NO820005L - System for avsaltning av vann ved omvendt osmose under gjenvinning av trykket - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et system for avsaltning av

vann ved omvendt osmose, hvilket system er spesielt konstru-

ert for å oppnå en gjenvinning av trykket og en bemerkel-sesverdig fordelaktig virkning på kraftforbruket i prosessen og på installasjonskostnadene.

Skjønt den konvensjonelle prosess for avsaltning av

vann ved omvendt osmose er en prosess som er lite kraftfor-brukende, går et visst energiinnhold i saltoppløsningen eller avvannet tilspille uten å gjenvinnes.

Dersom Q i disse konvensjonelle anlegg er strømmen av

vann som skal behandles, og som pumpes ved et trykk ^ rQ som tilførsel til membranene, utgjør produktvannet en del av denne, Q«Y, hvor Y <• 1 , mens avvannet utgjør Q • (1-Y) .

Denne siste strøm kommer ut ved et trykk som er lik trykket i tilførselsvannet til prosessen, minus trykktapet Jrosom oppstår under strømningen gjennom modulen. Dette trykktap er meget lite sammenlignet med trykket i vannet til membranene, og således kan energimengden i avvannet, Q«(l-Y)« (pro-JrQ), bli betydelig og sågar større enn den netto energi-

mengde som forbrukes i prosessen:

Når det sees bort fra de forsøk som er blitt gjort for

å forbedre effektiviteten av pumpene og funksjoneringen av membranene ved omvendt osmose, har man tidligere forsøkt diverse systemer for å gjenvinne energimengden i avvannet,

men i samtlige tilfeller har man tatt sikte på å benytte avvannet til drift av turbiner.

Imidlertid synes det å være overflødig og å medføre installasjon av unødvendig utstyr først å produsere energi og så senere gjenvinne denne. Den beste måte å spare energi på ville uten tvil være å ikke bruke den, slik at det ikke etterpå ble nødvendig å gjenvinne energien ved hjelp av kost-bare systemer, ovenikjøpet med dårlig resultat på grunn av lav effektivitet av pumpene, turbinene, osv.

Det system som her skal beskrives, er basert på en hyd-

2

±aulisk løsning som gjør det mulig å gjenvinne trykket i a v-vannet gjennom et nytt og originalt arrangement.

Systemet som kan anvendes for ethvert vann som lar seg behandle ved omvendt osmose, er i stand til å gi maksimal besparelse både i den kapasitet som det er nødvendig å in-stallere, og i den energi som forbrukes.

Systemet er basert på følgende prinsipp:

Vannet som skal behandles, og som tilføres membranet for omvendt osmose i en strømningsmengde:Q ved et trykk PrQ, kommer fra to kilder: En strøm Q-Y pumpes med et trykk P - (Jro+ £ ) ved hjelp av en pumpe, som her betegnes hovedtrykkpumpe. Resten av strømmen, (1 - Y)Q kommer fra en sylinder i hvilken der er anordnet et fritt bevegelig stempel som ved et trykk PrQ~JrQskyves av saltoppløsning som i samme volum og med samme trykk strømmer ut av modulen for omvendt osmose, £ er trykktapet mellom de to kammere i sylinderen som følge av stemplets friksjon under bevegelsen. Stemplets hovedfunksjon er å hindre vannet som skal behandles,! å blandes med saltoppløsningen. Den totale strømnings-mengde, som er summen av disse to strømmer, nemlig Q.Y +

(1 - Y) Q, pumpes med en annen pumpe,med en økning i trykket svarende til JrQ + £ (trykktap i modulen for omvendt osmose + i) . På denne måte blir trykket ved inntaket til modulen for omvendt osmose (P -J - £ ) + J + £. = P

ro ro ro ro

Oppfinnelsen skal nu beskrives under henvisning til teg-ningene, hvor fig. 1 illus trerer hovedideen ved oppfinnelsen og skjematisk viser et hydraulisk kretsløp for avsaltning av vann ved osmose,

