WO2015024805A1 - Membrantrennverfahren - Google Patents

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WO2015024805A1
WO2015024805A1 PCT/EP2014/067153 EP2014067153W WO2015024805A1 WO 2015024805 A1 WO2015024805 A1 WO 2015024805A1 EP 2014067153 W EP2014067153 W EP 2014067153W WO 2015024805 A1 WO2015024805 A1 WO 2015024805A1
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WO
WIPO (PCT)
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stream
drum
feed stream
retentate
cylinders
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/067153
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Raff Metz
Frieder Dornseifer
Wojciech GOLEMBIEWSKI
Andreas Wieland
Tony Markham
Original Assignee
Ksb Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2015024805A1 publication Critical patent/WO2015024805A1/de

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B01D61/06—Energy recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B1/00—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders
    • F04B1/12—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F04B1/20—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having rotary cylinder block
    • F04B1/22—Multi-cylinder machines or pumps characterised by number or arrangement of cylinders having cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having rotary cylinder block having two or more sets of cylinders or pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/24—Specific pressurizing or depressurizing means
    • B01D2313/246—Energy recovery means

Definitions

  • the invention relates to a process for the treatment of a liquid, in which a feed stream is separated into a permeate stream and a retentate stream in at least one membrane module, and a device for conveying a liquid in a membrane separation process.
  • the liquid may be, for example, a solution in which substances, for example salts, are dissolved or finely distributed.
  • a treatment of liquids is necessary.
  • Membrane separation processes are particularly advantageous, since they manage without heating and are usually more favorable in terms of energy than thermal separation processes.
  • a membrane module is fed to a feed stream, which is divided into a retentate stream and a permeate stream.
  • the retentate stream is retained by the membrane during the separation process.
  • the permeate stream passes through the membrane.
  • Membrane separation has established itself in food technology, biotechnology and pharmacy, among others. Depending on the type of membranes used, the selective separation of individual substances or certain substance mixtures is possible. A distinction is made between the membrane separation processes according to the driving force that underlies the separation.
  • the present invention relates to pressure-driven processes. An arrangement leads the feed stream to a membrane module. The assembly builds up a pressure in front of a semipermeable membrane. By selecting the membrane, the size of the retained substances can be adjusted. Depending on the size of the retained molecules, a distinction is made between microfiltration, ultrafiltration, nanofiltra- tion and reverse osmosis.
  • the method according to the invention and the device according to the invention for carrying out a reverse osmosis, in particular for desalination of seawater prove to be particularly favorable.
  • the liquid is pressurized above the osmotic pressure, water molecules diffuse through the membrane while retaining the dissolved salts.
  • the salt solution is concentrated, which is called retentate, while on the other hand low-salt drinking water is obtained, which is referred to as permeate.
  • an arrangement designed as a high-pressure pump conveys seawater to reverse osmosis modules (RO modules). Due to its high energy content in the form of pressure energy, the retentate is passed into an arrangement designed as a two-chamber pressure exchanger.
  • RO modules reverse osmosis modules
  • the retentate is passed into an arrangement designed as a two-chamber pressure exchanger.
  • displaceable separating piston are arranged under pressure, forming a separation between each acted differently with pressure spaces. The pressure of
  • Retentate acts on a piston located in the first tube chamber.
  • the pressure of the retentate is transferred to a low-pressure feed stream located in the tube chamber to the left of the piston.
  • This left of the piston feed flow flows to a separate booster pump.
  • the booster pump compensates for the pressure drop that occurs during the osmotic cleaning process in the membrane modules.
  • the booster pump only has to generate the pressure difference that is lost within the reverse osmosis modules.
  • a special fitting for switching fluid paths for the pressure exchanger is used.
  • Such conventional methods of treating a liquid by means of a membrane separation process include a high pressure pump as an arrangement for supplying the feed stream to the membrane module and a separate pressure exchanger as an arrangement for energy recovery from the retentate stream. There is also one
  • Booster pump is required, which is connected after the pressure exchanger and compensates for the pressure loss in the membrane module.
  • DE 1 03 27 401 A1 describes a process for seawater desalination in which a multi-stage first centrifugal pump is used as a high-pressure pump and a second centrifugal pump designed for large liquid quantities is used. Furthermore, in this method for energy recovery, a separate pressure exchanger is required, which is connected via corresponding piping with a pumping device or with a likewise separate valve for switching fluid paths.
  • DE 1 0 2004 029 231 A1 describes a process for desalination of seawater, in which a high-pressure pump, a booster pump and a pressure exchanger system are used, with several switching valves controlling the liquid flows. Conventional seawater desalination processes use a large number of components which require complex piping with costly connections and require a large amount of space.
  • the object of the invention is to provide a membrane separation process that manages with possible lent few components. This should reduce the required piping.
  • the process should be characterized by high energy efficiency.
  • the products obtained should have a high purity.
  • the system according to the invention is intended to occupy as small a space as possible and thereby also be usable, for example, on ships, in hotels, in industrial plants or as a mobile compact installation in disaster areas.
  • a compact structural unit is used in which an arrangement for conveying the feed stream and an arrangement for energy recovery from the retentate stream is integrated.
  • the device comprises both an arrangement for feeding the feed stream to the membrane module and the arrangement for recovering energy from the retentate stream.
  • each arrangement comprises a drum with cylinders.
  • the electric motor is arranged outside the structural unit.
