NL9500202A - Werkwijze en inrichting voor het behandelen van een medium. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het behandelen van een medium.

De uitvinding heeft betrekking op een met behulp van warmtewisselaars, warmtetoevoer en scheidingsmembraantechnologie behandelen van een medium, zoals een gas of een vloeistof. In het bijzonder houdt de uitvinding verband met de bereiding van drinkwater, bijvoorbeeld uit zeewater, ander wegens een te hoog gehalte aan daarin opgeloste mineralen en andere bestanddelen voor mensen, dieren of planten ongeschikt water, of anderszins verontreinigd water. Echter begeeft de uitvinding zich niet exclusief op het terrein van de drinkwaterbereiding. Met de term "membraanscheidingstechnologie" wordt hier bedoeld elke manier welke het mogelijk maakt dat één of meer bestanddelen uit een mediumstroom door de kanaalwand uit die mediumstroom kunnen ontsnappen. Voorts is de uitvinding, echter niet exclusief, gericht op het rechtstreekse gebruik van zonne-energie (zonnewarmte) in de behandeling van het medium.

Door Elle en Ripperger in "Transmembrane destination (TMD), Experimental result in different fields of application", Conf. Engineering of Membrane Processes II; Environmental Applications, 26-28 april 1994, Lucca, Italy, is het gebruik van membraandestillatie met rechtstreekse aanwending van zonnewarmte beschreven voor het concentreren van suiker-palm-sap en daarbij produceren van gedestilleerd water. Een zonnepaneel is voorgesteld voor het verwarmen van het suiker-palm-sap en rivierwater wordt gebruikt voor de koeling. Er is een transmembraandestillatie TMD(-module) beschreven met een spleet tussen de vlakke membraan en een warmtewisselaar, waarbij het distillaat ofwel door een vacuümpomp, ofwel door langs het membraan te leiden lucht wordt afgevoerd langs de condensor. Het energiegebruik is niet geoptimaliseerd.

In "Solar heated membrane distillation", G.L. Morrison e.a., Sch. Mech. Manufact. Eng., Univ. New South Wales, Sydney, Australia Sol. World Congr., Proc. Bienn. Congr. Int. Sol. Energy Soc. (1992), Meeting Date 1991, Volume 2, Issue Pt. 2, 2329-34, Pergamon, Oxford, UK., biz. 2329 tot 2333, wordt ontziltingsapparatuur beschreven waarbij rechtstreeks gebruik gemaakt wordt van zonnewarmte. In een zonnecollector verhit zeewater wordt door een bundel holle vezels geleid waarmee de membraandestillatie wordt uitgevoerd. Die bundel holle vezels fungeert als niet-selectief, poreus membraan. De materiaalkeuze voor het membraan is zodanig, dat de poriën van het membraan niet door het zeewater worden bevochtigd, maar met lucht en/of damp gevuld zijn. Door te verdampen kan het water door de vezelwand heen uit de zeewaterstroom ontsnappen. Aan de buitenzijde van de holle vezels uit de bundel laat men koeler (drink)water stromen, zodat het uit de holle vezels verdampte water op de buitenzijde van de holle vezels condenseert en wordt meegevoerd met het langsstromende (drink)water.

De onderhavige uitvinding beoogt, een mediumbehandeling welke uit het oogpunt van energiehuishouding (bijvoorbeeld warmteverlies), eenvoud van opbouw van de te gebruiken installatie, snelheid van opstarten van de installatie (in het bijzonder bij rechtstreekse aanwending van zonne-energie welke slechts overdag beschikbaar is) en eenvoudige mogelijkheid tot balanceren van de produktstromen in afhankelijkheid van het te behandelen medium.

Daartoe wordt overeenkomstig de uitvinding voorgesteld een werkwijze overeenkomstig de combinatie van maatregelen opgenomen in conclusie 1, en een inrichting overeenkomstig de combinatie van maatregelen volgens conclusie 6.

