CH689722A5

CH689722A5 - Anlage zum Trennen eines fliessfaehigen Rohstoffes in Teilstoffe.

Info

Publication number: CH689722A5
Application number: CH02477/95A
Authority: CH
Inventors: John Herman Stark
Original assignee: Straub Paul Werner Prof Dr Med
Priority date: 1995-09-01
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 1999-09-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Trennen eines fliessfähigen Rohstoffes in zwei Teilstoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden als "Rohstoffe", nicht wie üblich Primärstoffe sondern die als Ausgangsmaterialien benützten Stoffe, als "Teilstoffe" die daraus gewonnenen Endprodukte bezeichnet. Als "fliessfähig" werden Gase in einem Arbeitsbereich, in dem die Einflüsse der Kompressibilität vernachlässigbar sind, Flüssigkeiten beliebiger Viskosität und Granulate betrachtet. Die in den Rohstoffen und in den Teilstoffen vorhandenen Komponenten können Gemische, Lösungen oder ggfs. Verbindungen bilden.

In der chemischen und der medizinischen Verfahrenstechnik besteht häufig der Wunsch, einen Rohstoff, welcher eine erste Komponente und eine in einer bestimmten Konzentration in der ersten Komponente vorhandenen zweite Komponente enthält, so zu trennen, dass die beiden Komponenten rein anfallen. Da dies mit einem vernünftigen technischen Aufwand häufig nicht möglich ist, begnügt man sich im allgemeinen damit, den Rohstoff in zwei Teilstoffe zu trennen, in welchen die zweite Komponente in möglichst unterschiedlichen Konzentrationen in der ersten Komponente vorhanden ist, und zwar derart, dass diese Konzentration im der ersten Teilstoff möglichst tief und im der zweiten Teilstoff möglichst hoch ist.

Wenn man im allgemeinen auch bestrebt ist, jeden der beiden Teilstoffe möglichst rein zu erhalten, so gibt es doch Fälle, in denen man primär oder ausschliesslich daran interessiert ist, den einen der Teilstoffe in reiner Form zu gewinnen, während man den anderen Teilstoff als Abfallprodukt betrachtet.

Ein Beispiel dafür bildet die Gewinnung reinstmöglichen Wassers zur Verwendung im medizinischen, insbesondere nephrologischen Bereich.

Ein anderes Beispiel eines solchen Vorganges ist die Gewinnung von Natriumchlorid aus Meerwasser. Dabei ist das Interesse darauf gerichtet, den einen Teilstoff, nämlich das Natriumchlorid, möglichst rein bzw. in einer höchstmöglich konzentrierten Sole zu erhalten; der zweite Teilstoff, also das zurückbleibende Wasser, das Salz in einer weit geringeren Konzentration enthält als die Sole, kann als Abfallprodukt betrachtet werden.

Mit einem prinzipiell gleichen Verfahren erhält man Trinkwasser durch Entsalzung von Rohwasser. Das Rohwasser kann hierbei Süsswasser mit verschiedenen Salzen oder Meerwasser sein, wobei das Wasser die erste Komponente und das bzw. die Salze die zweite Komponente bilden. Erwünscht ist in diesem Falle vor allem, dass der erste Teilstoff, nämlich das Wasser, möglichst rein anfällt.

Der zweite Teilstoff ist eine Salzsole, in der das Natriumchlorid in wesentlich höherer Konzentration vorhanden ist als im Rohstoff; diese Sole kann gewissermassen als verwertbares Abfallprodukt des Prozesses betrachtet werden.

Während nämlich bei der früher erwähnten Aufbereitung von Rohwasser für medizinische Zwecke lediglich das Wasser als Produkt interessiert, wogegen die anfallenden Salze reiner Abfall sind, bietet sich bei der Aufbereitung von Meerwasser die wirtschaftlich interessante Lösung an, durch einen Prozess zwei Produkte und praktisch keinen Abfall zu erhalten, indem man als ersten Teilstoff Wasser und als zweiten Teilstoff Natriumchlorid, d.h. Kochsalz, gewinnt.

Anlagen zur Aufbereitung von Wasser durch Entsalzung sind für zahlreiche Verwendungszwecke und in verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Sie weisen aber verschiedenste Nachteile auf, die im folgenden beschrieben werden.

Herkömmliche Anlagen zur Aufbereitung von Brauch- oder Trinkwasser aus Rohwasser, worunter salzhaltiges Süsswasser sowie Meerwasser verstanden werden soll, durch Entsalzung benötigen sehr viel Energie. Diese Anlagen lassen sich daher meist nur dann wirtschaftlich betreiben, wenn eine Wärmerückgewinnung stattfindet. Dabei ergibt sich häufig das Problem, dass der Bedarf an Wasser einerseits und Wärme anderseits zeitlich nicht zusammenfallen. Selbst wenn dieses Problem gelöst werden kann, so bleibt als weiterer Nachteil der Anlagen mit Wärmerückgewinnung bestehen, dass sie apparativ sehr aufwendig und nur als Grossanlagen rationell erstellbar und betreibbar sind. Grossanlagen wiederum bedingen ein gutausgebautes Leitungsnetz, um das Wasser von der Anlage zum Verbraucher zu bringen.

