PL207181B1 - Sposób i urządzenie do odsalania wody - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu odsalania wody przez odwrotną osmozę oraz urządzenia do przeprowadzania tego sposobu.

Taki sposób i takie urządzenie opisane są w niemieckim zgłoszeniu patentowym 199 33 147.2. Słona woda pod pierwszym ciśnieniem doprowadzana jest do urządzenia wyrównywania ciśnienia, a z tego urządzenia wyrównywania ciś nienia pod drugim, wyż szym ciś nieniem jest doprowadzana do modułu membranowego, przy czym z modułu membranowego odprowadzana jest odsolona woda i stężona woda słona. Odsoloną wodę należy przy tym rozumieć jako wodę o zawartości soli zmniejszonej w stosunku do zawartości soli w słonej wodzie doprowadzanej do urządzenia. Aby zwiększyć przy tym współczynnik sprawności, a więc poprawić bilans energii przy takim sposobie i takim urządzeniu, zaproponowano tam, by stężoną słoną wodę wypływającą z modułu membranowego doprowadzać pod drugim ciśnieniem nieprzerwanie do urządzenia wyrównywania ciśnienia i tam wykorzystywać do działania tym drugim ciśnieniem na słoną wodę doprowadzaną do urządzenia wyrównywania ciśnienia oraz do doprowadzania tej słonej wody do modułu membranowego. Wprowadzanie stężonej słonej wody w urządzenie wyrównywania ciśnienia odbywa się poprzez zawory przeciwzwrotne, a odprowadzanie stężonej słonej wody z urządzenia wyrównywania ciśnienia odbywa się za pomocą sterowanych zaworów głównych. Te sterowane zawory główne są korzystnie sterowane aktywnie i są umieszczone w odpowiednich przewodach łączących pomiędzy modułem membranowym a urządzeniem wyrównywania ciśnienia lub pomiędzy urządzeniem wyrównywania ciśnienia a wylotem stężonej słonej wody.

Sposób wymieniony we wstępie i urządzenie wymienione we wstępie są również znane z EP 0 028 913. Do wyrównywania strat ciśnienia przewidziano tam pompę.

Z DE 24 48 985 znane jest odzyskiwanie energii z silnie sprężonej cieczy za pomocą silnika wodnego napędzanego przez tę ciecz. Zastosowane są tu znów przeciwfazowo działające zespoły tłok-cylinder, które są jednak połączone za pośrednictwem tłoczysk mechanicznie z wałem korbowym, który jest z kolei napędzany przez zespół napędowy, aby wyrównywać straty ciśnienia. System ten ma jednak kilka właściwych mu wad, takich jak przykładowo skomplikowane ułożyskowanie i prowadzenie tłoków i tłoczysk, ponieważ są one przez wał korbowy wprawiane w ruch w dwóch kierunkach.

W przypadku znanych sposobów i znanych urządzeń na zawory główne działa wysokie ciś nienie. Przy uruchamianiu zaworów głównych w pierwszej chwili otwierania lub w ostatniej chwili zamykania takiego zaworu głównego powstaje duże naprężenie mechaniczne. Ponieważ jednak takie zawory główne są przeznaczone do dużego natężenia przepływu, muszą być one odpowiednio duże i masywne.

Ponieważ zawory główne ze względu na swą wielkość i masę są stosunkowo powolne, zwłaszcza na początku otwierania i przy końcu zamykania są one narażone na stosunkowo długie i silne zmiany ciśnienia. Ponieważ tego rodzaju urządzenia w miarę możliwości powinny działać bez przerw, takie zawory główne pozostają pod dużym obciążeniem trwałym z jednej strony na skutek wielkości obciążenia i czasu jego trwania, a z drugiej strony na skutek częstości zmian obciążenia, w wyniku czego szybko ulegają zużyciu.

Szczyty obciążenia występują zwłaszcza przy otwieraniu i zamykaniu zaworów głównych. W celu zmniejszenia tych obciążeń zastosowano zawory dodatkowe. Z patentu USA nr 5.797.429 (fig. 1) znane jest urządzenie do odsalania wody przez odwrotną osmozę, które do odsalania odprowadzania stężonej słonej wody z modułu membranowego i z wymienników stosuje zawory główne i równoległe zawory dodatkowe.

Z patentu USA nr 6.017.200 znane jest urządzenie do odsalania wody przez odwrotną osmozę z dwoma pracują cymi przeciwfazowo urzą dzeniami tł ok-cylinder.

Zadaniem wynalazku jest ulepszenie i takie rozwinięcie znanego sposobu lub znanego urządzenia przy uwzględnieniu wymienionych wad, aby zmniejszyć zużycie zaworów głównych.

Zadanie to zostało rozwiązane za pomocą sposobu odsalania wody za pomocą odwrotnej osmozy, zwłaszcza wody morskiej, zawierającego następujące kroki:

wodę słoną pod pierwszym ciśnieniem doprowadza się do urządzenia wyrównywania ciśnienia, zawierającego co najmniej dwa zespoły tłok-cylinder, z urządzenia wyrównywania ciśnienia doprowadza się ją pod drugim ciśnieniem do modułu membranowego, przy czym ciśnienie drugie jest większe niż pierwsze,

PL 207 181 B1 z modułu membranowego odprowadza się wodę odsoloną i słoną wodę stężoną pierwszą, wyprowadzoną z modułu membranowego słoną wodę stężoną pierwszą pod ciśnieniem zbliżonym do drugiego ciśnienia doprowadza się nieprzerwanie do urządzenia wyrównywania ciśnienia wykorzystuje się wyprowadzoną z modułu membranowego słoną wodę stężoną pierwszą do oddziaływania ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia drugiego na wodę słoną pierwszą wprowadzoną do urządzenia wyrównywania ciśnienia oraz do wprowadzania wody słonej drugiej do modułu membranowego, wprowadza się słoną wodę stężoną pierwszą do urządzenia wyrównywania ciśnienia i odprowadza się słoną wodę stężoną drugą z urządzenia wyrównywania ciśnienia za pomocą sterowanych zaworów głównych, steruje się zawory dodatkowe umieszczone równolegle do zaworów głównych tak, że zmniejsza się szczyty obciążenia przy otwieraniu i/lub zamykaniu zaworów głównych, otwiera się zawory dodatkowe przynajmniej podczas otwierania lub zamykania odpowiednich umieszczonych równolegle do nich zaworów głównych, przy czym sposób charakteryzuje się tym, że wyrównuje się wahania ciśnienia za pomocą ciśnieniowego zbiornika, umieszczonego na wejściu urządzenia wyrównywania ciśnienia od strony wysokiego ciśnienia, poprzez które wyprowadza się z modułu membranowego słoną wodę stężoną pierwszą.