Met de onderhavige uitvinding fungeert het te behandelen medium zelf, stromend door het eerste kanaal in de eerste warmtewisselaar, als condensor. Tegelijkertijd wordt het medium, stromend door het eerste kanaal in de eerste warmtewisselaar, voorverwarmd. Na eindverwarming in de tweede warmtewisselaar tot de voor de "membraandestillatie" gewenste temperatuur, wordt het medium via het tweede kanaal opnieuw door de eerste warmtewisselaar geleid onder uitscheiding van één of meer bestanddelen welke met behulp van het eerste kanaal als condensor in de eerste warmtewisselaar warmte afstaan en met een derde kanaal buiten het eerste en tweede kanaal door de eerste warmtewisselaar en daaruit worden geleid.

De uitvinding kan bijvoorbeeld worden toegepast met behulp van evenwijdig of in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar lopende eerste, tweede en derde kanalen in de eerste warmtewisselaar. Bijvoorbeeld kunnen die eerste, tweede en derde kanalen zodanig zijn uitgevoerd, dat zij elkaar omgeven, met als binnenste kanaal het tweede kanaal, als buitenste kanaal het eerste kanaal en daartussen het derde kanaal.

Overeenkomstig een voordelige uitvoering van de uitvinding omvatten het eerste en het tweede kanaal in de eerste warmtewisselaar respectievelijk een eerste samenstel van holle vezels en een tweede samenstel van holle vezels. De holle vezels van het eerste samenstel bepalen daarbij het "warmtewisselaar-gedeelte" of "condensor-gedeelte" van de eerste warmtewisselaar. De vezels van het tweede samenstel vormen het "membraandestillatie-gedeelte" van de eerste warmtewisselaar. De verhouding van het aantal vezels van het eerste samenstel tot het aantal vezels van het tweede samenstel kan afhankelijk van de gewenste mate van warmte-uitwisseling en membraan-scheiding worden ingesteld. Ook kunnen wanddikten, diameters en materiaalsoorten voor de vezels aan het beoogde gebruik en de beoogde instelling worden aangepast. De vezels kunnen zijn vervaardigd uit bijvoorbeeld kunststoffen zoals polypropyleen of teflon, maar ook uit metaal (in het bijzonder de vezels voor het eerste samenstel). Het is mogelijk om bijvoorbeeld door het derde kanaal lucht of een ander gas te laten stromen, bijvoorbeeld in een gesloten circuit, en de zich op de (condensor)vezels van het eerste samenstel gevormde condensaatdruppels verkregen van de uit de (membraandestillaat)vezels van het tweede samenstel ontweken bestanddelen met zich meevoert. Op die manier is het mogelijk de warmteverliezen zo klein mogelijk te houden terwijl een zeer korte opwarmtijd kan worden bereikt.

Zoals meer in het bijzonder blijkt uit de hierna volgende figuurbeschrijving van voordelige uitvoeringsvormen, behoeft de installatie een bijzonder eenvoudige en weinig gecompliceerde opbouw. In verband met ontzilting van zeewater tot drinkwater kan daardoor de installatie bijvoorbeeld als drijvende installatie worden uitgevoerd, om buiten de kust (off-shore) drijvend op te stellen. De leidingen voor het transport van zeewater kunnen daarmee zo kort mogelijk worden gehouden, waarmee een zo gering mogelijke pompcapaciteit kan worden gekozen. Het ter plaatse door de drijvende installatie geproduceerde ontzilte (drink)water kan via een pijpleidingsysteem naar land worden verpompd. In vergelijking met het naar land verpompen van zeewater, om dit op het land te ontzilten en vervolgens het residu weer terug te leiden naar zee, is bij de voorgestelde werkwijze aanmerkelijk minder pompenergie benodigd.

Als warmtebron voor de tweede warmtewisselaar kan de zon gebruikt worden, waartoe de tweede warmtewisselaar als zonne-collector is uitgevoerd.

