Verfahren zur mehrstufigen Destillation einer Flüssigkeit
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur mehrstufigen Destillation einer Flüssigkeit. Das Verfahren ist besonders, aber nicht ausschliesslich, für das Entsalzen von salzigem Wasser nach dem bekannten Verdampfungsverfahren durch Entspannung unter Wiedererhitzen des Dampfes vorgesehen und wird im folgenden daher im Hinblick auf ein solches Verfahren beispielsweise beschrieben.
Bei dem bekannten Verdampfungsverfahren durch Entspannung unter Wiedererhitzen des Dampfes werden die Dämpfe von den Verdampfungs- (oder Entspannungs-)Kammern in einen direkten Kontakt mit destilliertem Wasser gebracht, das in einem Kreislauf durch die Kondensationskammern fliesst. Das im Kreislauf fliessende destillierte Wasser wird zuerst in die Kondensationskammer der letzten Stufe kalt eingespeist, und die Temperatur des Wassers erhöht sich in dem Masse, in dem es von jeder Stufe zu der nächsten, die bei höherer Temperatur und höherem Druck arbeitet, zirkuliert, wobei die Temperatur und die Menge des Wassers in der Kondensationskammer der ersten Stufe am höchsten bzw. am grössten ist.
Das Destillat wird dann durch einen Wärmeaustauscher geleitet, in dem es durch direkten Kontakt mit einer Hilfsflüssigkeit, zum Beispiel mit einem nicht mischbaren Öl, erwärmt wird. Das heisse Öl wird zu einem zweiten Wärmeaustauscher weitergeführt, in dem es das hereinfliessende kalte salzige Wasser ebenfalls durch direkten Kontakt erwärmt. Ein Teil des abgekühlten destillierten Wassers wird als Produkt abgezogen, und der Rest wird zurückgeführt, um wiederum als Kondensationsmittel für den Dampf aus den Verdampfungskammern zu wirken. Weitere Einzelheiten des bekannten Verdampfungsverfahrens durch Entspannung unter Wiedererhitzen des Dampfes können der Literatur entnommen werden, zum Beispiel dem Buch Salt-Water Purification von K. 5. Spiegler, 1962, Seite 58 pp.
Ein grosser Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Notwendigkeit, eine Pumpe bei jeder Stufe zum Pumpen des Destillats von einer Kondensationskammer zu der nächsten, bei der die Temperatur und der Dampfdruck höher sind, vorzusehen. Diese Notwendigkeit, bei jeder Stufe eine solche Pumpe anzuordnen, erhöht die Kosten für die Erstanlage und den gesamten Energiebedarf und begrenzt erfahrungsgemäss die Anzahl der möglichen Stufen. Eine Lösung zur Beseitigung dieses Nachteils könnte offenbar darin liegen, die Reihenfolge der Stufen, wie sie in dem oben erwähnten Buch von Spiegler beschrieben werden, umzukehren, so dass sich die Stufe mit dem geringsten Druck und der geringsten Temperatur am oberen Ende befindet.
Tatsächlich werden die Idee, das Destillat zu der obersten Stufe zu pumpen und dann dieses sich abwärts durch die Schwerkraft entgegen dem ansteigenden Druck bewegen zu lassen, und die Idee, die Energie der durch Entspannung verdampfenden Lauge zu benutzen, um diese ansteigend zu bewegen, von Teynham Woodward im Kapitel 4 eines kürzlich erschienenen Buches (1966) mit der Bezeichnung Principles of Desalination , herausgegeben von K. S. Spiegler, auf Seite 130 vorgeschlagen, aber es ist keine in wirtschaftlicher Weise arbeitende Anlage unter Verwirklichung eines solchen Systems bisher entworfen oder entwickelt worden.
Es ist auch ein System zum Selbstheben der Lauge vorgeschlagen worden (vgl. Seiten 361 bis 36-12 des Berichts über das Zweite Europäische Symposium über Süsswasser aus Meerwasser , Athen, 9.-12. Mai 1967), wobei dieses System als Clementine -System bezeichnet wird. Nach diesem System verbindet ein Steigrohr (ein senkrechtes Rohr, das von unten nach oben einen sich vergrössernden Querschnitt aufweist) zwei senkrecht angeordnete Verdampferstufen. Der offene Boden des Steigrohrs reicht bis etwas unter den Laugenspiegel in der unteren Verdampferstufe, und das offene obere Ende des Steigrohrs ragt ein wenig über den Laugenspiegel in der oberen Stufe hinaus.
Bei diesem System ist es jedoch erforderlich, dass das Steigrohr einen sich von unten nach oben verbreiternden Querschnitt aufweist, um eine Steigerung der Geschwindigkeit des Dampf-Laugen-Gemischs während der schnel len Bewegung dieses Gemischs zu vermeiden (Seiten 36-3 des vorstehenden Literaturzitats). Es ist ausserdem nicht möglich, einen wesentlichen Auftrieb, besonders bei Stufen mit niedriger Temperatur, zu erreichen. Diese Nachteile begrenzen die Anwendbarkeit des Clementine -Systems sehr, besonders im Hinblick auf das Entsalzen von Meerwasser, das in grossem Umfang und mit geringen Kosten erfolgen soll.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur mehrstufigen Destillation einer Flüssigkeit, wobei man diese durch eine Mehrzahl von Verdampferstufen von nacheinander abnehmender Temperatur, abnehmendem Dampfdruck und zunehmender Höhenlage schickt, ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Verdampfungsenergie der Beschickungsflüssigkeit zusammen mit der Druckdifferenz zwischen zwei Stufen dazu benützt, um die Beschickungsflüssigkeit nacheinander durch die Verdampferstufen zu treiben, die Beschickungsflüssigkeit durch eine ununterbrochene, unverengte Verbindungsleitung führt, welche zwei Arme besitzt, die benachbarte Stufen miteinander verbinden, in einem Arm eine kontinuierliche, nach unten fliessende flüssige Säule aus Beschickungsflüssigkeit bildet, welche aus dem Boden einer Verdampfungsstufe abfliesst, und im anderen Arm eine nach oben fliessende Säule bildet,
die am unteren Ende flüssige Beschickungsflüssigkeit und darüber eine siedende Mischung aus Beschickungsflüssigkeit und Dampf enthält, der in die benachbarte Verdampferstufe fliesst, und zwar immer in einem Punkt oberhalb des Flüssigkeitsspiegels darin und oberhalb der Druckhöhe, die dem Druckunterschied zwischen den beiden Stufen entspricht, wobei die Querschnittsfläche der nach unten fliessenden Säule in der gleichen Grössenordnung wie diejenige der nach oben fliessenden Säule liegt und die Flüssigkeit am unteren Ende der nach oben fliessenden Säule einen hydraulischen Verschluss zwischen zwei benachbarten Verdampferstufen bildet.
Nach dem Verfahren nach der Erfindung können also der Siedevorgang und die äussere Verdampfungsenergie dazu benutzt werden, die Beschickungsflüssigkeit (salziges Wasser oder Lauge) zum Aufwärtstreiben und zum Strömen von einer Stufe zu der nächsten mit niedrigerem Druck aber höherer Höhe zu veranlassen.
Durch den verschiedenen Dampfdruck in zwei aufeinanderfolgenden Verdampfern wird eine strömende Kochgemischsäule aus Beschickungsflüssigkeit und Dampf in der Verbindungsleitung (die manchmal Kochleitung genannt wird) ausgebildet und aufrechterhalten, wobei die letztere eine geeignete Form und einen geeigneten Querschnitt aufweist, um die gewünschte Höhe für die Kochsäule zu ergeben. Die Druckunterschiede zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen sind für die Verdampfungs- und Kondensationskammern annähernd gleich. Jedoch ist die Dichte des Wassers in der Wasserleitung grösser als die Dichte des Kochgemischs in der Kochleitung. Dementsprechend ist im Gleichgewichtszustand die Höhe der Kochsäule grösser als die Höhe der Wassersäule in derselben Stufe.
Zum Beispiel können in einer 103stufigen Anlage (wie sie unten beschrieben wird) die dem Gleichgewicht entsprechenden Höhen für drei Stufen, d. h. für die 1., die 52. und die letzte Stufe, wie folgt sein: Stufe Nr. 1 52 103 Kochsäule 5,7 m 2,8 m 3,0 m Wassersäule 3,8 m 0,55 m 0,024 m Höhenunterschiede 1,9 m 2,25 m 2,976 m
In der Praxis kann der Höhenunterschied von zwei aufeinanderfolgenden Verdampfungskammern gleich der Höhe der Wassersäule derselben Stufe zuzüglich wenigstens 2 Metern sein.
Zwei Formen einer Verdampfungskreislaufanlage zum Selbstauftrieb und Verdampfen durch Entspannen der Beschickungsflüssigkeit werden hier beschrieben, wobei bei der einen Form U-Rohre benutzt werden und die andere Form auf einem Manometersystem vom Well-Typ basiert.
Die Erfindung wird nunmehr unter Hinweis auf die Zeichnung beispielsweise beschrieben, die verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens durch Entspannung unter Wiedererhitzen des Dampfes etwas schaubildlich und nur beispielsweise zeigt.
In der Zeichnung geben die
Fig. la und lb, die, zusammen betrachtet, Fig. 1 bilden, eine solche Anlage schaubildlich wieder,
Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II von Fig. lb, in der der Aufbau einer Verdampfungskammer erläutert wird,
Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie III-III von Fig. lb, in der der Aufbau einer Kondensationskammer erläutert wird,
Fig. 4 erläutert eine Doppelkammeranlage, die für jede Stufe benutzt werden kann, wobei eine Kammer als Verdampfer und die andere Kammer als Kondensator ausgebildet ist,
Fig. 5 erläutert eine Ausführungsform einer geeigneten Verdampfungskreislaufanlage mit Selbstauftrieb.
In der Zeichnung werden die Fliess- und Strömungswege der die Anlage durchfliessenden und durchströmenden Medien auf folgende Weise gekennzeich net: Von salzigem Wasser und Lauge durch eine strichpunktierte Linie, von Frischwasser durch eine durchgehende Linie, von Wasserdampf durch eine punktierte Linie und von der nicht mischbaren Hilfsflüssigkeit (z. B. flüssiger Kohlenwasserstoff, nachfolgend Öl genannt) durch eine gestrichelte Linie.
Die in den Fig. la und lb dargestellte Anlage enthält eine Mehrzahl von Entspannungskammern (nachfolgend Verdampfungskammern oder Verdampfer genannt) El, E2, ... En, eine Mehrzahl von Konden sationskammern C1, C2, ... Cn, einen ersten Wärmeaustauscher H1, in dem das heisse destillierte Wasser das Öl erwärmt, und einen zweiten Wärmeaustauscher H2, in dem das heisse Öl das einfliessende salzige Wasser erwärmt. Die Kondensatoren sind in verschiedenen Hö henlagen angeordnet, wobei sich der Kondensator C1 der ersten Stufe mit dem höchsten Druck und der höchsten Temperatur bei der geringsten Höhe befindet und sich der Kodensator Cn der letzten Stufe mit dem geringsten Druck und der geringsten Temperatur bei der höchsten Höhe befindet.
In gleicher Weise sind auch die Verdampfer in verschiedenen Höhenlagen angeordnet, indem sich der Verdampfer El der ersten Stufe mit der höchsten Temperatur und dem höchsten Druck bei der geringsten Höhe befindet und sich der Verdampfer Fm der letzten Stufe mit der geringsten Temperatur und dem geringsten Druck bei der höchsten Höhe befindet.