Korzystnie słoną wodę stężoną pierwszą z modułu membranowego wprowadza się do wyjściowej komory jednego z co najmniej dwóch urządzeń tłok-cylinder urządzenia wyrównywania ciśnienia pod prawie drugim ciśnieniem, gdzie działa się nią na tłok tak, że woda słona pierwsza wprowadzana w wejściową komorę tego samego urządzenia tłok-cylinder jest pod prawie drugim ciśnieniem doprowadzana do modułu membranowego.

Korzystniej słoną wodę stężoną pierwszą doprowadza się do wyjściowej komory według wyboru jednego z urządzeń tłok-cylinder, przez co równocześnie woda słona z wejściowej komory tego samego urządzenia tłok-cylinder jest doprowadzana do modułu membranowego, a ponadto równocześnie do wejściowej komory drugiego urządzenia tłok-cylinder doprowadzana jest woda słona pierwsza pod pierwszym ciśnieniem, przez co z wyjściowej komory tego samego urządzenia tłok-cylinder słona woda stężona druga jest wyprowadzana pod małym ciśnieniem.

Najkorzystniej urządzenia tłok-cylinder urządzenia wyrównywania ciśnienia steruje się tak, że równocześnie do wejściowej komory co najmniej jednego urządzenia tłok-cylinder wprowadza się wodę słoną pierwszą, z wyjściowej komory tego samego urządzenia tłok-cylinder wyprowadza się słoną wodę stężoną drugą, do wyjściowej komory co najmniej jednego innego urządzenia tłok-cylinder wprowadza się słoną wodę stężoną pierwszą, a z wejściowej komory tego samego urządzenia tłok-cylinder wodę słoną drugą doprowadza się do modułu membranowego.

Korzystnie jest, gdy za pomocą ograniczników (R1, R2, R3) ciśnienia, umieszczonych w doprowadzeniach do zaworów dodatkowych (V2, V2', V5, V5'), steruje się maksymalnymi natężeniami przepływu przez zawory dodatkowe (V2, V2', V5, V5').

Zawory dodatkowe otwiera się korzystnie tylko podczas otwierania lub zamykania równolegle do nich umieszczonego zaworu głównego.

Korzystnie sterowanie zaworów głównych i dodatkowych przeprowadza się tak, że zawory główne przełączają bezciśnieniowe

Korzystnie jest, gdy nieustannie określa się chwilowe położenie tłoków.

Według wynalazku urządzenie do przeprowadzania odsalania wody za pomocą odwrotnej osmozy, zwłaszcza wody morskiej, zawierające urządzenie wyrównywania ciśnienia pompę tłoczącą do doprowadzania wody słonej do urządzenia wyrównywania ciśnienia moduł membranowy do rozdzielenia wprowadzanej z urządzenia wyrównywania ciśnienia wody słonej na wodę odsoloną i słoną wodę stężoną pierwszą, przewody łączące będące podczas pracy stale pod ciśnieniem usytuowane pomiędzy modułem membranowym i urządzeniem wyrównywania ciśnienia do doprowadzania słonej wody stężonej pierwszej z modułu membranowego do urządzenia wyrównywania ciśnienia i do doprowadzania wody słonej pierwszej z urządzenia wyrównywania ciśnienia do modułu membranowego, sterowane zawory główne do doprowadzania słonej wody stężonej pierwszej do urządzenia wyrównywania ciśnienia i do odprowadzania słonej wody stężonej drugiej z urządzenia wyrównywania ciśnienia,

PL 207 181 B1 zawory dodatkowe równoległe do zaworów głównych do zmniejszania szczytów obciążenia przy otwieraniu i/lub zamykaniu zaworów głównych, przy czym zawory dodatkowe otwiera się przynajmniej podczas otwierania lub zamykania odpowiednich umieszczonych równolegle do nich zaworów głównych, charakteryzuje się tym, że posiada ciśnieniowy zbiornik na wysokociśnieniowym wejściu urządzenia wyrównywania ciśnienia, poprzez które słona woda stężona pierwsza jest wprowadzana z modułu membranowego, do wyrównywania wahań ciśnienia.

Urządzenie wyrównywania ciśnienia ma korzystnie dwa pracujące przeciwfazowo urządzenia tłok-cylinder, a ponadto tłoki urządzeń tłok-cylinder są ze sobą połączone tłoczyskiem.

Korzystnie jest, gdy tłoczysko napędzane jest za pomocą zespołu napędowego i jest to korzystniej napęd elektryczny.

Przekrój zaworów dodatkowych jest korzystnie mniejszy niż przekrój zaworów głównych.

Korzystnie urządzenie wyrównywania ciśnienia ma wiele par urządzeń tłok-cylinder połączonych tłoczyskiem, a pary te pracują przeciwfazowo.

Jak wspomniano wyżej, zastosowane są zawory dodatkowe oraz odpowiednie przewody dodatkowe, przez które część ciśnienia występującego przy otwieraniu lub zamykaniu zaworów głównych prowadzi się bocznikując zawory główne.

