NO860587L - Fluidseparasjonceller og avstandsholdere for bruk i disse. - Google Patents

Description

En fluidseparasjonscelle, for eksempel for revers osmose, ultrafiltrering, dialyse eller spesielt elektrodialyse, omfatter en stabel av grunne kammere, hvor hvert kammer er avgrenset på sine motsatte sider av en membran som skiller det fra det neste kammer og rundt dets sider av en avstandsholderenhet. Et for-skjellig fluidum strømmer gjennom hvert tilstøtende kammer med overføring av forurensninger gjennom den adskillende membran fra fluidumet (diluatet) i et kammer til fluidumet (konsentratet) i det tilstøtende kammer. For eksempel kan diluatet være vann kontaminert med salter og som skal renses ved passasje gjennom et kammer, mens konsentratet kan være brakkvann, sjøvann eller annet vann som skal ta imot forurensninger gjennom membranen fra diluatet i det tilstøtende kammer.

Passasjer for tilførsel og uttak av diluat til et sett av kammere og konsentrat til et annet sett av kammere må anordnes gjennom avstandsholderenheten og membranene og således inneholder avstandsholderenheten og membranene tilsvarende samvirkende tilførsels- og uttakskanaler. Hver avstandsholder har en åpen midtdel som vil avgrense arealet til fluidumkammeret og kanal-passasjer for tilførsel og uttak av væske.

Egnede overføringsanordninger må anordnes for å muliggjøre overføring av væske fra en tilsvarende tilførsels- eller uttaks-kanal til et kammer. Disse overføringsanordninger tar form av slisser, hull eller andre passasjer som strekker seg mellom kanalene og det åpne midtparti i et kammer.

Et alvorlig problem med væskeseparasjonsceller av denne art er at hvis det er lekkasje av fluidum som inneholder forurensninger (konsentratet) i fluidumet som er blitt eller blir renset (diluatet) vil rensingsgraden som kan oppnås, være sterkt redusert. Det er derfor vesentlig å minimalisere eller eliminere uønsket lekkasje mellom nabokammere og mellom tilførsels- og uttakskanaler og kammerne, unntatt gjennom de ønskede over-før ingsanordninger . Avstandsholderne og membranene må derfor sitte sammen på slik måte at lekkasje forhindres. Dessverre har dette tidligere ikke vært lett å oppnå, og som en følge derav, har dette sterkt begrenset verdien av slike prosesser som elektrodialyse. En fundamental vanskelighet er at hvis et spor eller annen overføringsanordning går i flaten til en avstands holder mellom en tilførsels- eller uttakspassasje og det åpne midtparti, ville det være en sterk tendens til at den tilstøtende membran og tilstøtende avstandsholderenhet bøyer seg inn i dette spor og således tillater lekkasje.

Et spesielt problem oppstår ved dialyse, spesielt elektrodialyse på grunn av behovet for å opprettholde en konstant høy strømningshastighet og en strømningshastighet som er jevn gjennom hvert kammer. Hvis strømningshastigheten ikke er jevn, vil konsentrasjonen av forurensningsioner i de områder av konsentrat-cellen hvor strømningshastigheten er lav, bli for stor, og dette vil føre til utfelling av forurensningssalter i det grunne kammer. Når utfellingen opptrer i nevneverdig grad, har cellen tendens til å bli ubrukbar.

En enkel type avstandsholderenhet som har vært prøvet i elektrodialyseceller, er et jevnt nettverk av plastmateriale som strekker seg gjennom cellen og således skiller membranene over hele deres flate, eventuelt med en stiv flat stav på hver side av nettet rundt dets kanter i den hensikt at den elastiske membran skulle danne et tett segl sammen med staven. Dette er imidlertid ikke svært effektivt, sammensetningen av avstandsholderne er vanskelig og dyr, og lekkasje er fortsatt et problem.

I US patent nr. 3.256.174 brukes en enkelt avstandsholder i hvert kammer og avstandsholderrammen har boret hull fra for-syningspassasjene til det åpne midtparti og har dannet spor i et skikt av avstandsholderen og dekket med et overliggende laminat. Imidlertid er dette systemet dyrt og krever en tykk avstandsholder som fører til mindre virkningsfull separasjon i kammeret. Fluidene tilføres og tas heller ikke jevnt ut over hele bredden av hvert kammer og derfor er utfelling i konsentratkammeret en fare.

I Britisk Patent 921094 og Fransk Patent 1281549 er det igjen anordnet en eneste avstandsholder med overføringsanordning-er som strekker seg mellom det åpne midtparti og tilførsels-eller uttakspassasjen, idet overføringsanordningen har en slisse med minst én bøy for å redusere membranens mulighet til å bøye seg inn i slissen. En alternativ beskrevet løsning er å anordne en porøs komprimerbar avstandsholder i slissen som gir støtte for en membran, men muliggjør passasje av vann gjennom slissen. Slike avstandsholdere er imidlertid vanskelige å lage og ville føre til et ekstremt høyt trykkfall mellom tilførselsledningene og kammeret mellom membranene. Igjen er tilførselen av væske ikke særlig jevn og beroligelsessoner hvori utfelling kan finne sted, vil lett kunne foreligge.

I Britisk Patent 1447174 og Tysk Patent 2418369 er det foreslått forskjellige kombinasjoner av avstandsholdere og membraner, og igjen består overføringsanordningen av passasjer som går gjennom tilførsels- eller uttakskanalene og det åpne midtparti.