Ausserdem arbeiten Grossanlagen kontinuierlich, was wiederum nur sinnvoll ist, wenn das aufbereitete Wasser wenigstens einigermassen kontinuierlich verbraucht wird. Die herkömmlichen Grossanlagen können daher nur unter besonders günstigen Bedingungen zum Einsatz gelangen. In vielen Fällen, in denen diese Bedingungen nicht erfüllt sind, wird dennoch aufbereitetes Wasser benötigt. Um dieses Wasser zu erhalten, möchte man über eine Anlage verfügen, die in rationeller Weise, ohne zu grossen Energiebedarf, ohne die Notwendigkeit der Wärmerückgewinnung und ggfs. ohne Verteilungsnetz eine kontinuierliche oder zeitweilige Aufbereitung und Verteilung grösserer oder kleinerer Wassermengen erlaubt. Beispiele dafür sind Anlagen zur Gewinnung von Wasser für einzelne Industrieobjekte, für medizinische Zwecke, zur Speisung von Brunnen in Notsituationen oder in Entwicklungsländern.

Zwar ist in der CH 669 823 A5, welche einen Doppelkonus als Vorrichtung zur teilweisen Erzeugung und zur Nutzbarmachung einer Druckdifferenz beschreibt, die Möglichkeit einer Anlage der eingangs genannten Art erwähnt. Diese Anlage hat allerdings keine wirtschaftlich bedeutende Verbreitung gefunden, einerseits, weil sie in der erwähnten CH 669 823 A5 nur unzureichend beschrieben ist und anderseits weil sie konstruktiv verhältnismässig aufwendig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird somit darin gesehen, eine Anlage der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Anlagewerden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.

Erfindungsgemäss ist die Anlage so ausgebildet, dass die Trenneinrichtung zum Trennen des Rohstoffes in die beiden Teilstoffe im Druckbehälter angeordnet ist. Damit erspart man sich separate Druckbehälter zur Aufnahme der Trenneinrichtung sowie die entsprechenden Druckleitungen zur Verbindung des Druckbehälters mit der separaten Trenneinrichtung.

Der Aufbau und die Wirkungsweise der Doppelkonuseinrichtung der erfindungsgemässen Anlage sowie weiterer Doppelkonen, die in bevorzugten Weiterbildungen der erfindungsgemässen Anlage zur Verwendung gelangen, sind bekannt und werden daher hier nur kurz beschrieben. Es handelt sich dabei um eine Einrichtung, welche im wesentlichen aus einem sich in Strömungsrichtung verengenden Eintrittskonus und einen daran anschliessenden sich in Strömungsrichtung wieder erweiternden Austrittskonus besteht. Die \ffnungswinkel beider Konen bewegen sich maximal in einem Bereich, der 10 Winkelgrad nicht wesentlich überschreitet. Der engste Querschnitt der Einrichtung liegt an der Stelle, an welcher der Eintrittskonus und der Austrittskonus aufeinandertreffen.

Der Druckverlauf ist so, dass der Druck im Eintrittskonus stetig abnimmt und anschliessend im Austrittskonus stetig wieder zunimmt, wobei der minimale Druck bzw. der maximale Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck in der Umgebung des engsten Querschnitts oder im engsten Querschnitt selbst herrscht. Dieser Unterdruck kann nutzbar gemacht werden, indem man eine Zufuhrleitung zum Doppelkonus, also eine Verbindungsleitung zu einem Behälter, aus welchem Materie angesaugt werden soll, im Bereich des engsten Querschnitts anschliesst.

Zur Vermeidung einer assymetrischen Wirkung auf die Strömung, wie sie infolge eines Direktanschlusses eintreten würde, sowie aus konstruktiven Gründen ist vorgesehen, im Bereich des engsten Querschnitts, also beim Übergang des Eintrittskonus in den Austrittskonus, ein zylindermantelförmiges Rohrteil anzuordnen, das die Konen über eine bestimmte Länge umgibt und mit deren inneren Wandungen zusammen eine hohlzylinderähnliche Einström- und Verteilkammer bildet. Der Durchmesser des Rohrteils ist zu diesem Zweck grösser ist als die Durchmesser der kleinsten Endflächen der beiden Konen und seine Länge entspricht mindestens annähernd seinem Durchmesser.

