelingsellipsoïde, fig. 9 een duhbelkonus. Alle configuraties volgens figuren 7-9 maken in de uiterste posities van het membraan daarvoor geen verwarde stand mogelijk, zodat een beschadiging van het membraan door drukinvloeden 5 niet mogelijk is. Een soortgelijk effect kan ook worden verkregen, als het membraan 13 in het kogelvormige drukvat volgens fig. 10 volgens het principe van een voetbalbinnenbal (blaas) is uitgevoerd, waarbij de binnenbal in het bovenste en onderste toppunt van de kogel wordt bevestigd en bijvoorbeeld het onderste bevestigingspunt voor inleiding van 10 vloeistof in het binnenste van de binneribal wordt toegepast. Bij toe passing van het afgebeelde dubbelreservoir stroomt het concentraat in de in fig. 2 afgebeelde bedrijfsfase met de druk Pg in de bovenste kamer van het membraandübbelreservoir 7.1 en perst het zich in het onderste deel bevindende oplossingsvolume naar de zuigzijde van pomp 6, die 15 het relatief geringe drukverschil P1 - P^ moet overwinnen. Het drukver schil Pg - P^ is samengesteld uit de walkweerstand van het membraan in het membraandübbelreservoir en de stromingsweerstand in het buislei-dingsstelsel. Het drukverschil P^ - Pg is de inwendige drukverlaging van de omgekeerde osmos e-inriehting. Het membraan in het membraandubbel-20 reservoir is praktisch steeds vrij van trekspanningen of de overeen komstige trekbékstingen. zijn voorgeefbaar beperkt, daar het membraan in.de eindposities tegen de houderwand wordt beknot en in de drijvende middenposities slechts door zijn walkweerstand is belast. Deze span-ningsvrijheid of spanningsbeperking is " aanzienelijk met het oog op een 25 in gebreke blijven van het vereiste amsehakelstuurstelsel. Een systeem- inherente zekerheid, is nog hierdoor gegeven, dat zich in de beide variabele kamers aan de ene zijde, de oplossing Lg en aan de andere zijde het concentraat K.bevinden, beide-derhalve niet in het permeaat P in het geval van een membraanbeschadiging kunnen binnendringen. Het membraan 30 . kan derhalve, zeer flexibel worden .uitgevoerd. Terwijl de oplossing Lg uit het reservoir 7-1 wordt verdrongen,, wordt met de pomp k oplossing Lg in het membraandübbelreservoir 7.2 onder verdringing van het zich aan de andere zijde van het membraan.bevindende concentraatvolume geperst. Is in reservoir 7.1-geen oplossing Lg meer, dan worden de beide 35 reservoirs overeenkomstig fig. 2.2.congéschakeld. Permeaat P en concen traat E stromen praktisch continu. De schakeling van de afsluittoestel- 7905489 ‘ 5 . ; . - iA . k . , -.· V' - : ; len is in de figuren 2.1 en 2.2 begrijpelijk afgebeeld.

Een installatie voor omgekeerde-osmose kan» vat bij installaties met grote capaciteit of uit .regelingstechnische overwegingen zinvol kan zijn, ook met meer dan tvee dubbelmembraanreservoirs volgens de uit-5 vinding vorden bedreven.

De voordelen van de toepassing van de onderhavige uitvinding liggen in de mogelijkheid bij gebruik van conventionele pompen U, 5 en 6 zonder ontspanningsmachine voor het concentraat tot aanzienlijke energiebesparingen te komen, zoals uit onderstaand voorbeeld blijkt.

3 10 Uit 60 m /h .zeevater .met een zoutgehalte X. = 38000 dpm moet 3 i . .

20 m /h drinkwater met . een zoutgehalte XQ = 500 dpm worden bereid. De concentraatconcentratie is X^ = 57000 dpm. Onder de onderhavige voor-vaarden vereist een vlakmembraan-platen-omgekeerde osmose volgende bedrijfsomstandigheden: 15- L = 60 m3/h ΡΛ = .1 bar 3 0 P = 20 ar/h P1 = 80 bar K = ko m3/h P2 = 75 bar

Bij een totale werkingsgraad van 50 % is het vermogensbehoefte van

O

pomp 1 voor een inrichting volgens fig. 1 280 kW of 14 kWh per m per-20 . meaat.

Het vermogensbehoefte van een inventieve inrichting volgens figuren 2.1 en 2.2 bedraagt daarentegen met P^ - 73 bar en. P^ - 3 bar alsmede L.j = P = 20 m3/h en - K = Uo m3/h 25 onder overige gelijke condities:

voor pomp 4 k,5 kW

voor pomp 5 93,0 kW

voor pomp 6 16,5 kW

totaal 114,0 kW

3 30 . of 5*7 kWh per m permeaat.. Tegenover de inrichting volgens fig. 1 wordt • volgens de uitvinding 6θ % van.de aan te. wenden energie respectievelijk 3 8,3 kWh. per m permeaat bespaard.

