DE102018106521A1 - Plant for separating an aqueous solution into purified water and solution residues - Google Patents
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Abstract
Eine Anlage (10) zum Trennen einer wässrigen Lösung (14) in Wasser und Lösungsrückstände (59), ist im Hinblick darauf, ein solches Trennen mit vergleichsweise geringem Energiebedarf zu ermöglichen, gekennzeichnet durch eine einstufige oder mehrstufige Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit (12) zur Auftrennung der Lösung (14) in ein Permeat (16) und ein Konzentrat (18) und eine der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit (12) vorgeschaltete einstufige oder mehrstufige Pumpeneinheit (20) zur Zuführung der Lösung (14) in die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit (12) unter Druck, wobei an der das Konzentrat (18) aus der letzten Stufe der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit (12) abführenden Ausgangsleitung (26) eine Turbineneinheit (28) mit einem dadurch antreibbaren Generator (30) zur Umwandlung der Druckenergie des Konzentrats (18) in elektrische Energie (32) angeordnet ist und wobei dem Generator (30) eine Energiewandlungseinheit (34) nachgeschaltet ist, die mit der Pumpeneinheit (20) elektrisch derart verbunden ist, dass durch die mittels des Generators (30) gewonnene elektrische Energie (32) die Pumpeneinheit (20) antreibbar ist.A plant (10) for separating an aqueous solution (14) into water and dissolution residues (59) is characterized by a one-stage or multi-stage high pressure reverse osmosis unit (12) for separation in view of enabling such separation with comparatively low energy requirements the solution (14) in a permeate (16) and a concentrate (18) and a high-pressure reverse osmosis unit (12) upstream single-stage or multi-stage pump unit (20) for supplying the solution (14) in the high-pressure reverse osmosis unit (12) below Pressure, wherein at the concentrate (18) from the last stage of the high-pressure reverse osmosis unit (12) laxative output line (26) comprises a turbine unit (28) with a driven thereby generator (30) for converting the pressure energy of the concentrate (18) into electrical Energy (32) is arranged and wherein the generator (30) an energy conversion unit (34) is connected downstream, which verbu electrically with the pump unit (20) Nden is that by the means of the generator (30) obtained electrical energy (32), the pump unit (20) is drivable.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Trennen einer wässrigen Lösung in Wasser und Lösungsrückstände mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.The invention relates to a system for separating an aqueous solution into water and solution residues having the features of the preamble of claim 1.
Anlagen zum Trennen einer wässrigen Lösung in Wasser und Lösungsrückstände sind aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trennen einer wässrigen Lösung in Wasser und Rückstände mit vergleichsweise geringem Energiebedarf zu ermöglichen. Zur Erhöhung der Rentabilität ist insbesondere eine Reduzierung des zum Anlagenbetrieb erforderlichen Primärenergiebedarfs wünschenswert.The invention has for its object to enable separation of an aqueous solution in water and residues with relatively low energy consumption. In order to increase profitability, in particular a reduction of the primary energy demand required for plant operation is desirable.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach zeichnet sich die Anlage aus durch eine einstufige oder mehrstufige Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit zur Auftrennung der Lösung in ein Permeat und ein Konzentrat und eine der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit vorgeschaltete einstufige oder mehrstufige Pumpeneinheit zur Zuführung der Lösung in die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit unter (erhöhtem) Druck, wobei an der das Konzentrat aus der letzten Stufe der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit abführenden Ausgangsleitung eine Turbineneinheit mit einem dadurch antreibbaren oder angetriebenen Generator zur Umwandlung der Druckenergie des Konzentrats in elektrische Energie angeordnet ist und wobei dem Generator eine Energiewandlungseinheit nachgeschaltet ist (elektrische Verbindung zwischen Generator und Energiewandlungseinheit), die mit der Pumpeneinheit elektrisch derart verbunden ist, dass durch die mittels des Generators gewonnene elektrische Energie die Pumpeneinheit antreibbar oder angetrieben ist.The invention solves this problem with a system having the features of claim 1. Thereafter, the system is characterized by a single-stage or multi-stage high-pressure reverse osmosis unit for separating the solution into a permeate and a concentrate and the high-pressure reverse osmosis unit upstream single-stage or multi-stage pump unit for supplying the solution into the high-pressure reverse osmosis unit under (elevated) pressure, wherein at the outlet line discharging the concentrate from the last stage of the high-pressure reverse osmosis unit, a turbine unit with a generator driven or driven thereby for converting the pressure energy of the concentrate into electrical energy is arranged and wherein the generator is followed by an energy conversion unit (electrical connection between the generator and the energy conversion unit), which is electrically connected to the pump unit in such a way that the electrical energy obtained by means of the generator causes the Pu mpeneinheit driven or driven.
Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Rentabilität der beschriebenen Anlage in erheblichem Maße erhöht werden kann, da die im Wege der Umkehrosmose in die Lösung eingespeiste Energie zu einem hohen Anteil zurückgewonnen werden kann. Dadurch wird die zum Anlagenbetrieb erforderliche Primärenergie reduziert. Dies erfolgt dadurch, dass die nach Passieren der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit im Konzentrat enthaltene Druckenergie durch die Turbineneinheit nebst Generator in elektrische Energie umgewandelt und mittels der Energiewandlungseinheit der Pumpeneinheit zugeführt wird, wo die rückgewonnene Energie zum Antrieb der Pumpeneinheit (Antrieb des oder der Pumpenmotoren) genutzt werden kann. Ein Rückgewinnungspotential von ca. 20 bis 40 Prozent der Einspeiseenergie lässt sich realisieren. Durch Einsatz der Energiewandlungseinheit ist eine Entkopplung der Volumenströme vor und nach der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit ermöglicht, da die Volumenströme nicht zwangsgekoppelt sind wie bspw. bei einer mechanischem Kopplung.Such an embodiment has the advantage that the profitability of the plant described can be increased to a considerable extent, since the energy fed into the solution by way of reverse osmosis can be recovered to a high proportion. This reduces the primary energy required for plant operation. This is done by converting the pressure energy contained in the concentrate by the turbine unit together with the generator after passing through the high-pressure reverse osmosis unit into electrical energy and supplied by means of the energy conversion unit to the pump unit, where the recovered energy is used to drive the pump unit (drive of the pump motor or motors) can be. A recovery potential of about 20 to 40 percent of the feed-in energy can be realized. By using the energy conversion unit, a decoupling of the volume flows before and after the high-pressure reverse osmosis unit is made possible, since the volume flows are not positively coupled, such as in the case of a mechanical coupling.
Im Konkreten kann es sich bei der vorliegenden Anlage um eine Entwässerungsanlage handeln. In diese Anlage kann über einen Zulauf eine wässrige Lösung zugeführt werden, bspw. eine hochsalzhaltige Lösung. Bei den Prozessergebnissen kann es sich einerseits um Wasser, vorzugsweise gereinigtes Wasser, und andererseits um Lösungsrückstände handeln, bspw. Endkonzentrat oder Feststoff.Specifically, this plant may be a drainage plant. In this plant, an aqueous solution can be supplied via an inlet, for example. A high saline solution. The process results can be on the one hand water, preferably purified water, and on the other hand solution residues, for example. Final concentrate or solid.
Die einstufige oder mehrstufige Pumpeneinheit dient zur Druckerhöhung der zugeführten Lösung auf ein oberhalb des atmosphärischen Drucks liegendes Druckniveau, bspw. auf einen Druck von ca. 5 bar. Bei der Pumpeneinheit kann es sich um eine oder mehrere Vordruckpumpen oder Feedpumpen handeln. Die Pumpeneinheit weist einen oder mehrere Elektromotoren zum Antrieb der Pumpeneinheit auf.The single-stage or multi-stage pump unit is used to increase the pressure of the supplied solution to a pressure above the atmospheric pressure level, for example. To a pressure of about 5 bar. The pump unit may be one or more pre-pressure pumps or feed pumps. The pump unit has one or more electric motors for driving the pump unit.
Die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit kann einstufig oder mehrstufig ausgebildet sein. Die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit kann mehrere Module aufweisen, bspw. Rohrscheibenmodule und/oder Ultrahochdruck-Wickelmodule.The high-pressure reverse osmosis unit can be designed in one or more stages. The high-pressure reverse osmosis unit can have a plurality of modules, for example tubular-plate modules and / or ultra-high-pressure-wound modules.