Korzystnie te zawory dodatkowe są sterowane tak, że tuż przed otworzeniem lub zamknięciem zaworów głównych są one otwarte i/lub są otwarte tylko podczas otwierania lub zamykania zaworów głównych. Poza tym te zawory dodatkowe normalnie są zamknięte.

Przekrój zaworów dodatkowych może być wyraźnie mniejszy niż przekrój zaworów głównych, a zawory dodatkowe mogą mieć znacznie większą rezystancję ciśnieniową. Przez odpowiednie sterowanie zaworów dodatkowych można dzięki temu znacznie zmniejszyć obciążenie zaworów głównych i proporcjonalnie zwiększyć przez to ich żywotność.

W alternatywnym wykonaniu wynalazku przekrój poprzeczny zaworów dodatkowych moż e być dowolnie wybrany. Przez przekrój poprzeczny zaworów dodatkowych można również oddziaływać na transport cieczy, co można zrealizować za pomocą odpowiedniego sterowania. Oznacza to, że zawory dodatkowe są otwarte lub zamknięte w tym samym czasie, co odpowiadające im, równoległe do nich zawory główne z tą różnicą, że zawory dodatkowe otwierają się nieco wcześniej niż równoległe zawory główne, a są zamykane nieco później niż równoległe zawory główne, aby je odciążać.

Jak wspomniano wyżej istotą wynalazku jest zbiornik ciśnieniowy, który jest połączony z wyjściem służącym do odprowadzania stężonej słonej wody z modułu membranowego i z wejściem urządzenia wyrównywania ciśnienia. Ten zbiornik ciśnieniowy ma zatem takie samo ciśnienie jak stężona słona woda. Zadaniem tego zbiornika ciśnieniowego jest kompensowanie wahań ciśnienia nieuchronnie występujących przy uruchamianiu zaworów na skutek strat ciśnienia, aby zapewniać możliwie stałe ciśnienie robocze w module membranowym.

W dalszym korzystnym wykonaniu wynalazku w przewodach doprowadzają cych do zaworów dodatkowych zastosowano ograniczniki natężenia przepływu, które uniemożliwiają gwałtowną kompensację ciśnienia, ponieważ ograniczają maksymalne natężenie przepływu i przez to przyczyniają się do stopniowej kompensacji ciśnienia, a zatem do powolnych zmian ciśnienia zamiast zmian udarowych. Mogą być one różnie zwymiarowane, aby powodować różne opory przepływu. Ograniczniki natężenia przepływu mogą być również zabudowane razem z zaworami dodatkowymi, ponieważ zawory te i tak mają mały przekrój poprzeczny.

Jak wspomniano wyżej urządzenie wyrównywania ciśnienia ma dwa działające przeciwfazowo urządzenia tłok-cylinder i tłoki tych urządzeń tłok-cylinder są połączone tłoczyskiem. Tłoczysko takie i jego zadanie są znane z EP 0 028 913. Inaczej niż w przypadku tych znanych tłoczysk w urządzeniu według wynalazku nie jest przewidziana żadna pompa do kompensowania strat ciśnienia. W dalszym rozwinięciu wynalazku przewidziano napęd tłoczyska, aby kompensować straty ciśnienia. Napęd ten może przykładowo polegać na tym, że tłoczysko w swym środkowym odcinku ma uzębienie, z którym zazębiony jest zębnik napędzany w odpowiedni sposób. Dzięki temu można utrzymywać żądane ciśnienie pracy.

W urządzeniu według wynalazku można całkowicie zaniechać stosowania pompy wytwarzającej wysokie ciśnienie i zastąpić ją pompą wytwarzającą znacznie niższe ciśnienie, skoro ciśnienie, jakie nieuchronnie ma stężona słona woda na wyjściu modułu membranowego, wykorzystuje się przez ciągłe odprowadzanie tej stężonej słonej wody do urządzenia wyrównywania ciśnienia w celu działania tym ciśnieniem na słoną wodę pompowaną do urządzenia wyrównywania ciśnienia. Istotne jest przy tym również przede wszystkim to, że przebiega to nieprzerwanie, ponieważ w przeciwnym razie

PL 207 181 B1 trzeba byłoby kontrolować i podtrzymywać ciśnienie w doprowadzeniu słonej wody z urządzenia wyrównywania ciśnienia do modułu membranowego, a ponadto nie byłoby możliwe ciągłe wytwarzanie odsolonej wody.

Wynalazek zostanie poniżej dokładniej objaśniony w przykładzie wykonania na podstawie rysunku, na którym:

fig. 1 - przedstawia schemat blokowy objaśniający sposób według wynalazku;

fig. 2 - urządzenie według wynalazku w pierwszym stanie pracy;

fig. 3 - przedstawia urządzenie w drugim stanie pracy, a fig. 4 - przedstawia stany pracy podczas całego cyklu roboczego.

Schemat blokowy z fig. 1 przedstawia pompę tłoczącą 1 do doprowadzania niestężonej słonej wody 10 do urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia pod pierwszym ciśnieniem P^ Z urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia ta sama słona wody która teraz ma jednak wysokie ciśnienie, doprowadzana jest do membranowego modułu 3. Tu część słonej wody 11 przechodzi przez membranę 6 (np. 25% słonej wody 11, przy czym ulega odsoleniu i jest odprowadzana jako odsolona woda 12. Pozostała część słonej wody 11 (np. 75%) nie może przejść przez membranę i jest za pomocą łączącego przewodu 5 odprowadzana jako stężona słona woda 13, która jest jeszcze ciągłe pod wysokim ciśnieniem P₂, z powrotem do urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia. Tu to wysokie ciśnienie zostaje wykorzystane w sposób, który zostanie jeszcze bliżej objaśniony, by działać tym wysokim ciśnieniem na słoną wodę 10 w urządzeniu 2 wyrównywania ciśnienia i doprowadzać ją do wejścia modułu membranowego 3. Równocześnie w sposób, który również zostanie jeszcze dokładniej objaśniony, ciśnienie to w urządzeniu 2 wyrównywania ciśnienia wykorzystywane jest do tego, aby znajdującą się tam słoną wodę stężoną drugą 14 odprowadzić ostatecznie poprzez przewód 4, a do urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia doprowadzić niestężoną słoną wodę 10. Wszystkie opisane procesy przebiegają przy tym równocześnie i nieprzerwanie, tak że pompa wysokociśnieniowa, dostarczająca wysokie ciśnienie robocze, nie jest potrzebna i woda odsolona 12 jest nieprzerwanie dostępna.