Die Wärmeaustauscher H1 und H2 arbeiten nach dem Prinzip des direkten Kontaktes. Beispielsweise kann ein Wärmeaustauscher angewendet werden, der nach der Öltröpfchenmethode arbeitet, nach der aufwärtsströmende Öltröpfchen in dem einen Wärmeaustauscher in einen direkten Kontakt mit abwärtsfliessendem salzi gem Wasser und in dem anderen Wärmeaustauscher mit Frischwasser gelangen, so wie es auf Seiten 58/59 des oben genannten Buches von Spiegler beschrieben wird.
Alle Verdampfer gehören zu einem Verdampfungskreislauf, der im allgemeinen mit HP bezeichnet wird, in dem die Verdampfer durch U-Rohre Tl, T2, ... Tn der Reihe nach verbunden sind. Jedes U-Rohr weist einen kurzen Schenkel auf, in dem eine abwärtsfliessende Flüssigkeitssäule aus dem salzigen Wasser oder der Lauge ausgebildet und aufrechterhalten wird, die bzw.
das aus jedem Verdampfer ausströmt (aus dem zweiten Wärmeaustauscher H2 in die erste Stufe), wobei die längere aufsteigende Kochgemischsäule aus der Lauge und dem Dampf dem nächst höher gelegenen Verdampfer zuströmt. Alle Kondensatoren gehören zu einem Kondensatorkreislauf, der im allgemeinen mit CP bezeichnet wird, der Wasserleitungen WD1, WD2, ...
WDn enthält, die die Kondensatoren der Reihe nach verbinden.
Das salzige Wasser wird aus dem Behälter R1 abgezogen und durch die Pumpe P1 durch das Filter 2 und die Leitung 4 zu einem offenen Behälter R2 auf einer hohen Höhe gepumpt. Das salzige Wasser fliesst dann durch die Leitung 6 in das obere Ende des Wärmeaustauschers H2, wo es durch aufwärtsströmendes hei sses Öl erwärmt wird und am unteren Ende austritt. Das salzige Wasser fliesst dann durch die Leitung 8 (deren eine Teil den kurzen Schenkel des ersten U-Rohrs T1 bildet) zu der senkrechten Leitung unter Ausbildung der Kochleitung BD1 (welche senkrechte Leitung den langen Schenkel des U-Rohres T1 bildet) dem Verdampfer El der ersten Stufe zu.
Der Verdampfer El der ersten Stufe befindet sich bei einer Höhe über der Austrittsstelle für das heisse salzige Wasser aus dem Wärmeaustauscher H2. Die Temperatur und der Dampfdruck sind in Ei jedoch geringer, so dass das salzige Wasser sich im Kochzustand in der Kochleitung Bal befindet. Das Kochgemisch in der Kochleitung BD1 ist daher von geringerer Dichte als das salzige Wasser in der Leitung 8. Dieser Dichteunterschied bewirkt zusammen mit dem Druckunterschied zwischen dem Wärmeaustauscher H2 und dem Verdampfer El ein Steigen des Kochgemischs durch die Kochleitung BD1 zu der höheren Zone des Verdampfers Ei.
Jeder der Verdampfer ist mit einem Zyklon (Fig. 2) ausgestattet, der eine spiralförmige Leitfläche 10 zur Erleichterung der Trennung des Destillationsdampfes von den Laugentröpfchen durch die Schwerkraft und die Zentrifugalkraft enthält. Der Dampf streicht durch den Entfeuchter 11 und tritt durch das obere Ende der Kammer aus und wird durch die Leitung VI zu dem Kondensator C1 der ersten Stufe geleitet, während die Lauge aus dem unteren Ende des Verdampfers El durch eine Laugenauslassleitung B1, die mit der senkrechten Kochleitung BD2 des Verdampfers E2 der zweiten Stufe verbunden ist, austritt.
Der aus dem zweiten Verdampfer E2 bei geringerer Temperatur und geringerem Druck austretende Dampf wird durch die Leitung V2 zu dem Kondensator C2 der zweiten Stufe geleitet, während die zurückbleibende Lauge aus dem Verdampfer E2 durch den Auslass B2, der mit der Kochleitung BD3 des Verdampfers E3 der nächsten Stufe bei höherer Höhe und bei geringerem Druck und geringerer Temperatur verbunden ist, austritt. Das Verfahren läuft durch die restlichen Stufen der Verdampfer weiter, wobei das salzige Wasser in der Kochleitung zwischen jedem Stufenpaar im Kochzustand gehalten wird und dadurch zu der Höhe jeder nachfolgenden Stufe aufsteigt.
Die in dem Verdampfer En der letzten Stufe zurückbleibende Lauge tritt durch die Leitung Bn in einen Tank R3 aus und fliesst dann abwärts durch die Leitung 20 und ein gesteuertes Ventil M1 zu dem Laugenauslass 22.
Es ist zu ersehen, dass die Lauge in der Auslassleitung (z. B. B1 oder B2) eines Verdampfers und am unteren Ende der Kochleitung (z. B. BD2 oder BD3), die zu dem nächsten Verdampfer führt, einen hydraulischen Verschluss zwischen den beiden Verdampfern bildet, so dass der Dampf mit dem höheren Druck in dem einen Verdampfer nicht zu dem nächsten Verdampfer mit dem geringeren Druck strömt.
Der vorstehend beschriebene Verdampfungskreislauf, der einen Selbstauftrieb und ein Selbstverdampfen der Lauge bewirkt, kann so angesehen werden, als ob er in der Form eines ansteigenden wellenförmigen Strömungssystems vorliegt, das eine Trennvorrichtung für Flüssigkeit und Dampf (d. h. die Verdampfer) auf dem Höhepunkt jeder Welle enthält, wobei der Druck und die Temperatur von unten nach oben mit dem ansteigenden Teil des Strömungssystems abnehmen und jede Welle des ansteigenden Teiles des Strömungssystems eine abwärtsfliessende Flüssigkeitssäule (d. h. die durch Leitung 8 und die Laugenausgangsleitungen B1, B2 usw. fliessende Lauge) und eine längere aufsteigende Kochgemischsäule (d. h. die Lauge und der Dampf, die bzw. der durch die Kochleitungen BD1, BD2 usw.
strömen) enthält und die Flüssigkeit (die Lauge) in dem Tal jeder Welle einen hydraulischen Verschluss zwischen den Wellenhöhepunkten bildet.
Das Kühlwasserdestillat, das in den Kondensator der letzten Stufe eingeströmt ist, fliesst durch die Schwerkraft durch alle Kondensatoren bis zu dem Kondensator C1 der ersten Stufe, wobei Wärme und Wasser von dem Dampf aufgenommen werden, der aus den Verdampfern ausströmt und in die Kondensatoren einströmt. Der Kondensatorkreislauf CP, der nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann so angesehen werden, als ob er in der Form eines abfallenden wellenförmigen Kreislaufs vorliegt, der eine Leitung enthält, die jedes Paar benachbarter Verdampfer miteinander verbindet, und in welcher Leitung eine abwärtsfliessende Säule aus Flüssigkeit ausgebildet und aufrechterhalten wird und eine kürzere aufsteigende Säule aus Flüssigkeit (bzw. wie nachfolgend beschrieben wird, das abwärtsfliessende Wasser in den Wasserleitungen z. B.
WD1, und das zu dem Behälter 28 aufwärtsströmende Wasser) enthält. Ein Tank R4 ist über dem Kondensator der letzten Stufe vorgesehen, der einen Teil des flüssigen Destillats (das von dem Wärmeaustauscher Hl, wie es weiter unten beschrieben wird, abgezogen worden ist) enthält, wobei dieser Teil des flüssigen Destillats durch die Kondensatoren kreist.
Jeder Kondensator enthält eine Kammer 24, vorzugsweise mit zylindrischer Gestalt (vgl. Fig. 3), die eine Mehrzahl von durchlöcherten Platten 26 enthält, die in verschiedenen horizontalen Höhen innerhalb der Kammer angeordnet sind, und die mit Flanschen ausgestattet ist, die dem Dampf eine wellenförmige Bahn zwischen den Platten aufzwingen. Der Dampf aus dem Verdampfer strömt entlang dieser wellenförmigen Bahn zwischen den durchlöcherten Platten, während das flüssige Destillat durch die Schwerkraft von einer Platte zu der nächsten fliesst, wobei es die Löcher in den Platten durchfliesst und auch über die Enden der Platten fliesst.
Jede Kammer enthält ausserdem ein Gefäss 28, das unten geschlossen und oben offen ist, und eine Leitung 30, die von dem Boden der Kammer zu der nächsten darunterliegenden Kammer führt. Das Destillat fliesst von dem Tank R4 durch diese Leitung 30 in das Gefäss 28 des Kondensators der letzten Stufe und ergiesst sich in die Kondensatorkammer, wobei Wärme und Destillat, das sich an dem in die Kammer eingeblasenen Dampf kondensiert hat, aufgenommen werden.
Das flüssige Destillat verlässt den Kondensator Cn durch dessen Leitung 30 und strömt in den Behälter 28 des nächstfolgenden Kondensators (Cn-l), überfliesst den Behälter 28 in dem betreffenden Kondensator und nimmt die Wärme und das flüssige Destillat von dem sich kondensierenden Dampf von dem Verdampfer der betreffenden Stufe (En-l) auf, wobei der Prozess in dieser Weise durch die restlichen Stufen des Kondensators weitergeführt wird.
Weil die Temperatur und der Dampfdruck von dem Kondensator Cn bis zu dem Kondensator C1 ansteigen, enthält jede der Leitungen 30 zwischen den Stufen eine Säule aus Flüssigkeit. Die Höhe von jeder Flüssigkeitssäule wird durch den Druckunterschied zwischen den beiden Kondensatoren festgelegt, und dadurch wird ein hydraulischer Verschluss zwischen den Kondensatoren hergestellt, der verhütet, dass der Dampf von der Kammer mit einem höheren Druck zu der Kammer mit einem geringeren Druck strömt. Das Destillat läuft so von einer Stufe zu der nächsten durch die Schwerkraft, wobei keine besondere Pumpe zwischen jeder Stufe notwendig ist, wie es bei früher bekannten Anlagen erforderlich war.
Das flüssige Destillat tritt aus den Kondensatorstufen durch die Leitung 32 am unteren Ende des Kondensators Cl der ersten Stufe aus und befindet sich nun bei einer sehr hohen Temperatur und einem sehr hohen Druck. Dieses Destillat wird durch die Pumpe P2 durch eine Zusatzheizvorrlchtung 34 gepumpt, in der die Temperatur des Destillats weiter erhöht wird, und wird dann durch Leitung 36 in das obere Ende des Wärmeaustauschers H1 eingetragen. Das Destillat fliesst durch diesen Wärmeaustauscher abwärts, wobei es das aufwärtsströmende Öl erwärmt, und tritt durch die Leitung 38 aus.
Ein Teil des flüssigen Destillats, das kalt ist, aber unter einem hohen Druck steht, wird durch ein gesteuertes Ventil M2 zu dem Auslass 40 für das entsalzene Wasser geleitet. Ein anderer Teil wird durch eine Leitung 42 zu der Pumpe P3 geführt, von wo er durch eine Leitung 44 aufwärts zu einem Tank R5, der bei einem höheren Niveau angeordnet ist, geleitet wird. Dieser letztere Tank ist offen und steht daher unter Atmosphärendruck. Der Tank R4 wird bei einem sehr geringen Druck gehalten, der geringer als der Druck in dem Kondensator Cn der letzten Stufe ist, und daher strömt das Destillat von dem Tank R5 auf Grund der Druckdifferenz zwischen den beiden Tanks zu dem Tank R4, wobei der Strom durch einen Regler 46 (eine bekannte Einrichtung) und eine Standleitung 48 geleitet wird.
