DE10057613C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehros­ mose gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.

Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung ist aus der DE 199 33 147.2 bekannt. Dabei wird das Salzwasser unter einem ersten Druck in eine Druckaus­ gleichsvorrichtung eingeleitet und von der Druckausgleichsvorrichtung unter einem zweiten, höheren Druck in ein Membranmodul eingeleitet, wobei aus dem Membranmodul entsalztes Wasser und konzentriertes Salzwasser ausgeleitet wird. Entsalztes Wasser ist dabei als Wasser mit gegenüber dem in die Vorrichtung eingeleiteten Salzwasser reduziertem Salzgehalt zu verstehen. Um dabei den Wirkungsgrad und somit die Energiebilanz bei einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung zu erhöhen, wird dort vorgeschlagen, das aus dem Mem­ branmodul ausgeleitete konzentrierte Salzwasser unter dem zweiten Druck in die Druckausgleichsvorrichtung kontinuierlich einzuleiten und dort zur Beaufschlagung des in die Druckausgleichsvorrichtung eingeleiteten Salzwassers mit dem zweiten Druck und zur Einleitung des Salzwassers in das Membranmodul zu be­ nutzen. Die Einleitung des konzentrierten Salzwassers in die Druckausgleichsvor­ richtung erfolgt durch Rückschlagventile, und die Ableitung des konzentrierten Salzwassers aus der Druckausgleichsvorrichtung erfolgt dabei mittels gesteuerter Hauptventile. Diese gesteuerten Hauptventile sind bevorzugt aktiv steuerbar und in entsprechenden Verbindungsleitungen zwischen dem Membranmodul und der Druckausgleichsvorrichtung bzw. zwischen der Druckausgleichsvorrichtung und dem Ausgang des konzentrierten Salzwassers angeordnet.

Bei den bekannten Verfahren und den bekannten Vorrichtungen werden die Hauptventile mit einem hohen Druck beaufschlagt. Werden die Hauptventile betätigt, entsteht gerade im ersten Moment der Öffnung bzw. im letzten Moment des Schließens eines solchen Hauptventils eine hohe mechanische Beanspruchung. Da diese Hauptventile jedoch für eine große Durchflussmenge ausgelegt sind, müssen sie entsprechend groß und massebehaftet sein.

Da die Hauptventile aufgrund ihrer Größe und Masse relativ langsam sind, sind sie insbesondere zu Beginn des Öffnungsvorgangs und am Ende des Schließvorgangs relativ lange großen Druckänderungen ausgesetzt. Da derartige Vorrichtungen möglichst ohne Unterbrechung arbeiten sollen, stehen diese Hauptventile also unter einer hohen Dauerbelastung, einerseits durch den Betrag und die Dauer der Belastung und andererseits durch die Häufigkeit der Lastspiele, so dass sie entsprechend schnell verschleissen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren bzw. die eingangs genannte Vorrichtung hinsichtlich der genannten Nachteile zu verbessern und so auszugestalten, dass die Hauptventile weniger verschleissen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren und der ein­ gangs genannten Vorrichtung durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere beim Öffnen und Schließen der Hauptventile Belastungsspitzen auftreten, die es zu vermeiden gilt. Dies wird mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Nebenventile, die auch als Bypass-Ventile bezeichnet werden können, erreicht, über die ein Teil des beim Öffnen bzw. Schließen der Hauptventile auftretenden Druckes um die Hauptventile geleitet wird. Dazu sind geeignete Nebenleitungen um die Hauptventile vorgesehen, in denen die Nebenventile angeordnet sind.