Na podstawie przedstawionej na fig. 2 postaci realizacji wynalazku zostanie bliżej objaśnione zwłaszcza wykonanie i działanie urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia. Ma ono tu dwa identyczne urządzenia 401, 402 typu tłok-cylinder z dwoma umieszczonymi dokładnie naprzeciw siebie cylindrami, z których każdy ma wejściową komorę 201, 202 do przyjmowania niestężonej słonej wody 10 i wyjściową komorę 101, 102 do przyjmowania stężonej słonej wody 13. Wewnątrz tych urządzeń 401, 402 typu tłok-cylinder umieszczony jest specjalny tłok 301, 302, który dzieli wnętrze cylindra na wymienione komory i na rysunku jest ruchomy w kierunku poziomym. Od tłoczącej pompy 1 prowadzi w każdym przypadku przewód doprowadzający z (biernym) zaworem przeciwzwrotnym pierwszym 7 do wejściowych komór 201, 202. Zawory przeciwzwrotne pierwsze 7 są przy tym tak skonstruowane, że otwierają się i umożliwiają przepływ, kiedy ciśnienie w przewodzie doprowadzającym jest większe niż w wejściowych komorach 201, 202. Podobne zawory przeciwzwrotne drugie 8, które jednak mają inny kierunek przepływu, są umieszczone w przewodach doprowadzających z wejściowych komór 201,202 do membranowego modułu 3.

W doprowadzeniach 5 z membranowego modułu 3 do wyjściowych komór 101, 102 i w odprowadzeniach 4 z wyjściowych komór 101, 102 są natomiast umieszczone aktywnie przełączane zawory główne V3, V6 lub V1, V4, poprzez które można sterować doprowadzaniem stężonej słonej wody 13 z membranowego modułu 3 lub odpływem stężonej słonej wody 14 z urządzenia 2 wyrównywania ciśnienia.

Tłoki 301, 302 są połączone ze sobą sztywno za pomocą tłoczyska 30. Zębniki 40, które mogą być napędzane przykładowo przez elektryczne silniki przekładniowe i są zazębione z uzębieniem umieszczonym na tłoczysku 30, mogą napędzać tłoczysko 30 i poprzez nie tłoki 301, 302, aby wyrównywać straty ciśnienia.

Tłoki są umieszczone tak, że działają przeciwfazowo. Jeżeli jeden tłok jest zatem w położeniu, w którym objętość wejściowej komory 202 jest maksymalna, a objętość wyjściowej komory 102 jest minimalna, wówczas drugi, połączony poprzez tłoczysko 30 tłok jest w położeniu, w którym objętość wejściowej komory 201 jest minimalna a objętość wyjściowej komory 101 jest maksymalna (patrz fig. 2). W takiej sytuacji wejściowa komora 202 jest wypełniona wodą, a wyjściowa komora 101 jest wypełniona stężoną słoną wodą. Zawory główne V1, V3, V4 i V6, które są tu przedstawione jako przełącznik, są sterowane tak, że w przedstawionym położeniu tylko zawory główne V3 i V4 są zamknięte, natomiast zawory główne V1 i V6 są otwarte.

PL 207 181 B1

Otworzenie danego zaworu oznacza utworzenie połączenia przepływowego umożliwiającego przepływ, przy czym zawór jest tu otwierany czysto mechanicznie. Analogicznie zamknięcie zaworu oznacza przerwanie połączenia przepływowego, aby wstrzymać przepływ, przy czym zawór jest tu zamykany czysto mechanicznie.

Na skutek otworzenia zaworu głównego V1 najpierw maleje ciśnienie stężonej słonej wody w wyjściowej komorze 101. Przez otworzenie zaworu głównego V6 stężona słona woda dopływa do wyjściowej komory 102 i zwiększa się w niej ciśnienie (przykładowo około 7 MPa) i równocześnie za pomocą tłoka, na który działa ciśnienie, słona woda z wejściowej komory 202 jest wtłaczana do membranowego modułu 3.

Ponieważ tłoki są umieszczone tak, że działają przeciwfazowo, wprowadzanie koncentratu (stężonej słonej wody) pod ciśnieniem (przykładowo 7 MPa) do wyjściowej komory 102 powoduje przemieszczenie za pomocą tłoczyska 30 drugiego tłoka 301, który na skutek tego opróżnia bezciśnieniową wyjściową komorę 101. Równocześnie w wejściowej komorze 201 powstaje podciśnienie, które zasysa słoną wodę i napełnia tę komorę.

Gdy wyjściowa komora 102 jest napełniona, tak steruje się zaworami głównymi, aby rozpoczął się przebieg odwrotny.

Ponieważ moduł membranowy pracuje przy ciśnieniu około 8 MPa, aby zrealizować wystarczająco dużą wydajność wytwarzania słodkiej wody i aby wystąpił spadek ciśnienia na membranie maks. 1 MPa, w odpływie 5 koncentratu z membranowego modułu 3 jest jeszcze co najmniej wspomniane wyżej ciśnienie stężonej wody około 7 MPa.

