DE3112647A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung eines fluessigkeits-gemisches oder einer loesung nach dem prinzip der umgekehrten osmose - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines
• Flüssigkeits-GeXmisches oder einer Lösung nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Flüssig: keits-Gemisches oder einer Lösung nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Flüssigkeitsgemischen oder Lösungen nach dem Prinzip der umgekehrten Osmose, bei dem die zu trennende Rohflüssigkeit unter Druck einem oder mehreren Modulen zugeführt wird, durch deren Membranen das Permeat hindurchtritt.
• Die umgekehrte Osmose wird insbesondere zur Entsalzung salzhaltiger Rohflüssigkeiten wie Meer- oder Brackwässer eingesetzt, wobei derartige Anlagen für die Wasserentsalzung und Entfärbung von Trink-, Brauch- und Abwasser sowie zur Aufkonzentrierung von wässrigen Lösungen und Abwässern zur Entfernung von Schadstoffen verwendet werden. Auch die Rückgewinnung von metallen bei der Konzentrierung von Lösungen wird mittels der Urnehrosroe durchgeführt.
• Die Umkehrosmose ist das von der Technik ausgenutzte umgewandelte Naturprinzip der Osmose.
• Bei der Osmose erfolgt der Ausgleich verschiedener Lösungskonzentrationen an halbdurchlässigen (semipermeablen) Membranen. Der Lösungsdruck unterschiedlicher Konzentrationen wird als osmotischer Druck bezeichnet.
• Dieser resultiert aus dem Bestreben der Wassermoleküle, die konzentrierte Lösung zu verdünnen. Der osmotische Vorgang ist mit der Einstellung eines Gleichgewichtes abgeschlossen.
• Umkehrosmose versucht, das Bemühen der Verdünnung der konzentrierten Phase umzukehren in eine weitere Kon-,entrierung. Dazu muß ein höherer Druck als der jeweils vorliegende osmotische Druck angewandt werden. Die halbdurchlässie Membran wirkt als Sperre für alle gelösten Stoffe, so daß auf der Ausgangsseite eine reine Flüssigkeit, das Permeat, entsteht.
• Während das Permeat durch die Membrane hindurchtritt, muß das Konzentrat mit nur wenig reduziertem Druck wieder aus dem Modul entnommen werden. Dadurch entstehen erhebliche Energieverluste. Selbst bei unter einanclerschaltlmg von mehreren Modulen, bei denen das Konzentrat immer wieder dem nächsten Modul aufgegeben wird, sind die Energieverluste noch beträchtlich.
• Andererseits ist es wünschenswert, die Module mit verhältnismäßig geringer Ausbeute zu fahren, was gleichbedeutend ist mit. einem geringen Permeat und einem hohen Konzentratanteil. Durch diese Maßnahme wird eine gute Reinigung der rlembran erzielt und deren Lebensdauer erhöht.
• Der für die Umkehrosmose erforderliche Druck wird mittels Druckerhöhungsorganen erzeugt. Zu diesem Zweck wird z.B. die zu behandelnde konzentrierte Lösung mittels einer Pt pe der Umkehrosmoseanlage zugeführt.
• Der Nachteil einer solchen Anlage ist darin zu sehen, daß der Konzentratablauf ebenfalls unter Druck steht und demzufolge der Anlage Energie verlorengeht.
• Um die Entspannungsarbeit des Ionzentrats zurückzugewinnen, wurden bereits die vielfältigsten Anstrengungen unternommen. So hat man bereits Turbinen eingesetzt (DE-OS 29 o7 429), mit der die im Konzentratablauf befindliche Energie zurückgewonnen und der Gesamtanlage wieder zugeführt wird.