Hvis en slik avstandsholder brukes alene mellom et par membraner, kan membranen bøye seg inn i slissene og føre til lekkasje mellom tilførselskanalene og et tilstøtende kammer. Beskrivelsen angir bruken av en slik ramme sammen med en former på begge sider av avstandsholderen som er stiv nok, slik at den ikke bøyer seg inn i slissene og som gir en kontinuerlig flat stav i kontakt med membranen mellom fluid-tilførselskanalene og det åpne midtparti. Det beskrevne system krever bruk av minst to forskjellige typer avstandsholder og må ha minst tre avstandsholdere mellom hvert par av membraner og gjør derved separasjons-kammeret uønsket dypt.

I US Patent 3703466 og Fransk Patent 2070975 brukes avstandsholdere mellom hvert par membraner. Overføringsanordninger er utstyrt med slisser som hver fører en del av veien bare mellom en av kanalpassasjene og det åpne sentrum, og slissene samvirker over et område mellom kanalpassasjen og det åpne midtparti under dannelse av en kontinuerlig fluidpassasje. Selv om dette poten-sielt reduserer noe av lekkasjeproblemene ved at det er mulig å anordne membranene på hver side av avstandsholderparet, slik at den langs sin periferi er i kontakt med en kontinuerlig fast flate, gir konstruksjonen som er vist i US Patent 3703466 fortsatt store problemer, spesielt ved bruk for dialyse med høy hastighet. Passasjekanalene består av relativt små hull generelt anordnet i hjørnene til avstandsholderen, og slissene går delvis mellom disse hjørnepassasjer og det midtparti og er nødvendigvis få i antall og har små dimensjoner. Følgelig vil det være et stort trykkfall hvis en slik celle drives ved høye strømnings-hastigheter, og det vil være en alvorlig risiko for beroligelses soner i konsentratkammerne. En annen vanskelighet med konstruksjonen som er vist i US Patent 3703466 er at det er vesentlig å plassere to forskjellige typer av avstandsplater i hvert kammer.

Forskjellige kombinasjoner av avstandsplater er vist i Fransk Patent 1603631, men igjen er passasjekanalene bare ved hjørnene, og trykkfallet i denne anordningen ville være enda verre, da en ringformet passasjekrets fører gjennom en meget trang åpning til en langstrakt passasje som samvirker med smale slisser i en tilstøtende avstandsholder. Igjen ville det derfor være et betydelig trykkfall og betydelig utfellingsproblemer som skyldes rolige soner.

I Britisk Patent 1013464 brukes et par samvirkende avstandsholdere for å avgrense hvert kammer. En av avstandsplatene har slisser fra passasjekanalene rettet mot, men som bare når delvis mot det åpne midtparti og de andre plater har slisser fra det åpne midtparti rettet mot, men som bare delvis når frem til passasjekanalen. Slissene i en plate overlapper med slissene i den andre plate, slik at det er en kontinuerlig kanal fra passasjekanalen til kammeret. Slissene som er illustrert i patentbeskrivelsen er meget brede med bare ca. 6 langs hver side av en plate. Igjen er det derfor en betydelig risiko for rolige soner og spesielt er bredden av slissene så stor at selv om slissene er dannet av temmelig stivt materiale, vrir de tilstrekkelig i slissene til å muliggjøre lekkasje. Antagelig på grunn av dette har typen enhet som er vist i dette patent, ikke kommet i handelen. Lignende vanskeligheter gjelder også avstandsholderenheten som er vist i Britisk Patent 1439876.

Det er derfor et sterkt behov for å få avstandsholderenheter som vil muliggjøre konstruksjon av dialyse, elektrodialyse og andre fluidseparasjonsceller, hvor lekkasjeproblemene som tidligere er kjent, reduseres eller unngås, og høye og jevne strømningshastigheter kan oppnås uten å frembringe høye og uakseptable trykkfall.

En avstandsholderenhet ifølge oppfinnelsen som er egnet til å skille membranene i et fluidkammer i en fluidseparasjonscelle, omfatter et par avstandsplater og hver avstandsplate har et åpent midtparti som vil avgrense området til fluidkammeret, passasje-kammere for tilførsel og uttak av væske til denne celle og flere slisser som hver bare delvis fører mellom en av passasjekanalene og det åpne midtparti og hver har en slissemunn som åpner inn i hvert av de åpne sentre eller den passasjekanal og som fører inn i en lukket slissestamme og slissene samvirker slik at slissene i en plate som har sine munnåpninger åpne inn i det åpne midtparti, samvirker med de slisser i den andre plate som har sine munninger åpne inn i kanalhullene og gir en kontinuerlig fluidpassasje mellom kanalhullene og det åpne midtparti, og erkarakterisertved at

passasjekanalene består av en tilførselspassasjekanal og en uttakspassasjekanal som strekker seg langs motsatte sider av avstandsplaten langs i det vesentlige hele bredden av det åpne midtparti,

slissene er i det vesentlige jevnt fordelt over bredden til hver passasjekanal, og

i det minste noen av slissene er forskjøvne slisser som hver har en stamme som innbefatter en del som er forskjøvet i minst én tverretning i forhold til munningen og i det vesentlige alle slissene som ikke er forskjøvne slisser i en plate, samvirker med en forskjøvet slisse i den andre plate.

Således er det vesentlig i oppfinnelsen at hvert par av samvirkende slisser som tilsammen danner en slisse som strekker seg mellom det åpne midtparti og passasjekanalen, bør inneholde minst én forskjøvet slisse. Det er mulig for alle slissene i en plate å være forskjøvne slisser og at ingen av slissene i den andre er forskjøvne, men det foretrekkes generelt at noen av i det minste slissene i hver plate skal være forskjøvne slisser. Individuelle avstandsplater som definert ovenfor hvor i det minste noen av slissene er forskjøvne slisser, danner en ytter-ligere del av oppfinnelsen. Generelt er i det minste 10%, fortrinnsvis minst 30% og helst normalt minst 50% av slissene i en slik plate forskjøvne slisser.

