SE447728B - Destillationsanordning for destillering av vetska innefattande ett membran - Google Patents

Description

ï-.Ita-V' ikh; . _ .ääiâg i 447 728 Z anordnad på avstånd från membranet, där mellan membranet och kondenssations- ytan en luftspalt fërefinns, vilken destillationsanordning vidare innefattar enheter för att leda den vätska som skall destilleras på den från luftspalten vända ytan av membranet och en enhet anordnad att leda en vätska, som är kal- lare än nämnda vätska, på den från luftspalten vända sidan av kondensations- ytan och utmärkes av att avståndet mellan nämnda membran och nämnda konden- sationsyta ligger i intervallet omkring 0.2 mm till omkring 1 mm och av att membranets tjocklek understiger omkring 0.5 mm.

Nedan beskrives uppfinningen närmare i samband med ett pâbïfogade ritning visat utföringsexempel av uppfinningen liksom i samband med vissa diagram, där - figur 1 visar en separationskasett schematiskt i ett vertikalt tvärsnitt - figur 2 visar i förstoring schematiskt ett membran och en plastfilm - figur 3-7 visar olika diagram beräknade enl. en nedan angiven beräknings- modell -figur 8 visar en del av ett snitt genom ett membran försett med en bärare - figur 9 visar en del av en planvy av ett membran sett från vänster i figur 8. l figur 1 visas schematiskt ett tvärsnitt av en destillationsenhet 1 inne- fattande ett poröst hydrofobt membran 2 genom vilket ånga kan passera men vilket förhindrar passage av vätska och en kondensationsyta som utgöres av en plastfilm 3 anordnad på avstånd från membranet. Mellan membranet 2 och plast- filmen 3 förefinns en luftspalt Ä vilken är försedd med en kanal 5 eller lik- nande för tillförsel av erforderlig luft såsom pilen 6 visar. I luftspaltens Å nedre ände förefinns en kanal 7 eller liknande för avledande av i luft- spalten kondenserat färskvatten, såsom pilen 8 visar. Membranet 2 och plast- filmen 3 kan vara upphängda i vilken som helst lämplig ramkonstruktíon 9,10 exempelvis medelst klämbackar 11-18.

På ena sidan av enheten 1 förefinns en enhet 19 för att leda den vätska som skall destilleras, såsom pilarna 20 utvisar, så att denna täcker membranets fràn:luftspalten_vända^sida.~ På den andra sidan av enheten 1 förefinns en enhet 21 för att leda en vätska, som är kallare än den vätska som skall destilleras, såsom pilarna 2? utvisar, ' såatt denna täcker plastfilmens från luftspalten vända sida.

Det ovan sagda är känt från nämnda svenska patent. Emellertid är det icke nödvändigt och i vissa fall inte önskvärt att arrangera dylika enheter w fifïïißffl, få 1,4 447 728 separata, eller i serie, där membranet 2 och plastfilmen är i huvudsak plana ytor. Istället kan membranet och plastfilmen vara rörformade och koncentriskt placerade i förhållande till varandra. Även andra dylika modifikationer kan tänkas. Sålunda kan föreliggande uppfinning tillämpas vid allehanda dylika konfigurationer av membran och plastfilm vilka är åtskilda av en luftspalt. Även om en mängd vätskor kan destilleras med den beskrivna anordningen och under utnyttjande av föreliggande uppfinning är anordningen främst avsedd för destillation av saltvatten för erhållande av sötvatten, varför detta tas som exempel nedan. l figur 2 visas endast det centrala partiet av den i figur 1 visade enheten i större skala. Membranet 2 är ett hydrofobt, poröst membran av lämpligt material,sâsom av TEFLON (reg. varumärke). En mängd dylika membran före- finns kommersiellt tillgängliga. I figur 2 visas en idealiserad por 23.

Anordningens funktion är att saltvatten 20, vilket är uppvärmt, strömmar vid membranet 2 varvid vattenånga diffunderar, såsom pilen ZÅ antyder, genom porerna 23 medan saltvattnet i vätskeform icke kan passera beroende på yt- spänningen. Den genom porerna diffunderade vattenångan transporteras över luftspalten och kondenseras mot plastfilmen 3 vilken kyls av det kallare vattnet 22. Kondenserat vatten, färskvatten, uppsamlas och avleds genom kanalen 7.