Verdere voordelen en eigenschappen van de uitvinding blijken uit de volgconclusies evenals uit de hiernavolgende beschrijving van voordelige uitvoeringen van de uitvinding, onder verwijzing naar de bijgevoegde tekening. Hierbij toont:

Figuur 1 schematisch een zijaanzicht van een eerste uitvoering overeenkomstig de onderhavige uitvinding; en

Figuur 2 schematisch in perspectief een tweede uitvoering overeenkomstig de uitvinding.

Figuur 1 toont een eerste warmtewisselaar 1 en een tweede warmtewisselaar 2. De eerste warmtewisselaar 1 is uit warmtewisselaar-modulen 3, 4 samengesteld. De basisuitvoering voor elke module 3, 4 is bijvoorbeeld beschreven in de Europese octrooiaanvrage 919022830 ten name van aanvraagster, in het bijzonder figuur 1. Elke module 3, 4 bestaat uit een in dwarsdoorsnede bij voorkeur puntsymmetrisch (vierkant, rond, veelhoekig) buisdeel. De buiswand bepaalt gescheiden verzamelkamers voor het medium. Twee diametraal tegenover elkaar gelegen kamers staan via holle vezels in mediumverbinding met elkaar. Die holle vezels overbruggen de buisholte. Een verdere kamer is verschaft, gescheiden van de holle vezels en de eerder genoemde kamers. Aldus is elke module 3, 4 geschikt om drie mediumstromen te geleiden; één mediumstroom door de holle vezels en de twee daarmee in verbinding gestelde kamers, een tweede mediumstroom door de verdere kamer en een derde mediumstroom door de buisholte om de holle vezels te omspoelen. In figuur 1 zijn de modules 3, 4 zodanig in afwisseling achter elkaar opgesteld, dat de mediumstroom B bij elke module 3 telkens door de holle vezels stroomt, om bij elke module 4 telkens uitsluitend door de verdere kamer aan de buiswand te stromen. Voor de mediumstroom C geldt het omgekeerde. De mediumstroom A stroomt telkens door de buisholte en omspoelt de vezels.

De werking van de in figuur 1 getoonde installatie is als volgt: zeewater wordt volgens het verloop van mediumstroom B eerst door de eerste warmtewisselaar 1 geleid. Daarbij stroomt dit relatief koude zeewater telkens door de vezels van de modulen 3, welke vezels de eerste kanalen van de eerste warmtewisselaar 1 bepalen. Vervolgens stroomt dit zeewater door de tweede warmtewisselaar 2, welke uitgevoerd is als zonnecollector. De opbouw van een zonnecollector voor verwarming van water of andere vloeistoffen of gassen is algemeen bekend aan de vakman en behoeft geen verdere toelichting. Het in de zonnecollector 2 opgewarmde zeewater stroomt vervolgens als de mediumstroom C opnieuw door de eerste warmtewisselaar 1. Daarbij doorstroomt dit warme zeewater C de vezels van de modulen 4, welke de tweede kanalen van de eerste warmtewisselaar 1 bepalen. Water verdampt door de vezelwanden van de vezels van de modulen 4. De waterdamp wordt met de gasstroom A meegevoerd, stromend door de buisholte welke het derde kanaal van de eerste warmtewisselaar 1 bepaalt, en condenseert op de relatief koude vezels van de modulen 3, waardoorheen relatief koud zeewater volgens de mediumstroom B stroomt. Dit condensaat wordt vervolgens in de vorm van druppels, of stromend langs de wand uit de eerste warmtewisselaar 1 geleid naar bijvoorbeeld een verzamelinrichting (niet getoond). Doordat de waterdamp condenseert op de vezels van de modulen 3 wordt tegelijkertijd het daardoor relatief koele zeewater voorverwarmd. Op die manier gaat zo min mogelijk met de zonnecollector 2 verzamelde warmte verloren. Eventueel kan de gasstroom λ vervangen worden door eert vloeistofstroom, bijvoorbeeld een stroom van in recirculatie geleid condensaat. Echter verdient toepassing van een gasstroom, in het bijzonder een luchtstroom, uit het oogpunt van warmtehuishouding de voorkeur. Die gasstroom A wordt voorts bij voorkeur volgens een gesloten kringloop geleid zodat alle eventueel door de gasstroom A opgenomen warmte uit de relatief warme vezels van de modulen 4 zoveel mogelijk ten goede komt aan de voorverwarming van het zeewater dat door de holle vezels van de modulen 3 stroomt. Eventueel kan de gasstroom λ vervangen worden door stilstaand gas, in het bijzonder lucht, waarbij door interne temperatuurverschillen in het derde kanaal mogelijk vrije convectie stromingen van het gas, of de lucht, kunnen ontstaan.

