RS49810B - Postupak za prečišćavanje tečnosti membranskom destilacijom a naročito za proizvodnju desalinizovane vode iz morske vode ili slane vode ili procesne vode - Google Patents

Description

Ovaj pronalazak se odnosi na postupak za prečišćavanje tečnosti membranskom destilacijom, a naročito za proizvodnju desalinizovane vode iz morske vode, ili slane vode ili procesne vode, koji se sastoji od: - propuštanja relativno toplog toka isparijive tečnosti (tok retentata) iznad porozne membrane, protoka pare kroz pore membrane na drugu stranu pomenute membrane, i - kondenzovanja pomenute pare na relativno hladnoj površini kondenzatora, dajući tok destilata, a pomenuta površina kondenzatora formira neporoznu pregradu između toka za napajanje koji treba da se prečisti i pomenutog toka destilata, gde je tok za napajanje protivstrujan toku retentata, tako da se značajan deo latentne toplote prenosi parom na tok za napajanje, - gasovitog zazora širine manje od 5 mm, koji se nalazi između porozne membrane i površine kondenzatora, - pritiska koji se održava u gasnom zazoru, koji je niži od atmosferskog pritiska, a viši od napona pare toka za napajanje.

Ovakav postupak je opisan u JP-A-11-010-147.

Membranska destilacija se razlikuje od poznatih tehnika destilacije, kao što su višestepeno ispiranje, višestruki efekat destilacije i kompresija pare, po tome što se koristi neselektivna, porozona membrana. Ova membrana predstavlja separator između toplog, isparljivog toka retentata i kondenzovanog proizvoda, toka destilata. Kao posledica podesnog izbora meterijala (obično polipropilen, polietilen ili politetralfuoreten), pore (prečnika između 0,00001 i 0,005 mm, obično između 0,0001 i 0,0005 mm) se ne kvase ovom tečnošću; samo para prolazi kroz membranu.

Membranska destilacija je prvi put opisana u US Patent 3 330 186, iz 1967. godine. Namera je bila da se poboljša efikasnost desalinacije morske vode upotrebom porozne hidrofobne membrane, ispunjene vazduhom. Posmatrani postupak je nazivan direktnom kontaktnom membranskom destilacijom: topao tok morske vode i tok hladnog destilata su u direktnom kontaktu sa membranom.

Pravo interesovanje sa membransku destilaciju je nastalo sredinom 1980-ih, kada je postala pristupačna nova generacija hidrofobnih, visoko poroznih membrana. Međutim, istraživanje je pokazalo da membranska destilacija nije ništa manje skupa od konkurentnih tehnika, pa stoga nije bilo komercijalne primene.

Mogu se razlikovati četiri tipa membranske destilacije:

1. Membranska destilacija sa direktnim kontaktom (DCMD), gde su i topao, ispartjivi tok, i hladan tok kondenzata (tok destilata, u direktnom kontaktu sa membranom. 2. Membranska destilacija sa vazdušnim zazorom (AGMD), gde je površina kondenzatora vazdušnim zazorom odvojena od membrane. 3. Membranska destilacija uz čišćenje gasom, gde se destilat uklanja u obliku pare pomoću inertnog gasa. 4. Vakuumska membranska destilacija, gde se destilat uklanja u obliku pare pomoću vakuuma. Ovaj postupak je opisan samo za uklanjanje isparljivih komponenti iz vodenih tokova, a poneta je u tome da se ne proizvodi tečan destilat.

Do sada, najviše pažnje je privlačila membranska destilacija sa direktnim kontaktom.

U US Patent 4 545 862 opisuje se spiralno savijeni modul (sa ravnim membranama). Ovaj je testiran na destilaciji morske vode. U ovim testovima tok destilata se odvaja od toka morske vode koji je protivstrujan isparljivom retentatu i toku morske vode, tako da efikasno absorbuje toplotu kondenzacije. U tom patentu se opisuje primer u kome se postiže relativno visok protok od 5,3 L/m<2>, sa razlikom temperaturaATizmeđu toplog retentata i morske vode od 4°C, uz utrošak energije od samo 212 kJ/kg proizvdenog destilata.

Pored upotrebe ravnih membrana, u destilaciji sa direktnim kontaktom poznate su i prednosti šupljih vlaknastih membrana. Kao rezultat kompaktnog pakovanja vlakana membrane, može se dobiti razvijena površina i do 500 m<2>/m<3>, što omogućava niske troškove opreme. Pored toga, predložen je ciklus (videti, K. Schneider, T.J. van Gassel,Membrandestillation, Chem. Ing. Tech.1984, 56, 514-521) direktnog kuplovanja modula membranske destilacije sa modulom razmenjivača toplote, tako da se vraća toplota kondenzacije. Nađeno je da se pri destilaciji morske vode dobija protok od približo 8,5 L/m<2>/h, pri AT od 14-16°C i sa specifKom potrošnjom energije iznad 1.000 kJ/kg vode. Posle 1984. godine opažen je jedva prometan napredak u stanju tehnike u vezi sa DCMD.