Slissene er anordnet langs passasjekanalene til begge plater slik at i det vesentlige hver slisse som ikke har noen forskjøvet del, samvirker med en forskjøvet slisse. For eksempel kan slissene i begge plater anordnet i blokker av hver type slisse eller slisser med eller uten forskjøvne partier,^ veksle langs passasjekanalen. Fortrinnsvis er de fleste eller alle slissene

forskjøvne slisser.

I oppfinnelsen kan slissene langs en passasjekanal inneholde noen hvis munninger er åpne inn i det åpne midtparti og andre hvis munninger er åpne inn i passasjekanalen, for eksempel anordnet i blokker av hver type. Fortrinnsvis er imidlertid passasjekanalene hver valgt fra type 1 passasjekanaler og type 2 passasjekanaler. Slissene som er fordelt langs en type 1 passasjekanal,har alle sine munninger åpne inn i passasjekanalen, og slissene fordelt langs en type 2 passasjekanal, har alle sine munninger åpne inn i det åpne midtparti. I en avstandsholderenhet omfattende disse foretrukne plater samvirker en type 1 passasjekanal i en plate med en type 2 passasjekanal i den andre plate. Hver avstandsplate har gjerne en type 1 passasjekanal og en type 2 passasjekanal, slik at to i det vesentlige identiske plater kan brukes som en avstandsholderenhet.

I systemet som er beskrevet i Britisk Patent 1.013.464 hadde munningen av slissen og den lukkede slissestamme samme bredde idet slissen var rektangulær. Hvis bredden av slissen reduseres, reduserer dette risikoen for at den andre plate vrir inn i slissen og muliggjør lekkasje. Selv med føringshull gjennom avstandsplatene for å romme bolter eller andre festemidler, er det uheldigvis vanskelig å plassere avstandsplatene nøyaktig gjennom fluidseparasjonscellen, og reduksjon i bredden av slissene øker vanskeligheten. Følgelig fører enkel reduksjon av bredden av slissene som er vist i Britisk Patent 1.013.464,ikke til et brukbart produkt, da slissene i praksis har tendens til å feilinnrettes i slik grad at de ikke samvirker effektivt og gir de nødvendige kontinuerlige passasjer for strøm og væske mellom fluidkanalene og fluidkammeret. Feilinnretning blokkerer slissene og forhindrer fullstendig strøm, eller reduserer deres dimensjoner, slik at man får en uønsket økning i trykkfall.

Oppfinnelsen kan anvendes ved ultrafiltrering utført ved relativt lave trykk, for eksempel under 10 bar, men er spesielt viktig ved dialyse- og elektrodialyseapparatur, og den overvinner for første gang de tidligere kjente problemer.

Ved å anordne passasjekanaler langs i det vesentlige hele bredden til det åpne parti og ved å anordne slisser i det vesentlige jevnt langs passasjekanalen kan jevn strøm gjennom hvert kammer oppnås, hvorved risiko for uønsket utfelling i et kammer minimaliseres. Som et resultat av at hver eller begge slisser i hvert samvirkende par er forskjøvne slisser, er det lett mulig å oppnå effektiv registrering av slissene, selv om slissemunningene er meget smale. Trykkfall er ikke noe alvorlig problem, selv om slissemunningene er trange, fordi det er anordnet slisser i det vesentlige jevnt langs hele bredden til kammeret. Lekkasje forhindres fordi munningene er tilstrekkelig trange til at det ikke er noen vesentlig risiko for at tilstøt-ende avstandsplater bøyes inn i munningen av en slisse og fordi hver membran støttes rundt kanten på begge sider av et kontinuerlig nettverk av avstandsplatematerialet.

Som et resultat av oppfinnelsen er det mulig å oppnå meget større rensegrader enn det som tidligere har vært mulig. Når for eksempel diluatvannet opprinnelig har en konsentrasjon på 30.000 ppm oppløste salter, har det i praksis vært vanskelig eller umulig å oppnå en sluttdiluatkonsentrasjon på under ca. 1500 ppm ved vanlige elektrodialysemetoder, men ved oppfinnelsen er det lett mulig å oppnå diluatkonsentrasjoner på under 300 ppm, for eksempel så lavt som 30 ppm. Ved oppfinnelsen er det således lett mulig å redusere konsentrasjonen av forurensninger ved dialyse eller elektrodialyse med en faktor på minst 50, normalt minst 100 og ofte minst 500, for eksempel opp til 1000 eller selv 2000.

Hensikten med å lage den lukkede slissestamme er en del som er forskjøvet i minst én tverretning i forhold til munningen av den stamme, er slik at den stamme kan bevege seg på tvers av den samvirkende sliss, men likevel gi en kontinuerlig passasje i en større grad enn hvis stammen av hver sliss var rektangulær og med samme bredde som sin munning. Generelt er hver sliss forskjøvet i begge sine tverretninger i forhold til munningen, idet slissen for eksempel er trekantet, T-formet eller nøkkelhullformet. Imidlertid kan tilfredsstillende resultater oppnås hvis slissen er forskjøvet bare i en tverretning, for eksempel er L-formet eller ganske enkelt skåret med en vinkel på mindre enn 90° til kanten av passasjekanalen eller det åpne midtparti, slik til-fellet kan være. Hvis samvirkende slisser i en avstandsholderenhet er forskjøvet i en retning, bare da bør slissene være

forskjøvet i motsatte retninger i samvirkende plater.