Fig. 1' viser en variant av kretsløpet vist på fig. 1, idet hjelpepumpen her er koblet parallelt med hovedpumpen, Fig. 3 viser et annet skjema, hvor man for å oppnå kontinuerlig drift i stedet for diskontinuerlig drift, slik det skjer i systemet ifølge fig. 2, anvender to sylindere som arbeider i motsatt, fase. Fig. 4 viser et skjema for en utførelsesform hvor der benyttes kuleformede beholdere, i hvilke det er anordnet en membran fremstilt av gummi eller plast, som erstatter stempe-let i de foregående utførelser, Fig. 5 viser en annen utførelse hvor der tilsiktes en utnyttelse av eventuelle topografiske høydeforskjeller på byggestedet for avsaltningsanlegget, Fig. 6 viser skjematisk på tilsvarende måte som fig. 1 en utførelsesform hvor der anvendes to sylindere og hvor disse dessuten har ulik diameter for derigjennom å ta hensyn til ulikheter i strømningsmengde og trykk (systemets virkemåte vil bli forklart mer inngående nedenfor), og Fig. 6' viser et skjema tilsvarende det ifølge fig. 6, hvor hovedpumpen og hjelpepumpen er anordnet som vist på fig. 1, og hvor stemplene får tilført kraft fra et hjelpedrivelement som kan erstatte hjelpepumpen.

Under henvisning til disse tegninger, og spesielt til fig. 1, vil det sees hvordan en pumpe (1) har som oppgave å tilveiebringe strømmen av vann Q.Y. som skal behandles, ved et trykk P^q -JrQ- £ . Pumpen ..(!•)• er den pumpe som . ■• ovenfor er betegnet som hovedtrykkpumpe.

Resten av vannstrømmen som tilføres modulen (2) for omvendt osmose, kommer fra en sylinder (3) i hvis indre er anordnet et stempel (4) som kan bevege seg fritt i sylinderen (3) og som holder vannet som skal behandles (5), adskilt fra saltoppløsningen (6).

Den totale vannstrøm, som er summen av den vannstrøm som leveres av pumpen (1), og vannstrømmen som leveres fra sylinderen (3), pumpes til modulen (2) for omvendt osmose ved hjelp av en andre pumpe (7).

Denne andre pumpe eller hjelpepumpe (7) kan være serie-koblet med hovedpumpen (1), som vist på fig. 1, eller paral-leltkoblet med denne, som vist på fig. I<1>. På denne måte tilveiebringer hjelpepumpen trykket direkte til modulen for omvendt osmose.

Virkemåten for det beskrevne kretsløp er som følger:

I startfasen er det frie stempel (4) i enden (a) av sylinderen, og ventilene (8 og 9) er lukket, mens ventilene (10, 11) er åpne. Sylinderen er full av saltvann som skal behandles, og hele kretsløpet er fyllt med vann uten luftbob-ler. Når pumpene begynner å arbeide, har man ved inntaket til modulen (2) det riktige driftstrykk. Produktvann strøm- mer gjennom rørledning (12) mens saltoppløsningen drives ut gjennom rørledning (13). Dog kan saltoppløsningen ikke be-gynne å strømme med mindre stemplet (4) beveger seg. I star-ten, før vannstrømningen er blitt opprettet, er trykktapet i strømningsveien til modulen (2) for omvendt osmose lik null. Derved blir det trykk som opprettes av stemplet i kammeret (6) høyere enn i kammeret (5). Stemplet begynner så

å bevege seg i pilens retning. I det øyeblikk, derimot, da strømmen i (2) tenderer til å bli større enn ønsket, vil J ,

ro som reguleres ved hjelp av ventil (14), og som er trykkfallet i modulen, ha tendens til å øke utover denne verdi, og derved synker trykket i (6), hvorved stabilisert drift oppnåes.

Når stempelslaget avsluttes i posisjon (b), lukker ventiler (10) og (11), mens ventiler (8) og (9) åpner. Nu vil stemplet enten gjennom en direkte innvirkning på stemplet eller gjennom et svakt trykk på vannet som skal behandles, og som strømmer gjennom (8), føres tilbake til utgangsposisjonen (a) og derved, gjennom (9) fjerne saltoppløsningen uten noe som helst energiinnhold. Fra dette øyeblikk lukker, venti--ler (8) og (9), mens ventiler (10) og (11) åpner, hvorved en ny cyklus begynner.

Med et system som ovenfor beskrevet, hvor det bare finnes én sylinder, vil selvfølgelig fremstillingen av avsaltet vann være diskontinuerlig, da prosessen opphører når stemplet (4) tilbakeføres fra posisjon (d) til posisjon (a).

