RU2213061C1 - Method of reducing power consumption when sweeten seawater - Google Patents

Abstract

FIELD: water treatment. SUBSTANCE: invention relates to reverse osmosis-based seawater sweetening process that can be used in power engineering, chemical, food, and other industries. Power consumption is reduced by performing osmotic mass transfer through semipermeable diaphragm, feeding countercurrently different-concentration salt solutions on the both sides of diaphragm. High-concentration salt solution is concentrate obtained in reverse- osmosis salt water sweetening process and low-concentration salt water is initial water. Spent solution is withdrawn under pressure equal to half osmotic pressure gradient. EFFECT: reduced power consumption and reduced negative environmental effect of waste water. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области энергосбережения при опреснении морской воды методом обратного осмоса. Может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других областях промышленности. The invention relates to the field of energy conservation in the desalination of sea water by reverse osmosis. It can be used in energy, chemical, food and other industries.

Известен способ получения механической или электрической энергии в осмотической установке [заявка 99105314, опубл. Бюл. 1, 2001 г.]. Поставленная цель достигается путем разделения раствора и растворителя полупроницаемой мембраной. По одну сторону мембраны подают растворитель из источника растворителя, а по другую сторону подают раствор из источника раствора и отводят отработанный раствор в устройство- преобразователь энергии осмотического массопереноса в механическую или электрическую энергию. A known method of producing mechanical or electrical energy in an osmotic installation [application 99105314, publ. Bull. 1, 2001]. The goal is achieved by separating the solution and solvent with a semipermeable membrane. The solvent is supplied from the solvent source on one side of the membrane, and the solution is supplied from the solution source on the other side, and the spent solution is discharged into an osmotic mass transfer energy converting device into mechanical or electrical energy.

К недостаткам способа можно отнести ограничение по используемым средам, участвующим в процессе получения энергии. Конечно, наибольший эффект осмотического массопереноса может быть достигнут при использовании раствора и растворителя. Чем выше концентрация солей в растворе, тем большую мощность можно получить с единицы площади полупроницаемой мембраны. Для практической реализации требуется наличие отдельного источника растворителя (пресной воды) и отдельного источника раствора (морской или другой соленой воды), например, при впадении реки в море. Практическая реализация способа в энергетике потребует проведения НИР и ОКР, направленных на разработку осмотических электростанций, экономически конкурентоспособных по сравнению с традиционными электростанциями. The disadvantages of the method include the restriction on the media used, participating in the process of obtaining energy. Of course, the greatest effect of osmotic mass transfer can be achieved using a solution and a solvent. The higher the concentration of salts in the solution, the greater the power can be obtained from a unit area of a semipermeable membrane. For practical implementation, a separate source of solvent (fresh water) and a separate source of solution (sea or other salt water) are required, for example, when a river flows into the sea. The practical implementation of the method in the energy sector will require research and development aimed at developing osmotic power plants that are economically competitive compared to traditional power plants.

Получение пресной воды из соленой сопряжено с высокими затратами энергии. Как правило, в результате опреснения исходную морскую или иную соленую воду с помощью известных методов (дистилляция, обратный осмос, электродиализ, вымораживание и др.) разделяют на пресную воду и солевой концентрат. Концентрация солей в концентрате существенно выше (в 1,5-2 раза), чем концентрация солей в исходной воде. Концентрат сбрасывают обратно в море. Сброс концентрата в море вызывает экологические проблемы в местах сброса, поэтому применяют специальные устройства для смешения концентрата с морской водой. Getting fresh water from salt water is associated with high energy costs. As a rule, as a result of desalination, the original sea or other salt water using known methods (distillation, reverse osmosis, electrodialysis, freezing, etc.) is divided into fresh water and salt concentrate. The concentration of salts in the concentrate is significantly higher (1.5-2 times) than the concentration of salts in the source water. The concentrate is dumped back into the sea. The discharge of concentrate into the sea causes environmental problems at the discharge sites, therefore, special devices are used to mix the concentrate with sea water.

Целью изобретения является одновременное решение двух проблем: энергосбережение при опреснении морской воды и уменьшение негативного влияния сбросных вод на окружающую среду. The aim of the invention is the simultaneous solution of two problems: energy saving during desalination of sea water and reducing the negative impact of waste water on the environment.