  • the two drums are arranged on a shaft assembly and thereby rotatably connected to each other.
  • In the cylinders are axially displaceably arranged piston.
  • the retentate stream flows into the pistons of the first drums and shifts them. This will set the drum in rotation.
  • the rotational movement is transmitted via the shaft to the second drum.
  • the pistons are axially displaced in the cylinders and promote the feed flow.
  • some of the pistons draw in the feed stream, other pistons push out the feed stream.
  • the position of the pistons changes such that they undergo a suction phase and a Ausdrückphase.
  • the retentate stream enters the device at a high pressure and leaves the device at a lower pressure.
  • the feed stream occurs at a low pressure into the device and leaves the device at a higher pressure.
  • the device according to the invention transfers pressure from the retentate stream to the feed stream.
  • the two arrangements in the device each have a fixed inclined disc.
  • the pistons are connected with sliding shoes, which slide on a swirling motion of the drums on the swash plates.
  • the swash plates ensure that the pistons assume different positions.
  • the surfaces of the sliding shoes facing the swash plates consist at least partially of plastics based on polyaryl ether ketones. These are high-strength thermoplastics. Polyetheretherketone (PEEK) is preferably used here. These plastics allow a medium-lubricated sliding of the rotating shoes on the fixed swash plates.
  • PEEK Polyetheretherketone
  • part of the retentate stream or part of the feed stream is used for greasing in gaps between stationary and moving parts.
  • This medium-lubricated device for conveying the liquid to the membrane module ensures a high degree of purity without causing contamination by oil or other lubricants. This plays an important role in the production of drinking water, pharmaceutical products or food.
  • the device has a distributor block, which has a feed flow inlet, a feed flow outlet, a
  • Retentatstromeingang and a Retentatstromausgang has. It proves to be particularly advantageous if the distributor block is formed in one piece.
  • the openings of the cylinders of both drums are directed to the manifold block.
  • the manifold block is positioned between the feedstream delivery assembly and the energy recovery assembly from the retentate stream and connects both assemblies into a package.
  • the distribution block forms the central building part, which distributes the liquid streams. Both the retentate stream and the feed stream both flow into and out of the manifold block.
  • a respective control disc is arranged between the distributor block and each drum.
  • Each control disk has an inlet opening and an outlet opening. Through this, the feed stream or the retentate flow into the cylinder of the rotating drum.
  • the openings are preferably arcuate and / or kidney-shaped.
  • the rotating cylinders move past the inlet opening and fill with the respective liquid. Then they get to the discharge opening, where the liquid is forced out of the cylinders.
  • the distributor block preferably has four chambers which are spatially separated from one another.
  • the manifold block has a centrally located opening through which the shaft passes.
  • the chambers are arranged around this central opening.
  • the device has channels, which leads to the supply of a portion of the feed stream or a portion of the retentate into the gaps between fixed and moving components.
  • These channels can also be designed as bores.
  • the channels may have a round or angular cross-section.
  • This medium lubricated device is suitable in particular for the production of pure drinking water, of medicines or foods.
  • FIG. 1 shows a schematic of a process for seawater desalination
  • FIG. 2 shows a perspective view of a device for conveying a liquid in seawater desalination
  • FIG. 3 shows an axial section of the device according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a method for seawater desalination. From a reservoir 1 is seawater as feed stream 2 to a
  • Membrane module 3 promoted.
  • the membrane module 3 has a semipermeable membrane 4, which separates the feed stream 2 into a permeate stream 5 and a retentate stream 6.
  • the permeate stream 2 in the exemplary embodiment is drinking water.
  • a reverse osmosis takes place in the membrane module 3.
  • the pressure in the membrane module 3 in front of the semipermeable membrane 4 is higher than the osmotic pressure.
  • the feed stream flows via a backing pump 7 to a device 8.
  • a device 8 This is shown in Figure 2 as a perspective view.
  • the device 8 is designed as a compact unit.
  • an arrangement 9 for energy recovery from the retentate stream and an arrangement 10 for feeding the feed stream 2 is integrated.
  • the central component of the device 8 is the distributor block 1 1, which is positioned between the two assemblies 9, 10.
  • the rod-like elements 12 By means of rod-like elements 12, the comfort Compact assembly consisting of the two assemblies 9 and 10 and the manifold block 1 1 held together.
  • the rod-like elements 1 2 are designed as rods with a round cross-section.
  • the rod-like elements 1 2 have a fastening means 13 at at least one end.
  • the fastening means 13 are designed as nuts with an internal thread, which are screwed onto external threads of the rod-like elements 12 and thereby brace the assemblies 9, 10 and the manifold block 1 1 into one unit.
  • the device 8 further comprises an electric motor 14 which according to the invention is connected outside the compact unit via a shaft end.
  • the electric motor 14 is in communication with a frequency converter.
  • the distributor block 1 1 is designed as one piece in the embodiment.
  • the distributor block 1 1 has an inlet opening 15 for the feed stream and an inlet opening 16 for the retentate stream.
  • the distributor block 1 1 is designed cuboid.
  • On the opposite side of the inlet opening 15 for the feed stream 2 is the outlet opening for the feed stream 2, which is not shown in the figures.
  • On the opposite side of the inlet opening 16 for the retentate 6 is the outlet opening 17, which can be seen in Figure 3.