Aby zawory główne zabezpieczyć, zwłaszcza przy otwieraniu i zamykaniu, przed dużymi zmianami ciśnienia, które powodują zużycie zaworów głównych, równolegle do zaworów głównych V1, V3, V4, V6 zastosowano zawory dodatkowe V2, V2', V5, V5'. Te zawory dodatkowe V2, V2', V5, V5' mają znacznie mniejszy przekrój niż zawory główne V1, V3, V4, V6 i znacznie większą odporność na ciśnienie. Przez odpowiednie sterowanie zaworami dodatkowymi V2, V2', V5, V5' można zatem znacznie zmniejszyć obciążenie zaworów głównych V1, V3, V4, V6 i przez to proporcjonalnie przedłużyć ich żywotność.

Według wynalazku przewidziano ciśnieniowy zbiornik P, który jest połączony z wyjściem membranowego modułu 3 dla stężonej słonej wody i dlatego ma takie samo ciśnienie, jak sama stężona słona woda, a więc przykładowo około 7 MPa. Wahania ciśnienia występujące nieuchronnie przy przełączaniu zaworów w wyniku zmian objętościowych należy kompensować, aby uzyskać w membranowym module 3 możliwie stałe ciśnienie pracy.

Ponadto pomiędzy wyjściem membranowego modułu 3 dla stężonej słonej wody a wyjściowymi komorami 101, 102 zastosowano wiele przedstawionych jako rezystory ograniczników R1, R2, R3 natężenia przepływu, które powinny zapobiegać gwałtownemu wyrównywaniu ciśnienia, ponieważ ograniczają maksymalne natężenie przepływu i przez to powinny przyczyniać się do stopniowego wyrównywania ciśnienia i na skutek tego do powolnych zmian ciśnienia zamiast wahań udarowych. Te ograniczniki natężenia przepływu działające jako rezystory przepływu mogą być różnie zwymiarowane.

Oba ograniczniki R2, R3 natężenia przepływu umieszczone pomiędzy węzłem K2 a zaworami dodatkowymi V2, V2' lub pomiędzy węzłem K3 a zaworami dodatkowymi V5, V5' mogą pozwalać na większe natężenie przepływu niż ogranicznik R1 natężenia przepływu umieszczony pomiędzy węzłem K1 a ciśnieniowym zbiornikiem P, ponieważ ograniczniki R2 i R3 natężenia przepływu przy każdym uruchomieniu sąsiednich zaworów dodatkowych V2, V2' lub V5, V5' powinny umożliwiać wyrównanie ciśnienia w czasie możliwym do zaakceptowania. Ogranicznik R1 jest natomiast stale połączony z wylotem koncentratu z membranowego modułu 3, tak że wyrównywanie ciśnienia w ciśnieniowym zbiorniku P może przebiegać bez przerw. Ogranicznik R1 natężenia przepływu może zatem mieć dużą rezystancję przepływu i tylko niewielką przepustowość. Inaczej mówiąc istnieje silne odsprzężenie obwodu koncentratu od membranowego modułu 3, tak że oddziaływania zwrotne wahań ciśnienia na membranowy moduł 3 są pomijalnie małe. W związku z tym należy również wspomnieć, że zawory główne V3 i V6 są uruchamiane tylko wtedy, gdy przez zawory dodatkowe V2 i V5 zostało już spowodowane wyrównanie ciśnienia pomiędzy węzłem K1 a węzłami K2, K3. Zawory główne V3 i V6 są więc zawsze uruchamiane bezciśnieniowe tak że nie powstają przy tym żadne wahania ciśnienia.

Przez wykonanie zaworów dodatkowych V2, V2', V5, V5', które mają mały przekrój poprzeczny, ogranicza się maksymalne możliwe natężenie przepływu, tak że te zawory dodatkowe mogą automatycznie przejmować zadanie ograniczników natężenia przepływu.

PL 207 181 B1

Poniżej zostanie teraz opisany cykl działania urządzenia według wynalazku na podstawie schematu blokowego z fig. 2 i 3 oraz na podstawie wykresu przebiegu działania z fig. 4. Wykres z fig. 4 podaje przy tym wartości liczbowe spadku ciśnienia na każdym zaworze w chwili uruchomienia.

Na fig. 2 została pokazana sytuacja wyjściowa. Tłoki 301,302 w obu urządzeniach tłok-cylinder właśnie osiągnęły skrajne lewe położenie. Zaznaczono to również na wykresie przebiegu działania na fig. 4 (patrz obie prawe kolumny). Zawory główne V3 i V4 są jeszcze otwarte. Ponieważ spadek ciśnienia na tych zaworach jest zerowy, oba zawory zamykają się bezciśnieniowo (chwila t1). Najpóźniej w tej chwili muszą również zamknąć się zawory dodatkowe V2 i V5' aby węzły K2 i K3 oddzielić od wypływu koncentratu z membranowego modułu 3. Z tą chwilą zamknięte są wszystkie zawory.

W celu przygotowania przeciwnego ruchu tłoków 301, 302 otwiera się teraz dodatkowy zawór V2' (chwila t2), aby ciśnienie panujące na węźle K2 zmniejszyć z około 7 MPa wobec odpływu koncentratu. Ponieważ zawór V2' jest zaworem dodatkowym o mniejszym przekroju, objętościowe natężenie przepływu jest małe. Gwałtowne wahanie ciśnienia jest samoczynnie zmniejszane przez ogranicznik R2 natężenia przepływu lub dodatkowy zawór V2'.

Równocześnie otwiera się zawór dodatkowy V5, aby spowodować działanie ciśnienia na węzeł K3 po wypłynięciu stężonej słonej wody z wyjściowej komory 102. Działanie tego ciśnienia odbywa się również stopniowo, ponieważ ogranicznik R3 ogranicza natężenie przepływu. Na węźle K3 narasta więc ciśnienie, które panuje również na węźle K1'.

Ponieważ węzeł K1 jest przez ogranicznik R1 natężenia przepływu o dużej rezystancji przepływu oddzielony od zaworu głównego V5, kompensacja następuje z ciśnieniowego zbiornika P, który jest z kolei napełniany przez ogranicznik R1 natężenia przepływu względem węzła K1. Wahanie ciśnienia przy wypływie koncentratu z membranowego modułu 3 jest zatem określone zasadniczo przez wymiary ogranicznika R1 natężenia przepływu, tak że można uzyskać stosunkowo stałe ciśnienia na węźle K1.