Generelt er den forskjøvne del av slissestammen forskjøvet i forhold til munningen som et resultat av at den er bredere enn munningen. Denne anordning har ikke bare de ovenfor nevnte fordeler i forbindelse med feilinnretning av slisser, men fører også til et lavere trykkfall langs fluidpassasjen som dannes med de samvirkende slisser, selv ved perfekt innretning av slissene, enn med plater med rektangulære slisser. Fortrinnsvis er bredden på den forskjøvne del av slissestammen bredere enn bredden av nettet av platematerialer mellom de forskjøvne deler, fordi en kontinuerlig fluidpassasje da uunngåelig vil dannes uavhengig av tverrplasseringen til avstandsplatene i forhold til hverandre. Fortrinnsvis er den maksimale bredde av slissestammen 1,2 til 5 ganger bredden av slissemunningen, generelt 1,5 til 3 ganger bredden av slissemunningen. Munningen av hver sliss er normalt fra 0,5 til 5 mm bred, fortrinnsvis fra 1 til 3 mm. Slissene er normalt 2 til 10 mm brede i stammeområdet, hvor overlapping av slisser forekommer, fortrinnsvis fra 3 til 5 mm.

Selv om bredden av dukmaterialet mellom stammedelene fortrinnsvis er mindre enn bredden av hver stammedel, må den ikke være for smal, da platen ellers kan svekkes og tennene som avgrenses av tilstøtende slisser, kan brekke under håndtering av avstandsplatene. Fortrinnsvis er den minst 1,5 mm og normalt mer enn 2,5 mm.

Avstandsplatene er hensiktsmessig fremstilt av et tynt elastisk platemateriale, for eksempel et plastmateriale, for eksempel polyvinylklorid eller polyolefiner, så som homo- eller kopolymerer av etylen og propylen. Fortrinnsvis er avstandsplaten formet av polypropylen. Platene har generelt en tykkelse i området fra 0,2 til 3 mm, fortrinnsvis i området fra 0,5 til 1,5 mm. Motstanden hos platen mot bending og bøyning inn i en spalt avhenger i noen grad av forholdet mellom dens tykkelse og bredden av spalten. Normalt er forholdet av tykkelsen til avstandsplaten til bredden av slissemunningen i området 1:5 til 5:1, fortrinnsvis 1:2 til 1:0,3.

Passasjekanalene for tilførsel og uttak av fluidum til og fra det åpne midtparti er langs motsatte sider av avstandsplaten. Hver passasje kan gjerne omfatte et eller flere i det vesentlige rektangulære hull i avstandsplaten, generelt hovedsaklig på tvers av hele bredden av det åpne midtparti. Slissene er fortrinnsvis i det vesentlige jevnt fordelt langs hver passasjekanal, og for de beste resultater er avstanden av slissene i de to avstandsplater som danner en avstandsholderenhet, i det vesentlige den samme. Noen grad av ujevnhet, for eksempel i størrelsen av slissene eller deres avstander, kan tolereres, forutsatt at det ikke fører til alvorlig ujevn strøm gjennom cellen. Slissene er fordelt over i det vesentlige hele bredden av passasjekanalen og av det åpne midtparti for at det i en celle som inneholder en avstandsholderenhet i det vesentlige er jevn strøm over hele bredden av kammeret som utgjøres av de åpne midtpartier. Spesielt i elektrodialyseceller er det nødvendig å opprettholde strøm over hele membranens flate hele tiden da høye ionekonsentrasjoner kan utvikles uten strømning på membranoverflaten, hvilket for eksempel kan føre til pH-forandringer og utfelling av salter, hvilket er særdeles uønsket. Opprettholdelse av jevn strøm gjennom membranene har også tendens til å øke virkningsgraden av overføring av typer gjennom membranen.

Avstandsplatene er gjerne flerkantede med et likt side-antall, for eksempel rektangulære, og er fortrinnsvis regulært polygonale, for eksempel heksagonale eller helst kvadratiske. Passasjekanaler på motsatte sider av polygonet danner deler av tilførsels- og uttakskanalene for et første fluidum som passerer gjennom cellen. Kvadratiske avstandsplater ifølge oppfinnelsen er fortrinnsvis anordnet med sidepassasjer i sidene som ikke har passasjekanaler, med hovedsaklig de samme dimensjoner og posisjoner som passasjekanalene mellom det åpne midtparti og av-standsholderens utsidekant. Disse sidepassasjer kan for eksempel danne en del av tilførsels- og uttakskanalene for et andre fluidum i cellen. Identiske avstandsholderenheter kan brukes i tilstøtende fluidkammere, hvorgjennom forskjellige fluider strømmer i rett vinkel til hverandre, og i en slik celle er avstandsholderne orientert ved 90° i forhold til hverandre. Sidepassasjene i én avstandsholderenhet danner således sammen med passasjekanalene til den andre avstandsholder en del av til-førsels- og uttakspassasjen for fluidum som går inn i kammeret som dannes av det åpne midtparti av sistnevnte avstandsholderenhet. På lignende måte kan identiske heksagonale avstandsholderenheter med passasjekanaler i to motsatte sider og sidepassasjer i hver av de andre fire sider, brukes i en fluidseparasjonscelle med tre separate strømmer, idet avstandsholderenhetene er orientert ved 60° i forhold til avstandsholderne mellom tilstøt-ende membraner.

I den foretrukne avstandsholderenhet, hvori hver avstandsplate i det vesentlige er identisk, må anordningen av slissene være slik at når arket snus rundt og/eller dreies 180° i forhold til den opprinnelige plate, samvirker slisser med sine munninger åpne inn i passasjekanalen i en plate med slisser med sine munner åpne inn i det åpne midtparti i den andre plate.

Det åpne midtparti av hver plate kan være fullstendig åpent eller kan inneholde ledeplater som er konstruert til å få fluidumet til å følge en ikke-lineær bane mellom innløpsrøret og utløpsrøret.

Hver avstandsholderenhet og faktisk hele fluidseparasjonscellen holdes fortrinnsvis løsbart sammen ved kompresjon, og det er ikke noe behov for å feste med lim eller mastik. En stabel kan holdes sammen av bolter som går gjennom huller i avstandsholdere og membraner, eller med plater ved hver ende av stabelen som er boltet sammen.