Die Anlage und insbesondere die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit sind vorzugsweise derart eingerichtet, dass ein Betriebsbereich oberhalb bisheriger Anlagendrücke von ca. 100 bar (übliche Meerwasserentsalzung) erreicht werden kann. So sollen insbesondere Anlagendrücke von 100 bis 200 bar erreicht werden können. Mögliche Betriebsdrücke können 100 bar, 120bar, 140 bar, 160 bar, 180 bar und/oder 200 bar sein (Druck in der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit). Dabei sind Anlage und insbesondere die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit dazu eingerichtet, niedrige Volumenströme (ca. 5 bis 120 m3/h) bei hohem Betriebsdrücken zu fördern.The system and in particular the high-pressure reverse osmosis unit are preferably set up such that an operating range above the previous system pressures of about 100 bar (conventional seawater desalination) can be achieved. In particular, system pressures of 100 to 200 bar should be achieved. Possible operating pressures may be 100 bar, 120 bar, 140 bar, 160 bar, 180 bar and / or 200 bar (pressure in the high pressure reverse osmosis unit). In this case, the plant and in particular the high-pressure reverse osmosis unit are designed to promote low volume flows (about 5 to 120 m3 / h) at high operating pressures.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Energiewandlungseinheit derart eingerichtet sein, dass der Anteil der der Pumpeneinheit zugeführten elektrischen Energie (Anteil der rückgewonnenen Energie) regelbar ist. Somit kann die rückgewonnene Energie teilweise oder ganz zum Antrieb der Pumpeneinheit genutzt werden, wobei Nutzungsraten von 0 bis 100 Prozent denkbar sind. Dadurch können die Volumenströme vor und nach der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit entkoppelt werden. Eine Regelung der Volumenströme relativ zueinander ist möglich, insbesondere durch Regelung der Zuführung der rückgewonnenen und zum Antrieb der Pumpeneinheit zugeführten Energie. Damit lassen sich variable Volumenströme realisieren, insbesondere in Abhängigkeit vom gelösten Salzgehalt. Wesentlich ist, dass die Energiewandlungseinheit regelbar ausgestaltet ist. Die konkrete Ausgestaltung der Energiewandlungseinheit kann jedoch unterschiedlich aussehen. Bspw. kann die Energiewandlungseinheit einen oder mehrere Transformatoren, einen oder mehrere Spannungs- und/oder Stromwandler, einen oder mehrere Wechselrichter und/oder einen oder mehrere Gleichrichter aufweisen.In a preferred embodiment, the energy conversion unit can be set up such that the proportion of the electrical energy supplied to the pump unit (proportion of the recovered energy) can be regulated. Thus, the recovered energy can partially or completely to drive The pump unit can be used, with utilization rates of 0 to 100 percent are conceivable. As a result, the volume flows before and after the high-pressure reverse osmosis unit can be decoupled. A regulation of the volume flows relative to each other is possible, in particular by controlling the supply of the recovered and supplied to drive the pump unit energy. This makes it possible to realize variable volume flows, in particular as a function of the dissolved salt content. It is essential that the energy conversion unit is designed adjustable. However, the specific design of the energy conversion unit may look different. For example. The energy conversion unit may comprise one or more transformers, one or more voltage and / or current transformers, one or more inverters and / or one or more rectifiers.
In vorteilhafter Weise kann die Energiewandlungseinheit einen elektrischen Energiespeicher aufweisen oder mit einem elektrischen Energiespeicher zusammenwirken. Dadurch kann überschüssige rückgewonnene elektrische Energie gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden. Die Energiewandlungseinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, um mit dem elektrischen Energiespeicher zusammenzuwirken, bspw. durch eine elektrische Schnittstelle an der Energiewandlungseinheit zur Kopplung mit dem Energiespeicher. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich insbesondere um einen elektrochemischen Energiespeicher handeln, bspw. eine Batterie oder einen Akku.In an advantageous manner, the energy conversion unit can have an electrical energy store or interact with an electrical energy store. As a result, excess recovered electrical energy can be stored and retrieved at a later time. The energy conversion unit is in particular configured to cooperate with the electrical energy store, for example by an electrical interface to the energy conversion unit for coupling to the energy store. The electrical energy store may in particular be an electrochemical energy store, for example a battery or a rechargeable battery.
In zweckmäßiger Weise kann eine externe elektrische Energieversorgung vorgesehen sein, die die Energiewandlungseinheit mit Energie versorgen kann oder versorgt. Durch eine externe elektrische, bspw. netzgebundene, Energiequelle kann die Energiewandlungseinheit alternativ oder ergänzend mit elektrischer Energie versorgt werden, so dass bspw. auch Lastspitzen energetisch abgedeckt werden können. Hierzu kann die Energiewandlungseinheit für eine externe elektrische Energieversorgung eingerichtet sein, bspw. durch eine Schnittstelle für die externe elektrische Energieversorgung.Conveniently, an external electrical power supply can be provided which can supply or supply the energy conversion unit with energy. By an external electrical, for example, grid-connected, energy source, the energy conversion unit can be supplied alternatively or supplementarily with electrical energy, so that, for example, load peaks can be energetically covered. For this purpose, the energy conversion unit can be set up for an external electrical energy supply, for example by an interface for the external electrical energy supply.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine Photovoltaikanlage vorgesehen sein, die die Energiewandlungseinheit und/oder den elektrischen Energiespeicher mit elektrischer Energie versorgen kann oder versorgt. Auf diese Weise ist eine weitere energetische Optimierung möglich, da der Anteil an Primärenergie weiter reduziert werden kann. Die Energiewandlungseinheit und/oder der elektrische Energiespeicher können entsprechende elektrische Schnittstellen zum Zusammenwirken mit der Photovoltaikanlage aufweisen.Within the scope of a preferred embodiment, a photovoltaic system can be provided which can supply or supply the energy conversion unit and / or the electrical energy store with electrical energy. In this way, further energy optimization is possible because the proportion of primary energy can be further reduced. The energy conversion unit and / or the electrical energy store can have corresponding electrical interfaces for interaction with the photovoltaic system.