• Auch hat man den hydrostatischen Druck in größeren Neerestiefen als Prozeßdruck für die Gewinnung von Süßwasser aus Meerwasser nach dem Verfahren der umgekehrten Osmose benützt (Zeitschrift mt-Meerestechnik-Marinetechnology" 1976, Seiten 145 bis 148). lIierbei ist nur der Permeatstrom an die Meeresoberfläche zu pumpen. Für den Konzentratstrom fallen nur die Relbungsverluste an. Der Betrieb einer derartigen Anlage, sei es von einem Schiff oder von einer Plattform aus, bringt erhebliche Probleme mit sich. Wegen der erforderlichen Dieerestiefen können die Anlagen nur weit vor der Küste installiert werden, so daß die Permeatleitungen vom Schiff bis zur Verbraucherstelle sehr lang sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die für die umgekehrte Osmose erforderlichen Drücke auf einfachste Weise mit geringstem Energieaufwand bereitzustellen.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der zur Trennung oder Entsalzung erforderliche Druck dadurch aufgebracht wird, daß die Module und deren Zuführungen mit der darin befindlichen FlüssigReit einer Zentrifugalbeschleunigur, unterworfen werden.
• Dabei können die mit einem geschlossenen flüssigkeitsgefüllten Leitungssystem verbundenen Module einer höheren Zentrifugalbeschleunigung unterliegen als die Rohflüssigkeits zuführung und die Konzentratabführung.
• Auch die Permeat- und/oder Konzentratbabführung unterliegen einer höheren Zentrifugalbeschleunigung als die Module. Eine besonders vorteilhafte Energieeinsparung ist darin zu sehen, daß das Permeat und das Konzentrat bei ihrer Abführung eine Rückstoßkraft erzeugen.
• Zu diesem Zweck sind mehrere Module am Umfang eines Rotors verteil angebracht. Die Rohflüssigkeit wird über das geschlossene Leitungssystem auf die einzelnen Module verteilt. Tn diesem geschlossenen System baut sich durch die Zentrifugalkraft der für die Umkehrosmose notwendige Druck auf. Diese Maßnahmen lassen eineweitgehende reibungsfreie Zufuhr der Rohflüssig.-keit zu den einzelnen Modulen zu. Das Konzentrat wird nach dem Austritt aus den Modulen nach innen geführt.
• Obwohl der Druckverlust nur gering ist, ist eine Rückführung des Konzentrats bis zur Drehachse der Zentrifuge nicht möglich, jedoch wird die im Konzentratten;-haltene kinetische Energie weitgehend als Antriebsleistung zurückgewonnen. Auf die im geschlossenen System mit einer Winkelgeschwindigkeit in einer Ebene senkrecht zur Drehachse rotierende Flüssigkeit wirkt auger der Zentrifugalkraft eine weitere zusätzliche Trägheitskraft, wenn sich die Flüssigkeit radial nach innen bewegt. Diese zusätzliche Kraft bewirkt eine Rückgewinnung der Energie.
• Nach dem Durchtritt durch die Membran steht das Permeat nicht mehr unter dem vor dem Modul vorhandenen Flilssigkeitsdruck. Eine Rückführung zur Zentrifugenachse ist daher nicht mehr möglich. Das I>ermeat wird daher so über die Rückstoßdüsen entfernt, daß auch die hier vorhandene kinetische Energie weitgehend als AntrieWsleistung zurückgewonnen wird.
• Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden im nach folgenden näher beschrieben.
• Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine.Umkehrosmosezentrifuge gemäß der Linie E-F in den Figuren 2 und 3, Fig. 2 einen Viertelschnitt gemäß Linie A-E in Figur 1, Fig. 3 einen Viertelschnitt gemäß Linie C-D in Figur 1, Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel im Querschnitt, Fig. 5 einen IIalbschnitt gemäß Linie G-H in Figur 4, Fig. 6 einen Viertelschnitt gemäß Linie J~7 in Figur 5, Fig. 7 einen Viertelschnitt gemäß Linie L-M in Figur 5, Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Draufsicht, Fig. 9 einen Teilschnitt, Fig. 10 einen Schnitt gemäß Linie N-O in Fig.
• In einem Ausführungsbeispiel nach iur 1 ist ein Rotor 1 vorresehen, der von einer in Lagern 3 abge stützten Welle 2 mittels eines Antriebes 4 angetrieben ist, und in den mehrere module 6 am äußeren Umfang angebracht sind. Auf Stützen 5 ist das Rotorsystem raur fest ab gestützt. Die Module 6 bestehen aus llohlfaserrrodulen und verlaufen mit ihren Längsachsen parallel zur Rotorachse 2. Oberhalb der Module befindet sich ein Zulaufkanal 8, der einerseits an einen zentralen Zulaufstutzen 7 und andererseits an den Einlauföffnungen der Module 6 angeschlossen ist. Der Einlaufkanal 8 kann durch Trennwände 22 in mehrere Abteile unterteilt sein, so daß die Module 6 gruppenweise beaufschlagt werden.