Bevorzugt werden die Nebenventile so gesteuert, dass sie kurz vor dem Öffnen bzw. Schließen der Hauptventile geöffnet werden und/oder dass sie nur während des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs der Hauptventile geöffnet sind. Ansonsten sind die Nebenventile normalerweise geschlossen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Nebenventile einen geringeren Querschnitt auf als die Hauptventile. Der Querschnitt der Nebenventile kann sogar deutlich geringer sein als der Querschnitt der Hauptventile, und die Nebenventile können eine erheblich höhere Druckresistenz aufweisen. Damit kann durch eine geeignete Steuerung der Nebenventile die Belastung der Hauptventile deutlich verringert und damit deren Lebensdauer proportional erhöht werden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann der Querschnitt der Nebenventile beliebig gewählt sein. Über den Querschnitt der Nebenventils kann auch ein Beitrag zum Flüssigkeitstransport geliefert werden, was durch ent­ sprechende Steuerungen vorgesehen sein kann. Dies bedeutet, dass die Neben­ ventile zur selben Zeit geöffnet bzw. geschlossen sind wie die entsprechend parallel dazu angeordneten Hauptventile mit dem Unterschied, dass die Nebenventile etwas früher als die parallelen Hauptventile geöffnet und etwas später als die parallelen Hauptventile geschlossen werden, um diese zu entlasten.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Druckbehälter vorgesehen, der mit dem Ausgang zur Ableitung des konzentrierten Salzwassers aus dem Membranmodul und mit dem Eingang der Druckausgleichsvorrichtung verbunden ist. Dieser Druckbehälter ist daher mit dem selben Druck beaufschlagt, wie das konzentrierte Salzwasser selbst. Zweck dieses Druckbehälters ist es, die bei den Ventilbetätigungen in Folge von Volumenverlusten unvermeidlich auftretenden Druckschwankungen auszugleichen, um einen möglichst konstanten Betriebsdruck im Membranmodul sicherzustellen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Durchfluss­ mengenbegrenzer in den Zuleitungen zu den Nebenventilen vorgesehen, die einen abrupten Druckausgleich verhindern, indem sie die maximale Durchflussmenge begrenzen und somit zu einem allmählichen Druckausgleich und damit zu langsamen Druckänderungen anstelle schlagartiger Schwankungen beitragen. Diese können unterschiedlich dimensioniert sein, um die "Strömungswiderstände" unterschiedlich groß auszugestalten. Die Durchflussmengenbegrenzer können auch in die Neben­ ventile integriert sein, da diese ohnehin einen geringen Querschnitt aufweisen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich insbesondere aus den Unter­ ansprüchen. Es sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in gleicher oder entsprechender Weise weitergebildet sein kann und entsprechende Ausgestaltungen aufweisen kann, wie dies oben in Verbindung mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren erläutert ist und wie dies in den auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens,

Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem ersten Betriebszustand,

Fig. 3 eine Darstellung dieser Ausführungsform in einem zweiten Betriebs­ zustand und

Fig. 4 eine Darstellung der Betriebszustände dieser Ausführungsform während eines kompletten Arbeitszyklus.

Das Blockschaltbild in Fig. 1 zeigt eine Förderpumpe 1 zum Einleiten von Salz­ wasser 10 in eine Druckausgleichsvorrichtung 2 unter einem ersten Druck p₁. Aus der Druckausgleichsvorrichtung 2 wird dasselbe Salzwasser 11, das nun jedoch mit einem hohen Arbeitsdruck beaufschlagt ist, dem Membranmodul 3 zugeleitet. Dort tritt ein Teil des Salzwassers 11 durch die Membran 6 hindurch (zum Beispiel 25% des Salzwassers 11), wird dabei entsalzt und als entsalztes Wasser 12 abgeleitet. Der restliche Teil des Salzwassers 11 (zum Beispiel 75%) kann die Membran 6 nicht durchtreten und wird mittels der Verbindungsleitung 5 als konzentriertes Salzwasser 13, das noch immer etwa unter dem hohen Druck p₂ steht, der Druckausgleichsvor­ richtung 2 wieder zugeleitet. Dort wird dieser hohe Druck in noch näher zu erläuternder Weise dazu ausgenutzt, das in die Druckausgleichsvorrichtung 2 eingeleitete Salzwasser 10 mit diesem hohen Druck zu beaufschlagen und dem Membranmodul 3 an dessen Eingang zuzuleiten. Gleichzeitig wird in ebenfalls noch näher zu erläuternder Weise dieser Druck in der Druckausgleichsvorrichtung 2 dazu genutzt, darin befindliches konzentriertes Salzwasser 14 über die Ableitung 4 endgültig abzuleiten und der Druckausgleichsvorrichtung 2 unkonzentriertes Salzwasser 10 zuzuführen. Alle beschriebenen Vorgänge erfolgen dabei gleichzeitig und kontinuierlich, so dass eine den hohen Arbeitsdruck nachliefernde Hoch­ druckpumpe nicht erforderlich ist und entsalztes Wasser 12 kontinuierlich zur Verfügung steht.