Поставленная цель достигается путем организации процесса осмотического массопереноса через полупроницаемую мембрану. По разные стороны полупроницаемой мембраны подают противотоком солевые растворы различной концентрации. В качестве источника раствора высокой концентрации используют концентрат, получающийся в результате обратноосмотического процесса опреснения соленой воды. В качестве раствора низкой концентрации используют соленую исходную воду. Отработанный раствор отводят под давлением, равным половине перепада осмотических давлений в устройство-преобразователь энергии. В растворы могут быть добавлены химические реагенты. This goal is achieved by organizing the process of osmotic mass transfer through a semipermeable membrane. On opposite sides of a semipermeable membrane, salt solutions of various concentrations are supplied countercurrently. As a source of a solution of high concentration, a concentrate is used, resulting from the reverse osmosis process of desalination of salt water. As a solution of low concentration using salt source water. The spent solution is discharged under a pressure equal to half the differential pressure of the osmotic pressure in the energy converter device. Chemicals can be added to the solutions.

Использование в качестве рабочих тел концентрата и исходной соленой воды позволяет вернуть в цикл опреснения части затраченной энергии, а также понизить концентрацию сбросных вод. The use of concentrate and source salt water as working fluids allows returning part of the expended energy to the desalination cycle, as well as reducing the concentration of waste water.

Применение схемы подачи рабочих тел противотоком позволяет повысить эффективность регенерации энергии. The use of a countercurrent flow system for working fluids improves the energy recovery efficiency.

Отвод отработанного раствора под давлением, равным половине перепада осмотических давлений, обеспечивает в процессе осмотического массопереноса получение максимальной мощности с единицы площади полупроницаемой мембраны. Добавление химических реагентов в растворы предотвратит отложение плохо растворимых солей жесткости на поверхности мембраны и позволит продлить срок ее службы. The removal of the spent solution at a pressure equal to half the differential pressure of the osmotic pressure ensures the maximum power per unit area of the semi-permeable membrane during the osmotic mass transfer. Adding chemicals to solutions will prevent the deposition of poorly soluble hardness salts on the membrane surface and will extend its service life.

Изобретение основано на использовании эффекта самопроизвольного проникновения растворителя в раствор через полупроницаемую мембрану, движущей силой которого является разность концентраций солей по разные стороны мембраны. Концентрат, который образуется в процессе опреснения, по сравнению с морской водой обладает более высоким химическим потенциалом (изобарно, изотермическим потенциалом Гиббса). Использование разницы химических потенциалов концентрата и исходной морской воды позволяет одновременно продвинуться на пути решения двух проблем. Вернуть часть затраченной энергии обратно в процесс опреснения и существенно понизить концентрацию сбросных вод. The invention is based on the use of the effect of spontaneous penetration of the solvent into the solution through a semipermeable membrane, the driving force of which is the difference in salt concentrations on opposite sides of the membrane. The concentrate that is formed during the desalination process, in comparison with seawater, has a higher chemical potential (isobaric, Gibbs isothermal potential). Using the difference in chemical potentials of the concentrate and the source of seawater allows us to simultaneously move towards solving two problems. To return part of the spent energy back to the desalination process and significantly reduce the concentration of waste water.

Интенсивность осмотического массопереноса зависит от разницы концентрации солей и разницы давления по обе стороны мембраны, а также от условий обтекания мембраны растворами с разных сторон и свойств мембраны (толщина, селективность, проницаемость и др.). The intensity of the osmotic mass transfer depends on the difference in the concentration of salts and the pressure difference on both sides of the membrane, as well as on the conditions of the flow of solutions around the membrane from different sides and the properties of the membrane (thickness, selectivity, permeability, etc.).