Kontinuerlig produksjon oppnåes med en dobbelsylinder-. innretning, i henhold til skjemaet vist på fig. 3, hvor to sylindere er anordnet med samme aksel og funksjonerer i motsatt fase av hverandre.

Ved aksial kobling av de to stempler (4 og 4') med en

• felles aksel (15) oppnåes det at stemplet i et gitt øyeblikk tilføres energi for bevegelse, slik at det kommer i den operative fase. Derved overføres bevegelsen til det annet stempel for utdrivning av saltoppløsningen, idet det hele, om

nødvendig, kan virke som en selvsugende pumpe for vannet som skal behandles, dersom sugehøyden er liten.

Venti-lene (8, 10, 8' og 10') kan være automatiske tilbakeslagsventiler, og ventilene (9, 11, 9' og 11') kan være styrt av servomekanismer som driver stemplene ved hjelp av-endestillingsdetektorer (16). Disse detektorer kan være av elektronisk type. I dette tilfelle må det anvendes en kraft-gjenvinningsinnretning. Denne gjenvinningsinnretning eller lunge vil sørge for at øyeblikkelige trykkøkninger unngåes dersom enkelte ventiler lukker før de øvrige ventiler åpner.

Denne innretning er meget enkel, og trykkdifferansen mellom de to sider av stemplet er alltid minimal. Det er derfor ikke nødvendig å anvende armatur av høypresisjonsut-førelse. Store trykkdifferanser opptrer kun i mobile deler av akselarmaturen, der akselen rager ut av sylinderen, men denne armatur er lett å fremstille.

Innretningen vil derfor ikke være kostbar, og det vil. således innspares kostnader, som alltid er høye når det gjelder installasjon av maskiner, såsom kostnader for pumper og for gjenvinningsturbiner. Den beskrevne innretning vil gi maksimal innsparing av energikostnadene i avsaltningsprosessen.

Totalvirkningsgraden forbedres ved anvendelse av to pumper. Pumpen (B) vil være en flertrinnspumpe som arbeider under faste driftsbetingelser, og den vil derfor kunne arbeide med høy virkningsgrad. Pumpen (7) vil være en enkel pumpe . med variabel arbeidsydelse som tilpasser seg de krav som til enhver tid stilles av membranene for omvendt osmose i (2).

Skjønt mange forskjellige stempelhastigheter kan over-veies benyttet, bør hastigheten ikke være for stor, slik at vannhastigheten ikke blir for sterk og tapene blir minimale.

Prinsippielt antas at. en stempel- og vannhastighet på 0,5 m/sek inne i sylinderen, og en hastighet på 2,5 m/sek i tilførselsrørledningene og uttakssylindrene vil være hensiktsmessig .

Eksempelvis kan det behandles en sjøvannsmengde Q = 20 liter/sek, som vil gi en produksjon på Q*0,3 = 6 liter/sek,

3

eller 518,4 m /dag.

Sjøvannsmengden som passerer gjennom sylinderen, blir da: Sylindertverrsnitt

0 aksel = 2 4,5 m/m

og for en 2 sekunders halvcyklus vil det effektive slag være 1 = 2 x 300 = 600 m/m.

Et anlegg med disse karakteristika vil således kunne gi et strømningsvolum på 518,4 m 3/dag og vil være i stand til a mate 30 eller 35 membraner av typen "Dupont B-10" eller lignende.

Med den dobbelte stempelhastighet og samme 0 vil der kunne produseres'1037 m 3/dag.

Hva den mekaniske virkningsgrad angår, vil, når F er stemplets motstand mot bevegelse som følge av friksjon mellom stemplet og sylinderen og friksjon i aksellagrene, den energi som tapes som følge av slik friksjon, være:

På den annen side er den effektive energi som benyttes for å drive frem vannet som skal behandles:

Den mekaniske virkningsgrad er således:

Imidlertid er nevneren av størrelsesordenen:

mens telleren høyst kan være av størrelsesordenen 10 Kp.

Følgelig fåes:

Virkningsgraden er praktisk talt lik én.

Dette er en av de store fordeler ved systemet.

