AT393262B

AT393262B - Verfahren und vorrichtung zur trennung von fluessigkeiten

Info

Publication number: AT393262B
Application number: AT2485/89A
Authority: AT
Original assignee: Schrems Emil
Priority date: 1989-10-30
Filing date: 1989-10-30
Publication date: 1991-09-25
Also published as: ATA248589A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Trennung von Flüssigkeiten, beispielsweise zur Abtrennung Lösungsmittel von gelösten Stoffen, wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, Phenole, Aromate aus Wasser oder zur Wasserentsalzung durch Verdampfen und anschließender Kondensation durch Abkühlung solcherart, daß im Verdampfer und im Kondensator ein Vakuum angelegt wird, was eine Siedepunktsemiedrigung bewirkt, und daß im Verdampfer gegenüber dem Kondensator die Temperatur erhöht wird, der Temperaturunterschied eine Dampfdruckdifferenz ergibt, welche im Kondensator die Verflüssigung der niedriger siedenden Komponente bewirkt.

Die Trennung von Flüssigkeiten und darin gelösten Stoffen, - insbesondere die Entsalzung von Meerwasser -, wird nach dem derzeitigen Stande der Technik vorwiegend nach folgenden Verfahren und mit folgenden Vorrichtungen durchgeführt:

Destillation

Destillation im Vakuum

Elektrodialyse

Umkehrosmose

Diese Verfahren und Vorrichtungen weisen sowohl in technischer aber auch in wirtschaftlicher Hinsicht große Nachteile auf, bei der Destillation bei Atmosphärendruck aber auch im Vakuum werden für die Verdampfung der Flüssigkeit sehr große Wärmemengen, somit Energiemengen benötigt, - Kondensation der verdampften Flüssigkeit und somit Gewinnung von entsalzter Flüssigkeit muß noch mittels energieaufwendigen Kühlmaschinen durchgeführt werden wie zum Befiel in der DE-OS 2939694 beschrieben.

Ein weiteres Verfahren zur Trennung von Flüssigkeit«! und gelösten Stoffen, - insbesondere der Entsalzung von Flüssigkeiten-, ist die Elektrodialyse. In einem elektrischen Feld wird eine ionenreiche Flüssigkeit einem Gleichspannungsunterschied ausgesetzt, die negative Seite wird von der positiven Seite durch eine Anzahl von Membranen getrennt und solcherart kann eine Trennung der Ionen von der Flüssigkeit erfolgen, wobei hier allerdings nur eine sogenannte Teilentsalzung möglich ist

Das derzeit am meisten angewandte Verfahren und die Vorrichtung zur Entsalzung von Flüssigkeiten ist die Umkehrosmose. Neben den relativ sehr hohen Betriebskosten, - es muß immerhin der osmotische Druck der mit Ionen beladenen Flüssigkeit überwunden werden -, ist auch hier eine Entsalzung der Flüssigkeit von höchstens 90 Prozent erreichbar.

Sowohl bei der Elektrodialyse als auch bei der Umkehrosmose sind Membranen erforderlich, die ein relativ hohes Faktum an Betriebserschwemissen darstellen, da sie immer wieder erneuert werden müssen und ihre einwandfreie Funktion wesentlich vom Salzgehalt aber auch vom Reinheitsgrad (Schwebestoffgehalt) der zu entsalzenden Flüssigkeit abhängig ist.

Bei all diesen Verfahr«! und Vorrichtungen ist für die Trennung von Flüssigkeiten und gelösten Stoffen der Energieaufwand relativ hoch und erlaubt somit nur einen geringen Wirkungsgrad. Demgegenüber steht nun erfindungsgemäß ein Verfahren und eine Vorrichtung, in technischer ab« auch in wirtschaftlich« Hinsicht die Trennung von Flüssigkeiten und gelösten Stoffen unter optimaler Nutzung vorhandener Energiequellen durchzuführen.

Erfindungsgemäß wird dies so durchgeführt, daß in einem V«dampfer und einem Kondensator ein Vakuum angelegt wird, durch welches der Siedepunkt d« Flüssigkeit «niedrigt wird, die verdampfende Flüssigkeit sich von den gelösten Stoffen trennt und in einem Kondensator wied« verflüssigt wird.