Принцип действия предлагаемого способа можно пояснить с помощью чертежа. На чертеже полупроницаемая мембрана изображена пунктирной линией. С₁ - содержание солей в концентрате после опреснения. С₂ - содержание солей в исходной морской воде. P₁ - давление на мембрану концентрата. Р₂ - давление на мембрану исходной соленой воды. Q_c - поток растворителя (воды) через мембрану под действием разницы концентраций (ряд черных стрелок). Q_p - поток растворителя (воды) через мембрану под действием разницы давлений (ряд серых стрелок).The principle of the proposed method can be explained using the drawing. In the drawing, a semipermeable membrane is shown by a dashed line. With ₁ - the salt content in the concentrate after desalination. C ₂ - salt content in the source sea water. P ₁ - pressure on the membrane of the concentrate. P ₂ - pressure on the membrane of the source of salt water. Q _c is the flow of solvent (water) through the membrane under the influence of the difference in concentrations (a series of black arrows). Q _p is the flow of solvent (water) through the membrane under the influence of a pressure difference (a series of gray arrows).

Растворы с концентрациями солей С₁ и С₂ (С₁>С₂) подают противотоком с разных сторон полупроницаемой мембраны. Поры мембраны пропускают молекулы воды и практически полностью задерживают ионы минеральных солей. Под действием разницы концентрации возникает Q_c - поток растворителя (воды) через мембрану. Вода течет из области низкой концентрации солей в область высокой концентрации солей. Величина Q_c пропорциональна разнице концентраций. Под действием перепада давления (P₁>P₂) в обратном направлении поток воды Q_p будет протекать через мембрану. Величина потока воды пропорциональна перепаду давления. Результирующий поток растворителя (воды) Q=Q_c-Q_p линейно зависит от перепада давления при заданном перепаде концентраций. При отсутствии перепада давления (P₁=P₂) значение потока через мембрану будет достигать максимальной величины Q^o=Q_c. Далее с ростом перепада давления поток воды через мембрану будет уменьшаться до нуля. По определению - перепад давления, при котором прекращается перетекание растворителя через полупроницаемую мембрану, равен разнице осмотических давлений с разных сторон полупроницаемой мембраны. Осмотическое давление Р⁰ является физическим параметром раствора и зависит только от состава и концентрации солей. Обозначим перепад давления на полупроницаемой мембране через Р. В точке равновесия Q=0; Р=Р⁰. Мощность, которая может быть получена при осмотическом массопереносе, равна произведению потока через мембрану и перепада давления. Математический анализ показывает, что максимального значения, N=Q⁰•P⁰/4, мощность достигает при перепаде давления, равном половине разности осмотических давлений с разных сторон полупроницаемой мембраны. Весьма важно направление движения растворов с различной концентрацией относительно друг друга. По мере продвижения над поверхностью полупроницаемой мембраны содержание солей в потоке с более высокой начальной концентрацией будет падать, а содержание солей в потоке с низкой начальной концентрацией будет расти. При течении потоков в одном направлении разница осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны будет уменьшаться. При движении в противоположном направлении (противотоком) возможна организация процесса таким образом, что перепад осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны будет оставаться постоянным по всей длине мембраны. Отвод отработанного раствора можно производить под некоторым постоянным давлением P₁. Оптимальное значение давления отработанного раствора равно половине разницы осмотических давлений по разные стороны полупроницаемой мембраны. Для схемы течения потоков в одном направлении P₁ может быть не более половины минимальной разницы осмотических давлений по всей длине мембраны. Эффективность процесса осмотического массопереноса будет переменной по длине мембраны. Для схемы течения потоков в противоположном направлении разница осмотических давлений по длине мембраны будет оставаться постоянной и, следовательно, эффективность осмотического массопереноса будет величиной постоянной. Величина мощности с единицы поверхности мембраны в системе течения противотоком будет всегда выше по отношению к схеме течения по току.Solutions with concentrations of salts of C ₁ and C ₂ (C ₁ > C ₂ ) serves countercurrent from different sides of the semipermeable membrane. Membrane pores allow water molecules to pass through and trap ions of mineral salts almost completely. Under the influence of the difference in concentration, Q _c arises - the flow of solvent (water) through the membrane. Water flows from a region of low salt concentration to a region of high salt concentration. The value of Q _{c is} proportional to the difference in concentrations. Under the action of a pressure drop (P ₁ > P ₂ ) in the opposite direction, the water flow Q _p will flow through the membrane. The magnitude of the water flow is proportional to the pressure drop. The resulting flow of solvent (water) Q = Q _c -Q _p linearly depends on the pressure drop at a given concentration drop. In the absence of a pressure drop (P ₁ = P ₂ ), the value of the flow through the membrane will reach a maximum value of Q ^o = Q _c . Further, as the pressure drop increases, the water flow through the membrane will decrease to zero. By definition, the pressure drop at which the flow of the solvent through the semipermeable membrane ceases is equal to the difference in osmotic pressures from different sides of the semipermeable membrane. The osmotic pressure P ⁰ is a physical parameter of the solution and depends only on the composition and concentration of salts. Denote the pressure drop across the semipermeable membrane by R. At the equilibrium point, Q = 0; P = P ⁰ . The power that can be obtained by osmotic mass transfer is equal to the product of the flow through the membrane and the pressure drop. Mathematical analysis shows that the maximum value, N = Q ⁰ • P ^0/4 , the power reaches at a pressure drop equal to half the difference in osmotic pressures from different sides of the semipermeable membrane. The direction of movement of solutions with different concentrations relative to each other is very important. As you move above the surface of the semipermeable membrane, the salt content in the stream with a higher initial concentration will decrease, and the salt content in the stream with a low initial concentration will increase. With flows in one direction, the difference in osmotic pressures on opposite sides of the semipermeable membrane will decrease. When moving in the opposite direction (countercurrent), it is possible to organize the process in such a way that the difference in osmotic pressures on opposite sides of the semipermeable membrane will remain constant along the entire length of the membrane. The discharge of the spent solution can be carried out under a certain constant pressure P ₁ . The optimal pressure value of the spent solution is equal to half the difference in osmotic pressures on opposite sides of the semipermeable membrane. For a flow pattern in one direction, P ₁ can be no more than half the minimum difference in osmotic pressures along the entire length of the membrane. The efficiency of the osmotic mass transfer process will be variable along the length of the membrane. For the flow pattern in the opposite direction, the difference in osmotic pressures along the length of the membrane will remain constant and, therefore, the efficiency of the osmotic mass transfer will be constant. The value of power per unit membrane surface in the countercurrent flow system will always be higher with respect to the current flow pattern.