Det er å merke at en virkningsgrad på 1 er forutsatt

i samtlige av de ovenstående beregninger av trykkgjenvinningsinnretningen.

Dersom produksjonen er mindre, f.eks. Q = 3 l/sek, eller produksjonen QY = 0,9 l/sek, hvilket tilsvarer 77,76 m 3/dag, får vi, ved anvendelse av de samme hastighetsparametre som tidligere:

Sylindertverrsnitt:

For en halvcyklus lik de tidligere omtalte blir lengdene de samme.

Hva virkningsgraden angår, kan denne være av størrelses-ordenen :

Så lenge det benyttes omvendt osmose, kan systemet anvendes på et hvilket som helst vann som ønskes behandlet, enten dette er saltholdig vann, som sjøvann, eller kloakkvann.

Hva angår størrelsen av anleggene, lar systemet seg anvende ikke bare for anlegg av små dimensjoner, med små og billige sylindere, men også for anlegg av middels størrelse. Det kan også anvendes i store anlegg, men for at sylindrene ikke skal bli for store, vil anlegget måtte utføres med flere sylindere som arbeider samtidig, på samme måte som man be-nytter flere pumper i pumpefasen i konvensjonelle anlegg for omvendt osmose, hvorved også driftssikkerheten økes. I disse store anlegg kan utførelsesformen hvor der benyttes kuleformede tanker ifølge fig. 4 være fordelaktig. Denne utførelse be-

skrives i det følgende:

Trykkgjenvinningsinnretningen kan også anvendes for andre mekaniske anordninger som utveksler volumetriske trykk, dvs. en utveksling av trykk mellom faste volumer.

En aktuell utførelsesform innebærer f.eks. anvendelse av to kuleformede beholdere (17 og 17') som tåler høye trykk, og som er utstyrt med en membran fremstilt av gummi eller fleksibel plast (18 og 18') som hindrer blanding av vannet som skal behandles (5), med saltoppløsningen (6), som vist på fig. 4.

Dette sistnevnte system kan gjøre det lettere å anvende oppfinnelsen for større anlegg, eller anlegg med lengere til-førsels- og avløpscykluser.Det har den ulempe at en hjelpepumpe (19) vil trenges for med en passende hastighet å fylle systemet med vannet som skal behandles.

Dertil kommer det forhold at synkronisering av cyklusene

i de to kuleformede beholdere og bestemmelsen av egnet tids-punkt for åpning og lukning av ventilene er vanskeligere enn ved anvendelse av sylindere.

For å overvinne" vanskelighetene kan der'anordnes en lukkeinnretning på et egnet sted på hver membran, slik at disse stenger utløpene (10 og 10') for vannet som skal behandles,

så snart de kuleformede beholdere blir fulle av saltoppløsning og det øyeblikkelige trykkfall ved utløpet registreres av en føler som aktiverer ventilene på en hensiktsmessig måte.

På den annen side må den ovennevnte pumpe (19), for å funksjonere riktig, være i stand til å fylle kulebeholderen før den motstående beholder fylles opp med saltoppløsning. Dette innebærer at følgende betingelse må være oppfylt:

Beholderne kan ha form enten av sfæriske beholdere, sylindere med halvkuleformede endevegger eller lignende.

En annen mulighet er et roterende system.

Ut fra betraktninger av hva som er felles ved de ovenfor omtalte systemer, og som fører til et minimalt forbruk

av energi, gis der ytterligere en annen ..mulighet.

Dersom det på et sted nær anlegget finnes egnede topografiske høydeforskjeller, kan utførelsen ifølge fig. 5 benyttes .

Pumpe (1) pumper vannet til en tank (20) som befinner seg høyere enn anlegget. Anleggets moduler (2) for omvendt osmose vil bli tilført vann på samme måte som i det allerede beskrevne system, men vannstrømmen som leveres av pumpen (1) erstattes nu av en tilsvarende vannstrøm som tilføres fra tanken, med det samme ønskede trykk.

Dette sistnevnte system kan ha flere fordeler:

Pumpe (1) er den pumpe som forbruker en vesentlig del av den energi som kreves i prosessen.