Anhand der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung soll ins­ besondere die Ausgestaltung und Funktionsweise der Druckausgleichsvorrichtung 2 näher erläutert werden. Diese weist hier zwei identische Kolbenvorrichtungen 401, 402 mit zwei sich fluchtend gegenüberliegend angeordneten Zylindern auf, die jeweils eine Eingangskammer 201, 202 zur Aufnahme des Salzwassers 10 und jeweils eine Ausgangskammer 101, 102 zur Aufnahme des konzentrierten Salzwassers 13 aufweisen. Innerhalb der Kolbenvorrichtungen 401, 402 ist jeweils ein spezieller Kolben 301, 302 angeordnet, der den Kolbeninnenraum in die genannten Kammern unterteilt und der im Bild in horizontaler Richtung innerhalb der Kolbenanordung verfahrbar ist. Von der Förderpumpe 1 führt jeweils eine Zuleitung mit einem (passiven) Rückschlagventil 7 zu den Eingangskammern 201, 202. Die Rückschlagventile 7 sind dabei derart ausgestaltet, dass sie sich öffnen und einen Durchfluss ermöglichen, wenn der Druck in der Zuleitung größer ist als in den Eingangskammern 201, 202. Vergleichbare Rückschlagventile 8, die jedoch eine andere Durchflussrichtung aufweisen, befinden sich in den Zuleitungen von den Eingangskammern 201, 202 zu dem Membranmodul 3.

In den Zuleitungen 5 vom Membranmodul 3 zu den Ausgangskammern 101, 102 und in den Ableitungen 4 von den Ausgangskammern 101, 102 sind dagegen aktiv schaltbare Hauptventile V3, V6 bzw. V1, V4 angeordnet, über die der Zufluss des konzentrierten Salzwassers 13 vom Membranmodul 3 bzw. der Abfluss des konzentrierten Salzwassers 14 aus der Druckausgleichsvorrichtung 2 gesteuert werden kann.

Die Kolben 301, 302 sind mittels einer Kolbenstange 30 fest miteinander verbunden. Ritzel 40, die angetrieben werden können und in eine an der Kolben­ stange 30 angebrachte Verzahnung eingreifen, können die Kolbenstange 30 und darüber die Kolben 301, 302 antreiben, um Druckverluste auszugleichen.

Die Kolben sind so angeordnet, dass sie gegenphasig arbeiten. Befindet sich also ein Kolben in einer Stellung, in welcher das Volumen der Eingangskammer 202 maximal und das Volumen der Ausgangskammer 102 minimal ist, so befindet sich der andere, über die Kolbenstange 30 verbundene Kolben in einer Stellung, in welcher das Volumen der Eingangskammer 201 minimal und das Volumen der Ausgangskammer 101 maximal ist (vgl. Fig. 2). In dieser Situation ist die Eingangskammer 202 mit Wasser gefüllt und die Ausgangskammer 101 ist mit konzentriertem Salzwasser gefüllt. Die Ventile V1, V3, V4 und V6, die hier als Schalter dargestellt sind, werden so gesteuert, dass nun V3 und V4 geschlossen werden, während V1 und V6 geöffnet werden.

Ein Öffnen eines Ventils bedeutet in diesem Zusammenhang das Herstellen einer Strömungsverbindung, um einen Durchfluss zuzulassen, wozu das Ventil rein mechanisch dazu geöffnet wird. Analog bedeutet das Schließen eines Ventils das Unterbrechen einer Strömungsverbindung, um einen Durchfluss zu unterbinden, wozu rein mechanisch das Ventil dazu geschlossen wird.

Durch das Öffnen des Hauptventils V1 entweicht zunächst der Druck des konzentrierten Salzwassers in der Ausgangskammer 101. Durch das Öffnen des Hauptventils V6 wird die Ausgangskammer 102 mit Druck (beispielsweise ca. 70 bar) beaufschlagt und das konzentrierte Salzwasser strömt in diese Kammer ein. Gleichzeitig wird durch den Druck beaufschlagten Kolben das in der Eingangs­ kammer 202 befindliche Salzwasser zum Membranmodul 3 gepresst.

Da die Kolben so angeordnet sind, dass sie gegenphasig arbeiten, bewirkt das Einleiten des (mit beispielsweise 70 bar) Druck beaufschlagten Konzentrats in die Ausgangskammer 102 durch die Kolbenstange 30 eine Bewegung des anderen Kolbens 301, der dadurch die drucklose Ausgangskammer 101 leert. Gleichzeitig entsteht in der Eingangskammer 201 ein Unterdruck, der Salzwasser ansaugt und diese Kammer füllt.