Von dem Tank R4 wird das Destillat wiederum durch die Kondensatorstufen geführt, wobei die Wärme und das durch Kondensation entstandene Destillat aufgenommen werden, wie es oben beschrieben worden ist.
In den Wärmeaustauscher H1 wird das an dem unteren Ende des Wärmeaustauschers durch eine Leitung 50 und eine Pumpe P4 eingeführte kalte Öl durch das abwärtsfliessende flüssige Destillat erwärmt. Das heisse Öl tritt aus dem Wärmeaustauscher 111 (wie es unten beschrieben wird) aus und wird in den Wärmeaustauscher H2 geleitet, wo es zum Erwärmen von eingespeistem salzigem Wasser benutzt wird.
Weil die jeweilige Wärme des Öls mit einer Ände- rung der Temperatur wechselt, sind drei Hilfskreisläufe aus einem Ölstrom zwischen dem Wärmeaustauscher H1 und H2 vorgesehen, um die Wärmekapazitäten in jedem der drei Temperaturbereiche auszugleichen. Für diesen Zweck hat also jeder der Wärmeaustauscher H1 und H2 (die, wie zuvor ausgeführt worden ist, nach dem senkrechten, im direkten Kontakt arbeitenden Tropfsystem, das in dem oben erwähnten Buch von Spiegler beschrieben wird, konstruiert sein können) einen verschiedenen horizontalen Querschnittsbereich für jeden der genannten Ölumläufe.
So tritt in einem Ölhilfskreislauf ein Teil des Öls durch das Auslassrohr 52 aus dem unteren, grösser dimensionierten Ende des Wärmeaustauschers 111 aus, strömt durch ein gesteuertes Ventil M3' und wird dann durch Leitung 54 in das obere, grösser dimensionierte Ende des Wärmeaustauschers H2 eingeführt. In einem zweiten Ölkreislauf tritt ein anderer Teil des Öls durch die Austrittsleitung 56 von einem höheren Teil des Wärmeaustauschers H1 mit kleinerem Durchmesser aus, strömt durch ein gesteuertes Ventil M3" und wird durch eine Leitung 58 in einen niedrigeren Teil des Wärmeaustauschers H2 mit kleinerem Durchmesser eingetragen.
Bei dem dritten Ölkreislauf tritt die Hauptmasse des Öls von dem oberen Ende des Wärmeaustauschers H1 mit dem kleinsten Durchmesser durch die Austrittsleitung 60 aus, strömt durch das gesteuerte Ventil M3"' und wird dann durch Leitung 62 in den untersten Teil des Wärmeaustauschers H2 mit dem geringsten Durchmesser eingetragen. Das gesamte Öl verlässt den Wärmeaustauscher H2 durch eine Leitung 64 kalt und strömt zur Pumpe P4 und wird dann erneut in das untere Ende des Wärmeaustauschers H1 durch die Leitung 50 eingeführt.
Die durchlöcherten Platten 66, 68 und 70 sind in dem Wärmeaustauscher H2 über den Öleinlassleitungen 54, 58 und 62 angeordnet, um zu bewirken, dass das Öl verteilt wird oder aus ihm Tröpfchen gebildet werden, unmittelbar, nachdem es durch diese Einlassöffnungen eingeführt worden ist. Eine gleiche durchlöcherte Platte 71 ist über der Öleinlassleitung 50 in dem Wärmeaustauscher H1 angeordnet. Das Öl strömt auf diese Weise in beiden Wärmeaustauschern in einem verteilten oder tröpfchenförmigen Zustand aufwärts, wodurch eine grosse Oberfläche für die Wärmeübertragung geschaffen wird.
Eine Ölwaschsäule OW ist an dem oberen Ende des Wärmeaustauschers H2 vorgesehen. Eine kleine Menge (z. B. etwa 5 %) des entstandenen destillierten Wassers aus dem Tank R5 wird durch eine Leitung 72 in das obere Ende der Ölwaschsäule OW eingetragen. Dieses Wasser läuft durch ein Filter 74 (z. B. aus Glasfaser), das auf einem Sieb 75 befestigt ist, und das ganze Wasser oder ein Teil desselben wird mit Hilfe eines Trichters 76 mit einem Sammelrohr 77, das zu einem Verteiler 80 führt, gesammelt. Die Ölwaschsäule OW enthält ferner eine durchlöcherte Platte 82 mit grossen Öffnungen 82', in die Leitungen 83 eingebaut sind, von wo das Wasser zu einem Sammelrohr 84 und zu einem zweiten Verteiler 86 gleitet wird.
Das in die Wärmeaustauscher H2 eingetragene Öl strömt in einem dispergierten oder tröpfchenförmigen Zustand, wie es oben beschrieben worden ist, aufwärts und vereinigt sich über dem Verteiler 86, aber sobald es weiter steigt, verteilt die durchlöcherte Platte 82 es wiederum. Es vereinigt sich wiederum über dem Verteiler 80 und fliesst dann durch das Filter 74 zu einer Austrittsleitung 87, das mit einem umgekehrten Trichterteil 87' an seinem unteren Ende ausgestattet ist, wobei der letztere über dem unteren Ende des Trichters 76 in geeigneter Weise angeordnet ist, so dass er sich über dem Spiegel des darin enthaltenen Wassers befindet.
Die Ölwaschsäule OW an dem unteren Ende des Wärmeaustauschers H2 wäscht das Öl von mitgerissenen salzigen Wassertröpfchen und vermindert den Salzgehalt des darin enthaltenen Wassers auf folgende Weise wesentlich: Zuerst bildet das Wasser von dem Verteiler 86 eine obere Schicht über dem eingespeisten salzigen Wasser (das durch die Einlassleitung 6 eingetragen wird), so dass das aufwärtsströmende Öl sich eher mit der Waschwasserschicht vermischt als mit dem eingespeisten salzigen Wasser. Das mit dem Öl während des Zusammenfliessens über dem Verteiler 86 mitgerissene Wasser ist daher beträchtlich weniger salzig, als es sein würde, wenn sich das Öl mit dem eingespeisten salzigen Wasser vermischen würde.
Diese mitgerissenen Wassertröpfchen werden mit dem Öl zu dem Wärmeaustauscher 111 getragen, und wegen seines geringeren Salzgehalts wird das destillierte Wasser dort weniger verunreinigt, als wenn das Öl Tröpfchen von dem frischen salzigen Wasser hätte mitreissen können. Gelegentlich kann die mitgerissene Wassermenge in der Form dieser verdünnten Tröpfchen grösser sein, als sie es ohne die wiederholten Waschprozesse wäre; sobald jedoch das Öl in dem Wärmeaustauscher H1 erwärmt wird, löst es einen grossen Teil dieser Tröpfchen und dementsprechend einen kleineren Teil des reinen destillierten Wassers von dem Wärmeaustauscher H1, als es sonst der Fall wäre.
Der Salzgehalt des in dem Öl mitgerissenen Wassers wird beim Weiterleiten von dem Wärmeaustauscher H2 in dem Masse weiter vermindert, in dem das Öl (in dispergierter Form) in dem Raum zwischen der durchlöcherten Platte 82 und dem Verteiler 80 ansteigt, weil das Öl durch das Wasser gewaschen wird, das durch die Schwerkraft von dem Verteiler durch diesen Raum abwärtsfliesst. Der Salzgehalt des mitgerissenen Wassers wird noch weiter durch das Filter 74 vermindert, in dem es mit in das Filter durch die Einlassleitung 72 eingetragenem entsalzenem Wasser gewaschen wird.
Im folgenden wird eine erfindungsgemässe Anlage zur beispielhaften Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung mit Annäherungswerten beschrieben.
In diesem Beispiel werden 103 Stufen senkrecht oder auf einer Neigung (vorzugsweise an einer Böschung) zusammengebaut. Die Temperatur und der Druck des salzigen Wassers (Meerwasser) beim Eintritt in die erste Verdampfungsstufe El (d. h. am unteren Ende der Kochleitung BD1) beträgt 1800 C und 100,3 m Wassersäule. Die Temperatur des salzigen Wassers fällt nach jeder Verdampfungsstufe und die Temperatur des entsalzenen Wassers erhöht sich bei jeder Kondensationsstufe um 1,50 C. Die Temperatur des in den ersten Kondensator einströmenden Dampfes beträgt 178,50 C, und die Temperatur des Kühlwassers, das aus dem ersten Kondensator ausfliesst, beträgt 177,50 C. In der letzten Stufe (Nr. 103) beträgt der Unterschied zwischen der Temperatur des in den Kondensator einströmenden Dampfes und der Temperatur des aus dem Kondensator ausfliessenden Kühldestillats 20 C.
Dieser Temperaturunterschied nimmt nach und nach von der letzten zur ersten Stufe ab, so dass der Unterschied in der ersten Stufe 10 C beträgt. Die Temperatur der restlichen, aus dem Rohr Bn nach dem letzten Verdampfer ausfliessende Lauge beträgt 240 C, und die Temperatur des Kühlwassers, das in den letzten Kondensator fliesst, beträgt 20,50 C.
Der Dampfdruck des entsalzenen Wassers, das den ersten Kondensator C1 verlässt (mit 177,50 C), beträgt 9,65 kg/cm2 oder 96,5 m Wassersäule. Unter der Annahme, dass die geeignete Höhe für jede Kondensatorkammer 1,5 m ist und 50 m zur Druckverminderung in den Wasserleitungen und zur Strömungsregulierung hinzugegeben sind, würde die letzte Kondensationskammer Cn (Nr. 103) sich bei einer- Höhe von annähernd 300 m über der ersten Kondensationskammer befinden. Die letzte Verdampfungskammer En (Nr. 103) würde vorteilhafterweise ebenfalls bei einer Höhe von etwa 300 m liegen, vorausgesetzt, dass die Höhendifferenz von zwei aufeinanderfolgenden Verdampfern gleich der Höhe der Wassersäule der gleichen Stufe zuzüglich 2 m ist, wie es weiter oben für die Kondensatoren beschrieben worden ist.
In diesem Beispiel hat das salzige Wasser am unteren Ende der ersten Kochsäule BD1 1800 C und einen Druck von 100,3 m Wassersäule. Die Temperatur und der Druck würden bis zu der letzten Verdampferstufe En (Nr. 103) um etwa 25,50 und um einen Druck von etwa 0,32 m Wasser fallen.
In dem vorliegenden Beispiel würden etwa 1000 kg entsalzenes Wasser (von 20,50 C) durch den Ausfluss 40 für destilliertes Wasser und etwa 3000 kg Restlauge (von 240 C) durch den Laugenausfluss 22 (wobei die Lauge 4,7 % Salz enthält) aus 4000 kg Meerwasser (das 3,5 % Salz enthält), das in die Anlage mit 17,50 C eingespeist worden ist, erhalten werden. Etwa 3870 kg destilliertes Wasser (mit 177,50 C) würden den Kondensator C1 der ersten Stufe verlassen und würden durch Brennstoffwärme (üblicher Brennstoff oder Kernbrennstoff) bei der Heizvorrichtung 34 auf 1830 C erhitzt werden. Die Enthalpien des reinen Wassers von 177,5 und 1830 C betragen 179,65 Kcal/kg und 185,40 Kcal/ kg. Folglich würde der theoretische Wärmebedarf Q je 1000 kg entsalzenes Wasserprodukt
3870 ¯ (185,40-179,65) oder 22,25 Kcal betragen.