En vanlig maskeavstandsholder kan befinne seg i hvert kammer mellom par av membraner. I noen systemer kan det være ionebytter-harpikspartikler eller fibre, eller andre partikler eller fibre i kammerene. I det tilfelle kan det være greit å forhindre passasje av partikler ut av kammeret ved å sette inn et skikt av trådnett mellom de to plater som danner en avstandsholder for å blokkere kanalene.

Oppfinnelsen er spesielt anvendelig i celler for elektrodialyse, men er også god i dialyse, for eksempel bloddialyse, ultrafiltrering, spesielt lavtrykks-ultrafiltrering og tverr-strøms mikrofiltrering. Lekkasje kan unngås selv når det er store trykkforskjeller, for eksempel opptil 3,5 bar, mellom tilstøtende kammere.

Diluatet og konsentratvæskene som brukes i oppfinnelsen kan være alle de væsker som normalt brukes i slike prosesser. Når prosessen er elektrodialyse, er diluatet og konsentratet generelt begge vandige, idet diluatet ofte er vann kontaminert med oppløste salter og konsentratet ofte er urent vann, for eksempel sjøvann.

Det er forskjellige situasjoner hvor det er ønskelig å fjerne ioner som er oppløst i en blanding av vann og en vannblandbar organisk væske. For eksempel pumpes forskjellige fluider ned underjordiske brønner ved forskjellige trinn i gjenvinningen av hydrokarboner så som gass og olje. Ofte inneholder disse fluider aktive bestanddeler som er meget kostbare, og som det derfor er ønskelig å resirkulere. Når fluidene fjernes fra en brønn, for eksempel en undervannsbrønn, kan de fortynnes med vann, normalt sjøvann. Før resirkulering av fluidene er det derfor nødvendig å fjerne vannet for å opprettholde konsentrasjonen av bestanddelene i væsken. Hvis kontaminanten er sjøvann, vil fjerning ved destillasjon eller andre fordampingsmåter sannsynligvis føre til dannelse av saltavsetninger. Det er derfor nødvendig å fjerne de oppløste salter før fordampingen, og å gjøre dette på en måte som ikke skader de andre bestanddelene i fluidumet.

Spesielle problemer oppstår når metan og andre meget flyktige hydrokarboner skal oppsamles, fordi hvis vann lekker inn i en komprimert strøm av metan, er det fare for dannelse av faste metanhydratavsetninger med eventuell ventilblokkering som følge. Det er derfor nødvendig å injisere noe vannblandbar væske, eventuelt metanol, men generelt etylenglykol i strømmen for å ta opp enhver vannlekkasje og forhindre dannelse av disse avset-ninger. Imidlertid har det vært økonomisk vanskelig, spesielt på olje- og gassrigger på sjøen, å opprettholde konsentrasjonen av organisk væske for gjentatt bruk på grunn av konsentrasjons-vanskelighetene. Som følge derav foretrekkes det ofte å stenge en gassbrønn så snart lekkasje av sjøvann opptrer i den istedenfor å prøve å kontrollere den ved tilsetning av etylenglykol etterfulgt av konsentrasjon av den resulterende vandige etylenglykolbland-ing.

Det er nå overraskende funnet at elektrodialyse kan brukes til å fjerne oppløste ioner fra en blanding av vann og en vannblandbar væske. Elektrodialysen kan utføres ved bruk av kjente elektrodialyseceller, men utføres fortrinnsvis ved bruk av en elektrodialysecelle ifølge oppfinnelsen som beskrevet ovenfor. Med disse midler er det lett mulig å redusere saltkonsentra-sjonen fra, for eksempel over 20.000 ppm til en verdi mindre enn 500 ppm, slik at man unngår kakedannelse i fordampingsapparatur.

I en foretrukket fremgangsmåte konsentreres avionisert væske ved fjerning av i det minste noe av vannet, og det resulterende konsentrat av vannblandbar organisk væske pumpes ned en underjordisk brønn. Vann fjernes generelt fra den avioniserte væske ved flashfordamping.

Den vannblandbare organiske væske er fortrinnsvis en som er resistent og inert overfor ioner, spesielt natrium- og klorid-ioner. Egnede organiske væsker er glykoler, spesielt monoetylenglykol.

Den vandige blanding kan inneholde forskjellige bestanddeler for spesielle formål nedhulls. Prosessen er spesielt anvendelig ved resirkulering av vann-glykolblandinger som brukes som beskyttelsesløsninger for nedhullsredskap og i gassutvinning. Løsningene blir fortynnet med sjøvann nedhulls og avioniseres før vann fjernes ved flashfordamping og gir blandinger med den ønskede konsentrasjon. For eksempel kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen brukes til å fjerne natriumklorid fra en 50:50 blanding av glykol og vann (vektforhold) som inneholder opptil 5% natriumklorid. Den resulterende avioniserte glykolløsning kan konsentreres til for eksempel en 70-30 vektprosent blanding av glykol og vann og brukes i utvinning av gass.

Elektrodialysecellen vil generelt ha to inngangsstrømmer, hvorav en er den vandige organiske fortynning som skal avioniseres og den andre som omfatter vann eller sjøvannkonsentrat. Ionene overføres gjennom elektrodialysemembranene fra den vandige organiske løsning til vannet eller sjøvannet. Membranene er normalt i det vesentlige ugjennomtrengelige og inerte overfor de ikke-ioniske komponenter i blandingen, d.v.s. de organiske komponenter. Ofte kan det forbedre virkningsgraden til avioni-seringen å resirkulere i det minste en del av celleutløpet til innløpet, slik at væsken går gjennom cellen mer enn én gang.

