NO161251B - Destillasjonsanordning. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en destillasjonsanordning, først og fremst for avsaltning av havvann. Destillasjonsanordningen ifølge oppfinnelsen er nærmere bestemt en anordning for membrandestillasjon.

I det svenske patent nr. 419.699 beskrives en anordning for membrandestillasjon hvor det finnes et antall første kassetter for å føre varmt saltvann og hvor det finnes et antall andre kassetter for å lede en kald væske, såsom kaldt saltvann. Mellom to nærliggende slike kassetter finnes en separasjonskassett som separerer en av de første kassettene fra en av de andre kassettene.

Separasjonskassetten innbefatter ifølge det nevnte patentet en hydrofob porøs membran som utgjør kassettens ene sideflate og en tynn plastfilm som utgjør kassettens andre sideflate, hvor membranen er anordnet i avstand fra plastfilmen slik at det dannes en luftspalte mellom membranen og plastfilmen. Mot den siden av membranen som vender fra luftspalten strømmer varmt saltvann i en av de første kassettene og på den siden av plastfilmen som vender fra luftspalten, strømmer kaldt vann i en av de andre kassettene.

Destillasjonen foregår på en slik måte at det varme saltvannet avgir vanndamp som passerer membranens porer og nevnte luftspalte hvoretter vanndampen kondenserer på den kalde plastfilmen. Porene har en slik størrelse at flytende vann ikke kan passere gjennom disse.

Det har lenge vært et problem å oppnå høy kapasitet ved hjelp av en anordning fremstilt ifølge det nevnte patentet. Videre har et høyt energiforbruk vært et problem.

Foreliggende oppfinnelse vedrører en utførelse av en anordning for destillasjon av den typen som er beskrevet i det nevnte patentet, hvor det ifølge foreliggende oppfinnelse kan oppnås en høy kapasitet i forhold til den tilgjengelige membranoverflaten, samtidig som det oppnås et relativt lavt energiforbruk.

Foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig en destillasjonsanordning for destillasjon av en væske, først og fremst vann innbefattende en destillasjonsenhet som innbefatter dels en porøs hydrofob membran hvorigjennom damp kan passere, men som forhindrer passasje av væske, dels en kondensasjonsoverflate anordnet i avstand fra membranen, hvor det mellom membranen og kondensasjonsoverflaten finnes en luftspalte, destillasjonsanordningen innbefatter videre enheter for å føre den væsken som skal destilleres på den overflaten av membranen som vender fra luftspalten og en enhet anordnet for å føre en væske, som er kaldere enn den nevnte væsken, på den siden av kondensasjonsoverflaten som vender fra luftspalten og er kjennetegnet ved at avstanden mellom nevnte membran og nevnte kondensasjonsoverflate ligger i området 0,2 mm til 1 mm og av at membranens tykkelse er mindre enn 0,5 mm.

Oppfinnelsen beskrives nedenfor nærmere i forbindelse med et utførelseseksempel ifølge den vedlagte tegningen, og videre i forbindelse med visse diagrammer, hvori

Fig. 1 viser skjematisk en separasjonskassett i vertikalt

tverrsnitt,

Fig. 2 viser skjematisk i forstørrelse en membran og en

plastfilm,

Fig. 3-7 viser forskjellige diagrammer som er beregnet ifølge

en nedenfor angitt beregningsmodell,

Fig. 8 viser en del av et snitt gjennom en membran utstyrt

med en bærer,

Fig. 9 viser en del av en planskisse av en membran sett fra venstre i fig. 8.