Membranska destilacija sa vazdušnim zazorom prvi put je opisana 1971. godine u British Patent Application GB 1 225 254 (Henderyckx). Pored upotrebe vazdušnog zazora, predložen je i protivstrujni protok tokova napajanja i retentata (a time i vraćanje latentne toplote). Pored toga, AGMD je opisan 1982. godine u German Patent Application 3 123 409 (Siemens). Ova prijava se odnosi na upotrebu zazora (debljine 3 mm) ispunjenog vazduhom, ili opciono lakšim gasom, kao što je vodonik, između ravne porozne membrane i hladne površine kondenzatora. Cijj je da se smanji transport primljene toplote provođenjem kroz membranu. Eksperimentalno je utvrđeno da je transport toplote provođenjem približno jednak onom od isparavanja. Pored toga, predloženo je protivstrujno napajanje ulazne morske vode u odnosu na isparijivi tok, pa se tako vraća toplota. Zaštićena je takođe i upotreba solarne toplote kao izvora toplote. Opisan je teorijski slučaj u kome je postignut protok destilata 3,36 kg/m<2>/h sa razlikom temperatureATod 5°C i uz vraćanje približno 4,9%, a sa utroškom energije preko 850 kJ/kg proizvedene morske vode.

U European Paten Application 0 164 326 opisuje se membranska destilacija sa vazdušnim zazorom različitih karakteristika, konstruisana u obliku koncentričnih cevi. Upotreba varijante, sa paketima ravnih membrana, opisana je u članku "Design and filed tests of a new membrane distillation desalination process", uDesalination,1985, 56, 345-354. Uočljivo je da se odustalo od protivstrujnog toka morske vode i retentata, a kao posledica toga nije moguće povratiti toplotu isparavanja. Takođe, nisu date ni cifre o utrošku energije.

International Patent Application VVO 8607585 A (1986), se zasniva na podacima istog modela, ali se iz ovih izvlači zaključak da je neophodna debljina vazdušnog zazora od 0,2 do 1,0 mm, kako bi se postigao i visok protok i mali gubitak primljene toplote (300-800 kJ/kg vode). Nema podataka o modelu padova temperature na i u vrućem i hladnom zidu, što ima za posledicu prikazivanje suviše optimističke slike.

U US Patent 4 879 041 se opisuje destilacija sa vazdušnim zazorom posebno za dobijanje ultra-čiste vode u industriji poluprovodnika. Tu je ispitivan efekat debljine vazdušnog zazora, na transport mase i na transport toplote, u oblasti između 3 i 10 mm, kada se koriste ravni listovi membrane. Iz ovih istraživanja je zaključeno da je pri debljinama manjim od 5 mm transport određen difuzijom, a slobodnom konvekcijom pri debljinama većim od 5 mm. Izmerene performanse su umerene: maksimalni protok destilata 3,6 kg/m<2>/h, pri razlici napona pare od približno 20 kPa. I ovde se ne vraća toplota kondenzacije, pa takođe ne čudi da je posle nekoliko godina došlo do vraćanja na višestepeno isparavanje bez membrana.

Pažnja posvećena membranskoj destilaciji je pala u 1990-im godinama, a uglavnom je bia ograničena na membransku destilaciju sa direktnim kontaktom, i na istraživanja membranske destilacije uz čišćenje gasom, i na vakuumsku membransku destilaciju, za uklanjanje i ekstrakciju isparljivih komponenata iz vodenih tokova.

Na osnovu literature, za sisteme membranske destilacije sa niskim utroškom energije potreban je vazdušni zazor. Na osnovu prethodnog stanja tehnike, ukoliko se koristi vazdušni zazor, ili ako se koristi vraćanje toplote, nije moguće postići manji utrošak energije od 850 kJ/kg. Ovo je povezano sa visokim razlikama temperature (AT često veće od 40°C) i prema tome visokim pogonskim silama (razlika napona pare, po pravilu iznad 15 kPa).

Sistemi membranske destilacije sa direktnim kontaktom su jednostavnijeg dizajna i konstrukcije i u principu su manje skupi od sistema membranske destilacije sa vazdušnim zazorom, a iz prethodnog stanja tehnike se može videti da je i utrošak energije niži. Dakle, u svetlu prethodnog stanja tehnike, nije očigledan izbor membranske destilacije sa vazdušnim zazorom za jevtinu proizvodnju destilovane vode iz morske vode ili razblažene slane vode.

JP-A-11.010.147 ne daje podatke koji se specifično odnose na vezu između poroznosti porozne membrane, odnosa između razvijene površine kondenzatora i razvijene površine membrane, lokalne razlike napona pare između retentata i tečnosti za napajanje, širine gasnog zazora i odnosa između apsolutnog pritiska u gasnom zazoru i lokalnog napona pae vode retentata. Dalje, japanski dokument ne daje podatke o rameni primljene toplote između toka destilata i toka retentata. Stoga, performansa ovog poznatog postupka je prostato je samo da se poželi.

