PL199398B1 - Układ do destylacji wody i sposób destylacji wody - Google Patents

Abstract

Układ charakteryzuje się tym, że wewnątrz zamkniętego zbiornika (1) pod powierzchnią lustra wody, na całej powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika (1) ma siatkowy stabilizator (2) zamontowany ukośnie w stosunku do powierzchni swobodnej wody, a górną część zbiornika (1) stanowi płaszcz chłodzący (3), którego powierzchnia jest nachylona, pod kątem mniejszym od 90 stopni do lustra wody, w kierunku ścianek zbiornika (1). Poniżej płaszcza chłodzącego (3), nad powierzchnią wody, przy ściance zbiornika (1) usytuowany jest kolektor zbiorczy (4). Poniżej stabilizatora siatkowego znajdują się elementy grzejne (5), zaś przy dnie zbiornika zamontowany jest filtr (6), który połączony jest poprzez pompę (7) z wlotem (11) do wnętrza membran kapilarnych modułu membranowego (12). Wylot z wnętrza membran kapilarnych połączony jest z wlotem (13) do zbiornika (1), usytuowanym poniżej stabilizatora siatkowego (2) oraz z dozownikiem kwasu (14), który połączony jest z wlotem (11) do wnętrza membran. Wylot z przestrzeni międzykapilarnej połączony jest z układem chłodzenia wody (15), który połączony jest poprzez pompę (16) z wlotem (17) do przestrzeni międzykapilarnej modułu membranowego (12). Przed wlotami do modułu membranowego (11 i 17) umieszczone są manometry (P). Sposób destylacji wody charakteryzuje się tym, że wodę zasilającą wprowadza się do zbiornika poniżej siatkowego stabilizatora w ilości równej objętości odprowadzanego z układu destylatu i utrzymuje się temperaturę wody w zbiorniku w zakresie 333-370K

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do destylacji wody i sposób destylacji wody.

Woda destylowana (zdemineralizowana), pozbawiona substancji rozpuszczonych i rozproszonych w wodzie występującej w warunkach naturalnych, znajduje szerokie zastosowanie. Ilość jednostkowa produkowanej wody zależy od zapotrzebowania i znane są instalacje produkujące od kilku litrów do kilkudziesięciu metrów sześciennych wody na godzinę.

Znane są w powszechnym użytku destylatory laboratoryjne, składające się z kotła z grzałkami elektrycznymi oraz skraplacza chłodzonego wodą wodociągową. Wodę destylowaną otrzymuje się w nich na zasadzie skroplenia pary powstającej wskutek odparowania wody kranowej wrzą cej w kotle. Wadą tego rozwiązania jest zanieczyszczanie destylatu przez wyrzucane z wrzącej wody krople zawierające zanieczyszczenia. W celu zwiększenia czystości wody otrzymany destylat poddaje się ponownej destylacji, otrzymując tzw. wodę redystylowaną. Powoduje to jednak zmniejszenie wydajności aparatu i prawie dwukrotny wzrost zużycia energii. Wydajność powyższych aparatów destylacyjnych z reguły wynosi 5-10 litrów na godzinę. Zdecydowanie większe ilości wody destylowanej produkuje się w instalacjach destylacyjnych wykorzystują cych wyparki do odparowania wody. To rozwią zanie zostało jednak zaniechane, głównie ze względu na ogromne ilości energii koniecznej do odparowania wody. Obecnie większe ilości wody zdemineralizowanej produkuje się głównie metodą wymiany jonowej. Jej podstawową wadą jest konieczność częstej regeneracji jonitów, co powoduje wytwarzanie dużych ilości ścieków.