Nu er årsaken til at det ønskes foretatt avsaltning av vann den at der ikke finnes tilstrekkelige, forekomster av ferskvann;' På slike steder fåes den tilgjengelige elektriske energi fra dampkraftstasjoner, som er beregnet på å tilveiebringe tilstrekkelig mye kraft i de timer av døgnet hvor det er stort forbruk, men som ikke er særlig godt tilpasset de timer hvor forbruket er lavt. Produsentene er derfor interessert i å selge denne overskuddskraft til lave priser.

Følgelig kan tanken fylles opp i løpet av disse timer, under anvendelse av mindre kostbar elektrisk kraft, hvorved det oppnåes ytterligere besparelse i produksjonskostnadene for produktvannet, samtidig som det gis et bidrag til å løse problemene forbundet med kraftproduksjon på slike steder. Pumpen (1) vil kun være i drift i de timer hvor kraften er billig, og den vil følgelig drives diskontinuerlig. Derfor må pumpens ydelse økes i forhold til en kontinuerlig virken-de pumpe.

I tillegg hertil tjener tanken (20) som et standrør, hvilket gir et mer pålitelig system. Dette beror på at dersom tanken har. tilstrekkelig kapasitet, vil det være mulig å stoppe pumpen (1) for vedlikeh61d eller' lignende, uten at driften av anlegget derfor må avbrytes.

For å gjøre beskrivelsen mer oversiktlig er det blitt satt trykkbegrensninger for pumpene (1 og 7), slik at mekanismen (3) bare virker som en gjenvinner av trykket i vannet som går til avløp. Det er imidlertid mulig å gene-ralisere systemet ifølge fig. 1. Det antas således at meka-nisme (3) kan virke som en innretning for overføring av trykkenergien i avvannet til vannet som skal behandles, slik at hvis P' og Q' er trykket og mengden av vannstrømmen som strømmer ut av mekanismen (D) , fåes:

hvor, når systemet ifølge oppfinnelsen benyttes, €. er praktisk talt lik null.

Systemet blir riktig for alle verdier av P' og Q<1>som passer inn i den sistnevnte ligning, forutsatt at P1^ ^ rQ og Q'^Q.

Det vil også bli riktig for den øvre grense for strøm-ningsmengden, Q' = Q, hvor pumpen (1) teoretisk ikke vil gi noen væskestrøm, men kun har som oppgave å holde et basis-trykk P' - (1-Y) (Pro - J - ) i kretsløpet. Pumpen (7) vil således være en pumpe som gir en levering Q og et trykk

som er variabelt, avhengig av pro, som avhenger av mem-branenes tilstand, osv., slik at der tilveiebringes en passende strømningsmengde. Ved den nedre grense for Q er pumpen bundet av den øvre grense av matetrykket P<1>= Prof i hvilket tilfelle

Pumpen (1) vil da arbeide ved et konstant trykk som er lik matetrykket PrQfor membranene. Pumpen (7) vil teoretisk ikke arbeide. I praksis kan pumpens (1) leveringstrykk inn-stilles på det laveste trykk P^ofor nye membraner. Når det trenges et høyere trykk P^o på grunn av aldringen av membranene, kan trykkøkningen tilveiebringes av pumpen (7).

Gjenvinningsinnretningen kan i disse tilfeller være en dobbeltsylinder som vist på fig. 6, hvor det for å oppnå de ønskede differanser i strømningsmengde og trykk arbeides med sylindere med ulik diameter. Derved kan det foretas tilpas-ning til de ønskede forhold mellom strømningsmengde og trykk.

Eventuelt, og i henhold til fig. 6,kan det også kobles et hjelpedrivelement (21) til akselen (15),som er forbundet med stemplene (4 og 4') som beveger seg i sine respektive kammere (5 og 5'). I dette tilfelle kan hjelpepumpen (7) sløyfes.

På tilsvarende måte kan eventuelt pumpen (7) monteres i den rørledning som fører vannet som skal behandles, til trykkgjenvinningsinnretningen.