Figuur 2 toont een variant voor de eerste warmtewisselaar 1. Zoals weergegeven is deze eerste warmtewisselaar 1 als een pijp met cirkelronde diameter uitgevoerd. In de pijpwand zijn een eerste toevoerkamer 5 en een tweede toevoerkamer 6 uitgevoerd. Diametraal tegenover de eerste toevoerkamer 5 bevindt zich een eerste afvoerkamer 7. Diametraal tegenover de tweede toevoerkamer 6 bevindt zich een tweede afvoerkamer 8 in de pijpwand. Eerste holle vezels 9 stellen de eerste toevoerkamer 5 in mediumverbinding met de eerst afvoerkamer 7. Tweede holle vezels 10 stellen de tweede toevoerkamer 6 in mediumverbinding met de tweede afvoerkamer 8. De eerste vezels 9 en de tweede vezels 10 zijn zoals weergegeven afwisselend in lagen achter elkaar, gezien in lengterichting van de eerste warmtewisselaar 1, aangebracht. Zeewater wordt volgens de pijl B de eerste warmtewisselaar 1 via de eerste toevoerkamer 5 binnengevoerd. Vervolgens wordt dit zeewater gelijkmatig verdeeld over de eerste vezels 11 naar de eerste afvoerkamer 7 gebracht. Vanuit die eerste afvoerkamer 7 stroomt het zeewater, op niet nader weergegeven wijze, naar de tweede warmtewisselaar 2 (zie figuur 1). Komend van de tweede warmtewisselaar 2 stroomt het opgewarmde zeewater de tweede toevoerkamer 6 binnen. Vervolgens stroomt dit warme zeewater, gelijkmatig verdeeld over de tweede holle vezels 10, naar binnen in de tweede afvoerkamer 8, om van daaruit volgens de pijl C als residu te worden afgevoerd, bijvoorbeeld voor lozing in zee. De gasstroom volgens de pijl A omstroomt zowel de eerste vezels 9 als de tweede vezels 10 en brengt de bij de tweede vezels 10 gevormde waterdamp over naar de eerste vezels 9 voor condensatie.

Vanzelfsprekend is de in figuur 2 getoonde eerste warmtewisselaar 1 aan zijn kopse uiteinden voorzien van geschikte aansluitstukken en afdichtingen voor de kamers 5, 6, 7 en 8 en de buisholte 11, welke echter in de tekening zijn weggelaten.

Vanzelfsprekend zijn ook andere varianten voor de eerste warmtewisselaar 1 mogelijk. Zo kan in afwijking van de in figuur 1 en 2 getoonde uitvoeringen gekozen worden voor een uitvoering waarbij de stromingsrichting van de mediumstroom door de eerste warmtewisselaar 1, voorafgaande aan passage van de tweede warmtewisselaar 2, gelijk gericht is aan die van de mediumstroom door de eerste warmtewisselaar 1 na passage van de tweede warmtewisselaar 2. Daarnaast kan in plaats van dwars op de lengterichting van de buisholte 11 gerichte holle vezels 9, 10 gekozen worden voor bijvoorbeeld drie elkaar met afstand (concentrisch) omgevende buisdelen. Ook kunnen de holle vezels van het eerste en/of tweede kanaal evenwijdig of in hoofdzaak evenwijdig aan het derde kanaal lopen.

