МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА ОПРЕСНЕНИЯ МОРСКОЙ ВОДЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК B01D61/06 

Изобретение относится к области опреснения морских и природных солоноватых вод. Может быть использовано в энергетике, химической, пищевой и других областях промышленности.

Известна установка (патент WO 97/21483) для опреснения морской воды. Установка состоит из насоса подачи исходной морской воды, насоса высокого давления, мембранного модуля и рекуператора давления. Рекуператор давления соединен с мембранным модулем по линии концентрата, с нагнетательным патрубком насоса подачи исходной морской воды и всасывающим патрубком насоса высокого давления по линии исходной воды. Рекуператор обеспечивает дополнительное повышение давление исходной воды за счет потенциальной энергии концентрата. К недостаткам установки следует отнести неполное использование энергии концентрата. Концентрат после рекуператора давления содержит существенно больше солей по сравнению с исходной морской водой. Химический потенциал концентрата не используется, следовательно, есть резерв существенной экономии энергии при опреснении воды.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение затрат энергии на опреснение морской воды.

Поставленная цель достигается тем, что мембранная установка, включающая насос подачи исходной морской воды, насос высокого давления, мембранный модуль, рекуператор давления, снабжена осмотическим мембранным модулем, последовательно соединенным с дополнительным рекуператором давления. Выход концентрата из основного рекуператора давления через осмотический мембранный модуль присоединен к входу дополнительного рекуператора давления. Насос подачи исходной морской воды присоединен к осмотическому мембранному модулю и к параллельно расположенным основному и дополнительному рекуператорам давления, которые через насос высокого давления соединены с мембранным модулем.

Снижение затрат энергии на опреснение морской воды может быть достигнуто также с помощью использования нескольких (не менее двух) последовательно соединенных пар, состоящих из осмотического мембранного модуля и дополнительного рекуператора давления. Выход каждого дополнительного рекуператора давления соединен с входом последующего осмотического мембранного модуля. Насос подачи исходной морской воды единой магистралью связан с параллельно расположенными осмотическими мембранными модулями. Насос подачи исходной морской воды связан также через дополнительные рекуператоры давления и параллельно расположенный основной рекуператор давления с насосом высокого давления и мембранным модулем.

Снизить затраты энергии на опреснение и упростить при этом схему можно, применив в качестве насоса подачи исходной морской воды дополнительный рекуператор энергии, присоединенный к осмотическому мембранному модулю и основному рекуператору давления, соединенному через насос высокого давления с мембранным модулем.

Возможно использование несколько последовательно соединенных пар (не менее двух), состоящих из осмотического мембранного модуля и дополнительного рекуператора давления. Выход каждого дополнительного рекуператора давления соединен с последующим входом осмотического мембранного модуля.

Уменьшение энергетических затрат на опреснение достигается за счет использования химического потенциала концентрата избыточного по отношению к исходной морской воде. Под действием разницы осмотических давлений в осмотическом мембранном модуле происходит самопроизвольное проникновение через полупроницаемую мембрану растворителя (воды) из морской воды в концентрат. Процесс идет с одновременным понижением концентрации солей в концентрате и повышением давления растворителя, в результате чего совершается работа. Дополнительная работа, полученная в осмотическом мембранном аппарате, может быть использована на перекачку исходной воды в дополнительном рекуператоре энергии. Максимальная дополнительная мощность в осмотическом мембранном модуле зависит от давления концентрата и разницы осмотических давлений между концентратом и исходной водой. Оценки показывают, что максимальная мощность в осмотическом аппарате может быть достигнута при условии того, что значение давления концентрата приблизительно равно половине от разницы средних по модулю осмотических давлений между концентратом и исходной водой. При смешении в осмотическом мембранном модуле концентрация солей в концентрате падает, а концентрация солей в исходной воде растет. Средние значения осмотических давлений по мембранному модулю будут ниже осмотических давлений на входе в осмотический мембранный модуль. Мощность, которая может быть получена при рекуперации химического потенциала, в этих условиях будет заведомо меньше оптимального значения. Повысить эффективность рекуперации химического потенциала можно с помощью применения многоступенчатой схемы рекуперации, когда концентрат последовательно проходит через осмотический мембранный аппарат и рекуператор давления каждой ступени, а исходная морская вода параллельно подается в осмотические мембранные модули всех ступеней одновременно. В этом случае изменение осмотического давления концентрата в осмотическом мембранном модуле каждой ступени будет меньше по сравнению с одноступенчатой схемой. Параллельная подача исходной воды в осмотические мембранные модули позволяет обеспечить максимальное значение разницы осмотических давлений для каждой ступени. Наличие в каждой ступени собственного дополнительного рекуператора давления позволяет вести процесс рекуперации при оптимальных давлениях.