Korzystne dla środowiska okazało się otrzymywanie wody zdemineralizowanej technikami membranowymi. W dziedzinie tej dominują rozwiązania wykorzystujące odwróconą osmozę (RO). Powstały również projekty aparatów membranowych do destylacji wody. Z opisu patentowego nr 3896004 „Distillation system utilizing a microporous stack znane jest rozwiązanie aparatu do destylacji wody w gospodarstwie domowym. W aparacie podgrzewana woda odparowuje przez układ płaskich, hydrofobowych i porowatych membran. Powstawanie w układzie kamienia kotłowego ograniczono przez szczepienie wody (zamiana twardości węglanowej na niewęglanową) kwasem cytrynowym. Powstawanie osadów jest jedną z głównych przyczyn ograniczających rozwój destylatorów membranowych. Podczas ogrzewania wody obecne w niej wodorowęglany wapnia i magnezu wody rozkładają się, co powoduje powstanie na powierzchni membran osadu. Zjawisko to jest również poważnym problemem eksploatacyjnym w tradycyjnych destylatorach. Negatywny wpływ osadu krystalizującego na powierzchni membran proponuje się ograniczyć przez dobór struktury membran - mniejsze pory w warstwie powierzchniowej, co przedstawiono w opisie patentowym nr 4419187 „Apparatus and method for thermal membrane distillation. Pomimo dalszego rozwoju destylacji membranowej jak dotychczas nie rozwiązano problemu szybkiego spadku wydajności instalacji podczas destylacji wody. Przy zasilaniu instalacji twardą wodą już po kilkunastu godzinach pracy wskutek wydzielanych osadów występuje prawie 100% spadek wydajności modułów. Aby temu zapobiec należy zastosować kosztowne metody wstępnego przygotowania wody. Jedną z możliwości jest jej zakwaszenie do pH = 4, czego główną wadą jest duże zużycie kwasu oraz korozja instalacji.

Przedmiotem zgłoszenia jest układ, który pozwala ograniczyć szybkość spadku wydajności membran wskutek powstawania osadów wydzielających się podczas ogrzewania wody naturalnej oraz sposób otrzymywania wody destylowanej przy pomocy tego układu.

Układ według wynalazku składający się ze zbiornika zamkniętego wyposażonego w elementy grzejne i połączonego z modułem membranowym wyposażonym w hydrofobowe, porowate membrany kapilarne oraz połączonego z system chłodzenia wody oraz dozownikiem kwasu charakteryzuje się tym, że wewnątrz zamkniętego zbiornika, pod powierzchnią lustra wody, ma siatkowy stabilizator, który pokrywa cały przekrój poprzeczny zbiornika, zamontowany skośnie w stosunku do powierzchni swobodnej wody. Górną część zbiornika stanowi płaszcz chłodzący, którego powierzchnia jest nachylona pod kątem mniejszym od 90 stopni od lustra wody, w kierunku ścianek zbiornika, co powoduje spływ skraplającej się na nim pary w kierunku ścianek zbiornika do kolektorów zbiorczych, z których kondensat wypływa na zewnątrz. Płaszcz chłodzący ma wlot i wylot. Poniżej płaszcza chłodzącego, nad powierzchnią wody przy ściance zbiornika usytuowany jest kolektor zbiorczy kondensatu wyposażony w wylot. Przy dnie zbiornika zamontowany jest filtr. Na zewnątrz zbiornika znajduje się pompa wody zasilającej, moduł membranowy, układ chłodzący, dozownik kwasu i pompa destylatu. Filtr, znajdujący się wewnątrz zbiornika, połączony jest poprzez pompę wody zasilającej z wnętrzem membran kapilarnych modułu membranowego z którego to wylot połączony jest z wlotem do zbiornika,

PL 199 398 B1 umiejscowionym poniżej stabilizatora siatkowego. Na wylocie z modułu membranowego zamontowany jest czujnik pH układu dozowania kwasu, który to układ połączony jest z wlotem do wnętrza kapilar. Wylot z przestrzeni międzykapilarnej modułu membranowego połączony jest z układem chłodzenia wody, w którym wylot wody schłodzonej połączony jest poprzez pompę z wlotem do przestrzeni międzykapilarnej modułu membranowego. Układ do chłodzenia wody posiada odprowadzenie nadmiaru wody, ponadto przed wlotami do modułu membranowego przyłączone są manometry.