In vorteilhafter Weise können der Turbineneinheit an der Ausgangsleitung, insbesondere unter Zwischenschaltung eines Konzentratzwischenspeichers, eine Eindampfanlage und ein Wärmeübertrager nachgeschaltet sein, denen zumindest ein Teil des (entspannten) Konzentrats zugeführt wird. Hiermit ist eine weitere Entwässerung des Konzentrats möglich.Advantageously, the turbine unit at the output line, in particular with the interposition of a concentrate batch storage, an evaporation plant and a heat exchanger to be followed, which at least a portion of the (relaxed) concentrate is supplied. This allows further dewatering of the concentrate.
Das der Eindampfanlage und dem Wärmeübertrager, ggf. unter Zwischenschaltung eines Konzentratzwischenspeichers, zugeführte Konzentrat hat sich auf einen geringeren Druck „entspannt“, da dieses die Turbineneinheit bereits durchlaufen hat (Konzentrat Niederdruckseite). Vor einem Durchlaufen der Turbineneinheit steht das Konzentrat noch unter Druck (Konzentrat Hochdruckseite).The concentrate fed to the evaporation unit and the heat exchanger, if necessary with the interposition of a concentrate wipe accumulator, has "relaxed" to a lower pressure, since this has already passed through the turbine unit (low-pressure side concentrate). Before passing through the turbine unit, the concentrate is still under pressure (concentrate high-pressure side).
In zweckmäßiger Weise kann ein mechanischer Brüdenverdichter vorgesehen sein, der mit der Eindampfanlage und/oder dem Wärmeübertrager zusammenwirkt. Dadurch kann zumindest ein Teil der im Dampf der Eindampfanlage enthaltenen Energie zurückgewonnen und der Eindampfanlage mit höherem Temperatur- und damit mit höherem Energieniveau erneut zugeführt werden. Insbesondere kann dem Brüdenverdichter über eine Dampf-Zuführleitung Dampf aus der Eindampfanlage zugeführt werden. Dort kann der Dampf mittels des mechanischen Brüdenverdichters, bspw. einem Gebläse, auf ein höheres Temperatur- und damit auch ein höheres Energieniveau angehoben werden. Über eine Dampf-Rückführleitung kann der komprimierte Dampf dem Wärmeübertrager, bspw. einem Wärmetauscher, zugeführt werden, der der Eindampfanlage diese Energie als Wärme zuführt. Durch den Brüdenverdichter muss lediglich die zur Temperaturerhöhung erforderliche Energie aufgebracht werden, die bspw. zumindest teilweise aus dem elektrischen Energiespeicher stammen kann.Conveniently, a mechanical vapor compressor can be provided, which cooperates with the evaporation plant and / or the heat exchanger. As a result, at least some of the energy contained in the vapor of the evaporation plant can be recovered and fed back to the evaporation plant at a higher temperature and thus at a higher energy level. In particular, vapor can be supplied to the vapor compressor via a steam supply line from the evaporation plant. There, the steam can be raised by means of the mechanical vapor compressor, for example a blower, to a higher temperature and thus also a higher energy level. Via a steam return line, the compressed steam can be supplied to the heat exchanger, for example a heat exchanger, which supplies this energy to the evaporation plant as heat. By the vapor compressor only the energy required for increasing the temperature must be applied, which may, for example, at least partially originate from the electrical energy storage.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann eine weitere Energiewandlungseinheit vorgesehen sein, mittels der dem Brüdenverdichter elektrische Energie des Energiespeichers oder einer weiteren externen elektrischen Energieversorgung zum Antrieb des Brüdenverdichters zugeführt wird. Damit kann die Antriebsenergie für den Antrieb des Brüdenverdichters zumindest teilweise aus rückgewonnener elektrischer Energie aufgebracht werden. Die weitere Energiewandlungseinheit ist derart eingerichtet, dass diese mit dem elektrischen Energiespeicher, der weiteren externen elektrischen Energieversorgung und/oder dem Brüdenverdichter zusammenwirken kann, bspw. kann die weitere Energiewandlungseinheit entsprechende elektrische Schnittstellen aufweisen.In a preferred embodiment, a further energy conversion unit can be provided, by means of which the vapor compressor electric energy of the energy storage or another external electrical power supply is supplied to drive the vapor compressor. Thus, the drive energy for the drive of the vapor compressor can be applied at least partially from recovered electrical energy. The further energy conversion unit is set up such that it can interact with the electrical energy store, the further external electrical energy supply and / or the vapor compressor, for example. The further energy conversion unit can have corresponding electrical interfaces.