Im Besonder«! sei darauf v«wies«i, daß hiebei neben der Verwendung konventionell« En«giequellen zum Beispiel auch die Nutzung von Solarenergie und zwar auf einfachste Art und Weise möglich ist, beides unter optimalen Voraussetzungen und somit mit hohem Wirkungsgrad.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung bedienen sich zwar grundsätzlich der nach physikalischen Prozessen arbeitenden Vakuum-Destillation, die einzelnen Teilprozesse «folg«! aber in neuartig« Weise so, daß hiedurch «st eine optimale Nutzung der eingesetzten Energiequellen möglich ist

Im V«dampf« d« Anlage wird durch entsprechende Vorrichtungen für die zu verdampfende Flüssigkeit eine größtmögliche Oberfläche geschaffen, wodurch der Molekularbewegung der zu verdampfenden Flüssigkeitsteilchen ein geringstmöglicher Widerstand entgegengesetzt wird und durch den solcherart stark reduzierten Energieverlust sich ein hoh« Wirkungsgrad bei der V«dampfung ergibt Dies wurde dadurch erzielt, daß entweder durch die besondere geometrische Form des Verdampfers die freie Flüssigkeitsoberfläche möglichst groß zum Flüssigkeitsvolumen gehalten wird, oder durch die Verwendung von sogenanntem hygroskopisch wirksamen Material eine möglichst große Anzahl von Flüssigkeitsteilchen infolge Kapillarwirkung über die Flüssigkeitsoberfläche gehoben wird und solcherart ebenfalls eine verdampfungsfördemde Oberflächenvergrößerung d« Flüssigkeit «zielt wird.

Des weiteren wird der Energieübertrag durch die Anordnung von sogenannten Wänneleitblechen ebenfalls wesentlich begünstigt Von Bedeutung für den erfindungsgemäßen Gedanken ist auch die Vorrichtung, durch welche Solaren«gie direkt für die Trennung von Flüssigkeiten und darin gelösten Stoffen eingesetzt w«den kann: Über den Verdampfer wird eine aus lichtdurchlässigem Material bestehende Kuppel gestülpt Die kurzwelligen ultravioletten und infraroten Strahl«! d« Sonne durchdringen die lichtdurchlässige Kuppelwand und werden durch -2-

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Lichtbrechung in langwellige Wärmestrahlen umgewandelt. Die Wärmestrahlen werden der im Verdampfer befindlichen Flüssigkeit mitgeteilt und bringen dort eine entsprechende Menge Flüssigkeit zur Verdampfung. Der Flüssigkeitsdampf strömt zum Kondensator, welcher an einer, der Sonnenstrahlung abgewandten Stelle situiert ist. Infolge des im Kondensator wesentlich geringeren Energiepotentiales wird der Flüssigkeitsdampf in die Flüssigphase übergeführt und die Kondensationswärme an die Umgebung abgeführt. Daneben besteht noch eine weitere Anwendungsmöglichkeit: Befinden sich in der Flüssigkeit anstatt von Ionen z. B. sogenannte wasserdampfflüchtige Stoffe, wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, Phenole, Aromate u. dgl., so können diese ebenfalls nach diesem Verfahren von der Flüssigkeit getrennt werden.

In diesem Falle kommt der verdampfenden Flüssigkeit (z. B.Wasserdampf) die Eigenschaft eines sogenannten Trägergases zu, in welchem sich vorerwähnte, flüchtige Stoffe als Azeotrop ansiedeln, an dieses klammem und zum Kondensator abgeführt werden. Im Verdampfer verbleibt dann lediglich die von den flüchtigen Stoffen solcherart befreite Flüssigkeit, während sich im Kondensator die flüchtigen Stoffe zusammen mit verflüssigtem Wasserdampf sammeln.

