PL230009B1 - Sposób zapobiegania powstawaniu osadu z przesyconego roztworu w instalacji membranowej oraz układ do osmotycznej destylacji membranowej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zapobiegania powstawaniu osadu z przesyconego roztworu w instalacji membranowej oraz układ do osmotycznej destylacji membranowej. Wynalazek ma zastosowanie do procesu osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki metodą odparowania naturalnego.

Stężone solanki (roztwory osmotycznej pochłaniają wilgoć z powietrza, co pozwoliło zastosować je jako środek odwadniający w osmotycznej destylacji membranowej (OMD), której zasady przedstawiono w patencie USA 4781837. Siłę napędową transportu masy (różnicę prężności pary) w OMD uzyskuje się stosując na przykład stężone roztwory NaCl lub CaCl2 (patenty USA 6569341 i USA 5824223). 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 OMD. Jej utrzymanie wymusza wprowadzenie dodatkowego procesu, to jest zatężania roztworu osmotycznego. Do tego celu z reguły proponuje się zastosować termiczne zatężanie roztworu osmotycznego w wyparkach, jak w patencie USA 5824223. W efekcie, kompleksowo rozważany proces OMD wymaga dostarczenia znacznych ilości ciepła, które jest zużywane do odparowania wody podczas regeneracji roztworu osmotycznego. Ponadto, zawracany z instalacji wyparnej zatężony roztwór osmotyczny przed wpłynięciem do instalacji OMD musi być schłodzony w wymiennikach ciepła, przynajmniej do temperatury roztworu zatężanego, co powoduje dodatkowe straty energii. Kolejnym problemem jest fakt, że wskutek przemian fazowych (to jest odparowania roztworu zatężanego i skraplania pary w roztworze osmotycznym) 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. Powyższe wady ograniczono lub wyeliminowano realizując sposób i układ przedstawiony w patencie PL 208051. W tym rozwiązaniu bliskie nasyceniu stężenie solanki uzyskano odparowując wodę w sposób naturalny z powierzchni złoża (pierścienie Białeckiego) zraszanego rozcieńczoną solanką. Niestety okazało się, że układ pracuje tak efektywnie, że uzyskuje się stany przesycenia i w przypadku obecności drobnych stałych zanieczyszczeń (inicjatory krystalizacji) oraz nadmiaru siarczanów w solance, na powierzchniach przewodów wewnątrz instalacji membranowej krystalizują duże ilości soli, co poważnie utrudnia eksploatację instalacji OMD. Problem ten rozwiązano stosując sposób według wynalazku.

Sposób zapobiegania powstawaniu osadu z przesyconego roztworu w instalacji membranowej, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że przesycenie soli powstające podczas regeneracji roztworu osmotycznego rozładowuje się prowadząc krystalizację heterogeniczną na powierzchni krystalizatora siatkowego, zamontowanego na wlocie solanki do instalacji membranowej, a nadmiar powstających osadów usuwa się poddając krystalizator siatkowy okresowemu działaniu ultradźwięków. Częstotliwość i okres oddziaływania ultradźwięków określa się poprzez wskazania ciśnienia tłoczenia solanki mierzone za pompą tłoczącą roztwór osmotyczny do układu membranowego. Krystalizator siatkowy poddaje się działaniu ultradźwięków, gdy stwierdzi się istotny dla procesu albo dla danego modułu membranowego spadek wartości ciśnienia tłoczenia roztworu osmotycznego do czasu, kiedy odzyska się właściwą wartości ciśnienia tłoczenia roztworu osmotycznego. Można także krystalizator siatkowy cyklicznie poddać działaniu ultradźwięków, co najmniej przez jedną minutę co 5 godzin. Stosuje się krystalizator siatkowy z siatek poliamidowych o rozmiarze oczek 100 mikrometrów.

Układ do osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki metodą odparowania naturalnego według wynalazku, zawierający moduł OMD, zbiorniki, pompę, pierścienie Białeckiego, charakteryzuje się tym, że ma, usytuowany w pobliżu krystalizatora siatkowego, emiter ultradźwięków, połączony z przetwornikiem ciśnienia tłoczenia, który połączony jest z czujnikiem ciśnienia, umieszczonym za zespołem pompowym, w obiegu roztworu osmotycznego. Krystalizator siatkowy ma siatki poliamidowe o rozmiarze oczek 100 mikrometrów.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania i na rysunku, który przedstawia schematycznie układ do osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki metodą odparowania naturalnego według wynalazku. Przykład pierwszy jest przykładem porównawczym, w którym proces prowadzono z różnymi krystalizatorami i bez ultradźwięków.