  • FIG. 3 shows that the energy recovery assembly 9 from the retentate stream comprises a drum 18 with cylinders 19 arranged along a circular circumference. In the cylinders 19, pistons 20 are arranged. Each piston 20 is connected to a sliding shoe 21. Each slide shoe 21 has surfaces 22 facing a swash plate 23. The surfaces 22 are made of polyetheretherketone (PEEK). The material allows a medium lubrication by a portion of the retentate 6 between the slant plate 23 and the shoes 21st
  • PEEK polyetheretherketone
  • the swash plate 23 is fixedly arranged on a limiting component 24.
  • the limiting component 24 has a cuboidal profile and has in its center a bore into which a cylinder-like component 25 is inserted.
  • the limiting component 24 has holes through which the rod-like elements 1 2 protrude.
  • control disk 27 is arranged between the manifold block 1 1 and the drum 18, a control disk 27 is arranged.
  • the control disk 27 has an arcuate opening 28.
  • the drum 18 together with the cylinder 19 rotates.
  • the cylinders 19, which communicate with the arcuate opening 28 of the control disk 27, are filled with retentate stream 6, which flows in through the opening 16.
  • the rotational movement of the drum 1 8 is transmitted via the shaft assembly 26 directly to a drum 30, without another component, is connected in between ..
  • the electric motor is connected outside the compact unit.
  • the drum 30 is rotatably connected to the shaft assembly 26.
  • the drum 30 has cylinders 31 arranged along a circular circumference.
  • pistons 32 are mounted axially displaceable.
  • the openings of the cylinders 19, 31 of both drums 1 8, 30 are directed to the manifold block 1 1.
  • the manifold block 1 1 has four spatially separated chambers.
  • the chambers are spatially separated from each other, so that there is no mixing between the streams . It proves to be advantageous if each chamber has an inlet opening and an outlet opening for the respective stream, wherein two of the chambers each have an opening which faces the cylinders 19 of a drum 18 and two chambers each have an opening which the cylinders 31 of the other drum 30 have.
  • the distribution block 1 1 has a centrally disposed opening through which the shaft assembly 26 extends.
  • the spatially sealed chambers of the distributor block 1 1 are arranged around this central opening.
  • Each piston 32 is connected to a shoe 33.
  • the sliding shoes 33 have surfaces 34, which point to a swash plate 35.
  • the surfaces 34 are made of polyetheretherketone (PEEK). The material allows medium lubrication by the feed flow between the stationary parts and the moving parts.
  • the swash plate 35 is fixed and connected to a limiting member 36.
  • the limiting member 36 has a disk-shaped profile and an opening in its center, through which a cylinder-like member 37 is inserted. Within this cylindrical member 37, the shaft assembly 26 extends. The end of the shaft assembly 26 has a connection for the electric motor 14.
  • the drum 18 is set in motion by the retentate stream 6. About the
  • Wave assembly 26 the rotational movement is transmitted to the drum 30.
  • the pistons 32 move in the cylinders 31 of the drum 30 and convey the feed stream 2.
  • the feed stream enters the distributor block through an opening 16.
  • a control disk 38 is arranged between the manifold block 1 1 and the drum 30.
  • the control disk 38 has an arcuate inlet opening and an arcuate outlet opening, which can not be seen in the section shown in FIG.
  • the inlet openings and outlet openings of the control disk 38 are offset by 90 ° relative to the inlet openings 28 and outlet openings 29 of the control disk 27. Through the inlet opening of the control disk 38th the feed stream flows into the cylinders 31 of the drum 30.
  • the feed stream 2 is sucked in through an opening movement of the pistons 32.
  • the drum 30 with the cylinders 31 continues to rotate.
  • the feed stream 2 is forced out of the cylinders 31 by means of the pistons 32.
  • the retentate stream 6 enters the device 8 at a high pressure and leaves the device 8 at a lower pressure.
  • the feed stream 2 enters the device 8 at a low pressure and leaves the device 8 at a higher pressure.
  • the device 8 according to the invention transfers pressure from the retentate stream 6 to the feed stream 2.
  • the electric motor 14 supplies via the shaft assembly 26, the energy that is lost, inter alia, due to the pressure loss in the membrane modules 3.
  • the device has channels, partly also in the form of bores, through which a part of the retentate stream 6 or a part of the feed stream 2 is led to gaps between stationary and moving components, for example between the fixed oblique letters 23, 35 and the surfaces 22, 34 the sliding shoes 21, 33.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit. In mindestens einem Membranmodul (3) wird ein Feedstrom (2) in einen Permeatstrom (5) und einen Retentatstrom (6) getrennt. Erfindungsgemäß durchströmt zumindest ein Teil des Retentatstroms (6) und ein Teil des Feedstroms (2) eine Baueinheit. In der Baueinheit verschiebt der Retentatstrom (6) Kolben (20) in Zylindern (19) einer ersten Trommel (18). Die Drehbewegung der ersten Trommel (18) wird über eine Wellenanordnung (26) auf eine zweite Trommel (30) übertragen. Die zweite Trommel (30) verschiebt Kolben (32) in Zylindern (31) zur Förderung des Feedstroms (2).

Description

Beschreibung
Membrantrennverfahren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit, bei dem in mindestens einem Membranmodul ein Feedstrom in einen Permeatstrom und einen Retentatstrom getrennt wird, sowie eine Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit in einem Membrantrennverfahren.
Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um eine Lösung handeln, in der Stoffe, beispielsweise Salze, gelöst beziehungsweise fein verteilt sind. Zur Herstellung von zahlreichen Produkten ist eine Aufbereitung von Flüssigkeiten notwendig. Membrantrennverfahren sind insbesondere vorteilhaft, da sie ohne erhitzen auskommen und meist energetisch günstiger sind als thermische Trennverfahren. Einem Membranmodul wird dazu ein Feedstrom zugeführt, der in einen Retentatstrom und einen Permeatstrom aufgeteilt wird. Der Retentatstrom wird beim Trennprozess von der Membran zurückgehalten. Der Permeatstrom tritt durch die Membran.
Die Separation mittels Membranverfahren hat sich unter anderem in der Lebensmitteltechnologie, der Biotechnologie und der Pharmazie etabliert. Je nach Art der verwendeten Membranen ist die selektive Trennung einzelner Stoffe oder bestimmter Stoffgemi- sehe möglich. Man unterscheidet die Membrantrennverfahren nach der treibenden Kraft, die der Trennung zugrunde liegt. Die vorliegende Erfindung betrifft druckgetriebene Prozesse. Eine Anordnung führt den Feedstrom zu einem Membranmodul. Dabei baut die Anordnung einen Druck vor einer semipermeablen Membran auf. Über die Auswahl der Membran lässt sich die Größe der zurückgehaltenen Stoffe einstellen. Je nach Größe der zurückgehaltenen Moleküle unterscheidet man zwischen Mikrofiltration, Ultrafiltration, Nanofilt- ration und Umkehrosmose.
Als besonders günstig erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfin- dungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer Umkehrosmose, insbesondere zur Meerwasserentsalzung. Wird die Flüssigkeit mit einem Druck beaufschlagt, der oberhalb des osmotischen Drucks liegt, diffundieren Wassermoleküle durch die Membran, während die gelösten Salze zurückgehalten werden. Somit wird auf der einen Seite die Salzlösung aufkonzentriert, die als Retentat bezeichnet wird, während auf der anderen Seite salzarmes Trinkwasser gewonnen wird, das als Permeat bezeichnet wird.
In der DE 10 2004 002 547 A1 fördert eine als Hochdruckpumpe ausgeführte Anordnung Meerwasser zu Reverse-Osmose-Modulen (RO-Modulen). Infolge seines hohen Energiegehalts in Form von Druckenergie wird das Retentat in eine als Zweikammer- Drucktauscher ausgeführte Anordnung geleitet. In deren Rohrkammern sind unter Druckeinfluss verschiebbare Trennkolben angeordnet, die eine Trennung zwischen jeweils unterschiedlich mit Druck beaufschlagten Räumen bilden. Der Druck des
Retentats wirkt auf einen in der ersten Rohrkammer befindlichen Kolben. Dabei wird der Druck des Retentats auf ein in der Rohrkammer links des Kolbens befindlichen druck- armen Feedstrom übertragen. Dieser links des Kolbens befindliche Feedstrom fließt einer separaten Boosterpumpe zu. Mithilfe der Boosterpumpe wird der Druckabfall kompensiert, der beim osmotischen Reinigungsprozess in den Membranmodulen auftritt. Die Boosterpumpe muss infolge der Energierückgewinnung nur noch die Druckdifferenz erzeugen, die innerhalb der Reverse-Osmosemodule verloren geht. Bei der DE 10 2004 002 547 A1 kommt eine spezielle Armatur zum Umschalten von Fluidwegen für den Drucktauscher zum Einsatz. Solche herkömmlichen Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit mittels eines Membrantrennprozesses umfassen eine Hochdruckpumpe als Anordnung zur Zuführung des Feedstroms zu dem Membranmodul und einen separaten Drucktauscher als Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom. Zudem ist eine
Boosterpumpe erforderlich, die nach dem Drucktauscher geschaltet ist und den Druckverlust in dem Membranmodul ausgleicht.
Die DE 1 03 27 401 A1 beschreibt ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung, bei dem eine mehrstufige erste Kreiselpumpe als Hochdruckpumpe und eine für große Flüssig- keitsmengen ausgelegte zweite Kreiselpumpe zum Einsatz kommt. Weiterhin ist bei diesem Verfahren zur Energierückgewinnung ein separater Drucktauscher erforderlich, der über entsprechende Rohrleitungen mit einer Pumpvorrichtung beziehungsweise mit einer ebenfalls separaten Armatur zum Umschalten von Fluidwegen verbunden ist. Die DE 1 0 2004 029 231 A1 beschreibt ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung, bei dem eine Hochdruckpumpe, eine Boosterpumpe und ein Drucktauschersystem zum Einsatz kommen, wobei mehrere Umschaltarmaturen die Flüssigkeitsströmungen steuern. Bei herkömmlichen Verfahren zur Meerwasserentsalzung kommt eine hohe Anzahl an Komponenten zum Einsatz, die eine aufwendige Verrohrung mit kostspieligen Anschlüssen erfordern und einen hohen Platzbedarf haben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Membrantrennverfahren anzugeben, das mit mög- liehst wenigen Komponenten auskommt. Dadurch soll die erforderliche Verrohrung reduziert werden. Das Verfahren soll sich durch eine hohe Energieeffizienz auszeichnen. Die gewonnenen Produkte sollen eine hohe Reinheit aufweisen. Das erfindungsgemäße System soll einen möglichst geringen Platzbedarf einnehmen und dadurch auch beispielsweise auf Schiffen, in Hotels, in Industrieanlagen oder als mobile Kompaktanlage in Katastrophengebieten einsetzbar sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Teil des Retentatstroms und zumindest ein Teil des Feedstroms eine Baueinheit durchströmen, in der der Retentatstrom Kolben in Zylindern einer ersten Trommel verschiebt und die Drehbewegung der ersten Trommel über eine Wellenanordnung unmittelbar auf eine zweite Trommel übertragen wird, wobei die zweite Trommel Kolben in Zylindern zur Förderung des Feedstroms verschiebt. Die Drehbewegung wird unmittelbar mittels einer Wellenanordnung von der ersten Trommel auf die zweite Trommel übertragen, ohne dass ein weiteres Bauteil dazwischen geschaltet ist, beispielsweise ein Elektromotor. Erfindungsgemäß wird eine kompakte Baueinheit eingesetzt in der eine Anordnung zur Förderung des Feedstroms und eine Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom integriert ist. Somit umfasst die Vorrichtung sowohl eine Anordnung zur Zuführung des Feedstroms zum Membranmodul als auch die Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom. Erfindungsgemäß weist jede Anordnung eine Trommel mit Zylindern auf.