Die Erfindung wird nachstehend sowohl das Verfahren, als auch die Vorrichtungen betreffend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Fig. 1 - 3 näher erläutert

Fig. 1 stellt eine Ausführungsform dar, bei welcher sowohl mittels Solarenergie über eine lichtdurchlässige Kuppel (SK), als auch über eine andere Energiequelle, - z. B. Wärmetauscher (WT) die für die Verdampfung der Flüssigkeit erforderliche Energie zugeführt werden kann. Über die lichtdurchlässige Kuppel (SK) trifft Solarstrahlung oder den Wärmetauscher (WT) Wärmeenergie (e) auf den Verdampfer (V), bestehend aus dem Gehäuse (1), den Wärmeleitblechen (2) auf die im Inneren des Verdampfers befindliche Flüssigkeit und den gelösten Stoffen. Durch den Energieeintrag wird Flüssigkeit verdampft und strömt über das Dampfrohr (8) zum Kondensat«' (K).

Der Verdampfer (V) ist noch mit Zusatzeinrichtungen, wie Zuleitung (3) mit Absperrventil (4) für die Rohwasserzugabe und Niveauregelung (5) ausgestattet, letztere steuert die Vakuumpumpe (6) so, daß die aufzubereitende Flüssigkeit immer am Siedepunkt der zu verdampfenden Flüssigkeit gehalten werden kann.

Die Vakuumpumpe (6) ist, - sperrbar durch das Ventil (7) -, an das Dampf rohr (8) angeschlossen.

Der Kondensator (K) besteht aus dem Gehäuse (9) mit der Verteilungsschürze (10), durch letztere wird der in den Kondensator einströmende Dampf zur Gehäusewand (9) bzw. zu den Kühlschlangen (13) geleitet. Die Kühlschlangen (13) weiden zwecks besserer Abfuhr der bei der Kondensation des Dampfes flreiwerdenden Wärme mittels Umlaufpumpe (14) mit Kühlflüssigkeit aus der Umgebung des Kondensators angepumpt

Der im Kondensator (K) sich sammelnde, kondensierte Dampf wird durch die Pumpe (11), - sperrbar durch Ventil (12) ausgefördert.

Figur 2 stellt Ausführungsvarianten des Verdampfers (V) aber auch des Kondensators (K) dar, wobei wahlweise die Verdampfer (V) bei Variante a und c mit strahlungsdurchlässig« Kuppel (SK) und bei Variante b mit Wärmetausch« (WT) ausgerüstet sind.

Variante a; Das Gehäuse (1) des Verdampfers hat eine geometrische Form, bei der die freie Flüssigkeitsoberfläche zum Volumen relativ gering ist Um eine optimale Verdampfung der Flüssigkeit zu erzielen ist es erforderlich, im Inneren des V«dampfers hygroskopisch wirksames Material (la) anzuordnen, durch die Kapillarwirkung werden möglichst viele Flüssigkeitsteilchen über die Flüssigkeitsoberfläche gehoben und solcherart die verdampfungsfördemde Oberflächenvergrößerung erzeugt.

Variante b; Die maximale Kapillarhöhe von Flüssigkeiten in d«zeit bekanntem, hygroskopisch wirksamen Material liegt bei etwa 0,3-0,4 Meter üb« Flüssigkeitsniveau.

Um auch bei darüber liegenden Höhen im Verdampfungsraum eine oberflächenvergrößemde und somit verdampfungsfördemde Wirkung des hygroskopischen Materiales auf die Flüssigkeit zu gewährleisten, erfolgt erfindungsgemäß die Dosierung der Flüssigkeit+gelöste Stoffe von oben über eine p«forieite Trennwand (lb).

Variante c; Durch die geometrische Form des Verdampfungsraumes ist ein optimales, verdampfungsfördemdes Verhältnis von freier Flüssigkeitsoberfläche zum Flüssigkeitsvolumen erzielbar.

Variante d; Im Kondensator (K) sind sogenannte Kondensationsrohre (15) vertikal angeordnet, die von der Umgebungsflüssigkeit des Kondensators beaufschlagt werden. Bei der Kondensation des Dampfes wird Wärme an diese abgegeben, hiedurch wird die Flüssigkeit innerhalb der Kondensationsrohre (15) spezifisch leichter gegenüber der Umgebungsflüssigkeit und es bildet sich eine, - die Wärmeabfuhr begünstigende Zirkulationsströmung aus.

