PL218585B1

PL218585B1 - Sposób zatężania roztworów i układ do zatężania roztworów

Info

Publication number: PL218585B1
Application number: PL392962A
Authority: PL
Inventors: Marek Gryta
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2010-11-16
Filing date: 2010-11-16
Publication date: 2015-01-30
Also published as: PL392962A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zatężania roztworów i układ do zatężania roztworów wykorzystujący osmotyczną destylację membranową. Rozwiązanie znajduje zastosowanie zwłaszcza do zatężania roztworów wrażliwych na podwyższoną temperaturę.

Popularnym sposobem zatężania roztworów jest odparowanie z nich rozpuszczalnika, zazwyczaj wody. Odparowanie wymaga dostarczenia dużej ilości energii, stąd zatężane roztwory są intensywnie ogrzewane na przykład parą wodną w wyparkach lub wymiennikach ciepła. W takim przypadku temperatura powierzchni grzejnej może być o kilkadziesiąt stopni wyższa od temperatury roztworu. Następstwem tego jest przegrzewanie roztworu w warstwie przyściennej, co w przypadku roztworów wrażliwych na wysokie temperatury powoduje ich degradację. Do zatężania takich roztworów jak soki owocowe, antybiotyki znane są bezpieczne dla roztworów metody odparowania membranowego, do których należy osmotyczną destylacja membranowa. Metody te przedstawiono w patentach USA 4781837 i USA 5824223. W osmotycznej destylacji membranowej temperatury roztworów przepływających po obu stronach membrany są takie same, z reguły zbliżone do temperatury otoczenia. Siłę napędową transportu masy (różnicę prężności pary) w OMD uzyskuje się stosując po stronie destylatu roztwory osmotyczne o niskiej prężności pary, na przykład stężone roztwory soli, jak NaCl czy CaCl2. Lotne składniki roztworu zatężanego, jak woda, odparowują przez porowatą membranę i są pochłaniane w roztworze osmotycznym. Taki układ do działania nie wymaga podgrzewania roztworu zatężanego. Jednak, w trakcie procesu wskutek pochłaniania wody następuje rozcieńczanie roztworu osmotycznego, co powoduje systematyczne zmniejszanie siły napędowej procesu. Jej utrzymanie wymusza wprowadzenie dodatkowego procesu, to jest zatężania roztworu osmotycznego. Do tego celu z reguły proponuje się zastosować wyparki, takie rozwiązanie opisane jest w patencie USA 5824223. W efekcie, kompleksowo rozważany proces OMD także wymaga dostarczenia znacznych ilości ciepła, które są zużywane do odparowania wody podczas regeneracji roztworu osmotycznego. Ponadto, w module membranowym wskutek przemian fazowych, to jest odparowania roztworu zatężanego i skraplania pary w roztworze osmotycznym, w warstwie przymembranowej temperatura roztworu zatężanego zmniejsza się, a osmotycznego rośnie. Prowadzi to do niekorzystnych zmian wartości prężności pary nad tymi roztworami, co powoduje dodatkową redukcję siły napędowej procesu OMD.

Sposób zatężania roztworów według wynalazku polegający na osmotycznej destylacji membranowej charakteryzuje się tym, że roztwór osmotyczny podgrzewa sie na zewnątrz modułu membranowego do temperatury wyższej od temperatury roztworu zatężanego, a następnie kieruje się go do modułu membranowego, w którym przepływając wzdłuż powierzchni membran podgrzewa zatężany roztwór i jednocześnie pochłania wydzielaną z niego parę wodną. Roztwór osmotyczny podgrzewa się w wyparce usytuowanej pomiędzy modułem membranowym a zbiornikiem roztworu osmotycznego. Podgrzewa się go tak, aby na wlocie do modułu membranowego miał temperaturę o 3-15°C wyższą od temperatury wpływającego do modułu roztworu zatężanego. Wyparka pełni w tym przypadku dwie funkcje równocześnie - następuje w niej regeneracja roztworu osmotycznego i jednocześnie dostarcza ona energii do odparowania roztworu zatężanego. Chłodniejszy roztwór zatężany odparowuje do cieplejszego roztworu osmotycznego, ale o niższej prężności pary, a zużywana na odparowanie energia jest pobierana z roztworu osmotycznego i dostarczana do zatężanego roztworu metodą przewodzenia ciepła przez membrany. Powstające ubytki ciepła są uzupełniane przez wyparkę. Roztwór zatężany podaje się do modułu membranowego tak, aby przepływał wewnątrz membran kapilarnych z prędkością liniową w zakresie 0,15 - 0,31 m/s. Jako roztwór osmotyczny stosuje się nasycony roztwór NaCl lub CaCl2. Stosuje się polipropylenowe membrany kapilarne.