I fig. 1 vises skjematisk et tverrsnitt gjennom en destillasjonsenhet 1 innbefattende en porøs hydrofob membran 2, hvorigjennom damp kan passere, men som forhindrer passasje av væske og en kondensasjonsoverf late som utgjøres av en plastfilm 3 anordnet i avstand fra membranen. Mellom membranen 2 og plastfilmen 3 finnes en luftspalte 4 som er utstyrt med en kanal 5 eller lignende for tilførsel av påkrevet luft som vist ved pilen 6. I luftspaltens 4 nedre ende finnes en kanal 7 eller lignende for bortledning av ferskvann som er kondensert i luftspalten, som pilen 8 viser. Membranen 2 og plastfilmen 3 kan være opphengt i en hvilken som helst egnet rammekonstruksjon 9,10, f.eks. ved hjelp av spennbakker 11-18.

På ene siden av enheten 1 finnes en enhet 19 for å føre den væsken som skal destilleres, som pilene 20 viser, slik at denne dekker den siden av membranen som vender fra luftspalten .

På den andre siden av enheten 1 finnes en enhet 21 for å føre en væske som er kaldere enn den væsken som skal destilleres, som pilene 22 viser, slik at denne dekker den siden av plastfilmen som vender fra luftspalten.

Det ovenfor nevnte er kjent fra det nevnte svenske patentet. Imidlertid er det ikke nødvendig, og i visse tilfeller ikke ønskelig, å anordne slike enheter separat, eller i serie, hvor membranen 2 og plastfilmen er i det vesentlige plane overflater. Isteden kan membranen og plastfilmen være rørformede eller konsentrisk plassert i forhold til hver-andre. Også andre slike modifikasjoner kan tenkes. Følgelig kan foreliggende oppfinnelse anvendes ved alle slike konfigu-rasjoner av membran og plastfilm som er adskilte av en luftspalte.

Selv om en mengde væsker kan destilleres med den omtalte anordningen og ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse, er anordningen først og fremst tenkt for destillasjon av saltvann for fremstilling av ferskvann, derfor er dette anvendt<:>som eksempel nedenfor.

I fig. 2 vises bare det sentrale partiet av den i fig. 1 angitte enheten i større målestokk. Membranen 2 er en hydrofob, porøs membran av egnet materiale, såsom "Teflon"

(reg. varemerke). En rekke slike membraner er kommersielt tilgjengelige. Fig. 2 viser en idealisert pore 23.

Anordningens funksjon er at saltvann 20, som er oppvarmet, strømmer langs membranen 2 hvorved vanndamp diffunderer, som vist ved pilen 24, gjennom porene 23, mens saltvannet i væskeform ikke kan passere på grunn av overflatespenningen. Den gjennom porene diffunderte vanndampen transporteres over luftspalten og kondenseres mot plastfilmen 3 som avkjøles av det kaldere vannet 22. Kondensert vann, ferskvann, oppsamles og føres bort gjennom kanalen 7.

Foreliggende oppfinnelse bygger på den innsikten at så vel anordningens kapasitet som det påkrevde energiforbruket for å destillere saltvann i vesentlig grad avhenger av geometriske parametre i destillasjonsenheten 1. Destillasjonsenheten 1 tilsvarer den innledningsvis nevnte separasjonskassetten. Herved er det først og fremst membranens 2 tykkelse b og avstanden L mellom membranen 2 og plastfilmen 3 som er av betydning.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er avstanden L mellom nevnte membran og nevnte plastfilm 0,2 til 1 mm og membranens tykkelse er under 0,5 mm. Når avstanden L ligger i dette området samtidig som det anvendes en membran med en tykkelse som underskrider 0,5 mm, har det vist seg at produksjonskapasiteten blir vesentlig høyere samtidig som energitapene blir vesentlig lavere, sammenlignet med om det anvendes en membran med større tykkelse, som eksempelvis 2-3 mm og/eller avstanden L enten er større enn 1 mm, f.eks. 2 mm, eller er mindre enn 0,2 mm, f.eks. 0,05 mm.

Det er følgelig oppdaget at avstanden L har en øvre grense under hvilken produksjonskapasiteten øker markant og en nedre grense under hvilken energitapene øker markant, og videre at avstanden L påvirker produksjonshastighet og energitap i spesielt høy grad når membrantykkeIsen ligger under nevnte verdi.