Der Leistungsgrad R entspräche 45 kg Wasserprodukt je 1000 Kcal. Das Durchflussverhältnis (salziges Wasser/Wasserprodukt) würde 4 sein. Die Entspannungstemperatur würde 180 - 240 C oder 1560 C betragen.
Die 3870 kg entsalzenes Wasser von 1830 C würden benutzt werden, um das Öl in einem Wärmeaustauscher H1 von etwa 18,5 auf 1810 C zu erhitzen, und das heisse Öl würde in dem Wärmeaustauscher H2 benutzt werden, um 4000 kg frisches salziges Wasser von 17,5 auf 1800 C zu erhitzen.
Die gesamte Arbeitsleistung bei den Wasser- und Ölkreisläufen je 1000 kg erzeugtes destilliertes Wasser würde erwartungsgemäss unter der Voraussetzung, dass die Pumpen und die Steuerungsgeneratoren mit 85 %iger Leistung arbeiten, nach einer Vorausberechnung wie folgt sein. Die für die Pumpen Pl, P2, P3 und P4 erforderliche Leistung ist erwartungsgemäss 470 600, 508 100 und 588 000 mkg/h. Die Antriebsleistung der gesteuerten Ventile Ml, M2 und (M3', M3", M3"') ist voraussichtlich 739 500, 118 200 und 469 800 mkg/h.
Die gesamte Arbeitsleistung ist nach diesen Berechnungen daher erwartungsgemäss 764 200 mkg/h.
Zum Vergleich werden in der nachfolgenden Tabelle I Vergleichsdaten für die voraussichtlichen Arbeitsbedingungen und die Werte für Q (theoretischer Wärmebedarf) und R (Leistungsgrad) angegeben, wie sie nach dem oben erörterten Beispiel (bezeichnet als Anlage Nr. 1) und nach drei Beispielen, die auf bekannten Entspannungsverdampfungssystemen beruhen (als Anlagen Nr. 2, 3 und 4 bezeichnet) errechnet worden sind. Anlage Nr. 2 ist eine vielstufige Entspannungsverdampfungsanlage mit einer Einrichtung zum Erwärmen der Lauge auf 1430 C und 1210 C (vgl. Seite 152, Fig. 164 von al965 Saline Water Conversion Report , veröffentlicht von dem U. 5. Office of Saline Water).
Anlage Nr. 3 ist eine vielstufige Entspannungsverdampfungsanlage mit Laugenumlauf, die in Eilat, Israel, errichtet worden ist (vgl. den Artikel von L. Steinfeld und A. Kikinis, veröffentlicht im Journal of the Association of Engineers and Architects in Israel , Mai, Juni 1965). Anlage Nr. 4 arbeitet nach dem Dampfwiedererhitzungs- und Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärme- austauschverfahren, das von der FMC Corporation, Santa Clara, Kalifornien, entwickelt worden ist (vgl.
U. S. Office of Saline Water Report, Nr. 78 vom September 1963).
In Tabelle I ist die durch die Kondensation von entspanntem Wasserdampf erwärmte Flüssigkeit mit SW für eintretendes Meerwasser und umlaufende Lauge in den Anlagen Nr. 2 und 3 und mit W für umlaufendes und ausfliessendes entsalzenes Wasser in den Anlagen Nr. 1 und 4 bezeichnet. Die durch Entspannung verdampfende Lauge ist mit B bezeichnet.
Tabelle I
Vergleich der Arbeitsbedingungen und der Werte für Q und R
Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 Anlage 4 Zahl der Stufen 103 72 30 20
Letzte Stufe Temp. OC Druck mit Temp. OC Temp. oc Temp. t C
Wassersäule B(hinaus) 24 0,292 21,1 34,6 32,2 B(hinein) 25,5 0,320 22,93 36,56 37,2 B(hinein)-B(hinaus) 1,5 0,028 1,83 1,96 5 W(hinein) 20,5 0,246 22,2 W(hinaus) 22 0,270 27,2 W(hinaus)-W(hinein) 1,5 0,024 5 SW(hinein) 15,6 27,8 SW(hinaus) 17,43 29,76 SW(hinaus)-SW(hinein) 1,83 1,96 B(hinaus)-W(hinaus) 2 0,022 5 B(hinaus)-SW(hinaus) 3,67 4,84
Erste Stufe SW(hinaus)-SW(hinein) 1,7 1,96 SW(hinein) 136,3 84,64 W(hinaus)-W(hinein) 1,5 3,33 5 W(hinein) 176 93,17 B(hinaus)-SW(hinaus) 3,6 4,96 SW(hinaus) 138 86,6 B(hinaus)-W(hinaus) 1 0,70 5 W(hinaus) 177,5 96,50 122,2 B(hinein)-B(hinaus) 1,5 3,40 1,7
1,96 5 B(hinaus) 178,5 96,90 141,6 91,34 127,2 B(hinein) 180 100,30 143,3 93,3 132,2 22,3 kcal
1 1 kg Produkt 30,6 70 73 R 45 kg Produkt 32,7 14,3 13,3
1000 kcal Durchflussverhältnis 4 5,8 10,5 5,5 Entspannungsverdampfungs bereich 1560C 1220C 590C 1000C Temperaturerhöhung durch
Zusatzheizvorrichtung 5,50 C 5,30 C 6,70 C 13,30 C
Bei dem Clementine -Auftriebverfahren verbindet, wie es oben kurz erörtert worden ist, ein Steigrohr (ein Standrohr mit sich von unten nach oben verbreiterndem Querschnitt) zwei in senkrechter Lage angeordnete Stufen.
Diese Stufen werden als Kammern 1 und 2 und der Sättigungsdruck und die Temperatur mit Pl, P2 und T1 und T2 bezeichnet. Der offene Boden des Steigrohrs taucht ein wenig in die Lauge unter deren Oberfläche in der niedrigsten Kammer 1 ein, und das offene obere Ende des Steigrohrs ist ein wenig über dem Laugenspiegel in der oberen Kammer 2 angeordnet. In einem Beispiel werden auf Seite 36-9 des vorgenannten Literaturzitats folgende Daten angegeben:
P1 = 1,033 kg/cm3
P2 = 0,935 kg/cm2
T1 = 1000C
T2 = 97,20 C
Unter diesen Bedingungen werden 5 kg Wasserdampf aus 1000 kg salzigem Wasser mit 3,5 % Salzgehalt durch Entspannungsverdampfung frei.
Das Volumen des sich entspannenden Gemischs oder des Kochgemischs von Lauge und Dampf beträgt bei P2=0,935 kg/cm2 und T'2 = 97,70 C (T'2 ist die Sättigungstemperatur des salzigen Wassers bei P2, während T2 die Sättigungstemperatur des reinen Wassers bei P2 ist) etwa 10 000 1, und die äussere Verdampfungsenergie von 5 kg Wasser beträgt etwa 84 500 kg/m (etwa 40 kcal/kg verdampftes Wasser).
Theoretisch kann diese Energiemenge das sich entspannende Gemisch oder Kochgemisch auf eine Höhe von 84,5 m anheben. In der Praxis wird jedoch bei dem Clementine -System eine Auftriebshöhe von nur 0,91 bis 0,95 m erreicht.
Bei der erfindungsgemässen Anlage sind, wie es oben dargelegt worden ist, die Austritts- oder Laugenleistungen B und die Kochleitungen BD an ihrem unteren Ende miteinander verbunden und bilden U-Rohre. Diese werden benutzt, um das untere Ende einer jeden Verdampfungskammer (Kammer 1) mit der nachfolgenden oberen Kammer (Kammer 2) bei einem Punkt, der über dem Laugenspiegel der letzteren liegt, zu verbinden. Indem die Lauge durch den unteren Teil der Kammer 1 in den kürzeren Schenkel des U-Rohrs fliesst, bildet sie in diesem Schenkel eine Laugensäule mit einer Höhe hl aus. Der Überdruck Pg ist = hld, wenn d die Dichte der Lauge ist, für die 1 eingesetzt wird.
Dieser Druck entspricht zusammen mit der Druckdifferenz (P1-P2) in den beiden Kammern dem Druck Pg' = h2d' der Kochgemischsäule in dem längeren Schenkel des ¯U-Rohrs, der zum Innern der Kammer 2 führt, zuzüglich dem Druckabfalldp, der auf das Strömen der Lauge und des Kochgemischs durch das U-Rohr zurückzuführen ist.
Die Bedingungen für die Auftriebshöhe der Lauge von Stufe 1 zu Stufe 2 werden durch die Ungleichung bestimmt: h,ld + (Pl-P2) > h2(d" + AP
Die Auftriebshöhe ist (P1-P2) + a (beides in m Wasser). Das Symbol a ist die Höhe des dampfgefüllten Raums in dem Kondensator, in dem die Kondensation zwischen dem Dampf und der Kühlflüssigkeit direkt bewirkt wird, zuzüglich dem Druckabfall in m Wasser, der auf das Strömen der Flüssigkeit zurückzuführen ist. Bei grösseren Anlagen ist a gleich oder grösser als 2 m, vorzugsweise 3 m. Die Auftriebshöhe für grosse Anlagen ist h + 3 m, wobei h = P1-P2 in m Wasser ist. In dem obigen Beispiel ist h= 0,98 m Wasser.
Unter der Voraussetzung, dass 50 % der Verdampfung in dem Kochschenkel (des U-Rohrs) und 50 % in Kammer 2 stattfinden, ist die mittlere Dichte d' der Kochsäule für die Bedingungen des obigen Beispiels etwa: d' = 1000/(2,5 X 1780 + 997,5) = 0,18 kg/l und die obige Ungleichung ergibt hl + 0,98 > (hl + 0,98 + 3)0,18 + dP oder
0,82 kl + 0,26 > AP.
Wenn hl = 2 ist dann ist AP# < 1,90 m Wasser für eine Länge des U-Rohrs von etwa 12 m.
Es ist leicht zu erkennen, dass für einen grossen Durchmesser des U-Rohrs, und besonders für einen grossen Durchmesser des Kochschenkels, eine sehr grosse Geschwindigkeit für das Kochgemisch erreicht werden kann, wenn der Laugenschenkel des U-Rohrs die erforderliche Höhe aufweist.
Die vorliegende Erfindung macht es daher möglich, eine erhebliche Auftriebshöhe auch bei Stufen mit geringerer Temperatur zu erhalten, was mit dem Clementine -System nicht möglich ist. Ausserdem erfordert die vorliegende Erfindung nicht die Anwendung von Steigrohren, die sich von unten nach oben verbreitern, was bei dem Clementine -System erforderlich ist, um eine Geschwindigkeitssteigerung des Dampf-Laugen-Gemischs während seines Entspannens zu vermeiden.
Fig. 4 erläutert eine abgewandelte Anlage, bei der jede Verdampfer-Kondensator-Stufe aus Doppelkammereinrichtungen EC1, EC2 besteht. Jede dieser Einrichtungen liegt in der Form eines zylindrischen Gefässes mit einer Querwand 150 vor, die das Gefäss in eine Verdampferkammer E und eine Kondensatorkammer C trennt. Die U-Rohre TT1, TT2, TT3 verbinden alle Verdampferkammern der Reihe nach, und das geneigte Rohr CCP verbindet alle Kondensatorkammern der Reihe nach. Die Lauge, aus der der Dampf sich durch Entspannen bildet, bewegt sich entgegen der Schwerkraft aufwärts durch die U-Rohre und Verdampfer der Reihenfolge nach. Das reine Kühlwasser, durch das der entspannte Dampf kondensiert wird, bewegt sich durch die Schwerkraft abwärts durch das geneigte Rohr CCP und der Reihenfolge entsprechend durch die Kondensatoren.