Zaletą rozwiązania jest stworzenie kontrolowanej przestrzeni układu, w której wydzielają się niebezpieczne dla membran osady, co ogranicza spadek wydajności aparatu membranowego, jego prosta konstrukcja i możliwość regulacji wydajności przez dobór powierzchni zamontowanych membran. Zaletą rozwiązania jest także możliwość odzyskania części energii dostarczanej do ogrzewania wody.

Sposób destylacji wody według wynalazku polegający na podgrzaniu wody zasilającej do temperatury niższej od temperatury wrzenia, przetłoczeniu jej wzdłuż hydrofobowych membran, przez pory których woda odparowuje a powstałą parę kondensuje się z drugiej strony membran, po której to stronie przetłacza się zimną wodę destylowaną, zaś powstający wskutek kondensacji nadmiar wody odprowadza się jako destylat charakteryzuje się tym, że wodę zasilającą wprowadza się do zbiornika poniżej siatkowego stabilizatora w ilości równej objętości odprowadzanego z układu destylatu, tak, że utrzymuje się poziom wody w zbiorniku poniżej kolektora zbiorczego kondensatu i co najmniej 1 cm powyżej górnej powierzchni stabilizatora siatkowego, który w trakcie procesu jest całkowicie zanurzony w wodzie. Ilość wody jest regulowana przez czujnik poziomu wody. Działanie stabilizatora siatkowego powoduje, że toń wody ponad jego powierzchnią jest spokojna i nie mieszana. Temperaturę wody w zbiorniku utrzymuje się w zakresie 333 - 370 K, w wyniku czego z powierzchni swobodnej odparowuje woda, a powstała para dyfunduje w kierunku znajdującej się nad nią chłodnej powierzchni płaszcza chłodzącego, a spływające z niego skropliny odbiera się poprzez kolektor zbiorczy destylatu i jako destylat odprowadza się na zewną trz zbiornika. W wyniku odparowania nastę puje powierzchniowy wzrost stężenia soli, głównie CaCO3, co w połączeniu z brakiem mieszania wody powoduje powstawaniu na powierzchni swobodnej wody kryształów osadu, który także osadza się na powierzchni siatek, co sprzyja krystalizacji heterogenicznej i pogłębia stopień usuwania z wody związków tworzących osad na powierzchni membran. Wydzielane w trakcie skraplania ciepło kondensacji odzyskuje się poprzez nagrzewanie wody podawanej z układu chłodzenia do płaszcza chłodzącego, którą następnie kieruje się w odpowiedniej ilości jako wodę zasilającą do wnętrza zbiornika, zaś jej nadmiar jest odprowadzany z układu. Wodę ogrzaną w zbiorniku poprzez filtr pobiera się pompą i tłoczy do wnętrza membran kapilarnych, w ilości zapewniającej prędkość przepływu wzdłuż powierzchni membran powyżej 0,6 m/s. Wodę wypływającą z modułu zawraca się do zbiornika, zaś wytworzoną w module membranowym parę kondensuje się w schłodzonym strumieniu wody destylowanej. Ciśnienie tłoczenia destylatu jest równe lub o 5-10 mmHg większe od ciśnienia tłoczenia gorącej wody. W trakcie eksploatacji aparatu okresowo, korzystnie co 50 - 100 godzin, włącza się dozowanie roztworu HCl, które przerywa się gdy wartość pH wody zasilającej, mierzona na wylocie z modułu, osiągnie wartość około 3. Dozowanie kwasu włącza się również, gdy wartość ciśnienia tłoczenia wody zasilającej wzrośnie o 100 mmHg w stosunku do stabilnej wartości startowej, uzyskiwanej dla modułu po regeneracji HCl. Korzystnie stosuje się roztwór HCl o stężeniu 1-5%.

Zaletą sposobu według wynalazku jest ograniczenie zużycia kwasu jedynie do okresowego i kontrolowanego usuwania osadu z powierzchni membran, bez koniecznoś ci reakcji kwasu z całą objętością wody zasilającej, a także otrzymywanie wody destylowanej o czystości większej niż w tradycyjnych destylarkach przy jednoczesnym ograniczeniu ilości zużywanej energii elektrycznej.