Ist die Ausgangskammer 102 gefüllt, werden die Hauptventile entsprechend gesteuert und der entgegengesetzte Vorgang läuft ab.

Da das Membranmodul bevorzugt mit ca. 80 bar betrieben wird, um eine ausreichend hohe Süsswassererzeugung zu verwirklichen, und maximal ca. 10 bar als Druckverlust an der Membran auftreten, stehen am Konzentratabfluss 5 des Membranmoduls 3 mindestens noch die oben genannten ca. 70 bar Druck des konzentrierten Salzwassers zur Verfügung.

Um die Hauptventile insbesondere beim Öffnen und Schließen von den hohen Druckänderungen zu entlasten, die einen Verschleiss der Hauptventile bewirken, sind erfindungsgemäß parallel zu den Hauptventilen V1, V3, V4, V6 Neben- oder Bypass-Ventile V2, V2', V5, V5' vorgesehen. Diese Nebenventile weisen einen deutlich geringeren Querschnitt als die Hauptventile und eine erheblich höhere Druckresistenz auf. Daher kann durch eine geeignete Steuerung der Nebenventile die Belastung der Hauptventile deutlich verringert und damit deren Lebensdauer proportional erhöht werden.

Weiter ist ein Druckbehälter P vorgesehen, der mit dem Ausgang des Mem­ branmoduls 3 für das konzentrierte Salzwasser verbunden und daher mit demselben Druck beaufschlagt ist, wie das konzentrierte Salzwasser selbst, also beispielsweise etwa mit 70 bar. Die bei den Ventilbetätigungen in Folge von Volumenverlusten unvermeidlich auftretenden Druckschwankungen sollen dadurch ausgeglichen werden, um einen möglichst konstanten Betriebsdruck im Membranmodul 3 herzustellen.

Weiter sind zwischen dem Ausgang des Membranmoduls 3 für das konzentrierte Salzwasser und den Ausgangskammern 101, 102 mehrere als Widerstände dargestellte Durchflussmengenbegrenzer R1, R2, R3 vorgesehen, die einen abrupten Druckausgleich verhindern sollen, indem sie die maximale Durchflussmenge begrenzen und somit zu einem allmählichen Druckausgleich und damit zu langsamen Druckänderungen an Stelle schlagartiger Schwankungen beitragen sollen. Diese als "Strömungswiderstände" wirkenden Durchflussmengenbegrenzer können unterschiedlich dimensioniert sein.

Die beiden zwischen dem Knoten K2 und den Nebenventilen V2, V2' bzw. zwischen dem Knoten K3 und den Nebenventilen V5, V5' angeordneten Durchfluss­ mengenbegrenzer R2, R3 können eine größere Durchflussmenge zulassen, als der zwischen dem Knoten K1 und dem Druckbehälter P angeordnete Durchfluss­ mengenbegrenzer R1, da die Durchflussmengenbegrenzer R2 und R3 bei jeder Betätigung der benachbarten Nebenventile V2, V2' bzw. V5, V5' einen Druckaus­ gleich in einer akzeptablen Zeit zulassen sollen. R1 ist dagegen ständig mit dem Konzentratauslass des Membranmoduls 3 verbunden, so dass ein Druckausgleich in dem Druckbehälter P ununterbrochen erfolgen kann. Der Durchflussmengenbe­ grenzer R1 kann daher einen hohen Strömungswiderstand aufweisen und nur einen geringen Durchfluss zulassen. Dementsprechend stark ist die Entkopplung des Konzentratkreises von dem Membranmodul 3, so dass die Rückwirkungen von Druckschwankungen auf das Membranmodul 3 vernachlässigbar klein sind. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, dass die Hauptventile V3 und V6 immer nur dann betätigt werden, wenn durch die Nebenventile V2 und V5 bereits ein Druckausgleich zwischen dem Knoten K1 und den Knoten K2, K3 hergestellt wurde. Die Hauptventile V3 und V6 werden also stets drucklos betätigt, so dass dabei keine Druckschwankungen entstehen.

Durch die Ausbildung der Nebenventile V2, V2', V5, V5', die ohnehin einen geringen Querschnitt aufweisen, wird die maximal mögliche Durchflussmenge begrenzt, so dass diese Nebenventile die Funktion der Durchflussmengenbegrenzer automatisch mit übernehmen können.