PL 230 009 B1

P r z y k ł a d 1

Do badań zastosowano instalację składającą się z ustawionego pionowo kapilarnego modułu membranowego 1, do którego podłączono dwa obiegi wodne, roztworu zatężanego i osmotycznego, każdy składający się z pompy wirowej 3, 11 oraz zbiornika. Zbiornik roztworu zatężanego 2 miał objętość 5 dm³ oraz układ pomiarowy (biureta) pozwalający zmierzyć występujące w nim ubytki cieczy z dokładnością do 0,5 ml. Polipropylenowy zbiornik roztworu osmotycznego 9 miał wysokość 28 cm, szerokość równą 27 cm oraz długość 40 cm. Przed wylotem ze zbiornika, przy jego dnie zamontowano cylindryczny krystalizator siatkowy 10, o średnicy 14 mm i powierzchni 50 cm², wykonany z siatki poliamidowej o rozmiarach oczek 100 mikrometrów. Temperatury cieczy w instalacji mierzono termometrem elektronicznym, z dokładnością do 0,1°C. Natężenie przepływu roztworu osmotycznego mierzono zamontowanym w instalacji rotametrem 15, podobnie mierzono przepływ nadawy. Moduł kapilarny OMD 1 wykonano z membran polipropylenowych Accurel PP V8/2 HF (Membrana, Niemcy). Porowatość całkowita membran wynosiła około 73%, średni rozmiar porów 0,2 μm, a grubość ścianki 1,5 mm. Średnica zewnętrzna kapilar wynosiła 8,6 mm. W obudowie rurowej, o średnicy 25 mm, zamontowano 4 kapilary o długość 67 cm. Membrany kapilarne przełożono przez oczka 4 siatek mieszających, które rozmieszczono, w odstępach 15 cm, wzdłuż obudowy modułu. Strumienie przepływały przez moduł współprądowo (od dołu ku górze), roztwór osmotyczny na zewnątrz kapilar. Natężenie przepływu strumieni, w przeliczeniu na 1 m² zamontowanych membran, wynosiło 0,82 kg/s m² (roztwór zatężany) i 1,65 kg/s m² (roztwór osmotyczny). Do przygotowania roztworu osmotycznego zastosowano handlową sól kamienną z kopalni soli w Kłodawie. Roztworem zatężanym (nadawą) był roztwór 50 g NaCl/l (POCh, czda + woda destylowana). W trakcie badań przebiegu procesu OMD instalacja doświadczalna pracowała w sposób ciągły. Do pomiaru stężenia jonów w badanych roztworach zastosowano chromatograf jonowy IC 850 Professional firmy Metrohm (Szwajcaria). Oznaczony skład początkowy roztworu osmotycznego był następujący: 190,86g/l CF’, 119,83 g/l Na+, 1,16 g/l SO4²’, 736,46 mg/l Ca²+, 19,19 mg/l Br’ oraz 14,4 mg/l NO3’.

Po 16 h pracy instalacji stwierdzono, że przepływ solanki praktycznie ustał, ciśnienie tłoczenia zmniejszyło się z 0,036 do 0,005 MPa, a powodem tego była krystalizacja soli na powierzchni siatek krystalizatora 10 zamontowanego na wlocie roztworu osmotycznego do pompy 11. Na powierzchni pierścieni Białeckiego obecności kryształów soli nie stwierdzono. Oznaczony skład roztworu osmotycznego był następujący: 195,82 g/l’ 122,60 g/l Na+, 1,15g/l SO4²’, 671,24 mg/l Ca²+, 18,7 mg/l Br’, 191,4 mg/l K+ oraz 16,4 mg/l NO3’. Badania składu (metodą chromatografii IC) osadu zebranego z powierzchni siatki krystalizatora wykazały, że na ich powierzchni krystalizowała mieszanina soli NaCl i CaSO4.

Mechaniczne oczyszczenie osadu z siatki przywróciło normalną pracę pompy, a ciśnienie tłoczenia powróciło do wartości 0,036 MPa. Wewnątrz instalacji membranowej nie stwierdzono krystalizacji soli.

Następnie wymieniono krystalizator siatkowy 10, montując większy o średnicy 15 mm i powierzchni 120 cm² oraz o 100 mikrometrowych rozmiarach oczek siatki poliamidowej. W efekcie podobnie jak poprzednio, po 16 h pracy instalacji cała powierzchnia siatki pokryta była krystalicznym osadem. W rezultacie, przepływ solanki praktycznie ustał, ciśnienie tłoczenia zmniejszyło się z 0,036 do 0,005 MPa.

Następnie wymieniono krystalizator siatkowy na wykonany z siatki polipropylenowej o rozmiarach oczek 2 mm. Siatkę kilkakrotnie nawinięto na perforowaną rurę o średnicy /cala i długości 20 cm. Po 16 h pracy instalacji na powierzchni siatki nie było krystalicznych osadów, które jednak były widoczne na wewnętrznej powierzchni rotametru 15. Ciśnienie tłoczenia zmniejszyło się z 0,036 do 0,02 MPa, a pompa wydawała niepokojące odgłosy. Po wypłukaniu obiegu solanki wodą destylowaną odzyskano prawidłową pracę pompy.