Cilj ovog pronalaska je pravljenje prodora u pogledu performanse (protok destilata na jedinicu pogonske sile) kod membranske destilacije sa vazdušnim zazorom, a time znatno snižavanje i troškova i utroška energije u sistemima membranske destilacije.

Da bi se ostvario ovaj cilj, postupak koji je pomenut u uvodu karakterišu: poroznost s porozne membrane veća od 0,7, a pod poroznošću se podrazumeva odnos otvorene zapremine prema ukupnoj zapremini

porozne membrane,

razvijena površina kondenzatora 1,2 do 6 puta, poželjno 2 do 3 puta, veća

od razvijene površine porozne membrane,

efektivna lokalna razlika napona pare između toka retentata i toka kondenzata manja od 10 kPa (0,1 bar), poželjno manja od 5 kPa (0,05

bar),

primljena toplota iz toka destilata se oslobađa razmenom toplote sa tokom

za napajanje i/ili tokom retentata, poželjno sa tokom retentata,

relacija između poroznosti e porozne membrane, odnosa S između razvijene površine kondenzatora i razvijene površine membrane, lokalne razlike napona pare D između retentata i tečnosti za napajanje, u kPa,

širine L gasnog zazora, u cm, i odnosa P između apsolutnog pritiska u gasnom zazoru i lokalnog napona pare vode u retentatu, poželjno je da je kao što sledi:

i da je guitak primljene toplote iz toka retentata manji od 300 kJ/kg kondenzata (manje od 12% latentne toplote), a specifični protok veći od 0,5 kg (poželjno veći od 1,0 kg) kondenzata/m<2>membrane/h/kPa razlike napona pare vode.

U VVO-A-86.07585 se opisuje aparat za destilaciju namenjen destilovanju tečnosti, a taj aparat se sastoji od sekcije za destilaciju koja ima poroznu, hidrofobnu membranu koja je propustljiva za vodenu paru, ali nepropusna za tečnost, a površina za konenzaciju je postavljena na rastojanju od membrane, tako da postoji vazdušni zazor između membrane i površine za kondenzovanje, a zatim još se sastoji od sekcija za sprovođenje tečnosti koja treba da se destiliše na poršinu membrane, udaljenu od vazdušnog zazora, i sekcije postavljene tako da sprovodi tečnost koja je hladnija nego prva pomenuta tečnost, na stani površine za kondenzovanje, udaljene od vazdušnog zazora. Širina vazdušnog zazora može biti manja od 5 mm.

Kada se koristi postupak u skladu sa ovim pronalaskom, pogodno je da se koristi broj modula segmenata koji su povezani jedan sa drugim, a svaki se formira prema broju paralelno povezanih kanala poroznog retentata, koji su odvojeni gasnim zazorom i neporoznom membranom od kanala toka za napajanje, koji su postavljeni pod uglom u odnosu na kanale retentata.

Pomenuti ugao između kanala retentata i toka za napajanje je između 10 i 170°.

Kanali retentata su obično ograničeni poroznim hidrofobnim membranama (poroznost veća od 70%, poželjno veća od 80%, uz veličinu pora veću od 0,1 um, poželjno između 0,3 i 1,0 pm). Pomenute membrane mogu biti komercijalno pristupačne membrane, napravljene od materijala kao što su PTFE, PVDF, PP i PE i slično. Mogu se takođe upotrebiti takozvane asimetrične membrane za mikrofiltraciju, napravljene od materijala kao što je polietarsulfon, polisulfon, poliakrilonitril, poliamidi itd. U ovom kontekstu, poželjno je da se površina ovih membrana dodatno učini potpuno ili delimično hidrofobnom, na primer, oblaganjem ili drugim modifikacijama površine. U najpoželjnijoj realizaciji, kanali retentata se sastoje od paralelno postavljenih šupljih vlakana ili kapilarnih membrana. Retentat protiče kroz šupljinu ovih vlakana. Kada se koriste asimetrične membrane, aktivni sloj membrane sa najužim porama, je sa strane retentata.

Pored šupljih vlakana, kanali retentata se mogu formirati takođe sa ravnim membranama ili listovima membrana, opciono u spiralno savijenoj konfiguraciji. U principu, moguće je takođe da se kanali retentata formiraju od hidrofobnog materijala, kao što su konci ili tkanine, ili neporozne membrane (ali visoko propustljive za paru).

Kanali kondenzatora, kroz koje protiče tok za napajanje, isto tako je poželjno da se formiraju od paralelno postavljenih šupljih vlakana/kapilara, napravljenih od hidrofobnog materijala. Ovi kanali su neporozni, to jest nepropustljivi za paru, ili jedva propustljivi za paru. Ispuštanje kondenzata destilata se može obaviti preko hidrofobnog materijala (kao što je tkanina), nanetog preko ili oko ovih vlakana. Moguće je takođe se se ovi kanali kondenzatora naprave od hidrofobnog materijala oko koga se formira film destilata, koji se može oslobađati, na primer, pod dejstvom gravitacije.