Układ do zatężania roztworów zawierający zbiornik zatężanego roztworu, moduł membranowy zbiornik roztworu osmotycznego, wyparkę, pompę charakteryzuje się tym, że ma wyparkę usytuowaną pomiędzy pionowo ustawionym kapilarnym modułem membranowym a zbiornikiem roztworu osmotycznego. Wylot roztworu z wyparki połączony jest z wejściem do modułu membranowego, którego jedno wyjście połączone jest ze zbiornikiem roztworu osmotycznego a drugie ze zbiornikiem roztworu zatężanego. Zbiornik roztworu osmotycznego poprzez pompę połączony jest z wyparką, zaś zbiornik roztworu zatężanego poprzez pompę połączony jest z dolnym wlotem do modułu membranowego.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zwiększenie wydajności poprzez prowadzenie w procesie odparowania membranowego jednoczesnego i mało intensywnego nagrzewania w module membranowym i pobieranie ciepła z solanki o temperaturze wyższej od zatężanego roztworu. Dzięki

PL 218 585 B1 rozwiązaniu według wynalazku nie tracimy ciepła na podgrzewanie całej masy roztworu, podgrzewając roztwór tylko w tej warstwie gdzie odparowuje.

Rozwiązanie według wynalazku zostało przedstawione w przykładach wykonania i na rysunku na którym przedstawiono schemat układu.

P r z y k ł a d I

Układ zawiera zbiornik roztworu zatężanego 2, którego wylot połączony jest poprzez pompę 5 z dolnym wlotem do modułu membranowego 1. Moduł membranowy 1, o konstrukcji zbliżonej do płaszczowo-rurkowego wymiennika ciepła, składa się z 12 polipropylenowych membran kapilarnych, o średnicy 1,8/2,6 mm i rozmiarze porów 0,22 mikrometra, które umieszczono w rurowej obudowie o długości czynnej 28 cm. Górny wylot z modułu membranowego 1 połączony jest ze zbiornikiem roztworu zatężanego 2, a drugi górny wylot połączony jest ze zbiornikiem roztworu osmotycznego 3. Pomiędzy modułem membranowym 1, a zbiornikiem roztworu osmotycznego 3 znajduje się wyparka 4. Wylot roztworu z wyparki 4 połączony jest z dolnym wejściem do modułu membranowego 1. Zbiornik roztworu osmotycznego 3 poprzez pompę 5 połączony jest z wyparką 4, zaś zbiornik roztworu zatężanego 2 poprzez pompę 5 połączony jest z dolnym wlotem do modułu membranowego 1. Zatężany 1% roztwór sacharozy pompą perystaltyczną 5 podawano do wnętrza membran kapilarnych. Pomiędzy membranami przepływał nasycony roztwór soli NaCl (roztwór osmotyczny OSM). Stan nasycenia utrzymywano stosując nadmiar soli, która nierozpuszczona zalegała na dnie zbiornika roztworu osmotycznego. Roztwór osmotyczny po opuszczeniu modułu przepływał przez szklaną wężownicę zamontowaną w obudowie, którą wypełniała gorąca woda tłoczona z termostatu. Na wlocie i wylocie z modułu membranowego 1 umieszczono termometry rtęciowe (dokładność +/- 0,1 K). Stężenie soli analizowano metodą konduktometryczną, na podstawie krzywej wzorcowej. Każdy z pomiarów procesu zatężania prowadzono przynajmniej przez kilkadziesiąt minut, a ilość odparowanej wody określano uzupełniając do stałego poziomu wodę w zbiorniku roztworu zatężanego (nadawa - N). Uzyskaną wartość przeliczano 32 jako dm wody odparowanej przez 1 m membran w ciągu godziny [dm³/m²h].