Über einen Elektromotor kann zusätzlich Energie zugeführt werden. Erfindungsgemäß ist der Elektromotor außerhalb der Baueinheit angeordnet. Die beiden Trommeln sind auf einer Wellenanordnung angeordnet und dadurch drehfest miteinander verbunden. In den Zylindern befinden sich axial verschiebbar angeordnete Kolben. Der Retentatstrom strömt in die Kolben der ersten Trommeln und verschiebt diese. Dadurch wird die Trommel in Rotation versetzt. Die Drehbewegung wird über die Welle auf die zweite Trommel übertragen. Durch die Drehbewegung der zweiten Trommel werden die Kolben in deren Zylindern axial verschoben und fördern den Feedstrom. Während ein Teil der Kolben den Feedstrom ansaugt, drücken andere Kolben den Feedstrom heraus. Während eines Zyklus ändert sich die Stellung der Kolben derart, dass diese eine Ansaugphase und eine Ausdrückphase durchlaufen. Der Retentatstrom tritt mit einem hohen Druck in die Vorrichtung ein und verlässt die Vorrichtung mit einem niedrigeren Druck. Der Feedstrom tritt mit einem niedrigen Druck in die Vorrichtung ein und verlässt die Vorrichtung mit einem höheren Druck. Die erfindungsgemäße Vorrichtung überträgt Druck vom Retentatstrom auf den Feedstrom.
Die beiden Anordnungen in der Vorrichtung weisen jeweils eine feststehende Schräg- Scheibe auf. Die Kolben sind mit Gleitschuhen verbunden, die bei einer Drehbewegung der Trommeln auf den Schrägscheiben gleiten. Die Schrägscheiben sorgen dafür, dass die Kolben unterschiedliche Stellungen einnehmen.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung bestehen die zu den Schrägscheiben weisenden Flächen der Gleitschuhe zumindest teilweise aus Kunststoffen auf Basis von Polyaryletherketonen. Dabei handelt es sich um hochfeste thermoplastische Kunststoffe. Vorzugsweise kommt dabei Polyetheretherketon (PEEK) zum Einsatz. Diese Kunststoffe ermöglichen ein mediumgeschmiertes Gleiten der rotierenden Gleitschuhe auf den feststehenden Schrägscheiben.
Erfindungsgemäß wird ein Teil des Retentatstroms beziehungsweise ein Teil des Feedstroms zum Schmieren in Spalten zwischen feststehenden und bewegten Teilen eingesetzt. Diese mediumsgeschmierte Vorrichtung zur Förderung der Flüssigkeit zu dem Membranmodul gewährleistet eine hohe Reinheit, ohne dass es zu Verschmut- zungen durch Öl oder andere Schmierstoffe kommt. Dies spielt sowohl für die Erzeugung von Trinkwasser, pharmazeutischen Produkten oder Lebensmitteln eine bedeutende Rolle.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Verteilerblock auf, der einen Feedstromeingang, einen Feedstromausgang, einen
Retentatstromeingang und einen Retentatstromausgang aufweist. Dabei erweist es sich als besonders günstig, wenn der Verteilerblock einstückig ausgebildet ist. Die Öffnungen der Zylinder beider Trommeln sind zu dem Verteilerblock gerichtet. Der Verteilerblock ist zwischen der Anordnung zur Förderung des Feedstroms und der Anordnung zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom positioniert und verbindet beide Anordnungen zu einer Baueinheit. Der Verteilerblock bildet das zentrale Bau- teil, welches die Flüssigkeitsströme verteilt. Sowohl der Retentatstrom als auch der Feedstrom strömen beide in den Verteilerblock ein und aus.
Vorzugsweise ist zwischen dem Verteilerblock und jeder Trommel jeweils eine Steuer- Scheibe angeordnet. Jede Steuerscheibe weist eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung auf. Durch diese fließen der Feedstrom beziehungsweise der Retentatstrom in die Zylinder der rotierenden Trommel.
Die Öffnungen sind vorzugsweise bogenförmig und/oder nierenförmig ausgebildet. Die rotierenden Zylinder bewegen sich an der Einströmöffnung vorbei und füllen sich mit der jeweiligen Flüssigkeit. Dann gelangen sie zu der Ausströmöffnung, bei der die Flüssigkeit aus den Zylindern herausgedrückt wird.