Innerhalb dieses Rohrteils werden die beiden Konen beabstandet, was dadurch geschehen kann, dass beispielsweise der Austrittskonus an seinem engen Ende um einen kleinen Teil beschnitten wird, dessen axiale Länge natürlich kleiner ist als die Länge des Rohrteils. Ein solcher Doppelkonus ermöglicht nicht nur eine einfache Messung, Berechnung und Darstellung der Strömungsverhältnisse sowie eine gute Über einstimmung von gemessenen und berechneten Daten innerhalb eines weiten Anwendungsbereiches, sondern er arbeitet auch mit einem wesentlichen höheren Wirkungsgrad als ähnliche Einrichtungen wie beispielsweise ein herkömmliches Venturirohr. Der Wirkungsgrad ist dem Verhältnis zwischen der Differenz von Eintritts- und Minimaldruck und dem Druckabfall der gesamten Einrichtung proportional.

Da der gesamte Druckabfall im wesentlichen von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, bedeutet ein höherer Wirkungsgrad, dass bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit die Druckdifferenz zwischen dem Eintrittsquerschnitt des Eintrittskonus und dem engsten Querschnitt höher ist als bei den erwähnten vorbekannten Einrichtungen. Infolge dieser höheren Druckdifferenz erreicht man eine verbesserte Ansaugwirkung im engsten Querschnitt. In der Anlage nach der Erfindung wird ein solcher Doppelkonus erfindungsgemäss zum Ansaugen des Rohstoffes vorgesehen; einer oder mehrere Doppelkonen dieser Art können ausserdem in vorteilhaften Weiterbildungen der erfindungsgemässen Anlage Verwendung finden, wie dies später beschrieben wird.

Das Leitungssystem der erfindungsgemässen Anlage kann offen sein. Gemäss späterer Beschreibung eignet sich aber ein im wesentlichen geschlossenes Leitungssystem für bestimmte Anwendungen besonders. Unter "geschlossen" soll verstanden werden, dass das Leitungssystem eine Zirkulation in konstanter Strömungsrichtung erlaubt, aber auch mindestens einen Einlass für den Rohstoff und jeweils mindestens einen Auslass für die beiden Teilstoffe besitzt. Ein geschlossenes Leitungssystem besitzt bei einer Anlage gemäss der Erfindung gegenüber einem offenen Leitungssystem mehrere Vorteile, insbesondere lässt sich damit der erforderliche Betriebsdruck in verhältnismässig energiesparender Weise erzeugen.

Der Energieverbrauch des Verdichters ist nämlich verhältnismässig gering, da infolge der Anordnung des Doppelkonus der notwendige Betriebsdruck im Leitungssystem auch mit einer schwachen Verdichterleistung erzeugt und gehalten wird. Der benötigte Verdichter muss nicht die Druckdifferenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem verhältnismässig hohen Betriebsdruck liefern, sondern nur eine Druckdifferenz, die um ein weniges höher ist als der Druck verlust im geschlossenen Leitungssystem. Beim Aufstarten der Anlage erreicht man daher nicht sofort den Betriebsdruck, da die Verdichterleistung den Druckabfall nur um ein weniges übertrifft. Weil sich aber die den Druckabfall im Leitungssystem übersteigenden Anteile der Verdichterleistung kumulieren, wird nach einiger Zeit der Betriebsdruck erreicht. Von dann an muss der Verdichter nur noch den Druckabfall im Leitungssystem überwinden.

Der Verdichter bewirkt also einen verhältnismässig kleinen Anstieg des Druckes, jedoch nicht vom Umgebungsdruck auf einen kleinen Überdruck, sondern von dem um den Druckverlust im Leitungssystem verminderten Betriebsdruck auf den Betriebsdruck. Es liegt auf der Hand, dass diese Anordnung zahlreiche Vorteile mit sich bringt. Insbesondere sind die Anlage- und Energiekosten des Verdichters verhältnismässig tief, da ein Verdichter mit einer geringen Leistungsaufnahme genügt. Im weiteren wird infolge der geringen zum Betrieb des Verdichters benötigten Energie auch die zu erwartende Wärmeentwicklung in Grenzen gehalten, was sich wiederum vorteilhaft auf die Durchführung des Prozesses auswirkt. An dieser Stelle sei noch beigefügt, dass die Begrenzung des Druckes im Leitungssystem durch die Steuerung der entnommenen Menge mindestens eines der Teilstoffe geschehen kann.

Als Trenneinrichtung kann eine beliebige geeignete Trenneinrichtung, beispielsweise eine Einrichtung mit einem Ionenaustauscher, vorgesehen sein. Solche Ionentauscher-Einrichtungen wurden bisher trotz der unangenehmen Wartungsarbeiten häufig deshalb benutzt, weil zu ihrem Betrieb kein hoher Druck erforderlich ist, so dass die Anlage- und Energiekosten nicht übermässig sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Anlage benützt man als Trennverfahren die Umkehr-Osmose, wobei mit Vorteil der erwähnte Doppelkonus so ausgelegt wird, dass nicht nur sein Minimaldruck zur Ansaugung des Rohstoffes reicht, sondern auch sein Austrittsdruck so hoch ist, dass er die Trennung durch Umkehr-Osmose ermöglicht.