Een verdere mogelijkheid voor toepassing van. de energie-bespa-rende werkwijze volgens de uitvinding is in fig. 3 voor de met figuur 35 -2.1 overeenkomende bedrijfsfase afgebeeld. De kamers van het membraan- dubbelreservoir zijn daarbij van elkaar gescheiden (7.1 en 7.1a en 7·Tb» 790 5 4 89 * * 5 7.2 in 7*2a en 7.2b) en het scheidende membraan door een gaskussen vervangen. Daar het gaskussen mettertijd in de vloeistof oplost, .moet het gas van tijd tot tijd of continu .-worden aangevuld. Ter-verkleining van heb stof-uitwisselvlak voor de kussengasabsórptie is volgens de 5 uitvinding het vrije vloeistof oppervlak in de vaten 7· la, 7.1b, 7-2a en 7.2b met een drijvende diffusieremmende of diffusieverhinderende laag afgedekt. Verder is het mogelijk het membraan in de membraan-dubbelreservoirs eveneens volgens de uitvinding door geschikt leiden van de stroming in zijn scheidende -werking ten dele te vervangen. In 10 de figuren k, 5a en 5b zijn.de mogelijkheden afgebeeld, een voor een dergelijhevervanging vereiste npropIfstroming als.het ware te vervangen.

Daarbij wordt van het verder boven beschreven feit gebruik gemaakt, dat een door het stelsel bepaalde.geringe of een door bedrijfsstoring bepaalde omvangrijke dooreenmenging van oplossing L en concen-15. traat .K aan de kwaliteit van het produkt permeaat P geen afbreuk doet (zie figuren 1, 2.1 en 2.2).

Volgens fig. ^ zijn de.reservoirs 7.1 en 7*2 door telkens een reeks reservoirs vervangen, die in_.de beide afwisselende bedrijfsfasen in verschillende richting worden doorstroomd. In de linker helft van 20 fig. 4 drijft het concentraat K onder hoge druk de oplossing naar de drukverhogingspcimp van.de omgekeerde-osmose. In de rechterhelft van fig. ij- drijft een volumestroom. L het concentraat K in overmaat onder lage druk in de omgeving.. .De concentraties. in. de afzonderlijke deelreservoirs 7.1 n tot 7.1.1 respectievelijk 7.2 n tot 7.2.1 nemen, 25 wat gemakkelijk.te begrijpen is met het derde cijfer van deze deelnum mers af. Daar.een zekere concentratie-verhoging in.de reservoirs 7*1.1 en 7.1.2 tegenover de reservoir scheiding door middel van membranen niet. kan worden uitgesloten, wordt in de lage-drukspojelfase met grotere hoeveelheid L·^ gespoeld, dan met de behoefte van de omgekeerde-osmose-30 . zone aan toestromende oplossing overeenkomt...Het effect van de concen- tratieverhoging door hernieuwde menging wordt .des te kleiner .hoe groter de hoeveelheid trappen (n) is. Om deze reden wordt eveneens volgens de uitvinding de vervanging van. een omschreven aantal trappen .volgens figuren 5a en 5b door afzonderlijke vaten 7.1 en 7.2 met vullichaam-35 „vullingen voorgesteld, daar deze vaten longitudinaal (fig. 5a, u b) in kleine afzonderlijke vaten als.het ware in een oneindige hoeveelheid 790 54 89 ' ' ï· ' ·* ' : . . ’ ’ - . 6, --- * - . -.-'_···.·· - • » zijn. onderverdeeld.

Verder wordt volgens.de uitvinding.geclaimd,,.de soortelijk zwaardere stroom beneden en.de specifiek lichtere.stroom boven in het voorgestelde, membraanloze reservoir in .te leiden, waardoor de hernieuwde 5 menging wordt verminderd.

Als bijzonder voordelig zijn daarbij laminair door stroomde lamellenachtige inbouwsels.overeenkomstig fig 5a. gebleken. Terwijl bij ringcilindrische of kanaalachtige inbouwsels en laminaire stroming de snelste stroomdraad ongeveer tweemaal zo snel als de integrale door-10 snede stroomt, stroomt de snelste stroomdraad tussen parallele lamellen slechts ongeveer 1,5 x zo snel. Deze verhoudingen zijn van de vloeistof dynamische stofeigenschappen van het stromende medium afhankelijk.

Een belangrijke verbetering van deze verhSUdingen kan nog worden verkregen., als de lamellen overeenkomstig fig. 6 ten opzichte van el-.35'· kaar paarsgewijze versprongen worden aangebracht. Dan stroomt bij ge lijk lamellentotaalvlak de snelste stroomdraad slechts nog ongeveer 3,31 maal. zo snel als .de integrale, door snede.· Als gevolg van de lami-naire stroming vindt vlo ei stof-dynamis ch van.de theorie uit geen door-eenmenging van achter: elkaar stromende materiaalstromen plaats. De dif-20 . fusiesnelheid. is van ondergeschikte grootte-orde. De desondanks bestaan— .de neiging tot een dooreenmenging kan nog hierdoor, worden verminderd, dat volgens.de uitvinding de soortelijk zwaardere stroom in het onderste deel van.het. dübbelreservoir wordt opgeslagen. Bij de telkens omgekeerde. stroming vindt . een. omkering van-het stroomprofiel en daar— .25 door een nivellering plaats.. Fig. 6 toont .een. overeenkomstige paars gewijze montering van.de.lamellen 9 en 30 in het dubbelreservoir-druk-vat 9. De organen 11 aan.de bovenste en onderste lamelleneinden dienen daarbij.voor.de betere toegangsverdeling voor de.stroming..Het is prin-. cipieel gezien onbelangrijk uit hoeveel lamellenparen·9 en 10 het la-30 mellènpakket bestaat.. Praktisch doelmatig is echter. een .meervoudige paring.