Da løsningene generelt tas ut fra brønnen og resirkuleres, kan all gass eller andre hydrokarboner som løsningene hører med fra brønnen, skilles fra løsningen før den føres tilbake til brønnen. Denne separasjonen kan utføres etter elektrodialyse-trinnet, men utføres normalt før løsningen føres gjennom elektrodialysecellen. For eksempel kan gass og/eller lette hydrokarboner destilleres fra løsningene som utvinnes fra en brønn med en glykolvannblanding.

Oppfinnelsen illustreres i de vedlagte tegninger, hvori: Figur 1 viser en avstandsplate; Figur 2 viser forstørret slissene som danner kanalene i avstandsholderenheten, hvori de to plater er innrettet; Figur 3 viser forstørret slissene som danner kanalene i avstandsholderenheten, hvori de to plater er feilinnrettet; Figur 4 er et tverrsnitt langs linjen IV-IV i figur 2 i et kammer som inneholder avstandsholderenheten og membranene; Figur 5 er et tverrsnitt gjennom en del av en membran/- avstandsholderstabel som har et tverrsnitt langs linjen V-V i avstandsholderenheten som er vist i figur 2;og Figur 6 er en membran for bruk med avstandsholderen som er vist i figur 1. Figur 7 viser et utvidet bilde av en del av en celleenhet for to tilførselsstrømmer som strømmer i rette vinkler mot hverandre ved bruk av avstandsplatene som er vist i figur 1 og membranen som er vist i figur 6.

Ett av et par identiske avstandsplater 1 brukes til å lage en avstandsholderenhet og har et åpent midtparti 2, passasjekanaler av to rektangulære hull 8 og 9, sidepassasjer som hver dannes av to hull 10 og 11, hull 12 for å romme bolter og sett av slisser 13 og 14 (ikke til å skrape). Passasjekanalen som dannes av hullene 8 er en type 1 passasjekanal som definert ovenfor, og kanalen som dannes av hullet 9 er en type 2 passasjekanal.

De illustrerte slisser 13 og 14 har alle en smal munning 30 som enten er åpen inn i et kanalhull 8 og 9 eller det åpne midtparti 2 og har en stamme 31 som inneholder en utvidet del 32. Sidedelene 33 og 34 av dette forstørrede parti er ofte sideveis forskjøvet i forhold til munningen 30. Platematerialet mellom slissene 13 har form av tenner 15 som sammensmeltes ved de lukkede ender av slissestammene til en kontinuerlig duk 20, mens platematerialet mellom slissene 14 har form av tann 16 som går sammen bak de lukkede stammer av slissene 14 i en kontinuerlig duk 21. Kontinuerlige duker 18 og 19 skiller det åpne midtparti 2 fra sidepassasjene som dannes av huller 10 og 11.

To plater 1 dreiet 180° i forhold til hverandre, danner en avstandsholderenhet. I en celle er en cellemembran 17 plassert på hver side av avstandsholderenheten, og de åpne sentre 2 av avstandsplatene danner et kammer avgrenset av to membraner 17, dukene 18 og 19 langs to motsatte sider av avstandsholderen og dukene 20 og 21 på de to andre sider av avstandsholderen.

De nøkkelhullformede slisser 13 og 14 faller sammen langs hver duk 20 og 21, overlappende i området for deres utvidede stamme 32 langs det langsgående sentrum av dukene 20 og 21. Hvert par av overlappende slisser 13 og 14 danner en kontinuerlig kanal som er angitt med pil 23 mellom et kanalhull 8 eller 9 og kammeret som dannes av det åpne midtpartiet 2 av avstandsplatene 1.

Når platene 1 er korrekt innrettet som vist i figur 2, faller de utvidede stammepartier 32 av slissene 13 og 14 nøyaktig sammen og danner de bredest mulige kanaler 23. Når platene 1 er feilinnrettet som vist i figur 3, faller slissene 14 sammen med tannen 15 mellom slissene 13, og slissene 13 faller sammen med tannen 16 mellom slissene 14. Siden imidlertid, diameteren til de utvidede stammepartier 32 er større enn bredden til tannen ved deres smaleste punkter, danner slissene fortsatt kontinuerlige kanaler til og fra kammeret.

I en cellestabel veksler par av avstandsholdere med membranene. Som vist i figur 4 holdes membranene 17 fra hverandre ved kantene av avstandsplatene, og på grunn av den relativt smale bredden til munningene 31 av slissene er det ingen vesentlig risiko for vridning av tilstøtende avstandsplater i slissene. Som følge av sammentrykning av kantene til stabelen med bolter som befinner seg i hullene 12 er siden av hver membran i kontakt med en kontinuerlig duk av ikke-vridd avstandsplate rundt hele det åpne midtparti av en avstandsholderenhet og også rundt alle passasjekanaler og sidepassasjer for å eliminere eller minimalisere lekkasje mellom fluidstrømmer.

Avstandsholderne som er illustrert, er for bruk i et to-trinnssystem som beskrevet i Britisk Patent 845.186, hvori en strøm går gjennom vekslende kammere mellom membraner og den andre strøm går gjennom de andre kammere, og hvori strømmene går i innbyrdes perpendikulære retninger. Et eksempel på en slik anordning er illustrert på den utvidede avbildning som er vist i figur 7 av en av enhetene som gjentas for å danne en komplett stabel.