При протекании растворителя через полупроницаемую мембрану на поверхности мембраны могут откладываться плохо растворимые соли жесткости. Для предотвращения отложения солей жесткости в растворы следует добавлять химические реагенты (кислоты, ингибиторы отложения минеральных солей и др.). When the solvent flows through a semipermeable membrane, poorly soluble hardness salts can be deposited on the membrane surface. To prevent the deposition of hardness salts, chemical reagents (acids, inhibitors of the deposition of mineral salts, etc.) should be added to the solutions.

Успешной реализации предлагаемого изобретения способствует то, что часть оборудования, необходимого для организации процесса осмотического массопереноса (система подачи исходной воды, системы водоподготовки воды, система сброса концентрата, устройства по регенерации потенциальной (давление) энергии концентрата и др.), как правило, входят в состав опреснительных установок. The successful implementation of the invention is facilitated by the fact that part of the equipment necessary for organizing the process of osmotic mass transfer (feed water supply system, water treatment system, concentrate discharge system, devices for the recovery of potential (pressure) energy of the concentrate, etc.), as a rule, are included composition of desalination plants.

Claims (2)

1. Способ снижения энергетических затрат при опреснении морской воды путем организации процесса осмотического массопереноса через полупроницаемую мембрану, отличающийся тем, что по разные стороны полупроницаемой мембраны подают противотоком солевые растворы различной концентрации, причем в качестве источника раствора высокой концентрации используют концентрат, получающийся в результате обратноосмотического процесса опреснения соленой воды, в качестве раствора низкой концентрации - соленую исходную воду, а отработанный раствор отводят под давлением, равным половине перепада осмотических давлений. 1. A method of reducing energy costs during the desalination of sea water by organizing the process of osmotic mass transfer through a semipermeable membrane, characterized in that salt solutions of different concentrations are fed countercurrently on opposite sides of the semipermeable membrane, and the concentrate resulting from the reverse osmosis process is used as a source of a high concentration solution desalination of salt water, as a solution of low concentration - salt source water, and the spent solution from odyat pressure equal to half the difference in osmotic pressure. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в растворы добавляют химические реагенты. 2. The method according to p. 1, characterized in that chemicals are added to the solutions.