Ovenfor angitte intervaller gir både et meget bra produk-sjonsresultat samtidig som kostnadene for tilført energi er lave på grunn av lave energitap. De energitapene det dreier seg om er varmeledning gjennom membranen som beskrives nærmere nedenfor.

Flg. 3 viser et diagram hvor produksjonskapasiteten eller massestrømmen (fluks) er avsatt mot tykkelsen b og hvor avstanden L er parameter. Diagrammet gjelder ved en temperatur (Tn) på saltvannet på 60°C og en temperatur (Tc) på det kalde vannet på 20°C, og ved et relativt poreareal av membranen (J) = 0,8 samt et varmeledningstall for membranen på KM = 0,22 W/m<2> • °K.

Av diagrammet fremgår at produksjonskapasiteten eller massestrømmen (fluks) øker vesentlig når avstanden L avtar og når tykkelsen b avtar.

I fig. 6 vises et diagram med de samme verdiene på størrel-sene Ttø, Tc, $ og Kjyj som nevnt ovenfor. Dette diagrammet vedrører varmetap forårsaket av varmeledning gjennom membranen pr. kg destillert saltvann som funksjon av avstanden L med tykkelsen b som parameter. Av dette diagrammet fremgår det at varmetapene øker med en redusert avstand L.

Denne innsikten foranlediget at det ble utarbeidet en teoretisk modell som kan beskrives ved hjelp av følgende to ligninger, nemlig

hvor hvor hvor

i disse ligningene er følgende betegnelser anvendt,

b = membranens tykkelse (m)

c — molkonsentrasjon (mol/m5 )

Cp = varmekapasitet (J/mol * °K) ;D = diffusjonskoeffisient for en blanding av vanndamp og luft (m<2>/s) ;E = energistrøm gjennom membranen (J/m<2> S) ;<K>ajr = varmeledningsevne for luft (W/m<2>°K) ;Km = varmeledningsevne for membranen (W/m<2> * °K)

L ■= avstand mellom membranen og plastfilmen (m)

N ■= molstrøm gjennom membranen (mol/m2 )

Q = massestrøm gjennom membranen (kg/m<2> • h)

Tc = den kalde væskens temperatur (°K)

Tn = den varme væskens temperatur (°K)

Xc = mplfraksjon vanndamp ved plastfilmen

Xn = molfraksjon vanndamp ved membranen

0 = relativt poreareal i membranen

Ved å substituere molstrømmen N med massestrømmen Q i ligning (1) ovenfor oppnås massestrømmen

Ved hjelp av de ovenfor angitte formlene kan det utføres beregninger vedrørende varmetapet (E) og produksjonskapasiteten (Q) som funksjon av avstanden L, tykkelsen b, membranens relative poreareal, den varme væskens henholdsvis den kalde væskens temperatur, osv. Diagrammene i figurene 3, 4, 5, 6 og 7 er beregnet ifølge den ovenfor angitte modellen, som også delvis er verifisert eksperimentelt.

Diffusjonsveiens lengde er en signifikant faktor. Denne lengden utgjøres av membrantykkelsen b og avstanden L. Graden av fordampning øker når diffusjonsveiens lengde avtar, som det fremgår av fig. 3 og fig. 5.

I fig. 5 er verdien av størrelsene Tn, Tc, (J) og Krø de samme som angitt for fig. 3. Fig. 3 gjelder for membrantykkelsen b = 0,2 mm.

Ligningen (3) ovenfor inneholder to dominerende ledd, nemlig et ledd som vedrører membranen, b/((J)\/Tn), og et ledd som vedrører luftspalten L\/Tc.

Herav fremgår at en forandring av det leddet som er minst ikke påvirker massestrømmen dersom det andre leddet er mye større. Membranens tykkelse b påvirker følgelig ikke masse-strømmen i nevnbar grad så lenge som avstanden L er stor, hvilket fremgår av fig. 3, se kurven L = 5 mm.