Mellom hvert par av membranene 17 er det en avstandsholderenhet 35a, 35b, som hver omfatter to avstandsplater 1. De to avstandsplater i en avstandsholderenhet er identiske, og et av arkene er dreiet 180° rundt en akse loddrett på og som går gjennom sentrum av dets plan i forhold til den andre plate, eller er alternativt dreiet 180° rundt en akse parallell med og midtveis mellom innløps- og utløpspassasjekanalene som dannes av hullene 8 og 9 i forhold til den andre plate. Avstandsholderenhetene i tilstøtende kammere 35a og 35b er like med hverandre, men er dreiet med en vinkel på 90° rundt en akse loddrett på og som går gjennom sentrene av deres plan i forhold til hverandre. Generelt er en plate av nettverk plassert i kammeret som dannes av de åpne midtpartier 2 av avstandsplatene til en avstandsholderenhet, men dette er utelatt fra figuren for tydelighets skyld.

Membranene 17 mellom hvert par avstandsholderenheter er identiske med hverandre, og har som vist i figur 6 passasjer dannet av hull 8a til lia og boltehull 12a som faller sammen med hull 8 til 11 og boltehull 12 henholdsvis i tilstøtende avstandsplater .

For klarhets skyld viser figur 7 strømretningen av bare en av strømmene gjennom cellen. Innløpskanalen dannes av (i rekke-følge fra bunnen) membransidepassasjen som dannes av hull 10a i den første membran 17a, sidepassasjer dannet av huller 11 og 10 henholdsvis i avstandsplatene 1 som danner den første avstandsholderenhet 35a, membransidepassasjen dannet av hull 10a i den andre membran 17b og passasjekanaler dannet av hull 9 og 8 henholdsvis i avstandsplatene som danner den andre avstandsholderenhet 35b. Utløpskanalen dannes på lignende måte av sidepassasjer dannet av hull lia i membran 17a, sidepassasjer dannet av hull 10 og 11 i 35a, sidepassasjer dannet av hull lia i membran 17b og passasjekanaler dannet av hull 8 og 9 i enhet 35b.

Væske fra innløpet og utløpsstrømmene forhindres i å komme inn i kammeret som dannes av de åpne midtpartier 2a og 2b av platene i enhet 35a mellom membranene 17a og 17b av de faste staver 18 og 19 mellom sidepassasjer dannet av hull 10 og 11 og de åpne midtpartier 2a og 2b. Væske fra innløpsstrømmen kommer inn i kammeret som dannes av de åpne midtpartier 2c og 2d i platene av avstandsholderenhet 35b mellom membran 17b og den tilstøtende membran 17a (ikke vist) ved hjelp av slissene 13 og 14 som illustrert med pil 23 i figur 5. Væsken går gjennom kammeret som vist med piler 36 og går ut gjennom slissene 14 og 13 langs den motsatte kant av kammeret ved en vei som er motsatt av den som er vist med pil 23 i figur 5 og blir en del av utløpsstrømmen.

Stabelen av membraner og avstandsholdere kan holdes sammen ved å romme bolter som går gjennom hullene 12 og 12a. Trykket som utøves av boltene tetter avstandsplatene og membranene sammen langs de flate kontinuerlige duker 18 til 21 av avstandsplatene for å minimalisere lekkasje uten bruk av noe klebemiddel. Stablene kan lett tas fra hverandre og settes sammen for å erstatte membraner som er blitt skadet.

Avstandsholderene som er illustrert kan tilpasses bruk i systemer med tre eller flere strømmer ved å ha høyere polygonale avstandsholdere og membraner, hvori hver strøm benytter to sider, fortrinnsvis motsatte sider av polygonet. Et tre-strømssystem kunne for eksempel ha en syre, en alkali og en avfallsstrøm og ville benytte heksagonale avstandsholdere og membraner.

Resten av cellens konstruksjon ville, bortsett fra den nye avstandsholderenhet, være av vanlig type. Således vil vanlige membraner brukes for den aktuelle dialyse, elektrodialyse eller annet formål som er tilsiktet, og hvis prosessen er elektrodialyse, vil det være anordnet tilsvarende elektroder og elek-troderom. Generelt foretrekkes det at hver side av cellen bør være fra 300 mm til 3 m bred og for kvadratiske celler som illustrert, er hver side normalt fra 300 til 1200 mm, ofte 500 eller 1000 mm brede, helst ca. 500 mm. I praksis vil derfor antallet slisser 13 og 14 normalt være meget større enn antallet som er vist i tegningen.

Det følgende eksempel illustrerer oppfinnelsen.

Diluatløsninger som inneholder en 50/50 blanding av monoetylenglykol og sjøvann ble avsaltet ved bruk av elektrodialyse under anvendelse av en celle som benytter anordningen av av-standselementer og membraner som er illustrert i figur 7 og sjøvann som konsentratvæske. Nivået av oppløste salter i diluat-løsningen varierte mellom 30.000 - 40.000 ppm. Disse løsninger ble avsaltet ved resirkulering gjennom stabelen med en strøm-ningshastighet på ca. 16 l/min., inntil den ønskede konsentrasjon av oppløste faste stoffer på under 300 ppm ble oppnådd. Dette viste i det vesentlige ingen lekkasje, fordi hvis det hadde vært lekkasje, ville minimumsnivået for avsaltning som kunne oppnås, vært 1500 ppm. Strømvirkningsgrader på mellom 80 og 90% ble oppnådd med en spenning på 1,5 volt pr. cellepar.