Claims (8)

1. System for avsaltning av vann ved omvendt osmose under gjenvinning av trykket, karakterisert ved at en modul for omvendt osmose tilføres vannet som skal behandles, som to uav-hengige og komplementære strømmer, den ene direkte og uten-fra ved hjelp av en hoved-trykkpumpe og den andre ved hjelp av en trykkgjenvinningsinnretning, som fortrinnsvis utgjøres av et sylindrisk rom, hvor et stempel som inndeler rommet i to kammere av variabelt volum, er bevegelig, idet det ene av disse kammere har som oppgave å inneholde vannet som skal behandles og følgelig er forbundet med kilden for dette vann, mens det andre kammer i det sylindriske rom tjener til opp-samling av den saltoppløsning som fåes ved den omvendte osmose, og som skal gå til avløp, og ved at de to nevnte vann-strømmer som skal behandles, bringes til å møtes i modulen for omvendt osmose ved hjelp av en andre pumpe som er serie-koblet eller parallellkoblet med den første, samt ved at trykkgjenvinningskammeret er forbundet via en rørledning med osmosemodulen, slik at trykket ved inntaket til modulen overføres til en bevegelse av stemplet som skaper et overskuddstrykk i det av sylinderens kammere som inneholder en del av vannet som skal behandles, hvilket overskuddstrykk samvirker med trykkvirkningen fra hovedpumpen.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at det kammer i det sylindriske rom til hvilket vannet som skal behandles føres, er forbundet via en ventil med tilførselsledningen som leder til modulen for omvendt osmose, og at systemet videre omfatter to andre ventiler, den ene i rørledningen som fører til det kammer som inneholder vann som skal behandles, og den andre i tilførselsledningen som leder til kammeret for saltoppløs-ning, samt en siste ventil anordnet i utløpsrørledningen fra kammeret for saltoppløsning, således at ventilen for vannet som skal behandles og ventilen i utløpsrø rledningen er lukkede når de øvrige to er åpne i den operative fase av systemet, og omvendt.

3. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at trykkgjenvinningsinnretningen er bi-sylindrisk, for derved å oppnå kontinuerlig drift av systemet, og at de to sylindere er koaksialt forbundet med hverandre og deres stempler er forbundet med en felles stempelstang som er ført gjennom de to sylinderes skille-vegg, på en slik måte at stemplet som er i den operative fase i systemet, gjennom sin bevegelse trekker med seg det motstående stempel, som er i den motsatte fase, slik at kammeret som inneholder saltoppløsningen, tømmes.

4. System ifølge krav 1-3, karakterisert ved at ventilene i tilførselsledningene for vannet som skal behandles, er tilbakeslagsventiler, mens ventilene i rørledningene som fører saltoppløsning til kamrene i bisylinderen, og ventilene i rørledningene som fører ut fra nevnte kammere reguleres ved hjelp av servomekanismer som driver de tilsvarende stempler ved hjelp av en endestillingsdetektor, som kan være elektronisk.

5. System ifølge krav 1-4, karakterisert ved at trykkgjenvinningsinnretningen utgjøres av to beholdere av kuleform eller lignende, som hver i sitt midtparti er forsynt med en membran fremstilt av gummi eller fleksibel plast for å holde vannet som skal behandles, adskilt fra saltoppløsningen.

6. System ifølge krav 1-5, karakterisert ved at det, i tilfeller hvor anlegget er plassert på et sted med topografiske høydeforskjeller,omfatter en tilleggsbeholder anordnet mellom hovedtrykkpumpen og det punkt hvor rørledningen fra hovedtrykkpumpen og rørledningen fra trykkgjenvinningsinnretningen møtes, og at denne beholder er installert på et noe høyere nivå enn avsaltningsanlegget, slik at beholderen kan tilføre anlegget vann i den ønskede mengde og av det ønskede trykk, mens hovedtrykkpumpen ute-lukkende benyttes for oppfylling av tilleggsbeholderen, hvorved hovedtrykkpumpen, som er den enhet som trekker mest energi i anlegget, kan stoppes mens avsaltningen av vannet fortsatt finner sted i anlegget.

7. System ifølge krav 1-6, karakterisert ved at de to kammere i den bisylindriske trykkgjenvinningsinnretning har ulik diameter for derved å oppnå de ønskede differanser i strømningsmengde og trykk i anlegget.

8. System ifølge krav 1-7, karakterisert ved at hjelpepumpen er erstattet av en drivinnretning koblet til stempelstangen som forbinder de to stempler i sylinderens kammer, idet denne drivinnretning eventuelt kan være en pumpe tilsvarende den som erstattes, men installert mellom inntaket for vannet som skal behandles, og trykkgjenvinningsinnretningen.