Van belang is bij een voorkeursuitvoering dat een mediumstroom eerst geleid wordt door een eerste warmtewisselaar, vervolgens wordt opgewarmd tot de gewenste procestemperatuur in een tweede warmtewisselaar, daarna opnieuw geleid wordt door de eerste warmtewisselaar zodanig dat in die eerste warmtewisselaar stofuitscheiding vanuit de ene mediumstroom naar de andere mediumstroom ontstaat evenals warmteuitwisseling in dezelfde zin.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het behandelen van een medium, waarbij dat medium achtereenvolgens door een eerste kanaal in een eerste warmtewisselaar, door een tweede warmtewisselaar en vervolgens door een tweede kanaal in de bedoelde eerste warmtewisselaar, wordt geleid, met de bedoelde eerste en tweede kanalen van de eerste warmtewisselaar van elkaar gescheiden en in warmte uitwisselende verhouding met elkaar, en ervoor gezorgd wordt dat één of meer bestanddelen uit het medium selectief door de respectieve kanaalwand uit het eerste of tweede kanaal ontsnappen, om te worden opgevangen in een derde kanaal in die eerste warmtewisselaar, welk derde kanaal gescheiden is van het bedoelde eerste en tweede kanaal.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij die eerste en tweede kanalen door dat derde kanaal lopen.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij die eerste en tweede kanalen respectieve eerste en tweede samenstellen van holle vezels omvatten, en de holle vezels van die eerste en tweede samenstellen dwars op de lengterichting van dat derde kanaal lopen.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de tweede warmtewisselaar een zonnecollector is.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij het medium zeewater is dat in de tweede warmtewisselaar voldoende verwarmd wordt zodat het tweede kanaal door zijn kanaalwand heen in staat is waterdamp uit te scheiden dat vervolgens op de buitenzijde van het eerste kanaal condenseert en als ontzilt (drink)water in het derde kanaal wordt opgevangen en voor verder gebruik wordt afgevoerd.

6. Mediumbehandelinrichting voorzien van een eerste en een tweede warmtewisselaar, welke eerste warmtewisselaar eerste en tweede kanalen bezit voor het daar doorheen leiden van het medium, welke eerste en tweede kanalen in mediumverbinding staan met de toe- respectievelijk afvoer van de tweede warmtewisselaar en welke eerste en tweede kanalen in de eerste warmtewisselaar van elkaar zijn gescheiden en in warmte-uitwisselende relatie staan, zodanig dat door het eerste kanaal stromend medium via de tweede warmtewisselaar in het tweede kanaal komt, en die eerste en tweede kanalen zodanig zijn uitgevoerd dat één of meer bestanddelen uit het door die eerste en tweede kanalen te leiden medium selectief de kanaalwand van dat eerste of tweede kanaal kan passeren, waartoe die kanaalwand bijvoorbeeld als membraanfilter is uitgevoerd, en welke eerste warmtewisselaar voorts een derde kanaal bezit, gescheiden van het eerste en tweede kanaal en geschikt om de door de kanaalwand uit het eerste of tweede kanaal ontsnapte bestanddelen op te vangen.

7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij die eerste en tweede kanalen door het derde kanaal lopen.

8. Inrichting volgens conclusie 7, waarbij die eerste en tweede kanalen zijn gevormd door respectieve eerste en tweede samenstellen van holle vezels welke dwars op de langsrichting van het derde kanaal daar doorheen lopen en met hun respectieve uiteinden uitmonden in respectieve Verzamelkamers voor het aan de eerste warmtewisselaar toe-respectievelijk afvoeren en over het respectieve samenstel van holle vezels verdelen van de mediumstroom, welke verzamelkamers zijn ingericht om in de eerste warmtewisselaar de mediumstroom door het eerste kanaal gescheiden te houden van de mediumstroom door het tweede kanaal.

9. Inrichting volgens conclusie 8, waarbij de verzamelkamers opzij van het derde kanaal zijn opgesteld.

10. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies 6 t/m 9, waarbij de tweede warmtewisselaar een zonnecollector is.