Das Umkehr-Osmose-Trennverfahren wurde nämlich bisher meist vermieden, weil es verhältnismässig hohe Drücke und dadurch einen grossen Energieverbrauch im Verdichter notwendig machte. Dieser hohe Energieverbrauch lässt sich bei der erfin dungsgemässen Anlage mindestens teilweise vermeiden, wenn die Anlage - wie im vorigen Abschnitt beschrieben - ein geschlossenes Leitungssystem besitzt. Es sei noch hinzugefügt, dass eine Trennung nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose prinzipiell auch bei einer Anlage mit einem offenen Leitungssystem möglich ist, wobei aber der eben beschriebene Vorteil des geringen Energieverbrauchs wegfällt.

Für die Anordnung der verschiedenen Aggregate im Leitungssystem kommen mehrere Reihenfolgen in Betracht. Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage wird die Doppelkonuseinrichtung zwischen dem Verdichter und dem Druckbehälter angeordnet, so dass der Verdichter stromaufwärts des Doppelkonus liegt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage befindet sich der Verdichter zwischen dem Doppelkonus und dem Druckbehälter, also stromabwärts der Doppelkonuseinrichtung. Mit einer solchen Anordnung lassen sich höhere Drücke in der Trennvorrichtung erreichen als mit einer Anlage, in welcher der Verdichter stromaufwärts der Doppelkonuseinrichtung liegt. Der Grund dafür liegt darin ist, dass der infolge der Doppelkonuseinrichtung auftretende Druckverlust stromabwärts der Trenneinrichtung, also bei einem tieferen Druck, eintritt. Der Nachteil, mit dem diese Anordnung behaftet ist, wirkt sich nur beim Beginn des Aufstartens der Anlage aus, wenn der Verdichter nur mit Mühe die benötigte Menge des Rohstoffes ansaugen kann.

Sobald der Druck im Leitungssystem etwas grösser ist, tritt der weiter oben beschriebene Effekt der Druckerhöhung mit Hilfe der Doppelkonuseinrichtung auf und der benötigte Betriebsdruck wird erstaunlich rasch erreicht.

Die Doppelkonuseinrichtung ist in ihrer einfachsten Ausführung so aufgebaut, dass sie einen einzigen Doppelkonus zum Ansaugen der Rohmasse besitzt.

Je nach den Erfordernissen kann aber zum Ansaugen des Rohstoffes eine Doppelkonuseinrichtung vorgesehen sein, welche mehrere Doppelkonen besitzt, wobei diese Doppelkonen seriell oder parallel im Leitungssystem angeordnet sein können. Dadurch ist es möglich, Doppelkonen unter den für sie optimalen Bedingungen einzusetzen. Abschaltbare parallelgeschaltete oder umgehbare seriegeschaltete Doppelkonen schaffen ausserdem die Möglichkeit der Anpassung an wechselnde Bedürfnisse bezüglich der Erzeugung der Teilstoffe.

Gelegentlich ist es erwünscht, nicht nur den Rohstoff sondern auch einen ebenfalls fliessfähigen Zusatzstoff anzusaugen. Dazu kann die erfindungsgemässe Anlage durch einen weiteren Doppelkonus ergänzt werden. Als Zusatzstoffe kommen je nach den in der Anlage verarbeiteten Rohstoffen und den Ansprüchen an die daraus gewonnen Teilstoffe verschiedenste Stoffe in Frage, inbesondere bakteriostatische Mittel, ferner in einem der Teilstoffe erwünschte Stoffe sowie ggfs. katalytisch wirkende Stoffe.

Um den Nutzeffekt der erfindungsgemässen Anlage zu steigern, kann es in gewissen Fällen vorteilhaft sein, eine weitere Trenneinrichtung im Leitungssystem vorzusehen, sowie mindestens einen weiteren Auslass für den in dieser weiteren Trenneinrichtung gewonnenen weiteren Teilstoff. Die weitere Trenneinrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie einen beträchtlichen Anteil des zu entnehmenden Teilstoffes liefert. Sie kann auch so ausgebildet sein, dass sie den Teilstoff in einer anderen Konzentration liefert als die erstgenannte Trenneinrichtung oder dass sie ein weitere Komponente aus der zirkulierenden Masse ausscheidet.

Die weitere Trenneinrichtung muss nicht von gleicher Art sein wie die erstgenannte Trenneinrichtung, sie muss also keine nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose arbeitende Trenneinrichtung sein. Von der Vielzahl möglicher Trenneinrichtungen sollen hingegen die für gewisse Fälle vorteilhaften Zentrifugaltrenneinrichtungen genannt sein.

Insbesondere kann als weitere Trenneinrichtung eine weitere Dop pelkonuseinrichtung der schon beschriebenen Art verwendet werden.

Wie schon erwähnt, erfolgt die Steuerung des Druckes im Leitungssystem bzw. die Begrenzung des Druckes auf den dem jeweiligen Betriebszustand entsprechenden Betriebsdruck durch Steuerung der Menge mindestens eines der Teilstoffe im zugehörigen Auslass. Zu diesem Zwecke kann in diesem Auslass eine übliche Schieber- oder Drehventileinrichtung vorgesehen sein. Der Auslass kann auch so aufgebaut sein, dass sie einen weiteren Doppelkonus der schon mehrfach beschrieben Art enthält.