Układ do destylacji wody według wynalazku został pokazany na fig. 1 a przykładowe jego wykonanie zostało przedstawione w przykładzie 1. W kolejnych przykładach przedstawiono działanie aparatu.

P r z y k ł a d I

W zbiorniku o długości 0,4 m, szerokoś ci 0,2 m i wysokości 0,2 m zamontowano grzałkę elektryczną o mocy 3 kW i przyłączono do sieci poprzez regulator mocy. Ponad powierzchnią grzałki zamontowano przylegające do siebie dwie siatki poliamidowe o rozmiarach oczek 100 mikrometrów. Siatki szczelnie zakrywały cały przekrój zbiornika, a ich płaszczyzna była pochylona w jedną stronę. Górna krawędź znajdowała się około 3 cm powyżej niższej krawędzi. Metalowa pokrywa zbiornika chłodzona była wodą a spływające z niej skropliny wpływały do cylindra miarowego. Najmniejsza odległość pomiędzy siatkami a pokrywą wynosiła 5 cm. Do zbiornika przyłączono moduł z polipropylenowymi membranami kapilarnymi, o średnicy wewnętrznej 1,8 mm i grubości ścianki 0,4 mm. Poro4

PL 199 398 B1 watość membran wynosiła około 70% a średni rozmiar porów 0,22 mikrometra. W instalacji zamontowano dwie pompy perystaltyczne, co pozwoliło tłoczyć wodę i destylat z różną prędkością. Układ chłodzący wykonano ze zbiornika o pojemności 2 dm³ w którym umieszczono spiralną chłodnicę ze stali kwasoodpornej, przez którą przepływała woda z sieci wodociągowej. Na wlotach do modułu membranowego zamontowano termometry oraz manometry rtęciowe. Termometry zamontowano także na wylotach z modułu oraz wewnątrz zbiornika. Wodę ze zbiornika pobierano poprzez filtr siatkowy 50 mikrometrów.

P r z y k ł a d II

Zastosowano układ opisany w przykładzie I. Zbiornik i napełniono wodą z kranu, tak że poziom wody był l cm ponad zamontowaną siatką 2 i całość nagrzano do temperatury 370 K. Gorąca woda przepływała z prędkością 0,96 m/s wewnątrz membran kapilarnych. Po drugiej stronie membran z prędkością 0,35 m/s przepływała woda destylowana, schłodzona w układzie chłodzącym 15 do temperatury 293 K. Ciśnienie tłoczenia wody destylowanej przewyższało o 5-10 mmHg ciśnienie tłoczenia wody gorącej. Do zbiornika 1 doprowadzano w sposób ciągły nowe porcje wody wodociągowej w ilości równoważnej ilości otrzymywanego destylatu. Po uzyskaniu 85% współczynnika odzysku wody całość wody ze zbiornika 1 usuwano i napełniano go świeżą wodą wodociągową. Aparat pracował w sposób ciągły przez 60 godzin. W tym czasie ilość otrzymywanej wody destylowanej zmniejszyła się 3 2 3 2 3 2 z 700 dm³m²d do 575 dm³/m²d (dm³ uzyskiwanych w cią gu doby w przeliczeniu na 1 m² membran).

Następnie, przy pracującym układzie, do wlotu 11 zaczęto dozować 1% HCl w ilości 1 cm³/min. Dozowanie zakończono gdy pH wody na wylocie z modułu osiągnęło wartość 3. Dozowanie kwasu spowodowało wzrost wydajności aparatu do 678 dm³/m²d.

W celach porównawczych ze zbiornika 1 usunię to siatki 2 i pomiary kontynuowano przez kolejne 53 godziny. W tym czasie ilość otrzymywanej wody destylowanej zmniejszyła się z 678 dm³/m²d do 510 dm³/m²d. Podanie 5% roztworu HCl na wlocie do modułu pozwoliło przywrócić jego początkową wydajność.