Czas [min]	Tosm wej [K]	Tosm wyj [K]	Tn wej [K]	Tn wyj [K]	N [dm³/m²h]
40	28	27,65	23,0	23,8	0,045
90	28	27,8	24,45	24,55	0,124
150	28	27,8	25,0	25,1	0,222
180	28	27,8	25,2	25,3	0,267
210	28	27,8	25,5	25,6	0,289
300	28	27,8	25,8	25,8	0,372
375	28	27,8	25,8	25,8	0,374
405	28	27,8	25,9	25,95	0,386

P r z y k ł a d II

Zastosowano instalację opisaną w przykładzie I. Temperaturę nasyconego roztworu NaCl (roztwór osmotyczny - OSM) podwyższono do 55°C.

Czas [min]	Tosm wej [K]	Tosm wyj [K]	Tn wej [K]	T n wyj [K]	N [dm³/m²h]
5	53	50,2	46	46,4
25	53,5	52	48,4	48,4	0,226
40	55	53,3	48,5	48,7
52	55	53,3	48,7	48,75	0,284
87	55	53,3	48,7	48,75	0,341

PL 218 585 B1

P r z y k ł a d III

Zastosowano instalację opisaną w przykładzie I. Temperaturę roztworu osmotycznego ustalono na 52,7°C. Pomiary przeprowadzono dla trzech różnych prędkości przepływu roztworu zatężanego.

Czas [min]	Tosm wej [K]	Tosm wyj [K]	Tn wej [K]	Tn wyj [K]	N [dm³/m²h]
Vn = 0,31m/s
82	52,6	52,6	60	58,5	0,076
122	52,7	52,7	60	58,5	0,081
Vn = 0,21m/s
150	52,7	52,7	60	58,5	0,218
230	52,7	52,7	60	58,5	0,218
Vn = 0,18m/s
250	52,7	52,6	60	58,5	0,342
290	522	52,6	60	58,5	0,341
Vn = 0,15m/s
300	52,7	52,7	60	58,5	0,243
390	52,7	52,7	60	58,5	0,189

P r z y k ł a d IV

Zastosowano instalację opisana w przykładzie I, z tą różnicą, że roztwór osmotyczny sporządzono z CaCl2, którego 1 dm nalano do zbiornika otwartego (zlewki) umieszczonego w termostatowanej kąpieli wodnej. W takim układzie roztwór był nagrzewany oraz jednocześnie odparowywano z niego wodę (utrzymywano nasycenie roztworu).

Czas [min]	Tosm wej [K]	Tosm wyj [K]	Tn wej [K]	Tn wyj [K]	N [dm³/m²h]
45	80	78	62,2	63,2	3,15
95	81	78,5	71,4	72,9	5,37
140	83	81,3	76,4	78,4	7,06

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zatężania roztworów polegający na osmotycznej destylacji membranowej, znamienny tym, że roztwór osmotyczny podgrzewa się na zewnątrz modułu membranowego do temperatury wyższej od temperatury roztworu zatężanego następnie kieruje się go do modułu membranowego, w którym przepływając wzdłuż powierzchni membran podgrzewa zatężany roztwór i jednocześnie pochłania wydzielaną z niego parę wodną.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór osmotyczny podgrzewa się w wyparce usytuowanej pomiędzy modułem membranowym a zbiornikiem roztworu osmotycznego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór osmotyczny podgrzewa się tak, aby na wlocie do modułu membranowego miał temperaturę o 3-15°C wyższą od temperatury wpływającego do modułu roztworu zatężanego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że roztwór zatężany podaje się do modułu membranowego tak, aby przepływał wewnątrz membran kapilarnych z prędkością liniową w zakresie 0,15 - 0,31 m/s.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako roztwór osmotyczny stosuje się nasycony roztwór NaCl lub CaCl2.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się polipropylenowe membrany kapilarne.

PL 218 585 B1
7. Układ do zatężania roztworów zawierający zbiornik zatężanego roztworu, moduł membranowy, zbiornik roztworu osmotycznego, wyparkę, pompę znamienny tym, że ma wyparkę (4) usytuowaną pomiędzy pionowo ustawionym kapilarnym modułem membranowym (1) a zbiornikiem roztworu osmotycznego (3).
8. Układ według zastrz. 7, znamienny tym, że wylot roztworu z wyparki (3) połączony jest z wejściem do modułu membranowego (1), którego wyjście połączone jest ze zbiornikiem roztworu osmotycznego (3), który poprzez pompę (5) połączony jest z wyparką, zaś zbiornik roztworu zatężanego (2) poprzez pompę (5) połączony jest z dolnym wlotem do modułu membranowego (1).