На фиг.1 изображена схема мембранной установки опреснения морской воды (вариант с насосом подачи): 1 - насос подачи исходной морской воды, 2 - дополнительный рекуператор давления, 3 - основной рекуператор давления, 4 - насос высокого давления, 5 - мембранный модуль, 6 - осмотический мембранный модуль.

На фиг.2 изображена схема мембранной установки опреснения морской воды (вариант с насосом подачи и с многоступенчатой рекуперацией химического потенциала концентрата). Обозначения позиций совпадают с обозначениями на фиг.1. Каждая ступень состоит из осмотического модуля и последовательно присоединенного к нему рекуператора давления: 2¹ - рекуператор давления первой ступени, 2² – рекуператор давления второй ступени, 2ⁿ - рекуператор давления n-ой ступени, 6¹ – осмотический мембранный модуль первой ступени, 6² - осмотический мембранный модуль второй ступени, 6ⁿ - осмотический мембранный модуль n-ой ступени.

На фиг.3 изображена схема мембранной установки опреснения морской воды (вариант без насоса подачи): 2 - дополнительный рекуператор давления, 3 - основной рекуператор давления, 4 - насос высокого давления, 5 - мембранный модуль, 6 - осмотический мембранный модуль.

На фиг.4 изображена схема мембранной установки опреснения морской воды (вариант без насоса подачи, но с многоступенчатой рекуперацией химического потенциала концентрата). Обозначения позиций совпадают с обозначениями на фиг.3. Каждая ступень состоит из осмотического модуля и последовательно присоединенного к нему рекуператора давления: 2¹ - рекуператор давления первой ступени, 2² – рекуператор давления второй ступени, 2ⁿ - рекуператор давления n-ой ступени, 6¹ – осмотический мембранный модуль первой ступени, 6² - осмотический мембранный модуль второй ступени, 6ⁿ - осмотический мембранный модуль n-ой ступени.

Установка работает следующим образом: исходная морская вода насосом подачи 1 (см. фиг.1) одновременно подается на дополнительный рекуператор давления 2, основной рекуператор давления 3 и осмотический мембранный модуль 6. В дополнительном и основном рекуператорах давления давление исходной воды повышается за счет использования как химического потенциала концентрата, так и давления отходящего концентрата. Исходная морская вода поступает на вход в насос высокого давления 4, где, достигнув заданного значения, направляется в мембранный модуль 5. В мембранном модуле под действием давления выше осмотического на полупроницаемых мембранах происходит разделение морской воды на пресную - пермеат и более соленую -концентрат. Пермеат поступает потребителю. Концентрат под остаточным давлением поступает в основной рекуператор давления 3, где часть потенциальной энергии его используется для повышения давления исходной морской воды. Далее концентрат под остаточным давлением из основного рекуператора давления поступает в осмотический мембранный модуль 6. В осмотическом мембранном модуле за счет изменения химического потенциала происходит одновременно снижение концентрации солей и увеличение расхода концентрата. Потенциальная энергия концентрата после осмотического мембранного модуля возрастает. Из осмотического мембранного модуля 6 концентрат поступает в дополнительный рекуператор давления 2. В дополнительном рекуператоре давления потенциальная энергия концентрата используется для повышения давления исходной морской воды. Отработанный концентрат из дополнительного рекуператора давления 2 поступает на сброс. Исходная морская вода из осмотического мембранного модуля поступает также на сброс.

В дополнительном варианте с насосом подачи исходной морской воды и с многоступенчатой рекуперацией химического потенциала концентрата (см. фиг.2) рекуперация химического потенциала концентрата производится в несколько ступеней.