Nachfolgend wird nun ein Betriebszyklus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Blockschaltbilder sowie anhand des in Fig. 4 gezeigten Ablaufdiagramms beschrieben. Dabei geben die in das in Fig. 4 gezeigte Diagramm eingetragenen Zahlenwerte den Druckabfall über dem jeweiligen Ventil zum Zeitpunkt der Betätigung an.

Ausgangssituation ist die in Fig. 2 gezeigte Situation. Die Kolben 301, 302 in beiden Kolbenvorrichtungen haben soeben die äußerste linke Position erreicht. Dies ist ebenfalls in dem Ablaufdiagramm in Fig. 4 angedeutet (siehe die beiden rechten Spalten). Die Hauptventile V3 und V4 sind noch geöffnet. Da der Druckabfall über diesen Ventilen 0 ist, schließen beide Ventile drucklos (Zeitpunkt t1). Spätestens zu diesem Zeitpunkt müssen auch die Nebenventile V2 und V5' schließen, um die Knoten K2 und K3 vom Konzentratablauf bzw. Konzentratauslass des Mem­ branmoduls 3 zu trennen. Zu diesem Zeitpunkt sind alle Ventile geschlossen.

Zur Vorbereitung der entgegengesetzten Bewegung der Kolben 301, 302 wird nun das Nebenventil V2' geöffnet (Zeitpunkt t2), um den am Knoten K2 anstehenden Druck von ca. 70 bar gegenüber dem Konzentratablauf abzubauen. Da das Ventil V2' ein Nebenventil mit einem geringen Querschnitt ist, ist der Volumenstrom gering. Eine plötzlich Druckschwankung wird durch den Durchflussmengenbegren­ zer R2 bzw. das Nebenventil V2' selbst unterbunden.

Gleichzeitig wird das Nebenventil V5 geöffnet, um den nach dem Entleeren des konzentrierten Salzwassers aus der Ausgangskammer 102 drucklosen Knoten K3 mit Druck zu beaufschlagen. Diese Druckbeaufschlagung erfolgt ebenfalls allmählich, da hat der Durchflussmengenbegrenzer R3 den Durchfluss begrenzt. Am Knoten K3 baut sich also der Druck auf, der auch am Knoten K1 ansteht.

Da der Knoten K1 durch einen Durchflussmengenbegrenzer R1 mit hohem Strömungswiderstand von dem Hauptventil V5 entkoppelt ist, erfolgt der Ausgleich aus dem Druckspeicher P, der wiederum über den Durchflussmengenbegrenzer R1 gegen den Knoten K1 aufgefüllt wird. Die Druckschwankung am Konzentratauslass des Membranmoduls 3 wird daher im Wesentlichen durch die Dimensionierung dieses Durchflussmengenbegrenzers R1 bestimmt, so dass ein relativ konstanter Druck am Knoten K1 verwirklichbar ist.

Sobald der Druck am Knoten K2 durch das Nebenventil V2' abgebaut und der Druck am Knoten K3 durch das Nebenventil V5 aufgebaut ist, können die Hauptventile V1 und V6 drucklos öffnen (Zeitpunkt t3), und die entgegengesetzte Kolbenbewegung beginnt. Dies ist durch die nach rechts weisenden Pfeile in Fig. 4 angedeutet.

Zum Zeitpunkt t4 können die Nebenventile V2' und V5 wieder geschlossen werden. Dieses Schließen der Nebenventile V2' und V5 muss jedoch spätestens zum Zeitpunkt t5 erfolgen, wenn die Kolben 301, 302 die äusserste rechte Position erreicht haben (siehe Fig. 3).