U skladu sa ovim pronalaskom razvijena površina kondenzatora mora biti veća od razvijene površine kanala retentata (1,2-6 puta, poželjno 2-3 puta veća). Ovo se može postići postavljanjem kapilara blizu jedne uz drugu i/ili korišćenjem višestrukih nizova (po pravilu dva ili tri).

Širina zazora između kanala retentata i kanala kondenzatora, takozvani gasni zazor, može se definisati upotrebom podesnog distancera, poželjno napravljenog od hidrofobne plastike. Kako bi se sprečio gubitak primljene toplote iz retentata u tok za napajanje provođenjem kroz ovaj materijal, materijal treba da je visoko porozan (poželjno, poroznost veća od 90%). Debljina materijala određuje širinu gasnog zazora: manje od 5 mm, poželjno 0,5 do 2 mm.

Poželjno je da se gasni zazor napuni vodenom parom, stvaranjem vakuuma u gasnom zazoru, kao što je vakuum koji je približno jednak naponu pare u toku retentata, na mestu segmenta modula koji se posmatra. Ovo daje najbolju performansu s obzirom na prenos mase (transport vodene pare iz retentata u kondenzator) i ograničava gubitak primljene toplote. Ovaj vakuum se može stvoriti korišćenjem vakuum pumpe, koja radi na dnu, pa prema tome najhladnijem segmentu, segmentu modula u kome će preovladavti najniži pritisak, i fitovanjem otpornosti protoka između svih ili nekih od segmenata modula, koje mogu ili ne mogu da se kontrolišu. Takođe, ovo je moguće za kondenzat, koji može da sadrži gasove koji se oslobađaju pomoću usisne pumpe na segmentu modula. Međutim, pritisak u gasnom zazoru može takođe da bude i oko atmosferskog pritiska i da bude napunjen inertnim gasom, kao što je vazduh, ili poželjno (u vezi sa prenosom mase i prenosom toplote) vodonikom ili helijumom. Takođe, mogu se koristiti ugijen-dioksid, azot i slični gasovi.

Postuapk u skladu sa ovim pronalaskom se može primeniti u nizu realizacija. Obično, koriste se segmenti modula sa ukršenim protokom, opremljeni šupljim vlaknima i za tok za napajanje i za tok retentata. Međutim, za tok retentata se mogu takođe koristiti listovi ili tanke ploče ravne membrane, opciono u spiralno savijenoj konfiguraciji, ili slojevite strukture, koji sadrže višestruke kanale nalik kapilarama, za ograničavanje protočnih kanala.

U prvoj realizaciji ovog postupka, tok za napajanje, koji se zagreva protičući virtuelno idealno protivstrujno toku isparijivog retentata, a tok kondenzovanog destilata teče paralelno sa tokom retentata i/ili protivstrujno toku za napajanje, i na taj način se takođe vraća primljena toplota.

U varijanti ovoga, tok retentata je alternativno u razmenjivaču toplote, sa tokom zaostale toplote i tokom za napajanje. Ova varijanta ima prednost da se koristi u potpunosti zaostala toplota i da se pogonska sila na ulaznoj strani toka za napajanje održava preko podizanja razlike temperature. Moduli koji su podesni za ovo mogu biti izuzetno kompaktne i jeftine konstrukcije.

Sa ovom alternativnom realizacijom moguće je da se tok retentata dovede u razmenu toplote sa tokom rashladne vode, u skladu sa principom prve realizacije ovog postupka, i da se formira dodatni tok destilata.

U drugoj varijanti koristi se tok retentata, nakon što je ohlađen predavanjem toplote isparavanja toku za napajanje, kao kondenzator, napajanjem ovog toka retentata kroz hermetične kanale za paru, ukrštanjem protoka sa tokom istog retentata za hlađenje. Tako se formira i tok destilata hlađenjem pomoću toka za napajanje i hlađenjem pomoću toka retentata.

Ovaj pronalazak se takođe odnosi na modul podesan za upotrebu u gore opisanom postupku. Taj modul je napravljen od brojnih segmenata spojenih jedan sa drugim, a svaki segment se sastoji od slojeva suštinski paralelnih neporoznih vlaknastih membrana za tok rotentata, a ove porozne vlaknaste membrane su pod uglom između 10" i 170° prema neporoznim vlaknastim membranama, sloj poroznih vlaknastih membrana je postavljen između svaka dva sledeća sloja neporoznih vlaknastih membrana, a ovaj sloj poroznih vlaknastih membrana se drži na izvesnom rastojanju od slojeva neporoznih vlaknastih membrana uz pomoć distancera, a ovo rastojanje je manje od 5 mm. Svaki segment ima distribucionu kolonu za dovođenje tečnosti za napajanje, distribucionu kolonu, smeštenu nasuprot prethodne, za ispuštanje tečnosti za napajanje, distribucionu kolonu za dovođenje retentata i distribucionu kolonu nasuprot poslednjoj za ispuštanje retentata.