Vorzugsweise weist der Verteilerblock vier von einander räumlich getrennte Kammern auf. Eine Kammer für den einströmenden Retentatstrom, eine Kammer für den ausströmenden Retentatstrom, eine Kammer für den einströmenden Feedstrom und eine Kammer für den ausströmenden Feedstrom. Dabei erweist es sich als günstig, wenn jede Kammer eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung für den jeweiligen Strom aufweist, wobei zwei der Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylin- dem der einen Trommel weisen und zwei Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern der anderen Trommel weisen.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Verteilerblock eine mittig angeordnete Öffnung auf, durch welche die Welle verläuft. Die Kammern sind um diese mittige Öffnung angeordnet.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist die Vorrichtung Kanäle auf, die zur Zuführung eines Teils des Feedstroms beziehungsweise eines Teils des Retentatstroms in die Spalte zwischen feststehenden und bewegten Bauteilen führt. Diese Kanäle können auch als Bohrungen ausgeführt sein. Die Kanäle können einen runden oder eckigen Querschnitt haben. Diese mediumsgeschmierte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Erzeugung von reinem Trinkwasser, von Arznei- oder Lebensmitteln.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst. Dabei zeigt:
Figur 1 ein Schema eines Verfahrens zur Meerwasserentsalzung, Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Förderung einer Flüssigkeit bei der Meerwasserentsalzung,
Figur 3 einen Axialschnitt der Vorrichtung gemäß Figur 2. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Meerwasserentsalzung. Aus einem Reservoir 1 wird Meerwasser als Feedstrom 2 zu einem
Membranmodul 3 gefördert. Das Membranmodul 3 weist eine semipermeable Membran 4 auf, welche den Feedstrom 2 in einen Permeatstrom 5 und einen Retentatstrom 6 trennt. Bei dem Permeatstrom 2 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Trinkwas- ser. Bei dem Retentatstrom 6 um aufkonzentriertes Meerwasser.
In dem Membranmodul 3 findet eine Umkehrosmose (RO-Reverse Osmosis) statt. Der Druck in dem Membranmodul 3 vor der semipermeable Membran 4 ist höher als der osmotische Druck.
Der Feedstrom strömt über eine Vorpumpe 7 zu einer Vorrichtung 8. Diese ist in Figur 2 als perspektivische Darstellung gezeigt. Die Vorrichtung 8 ist als kompakte Baueinheit ausgeführt. In der Baueinheit ist eine Anordnung 9 zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom und eine Anordnung 10 zur Zuführung des Feedstroms 2 integriert.
Zentrales Bauteil der Vorrichtung 8 ist der Verteilerblock 1 1 , der zwischen den beiden Anordnungen 9, 10 positioniert ist. Mithilfe von stabartigen Elementen 12 wird die kom- pakte Baueinheit bestehend aus den beiden Anordnungen 9 und 10 und dem Verteilerblock 1 1 zusammengehalten. Im Ausführungsbeispiel sind die stabartigen Elemente 1 2 als Stangen mit einem runden Querschnitt ausgeführt. Die stabartigen Elemente 1 2 weisen an mindestens einem Ende ein Befestigungsmittel 13 auf. Im Ausführungsbei- spiel sind die Befestigungsmittel 13 als Muttern mit einem Innengewinde ausgeführt, die auf Außengewinde der stabartigen Elemente 12 aufgeschraubt werden und dadurch die Anordnungen 9, 10 und den Verteilerblock 1 1 zu einer Einheit verspannen.
Die Vorrichtung 8 umfasst weiterhin einen Elektromotor 14, der erfindungsgemäß au- ßerhalb der kompakten Baueinheit über ein Wellenende angeschlossen ist. Der Elektromotor 14 steht mit einem Frequenzumwandler in Verbindung.
Der Verteilerblock 1 1 ist im Ausführungsbeispiel als einstückig ausgeführt. Der Verteilerblock 1 1 weist eine Eintrittsöffnung 1 5 für den Feedstrom und eine Eintrittsöffnung 16 für den Retentatstrom auf. Der Verteilerblock 1 1 ist quaderförmig ausgeführt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Eintrittsöffnung 15 für den Feedstrom 2 befindet sich die Austrittsöffnung für den Feedstrom 2, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite der Eintrittsöffnung 16 für den Retentatstrom 6 befindet sich die Austrittsöffnung 17, die in Figur 3 zu erkennen ist.
Figur 3 zeigt, dass die Anordnung 9 zur Energierückgewinnung aus dem Retentatstrom eine Trommel 18 mit Zylindern 19 aufweist, die entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sind. In den Zylindern 19 sind Kolben 20 angeordnet. Jeder Kolben 20 ist mit einem Gleitschuh 21 verbunden. Jeder Gleitschuh 21 hat Flächen 22, die zu einer Schrägscheibe 23 weisen. Die Flächen 22 sind aus Polyetheretherketon (PEEK). Der Werkstoff ermöglicht eine Mediumschmierung durch einen Teil des Retentatstroms 6 zwischen der Schrägsscheibe 23 und den Gleitschuhen 21 .