Durch die Kolbenbewegung von der äusserst linken in die äusserst rechte Position durch den Druck des in die Ausgangskammer 102 einströmenden konzentrierten Salzwassers ist das Salzwasser aus der Eingangskammer 202 mit einem Druck von ca. 80 bar (70 bar von dem einströmenden Konzentrat und 10 bar von einem Antrieb) in das Membranmodul 3 gepresst worden. Gleichzeitig ist das konzentrierte Salzwasser aus der Ausgangskammer 101 drucklos zum Konzentratablauf transportiert worden und in die Eingangskammer 201 ist Salzwasser eingeströmt. Somit sind zum Zeitpunkt t5 wiederum alle Ventile geschlossen, und durch eine entsprechende Steuerung findet der gleiche Ablauf in entgegengesetzter Richtung statt.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Pumpe 1 nicht im Wesentlichen zum Einleiten von Salzwasser 10 in die Eingangskammern 201, 202 vorgesehen ist, sondern die Entstehung von sogenannten Kavitationen, also Bereichen mit Unterdruck im Wasserstrom des in die Eingangskammern 201, 202 einströmenden Salzwassers 10 verhindern soll. Durch die turbulente Strömung sind solche Bereiche nicht stabil. Umgebungswasser wird nämlich durch diesen Unterdruck angesaugt und dringt in diese Bereich ein. Dadurch erreicht es derart hohe Geschwindigkeiten, dass es durchaus Partikel aus den Leitungswänden und Armaturen herausschlagen kann, was relativ schnell zu Schäden führen kann, die einen regelmäßig wieder­ kehrenden Austausch solcher Teile erfordern. Die Pumpe 10 hat bei dem erfindungsgemäßen Zweikammersystem also nicht wie bei bekannten Vorrichtungen einen hohen Arbeitsdruck, sondern arbeitet gleichsam wie ein Turbolader bei Verbrennungsmaschinen mit einem geringen Druck, der ausreicht, um Kavitationen beim Einsaugen des Salzwassers nicht auftreten zu lassen.

Ausgangssituation ist nun die in Fig. 3 gezeigte Situation. Die Kolben 301, 302 in beiden Zylindern haben soeben die äusserste rechte Position erreicht. Dies ist ebenfalls in dem in Fig. 4 gezeigten Ablaufdiagramm angedeutet. Die Ventile V1 und V6 sind noch geöffnet. Da der Druckabfall über den Ventilen Null ist, schließen beide Ventile drucklos (Zeitpunkt t5). Spätestens zu diesem Zeitpunkt müssen auch die Nebenventile V2' und V5 schließen, um die Knoten K2 und K3 vom Konzentrat­ ablauf bzw. Konzentratauslass des Membranmoduls 3 zu trennen. Nun sind alle Ventile geschlossen.

Zur Vorbereitung der entgegengesetzten Bewegung der Kolben 301, 302 wird nun das Nebenventil V5' geöffnet (Zeitpunkt t6), um den am Knoten K3 anstehenden Druck von ca. 70 bar gegenüber dem Konzentratablauf abzubauen. Da das Ventil V5' ein Nebenventil mit einem geringen Querschnitt ist, ist der Volumenstrom gering. Eine plötzliche Druckschwankung wird durch den Durchflussmengenbegren­ zer R3 unterbunden.

Gleichzeitig wird das Nebenventil V2 geöffnet, um den nach dem Entleeren des konzentrierten Salzwassers aus der Ausgangskammer 101 drucklosen Knoten K2 mit Durck zu beaufschlagen. Diese Druckbeaufschlagung erfolgt ebenfalls allmählich, da der Durchflussmengenbegrenzer R2 den Durchfluss begrenzt. Am Knoten K2 baut sich also der Druck auf, der auch am Knoten K1 ansteht. Da der Knoten K1 durch einen Durchflussmengenbegrenzer R1 mit hohem Strömungswiderstand von dem Nebenventil V2 entkoppelt ist, erfolgt der Ausgleich aus dem Druckspeicher P, der wiederum über den Durchflussmengenbegrenzer R1 aufgefüllt wird.

Sobald der Druck am Knoten K3 durch das Nebenventil V5' abgebaut und der Druck am Knoten K2 durch das Nebenventil V2 aufgebaut ist, können die Hauptventile V3 und V4 drucklos öffnen (Zeitpunkt t7) und die entgegengesetzte Kolbenbewegung beginnt. Dies ist durch die nach links weisenden Pfeile in Fig. 4 angedeutet.

Zum Zeitpunkt t8 können die Nebenventile V5' und V2 wieder geschlossen werden. Dieses Schließen der Nebenventile V5' und V2 muss jedoch spätestens zum Zeitpunkt t1 des nächsten Zyklus erfolgen, wenn die Kolben 301, 302 die äusserste linke Position erreicht haben (siehe Fig. 2).