In der Anlage EC2 von Fig. 4 tritt das durch das geneigte Rohr CCP abwärtsfliessende Kühlwasser durch den Einlass 152 in die Kondensatorkammer ein und strömt durch eine Durchgangsleitung 154, die über der durchlöcherten Platte 156 ein Becken bildet, aufwärts.
Das reine Kühlwasser fliesst dann gemäss der Schwerkraft in der Form von dünnen Strahlen oder Tropfen durch die letztere Platte hindurch und fliesst durch den Auslass 158 in die geneigte Röhre CCP zurück, wo es zu der Anlage der nächstniedrigeren Stufe, in diesem Fall EC1, fliesst. Das geneigte Rohr CCP ist mit einem Umlenkblech 160 ausgestattet, durch das das Gemisch aus reinem Wasser und Öl so gelenkt wird, dass es sich auf dem gewünschten Wege bewegt.
Die Lauge in dem Verdampfungskreislaufsystem EEP bewegt sich entgegen der Schwerkraft durch die U-Rohre TT1, TT2 usw. von dem Verdampfer E der einen Stufe zur nächsten Stufe aufwärts. Dieses Gemisch wird von der einen Stufe zur nächsten Stufe durch die äussere Energie der Wasserverdampfung gehoben. Zu diesem Zweck enthält jedes der U-Rohre (z. B.
U-Rohr TT2, das die Verdampfer von EC1 und EC2 verbindet) einen kurzen Schenkel Ts (vergleichbar der Laugenaustrittsleitung B1, B2 usw. in Fig. 1), der mit dem Auslass eines Verdampfers verbunden ist, und einen langen Schenkel Tg (den Kochleitungen BD1, BD2 usw. in Fig. 1 vergleichbar), der mit dem Einlass 162 des Verdampfers der nächsten höheren Erhöhung verbunden ist. Der Dampfdruck in dem Verdampfer der Anlage von der niedrigeren Stufe EC1 ist derart, dass die Lauge in dem kurzen Schenkel Ts in flüssiger Form vorliegt, wodurch eine abwärtsfliessende flüssige Säule L in dem kurzen Schenkel Ts ausgebildet wird.
Der Dampfdruck in dem Verdampfer von der höherstufigen Anlage EC2 ist etwas geringer, so dass sich die Lauge, die durch den langen Schenkel Tg aufwärts strömt, in einem Kochzustand befindet, wodurch eine aufwärtsströmende Kochgemischsäule BM aus Lauge und Wasserdampf gebildet wird. Das untere Ende der Kochgemischsäule wird mit BM' bezeichnet und befindet sich bei einem Höhenstand, der unter dem oberen Ende der abwärtsfliessenden Flüssigkeitskolonne L in Wasser, der auf das Strömen der Flüssigkeit zurückzudem kurzen Schenkel Ts liegt.
Der Teil der abwärtsflie ssenden Flüssigkeitssäule L in dem kurzen Schenkel Ts über dem Spiegel BM' besitzt eine genügende Höhe, so dass der Überdruck dieser Flüssigkeitssäule zusammen mit der Druckdifferenz von den zwei Stufen den Über- druck der aufwärtsströmenden Kochgemischsäule BM in dem langen Schenkel Tg und die Druckverluste durch das Strömen der Flüssigkeit ausgleicht. So wird das Kochgemisch von dem Verdampfer der einen Stufe zu dem der nächsten Stufe gehoben, während die Flüssigkeit in der Flüssigkeitssäule L wie auch in dem Verbindungsstück zwischen dieser und der aufwärtsströmenden Kochgemischsäule BM (d. h. der Flüssigkeit bis zu dem Spiegel BM') einen hydraulischen Verschluss zwischen den benachbarten Verdampfern herstellt.
In Fig. 4 stellt h den Unterschied des Dampfdrucks, in m Wassersäule, zwischen den Anlagen EC1 und EC2 dar, h stellt die Höhe der Flüssigkeitssäule L in dem kurzen Schenkel Ts über dem Spiegel BM' dar, und h2 stellt die Höhe der Kochgemischsäule BM in dem langen Schenkel Tg dar. Bei grossen Anlagen sollte ein wirksamer Kondensator Kondensationsund Strömungsräume mit einer Höhe von etwa 1,5 m enthalten und sollte eine zusätzliche Höhe von 1,5 m für einen Druckabfall vorgesehen werden, der durch das Abwärtsfliessen des umlaufenden reinen Wassers von Stufe zu Stufe bedingt ist. Das U-Rohr sollte daher so konstruiert sein, dass die Höhe h2 der Kochgemischsäule BM grösser als h1 + h + 2 m, vorzugsweise gleich h1 + h +3 m ist, um ein Anheben des Laugen-Öl Gemischs von einem Verdampfer zu dem Verdampfer der nächsten Stufe zu bewirken.
Das Kochgemisch fliesst durch den Einlass 162 in den Verdampfer, wo das Verdampfen durch Entspannung stattfindet. Die flüssige Phase (d. h. die Lauge) tropft nach unten und fliesst durch den kurzen Schenkel Ts des U-Rohrs zu dem nächsten Verdampfer, wie es zuvor beschrieben wurde. Der Dampf strömt nach oben, streicht durch einen Entfeuchter 164 abwärts durch eine Leitung 166 und aufwärts durch eine durchlöcherte Platte 168 mit einem grossen Lochdurchmesser in die Kondensatorkammer C, wo er sich an den anwärtsfliessenden dünnen Strahlen und Tröpfchen aus reinem Wasser kondensiert und auf Grund seiner Schwerkraft durch den Kondensator fliesst. Die Menge und die Temperatur des Wassers werden in dem Masse erhöht, in dem das Wasser durch das Kondensationskreislaufsystem von einem Kondensator zu dem nächsten abwärtsfliesst.
Die Druckdifferenz von den zwei Stufen wird durch ein Vakuumsteuerungsgerät 170 in jeder Stufe beibehalten, wobei das Gerät 170 so ausgestaltet ist, dass es eine Röhre mit Öffnungen enthält, die eine Leitung zu der Kondensatorkammer sowohl über als auch unter dem Becken, das auf der durchlöcherten Platte 156 angeordnet ist, enthält.
Die Flüssigkeit zwischen den Umlenkblechen 160 von zwei aufeinanderfolgenden Stufen bildet zwischen den Stufen einen hydraulischen Verschluss.
Es ist ersichtlich, dass der gleiche Typ, nach dem das Laugenhebungssystem arbeitet, mit anderen Kreislaufeinrichtungen als die U-Rohre TT1, TT2 usw. ausgestattet sein kann und dass der Verdampfer jeder Stufe in einer von dem Kondensator getrennten Anlage vorliegen kann.
Eine solche Abänderung wird in Fig. 5 dargestellt, in der sich jeder Verdampfer El', E2' in einem gesonderten Gefäss befindet. Ausserdem wird anstelle von U-Rohren eine Manometereinrichtung vom Well-Ty#p benutzt. Jeder Verdampfer liegt in der Form eines horizontalen Zylinders vor und ist mit einer Standleitung oder einem senkrechten Schenkel 172 verbunden, der unten geschlossen ist. Das untere Ende der Rohrleitung 174 ist nahe dem Boden des Schenkels 172 angeordnet, während das obere Ende mit dem Einlass des benachbarten höheren Verdampfers E2' über dem Spiegel der darin befindlichen Flüssigkeit verbunden ist. Der Dampf strömt durch einen Entfeuchter 176 zu einer Auslassleitung 178, die mit dem Kondensator dieser Stufe verbunden ist.
Es ist zu erkennen, dass die Höhe hl der Flüssigkeit in dem Verdampfer und dessen Schenkel 172 von dem unteren Höhenstand bis zu dem Höhenstand des unteren Endes 174' der darin ausgebildeten Kochgemischsäule der Flüssigkeitssäule L in dem kurzen Schenkel Ts des in Fig. 4 beschriebenen Systems entspricht und dass die Höhe h2 der Kochgemischsäule in der Rohrleitung 174 der Höhe der Kochgemischsäule BM in dem langen Schenkel der Fig. 4 entspricht. Die Flüssigkeit in dem Verdampfer und dem unteren Ende des Rohrs 172 bildet zusammen mit der Flüssigkeit des unteren Teils der Rohrleitung 174 bis zu dem Spiegel 174' den hydraulischen Verschluss zwischen den Verdampferstufen.
Gewünschtenfalls kann eine Vielzahl von Zylindern oder Schenkeln 172 mit einer Rohrleitung 174 für jeden Zylinder oder Schenkel zwischen den Verdampfern vorgesehen werden, falls eine Anpassung an den Strömungsdurchsatz einer grösseren Menge des Kochgemischs erfolgen soll. Eine gleiche Vielzahl von U-Roh- ren (z. B. TT1-TTn) kann bei den Ausführungsformen der Fig. In, 1b vorgesehen werden.
Es kann auch erforderlich sein, das Gemisch während seines Durchflusses von einem Verdampfer zu dem nächsten zu bewegen. Dieses wird vorzugsweise durch Einblasen von Wasserdampf oder durch mechanisches Bewegen des flüssigen Gemischs am unteren Ende des längeren Schenkels von dem U-Rohr in den Fig. 1-4 oder am unteren Ende der Rohrleitung 174 in Fig. 5 erreicht.
Zur Verminderung der Gesamthöhe, die für ein System mit einer grossen Stufenanzahl erforderlich ist, können die Verdampfer und Kondensatoren in einer Vielzahl von Windungen angeordnet werden, wobei die erste Stufe von jeder Windung bei der gleichen untersten Höhe beginnt, und die letzte Stufe von jeder Windung bei der gleichen höchsten Höhe endet, wie es zum Beispiel auf Seite 130 des Buches Principles of Desalination , veröffentlicht im Jahre 1956, herausgegeben von K. S. Spiegler, beschrieben wird.
Es ist selbstverständlich, dass die oben angegebenen Werte auf vorläufigen Berechnungen beruhen und nur angeführt worden sind, um die Grundlagen der Erfindung zu erläutern, und dass diese Werte nicht unbedingt genau sind und auch nicht zur erfolgreichen Anwendung der offenbarten zahlreichen Merkmale eingehalten werden müssen.
Process for the multi-stage distillation of a liquid
The present invention relates to a method and a plant for the multi-stage distillation of a liquid. The method is particularly, but not exclusively, intended for the desalination of salty water by the known evaporation method by decompression with reheating of the steam and is therefore described below with regard to such a method, for example.
In the known evaporation process by expansion with reheating of the steam, the vapors from the evaporation (or expansion) chambers are brought into direct contact with distilled water, which flows in a circuit through the condensation chambers. The circulating distilled water is first fed cold into the condensation chamber of the last stage, and the temperature of the water increases as it circulates from each stage to the next, which operates at a higher temperature and pressure, whereby the temperature and the amount of water in the condensation chamber of the first stage is highest or largest.