Die Schrägscheibe 23 ist feststehend an einem begrenzenden Bauteil 24 angeordnet. Das begrenzende Bauteil 24 hat ein quaderförmiges Profil und weist in seiner Mitte eine Bohrung auf, in die ein zylinderartiges Bauteil 25 eingefügt ist. Das begrenzende Bauteil 24 weist Bohrungen auf, durch welche die stabartigen Elemente 1 2 ragen. Durch die Eintrittsöffnung 16 fließt der Retentatstrom 6 in die Zylinder 19 der Trommel 18. Dadurch werden die Kolben 20 axial verschoben. Dies führt zu einer Drehbewegung der Trommel 18. Die Trommel 18 ist drehfest mit einer Wellenanordnung 26 verbunden. Im Ausführungsbeispiel besteht die Wellenanordnung 26 aus mehreren Elementen.
Zwischen dem Verteilerblock 1 1 und der Trommel 18 ist eine Steuerscheibe 27 angeordnet. Die Steuerscheibe 27 weist eine bogenförmige Öffnung 28 auf. Die Trommel 18 samt der Zylinder 19 dreht sich. Die Zylinder 19, welche mit der bogenförmigen Öffnung 28 der Steuerscheibe 27 in Verbindung stehen, werden mit Retentatstrom 6 befüllt, der durch die Öffnung 16 einströmt.
Aus den Zylindern 19, welche mit einer bogenförmigen Austrittsöffnung 29 der Steuerscheibe 27 in Verbindung stehen, strömt der Retentatstrom 6 aus. Der Retentatstrom 6 treibt die Trommel 18 an.
Die Drehbewegung der Trommel 1 8 wird über die Wellenanordnung 26 unmittelbar auf eine Trommel 30 übertragen, ohne dass ein weiteres Bauteil, dazwischen geschaltet ist.. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Elektromotor außerhalb der kompakten Baueinheit angeschlossen.
Die Trommel 30 ist drehfest mit der Wellenanordnung 26 verbunden. Die Trommel 30 weist Zylinder 31 auf, die entlang eines kreisförmigen Umfangs angeordnet sind. In den Zylindern 31 sind Kolben 32 axial verschieblich gelagert. Die Öffnungen der Zylinder 19, 31 beider Trommeln 1 8, 30 sind zu dem Verteilerblock 1 1 gerichtet.
Vorzugsweise weist der Verteilerblock 1 1 vier von einander räumlich getrennte Kammern auf. Eine Kammer für den einströmenden Retentatstrom 6, eine Kammer für den ausströmenden Retentatstrom 6, eine Kammer für den einströmenden Feedstrom 2 und eine Kammer für den ausströmenden Feedstrom 2. Die Kammern sind räumlich von einander getrennt, so dass es zu keiner Vermischung zwischen den Strömen kommt. Dabei erweist es sich als günstig, wenn jede Kammer eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung für den jeweiligen Strom aufweist, wobei zwei der Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern 19 der einen Trommel 18 weisen und zwei Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern 31 der anderen Trommel 30 weisen.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Verteilerblock 1 1 eine mittig angeordnete Öffnung auf, durch welche die Wellenanordnung 26 verläuft. Die räumlich abgeschlossenen Kammern des Verteilerblocks 1 1 sind um diese mittige Öffnung an- geordnet.
Jeder Kolben 32 ist mit einem Gleitschuh 33 verbunden. Die Gleitschuhe 33 weisen Flächen 34 auf, welche zu einer Schrägscheibe 35 weisen. Die Flächen 34 sind aus Polyetheretherketon (PEEK). Der Werkstoff ermöglicht eine Mediumschmierung durch den Feedstrom zwischen den stillstehenden Teilen und den bewegten Teilen.
Die Schrägscheibe 35 ist feststehend und mit einem begrenzenden Bauteil 36 verbunden. Das begrenzende Bauteil 36 weist in scheibenförmiges Profil und eine Öffnung in seiner Mitte auf, durch die ein zylinderartiges Bauteil 37 eingefügt ist. Innerhalb dieses zylinderartigen Bauteils 37 verläuft die Wellenanordnung 26. Das Ende der Wellenanordnung 26 weist einen Anschluss für den Elektromotor 14 auf.
Die Trommel 18 wird von dem Retentatstrom 6 in Bewegung versetzt. Über die
Welleanordnung 26 wird die Drehbewegung auf die Trommel 30 übertragen. Durch die Drehbewegung der Trommel 30 bewegen sich die Kolben 32 in den Zylindern 31 der Trommel 30 und fördern den Feedstrom 2. Durch eine Öffnung 16 tritt der Feedstrom in den Verteilerblock ein. Zwischen dem Verteilerblock 1 1 und der Trommel 30 ist eine Steuerscheibe 38 angeordnet. Die Steuerscheibe 38 weist eine bogenförmige Eintrittsöffnung und eine bogenförmige Austrittsöffnung auf, die in dem in Figur 3 dargestellten Schnitt nicht zu erkennen sind. Die Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen der Steuerscheibe 38 sind um 90° gegenüber den Eintrittsöffnungen 28 und Austrittsöffnungen 29 der Steuerscheibe 27 versetzt. Durch die Eintrittsöffnung der Steuerscheibe 38 strömt der Feedstrom in die Zylinder 31 der Trommel 30. Durch eine Öffnungsbewegung der Kolben 32 wird der Feedstrom 2 dabei angesaugt. Die Trommel 30 mit den Zylindern 31 dreht sich weiter. Durch die Zylinder 31 , die mit der Austrittsöffnung der Steuerscheibe 38 in Verbindung stehen, wird der Feedstrom 2 aus den Zylindern 31 mittels der Kolben 32 herausgedrückt.