Ovaj pronalazak će sada biti detaljnije objašnjen pozivanjem na slike:

Slika 1 pokazuje dijagramom prvu realizaciju postupka u skladu sa ovim pronalaskom.

Slika 2 pokazuje dijagramom drugu realizaciju (prva varijanta) postupka u skladu sa ovim pronalaskom.

Slika 3 pokazuje dijagramom treću realizaciju (druga varijanta) postupka u skladu sa ovim pronalskom.

Slika 4 pokazuje moguću konstrukciju segmenta modula koja se može koristiti.

Slika 5 pokazuje presek dužlinije V - V na Slici 4.

Slika 6 pokazuje dijagramom modul sa kojim se može obavljati prva realizacija ovog postupka.

Slika 7 pokazuje dijagramom modul sa kojim se može obavljati druga realizacija ovog postupka.

Slika 8 pokazuje dijagramom modul sa kojim se može obavljati treća realizacija ovog pronalaska.

Na slikama je tok za napajanje (na primer morska voda) označen strelicom sa jednim vrhom strele, tok retentata strelicom sa dva vrha strele, tok pare strelicom sa isprekidanom linijom, a tok destilata (koji je tok kondenzata i obično tok proizvoda, na primer desalinizovane vode) strelicom sa tri vrha strele. Površina porozne membrane je pokazana isprekidanom linijom, a površina kondenzatora punom linijom.

Na Slici 1, tok za napajanje (na primer morska voda), ograničen neporoznom membranom 2, označen je sa 1, a tok retentata, ograničen poroznom membranom 4, označen je sa 3, a sa 5 je označen gasom ispunjeni zazor između neporozne membrane 2 i porozne membrane 4, razmenjivač toplote je 6, a 7 je vod za dovođenje toka za napajanje, koji se u izvesnoj meri zagreva u razmenjivaču toplote 6. Tok retentata, koji se zagreva unutar neporozne membrane 2 i u razmenjivaču toplote, uvodi se kroz vod 8 u komoru ograničenu poroznom membranom 4, 9 je tok pare koja protiče kroz pore membrane 4, a 10 je tok tečnosti (na primer desalinizovane vode) koji se je kondenzovao na relativno hladnoj membrani 2. Tok za napajanje 1 i tok retentata 2 teku protivstrujno jedan prema drugom. Isto se odnosi na slučaj toka za napajanje 1 i toka destilat/kondenzat/proizvod 10. Ovaj poslednji protivstrujni protok dovodi do vraćanja takozvane primljene toplote. Ovo se može takođe (poželjno) ostvariti pomoću toka za napajanje 10, preko razmenjivača toplote paralelno sa tokom retentata, a zatim opciono sa tokom 1. Širina gasnog zazora je manja od 5 mm.

Minimalan iznos energije termodinamički potreban za izdvajanje tečne čiste vode iz morske vode (35 g/L soli) je približno 3-15 MJ/m<3>, uz vraćanje od 0 do 100%. Ovo podrazumeva da je utrošak energije postupaka desalinacije, koji su zasnovani na destilaciji, određen je brojem ponavljanja i gubitkom egzergije, kojima se može povratiiti toplota isparavanja (približno 2326 MJ/m<3>). Ovo određuje ciklus procesa i zahtevana pogonska sila za isparavanje/transport mase.

Specifični utrošak enegije u takvom procesu je uglavnom određen zahtevanom pogonskom silom (zagrevanje toka koji treba da se ispari), kapacitetom apsorpcije toplote toka koji treba da se ispari, i gubitkom primljene toplote iz toka retentata u tok koji treba da se ispari. Dakle, naročito su značajni prenos mase

(ovaj određuje zahtevanu pogonsku silu), prenos toplote (naročito primljene toplote) i dizajn ciklusa procesa/modula.

Nađeno je da minimalno deset segmenata modula daje virtuelno idealan protivstrujni protok. Upotrebom vazdušnog zazora (koji uzima u obzir transport preko distancera) ukupan gubitak toplote (tj. transport primljene toplote) se može ograničiti na manje od 10% od latentne toplote (preko transporta mase). Za ukupni koeficijent pronosa mase od 0,06 m/s (vrednosti i do 0,12 m/s su merene za prodiranje vodene pare kroz polipropilenska šuplja vlakna), mogući su protoci destilata i do 7 Um<2>/h, uz razlike temperature manje ili jednake 2°C. Za modul konstruisan u skladu sa ovim pronalaskom, sa gubitkom primljene toplote od 10%, toplotni bilans pri razlici temperatire od 2°C daje povraćaj toplote od 10,6% i specifični utrošak energije 82 MJ/m<3>(toplotni kapacitet morske vode 4,2 MJ/(m<3>K); entalpija isparavanja 2326 MJ/m<3>). U ovom kontekstu izuzetno je važno isto tako da se primljena toplota povrati iz toka destilata, a dizajn modula omogućava da destilat ostavlja modul na temperaturi jednakoj ili nižoj od temperature toka retentata. Takođe, korišćenjem vakuuma u segmentima modula može se znatno povećati i prenos mase, a relativni gubitak primljene toplote još sniziti. Ovo omogućava da moduli rade u skladu sa ovim pronalaskom pri vrto niskoj pogonskoj sili (razlici temperature), a time i sa niskim utroškom energije.