Hva angår membrantykkelsen b, fremgår det av fig. 3 at en påtagelig økning av massestrømmen inntrer når membrantykkelsen b underskrider 0,5 mm, samtidig som avstanden L underskrider 1 mm.

Som nevnt ovenfor viser en sammenligning av fig. 3 og 6 at en kortere avstand L medfører at produksjonskapasiteten øker, men at også varmetapene øker. Ettersom varmetapene er av betydning er det vesentlig at disse holdes lave med tanke på kostnaden for å membrandestillere saltvann og i visse tilfeller med tanke på vanskeligheter med å tilføre påkrevet varmeenergi til destillasjonsanordningen.

Varmeenergibehovet utgjør nemlig en stor del av drifts-kostnaden for et membrandestillasjonsanlegg. Tilførsel av varmeenergi er påkrevet både for å fordampe saltvannet og for å kompensere for varmetap. Det er vesentlig å forsøke og redusere varmetap forårsaket av varmeledning gjennom membranen, dels fordi denne varmeenergien Ikke bidrar til å fordampe saltvann, dels fordi temperaturdifferansen over membranen avtar, hvilket i sin tur medfører en redusert fordampningsgrad, dvs. en redusert massestrøm gjennom membranen.

Fig. 6 viser varmetapene gjennom membranen som funksjon av avstanden L med membrantykkelsen b som parameter. Diagrammet gjelder for samme verdier på parametrene Tn, Tc, (J) og Kjyj som angitt for fig. 3. Av fig. 6 fremgår at varmetapene øker når avstanden L avtar.

Det ble overraskende konstatert at varmetapene avtar når en tynnere membran anvendes, hvilket er illustrert i flg. 6. Dette skyldes imidlertid i det vesentlig forøket massestrøm når tynnere membran anvendes, som nevnt ovenfor I forbindelse med fig. 3.

Av fig. 6 fremgår videre at varmetapene gjennom membranen øker markant når avstanden L er mindre enn 0,2 mm.

Fig. 7 illustrerer også varmetapenes avhengighet av avstanden L for to forskjellige membraner med et relativt poreareal på henholdsvis 0,7 og 0,9. Av fig. 7 fremgår at økningen av varmetapene er markant, når avstanden L er mindre enn 0,2 mm for begge membranene.

På grunn av den kraftige økningen av varmetapene når avstanden L er mindre enn 0,2, skal denne avstanden overskride 0,2 mm.

En annen grunn til at avstanden ikke skal gjøres mindre er faren for at det da kan dannes vannbroer mellom membranen og plastfilmen. Dersom slike vannbroer dannes, øker varmetapene markant på grunn av at vann leder varme mye bedre enn luft. Videre reduseres derved massestrømmen gjennom membranen, samtidig som at faren for at membranens porer skal bli fylt med vann øker. Herved skjer det ingen.destillering samtidig som salt transporteres med vannet inn i destillatet.

Kommersielt tilgjengelige membraner finnes med høyst varier-ende relativt poreareal $, nemlig 0 - 0,96, dvs. opp til at 9656 av membranen utgjøres av porer. Herved kan den midlere porediameteren være 0,02 - 15 >jm.

I fig. 7 har størrelsene Tn, Tc, (J) og Kjyj samme verdier som angitt for fig. 3. Membrantykkelsen er 0,2 mm.

I fig. 4 vises et diagram over massestrømmen som funksjon av det relative porearealet $. I fig. 4 har størrelsene , Tc og Krø samme verdi som angitt for flg. 3. Membrantykkelsen er 0,2 mm.