Der Retentatstrom 6 tritt mit einem hohen Druck in die Vorrichtung 8 ein und verlässt die Vorrichtung 8 mit einem niedrigeren Druck. Der Feedstrom 2 tritt mit einem niedrigen Druck in die Vorrichtung 8 ein und verlässt die Vorrichtung 8 mit einem höheren Druck. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 8 überträgt Druck vom Retentatstrom 6 auf den Feedstrom 2.
Der Elektromotor 14 führt über die Wellenanordnung 26 die Energie zu, die unter anderem aufgrund des Druckverlusts in den Membranmodulen 3 verloren geht.
Die Vorrichtung weist Kanäle auf, teilweise auch in Form von Bohrungen, durch die ein Teil des Retentatstroms 6 beziehungsweise ein Teil des Feedstroms 2 zu Spalten zwischen feststehenden und bewegten Bauteilen geführt wird, beispielsweise zwischen den feststehenden Schrägschreiben 23, 35 und den Flächen 22, 34 der Gleitschuhe 21 , 33.

Claims

Patentansprüche Membrantrennverfahren
1 . Verfahren zur Aufbereitung einer Flüssigkeit, bei dem in mindestens einem
Membranmodul (3) ein Feedstrom (2) in einen Permeatstrom (5) und einen Retentatstrom (6) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Retentatstroms (6) und zumindest ein Teil des Feed- stroms (2) eine Baueinheit durchströmen, in der der Retentatstrom (6) Kolben (20) in Zylindern (19) einer ersten Trommel (1 8) verschiebt und die Drehbewegung der ersten Trommel (18) über eine Wellenanordnung (26) unmittelbar auf eine zweite Trommel (30) übertragen wird, wobei die zweite Trommel (30) Kolben (32) in Zylindern (31 ) zur Förderung des Feedstroms (2) verschiebt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Druck vom
Retentatstrom (6) auf den Feedstrom (2) übertragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (20, 32) mit Gleitschuhen (21 , 33) verbunden sind, die bei der Drehbewegung der Trommeln (18, 30) auf Schrägscheiben (23, 35) gleiten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedstrom (2) und der Retentatstrom (6) in einen Verteilerblock (1 1 ) einströmen und aus diesem Verteilerblock (1 1 ) ausströmen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feedstrom (2) und/oder der Retentatstrom (6) durch Öffnungen (28) in Steuerscheiben (27, 38) in die Zylinder (19, 31 ) der rotierenden Trommeln (18, 30) einströmen und/oder aus Öffnungen (29) in Steuerscheiben (27, 38) aus den Zylindern (19, 31 ) der rotierenden Trommeln (18, 30) ausströmen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Spalte zwischen feststehenden und bewegten Bauteilen vom Feedstrom (2) und/oder Retentatstrom (6) geschmiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des
Feedstroms (2) und/oder ein Teil des Retentatstroms (6) über Kanäle in die Spalte geleitet werden.
8. Vorrichtung (8) zur Förderung einer Flüssigkeit in einem Membrantrennverfahren mit einer Anordnung (1 0) zur Zuführung des Feedstroms (2) zu einem
Membranmodul (3) und einer Anordnung (9) zur Energierückgewinnung aus einem Retentatstrom (6), dadurch gekennzeichnet, dass beide Anordnungen in einer Baueinheit angeordnet sind und jede Anordnung (9, 10) eine Trommel (18, 30) mit Zylindern (19, 31 ) aufweist, die unmittelbar miteinander über eine Wellenanordnung (26) verbunden sind und in den Zylindern (1 9, 31 ) Kolben (20, 32) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anordnung (9, 10) eine Schrägscheibe (23, 35) aufweist und die Kolben (20, 32) mit Gleitschuhen (21 , 33) verbunden sind, die eine zu einer Schrägscheibe (23, 35) weisende Fläche (22, 34) aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (22, 34) zumindest teilweise aus Kunststoffen auf Basis von Polyaryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketonen (PEEK) besteht.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Anordnungen (9, 1 0) ein Verteilerblock (1 1 ) angeordnet ist, der einen Feedstromeingang (1 5), einen Feedstromausgang, einen Retentatstrom- eingang (16) und einen Retentatstromausgang (17) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verteilerblock (1 1 ) und jeder Trommel (18, 30) jeweils eine Steuerscheibe (27, 38) angeordnet ist, wobei jede Steuerscheibe (27, 38) eine Eintrittsöffnung (28) und eine Austrittsöffnung (29) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen der Zylinder (19, 31 ) beider Trommeln (18, 30) zu dem Verteilerblock (1 1 ) gerichtet sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock (1 1 ) vier Kammern aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern (19) der einen Trommel (18) weisen und zwei Kammern jeweils eine Öffnung haben, die zu den Zylindern (31 ) der anderen Trommel (30) weisen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteilerblock 1 1 eine mittig angeordnete Öffnung aufweist, durch welche die Welle (26) verläuft.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (8) Kanäle aufweist zur Zuführung eines Teils des Feed- stroms (2) und/oder eines Teils des Retentatstroms (6) in Spalte zwischen fest- stehenden und bewegten Bauteilen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektromotor (14) außerhalb der Baueinheit angeordnet ist.
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