Slika 2 pokazuje varijantu postupka koji je gore opisan u kojoj je zaostala toplota (po mogućnosti posle kondenzacije) pristupačna u tečnosti koja se treba ispustiti. Ova toplota se koristi ne samo za postizanje najviše temperature, nego se ova tečnost hladi u razmenjivaču toplote sa tokom retentata do temperature na kojoj se može ispustiti. Značajna prednost je u potpunijem iskorišćenju zaostale toplote (egzergije) i da se pogonska sila na dnu modula održava podizanjem razlike temperature, usled čega moduli ove vrste mogu biti izuzetno kompaktne i jevtine konstrukcije. Dopunjavajući realizaciju u skladu sa Slikom 1, postoji protočni kanal 11 u kome relativno topla tečnost, koja se dovodi kroz vod 12a, razmenjuje toplotu sa tokom retentata 3. Kao i u slučaju realizacije u skladu sa Slikom 1, ovo daje tok kondenzata 10. Broj modula, koji se na ovaj način konstruišu, može se staviti u niz, a tok retentata iz jednog modula 3, nakon što se ohladi pomoću toka rashladne vode 12b, koja teče protivstrujno u posebnom modulu 13, sa poroznom membranom 14 i uskim gasnim zazorom 15, uvodi se kao tok za napajanje 1 u naredni modul u kome se zaostala toplota koristi za zagrevanje toka retentata 3. Gasni zazor 15 je manji od 5 mm. U ovom slučaju, u modulu u kome se koristi rashladna voda kao medijum za razmenu toplote, generiše se takođe poseban tok kondenzata 10 .

Slika 3 pokazuje dijagramom treću realizaciju, u kojoj se delovi porozne membrane retentata 4a naizmenično smenjuju sa neporoznim membranama retentata 4b, i gde se kondenzat formira i neposredno uz neporozne membrane 2, koje ograničavaju tok za napajanje 1, i na neporoznim delovima 4b membrana retentata, koji ograničavaju tok retentata. I ovde je takođe pogodno da se generiše vakuum u modulu.

Slike 4 i 5 pokazuju realizaciju mogućeg segmenta modula, koji se može koristiti u realizaciji u skladu sa Slikama 1, 2 i 3. U ovom slučaju segment se sastoji od kvadratne cevi, čiji zidovi predstavljaju komore, snabdevene otvorom 16, naime komoru za distribuciju napajanja 17, za relativno hladan tok za napajanje 1, komoru za distribuciju ispuštanja 18, smešetnu nasuprot prethodne, za tok za napajanje 1 koji je u izvesnoj meri zagrejan, komoru za distribuciju napajanja 19, za topli tok retentata 3 i komoru da distribuciju ispuštanja 20, za tok retentata 3 koji je u izvesnoj meri ohlađen. Između komora 17 i 18 protežu se slojevi neporoznih šupljih vlakana 21, kojima tok za napajanje 1 teče iz komore 17 u komoru 18. Razvijena površina ovih vlakana je veća (1,2 do 6 puta, poželjno 2 do 3 puta veća) od poroznih vlakana ili listova 22. Uzgred, može postojati takođe nekoliko slojeva (na primer 2 - 4), kako bi se ostvarila još veća površina za kondenzaciju. Sloj poroznih vlakana 22, kroz koji se tok retentata 3 kreće iz komore 19 u komoru 20, prostire se između svakog narednog sloja (ili slojeva) šupljih vlakana 21. Na pomenutoj slici šuplja porozna vlakna 22 su pod uglom od 90° prema šupljim vlaknima 21, ali ovaj ugao može biti između 10 i 170°. Uzgred, sloj 22 se takođe može formirati kao obloga ravnih membrana, sa podesnim distancerom između, koji čini otovor protočnog kanala. Vlakna 21 i 22 se drže razdvojena pomoću visoko poroznog distancerskog sloja ili trake (poroznosti veće od 70%, poželjno veće od 90%), ispunjenog gasom (na primer vodenom parom ili inertnim gasom).