Föreliggande uppfinning bygger på insikten att såväl anordningens kapacitet ggm erforderlig energiåtgång för att destillera saltvatten i väsentliQ'9rBd beror på geometriska parametrar hos destillationsenheten 1. Destillationsenheten 1 motsvarar den inledningsvis nämnda separationskasetten. Främst är det härvid membranets 2 tjocklek b och avståndet L mellan membranet 2 och plastfilmen 3 som har betydelse.

Enligt föreliggande uppfinning är avståndet L mellan nämnda membran och nämnda plastfilm omkring 0.2 till omkring 1 mm och membranets tjocklek understiger omkring 0.5 mm. När avståndet L ligger inom detta intervall samtidigt som ett membran med en tjocklek understígande 0.5 mm användes har det visat sig att produktionskapaciteten blir väsentligt högre samtidigt som energiförlusterna blir väsentligt lägre jämfört med om ett membran med större tjocklek, såsom ex.vis 2-3 mm används och/eller avståndet L antingen är större än 1 mm, t.ex. 2 mm, eller är mindre än 0.2 mm, t.ex. 0.05 mm.

.POORÃ QUALITY 447 728 Man har sålunda upptäckt dels att avståndet L har en övre gräns under vilken produktionskapaciteten ökar markant och en nedre gräns under vilken energi- förlusterna ökar markant dels att avståndet L påverkar produktionshastighet och energiförluster i särskilt hög grad när membrantjockleken understiger nämnda värde.

Ovan angivna intervaller ger både ett mycket bra produktionsresultat samtidigt som kostnaderna för tillförd energi är låga på grund av låga energiförluster.

De energiförluster som åsyftas är värmeledning genom membranet vilket kommen- teras närmare nedan. l figur 3 visas ett diagram där produktionskapaciteten eller massflödet (FLUK) är avsatt mot tjockleken b och där avståndet L är parameter. Diagrammet gäller vid en temperatur (Th) hos saltvattnet av 6U°C och en temperatur (TC) hos det kalla vattnet av ZOOC samt vid en relativ porarea hos membranet g = 0.8 samt ett värmeledningstal för membranet KM = 0.22 W/m2 - ÜK.

Av diagrammet framgår att produktionskapaciteten eller massflödet (FLUX) ökar väsentligt när avståndet L minskar och när tjockleken b minskar.

I figur 6 visas ett diagram med samma värden på storheterna Th, TC, g och Kn som nämnts ovan. Detta diagram avser värmeförluster (HEAT LOSS) orsakade av värmeledning genom membranet per kg destillerat saltvatten som funktion av avståndet L med tjockleken b som parameter. Av detta diagram framgår att värmeförlusterna ökar med ett minskande avstånd L.

Nämnda insikt föranledde att en teoretisk modell utarbetades, vilken kan beskrivas med följande två ekvationer, nämligen _5 1 l-xc N = 6.340 - - 1n( ) (1) lb/ d/T; + L/ /lg) l-xh LS 10-3 _ “h _ TC) H b/i v- i/íg (za) E = _ - (1 + 1.ln-in(-1fx~°).- ) (b/n - lä) + L/ /icl h (b/l/'ípn/ fi) där v = (k1_2/( ip- kairlat Th (2b) .sf sms 447 728 där kl_2 = raír - ;+ RPTFE (1 - dl (Zc) där kaif = 1.5 - io'3 fi' (za) i vilka ekvationer följande beteckningar är använda, nämligen b = membranets tjocklek (ml c = molkoncentration (mol/m3) fp ~ värmvlapniiivl (J/mal ' OK) D = diffusionskoefficient för en blandning av vattenånga och luft (m2/s) E = energiflödet genom membranet (J/mz ' S) Kaïr = termisk konduktivitet för luft (w/m2 - °k) för membranet (W/m2 ' °K) L = avståndet mellan membranet och plastfilmen (m) |l Il KM: N = molflöde genom membranet (mol/m2) Q = massflöde genom membranet (kg/m2 ' h) TC = den kalla vätskans temperatur (°K) Th = den varma " " (°K) XC = molfraktion vattenånga vid plastfilmen Xh = "_ " " membranet d = relativ porarea i membranet Genom att substituera molflödet N med massflödet Q i ekvation (l) ovan erhålles massflödet 1_x 1 c ln (3) Q = 4.1 - 1o'3 iii/n» /ïhi + L/ »fil Q i-xh Genom de ovan angivna formlerna kan beräkningar utföras avseende värmeförlus~ ter (E) och produktionskapacitet (Q) som funktion av avståndet L, tjockleken b, membranets relativa porarea, den varma vätskans resp. den kalla vätskans temperatur etc. Diagrammen i figurerna 3, Å, 5, 6 och 7 är beräknade enl. den ovan angivna modellen, vilken även medelst experiment delvis verifierats.