Durch die Kolbenbewegung von der äusserst rechten in die äusserst linke Position durch den Druck des in die Ausgangskammer 101 einströmenden konzentrierten Salzwassers ist das Salzwasser aus der Eingangskammer 201 mit einem Druck von ca. 80 bar in das Membranmodul 3 gepresst worden. Gleichzeitig ist das konzentrierte Salzwasser aus der Ausgangskammer 102 drucklos zum Konzentrat­ ablauf transportiert worden, und in die Eingangskammer 202 ist Salzwasser eingeströmt.

Somit sind zum Zeitpunkt t1 des nächsten Zyklus wiederum alle Ventile ge­ schlossen, und durch eine entsprechende Steuerung findet der gleiche Ablauf in entgegengesetzter Richtung statt. Die strichpunktierte Linie in dem Ablaufdiagramm in Fig. 4 deutet das Ende eines Zyklus und gleichzeitig den Beginn eines neuen Zyklus an.

Aus den Druckangaben bei den einzelnen Ventilen ist erkennbar, dass die Hauptventile stets drucklos schalten, während die Nebenventile, die geeignet bemessen sind, lediglich beim Öffnen mit einem hohen Druck beaufschlagt sind. Hier liegt der ganz entscheidende Vorteil der vorliegenden Erfindung.

Eine Dichtung zwischen dem Kolben und dem jeweiligen Zylinder der Kolbenvor­ richtung ist nicht zwingend erforderlich, da eine geringe Durchmischung beider Flüssigkeiten die Wirkung der Vorrichtung nicht nennenswert beeinflusst. Eine Abdichtung des Zylinders am Austritt der Kolbenstange ist hingegen zwingend erforderlich.

Es kann auch vorgesehen sein, die aktuelle Kolbenposition ständig zu erfassen. Diese Positionserfassung ist wichtig, da eine Kollision zwischen Kolben und Zylinder verhindert werden muss, um Beschädigungen zu vermeiden. Die Kolbenposition kann dabei direkt am Zylinder oder indirekt z. B. an der Kolbenstange erfasst werden.

Da eine Pumpe zum Ergänzen des Druckverlustes einerseits durch den hohen Druck und andererseits durch das aggressive Medium Salzwasser sehr hoch beansprucht wird und dementsprechend ausfallgefährdet ist, ist bei dieser Ausführungsform eine solche Pumpe im Wesentlichen oder vollständig durch den Antrieb der Kolben­ stange, wodurch Druckverluste ausgeglichen werden, ersetzt.

Der Druckbehälter glättet die Druckschwankungen am Membranmodul. Eine weitere Glättung von Druckschwankungen ergibt sich durch eine mehrfache Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Membranmodul, also durch eine Anordnung von mindestens zwei jeweils ein Paar von Kolbenvorrichtungen aufweisenden Druckausgleichsvorrichtungen an einem Membranmodul, ins­ besondere dann, wenn diese phasenversetzt zueinander arbeiten, so dass zu einem Zeitpunkt t nur die Kolben jeweils einer Druckausgleichsvorrichtung in der äussersten linken bzw. rechten Position sind. Dabei kann je nach Auslegung ein gemeinsamer Antrieb für alle Druckausgleichsvorrichtungen oder auch ein separater Antrieb für jede Druckausgleichsvorrichtung vorgesehen sein.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt, insbesondere kann die Druckausgleichsvorrichtung auch anders ausgestaltet sein. Denkbar sind beispielsweise Ausgestaltungen mit mehreren Paaren von zwei Kolbenvorrichtungen und/oder unterschiedlichen oder anders gestalteten Kolbenvorrichtungen. Auch sind die angegebenen Zahlenwerte nur Beispielswerte zur Verdeutlichung der Erfindung, so dass sich bei veränderter Kolbengeometrie beispielsweise auch andere Druck­ verhältnisse ergeben können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein sehr hoher Wirkungsgrad bei der Energierückgewinnung in Höhe von min­ destens 90% erreicht. Die Förderpumpe braucht nur einen von der Entnahmemenge abhängigen Bruchteil des für die Umkehrosmose erforderlichen Arbeitsdrucks von etwa 70 bis 80 bar zu erzeugen, was einen hohen Kostenreduktions- und Wartungsvorteil nach sich zieht. Generell werden somit die Herstellungskosten für eine Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser und Bereitstellung von Trinkwasser deutlich verringert. Die Kolbengeometrie ist nicht auf eine einzige Möglichkeit beschränkt. Je nach Salzgehalt des Wassers kann bzw. sollte der osmotische Druck angepaßt werden. Bei Brackwasser - geringster Salzgehalt - kann ein niedrigerer Druck gewählt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Entsalzen von Wasser mit der Umkehrosmose, insbesondere zum Entsalzen von Meerwasser, bei dem Salzwasser (10) unter einem ersten Druck (p₁) in eine Druckausgleichsvorrichtung (2) eingeleitet und von der Druckausgleichsvorrichtung (2) unter einem zweiten, höheren Druck (p₂) in ein Membranmodul (3) geleitet wird, wobei aus dem Membranmodul (3) entsalztes Wasser (12) und konzentriertes Salzwasser (13) ausgelei­ tet wird, wobei
das aus dem Membranmodul (3) ausgeleitete konzentrierte Salzwasser (13) unter etwa dem zweiten Druck (p₂) in die Druckausgleichsvorrichtung (2) kontinuierlich eingeleitet und dort zur Beaufschlagung des in die Druckausgleichsvorrichtung (2) eingeleiteten Salzwassers (10) mit etwa dem zweiten Druck (p₂) und zur Einleitung des Salzwassers (11) in das Membranmodul (3) benutzt wird und wobei die Einleitung des konzentrierten Salzwassers (13) in die Druck­ ausgleichsvorrichtung (2) und die Ableitung des konzentrierten Salzwassers (14) aus der Druckausgleichsvorrichtung (2) mittels gesteuerter Hauptventile (V1, V3, V4, V6) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Hauptventilen (V1, V3, V4, V6) angeordnete Nebenventile (V2, V2', V5, V5') derart gesteuert werden, dass Druck-Belastungsspitzen beim Öffnen und/oder Schließen der Hauptventile (V1, V3, V4, V6) gemindert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Nebenventile (V2, V2', V5, V5') geringer ist als der Querschnitt der Hauptventile (V1, V3, V4, V6).