Die erfindungsgemässe Anlage kann mit einer weiteren, im wesentlichen gleichen Anlage so zusammengeschaltet werden, dass eine zweistufige Trennung erfolgt, mittels welcher einer der beiden Teilstoffe weiter getrennt wird. Um dies zu erreichen, wird eine Verbindungsleitung vorgesehen, durch welche der weiter zu trennende Teilstoff von einer Doppelkonuseinrichtung der weiteren Anlage angesaugt wird. Mit einer noch weiteren Anlage lässt sich in gleicher Weise auch der andere der beiden Teilstoffe weiter trennen.

Der im Leitungssystem angeordnete Verdichter kann aus einer Vielzahl möglicher Verdichter ausgewählt werden, wobei u.A. den Mengen und Eigenschaften der zu fördernden Stoffe sowie dem zu erreichenden Druck Rechnung getragen werden muss. Offensichtlich ist im Hinblick auf die beabsichtigte Kontinuität des in der Anlage durchgeführten Prozesses ein kontinuierlich arbeitender Verdichter einem taktweise arbeitenden vorzuziehen. Anstelle der üblicherweise für Flüssigkeiten verwendeten elektrisch angetriebenen Kreiselpumpen empfiehlt sich für bestimmte Fälle eine Verdichtung unter Ausnützung elektromagnetischer Energie.

Weitere vorteilhafte Eigenschaften der erfindungsgemässen Anlage werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 einen Doppelkonus zur Verwendung in der erfindungsgemässen Anlage;
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage, in einem vereinfachten Schema;
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage, in einem vereinfachten Schema;
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anlage, ebenfalls in einem vereinfachten Schema; und
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen in aus Meerwasser gewonnenem Süsswasser und Sole, in einem Diagramm.

Fig. 1 zeigt einen vorbekannten Doppelkonus 10, wie er in der erfindungsgemässen Anlage in Doppelkonuseinrichtungen zur Verwendung kommt. Die Strömungsrichtung ist mit einem Pfeil 19 bezeichnet. Der Doppelkonus 10 weist einen in Strömungsrichtung konvergierenden Eintrittskonus 12 und einen an diesen anschliessenden, in Strömungsrichtung divergierenden Austrittskonus 14 auf. Die \ffnungswinkel des Eintrittskonus 12 und des Austrittskonus 14 liegen in einem Bereich von minimal ca. 1 Winkelgrad und maximal ca. 10 Winkelgrad. Grössere \ffnungswinkel sind möglich, aber im Hinblick auf den Wirkungsgrad des Doppelkonus 10 nicht empfehlenswert.

Der Austrittskonus 12 ist an seinem stromaufwärts gelegenen Ende um einen Abschnitt mit der axialen Länge 1 beschnitten, so dass die effektive Eintrittsfläche des Austrittskonus 12 um die Strecke 1 von der Austrittsfläche des Eintrittskonus abgerückt ist. Der Doppelkonus ist im Bereich seines engsten Querschnittes, d.h. im Bereich des Überganges vom Eintrittskonus 12 zum Austrittskonus 14, von einem zylindrischen Rohrteil 16 umgeben, dessen Durchmesser jedenfalls grösser ist als der grösste Durchmesser des von ihm eingeschlossenen Abschnitts des Doppelko nus 10. Der Raum zwischen den Wandungen des Eintrittskonus 12 sowie des Austrittskonus 14 einerseits und dem Rohrteil 16 anderseits bildet eine etwa hohlzylinderförmige Einström- und Verteilkammer 18.

In diese mündet eine Verbindungsleitung 20, welche den Doppelkonus 10 mit einem nicht dargestellten Aggregat verbindet, aus welchem infolge des Unterdruckes, der im Bereich des engsten Querschnitts der Doppelkonus 10 herrscht, fliessfähiger Stoff angesogen wird, sobald der Doppelkonus 10 durchflossen wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Anlage 100 ist zum Entsalzen von Meerwasser vorgesehen, kann aber selbstverständlich auch zu anderen Zwecken gebraucht werden, wobei ggfs. eine andere als die weiter unten beschriebene Trenneinrichtung vorzusehen ist. Die Anlage 100 weist als Doppelkonuseinrichtung einen Doppelkonus 11 auf, der in einem geschlossenen Leitungssystem 22 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung ist mit Pfeilen bezeichnet. Stromaufwärts des Doppelkonus 11 ist als Verdichter eine Pumpe 24, im vorliegenden Fall eine Kreiselpumpe, angeordnet. Die Pumpe 24 muss, wie eingangs erläutert, so ausgelegt sein, dass sie eine verhältnismässig geringe Druckdifferenz erzeugen kann.