The distillate is then passed through a heat exchanger in which it is heated by direct contact with an auxiliary liquid, for example with an immiscible oil. The hot oil is passed on to a second heat exchanger, in which it heats the cold salty water flowing in, also through direct contact. Some of the cooled distilled water is withdrawn as product and the remainder is returned to act again as a condensing agent for the vapor from the evaporation chambers. Further details of the known evaporation process by relaxation with reheating of the steam can be found in the literature, for example the book Salt-Water Purification by K. 5. Spiegler, 1962, page 58 pp.
A major disadvantage of this process is the need to provide a pump at each stage for pumping the distillate from one condensation chamber to the next where the temperature and vapor pressure are higher. This necessity of arranging such a pump at every stage increases the costs for the initial installation and the total energy requirement and, as experience shows, limits the number of possible stages. Apparently, one solution to overcoming this disadvantage could be to reverse the order of the stages as described in the above-mentioned book by Spiegler so that the stage with the lowest pressure and temperature is at the top.
In fact, the idea of pumping the distillate to the top stage and then letting it move downwards by gravity against the increasing pressure, and the idea of using the energy of the lye that evaporates through relaxation to move it upwards, from Teynham Woodward in Chapter 4 of a recently published book (1966) called Principles of Desalination, edited by KS Spiegler, at page 130, but no economically efficient plant has been designed or developed to implement such a system.
A system for self-lifting the liquor has also been proposed (see pages 361 to 36-12 of the report on the Second European Symposium on Freshwater from Seawater, Athens, May 9-12, 1967), this system being called the Clementine system referred to as. According to this system, a riser pipe (a vertical pipe with a cross-section that increases in size from bottom to top) connects two vertically arranged evaporator stages. The open bottom of the riser pipe extends slightly below the liquor level in the lower evaporator stage, and the open upper end of the riser pipe protrudes slightly above the liquor level in the upper stage.
In this system, however, it is necessary that the riser has a cross-section that widens from the bottom to the top in order to avoid an increase in the speed of the steam-alkali mixture during the rapid movement of this mixture (pages 36-3 of the above reference) . It is also not possible to achieve any substantial lift, especially at low temperature stages. These disadvantages limit the applicability of the clementine system very much, especially with regard to the desalination of seawater, which is to be carried out on a large scale and at low cost.
The inventive method for the multi-stage distillation of a liquid, which is sent through a plurality of evaporator stages of successively decreasing temperature, decreasing vapor pressure and increasing altitude, is characterized in that the evaporation energy of the feed liquid is used together with the pressure difference between two stages to to drive the feed liquid successively through the evaporator stages, the feed liquid leads through an uninterrupted, unrestricted connecting line which has two arms which connect adjacent stages together, in one arm a continuous, downwardly flowing liquid column of feed liquid which forms from the bottom of a Evaporation stage flows off, and in the other arm an upward-flowing column forms,
the feed liquid, which is liquid at the lower end, and above a boiling mixture of feed liquid and steam, which flows into the adjacent evaporator stage, always at a point above the liquid level therein and above the pressure level which corresponds to the pressure difference between the two stages, the Cross-sectional area of the column flowing downwards is of the same order of magnitude as that of the column flowing upwards and the liquid at the lower end of the column flowing upwards forms a hydraulic seal between two adjacent evaporator stages.
According to the method according to the invention, the boiling process and the external evaporation energy can therefore be used to cause the feed liquid (salty water or lye) to float upwards and to flow from one stage to the next at lower pressure but higher altitude.
The different vapor pressures in two successive evaporators create and maintain a flowing column of cooking mixture of feed liquid and steam in the connecting line (sometimes called the cooking line), the latter having a suitable shape and cross-section to the desired height for the cooking column surrender. The pressure differences between two successive stages are approximately the same for the evaporation and condensation chambers. However, the density of the water in the water pipe is greater than the density of the cooking mixture in the cooking pipe. Accordingly, in the state of equilibrium, the height of the cooking column is greater than the height of the water column in the same stage.
For example, in a 103-stage facility (as described below), the equilibrium heights for three stages; H. for the 1st, 52nd and last stage, be as follows: Stage No. 1 52 103 Cooking column 5.7 m 2.8 m 3.0 m Water column 3.8 m 0.55 m 0.024 m Height differences 1, 9 m 2.25 m 2.976 m
In practice, the difference in height between two successive evaporation chambers can be equal to the height of the water column of the same stage plus at least 2 meters.
Two forms of evaporation recirculation system for self-buoyancy and evaporation by decompression of the feed liquid are described herein, one form using U-tubes and the other form based on a well-type manometer system.
The invention will now be described with reference to the drawing, for example, which shows various embodiments of the systems according to the invention for carrying out the method according to the invention by relaxation with re-heating of the steam somewhat diagrammatically and only as examples.
In the drawing they give
Fig. La and lb, which, viewed together, form Fig. 1, such a system diagrammatically again,
Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. Lb, in which the structure of a vaporization chamber is explained,
Fig. 3 is a section along the line III-III of Fig. Lb, in which the structure of a condensation chamber is explained,
Fig. 4 illustrates a double chamber system that can be used for each stage, with one chamber designed as an evaporator and the other chamber as a condenser,
Figure 5 illustrates an embodiment of a suitable self-buoyant evaporation cycle system.
In the drawing, the flow and flow paths of the media flowing through and through the system are identified in the following way: of salty water and lye by a dash-dotted line, of fresh water by a solid line, of water vapor by a dotted line and of the immiscible Auxiliary liquid (e.g. liquid hydrocarbon, hereinafter referred to as oil) by a dashed line.
The system shown in Figs. La and lb contains a plurality of expansion chambers (hereinafter referred to as evaporation chambers or evaporators) El, E2, ... En, a plurality of condensation chambers C1, C2, ... Cn, a first heat exchanger H1, in which the hot distilled water heats the oil, and a second heat exchanger H2 in which the hot oil heats the incoming salty water. The capacitors are arranged in different Hö henlagen, with the capacitor C1 of the first stage with the highest pressure and the highest temperature is at the lowest altitude and the capacitor Cn of the last stage with the lowest pressure and the lowest temperature is at the highest altitude is located.
In the same way, the evaporators are also arranged at different altitudes, with the evaporator E1 of the first stage with the highest temperature and the highest pressure at the lowest altitude and the evaporator Fm of the last stage with the lowest temperature and the lowest pressure at the highest altitude.
The heat exchangers H1 and H2 work on the principle of direct contact. For example, a heat exchanger can be used which works according to the oil droplet method, according to which upwardly flowing oil droplets come into direct contact with downward flowing salt water in one heat exchanger and with fresh water in the other heat exchanger, as described on pages 58/59 of the above Book is described by Spiegler.
All evaporators belong to an evaporation circuit, which is generally referred to as HP, in which the evaporators are connected in sequence by U-tubes T1, T2, ... Tn. Each U-tube has a short leg in which a downward-flowing column of liquid is formed and maintained from the salty water or lye, which or
which flows out of each evaporator (from the second heat exchanger H2 in the first stage), whereby the longer ascending column of cooking mixture from the liquor and the steam flows to the next higher evaporator. All capacitors belong to a condenser circuit, which is generally referred to as CP, of the water pipes WD1, WD2, ...
WDn that connect the capacitors in sequence.
The salty water is withdrawn from the container R1 and pumped by the pump P1 through the filter 2 and the line 4 to an open container R2 at a high altitude. The salty water then flows through the line 6 into the upper end of the heat exchanger H2, where it is heated by upwardly flowing hot oil and exits at the lower end. The salty water then flows through the line 8 (one part of which forms the short leg of the first U-tube T1) to the vertical line forming the cooking line BD1 (which vertical line forms the long leg of the U-tube T1) to the evaporator El the first stage too.
The evaporator El of the first stage is located at a height above the exit point for the hot salty water from the heat exchanger H2. The temperature and the steam pressure are lower in Egg, however, so that the salty water is in the cooking line Bal when it is boiling. The cooking mixture in the cooking line BD1 is therefore of lower density than the salty water in the line 8. This difference in density, together with the pressure difference between the heat exchanger H2 and the evaporator El, causes the cooking mixture to rise through the cooking line BD1 to the higher zone of the evaporator Ei .
Each of the evaporators is equipped with a cyclone (Fig. 2) which contains a spiral-shaped baffle 10 to facilitate the separation of the distillation vapor from the liquor droplets by gravity and centrifugal force. The steam passes through the dehumidifier 11 and exits through the upper end of the chamber and is conducted through line VI to the condenser C1 of the first stage, while the liquor from the lower end of the evaporator El through a liquor outlet line B1, which is connected to the vertical Cooking line BD2 of the evaporator E2 is connected to the second stage, exits.
The steam emerging from the second evaporator E2 at a lower temperature and pressure is passed through the line V2 to the condenser C2 of the second stage, while the lye remaining from the evaporator E2 through the outlet B2, which is connected to the cooking line BD3 of the evaporator E3 connected to the next stage at higher altitude and at lower pressure and lower temperature, exits. The process continues through the remaining stages of the evaporators, the salty water in the cooking line being held in the boiling state between each pair of stages and thereby rising to the level of each subsequent stage.
The liquor remaining in the evaporator En of the last stage exits through the line Bn into a tank R3 and then flows downwards through the line 20 and a controlled valve M1 to the liquor outlet 22.
It can be seen that the liquor in the outlet line (e.g. B1 or B2) of an evaporator and at the lower end of the cooking line (e.g. BD2 or BD3), which leads to the next evaporator, has a hydraulic seal between the two evaporators, so that the vapor with the higher pressure in one evaporator does not flow to the next evaporator with the lower pressure.
The evaporation cycle described above, which causes the liquor to self-buoy and self-evaporate, can be viewed as being in the form of an ascending undulating flow system containing a separator for liquid and vapor (i.e. the evaporators) at the height of each wave where the pressure and temperature decrease from bottom to top with the rising part of the flow system and each wave of the rising part of the flow system has a downward flowing liquid column (i.e. the liquor flowing through line 8 and the liquor outlet lines B1, B2 etc.) and a longer ascending one Cooking mix column (i.e. the liquor and steam flowing through cooking lines BD1, BD2, etc.
flow) and the liquid (the lye) in the valley of each wave forms a hydraulic seal between the wave peaks.
The cooling water distillate that has flowed into the condenser of the last stage flows by gravity through all the condensers up to the condenser C1 of the first stage, with heat and water being absorbed by the steam flowing out of the evaporators and flowing into the condensers. The condenser circuit CP, which will be described in more detail below, may be viewed as being in the form of a sloping undulating circuit which includes a conduit connecting each pair of adjacent evaporators and in which conduit a downward flowing column of liquid is formed and is maintained and a shorter ascending column of liquid (or as will be described below, the downward flowing water in the water pipes e.g.
WD1, and the water flowing up to the container 28). A tank R4 is provided above the final stage condenser containing a portion of the liquid distillate (withdrawn from the heat exchanger HI as described below), this portion of the liquid distillate circulating through the condensers.
Each condenser contains a chamber 24, preferably of cylindrical shape (see FIG. 3), which contains a plurality of perforated plates 26 which are arranged at various horizontal heights within the chamber and which is equipped with flanges which are provided for the steam Force wave-shaped path between the plates. The vapor from the evaporator flows along this undulating path between the perforated plates, while the liquid distillate flows by gravity from one plate to the next, flowing through the holes in the plates and also over the ends of the plates.
Each chamber also contains a vessel 28, which is closed at the bottom and open at the top, and a line 30 which leads from the bottom of the chamber to the next chamber below. The distillate flows from the tank R4 through this line 30 into the vessel 28 of the condenser of the last stage and pours into the condenser chamber, the heat and distillate that has condensed on the steam blown into the chamber being absorbed.