In vorteilhafter Weise kann die Turbineneinheit in der Ausgangsleitung eine Konzentratentsorgung nachgeschaltet sein. Advantageously, the turbine unit in the output line downstream of a concentrate disposal.
Hierdurch kann eine Entsorgung des noch flüssigen Konzentrats erfolgen, bspw. durch einen Speichersee oder ein Solarpaneel. Dadurch kann eine Verdunstung der im Konzentrat noch enthaltenen Restflüssigkeit durchgeführt werden, so dass lediglich Lösungsrückstände, bspw. Feststoffe, zurückbleiben. This allows disposal of the still liquid concentrate done, for example. By a storage lake or a solar panel. As a result, evaporation of the residual liquid still contained in the concentrate can be carried out, so that only solution residues, for example solids, remain behind.
Im Konkreten kann nach Durchlaufen der Turbineneinheit ein Teil des Konzentrats (Konzentrat Niederdruckseite) der Eindampfanlage zugeführt werden, ggf. nach einem Passieren von Konzentratzwischenspeicher und/oder Eindampfanlage, und ein weiterer Teil kann der Konzentratentsorgung zugeführt werden.Specifically, after passing through the turbine unit, a portion of the concentrate (concentrate low pressure side) of the evaporation system can be supplied, possibly after passing through concentrate batch and / or evaporation, and another part can be supplied to the concentrate disposal.
Die Anlage kann einen Zulauf zur Zuführung einer wässrigen, insbesondere hochsalzhaltigen (>3,5 Gramm Salz pro Liter Lösung), Lösung zur Pumpeneinheit aufweisen. Die Pumpeneinheit kann mittels einer Eingangsleitung mit der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit strömungsverbunden sein. Die Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit kann mittels der oben bereits beschriebenen Ausgangsleitung mit der Turbineneinheit strömungsverbunden sein (erster Abschnitt der Ausgangsleitung). Die Turbineneinheit kann mittels der beschriebenen Ausgangsleitung mit der Eindampfanlage und mit der Konzentratentsorgung strömungsverbunden sein (zweiter Abschnitt der Ausgangsleitung).The system may have an inlet for supplying an aqueous, in particular high salt content (> 3.5 grams of salt per liter of solution) solution to the pump unit. The pump unit may be fluidly connected to the high pressure reverse osmosis unit via an input line. The high-pressure reverse osmosis unit may be flow-connected to the turbine unit by means of the above-described outlet line (first section of the outlet line). The turbine unit may be fluidly connected to the evaporation plant and to the concentrate discharge by means of the described outlet line (second section of the outlet line).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Anlage zum Trennen einer wässrigen Lösung in Wasser und Lösungsrückstände in einem Prinzipschaubild.
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1 an embodiment of a system for separating an aqueous solution in water and solution residues in a schematic diagram.
Die Anlage
Der Hochdruck-Umkehrosmoseeinheit
Die Anlage
Bevor das Konzentrat
Die Energiewandlungseinheit
Optional weist die Energiewandlungseinheit
Ebenfalls denkbar ist (optional), dass eine externe elektrische Energieversorgung
Optional kann eine Photovoltaikanlage
Der Turbineneinheit
Weiter ist ein mechanischer Brüdenverdichter
Der Wärmeübertrager
Optional kann eine weitere Energiewandlungseinheit
Der Turbineneinheit
Die Anlage
Am Zulauf
Das Konzentrat
Nach Durchlaufen der Turbineneinheit
An der Niederdruckseite
Das Konzentrat
Wie zuvor bereits erläutert, kann durch den Generator
Rückgewonnene elektrische Energie
Über eine weitere Energiewandlungseinheit
Zusammenfassend hat die vorgeschlagene Anlage den Vorteil, dass deren Rentabilität in erheblichem Maße erhöht ist, da ca. 20-40 % der Einspeiseenergie rückgewonnen werden kann. Durch die elektrische Kopplung der Turbineneinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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