Całkowita ilość dozowanego HCl była 10 razy mniejsza od ilości kwasu która byłaby konieczna do zaszczepienia użytej do destylacji wody wodociągowej do pH=4.

Przewodnictwo właściwe otrzymywanego destylatu było w trakcie pracy aparatu niezmienne i wynosił o 1,5 mikroS/cm.

P r z y k ł a d III

Zastosowano układ opisany w przykładzie I. Zbiornik 1 napełniono wodą z kranu, tak że poziom wody był 1 cm ponad zamontowana siatką 2 i całość nagrzano do temperatury 333 K. Gorąca woda przepływała z prędkością 0,6 m/s wewnątrz membran kapilarnych. Po drugiej stronie membran z prędkością 0,3 m/s przepływała woda destylowana, schłodzona w układzie chłodzącym 15 do temperatury 295 K. Ciśnienie tłoczenia wody destylowanej było równe ciśnieniu tłoczenia wody gorącej. Do zbiornika 1 doprowadzano w sposób ciągły nowe porcje wody wodociągowej w ilości równoważnej ilości otrzymywanego destylatu. Po uzyskaniu 85% współczynnika odzysku wody całość wody ze zbiornika 1 usuwano i napełniano go świeżą wodą wodociągową. Aparat pracował w sposób ciągły przez 100 godzin. W tym czasie ilość otrzymywanej wody destylowanej zmniejszyła się z 560 dm³/m²d do 510 dm³/m²d. Przepłukanie instalacji 2% przywróciło początkową wydajność aparatu.

W celach porównawczych ze zbiornika 1 usunięto siatki 2 i pomiary kontynuowano przez kolejne 50 godziny. W tym czasie wydajność aparatu zmniejszyła się z 546 dm³/m²d do 470 dm³/m²d.