Svaki segment modula je opremljen sredstvima za spajanje (na primer priključni elementi ili jedinjenje smole), koji nisu pokazani, a pomoću kojih se isti može spojiti sa susednim segmentom, tako da je tok za napajanje u stanju da teče iz komore 18 ovog segmenta u komoru 17 narednog segmenta, a tok retentata je u stanju da teče iz komore 20 poslednjeg segmenta u komoru 19 prethodnog segmenta (videti takođe Sliku 6).

Zavisno od dizajna segmenta modula, komunikacioni otvori 16 mogu biti i na drugim mestima od onih koji su označeni na Slici 4. Broj segmenata modula (tipično 5 do 20) vezanih jedan za drugi formira jedan modul.

Slika 6 pokazuje dijagramom različite puteve protoka toka za napajanje 1, toka retentata 3 i toka kondenzata 10, kada se koristi prva realizacija, u skladu sa Slikom 1. Pokazano je na Slici 6, da su četiri segmenta modula, koji su prikazani radi jasnoće, razdvojeni jedan od drugog, a stvarno su spojeni jedan sa drugim. Tok za napajanje (na primer morska voda) prolazi kroz šupljine neporoznih vlakana 21, tok retentata 3 (na primer rastvor soli) kroz šupljine poroznih vlakana 22, a tok kondenzat/destilat/proizvoda (na primer desalinizovana voda) curi naniže kroz segmente modula. Posmatrajući modul kao celinu, tok za napajanje 1 i tok retentata 3 su protivstrujni jedan prema drugom (na crtežu tok 1 se kreće odozdo nagore, a tok 3 odozgo nadole). Pored toga, u ovom slučaju je tok kondenzat/destilata 10 protivstrujan toku 1, a unutar svakog segmenta modula protivstrujni su jedan prema drugom, tok za napajanje 1 i tok retentata 3 (poželjan ugao 90°, a može biti između 10 i 170°). Vakuum pumpa 24 je vezana za dno segmenta modula, sa ciljem da snizi utrošak energije, smanjivanjem relativnog gubitka primljene toplote, poveća prenos mase i pruži mogućnost rada sa vrlo niskom pogonskom silom (AT).

Slika 7 se razlikuje od Slike 6 po tome što se tok retentata takođe dovodi u razmenu toplote sa tokom zaostale toplote 12 u delovima segmenta modula 25. U stvari, ono što je bitno ovde je dalji razvoj modula, koji se koristi u realizaciji u skladu sa Slikom 2. U delovima segmenta 25 vlakna neporozne membrane za transport zaostale toplote i tok retentata se ukrštaju jedno prema drugom. Deo segmenta modula 25 može da formira celinu sa segmentom modula u kome se tok za napajanje 1 i tok retentata 3 uvode protivstrujno jedan prema drugom.

Slika 8 je dalji razvoj sheme protoka u skladu sa Slikom 3. Tok retentata je ukršten i sa tokom za napajanje i sa samim sobom (pošto se ohladi u razmenjivaču toplote sa tokom za napajanje). Radi jasnoće, na ovoj slici su pokazane moguće temperature retentata. Tok kondenzat/destilat/protzvod 10, na primer desalinizovane vode, dobija se i u modulu u kome su tok retentatata i tok za napajanje ukršteni jedan prema drugom, i u modulu u kome su tok retentata i protok retentata ukršteni jedan prema drugom.

Nađeno je da se korišćenjem ovog pronalaska pri malim razlikama napona pare između tokova za isparavanja i za kondenzovanje, na primer manjim od 0,1 bar, može proizvoditi sveža voda iz morske vode, uz specifični utrošak energije manji od 200 kJ/kg, to jest približno 4-8 puta manji od poznatih postupaka membranske destilacije.

Ovaj pronalazak je naročito podesan za desalinaciju morske vode. Postojeće tehnologije, kao što su višestepena fleš destilacija i inverzna osmoza, do maksimalne mere su virtuelno optimizirane, a zbog suviše velikog utroška energije i suviše visokog nivoa investicija po jedinici proizvoda, one su suviše skupe, u poređenju sa tehnikama proizvodnje prečišćavanjem. Upotrebom ovog pronalaska postižu se spektakularni rezultati u pogledu visokih protoka, niskih gubitaka toplote, vrlo niskog utroška energije, visokog regenerisanja vode, dobrog kvaliteta vode i proboja u troškovima proizvodnje vode. Ovaj postupak je podesan za upotrebu na relativno niskim temperaturama (toplota niskog intenziteta, otpadna toplota, kolektori solame toplote itd.). Predviđa se suštinsko poboljšanje energetske efikasnosti, naročito u sluičaju proizvodnje u malim razmerama.