• Die durch die Wände 22 gebildeten Kammern müssen staltet sein, daß sich keine Flüssigkeitswirbel innerhalb dieser Kammern bilden. Anstelle des unterteilten Kanales 8 können auch getrennte Kanäle 8a vorgesehen sein (Fig. 8). Unterhalb der Module 6 befindet sie ein Rücklaufkanal 9 für das Konzentrat, wobei auch der Rücklaufkanal 9 durch Trennwände 22 oder durch ein zelne Kanalteile 9a unterteilt ist. Auch hier nissen Wirbel vermieden werden. Am äußeren Umfang der Membranen 6 ist ein Perrneatkanal 10 vorgesehen, der mit einer oder mehreren Austrlttsöffnungen 11 versehen ist. An diese Austrittsöffnungen sind entgegen der Drehrichtung A abgebogene Düsen 12 angeordnet, durch die das Permest unter Erzeugung eines Rückstoßes in einen feststehenden Permeatauffangkanal 13 einmündet. Der Kanal 13 weist eine oder mehrere Ablauföffnungen 14 auf. Der unterhalb der Module 6 angeordnete Rircklaufkanal 9 für das Konzentrat kann ebenfalls an der Innenseite mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen 15 versehen sein, an die Düsen 16 angeschlossen sind (Fig. 9 + lo). Sowohl die Dosen 12 des Permeatkanales als auch die Düsen 16 des Konzentratablaufkanales 9 sind entgegen der Rotordrehrichtung A abgebogen. Anstelle der düsenartigen Austrittsöffnungen 15 und 16 des Konzentratkanales 9 kann auch eine ringförmige Auslauföffnung 20 (Fig. 1) vorgesehen sein, die in einen raumfestes Konzentratablaufkanal 18 mündet, der wiederum eine Ablaufleitung 19 aufweist.
• Zur erfindungsgemäßen Wirkung muß das gesamte System, beginnend bei dem Einlaufstutzen 7 bis zur Aus auf öffnung 20, wlihrend des Betriebes flüssigkeitsgefüllt sein.
• In Figur 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier sind entgegen dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 die Module 6 quer zur Rotorachse 2 liegend, übereinander und zudem sternförmig angeordnet. Hier sind noch zum Rotor 1 weitere Rotorwände la und lb vorgesehen, in denen sich Öffnungen 23 befinden. In diese Öffnungen sind die Module mit ihren Enden 6a und 6b eingeführt. Im Innenbereich der Zentrifuge ist den Modulen 6 ein Ringkanal 17 vorgelagert, der mit dem Zulaufkanal 8 verbunden ist. Im äußeren Bereich der Module ist ein Permeatkanal lo Vorfre'ehen, an dem sich wiederum düsenartige Austrittsöffnun:en 11 und 19 anschließen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der unterhalb der Module 6 liegende Konzentratablaufkanal o mit einer ringförmigen Öffnung 20 dargestellt. Auch hier kann wie beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 9 und 10 eine düsenförmige Austrittsöffnung mit enten der Drehrichtung A gebogenen Enden ausgebildet sei.
• Auch hier ist das gesamte System, beginnend bei dem Stutzen 7, bis zur Ringöffnung 20 flüssigkeitsgefüllt.
• Je nach Ausbildung der Module werden die Permeat- bzw.
• Konzentratkanäle entsprechend ausgebildet.
• Anstelle der beschriebenen Module 6 kann auch ein einziger Wickelmodul verwendet werden, der um die Rotationsachse 2 gewickelt ist.
• 1 Rotor 2 Rotorwelle 3 Rotorlager 4 Rotorantriebe 5 Rotorstütze 6 Module 7 Einlaufstutzen 8 Zulaufkanal 9 Rücklaufkanal 10 Permeatkanal 11 Austrittsöffnung 12 Düse 13 Permeatauffangkanal 14 Ablauföffnung 15 Austrittsöffnung 16 Düse 17 Ringkanal 18 Konzentrat-Ablaufkanal 19 Ablaufleitung 20 Auslauföffnung 21 Trennwände 22 23 öffnungen