P r z y k ł a d IV

Zastosowano układ opisany w przykładzie I. Zbiornik 1 napełniono wodą z kranu, tak że poziom wody był 1 cm ponad zamontowaną siatką 2 i całość nagrzano do temperatury 367 K. Gorąca woda przepływała z prędkością 0,76 m/s wewnątrz membran kapilarnych. Woda pobierana była ze zbiornika z pominięciem filtra ochronnego 6. Po drugiej stronie membran z prędkością 0,3 m/s przepływała woda destylowana, schłodzona w układzie chłodzącym 15 do temperatury 293 K. Do zbiornika 1 doprowadzano w sposób ciągły nowe porcje wody wodociągowej w ilości równoważnej ilości otrzymywanego destylatu. W trakcie pomiaru ciśnienie tłoczenia wody gorącej systematycznie wzrastało. Po 30 godzinach pomiaru ciśnienie tłoczenia wody gorącej było o 100 mmHg wyższe od wartości startowej. Dozowanie na wlocie 5 ml 5% HCl spowodowało zmniejszenie ciśnienia tłoczenia do wartości początkowej.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ do otrzymywania wody destylowanej z wody naturalnej składający się ze zbiornika zamkniętego wyposażonego w elementy grzejne i połączonego z modułem membranowym wyposażonym w hydrofobowe, porowate membrany kapilarne, oraz połączonego z systemem do chłodzenia wody oraz dozownikiem kwasu, znamienny tym, że, wewnątrz zamkniętego zbiornika (1) pod powierzchnią lustra wody, na całej powierzchni przekroju poprzecznego zbiornika (1) znajduje się siatkowy stabilizator (2) zamontowany ukośnie w stosunku do powierzchni swobodnej wody, a górną część zbiornika (1) stanowi płaszcz chłodzący (3), którego powierzchnia jest nachylona, pod katem mniejszym od 90 stopni do lustra wody, w kierunku ścianek zbiornika (1), zaś poniżej płaszcza chłodzącego (3), nad powierzchnią wody, przy ściance zbiornika (1) usytuowany jest kolektor zbiorczy (4) wyposażony w wylot, przy czym poniżej stabilizatora siatkowego znajdują się elementy grzejne (5), zaś przy dnie zbiornika zamontowany jest filtr (6), który połączony jest poprzez pompę (7) z wlotem (11) do wnętrza membran kapilarnych modułu membranowego (12), przy czym wylot z wnętrza membran kapilarnych połączony jest z wlotem (13) do zbiornika (1), usytuowanym poniżej stabilizatora siatkowego (2) oraz z dozownikiem kwasu (14), który połączony jest z wlotem (11) do wnętrza membran, zaś wylot z przestrzeni międzykapilarnej połączony jest z układem chłodzenia wody (15), który połączony jest poprzez pompę (16) z wlotem (17) do przestrzeni międzykapilarnej modułu membranowego (12) oraz posiada odprowadzenie nadmiaru wody destylowanej (18), przy czym przed wlotami do modułu membranowego (11) i (17) umieszczone są manometry (P).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zamontowany w nim filtr (6) ma oczka mniejsze lub równe 50 mikrometrów.
3. 3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że stabilizator siatkowy (3) stanowi przynajmniej jedna warstwa siatki o rozmiarach oczka 100 mikrometrów.
4. 4. Sposób destylacji wody polegający na podgrzaniu wody zasilającej do temperatury niższej od temperatury jej wrzenia, następnie przetłoczeniu gorącej wody wzdłuż powierzchni hydrofobowych membran, przez których pory woda odparowuje a powstałą parę kondensuje się z drugiej strony membran, po której to stronie jest przetłaczana zimna woda destylowana, a powstający wskutek kondensacji nadmiar wody odprowadza się jako destylat, znamienny tym, że wodę zasilającą wprowadza się do zbiornika poniżej siatkowego stabilizatora w ilości równej objętości odprowadzanego z ukł adu destylatu, tak, ż e utrzymuje się poziom wody w zbiorniku poniż ej kolektora zbiorczego kondensatu i co najmniej 1 cm powyżej górnej powierzchni siatkowego stabilizatora, przy czym utrzymuje się temperaturę wody w zbiorniku w zakresie 333 - 370 K, powstającą parę skrapla się na chłodzonej powierzchni płaszcza chłodzącego, a spływające z niego skropliny odbiera się poprzez kolektor zbiorczy destylatu, przy czym powierzchnię odparowania utrzymuje się w stanie spoczynku, ponadto wydzielane w trakcie skraplania ciepło kondensacji odzyskuje się poprzez nagrzewanie wody podawanej z ukł adu chł odzenia do pł aszcza chł odzą cego, którą odbiera się i kieruje się w odpowiedniej iloś ci jako wodę zasilającą do wnętrza zbiornika, zaś jej nadmiar odprowadza się z układu, natomiast wodę ogrzaną w zbiorniku poprzez filtr pobiera się pompą i tłoczy do wnętrza membran kapilarnych w ilości zapewniającej prędkość przepływu wzdłuż powierzchni membran powyżej 0,6 m/s, po czym wodę wypływającą z modułu zawraca się do zbiornika, a wytworzoną w module membranowym parę kondensuje się w schłodzonym strumieniu wody destylowanej, przy czym utrzymuje się ciśnienie tłoczenia destylatu równe lub o 5-10 mmHg większe od ciśnienia tłoczenia gorącej wody, a w trakcie eksploatacji układu okresowo włącza się dozowanie roztworu HCl, mierzy się wartość pH na wylocie i dozowanie kwasu przerywa się, gdy mierzona pH zmniejszy się do około 3.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dozowanie roztworu HCl włącza się co 50-100 godzin.
6. 6. Sposób według zastrz. 4 , znamienny tym, że stosuje się roztwór HCl o stężeniu od 1-5%.
7. 7. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że dozowanie kwasu włącza się gdy wartość ciśnienia tłoczenia wody gorącej wzrośnie o 100 mmHg w stosunku do stabilnej wartości startowej, uzyskiwanej dla modułu po regeneracji HCl.