PQOR QUALÉY_ 447 728 'Diffusionsvägens längd är en signifikant faktor. Denna längd utgöres av mem- brantjockleken b och avståndet L. Graden av förångning ökar när diffusions- vägens längd minskar, såsom framgår av figur 3 och figur S.

I figur 5 är värdet på storheterna Th, TC, 4 och KM desamma som angivits för figur 3. Figur 3 gäller för membrantjockleken b = 0.2mm.

Ekvation (3) ovan innehåller två dominerande termer, nämligen en term som avser membranet, b/(o/TE), och en term som avser luftspalten L/fz.

Härav framgår att en förändring av den term som är minst inte påverkar mass- flödet om den andra termen är mycket större. Membranets tjocklek b påverkar därför inte massflödet nämnvärt så länge som avståndet L är stort, vilket ll framgår av figur 3, se kurvan L 5 mm.

Vad beträffar membrantjockleken b framgår det av figur 3 att en påtaglig ökning av massflödet inträffar då membrantjockleken b understiger ungefär 0.5 mm, samtidigt som avståndet L understiger 1 mm. _ Som nämnts ovan visar en jämförelse mellan figurerna 3 och 6 att ett kortare avstånd L medför att produktionskapaciten ökar men att även värmeförlusterna ökar. Eftersom värmeförlusterna är betydande är det väsentligt att dessa hålls nere med tanke på kostnaden för att membrandestillera saltvatten och i vissa fall med tanke på svårigheter att tillföra erforderlig värmeenergi till destillationsanordningen.

Värmeenerglbehovet utgör nämligen en stor del av driftskostnaden för en mem- brandestillationsanläggning. Tillförsel av värmeenergi erfordras både för förångning av saltvattnet och för att kompensera värmeförluster. Det är väsentligt att söka nedbringa värmeförluster på grund av värmeledning genom membranet dels därför att denna värmeenergi inte bidrager till förångning av saltvatten, dels därför att temperaturdifferensen över membranet minskar vilket i sin tur medför en minskad förångningsgrad, d.v.s. ett minskat mass- flöde genom membranet.

Figur 6 visar värmeförlusterna genom membranet som funktion av avståndet L med membrantjockleken b som parameter, Diagrammet gäller för samma värden på parametrarna Th, TC, d och KM som afigivits för figur 3" Av figur 6 framgår att värmeförlusterna ökar när avståndet L minskas. 447 728 Förvånande. var att konstatera att värmeförlusterna minskar när ett tunnare membran används, vilket illustreras i figur 6. Detta beror emellertid på det väsentligt ökade massflödet när tunnare membran används, såsom nämnts ovan i samband med figur 3.

Av figur 6 framgår vidare att värmeförlusterna genom membranet ökar markant då avståndet L understiger omkring 0.2 mm.

Figur 7 illustrerar även värmeförlusternasberoende av avståndet L för två olika membran med en relativ porarea o av 6.7 resp. 0.9. Av figur 7 framgår att ökningen av värmeförlusterna är markant när avståndet L understiger ungefär 0.2 mm för båda membranen.

På grund av den kraftiga ökningen av värmeförlusterna då avståndet L under- stiger omkring 0.2 mm skall avståndet av detta skäl överstiga 0.2 mm.

Ett annat skäl till att avståndet inte skall göras mindre är risken för att vattenbryggor då kan utbildas mellan membranet och plastfilmen. Skulle sådana vattenbryggor bildas ökar värmeförlusterna markant på grund av att vatten leder värme avsevärt bättre än luft. Vidare minskas därmed massflödet genom membranet, liksom att risken ökar för att membranets porer vattenfylls. Här- vid sker ingen destillering samtidigt som salt transporteras in med vattnet i destillatet.

Kommersiellt tillgängliga membran finns med högst varierande relativ porarea d, nämligen från 0-0.96, d.v.s. upp till att 96% av membranet utgörs av porer.