Następnie zdemontowano krystalizator 10 i proces kontynuowano. Po 20 h procesu ciśnienie tłoczenia zmniejszyło się do 0,015 MPa, a zwiększony hałas i rodzaj odgłosów pracującej pompy wskazywały na krystalizację soli w jej wnętrzu. Obrosty krystaliczne obserwowano także wewnątrz rotametru 15. Objawy te ustąpiły po wypłukaniu obiegu solanki wodą destylowaną. Po wymianie wody na solankę i zamontowaniu czystego krystalizatora siatkowego (o średnicy 14 mm, powierzchni 50 cm² oraz rozmiarach oczek w siatce poliamidowej wynoszących 100 mikrometrów) instalacja pracowała poprawnie przez kolejne 16 h, do czasu pokrycia powierzchni siatki kryształami soli.

P r z y k ł a d 2

Zastosowano instalację i parametry jak w przykładzie 1, z krystalizatorem siatkowym o średnicy 14 mm, powierzchni 50 cm² oraz rozmiarach oczek w siatce 100 mikrometrów. Dodatkowo w zbiorniku

PL 230 009 B1 roztworu osmotycznego pod krystalizatorem zamontowano sondę ultradźwiękową 8, o mocy 400 W. Podobnie jak poprzednio po okresie 16 h stwierdzono, że powierzchnia siatki krystalizatora była całkowicie pokryta krystalicznym osadem, co spowodowało brak przepływu solanki. Włączono sondę ultradźwiękową 8 i poddano krystalizator działaniu ultradźwięków przez 2 minuty. Spowodowało to całkowite oczyszczenie powierzchni siatki, co przywróciło prawidłową pracę pompy wirowej i ciśnienie tłoczenia solanki powróciło do wartości 0,035 MPa. Po kolejnych 15 h pracy instalacji powierzchnia filtra ponownie była zanieczyszczona i proces ustał. Włączono sondę na 1 minutę, uzyskując ponownie całkowite oczyszczenie powierzchni krystalizatora.

P r z y k ł a d 3

Zastosowano instalację i parametry jak w przykładzie 2. Sondę ultradźwiękową podłączono do włącznika czasowego. Nastawiono co 5 godzin uruchamiany 1 minutowy okres pracy sondy. Po okresie 30 h instalacja pracowała nadal poprawnie, a ciśnienie tłoczenia wynosiło 0,035 MPa.

P r z y k ł a d 4

Zastosowano instalację i parametry jak w przykład 2. Sondę ultradźwiękową podłączono do przetwornika ciśnienia 13 połączonego z manometrem 14. Uruchomiono instalację i uzyskano wartość ciśnienia tłoczenia solanki 0,035 MPa. Następnie włączono sterowanie 13 zasilaniem sondy ultradźwiękowej 8. Jako sygnał włączający zasilanie sondy nastawiono spadek ciśnienia do 0,02 MPa (co odpowiadało dolnej wartości korzystnego przepływu dla użytego modułu OMD), natomiast wyłączenie zas ilania sondy następowało, gdy ciśnienie tłoczenia przekraczało wartość 0,033 MPa. Podczas kilku dni bezproblemowej eksploatacji instalacji membranowej zaobserwowano, że sonda włączała się kilkakrotnie na okres od kilkunastu do kilkudziesięciu sekund.

Claims (6)

1. Sposób zapobiegania powstawaniu osadu z przesyconego roztworu w instalacji membranowej do procesu osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki metodą odparowania naturalnego, znamienny tym, że przesycenie soli powstające podczas regeneracji roztworu osmotycznego rozładowuje się prowadząc krystalizację heterogeniczną na powierzchni krystalizatora siatkowego, zamontowanego na wlocie solanki do instalacji membranowej, a nadmiar osadów powstających na powierzchni siatki krystalizatora usuwa się poddając krystalizator siatkowy okresowemu działaniu ultradźwięków.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że krystalizator siatkowy poddaje się działaniu ultradźwięków, gdy stwierdzi się istotny dla procesu albo dla konstrukcji danego modułu membranowego spadek wartości ciśnienia tłoczenia roztworu osmotycznego do czasu kiedy odzyska się właściwą wartość ciśnienia tłoczenia roztworu osmotycznego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że krystalizator siatkowy poddaje się działaniu ultradźwięków co najmniej przez jedną minutę co 5 godzin.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się krystalizator siatkowy z siatek poliamidowych o rozmiarze oczek 100 mikrometrów.

5. Układ do osmotycznej destylacji membranowej z regeneracją solanki metodą odparowania naturalnego, zawierający moduł OMD, zbiorniki, pompę, pierścienie Białeckiego, znamienny tym, że ma usytuowany w pobliżu krystalizatora siatkowego 10, emiter ultradźwięków 8, połączony z przetwornikiem 13 ciśnienia tłoczenia, który połączony jest z czujnikiem ciśnienia 14, umieszczonym za zespołem pompowym 11, w obiegu roztworu osmotycznego.

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, krystalizator siatkowy 10 ma siatki poliamidowe o rozmiarze oczek 100 mikrometrów.