Zugleich muss sie bezüglich Festigkeit und Dichtungsanordnungen so beschaffen sein, dass sie unter hohem Betriebsdruck, den sie - wie erwähnt - nicht erzeugen muss, dem sie aber ausgesetzt ist, einwandfrei arbeitet. Stromabwärts des Doppelkonus 11 ist ein Druckbehälter 26 angeordnet, in welchem eine Trenneinrichtung 28 aufgenommen ist. Die Trenneinrichtung 28 ist eine nach dem Prinzip der Umkehr-Osmose arbeitende Trenneinrichtung. Die Umkehr-Osmose hat sich bezüglich ihrer Effizienz und Adaptabilität als besser erwiesen als die bisweilen verwendeten Multi-Flash-Verfahren. Diese letzteren werden noch gebraucht in Fällen, in denen eine grosse Wärmemenge verbraucht werden soll.

Die Trenneinrichtung 28 weist ein filterartiges Element auf, beispielsweise ein Umkehr-Osmose-Element bzw. eine Umkehr-Osmose-Membrane, z.B. der Firma FILMTEC, Minneapolis/USA, einer Tochterfirma der DOW Chemical. Wenn auch das Leitungssystem 22 als geschlossen bezeichnet wird, so weist es gleichwohl eine Zufuhrleitung 30 - welche im allgemeinen ver schiedene nicht dargestellte Filtereinrichtungen für körperhafte Verunreinigungen enthält - für einen Rohstoff R, im vorliegenden Fall Meerwasser, sowie einen ersten Auslass 32 für einen ersten Teilstoff T1, im vorliegenden Fall hinreichend entsalztes Trinkwasser, und einen zweiten Auslass 34 für einen zweiten Teilstoff T2, im vorliegenden Fall Sole, auf. Im Meerwasser, d.h. im Rohstoff R, ist eine erste Komponente K1, nämlich reines Wasser, und darin gelöst eine zweite Komponente K2, nämlich Natriumchlorid, enthalten.

Der erste Teilstoff T1 würde im Idealfall nur aus der Komponente K1 bestehen, während der zweite Teilstoff T2 offensichtlich stets die Komponenten K1 und K2 enthält. Andere im Meerwasser enthaltene Salze werden in der vorliegenden Beschreibung der Erfindung vernachlässigt. Der Auslass 34 besitzt zur Entnahme des Teilstoffes T2 aus dem Leitungssystem 22 eine Schieber- oder Ventileinrichtung 36, welche auch zur Begrenzung des Betriebsdruckes in der Anlage 100 dient.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Anlage 100 beschrieben. Bei Inbetriebnahme der Pumpe 24 wird infolge des im Doppelkonus 11 entstehenden Unterdruckes Rohstoff R durch die Zufuhrleitung 30 angesaugt, worauf sich in kurzer Zeit der gewünschte Betriebsdruck aufbaut. Der Rohstoff R, vermischt mit dem im Leitungssystem 22 vorhandenen Stoff, strömt zum Druckgefäss 26, wo er mittels der Trenneinrichtung 28 in die Teilstoffe T1 und T2 getrennt wird, indem unter dem herrschenden Druck der Teilstoff T1, nicht aber der Teilstoff T2 durch die Umkehr-Osmose-Membrane der Trenneinrichtung 28 gepresst wird. Der Teilstoff T1 wird durch den Auslass 32, der Teilstoff T2 durch den Auslass 34 dem Leitungssystem 22 entnommen, wodurch gleichzeitig der Druck im Leitungssystem 22 begrenzt wird.

Fig. 3 zeigt eine Anlage 200, die ebenfalls zur Entsalzung von Meerwasser konzipiert ist, die aber, wie schon die Anlage 100 der Fig. 2, auch zu anderen Trennvorgängen verwendet werden kann. Für die einzelnen Teile werden in Fig. 3 und im weiteren Verlauf dieser Beschreibung auch in Fig. 4 die gleichen Überweisungszeichen wie in Fig. 2 verwendet, was aber nicht bedeutet, dass die Teile der verschiedenen Anlagen konstruktiv identisch sein müssen.

Die Anlage 200 unterscheidet sich von der Anlage 100 in zwei Punkten: zum einen ist der Verdichter 24 nicht stromaufwärts sondern stromabwärts des Doppelkonus 11 angeordnet, wobei die Vorteile dieser Anordnung bereits beschrieben worden sind; zum anderen weist die Anlage 200 eine zusätzliche Trenneinrichtung 38 auf, welche nach dem Prinzip der Zentrifugaltrennung arbeitet und den im Leitungssystem 22 vorhandenen Teilstoff T2 weiter trennt, so dass durch den Auslass 34 ein Teilstoff T22 aus dem Leitungssystem 22 abgezogen wird, in welchem die zweite Komponente K2 in höherer Konzentration in der Komponente K1 vorhanden ist als im Teilstoff T2, der nach Entnahme des Teilstoffs T1 im Leitungsnetz vor der zweiten Trenneinrichtung 38 verblieben war. Die Wirkungsweise der Anlage 200 ist im übrigen gleich wie die Wirkungsweise der Anlage 100.