Som det fremgår av fig. 4 øker massestrømmen markant når den relative porøsiteten (J) øker, spesielt når avstanden L er mindre enn ca. 1 mm. Grunnen til at varmetapene er mindre for en membran med større relativt poreareal, se fig. 7, er den økede massestrømmen som oppnås når porøsiteten er større. Ifølge en foretrukket utførelsesform har den nevnte membranen et relativt poreareal, (J), som overskrider 0,7, og fortrinnsvis 0,8. Et slikt poreareal forsterker ytterligere de ovenfor angitte sammenhengene mellom massestrøm, dvs. produksjons-kapasitet, varmetap, avstanden L og membrantykkelsen b som det fremgår av ovenstående og av fig. 4 og 7.

I fig. 5 vises et diagram over massestrømmen som funksjon av avstanden L hvor saltvannets temperatur Tn er parameter. Størrelsene Tc, $ og Krø har de i forbindelse med fig. 3 angitte verdiene, og membrantykkelsen er 0,2 mm.

Av fig. 5 fremgår at en markant økning av massestrømmen inntrer når avstanden L er mindre enn 1 mm, hvor økningen blir større ved en høyere temperatur på saltvannet.

Som nevnt ovenfor er et høyt relativt poreareal å foretrekke. Imidlertid blir membranens holdfasthet mindre ved et øket poreareal. Dette utgjør et problem, spesielt i kombinasjon med at det skal opprettholdes en smal luftspalte. Ifølge en foretrukket utførelsesform, se fig. 8 og 9, er derfor membranen 2 utstyrt med en bærer, som f.eks. fibrer 24 lagt på membranen, eksempelvis plastfibrer, som kan være pålagt ordnet eller uordnet på membranen og disse fibrene har en diameter som tilsvarer den ønskede avstanden L. Overflaten av membranen utstyrt med bærere er vendt mot den nevnte kondensasjonsoverf laten .

Istedenfor fibrer 24 kan et nett eller en annen bærer festes til membranen, disse bærernes tykkelse i en retning vinkelrett på membranens overflate tilsvarer den ønskede avstanden L. Slike modifikasjoner anses som innbefattede i oppfinnelsen. Ved denne utførelsesformen oppnås følgelig en sterk membran selv om det relative porearealet er høyt samtidig som fibrene eller bæreren utgjør avstandsgiverorgan for å opprettholde luftspalten. I fig. 8 er kondensasjonsoverflaten angitt med en stiplet linje 25.

Det er følgelig tydelig at foreliggende oppfinnelse anviser en fremgangsmåte for både å oppnå en høy produksjon og lave varmetap. Foreliggende oppfinnelse utgjør derfor et vesentlig fremskritt innenfor membrandestillasjonsteknikken.

Claims (3)

1. Destillasjonsanordning for destillering av en væske, først og fremst vann, innbefattende en destillasjonsenhet som innbefatter dels en porøs hydrofob membran gjennom hvilken damp kan passere, men som forhindrer passasje av væske, dels en kondensasjonsoverflate anordnet i avstand fra membranen, hvor det mellom membranen og kondensasjonsoverflaten finnes en luftspalte, destillasjonsanordningen innbefatter videre enheter for å føre den væsken som skal destilleres på den overflaten av membranen som vender fra luftspalten og en enhet anordnet for å føre en væske, som er kaldere enn nevnte væske, på den siden av kondensasjonsoverflaten som vender fra luftspalten, karakterisert ved at avstanden (L) mellom nevnte membran (2) og nevnte kondensasjonsoverf late (3) ligger i området 0,2 mm til 1 mm og at membranens(2) tykkelse (b) er mindre enn 0,5 mm.

2. Destillasjonsanordning Ifølge krav 1, karakteri sert ved at den nevnte membran har et relativt poreareal ($) som overskrider 0,7 og fortrinnsvis overskrider 0,8.

3. Destillasjonsanordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at membranen (2) er utstyrt med en bærer, såsom fibrer (24), på den ene overflaten, hvilken bærer har en tykkelse vinkelrett på membranens overflate som tilsvarer nevnte avstand (L) og at den overflaten som er utstyrt med bærer er vendt mot nevnte kondensasjonsoverf late.