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Verfahren zur Trennung eines Flüssigkeits-Gemisches oder einer Lösung nach tiem Prinzip der umgekehrten Osmose, bei dem die zu trennende Rohflüssigkeit unter Druck einem oder mehreren Modulen zugeführt wird, durch dessen J'em.branen das Permeat hindurchtritt, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Trennung erforderliche Druck dadurch aufgebracht wird, daß die Module und deren uführungen mit der darin befindlichen Plüssigkeit einer Zentrifugalbeschleunigung unterworfen werden.

   2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem geschlossenen, flüssigkeitsgefüllten Leitungssystem verbundenen Module einer höheren Zentrifugalbeschleunigung unterliegen als die Rohflüssigkeitszuführung und die Konzentratab führung 3.) Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Permeat- und/oder Konzent.atabführung einer höheren Zentrifugalbeschleunigung unterliegt als die Module.

   4.) Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat und/oder Konzentrat nach seiner Abführung eine Rückstoßkraft erzeugt.

   5.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) am äußeren Durchmesser eines zentral gelagerten Rotors (1) angeordnet, an einem vom Rotormittelpunkt ausgehenden Rohflüssigkeits-Zulaufkanal (8), an einen zum Rotormittelpunkt geführten Rücklaufkanal (9) des Konzentratablaufes sowie an einem Permeatkanal (loj angeschlossen sind, wobei der Permeatkanal (lo) auf einem größeren Radius liegt als der größte Rotorradius.

   6.) Vorrichtun! nach Anspruch 5, dadurch gekennzeicilnet, daß der Permeatkanal (lo) eine düsenartige Austrittsöffnung (11, 12) aufweist.

   7.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Permeatkanals (12) entgegen der Rotordrehrichtung (A) abgebogen ist.

   8.) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Konzentratkanals (9) eine düsenartige Austrittsöffnung (15) aufweist.

   9.) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (16) des Konzentratkanals entgegen der Rotordrehrichtung (A) abgebogen ist.

   lo.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) als Iiohlfaser-oder Wickelmodule ausgebildet sind.

   11.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) parallel zur Rotorachse (2) angeordnet sind.

   12.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Modul (6) ein Permeatkanal (loa) mit düsenartiger Austrittsöffnung (12) zugeordnet ist.

   13.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Modul (6) eine Zulaufleitung (8a) für die Rohflüssigkeit und eine Ablaufleitung (9a) für dns Konzentrat zugeordnet ist.

   14.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Module (6) radial zur Rotorachse (2) liegen und gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wobei die inneren Enden (gen) der Module (6) an einem mit dem Zulaufkanal (8) für die Rohflüssigkeit verbundenen Ringkanal (17) und die äußeren Enden (6b) der Module (6) mit dem ringförmigen Permeatkanal (lo) verbunden sind.

   15.) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, da der Konzentratkanal (9) unterhalb der Module (6) liegt.

   16.) Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß an den Permeatkanal (lo) nach außen gerichtete und entgegen der Drehrichtung abgebogene Düsen (11, 12) angeschlossen sind.

   17.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufkanal t8) für die Rohflüssigkeit und der Ablaufkanal (9) für das Konzentrat zur gruppenweisen Beaufschlagung der Module mit Rohflüssigkeit und zur getrennten Abführung de Konzentrats aus den Modulen (6) unterteilt sind.

   18.) Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilungen aus Trennwänden (21 und 22) gebildet sind, die in den Kanälen (8 und 9) untergebracht sind.