Ofschoon, in de spoèlfase..de hoeveelheid.!^, groter. is dan .de ver-. eiste oplossingshoeveelheid Lg., is de geringe aan .te wenden meerhoogte van ongeveer 20 % voor.de.te transporteren, hoeveelheid, met betrekking 35 "bot het totaal energieverbruik onbelangrijk, daar de vermogensbehoefte i 790 5 4 89 * * 7 voor deze materiaalstroom toeft al van geringe "betekenis is en de grotere stroamftoeveelfteid door ftet kleinere drukverlies van.een lamellenreservoir tegenover een membraanreservoir door het pómpvermogen wordt gecompenseerd.

i 790 54 89

Claims (11)

1. Werkwijze voor het scheiden van een zout-bevattende oplossing onder toepassing van omgekeerde-osmose, in een zoutarm permeaat en een zoutrijk concentraat» met het kenmerk.» dat het de inrichting voor omgekeerde-osmose (2) onder druk.verlatende concentraat telkens aan een 5 kamer of een eind van zogenaamde dübhelreservoirs (7.1 respectievelijk 7.2) toestroomt, die hetzij uit kogel-, ellipsoïde- of dubtelkonische omwentelingslichamen, met geometrisch soortgelijke scheidingsmembranen (fig. 7» 8, 9 en 10». pos. 12 en 13) of membraanloze druklichamen zonder of met vullichamen- of lamelleninbouwaels bestaan (fig.. 3» 5a» 5b en · 10 6), waarbij gelijktijdig een oplos sings volume uit de andere kamer of het andere eind van het dubbelreservoir aan een pomp (6) toestroomt, die dit oplossingsvolume op de ingangsdruk onder overwinning van . een relatief klein drukverschil van . de inrichting voor omgekeerde-osmose perst, dat evenwijdig aan deze bewerking de te scheiden zout-.15. 'oplossing in het overeenkomstige kamerdeel Van.een tweede of verder gelijksoortig membraandubbelreservoir stroomt en daarbij uit diens andere zijde praktisch drukloos concentraat (K) in de omgeving trans-‘ port eert, concentraat dat. in. de voorafgaande van .de overeenkomstige • afwisselende .bedrijfsfasen onder druk en bij; overeenkomstig ver-20 dringingsvermogen in deze andere, kamer is ingebracht.

2. Werkwijze, volgens conclusie.1, met het kenmerk, dat twee of meerdere dubbelreservoirs.worden toegepast.

3. Werkwijze volgend conclusie 1, met. het kenmerk, dat onder .opgave van .de continuïteit, van de werkwijze slechts een dubbelreservoir 2. wordt toegepast.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het. kenmerk, dat de dubbelreservoirs (7.1 en. 7.2) door. telkens twee reservoirs-worden vervangen, welker beide vloeistof inhouden. door een gaskussen van elkaar zijn gescheiden. 30

-5. Werkwijze.volgens conclusie 4, met .het kenmerk, dat de vrije vloeistofoppervlakken.ter vermindering van de kussengasabsorptie door 790 5 4 89 * * r 9 m » drijvende, diffusieremmende of diffusieverminderende lagen worden afgedekt.

6. Werkwijze volgens conclusie'1, met het kenmerk, dat dubbelreser-voirs door een reeks van twee of meer, afwisselend in twee richtingen 5 doorstrocmde afzonderlijke, reservoirs worden vervangen.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de reeks afzonderlijke reservoirs door een of meerdere reservoirs met een vulling uit vulliehamen of ihbouwsels wordt vervangen.

8. Werkwijze volgens conclusies 6-7» met het kenmerk, dat de 10 soortelijk zwaardere vloeistof onder en de soortelijk lichtere vloei stof boven in de reservoirs wordt opgeslagen.

9· Werkwijze volgens conclusies 4, 6 en 7» met het kenmerk, dat de hoeveelheid aan! oplossing, waarmede het bij hoge druk in het dubbelre-servoir opgeslagen concentraat bij lagere druk wordt verdrongen, groter 15 is dan de hoeveelheid van.het vermelde opgeslagen concentraat.

10. Werkwijze volgens conclusie 7» met het kenmerk, dat de inbouw-sels uit planparallele of anderszins parallele.lamellen bestaan.

11. Werkwijze volgens.conclusie 10, met het kenmerk, dat de lamellenpakketten paarsgewijze ten opzichte van elkaar versprongen worden 20 aangebracht, waarbij de deelpakketten uit twee. of meerdere paren kun nen zijn samengesteld. 7905489