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines am Eingang der Druckausgleichsvorrichtung (2), über den das konzentrierte Salzwasser (13) aus dem Membranmodul (3) eingeleitet wird, an­ geordneter Druckbehälters (P) Druckschwankungen ausgeglichen werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Durchflussmengenbegrenzer (R1, R2, R3) in den Zulei­ tungen zu den Nebenventilen die maximalen Durchflussmengen durch die Nebenventile (V2, V2', V5, V5') gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenventile (V2, V2', V5, V5') kurz vor dem Öffnen bzw. Schließen des jeweils parallel dazu angeordneten Hauptventils (V1, V3, V4, V6) geöffnet wer­ den.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenventile (V2, V2', V5, V5') nur während des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs des jeweils parallel dazu angeordneten Hauptventils (V1, V3, V4, V6) geöffnet sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Haupt- und Nebenventile derart erfolgt, dass die Hauptventile drucklos schalten.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Kolben (301, 302) kontinuierlich bestimmt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Förderpumpe (1) zum Einleiten von Salzwasser (10) in die Druckaus­ gleichsvorrichtung (2) und mit einem Membranmodul (3) zum Trennen von aus der Druckaus­ gleichsvorrichtung (2) eingeleitetem Salzwasser (11) in entsalztes Wasser (12) und konzent­ riertes Salzwasser (13), wobei
zwischen Membranmodul (3) und Druckausgleichsvorrichtung (2) jeweils eine im Betrieb konti­ nuierlich unter etwa dem zweiten Druck (p₂) stehende Verbindungsleitung (4) angeordnet ist zur Zuführung des konzentrierten Salzwassers (13) vom Membranmodul (3) zur Druckaus­ gleichsvorrichtung (2) und zur Zuführung des Salzwassers (11) von der Druckausgleichsvor­ richtung (2) zum Membranmodul (3) und wobei gesteuerte Hauptventile (V1, V3, V4, V6) vor­ gesehen sind zur Einleitung des konzentrierten Salzwassers (13) in die Druckausgleichsvorrichtung (2) und zur Ableitung des konzentrierten Salzwassers (14) aus der Druckausgleichs­ vorrichtung (2),
dadurch gekennzeichnet, dass zur Minderung von Druck-Belastungsspitzen beim Öffnen und/oder Schließen der Hauptventile (V1, V3, V4, V6) parallel zu den Hauptventilen (V1, V3, V4, V6) gesteuerte Nebenventile (V2, V2', V5, V5') angeordnet sind.