In Fig. 4 ist eine weitere Anlage 300 zur Entsalzung von Meerwasser dargestellt. Auch bei dieser Anlage ist der Verdichter 24 stromabwärts des Doppelkonus 11 angeordnet. Die Anlage 300 weist einen weiteren Doppelkonus 41 auf, welcher dazu dient, über eine weitere Zufuhrleitung 42 einen Zusatzstoff X anzusaugen.

Zusatzstoffe können sich aus verschiedenen Gründen als notwendig oder nützlich erweisen, sei es, um den Wirkungsgrad der Trenneinrichtung zu verbessern, Bakterien zu bekämpfen oder einem der Teilstoffe etwas beizusetzen, wofür als Beispiel das Fluorieren von Trinkwasser genannt sein soll; bei der Verwendung erfindungsgemässer Anlagen zur Konzentation von Proteinen oder anderen Stoffen können auch biochemisch wirksame Zusatzstoffe, Bakterien und ggfs. sogar Viren als Zusatzstoffe in Frage kommen.

Der Doppelkonus 41 ist in paralleler Anordnung zum Doppelkonus 11 im Leitungssystem 22 angeordnet, aber auch eine serielle Anordnung wäre denkbar. Die Tatsache, dass das Leitungssystem 22 geschlossen ist, erlaubt eine rationelle Beigabe des Zusatzstoffes X. Die Anlage 300 weist einen noch weiteren Doppelkonus 51 auf, aus welchem der Auslass 34 für den Teilstoff T2 mündet. Durch Re duktion der den Doppelkonus 51 durchströmenden Menge wird der Druck in seinem Halsteil unter den Umgebungsdruck gesenkt, so dass der Teilstoff T2 dorthin fliesst. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Anlage 300 einfach und sicher steuerbar ist, ohne dass eine aufwendige Druckreduziervorrichtung vorgesehen werden muss.

In der folgenden Tabelle sind Messwerte wiedergegeben, wie sie beim Betrieb einer Anlage 300 gemäss Fig. 4 zur Entsalzung von Meerwasser ermittelt wurden. Verwendet wurden u.A. drei gleiche symmetrische Doppelkonen 11, 41, 51, wobei der Durchmesser des engsten Querschnitts 5 mm, der Durchmesser des Eintrittsquerschnitts 36 mm und die Gesamtlänge 55 mm betrug. Die Trenneinrichtung 28 enthielt ein Umkehr-Osmose-Element für Meerwasser der Firma DOW Chemical, Model SW 8040-HR RO Module. Als Verdichter 24 wurde eine Zirkulationspumpe BIRAL, 4 kW, Typ HPC 4-32-19 für 2 L/sec bei 9,5 bar eingesetzt.

Es wurde Meerwasser in fünf verschiedenen Konzentrationen (gm/L) von NaCl gelöst in deionisiertem Wasser bei einer Temperatur von 35 Grad C entsalzt und daraus Sole und daraus Sole und Trinkwasser gewonnen.
<tb><TABLE> Columns=6 Tabelle
Entsalzen von Meerwasser zur Gewinnung von Sole und Trinkwasser
<tb>Head Col 1: Meerwasser
<tb>Head Col 2: Sole
<tb>Head Col 4 to 5 AL=L: Trinkwasser
<tb>Head Col 6 AL=L: Druck
<tb>Head Col 3: Konzentration
(gm/L)
<tb>Head Col 4: Konzentration
(gm/L)
<tb>Head Col 5: Menge
(L/h)
<tb>Head Col 6: Konzentration
(gm/L)
<tb>Head Col 7:

Menge
(L/h)

Die in der Tabelle festgehaltenen Messergebnisse werden im folgenden mit einigen entsprechenden Werten vorbekannter Verfahren verglichen.

Herkömmlicherweise wurde eine gewisse Menge R an Rohstoff, also Meerwasser, unter hohem Druck direkt in eine Umkehr-Osmose-Einheit gepumpt, mit dem Ergebnis, dass nur 1/8 der Menge R als Teilmenge T1 in Form von Trinkwasser gewonnen wird, während 7/8 des Rohstoffs R als Teilmenge T2 in Form von Sole und damit gewissermassen als Abfallprodukt anfallen. Mit der erfindungsgemässen Anlage wird es möglich, dieses Abfallprodukt zu reduzieren. Der Verdichter 24 muss zwar so ausgelegt sein, dass er die Menge R des Rohstoffs fördern kann, er muss aber nicht einen Druckanstieg ausgehend vom Umgebungsdruck bis zum Betriebsdruck erzeugen, sondern nur den weit geringeren Druckanstieg, der jeweils nötig ist, um den im Leitungssystem 22, einschliesslich aller darin angeordneter Aggregate, entstehenden Druckverlust zu kompensieren.