Gdy ciśnienie na węźle K2 jest zmniejszone przez dodatkowy zawór V2', a ciśnienie na węźle K3 jest zwiększone przez dodatkowy zawór V5, zawory główne V1 i V6 mogą otworzyć się bezciśnieniowo (chwila t3) i rozpoczyna się ruch tłoka w przeciwnym kierunku. Zaznaczono to na fig. 4 strzałką zwróconą w prawo.

W chwili t4 zawory dodatkowe V2' i V5 mogą z powrotem zamknąć się. Takie zamykanie się zaworów dodatkowych V2' i V5 musi jednak zakończyć się najpóźniej do chwili t5, kiedy tłoki 301,302 osiągną skrajne położenie prawe (patrz fig. 3).

Przez ruch tłoków ze skrajnego lewego położenia do skrajnego prawego położenia pod działaniem ciśnienia stężonej słonej wody dopływającej do wyjściowej komory 102 słona woda z wejściowej komory 202 jest wytłaczana pod ciśnieniem około 8 MPa (7 MPa ciśnienia dopływającego koncentratu i 1 MPa ciśnienia pochodzącego od napędu) w membranowy moduł 3. Równocześnie stężona słona woda z wyjściowej komory 101 jest bezciśnieniowo transportowana do odpływu koncentratu, a do wejściowej komory 201 dopływa słona woda. W chwili t5 wszystkie zawory są z powrotem zamknięte, a dzięki odpowiedniemu sterowaniu następuje taki sam przebieg w przeciwnym kierunku.

Należy tu zaznaczyć, że pompa 1 nie jest zasadniczo przeznaczona do doprowadzania słonej wody 10 do wejściowych komór 201, 202, ale powinna przeciwdziałać tak zwanej kawitacji, a więc obszarom podciśnienia w przepływie słonej wody 10 do wejściowych komór 201,202. Na skutek burzliwego przepływu obszary takie nie są stabilne. Otaczająca woda zostaje mianowicie zassana przez takie podciśnienie i przedostaje się do takiego obszaru. Na skutek tego osiąga ona tak duże prędkości, że może wybijać cząsteczki z prowadzących ścianek i armatury, co stosunkowo szybko może doprowadzić do uszkodzeń, które wymagają regularnie powtarzającej się wymiany takich części. Pompa 10 w przypadku dwukomorowego systemu nie ma zatem, jak inne znane urządzenia, wysokiego ciśnienia roboczego, ale pracuje powoli jak sprężarka turbodoładowania w silnikach spalinowych przy niskim ciśnieniu, które wystarcza do uniemożliwienia występowania kawitacji przy zasysaniu słonej wody.

Sytuacją wyjściową jest teraz sytuacja pokazana na fig. 3. Tłoki 301, 302 obu cylindrów osiągnęły właśnie swe skrajne prawe położenie. Zaznaczono to również na schemacie przebiegu działania pokazanym na fig. 4. Zawory V1 i V6 są jeszcze otwarte. Ponieważ spadek ciśnienia na tych zaworach jest zerowy, oba zawory zamykają się bezciśnieniowo (chwila t5). Najpóźniej w tej chwili muszą również zamknąć się zawory dodatkowe V2' i V5, aby węzły K2 i K3 oddzielić od odpływu koncentratu z membranowego modułu 3. Wszystkie zawory są teraz zamknięte.

PL 207 181 B1

W celu przygotowania przeciwnego ruchu tłoków 301, 302 otwiera się teraz dodatkowy zawór V5' (chwila t6), aby ciśnienie panujące na węźle K3 zmniejszyć z około 7 MPa wobec odpływu koncentratu. Ponieważ zawór V5' jest zaworem dodatkowym o małym przekroju, objętościowe natężenie przepływu jest małe. Gwałtowne wahania ciśnienia są tłumione przez ogranicznik R3 natężenia przepływu.

Równocześnie otwiera się dodatkowy zawór V2, aby spowodować działanie ciśnienia w węźle K2 pozbawionym ciśnienia po odpływie stężonej słonej wody z wyjściowej komory 101. Takie działanie ciśnienia przebiega również stopniowo, ponieważ natężenie przepływu jest ograniczane przez ogranicznik R2. Na węźle K2 narasta zatem ciśnienie, które panuje również na węźle K1. Ponieważ węzeł K1 jest za pomocą ogranicznika R1 natężenia przepływu o dużej rezystancji przepływu oddzielony od zaworu dodatkowego V2, kompensacja odbywa się z ciśnieniowego zbiornika P, który z kolei jest napełniany poprzez ogranicznik R1 natężenia przepływu.

Gdy ciśnienie na węźle K3 jest zmniejszone przez dodatkowy zawór V5', a ciśnienie na węźle K2 jest zwiększone przez dodatkowy zawór V2, zawory główne V3 i V4 mogą otworzyć się bezciśnieniowo (chwila t7) i rozpoczyna się ruch tłoka w przeciwnym kierunku. Zaznaczono to na fig. 4 strzałką zwróconą w lewo.

W chwili t8 zawory dodatkowe V5' i V2 mogą z powrotem zamknąć się. Takie zamykanie się zaworów dodatkowych V5' i V2 musi jednak zakończyć się najpóźniej do chwili t1 następnego cyklu, kiedy tłoki 301,302 osiągną skrajne położenie lewe (patrz fig. 2).

Przez ruch tłoków ze skrajnego prawego położenia do skrajnego lewego położenia pod działaniem ciśnienia stężonej słonej wody dopływającej do wyjściowej komory 101 niestężona słona woda z wejściowej komory 201 jest, pod ciśnieniem około 8 MPa, wtłaczana w membranowy moduł 3. Równocześnie stężona słona woda z wyjściowej komory 102 jest bezciśnieniowo transportowana do odpływu koncentratu 14, a do wejściowej komory 202 dopływa niestężona słona woda.