Variante e; Im Kondensatorgehäuse (9) sind Kühlschlangen (13) situiert, welche mittels Umlaufpumpe (14) mit Umgebungsflüssigkeit des Kondensators angepumpt werden. Hiedurch wird die Abfuhr der bei der Kondensation des Dampfes £reiw«denden Wärme wesentlich erhöht

In Fig. 3 wird noch eine weitere Variante für die Kondensation des aus dem Verdampfer zuströmenden Dampfes dargestellt und zwar:

Uber das Dampfrohr (8) strömt Dampf einem Injektor (19) zu. Dieser wird durch eine Pumpe (17) mit bereits kondensiertem Dampf beaufschlagt und zwar üb« die Rohre (16 u. 18). Das System Injektor (19) und Pumpe (17) taucht mittels den Rohren (16 u. 18) in einen Behälter (20) ein, in welchem sich bereits kondensierter Dampf befindet. Der Behälter (20) hat im Inneren sogenannte Leitwände (22) und ein oder mehrere Tauchwände (23), durch welche die dem Injektor (19) entströmende Flüssigkeit einen möglichst langen -3-

Claims

AT 393 262 B Weg zum Saugrohr der Pumpe (17) nehmen muß. Durch diese Maßnahme und die an der Außenwand des Behälters (20) angebrachten, sogenannten Wärmeleitbleche (20a) wird die bei der Kondensation des vom Verdampfer über das Dampfrohr (8) kommenden Dampfes freiwerdende Wärme möglichst optimal an die Umgebung des Behälters (20), - z. B. an Erde oder Flüssigkeit -, abgeführt. Der Behälter (20) ist zwecks Erzielung eines möglichst hohen Kondensationseffektes an Dampf an einer Stelle mit möglichst geringem Wärmepotential situiert Bereits im Saugraum und in der Mischkammer des Injektors (19) wird der aus dem Verdampfer (V) über das Dampfrohr (8) kommende Dampf mit der Treibflüssigkeit des Injektors vermischt und der Kondensation zugefühit PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Trennung von Flüssigkeiten, beispielsweise zur Abtrennung von Lösungsmitteln von gelösten Stoffen, wie chlorierte Kohlenwasserstoffe, Phenole, Aromate aus Wasser oder zur Wasserentsalzung durch Verdampfen und anschließender Kondensation durch Abkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer und im Kondensator ein Vakuum angelegt wird, was eine Siedepunktserniedrigung bewirkt und daß im Verdampfer gegenüber dem Kondensator die Temperatur erhöht wird und der Temperaturunterschied eine Dampfdruckdifferenz ergibt, welche im Kondensator die Verflüssigung der niedrig»' siedenden Komponente bewirkt
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Verdampfer und einem Kondensator, die durch ein Dampfrohr verbunden sind, gekennzeichnet durch eine Vakuumquelle, zum Beispiel Wasserstrahlpumpe oder Vakuumpumpe (6).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Verdampfergehäuses (1) mit hygroskopisch wirksamem Material (la) ausgekleidet ist, dessen Kapillarwirkung eine Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche »zeugt
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich oberhalb des Dampfrohres (8) eine von oben beschickbare, perforierte Trennwand (lb) als Dosiereinrichtung für die Flüssigkeit angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Gehäuse (9), der Verteilungsschürze (10) bestehende Kondensator im Inneren mit Kühlschlangen (13) ausgestattet ist durch die mittels Umlaufpumpe (14) Umgebungsflüssigkeit des Kondensators durch die Kühlschlangen (13) gepumpt und die Kondensation verstärkt und oberhalb der Kühlschlangen eine Verteilungsschürze (10) angeordnet isL
6. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Gehäuse (9) des Kondensators möglichst vertikal angeordnete Kondensationsrohre (15) geführt werden, wodurch die darin befindliche Flüssigkeit sich im ständigen Wärmetausch mit dem kondensierenden Dampf befindet, hiedurch spezifisch leicht» wird, sodaß sich eine kondensationsfördemde Zirkulation »gibt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Injektor (19) vorgesehen ist, dem aus dem Verdampfer (V) über das Dampfrohr (8) kommender Dampf zugeführt wird, in diesem kondensiert, der Injektor (19) vorzugsweise durch eine Pumpe (17) mitTreiben»gie versorgt wird. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -4-