The liquid distillate leaves the condenser Cn through its line 30 and flows into the container 28 of the next condenser (Cn-1), overflows the container 28 in the respective condenser and takes the heat and the liquid distillate from the condensing vapor from the evaporator of the relevant stage (En-1), the process being continued in this way through the remaining stages of the capacitor.
Because the temperature and vapor pressure increase from the condenser Cn to the condenser C1, each of the conduits 30 between the stages contains a column of liquid. The height of each column of liquid is determined by the pressure difference between the two condensers, and this creates a hydraulic seal between the condensers which prevents the vapor from flowing from the chamber at a higher pressure to the chamber at a lower pressure. The distillate thus passes from one stage to the next by gravity, with no special pump being required between each stage, as was required in previously known plants.
The liquid distillate emerges from the condenser stages through line 32 at the lower end of the condenser C1 of the first stage and is now at a very high temperature and a very high pressure. This distillate is pumped by pump P2 through an additional heater 34, in which the temperature of the distillate is further increased, and is then introduced through line 36 into the upper end of heat exchanger H1. The distillate flows downward through this heat exchanger, heating the upwardly flowing oil, and exits through line 38.
A portion of the liquid distillate, which is cold but is under high pressure, is directed through a controlled valve M2 to the outlet 40 for the desalinated water. Another part is led through a line 42 to the pump P3, from where it is conducted up a line 44 to a tank R5 located at a higher level. This latter tank is open and is therefore under atmospheric pressure. The tank R4 is kept at a very low pressure, which is less than the pressure in the last stage condenser Cn, and therefore the distillate flows from the tank R5 to the tank R4 due to the pressure difference between the two tanks, the flow through a controller 46 (a known device) and a dedicated line 48.
From the tank R4, the distillate is in turn passed through the condenser stages, the heat and the distillate formed by condensation being absorbed, as has been described above.
In the heat exchanger H1, the cold oil introduced at the lower end of the heat exchanger through a line 50 and a pump P4 is heated by the downward flowing liquid distillate. The hot oil exits heat exchanger 111 (as will be described below) and is directed into heat exchanger H2, where it is used to heat fed salty water.
Because the respective heat of the oil changes with a change in temperature, three auxiliary circuits from an oil flow are provided between the heat exchangers H1 and H2 in order to equalize the heat capacities in each of the three temperature ranges. For this purpose, each of the heat exchangers H1 and H2 (which, as previously stated, can be constructed according to the vertical, direct contact drip system described in the above-mentioned book by Spiegler) has a different horizontal cross-sectional area for each of the named oil circuits.
In an auxiliary oil circuit, part of the oil exits the lower, larger-sized end of the heat exchanger 111 through the outlet pipe 52, flows through a controlled valve M3 'and is then introduced through line 54 into the upper, larger-sized end of the heat exchanger H2. In a second oil circuit, another part of the oil exits through the outlet line 56 from a higher part of the heat exchanger H1 with a smaller diameter, flows through a controlled valve M3 "and is introduced through a line 58 into a lower part of the heat exchanger H2 with a smaller diameter .
In the third oil circuit, the bulk of the oil exits from the upper end of the heat exchanger H1 with the smallest diameter through the outlet line 60, flows through the controlled valve M3 "'and is then through line 62 into the lowest part of the heat exchanger H2 with the smallest All of the oil leaves the heat exchanger H2 through a line 64 cold and flows to the pump P4 and is then reintroduced into the lower end of the heat exchanger H1 through the line 50.
Perforated plates 66, 68 and 70 are positioned in heat exchanger H2 above oil inlet conduits 54, 58 and 62 to cause the oil to be dispersed or droplet formed immediately after it has been introduced through these inlet ports. A similar perforated plate 71 is arranged above the oil inlet pipe 50 in the heat exchanger H1. In this way, the oil flows upwards in both heat exchangers in a dispersed or droplet-shaped state, creating a large surface area for heat transfer.
An oil washing column OW is provided at the upper end of the heat exchanger H2. A small amount (e.g. about 5%) of the resulting distilled water from tank R5 is introduced through line 72 into the upper end of the oil washing column OW. This water passes through a filter 74 (e.g. made of glass fiber) which is fixed on a sieve 75, and all or part of the water is discharged by means of a funnel 76 with a collecting pipe 77 which leads to a manifold 80, collected. The oil washing column OW also contains a perforated plate 82 with large openings 82 ', into which lines 83 are built, from which the water is slid to a collecting pipe 84 and to a second distributor 86.
The oil introduced into the heat exchangers H2 flows upward in a dispersed or droplet-like state, as described above, and merges over the manifold 86, but as it rises further, the perforated plate 82 redistributes it. It recombines over manifold 80 and then flows through filter 74 to an exit conduit 87 which is equipped with an inverted funnel portion 87 'at its lower end, the latter being suitably positioned over the lower end of funnel 76, so that it is above the level of the water it contains.
The oil washing column OW at the lower end of the heat exchanger H2 washes the oil from entrained salty water droplets and substantially reduces the salt content of the water therein in the following manner: First, the water from the manifold 86 forms an upper layer over the fed salty water (which is passed through the Inlet line 6 is entered), so that the oil flowing upwards is more likely to mix with the wash water layer than with the salty water fed in. The water entrained with the oil during the confluence over the manifold 86 is therefore considerably less salty than it would be if the oil were to mix with the fed salty water.
These entrained water droplets are carried with the oil to the heat exchanger 111, and because of its lower salt content, the distilled water there is less contaminated than if the oil could have entrained droplets from the fresh salty water. Occasionally the amount of water entrained in the form of these dilute droplets can be greater than it would be without the repeated washing processes; However, as soon as the oil is heated in the heat exchanger H1, it dissolves a large part of these droplets and, accordingly, a smaller part of the pure distilled water from the heat exchanger H1 than would otherwise be the case.
The salinity of the water entrained in the oil is further reduced as the oil (in dispersed form) in the space between the perforated plate 82 and the manifold 80 rises because the oil rises through the water as it passes from the heat exchanger H2 which flows downwards through this space by gravity from the manifold. The salt content of the entrained water is further reduced by the filter 74 in that it is washed with deionized water introduced into the filter through the inlet line 72.
In the following, a system according to the invention is described with approximate values to exemplify an embodiment of the invention.
In this example, 103 steps are assembled vertically or on a slope (preferably on a slope). The temperature and pressure of the salty water (sea water) when entering the first evaporation stage El (i.e. at the lower end of the cooking line BD1) is 1800 C and 100.3 m water column. The temperature of the salty water falls after each evaporation stage and the temperature of the desalinated water increases with each condensation stage by 1.50 C. The temperature of the steam flowing into the first condenser is 178.50 C, and the temperature of the cooling water that comes out of the the first condenser flowing out is 177.50 C. In the last stage (No. 103) the difference between the temperature of the steam flowing into the condenser and the temperature of the cooling distillate flowing out of the condenser is 20 C.
This temperature difference gradually decreases from the last to the first stage, so that the difference in the first stage is 10 C. The temperature of the remaining caustic solution flowing out of tube Bn after the last evaporator is 240 C, and the temperature of the cooling water flowing into the last condenser is 20.50 C.
The vapor pressure of the desalinated water leaving the first condenser C1 (at 177.50 C) is 9.65 kg / cm2 or 96.5 m water column. Assuming that the appropriate height for each condenser chamber is 1.5 m and that 50 m are added for pressure reduction in the water pipes and for flow regulation, the last condensation chamber Cn (No. 103) would be at a height of approximately 300 m above the first condensation chamber. The last evaporation chamber En (No. 103) would advantageously also be at a height of about 300 m, provided that the height difference of two successive evaporators is equal to the height of the water column of the same stage plus 2 m, as it was above for the condensers has been described.
In this example, the salty water at the lower end of the first cooking column BD1 has 1800 C and a pressure of 100.3 m water column. The temperature and pressure would drop by about 25.50 up to the last evaporator stage En (No. 103) and by a pressure of about 0.32 m of water.
In the present example, about 1000 kg of deionized water (from 20.50 C) would be discharged through the distilled water outlet 40 and about 3000 kg of residual liquor (from 240 C) would be discharged through the caustic outlet 22 (the liquor containing 4.7% salt) 4000 kg of sea water (containing 3.5% salt) fed into the plant at 17.50 C can be obtained. Approximately 3870 kg of distilled water (at 177.50 C) would leave the first stage condenser C1 and would be heated to 1830 C by fuel heat (conventional fuel or nuclear fuel) at heater 34. The enthalpies of pure water at 177.5 and 1830 C are 179.65 Kcal / kg and 185.40 Kcal / kg. Consequently, the theoretical heat demand Q would be per 1000 kg of desalinated water product
3870 ¯ (185.40-179.65) or 22.25 Kcal.
The degree of performance R would correspond to 45 kg of water product per 1000 Kcal. The flow ratio (salty water / water product) would be 4. The relaxation temperature would be 180 - 240 C or 1560 C.
The 3870 kg of desalinated water at 1830 C would be used to heat the oil in a heat exchanger H1 from about 18.5 to 1810 C, and the hot oil would be used in heat exchanger H2 to make 4000 kg of fresh salty water from 17 To heat 5 to 1800 C.
The total work performance in the water and oil circuits per 1000 kg of distilled water produced would, as expected, assuming that the pumps and the control generators are working at 85% power, according to a forecast, would be as follows. The performance required for pumps P1, P2, P3 and P4 is, as expected, 470 600, 508 100 and 588 000 mkg / h. The drive power of the controlled valves Ml, M2 and (M3 ', M3 ", M3"') is expected to be 739 500, 118 200 and 469 800 mkg / h.
According to these calculations, the total work output is therefore, as expected, 764 200 mkg / h.
For comparison, the following table I gives comparative data for the expected working conditions and the values for Q (theoretical heat demand) and R (degree of performance), as they are based on the example discussed above (referred to as Appendix No. 1) and after three examples, the are based on known flash evaporation systems (referred to as systems No. 2, 3 and 4) have been calculated. Plant No. 2 is a multi-stage flash evaporation plant with a device for heating the liquor to 1430 C and 1210 C (cf. page 152, Fig. 164 of al965 Saline Water Conversion Report, published by the U. 5. Office of Saline Water).
Plant No. 3 is a multi-stage flash evaporation plant with lye circulation that has been built in Eilat, Israel (see the article by L. Steinfeld and A. Kikinis, published in the Journal of the Association of Engineers and Architects in Israel, May, June 1965). Plant No. 4 uses the steam reheating and liquid-liquid heat exchange process developed by FMC Corporation, Santa Clara, California (cf.
U.S. Office of Saline Water Report, No. 78, September 1963).
In Table I, the liquid heated by the condensation of relaxed water vapor is designated with SW for incoming seawater and circulating lye in systems no. 2 and 3 and with W for circulating and outflowing desalinated water in systems no. 1 and 4. The lye that evaporates through relaxation is denoted by B.
Table I.