W chwili t1 następnego cyklu wszystkie zawory są z powrotem zamknięte, a dzięki odpowiedniemu sterowaniu zaworami następuje taki sam przebieg w przeciwnym kierunku. Pozioma linia osiowa na schemacie przebiegu działania na fig. 4 oznacza koniec cyklu i równocześnie początek nowego cyklu.

Z danych dotyczących ciśnienia na poszczególnych zaworach wynika, że zawory główne przełączają zawsze bezciśnieniowo, natomiast zawory pomocnicze, które są odpowiednio zwymiarowane, są pod działaniem wysokiego ciśnienia tylko przy otwieraniu. Stanowi to decydującą zaletę przedmiotowego wynalazku.

Uszczelnienie pomiędzy tłokiem a cylindrem w urządzeniu tłok-cylinder nie jest bezwarunkowo konieczne, ponieważ niewielkie wymieszanie obu cieczy nie wpływa zauważalnie na działanie urządzenia. Niezbędne jest natomiast uszczelnienie cylindra przy wyjściu tłoczyska.

Można również zastosować nieustanne określanie chwilowego położenia tłoka. Takie określanie położenia jest ważne, ponieważ trzeba uniknąć zderzenia pomiędzy tłokiem a cylindrem, by zapobiec uszkodzeniom. Położenie tłoka można przy tym określać bezpośrednio na cylindrze lub pośrednio np. na tłoczysku.

Ponieważ pompa uzupełniająca stratę ciśnienia jest bardzo silnie obciążona z jednej strony przez ciśnienie, a z drugiej strony przez agresywne medium, jakim jest słona woda, jest więc zagrożona uszkodzeniem. Przedmiotowy wynalazek zastępuje taką pompę zasadniczo lub całkowicie przez zespół napędu tłoczyska, przez co można kompensować stratę ciśnienia.

Ciśnieniowy zbiornik wygładza wahania ciśnienia na module membranowym. Dalsze wygładzenie wahań ciśnienia uzyskuje się przez wielokrotne zastosowanie urządzenia według wynalazku przy jednym module membranowym, a więc przez zastosowanie przy jednym module membranowym co najmniej dwóch urządzeń wyrównywania ciśnienia, z których każde posiada parę urządzeń tłokcylinder, zwłaszcza wtedy, gdy pracują one z przesunięciem w fazie względem siebie, tak że w chwili t tylko tłoki jednego urządzenia wyrównującego ciśnienie są usytuowane w skrajnym lewym lub prawym położeniu. Zależnie od konstrukcji można przy tym zastosować wspólny napęd dla wszystkich urządzeń wyrównujących ciśnienie tub też oddzielny napęd dla każdego urządzenia wyrównującego ciśnienie.

Wynalazek nie jest ograniczony do przedstawionej postaci realizacji. W szczególności można inaczej skonstruować urządzenie wyrównujące ciśnienie. Do pomyślenia są przykładowo konstrukcje z wieloma parami urządzeń tłok-cylinder i/lub inne lub inaczej ukształtowane urządzenia tłok-cylinder. Również podane wartości liczbowe są tylko wartościami przykładowymi dla zilustrowania wynalazku, tak że przy innym ukształtowaniu tłoków przykładowo można osiągnąć również inne stosunki ciśnienia.

PL 207 181 B1

Dzięki sposobowi i urządzeniu według wynalazku osiąga się bardzo wysoką sprawność przy odzyskiwaniu energii, co najmniej 90%. Pompa tłocząca musi wytwarzać tylko zależny od pobieranej ilości ułamek ciśnienia roboczego potrzebnego przy odwrotnej osmozie, które wynosi 7-8 MPa, co oznacza znaczną zaletę zmniejszenia kosztów i ułatwienia konserwacji. Zwykle zmniejszają się przez to wyraźnie koszty wytworzenia urządzenia do odsalania wody i uzdatniania wody pitnej. Ukształtowanie geometryczne tłoka nie jest ograniczone do jednej możliwości. Zależnie od zawartości soli w wodzie można lub należy dopasować ciś nienie osmotyczne. W przypadku wody słonawej (najmniejsza zawartość soli) można wybrać mniejsze ciśnienie.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób odsalania wody za pomocą odwrotnej osmozy, zwłaszcza wody morskiej, zawierający następujące kroki:

   wodę słoną pod pierwszym ciśnieniem doprowadza się do urządzenia wyrównywania ciśnienia, zawierającego co najmniej dwa zespoły tłok-cylinder, z urządzenia wyrównywania ciśnienia doprowadza się ją pod drugim ciśnieniem do modułu membranowego, przy czym ciśnienie drugie jest większe niż pierwsze, z modułu membranowego odprowadza się wodę odsoloną i słoną wodę stężoną pierwszą, wyprowadzoną z modułu membranowego słoną wodę stężoną pierwszą pod ciśnieniem zbliżonym do drugiego ciśnienia doprowadza się nieprzerwanie do urządzenia wyrównywania ciśnienia wykorzystuje się wyprowadzoną z modułu membranowego słoną wodę stężoną pierwszą do oddziaływania ciśnieniem zbliżonym do ciśnienia drugiego na wodę słoną pierwszą wprowadzoną do urządzenia wyrównywania ciśnienia oraz do wprowadzania wody słonej drugiej do modułu membranowego, wprowadza się słoną wodę stężoną pierwszą do urządzenia wyrównywania ciśnienia i odprowadza się słoną wodę stężoną drugą z urządzenia wyrównywania ciśnienia za pomocą sterowanych zaworów głównych, steruje się zawory dodatkowe umieszczone równolegle do zaworów głównych tak, że zmniejsza się szczyty obciążenia przy otwieraniu i/lub zamykaniu zaworów głównych, otwiera się zawory dodatkowe przynajmniej podczas otwierania lub zamykania odpowiednich umieszczonych równolegle do nich zaworów głównych, znamienny tym, że wyrównuje się wahania ciśnienia za pomocą ciśnieniowego zbiornika (P), umieszczonego na wejściu urządzenia (2) wyrównywania ciśnienia od strony wysokiego ciśnienia, poprzez które wyprowadza się z modułu membranowego (3) słoną wodę stężoną pierwszą (13).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że słoną wodę stężoną pierwszą (13) z modułu membranowego (3) wprowadza się do wyjściowej komory (101, 102) jednego z co najmniej dwóch urządzeń (401, 402) tłok-cylinder urządzenia (2) wyrównywania ciśnienia pod prawie drugim ciśnieniem (P₂), gdzie działa się nią na tłok (301, 302) tak, że woda słona pierwsza (10) wprowadzana w wejściową komorę (201,202) tego samego urządzenia (401,402) tłok-cylinder jest pod prawie drugim ciśnieniem (P₂) doprowadzana do modułu membranowego (3).
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że słoną wodę stężoną pierwszą (13) doprowadza się do wyjściowej komory (101, 102) według wyboru jednego z urządzeń (401,402) tłok-cylinder, przez co równocześnie woda słona (11) z wejściowej komory (201,202) tego samego urządzenia (401, 402) tłok-cylinder jest doprowadzana do modułu membranowego (3), a ponadto równocześnie do wejściowej komory (201,202) innego urządzenia (401,402) tłok-cylinder doprowadzana jest woda słona pierwsza (10) pod pierwszym ciśnieniem (P₂), przez co z wyjściowej komory (101, 102) tego samego urządzenia (401,402) tłok-cylinder słona woda stężona druga (14) jest wyprowadzana pod małym ciśnieniem.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że urządzenia (401,402) tłok-cylinder urządzenia (2) wyrównywania ciśnienia steruje się tak, że równocześnie do wejściowej komory (201, 202) co najmniej jednego urządzenia (401,402) tłok-cylinder wprowadza się wodę słoną pierwszą (10), z wyjściowej komory (101, 102) tego samego urządzenia (401, 402) tłok-cylinder wyprowadza się słoną wodę stężoną drugą (14), do wyjściowej komory (101, 102) co najmniej jednego innego urządzenia (401,402) tłok-cylinder wprowadza się słoną wodę stężoną pierwszą (13), a z wejściowej komory (201, 202) tego samego urządzenia (401, 402) tłok-cylinder wodę słoną drugą (11) doprowadza się do modułu membranowego (3).

   PL 207 181 B1
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą ograniczników (R1, R2, R3) ciśnienia, umieszczonych w doprowadzeniach do zaworów dodatkowych (V2, V2', V5, V5'), steruje się maksymalnymi natężeniami przepływu przez zawory dodatkowe (V2, V2', V5, V5').
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że zawory dodatkowe (V2, V2', V5, V5') otwiera się tylko podczas otwierania lub zamykania równolegle do nich umieszczonego zaworu głównego (V1, V3, V4, V6)
7. 7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że sterowanie zaworów głównych (V1, V3, V4, V6) i dodatkowych (V2, V2', V5, V51) przeprowadza się tak, że zawory główne przełączają bezciśnieniowo.
8. 8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że nieustannie określa się chwilowe położenie tłoków (301,302).
9. 9. Urządzenie do przeprowadzania odsalania wody za pomocą odwrotnej osmozy, zwłaszcza wody morskiej, zawierające urządzenie wyrównywania ciśnienia pompę tłoczącą do doprowadzania wody słonej do urządzenia wyrównywania ciśnienia moduł membranowy do rozdzielenia wprowadzanej z urządzenia wyrównywania ciśnienia wody słonej na wodę odsoloną i słoną wodę stężoną pierwszą, przewody łączące będące podczas pracy stale pod ciśnieniem usytuowane pomiędzy modułem membranowym i urządzeniem wyrównywania ciśnienia do doprowadzania słonej wody stężonej pierwszej z modułu membranowego do urządzenia wyrównywania ciśnienia i do doprowadzania wody słonej pierwszej z urządzenia wyrównywania ciśnienia do modułu membranowego, sterowane zawory główne do doprowadzania słonej wody stężonej pierwszej do urządzenia wyrównywania ciśnienia i do odprowadzania słonej wody stężonej drugiej z urządzenia wyrównywania ciśnienia, zawory dodatkowe równoległe do zaworów głównych do zmniejszania szczytów obciążenia przy otwieraniu i/lub zamykaniu zaworów głównych, przy czym zawory dodatkowe otwiera się przynajmniej podczas otwierania lub zamykania odpowiednich umieszczonych równolegle do nich zaworów głównych, znamienne tym, że posiada ciśnieniowy zbiornik (P) na wysokociśnieniowym wejściu urządzenia (2) wyrównywania ciśnienia, poprzez które słona woda stężona pierwsza (13) jest wprowadzana z modułu membranowego (3), do wyrównywania wahań ciśnienia.
10. 10. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie (2) wyrównywania ciśnienia ma dwa pracujące przeciwfazowo urządzenia (401,402) tłok-cylinder, a ponadto tłoki (301,302) urządzeń (401,402) tłok-cylinder są ze sobą połączone tłoczyskiem (30).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że tłoczysko (30) napędzane jest za pomocą zespołu napędowego, jest to korzystnie napęd elektryczny.
12. 12. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że przekrój zaworów dodatkowych (V2, V2', V5, V5' jest mniejszy niż przekrój zaworów głównych (V1, V3, V4, V6).
13. 13. Urządzenie według zastrz. 8, znamienne tym, że urządzenie (2) wyrównywania ciśnienia ma wiele par urządzeń (401,402) tłok-cylinder połączonych tłoczyskiem (30), a pary te usytuowane są względem siebie do pracy przeciwfazowej.