В варианте без насоса подачи: исходная морская вода дополнительным рекуператором давления 2 (см. фиг.3) одновременно подается на основной рекуператор давления 3 и осмотический мембранный модуль 6. В дополнительном и основном рекуператорах давления давление исходной воды повышается за счет использования как химического потенциала концентрата, так и давления отходящего концентрата. Исходная морская вода поступает на вход в насос высокого давления 4, где, достигнув заданного значения, направляется в мембранный модуль 5. В мембранном модуле под действием давления выше осмотического на полупроницаемых мембранах происходит разделение морской воды на пресную - пермеат и более соленую - концентрат. Пермеат поступает потребителю. Концентрат под остаточным давлением поступает в основной рекуператор давления 3, где часть потенциальной энергии его используется для повышения давления исходной морской воды. Далее концентрат под остаточным давлением из основного рекуператора давления 3 поступает в осмотический мембранный модуль 6. В осмотическом мембранном модуле за счет изменения химического потенциала происходит одновременно снижение концентрации солей и увеличение расхода концентрата. Потенциальная энергия концентрата после осмотического мембранного модуля возрастает. Из осмотического мембранного модуля 6 концентрат поступает в дополнительный рекуператор давления 2. В дополнительном рекуператоре давления 2 потенциальная энергия концентрата используется для подачи исходной морской воды.

Отработанный концентрат из дополнительного рекуператора давления 2 поступает на сброс. Исходная морская вода из осмотического мембранного модуля 6 поступает также на сброс.

В дополнительном варианте без насоса подачи исходной морской воды, но с многоступенчатой рекуперацией химического потенциала концентрата (см. фиг.4) рекуперация химического потенциала концентрата производится в несколько ступеней.

Таким образом, предлагаемая мембранная установка позволяет провести опреснение морской воды при значительном сокращении затрат энергии на опреснение.

Изобретение относится к области опреснения морских и природных солоноватых вод. Мембранная установка включает насос подачи исходной морской воды, насос высокого давления, мембранный модуль, рекуператор давления и осмотический мембранный модуль, последовательно соединенный с дополнительным рекуператором давления. Мембранная установка во втором варианте выполнения включает насос подачи исходной морской воды, насос высокого давления, мембранный модуль, рекуператор давления и осмотический мембранный модуль, последовательно соединенный с дополнительным рекуператором давления. При этом в качестве насоса подачи исходной морской воды использован дополнительный рекуператор давления. Кроме того, установки могут включать не менее двух последовательно соединенных пар, состоящих из осмотического мембранного модуля и дополнительного рекуператора давления. Технический результат: сокращение затрат энергии на опреснение воды. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мембранная установка опреснения морской воды, включающая насос подачи исходной морской воды, насос высокого давления, мембранный модуль, рекуператор давления, отличающаяся тем, что она снабжена осмотическим мембранным модулем, последовательно соединенным с дополнительным рекуператором давления, при этом выход концентрата из основного рекуператора давления через осмотический мембранный модуль соединен с входом дополнительного рекуператора давления, кроме того, насос подачи исходной морской воды присоединен к осмотическому мембранному модулю и к параллельно расположенным основному и дополнительному рекуператорам давления, которые через насос высокого давления соединены с мембранным модулем.2. Мембранная установка по п.1, отличающаяся тем, что в ней использовано не менее двух последовательно соединенных пар, состоящих из осмотического мембранного модуля и дополнительного рекуператора давления, причем выход каждого дополнительного рекуператора давления соединен с входом последующего осмотического мембранного модуля, при этом насос подачи исходной морской воды единой магистралью связан с параллельно расположенными осмотическими мембранными модулями, а через дополнительные рекуператоры давления и параллельно расположенный основной рекуператор давления с насосом высокого давления и мембранным модулем.3. Мембранная установка опреснения морской воды, включающая насос подачи исходной морской воды, насос высокого давления, мембранный модуль, рекуператор давления, отличающаяся тем, что она снабжена осмотическим мембранным модулем, последовательно соединенным с дополнительным рекуператором давления, при этом выход концентрата из основного рекуператора давления через осмотический мембранный модуль соединен с входом дополнительного рекуператора давления, кроме того, в качестве насоса подачи исходной морской воды использован дополнительный рекуператор давления, присоединенный к осмотическому мембранному модулю и основному рекуператору давления, соединенному через насос высокого давления с мембранным модулем.4. Мембранная установка по п.3, отличающаяся тем, что в ней использовано не менее двух последовательно соединенных пар, состоящих из осмотического мембранного модуля и дополнительного рекуператора давления, причем выход каждого дополнительного рекуператора давления соединен с последующим входом осмотического мембранного модуля, а в качестве насоса подачи исходной морской воды использованы последовательно соединенные дополнительные рекуператоры давления, которые единой магистралью параллельно связаны с осмотическими мембранными модулями, а также через основной рекуператор давления и насос высокого давления с мембранным модулем.