Härvid kan medelpordiametern vara 0.02-15 pm.

I figur 7 har storheterna Th, TC, a och KM samma värden som angivits för figur 3. Membrantjockleken är 0.2 mm. l figur Ä visas ett diagram över massflödet som funktion av den relativa por- arean g . I figur Ä har storheterna Th, TC och KM samma värden som angivits för figur 3. Membrantjockleken är 0.2 mm.

Som framgår av figur Ä ökar massflödet markant när den relativa porositeten o ökar, särskilt då avståndet L understiger omkring 1 mm. Anledningen till att värmeförlusterna är lägre för ett membran med större relativ porarea, se figur 7, är det ökade massflöde som erhålles när porositeten är större.

Enligt en föredragen utföringsform har nämnda membran en relativ porarea v som överstiger 0.7 och företrädesvis 0.8. En dylik porarea förstärker 447 728 ytterligare de ovan relaterade sambanden mellan massflöde, d.v.s. produktions- kapacitet, värmeförluster, avståndet L och membrantjockleken b, såsom framgår ovan och av figurerna Å och 7. l figur 5 visas ett diagram över massflödet som funktion av avståndet L där saltvattnets temperatur Th är parameter. Storheterna TC, d och KM har de i samband med figur 3 angivna värdena och membrantjockleken är 0.2 mm.

Av figur 5 framgår att en markantökning av massflödet inträffar när avståndet L understiger ungefär 1 mm, där ökningen blir större för en högre temperatur hos saltvattnet.

Såsom ovan nämnts är en hög relativ porarea att föredraga. Emellertid blir vid en ökad porarea membranets hållfasthet lägre. Detta utgör ett problem särskilt i kombination med att.en smal luftspalt skall upprätthållas. Enligt en föredragen utföringsform, se figur 8 och 9, är därför membranet 2 försett med en bärare såsom exempelvis på membranet lagda fibrer 25, ex.vis plast- fibrer, vilka kan vara oordnat eller ordnat pålagda på membranet och vilka fibrer har en diameter som motsvarar det önskade avståndet L. Den med bärare försedda ytan av membranet är vänd mot nämnda kondensationsyta.

Istället för fibrer ZÅ kan ett nät eller annan bärare fästas vid membranet vilken bärares tjocklek i en riktning vinkelrätt mot membranets yta motsvarar det önskade avståndet L. Dylika modifikationer anses innefattade i upp- finningen..Genom denna utföringsform erhålles således ett starkt membran även om den relativa porarean är hög samtidigt som fibrerna eller bäraren utgör distansorgan för att upprätthålla luftspalten. I figur 8 antyds kondensationsytan med en streckad linje 25.

Det är således tydligt att föreliggande uppfinning anvisar en väg att både erhålla en hög produktion och låga värmeförluster, varför föreliggande upp- finning utgör ett väsentligt framsteg i membrandestillationstekníken. _ ._~.<.n.- _ .--i -'> :-

Claims (3)

447 728 Patentkrav

1. Destillationsanordning avsedd för destillering av en vätska, främst vatten innefattande en destíllationsenhet vilken innefattar dels ett poröst hydrofobt membran genom vilket ånga kan passera men vilket förhindrar passage av vätska, dels en kondensationsyta anordnad på avstånd från membranet, där mellan membranet och kondensationsytan en luftspalt förefinns, vilken des- tillationsanordning vidare innefattar enheter för att leda den vätska som skall destilleras på den från luftspalten vända ytan av membranet och en enhet anordnad att leda en vätska, som är kallare än nämnda vätska, på den från luftspalten vända sidan av kondensationsytan, k ä n n e t e c k n a d a v, att avståndet (L) mellan nämnda membran (2) och nämnda kondensations- yta (3) ligger i intervallet omkring 0.2 mm till omkring l mm och av att membranets (2) tjocklek (b) understiger omkring 0¿5 mm.

2. Destillationsanordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d a v, att nämnda membran har en relativ porarea (4) överstigande 0.7 och före- trädesvis överstigande 0.8.

3. Destillationsanordning enl. krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v, att membranet (2) är försett med en bärare, såsom fibrer (ZH), på dess ena yta vilken bärare har en tjocklek vinkelrätt mot membranets yta som motsvarar nämnda avstånd (L) och av att den med bärare försedda ytan är vänd mot nämnda kondensationsyta. POOR' » _ _, .,, . t