Comparison of the working conditions and the values for Q and R
Appendix 1 Appendix 2 Appendix 3 Appendix 4 Number of levels 103 72 30 20
Last stage temp. OC pressure with temp. OC temp. Oc temp. T C
Water column B (out) 24 0.292 21.1 34.6 32.2 B (in) 25.5 0.320 22.93 36.56 37.2 B (in) -B (out) 1.5 0.028 1.83 1 .96 5 W (in) 20.5 0.246 22.2 W (out) 22 0.270 27.2 W (out) -W (in) 1.5 0.024 5 SW (in) 15.6 27.8 SW (out) ) 17.43 29.76 SW (out) -SW (in) 1.83 1.96 B (out) -W (out) 2 0.022 5 B (out) -SW (out) 3.67 4.84
First stage SW (out) -SW (in) 1.7 1.96 SW (in) 136.3 84.64 W (out) -W (in) 1.5 3.33 5 W (in) 176 93, 17 B (additional) -SW (additional) 3.6 4.96 SW (additional) 138 86.6 B (additional) -W (additional) 1 0.70 5 W (additional) 177.5 96.50 122, 2 B (in) -B (out) 1.5 3.40 1.7
1.96 5 B (out) 178.5 96.90 141.6 91.34 127.2 B (in) 180 100.30 143.3 93.3 132.2 22.3 kcal
1 1 kg product 30.6 70 73 R 45 kg product 32.7 14.3 13.3
1000 kcal flow rate ratio 4 5.8 10.5 5.5 Flash evaporation range 1560C 1220C 590C 1000C Temperature increase due to
Auxiliary heater 5.50 C 5.30 C 6.70 C 13.30 C
In the Clementine buoyancy process, as was briefly discussed above, a riser pipe (a standpipe with a cross-section that widens from bottom to top) connects two vertical steps.
These stages are referred to as chambers 1 and 2 and the saturation pressure and temperature as PI, P2 and T1 and T2. The open bottom of the riser pipe is slightly immersed in the liquor below its surface in the lowest chamber 1, and the open upper end of the riser pipe is arranged a little above the liquor level in the upper chamber 2. In an example, the following data are given on pages 36-9 of the aforementioned reference:
P1 = 1.033 kg / cm3
P2 = 0.935 kg / cm2
T1 = 1000C
T2 = 97.20 C
Under these conditions, 5 kg of water vapor are released from 1000 kg of salty water with 3.5% salt content by flash evaporation.
The volume of the relaxing mixture or the cooking mixture of lye and steam is at P2 = 0.935 kg / cm2 and T'2 = 97.70 C (T'2 is the saturation temperature of salty water at P2, while T2 is the saturation temperature of pure water at P2) is about 10 000 1, and the external evaporation energy of 5 kg of water is about 84 500 kg / m (about 40 kcal / kg of evaporated water).
In theory, this amount of energy can raise the relaxing mixture or cooking mixture to a height of 84.5 m. In practice, however, the Clementine system achieves a lift height of only 0.91 to 0.95 m.
In the system according to the invention, as has been explained above, the outlet or lye services B and the cooking lines BD are connected to one another at their lower end and form U-tubes. These are used to connect the lower end of each evaporation chamber (chamber 1) to the subsequent upper chamber (chamber 2) at a point which is above the liquor level of the latter. As the lye flows through the lower part of the chamber 1 into the shorter leg of the U-tube, it forms a lye column with a height hl in this leg. The overpressure Pg is = hld, if d is the density of the lye for which 1 is used.
This pressure, together with the pressure difference (P1-P2) in the two chambers, corresponds to the pressure Pg '= h2d' of the cooking mixture column in the longer leg of the ¯U-tube that leads to the interior of chamber 2, plus the pressure drop dp that is applied to the Flow of the liquor and the cooking mixture is due through the U-tube.
The conditions for the lift height of the liquor from stage 1 to stage 2 are determined by the inequality: h, ld + (Pl-P2)> h2 (d "+ AP
The lift height is (P1-P2) + a (both in m water). The symbol a is the height of the steam-filled space in the condenser in which the condensation between the steam and the cooling liquid is effected directly, plus the pressure drop in m of water which is due to the flow of the liquid. For larger systems, a is equal to or greater than 2 m, preferably 3 m. The lift height for large systems is h + 3 m, where h = P1-P2 in m of water. In the example above, h = 0.98 m of water.
Assuming that 50% of the evaporation takes place in the cooking leg (the U-tube) and 50% in chamber 2, the mean density d 'of the cooking column for the conditions of the above example is approximately: d' = 1000 / (2, 5 X 1780 + 997.5) = 0.18 kg / l and the above inequality gives hl + 0.98> (hl + 0.98 + 3) 0.18 + dP or
0.82 kl + 0.26> AP.
If hl = 2 then AP # <1.90 m of water for a length of the U-tube of about 12 m.
It is easy to see that for a large diameter of the U-tube, and especially for a large diameter of the cooking limb, a very high speed for the cooking mixture can be achieved if the caustic limb of the U-tube has the required height.
The present invention therefore makes it possible to obtain a significant amount of lift even at lower temperature stages, which is not possible with the Clementine system. In addition, the present invention does not require the use of riser pipes that widen from the bottom upwards, which is required in the Clementine® system in order to avoid an increase in the speed of the steam-liquor mixture during its expansion.
4 explains a modified system in which each evaporator-condenser stage consists of double-chamber devices EC1, EC2. Each of these devices is in the form of a cylindrical vessel with a transverse wall 150 which separates the vessel into an evaporator chamber E and a condenser chamber C. The U-tubes TT1, TT2, TT3 connect all the evaporator chambers in turn, and the inclined tube CCP connects all the condenser chambers in turn. The lye, from which the steam is formed by expansion, moves against gravity upwards through the U-tubes and evaporator in sequence. The pure cooling water, by which the expanded steam is condensed, moves by gravity downward through the inclined pipe CCP and in the order through the condensers.
In the plant EC2 of FIG. 4, the cooling water flowing down through the inclined tube CCP enters the condenser chamber through inlet 152 and flows upward through a passage 154 which forms a basin above the perforated plate 156.
The pure cooling water then flows according to gravity in the form of thin jets or drops through the latter plate and flows back through the outlet 158 into the inclined tube CCP, where it flows to the system of the next lower level, in this case EC1. The inclined tube CCP is equipped with a baffle 160 through which the mixture of pure water and oil is directed so that it moves on the desired path.
The liquor in the evaporation cycle system EEP moves against gravity through the U-tubes TT1, TT2 etc. from the evaporator E of the one stage to the next stage upwards. This mixture is lifted from one stage to the next by the external energy of the water evaporation. For this purpose, each of the U-tubes (e.g.
U-tube TT2, which connects the evaporators of EC1 and EC2) a short leg Ts (comparable to the liquor outlet line B1, B2 etc. in Fig. 1), which is connected to the outlet of an evaporator, and a long leg Tg (the cooking lines BD1, BD2, etc. in Fig. 1 comparable), which is connected to the inlet 162 of the evaporator of the next higher elevation. The vapor pressure in the evaporator of the plant from the lower stage EC1 is such that the liquor in the short leg Ts is in liquid form, whereby a downward flowing liquid column L is formed in the short leg Ts.
The vapor pressure in the evaporator from the higher-stage system EC2 is somewhat lower, so that the liquor flowing up through the long leg Tg is in a boiling state, as a result of which an upward-flowing cooking mixture column BM is formed from liquor and water vapor. The lower end of the boiling mix column is designated BM 'and is at a level which is below the upper end of the downward flowing liquid column L in water, which is due to the flow of liquid back to the short leg Ts.
The part of the downward flowing liquid column L in the short leg Ts above the level BM 'has a sufficient height so that the overpressure of this liquid column together with the pressure difference from the two stages equals the overpressure of the upwardly flowing cooking mixture column BM in the long leg Tg and compensates the pressure losses caused by the flow of the liquid. So the cooking mixture is lifted from the evaporator of one stage to that of the next stage, while the liquid in the liquid column L as well as in the connection between this and the upward flowing cooking mixture column BM (i.e. the liquid up to the level BM ') a hydraulic lock between the neighboring evaporators.
In Fig. 4, h represents the difference in vapor pressure, in m water column, between the systems EC1 and EC2, h represents the height of the liquid column L in the short leg Ts above the level BM ', and h2 represents the height of the cooking mixture column BM in the long leg Tg. In large systems, an effective condenser should contain condensation and flow spaces with a height of about 1.5 m and an additional height of 1.5 m should be provided for a pressure drop caused by the downward flow of the circulating pure water is conditional from level to level. The U-tube should therefore be designed in such a way that the height h2 of the cooking mixture column BM is greater than h1 + h + 2 m, preferably equal to h1 + h + 3 m, in order to lift the lye-oil mixture from an evaporator to the evaporator to effect the next stage.
The cooking mixture flows through inlet 162 into the evaporator, where evaporation takes place by expansion. The liquid phase (i.e. the lye) drips down and flows through the short leg Ts of the U-tube to the next evaporator, as described above. The steam flows upwards, passes through a dehumidifier 164 downwards through a line 166 and upwards through a perforated plate 168 with a large hole diameter into the condenser chamber C, where it condenses on the upward flowing thin jets and droplets of pure water and due to its Gravity flows through the condenser. The amount and temperature of the water are increased as the water flows downward through the condensation cycle system from one condenser to the next.
The pressure differential from the two stages is maintained by a vacuum control device 170 in each stage, the device 170 being configured to include a tube with openings that provide conduit to the condenser chamber both above and below the basin that is perforated Plate 156 is arranged, contains.
The liquid between the baffles 160 of two successive stages forms a hydraulic seal between the stages.
It can be seen that the same type of liquor lifting system can be equipped with other circuit devices than the U-tubes TT1, TT2 etc. and that the evaporator of each stage can be in a separate installation from the condenser.
Such a modification is shown in Fig. 5, in which each evaporator El ', E2' is in a separate vessel. In addition, a well-type manometer device is used instead of U-tubes. Each evaporator is in the form of a horizontal cylinder and is connected to a dedicated line or a vertical leg 172 which is closed at the bottom. The lower end of the conduit 174 is located near the bottom of the leg 172, while the upper end is connected to the inlet of the adjacent higher evaporator E2 'above the level of the liquid therein. The steam flows through a dehumidifier 176 to an outlet line 178 which is connected to the condenser of this stage.
It can be seen that the height hl of the liquid in the evaporator and its leg 172 from the lower level to the level of the lower end 174 'of the cooking mixture column of the liquid column L formed therein in the short leg Ts of the system described in FIG and that the height h2 of the cooking mixture column in the pipeline 174 corresponds to the height of the cooking mixture column BM in the long limb of FIG. The liquid in the evaporator and the lower end of the tube 172 together with the liquid in the lower part of the pipeline 174 up to the level 174 'form the hydraulic seal between the evaporator stages.
If desired, a plurality of cylinders or legs 172 with a pipe 174 for each cylinder or leg can be provided between the evaporators, if an adaptation to the flow rate of a larger amount of the cooking mixture is to take place. The same number of U-tubes (for example TT1-TTn) can be provided in the embodiments of FIGS. In, 1b.
It may also be necessary to move the mixture from one evaporator to the next while it is flowing. This is preferably achieved by blowing in water vapor or by mechanically moving the liquid mixture at the lower end of the longer leg of the U-tube in FIGS. 1-4 or at the lower end of the pipeline 174 in FIG.
To reduce the overall height required for a system with a large number of stages, the evaporators and condensers can be arranged in a plurality of turns, with the first stage of each turn starting at the same lowest height and the last stage of each turn ends at the same maximum height as described, for example, on page 130 of the book Principles of Desalination, published in 1956, edited by KS Spiegler.
It is understood that the values given above are based on preliminary calculations and are only given to illustrate the principles of the invention and that these values are not necessarily accurate and do not need to be adhered to for the various features disclosed to be successful.