Claims (18)

1. Avstandsholderenhet egnet til å separere membranene i et fluidkammer i en fluidseparasjonscelle og omfattende et par avstandsplater, og hvori hver avstandsplate har et åpent midtparti som vil utgjø re fluidkammerets flate, passasjekanaler for tilførsel og uttak av fluidum til den celle og flere slisser som hver går bare en del av veien mellom en av passasjekanalene og det åpne midtparti, og hver har en slissemunning som åpner inn til enten det åpne midtparti eller den passasjekanal og som fører inn til en lukket slissestamme og hvori slissene samvirker slik at slissene i en plate som har sine munninger åpne inn til det åpne midtparti, samvirker med slissene i den andre plate som har sine munninger åpne inn til kanalhullene for å gi en kontinuerlig fluidpassasje mellom kanalhullene og det åpne midtparti, karakterisert ved at passasjekanalene består av en tilførselspassasjekanal og en uttakspassasjekanal som går langs motsatte sider av avstandsplaten langs i det vesentlige hele bredden av det åpne midtparti, slissene er fordelt i det vesentlige jevnt langs bredden av hver passasjekanal, og i det minste noen av slissene er forskjøvne slisser hvis stamme hver inneholder en del som er forskjøvet i minst en tverretning i forhold til munningen, og hvori i det vesentlige alle slissene som ikke er for-skjøvne slisser i en plate, samvirker med en forskjøvet slisse i den andre plate.

2. Avstandsholderenhet ifølge krav 1, karakterisert ved at i det vesentlige alle slissene er forskjøvne slisser.

3. Avstandsholderenhet ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at stammen til hver forskjøven slisse er forskjøvet i begge tverretninger i forhold til munningen, de forskjøvne slisser er fortrinnsvis nø kkelhull eller T-formet, og at forholdet av stammens bredde til den forskjøvne slisse til munningens bredde av slissene, fortrinnsvis ligger i området fra 1,2:1 til 5,0:1, enda heller i området 1,5:1 til 3,0:1.

4. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 3, karakterisert ved at bredden av stammen til de forskjøvne slisser er større enn bredden til duken mellom stammene til tilstøtende slisser.

5. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 4, karakterisert ved at bredden til hver slissemunning er i området 0,5 til 3 mm og hver avstandsplate har en tykkelse i området 0,5 til 3 mm.

6. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 5, karakterisert ved at forholdet av bredden av munningen til hver slisse til tykkelsen av hver avstandsplate ligger i området 0,2:1 til 5:1, fortrinnsvis i området 0,3:1 til 2:1.

7. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 6, karakterisert ved at hver plate har form av et regulært polygon med et like antall sider og at sidene som ikke har passasjekanaler, er utstyrt med sidepassasjer med hovedsaklig samme dimensjoner og posisjoner som passasjekanalen mellom det åpne midtparti og den utvendige kant av avstandsholderen, idet hver avstandsplate fortrinnsvis er kvadratisk.

8. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 7, karakterisert ved at den er formet av et termoplastisk platemateriale, fortrinnsvis dannet av et poly-olefin, helst en polymer av propylen.

9. Avstandsholderenhet ifølge hvert av kravene 1 til 8, karakterisert ved at passasjekanalene i hver plate hver er valgt fra type 1 og type 2 passasjekanaler, hvori slissene som er fordelt langs type 1 passasjekanal, alle har sine munninger åpne inn i passasjekanalen, og slissene som er fordelt langs type 2 passasjekanal, alle har sine munninger åpne inn til det åpne midtparti, og i hver plate er fortrinnsvis en av passasjekanalene en type 1 passasjekanal og den andre passasjekanal er en type 2 passasjekanal.

10. Avstandsholderenhet ifølge krav 9, karakterisert ved at hver avstandsplate har en type 1 passasjekanal og en type 2 passasjekanal, og en type 1 passasjekanal i én plate samvirker med en type 2 passasjekanal i den andre plate.

11. Enhet ifølge hvert av kravene 1 til 10, karakterisert ved at hver avstandsplate er i det vesentlige identisk, men er snudd 180° i forhold til den andre.

12. Fluidseparasjonscelle, fortrinnsvis en dialyse eller elektrodialysecelle, omfattende en stabel av grunne kammere som hver på sine motsatte flater er avgrenset av en membran og rundt sine sider av en avstandsholderenhet, karakterisert ved at avstandsholderenheten er en enhet ifølge hvert av kravene 1 til 11.

13. Fluidseparasjonscelle ifølge krav 12, karakterisert ved at avstandsholderenhetene er kvadratiske og alle er i det vesentlige identiske, og avstandsholderenhetene i tilstøtende cellepar er orientert ca. 90° i forhold til hverandre og at det er to fluidstrømmer som går gjennom cellen.

14. Avstandsplate egnet for bruk i en enhet ifølge hvert av kravene 1 til 10 og med et åpent midtparti som vil utgjøre flaten til fluidkammeret, passasjekanaler for tilførsel og uttak av fluidum til cellen og flere slisser som hver fører bare delvis mellom en av passasjekanalene og det åpne midtparti og som hver har en slissemunning som er åpen inn til enten det åpne midtparti eller denne passasjekanal og som fører inn til en lukket slissestamme, karakterisert ved at passasjekanalene består av en tilførselspassasjekanal og en uttakspassasjekanal som går langs motsatte sider av avstandsplaten, langs i det vesentlige hele bredden av det åpne midtparti , slissene er i det vesentlige jevnt fordelt over bredden til hver passasjekanal, og i det minste noen av, og fortrinnsvis alle slissene er forskjøvne slisser hvis stamme inneholder en del som er forskjøv-et i det minste en tverretning i forhold til munningen.

15. Fremgangsmåte hvori ioner fjernes fra en væske ved elektrodialyse for å produsere en avionisert væske, karakterisert ved at væsken omfatter en blanding av vann og en vannblandbar organisk væske.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at den avioniserte væske er konsentrert ved fjerning av i det minste noe av vannet, og det resulterende konsentrat av vannblandbar organisk væske pumpes ned en underjordisk brønn, fortrinnsvis for utvinning av gassformige hydrokarboner.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 15 eller 16, karakterisert ved at den vannblandbare organiske væske er en glykol, fortrinnsvis monoetylenglykol.

18. Fremgangsmåte ifølge hvert av kravene 15 til 17, karakterisert ved at den utfø res i en elektrodialysecelle ifølge krav 12 eller 13.