Claims (13)

1. Postupak za prečišćavanje tečnosti membranskom destilacijom, a naročito za proizvodnju desalinizovane vode iz morske vode ili slane vode ili procesne vode, koji se sastoji od: propuštanja relativno toplog toka isparljive tečnosti tj. toka (3) retentata iznad porozne membrane (4), prolaska pare kroz pore membrane na drugu stranu pomenute membrane, kondenzovanja pomenute pare na relativno hladnoj površini kondenzatora (2), dajući tok (10) destilata, a pomenuta površina kondenzatora formira neporoznu pregradu između toka (1) za napajanje koji treba da se prečisti, i pomenutog toka (10) destilata pri čemu je tok (1) za napajanje protiv-strujan sa tokom (3) retentata, tako da se znatan deo latentne toplote prenese preko pare na tok (1) za napajanje, između porozne membrane (4) i površine kondenzatora (2) je prisutan gasni zazor (5), širine manje od 5 mm, pritiska koji se održava u gasnom zazoru (5), koji je manji od atmosferskog pritiska,a viši od napona pare u toku (1) za napajanje naznačen time, što je poroznost e porozne membrane(4) veća od 0,7, gde se pod poroznošću podrazumeva odnos otvorene zapremine prema ukupnoj zapremini porozne membrane(4), razvijena površina površine kondenzatora (2) 1,2 do 6 puta, poželjno 2 do 3 puta, veća od razvijene površine porozne membrane (4), efektivna razlika lokalnih napona pare između toka (3) retentata i toka (10) kondenzata manja od 10 kPa (0,1 bar), poželjno manja od 5 kPa (0,05 bar), primljena toplota toka (10) destilata oslobođena razmenom toplote sa tokom (1) za napajanje i/ili tokom (3) retentata, poželjno sa tokom (3) retentata, relacija između poroznosti e membrane (4) odnosa S između razvijene površine kondenzatora i razvijene površine membrane, lokalne razlike napona pare D između retentata i napajanja, u kPa, širine L gasnog zazora, u cm, i odnosa P između apsolutnog pritiska u gasnom zazoru i lokalnog napona pare vode u retentatu, kao što sledi: i što je gubitak primljene toplote toka (3) retentata manji od 300 kJ/kg kondenzata (manje od 12% latente toplote), a specifični protok je veći od 0,5 kg (poželjno veći od 1,0 kg) kondenzata / m<2>membrane/ h / kPa razlike napona pare vode.

2. Postupak prema Zahtevu 1, naznačen time, što se korišćenjem izvesnog broja segmenata modula, povezanih jedan sa drugim, formira izvestan broj paralelno postavljenih poroznih kanala (22) retentata koji su odvojeni od pomenutog gasnog zazora (5) pomenutih neporoznih membrana (4) iz kanala (21) toka za napajanje, postavljenih pod uglom u odnosu na kanale (22) retentata.

3. Postupak prema Zahtevu 2, naznačen time, što je pomenuti ugao između kanala (22 i 21, respektivno) toka retentata i toka za napajanje, između 10 i 170°.

4. Postupak prema Zahtevima 2 ili 3, naznačen time, što su pore membrane (4, 22) veće od 0,1 pm.

5. Postupak prema jednom od prethodnih Zahteva, naznačen time, što su kanali (22) retentata napravljeni od hidrofobnog poroznog membranskog materijala.

6. Postupak prema jednom od prethodnih Zahteva, naznačen time, što su kanali (21) toka za napajanje napravljeni od hidrofobnog materijala koji je sa strane ispuštanja kondenzata, destilata prekriven ili obložen hidrofilnim materijalom.

7. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što su kanali (21) toka za napajanje napravljeni od hirofilnog materijala.

8. Postupak prema jednom od prethodnih Zahteva, naznačen time, što je širina gasnog zazora (5) između toka (3) retentata i kanala (21) toka za napajanje određena upotrebom hidrofobnog distancera, slabe toplotne provodljivosti, sa poroznošću koja je veća od 70%, poželjno veća od 90%.

9. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se gasni zazor (5) puni inertnim gasom, kao što je H2,C02,N2, poželjno He.

10. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se spoljašnji izvor energije, koja potiče od fosilnih goriva, solame toplote, toplote tla, zaostale/otpadne toplote iz velikog broja procesa itd., koristi u tečnom, gasovitom ili čvrstom obliku, za obezbeđivanje pogonske sile ovog postupka.

11. Postupak prema Zahtevu 10, naznačen time, što se za zagrevanje toka (13) retentata, ohlađenog isparavanjem, koristi takođe spoljašnji izvor energije, a tok (13) retentata se nazmenično dovodi u razmenu toplote sa tokom (12a) zaostale toplote i sa tokom za napajanje.

12. Postupak prema Zahtevu 12, naznačen time, što se tok retentata dovodi takođe u razmenu toplote sa tokom (12b) rashladne vode, pa se formira dodatni tok destilata.

13. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se koristi tok (3) retentata kao kondenzator, posle rashlađivanja odvođenjem toplote isparavanja u tok za napajanje i što se tokom (3) retentata napajaju kanali hermetični za paru, ukršetnim protokom istog toka (3) retentata za hlađenje, a destilat se formira i hlađenjem pomoću toka za napajanje i hlađenjem pomoću toka retentata.