Dieser erforderliche Druckanstieg ist geringer als 50% des Drucks, der - ausgehend vom Umgebungsdruck - für den Betrieb des Umkehr-Osmose-Elementes notwendig wäre. Dadurch sinkt der Energiebedarf, verglichen mit einer herkömmlichen Anlage, um mehr als 50%.

Betrachtet man im weiteren das Verhältnis der Teilstoffe T2/T1, also Sole/Wasser, so wird aus der Tabelle ersichtlich, dass dieses Verhältnis im schlechtesten Fall, nämlich bei einer Konzentration von 28 Gramm/Liter im Rohstoff 2,83 beträgt. In herkömmlichen Anlagen beträgt dieses Verhältnis wie schon erwähnt 7/1, so dass die mit der erfindungsgemässen Anlage in dieser Beziehung erreichte Verbesserung ebenfalls beträchtlich ist, da zur Gewinnung einer bestimmten Wassermenge T1 nur etwa 40% der Meerwassermenge R benötigt wird, das in einer herkömmlichen Anlage benötigt würde. Bei kleineren Salzkonzentrationen reduziert sich dieser Wert sogar auf 6%.

Über den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen in den Teilmen gen T1 und T2 bei Einschalten derselben Anlage, mittels welcher die obigen Messergebnisse ermittelt wurden, bei einer bestimmten Konzentration des Rohstoffes R, gibt das Diagramm der Fig. 5 Aufschluss. In diesem Diagramm sind die Zeit ab Einschaltzeit in sec als Abszisse und die Konzentration in gm/L als Ordinate aufgetragen. Die mittlere, mit r bezeichnete Kurve bzw. Gerade zeigt die Konzentration im Rohstoff R, also im Meerwasser, welche Konzentration im wesentlichen konstant ist und nur zur Verifizierung ermittelt wurde; die obere, mit t2 bezeichnete Kurve zeigt die Konzentration im Teilstoff T2, also in der Sole; die untere, mit t1 bezeichnete Kurve zeigt die Konzentration im Teilstoff T1, also im entstehenden Trinkwasser.

Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass schon nach ca. 300-360 sec, also nach 5-6 Minuten, das anfallende Trinkwasser hinreichend entsalzt ist.

Die erfindungsgemässe Anlage kann selbst bei kleinen Mengen und mässigen Betriebsdrücken von weniger als 30 bar problemlos und effizient betrieben werden. Bei Betriebsdrücken über 30 bar steigert sich die Effizienz beträchtlich.

Claims

1. Anlage zum Trennen eines fliessfähigen Rohstoffes (R), welcher eine erste Komponente (K1) und eine in einer bestimmten Konzentration in der ersten Komponente (K1) vorhandene zweite Komponente (K2) in Form einer Mischung oder Lösung enthält, in zwei Teilstoffe (T1, T2), in welchen die Komponenten (K1, K2) in verschiedenen Konzentrationen vorhanden sind, welche Anlage ein Leitungssystem (22) umfasst, in dem ein Verdichter (24), eine Doppelkonuseinrichtung (11) zum Ansaugen des Rohstoffes (R), ein Druckbehälter (26), eine Trenneinrichtung (28), ein erster Auslass (32) für den ersten Teilstoff (T1) und ein zweiter Auslass (34) für den zweiten Teilstoff (T2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Trenneinrichtung (28) innerhalb des Druckbehälters (26) befindet.

2.

Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem (22) im wesentlichen geschlossen ist.

3. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (28) eine Umkehr-Osmose-Einrichtung ist, und dass die Doppelkonuseinrichtung (11) so ausgebildet ist, dass ihr Austrittsdruck dem in der Umkehr-Osmose-Einrichtung benötigten Druck entspricht.

4. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkonuseinrichtung (11) zwischen dem Verdichter (24) und dem Druckbehälter (26) angeordnet ist.

5. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) zwischen dem Doppelkonus (11) und dem Druckbehälter (26) angeordnet ist.

6. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkonuseinrichtung (11) einen einzigen Doppelkonus umfasst.

7.

Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkonuseinrichtung (11) mehrere parallel- und/oder seriegeschaltete Doppelkonen zum Ansaugen der Eingangsmasse umfasst.

8. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen weiteren Doppelkonus (41) zum Ansaugen einer Zusatzmasse (X) umfasst.

9. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine weitere Trenneinrichtung (38) umfasst.

10. Anlage nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Trenneinrichtung (38) eine Zentrifugaltrenneinrichtung ist.

11. Anlage nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Trenneinrichtung (38) einen weiteren Doppelkonus enthält.

12.

Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Auslässe (34) einen weiteren Doppelkonus (51) zum Steuern oder Regeln des Ausflusses enthält.

13. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Auslässe (32, 34) mit einem Doppelkonus einer zweiten, im wesentlichen der ersten Anlage gleichen, Anlage verbunden ist, um mindestens eine der Teilmassen (T1, T2) weiter zu trennen.

14. Anlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) ein kontinuierlich arbeitender Verdichter ist.