CH619908A5

CH619908A5 -

Info

Publication number: CH619908A5
Application number: CH1590976A
Authority: CH
Inventors: Jakob Dr Ing Hoiss
Original assignee: Hoiss Jakob
Priority date: 1976-01-07
Filing date: 1976-12-17
Publication date: 1980-10-31
Also published as: CA1095454A; JPS5636991B2; US4585524A; ATA941876A; JPS5285977A; AT353193B; DE2600398A1; GB1542473A; DE2600398C2; FR2337693A1; FR2337693B1; SE7614030L

Description

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Nachteile des bekannten Verfahrens bzw. der bekannten Vorrichtung vermeidet und mit dem bzw. mit der bei geringerem Gestehungspreis ein Destillat höherer Reinheit bzw. Qualität erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 angegebenen Merkmale gelöst.

Damit ist erstmals ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Destillieren von Rohwasser geschaffen, das bzw. die bei Einsatz einer Wärmepumpe im Sekundärkreislauf mit über dem Normaldruck liegender Verdampfung im Primärsystem arbeitet und damit nicht nur äusserst energiesparend ist, sondern darüber hinaus auch qualitativ hochwertiges bzw. hochreines Destillat liefert, wie es in der pharmazeutischen und elektrotechnischen Industrie gefordert wird. Da nämlich die vorliegende Erfindung bei einer Temperatur von erheblich über 100°C arbeitet, kann mit der Destillation eine sehr hohe Reinheit des Destillats erreicht werden, da nicht nur die nichtflüchtigen, sondern auch die flüchtigen Bestandteile mit hohem Siedepunkt in der Dampfphase vom Wasser trennen lassen. Ausserdem kann man auch aus mikrobiologischer Sicht von einem hochwertigen Destillat sprechen, da die entsprechenden Temperaturen zur Abtötung von Keimen, Bakterien und dgl. erreicht werden. Auch eine nachträgliche Kontamination des Destillats beim Entnehmen aus der Vorrichtung ist nicht möglich, da aufgrund des herrschenden Überdrucks das Destillat automatisch, also ohne anschliessen-de aktive Förderung, herausfliessen kann.

Des weiteren ist die äussere Energiezufuhr auf ein Minimum beschränkt, nämlich auf die mechanische Energie für die Wärmepumpe und auf zusätzliche Wärmeenergie zum Anfahren der Anlage und ggf. dann, wenn nicht kaltes, sondern warmes Destillat abgenommen wird. Die vorliegende Erfindung nützt also den gegenseitigen Wärmeaustausch nicht nur zwischen Sekundär- und Primärmedium, sondern auch den zwischen erzeugtem Destillat und zu destillierendem Rohwasser bis ins kleinste aus. Dadurch kann die erfindungsgemässe Vorrichtung im Falle der Entnahme von kaltem Destillat im wesentlichen nur mit zusätzlich zugeführter mechanischer Energie für die Wärmepumpe auskommen. Es wird also praktisch keine ungenutzte Wärmeenergie abgeführt.

Zum Reinigen des Rohwasserdampfes können verschiedene Vorrichtungen einzeln oder in Kombination vorgesehen sein. Beispielsweise ist es möglich, den Dampf in einen Zyklon zu leiten und dort mittels Fliehkraftabscheidung zu reinigen. Dabei genügt zur Erteilung eines Dralls die Einleitung des Dampfes in radialer Richtung. Ein Zyklon kann besser reinigen als jede andere Fliehkraft Vorrichtung, da eine Rückwirkung der Vorrichtung auf den gereinigten Dampf nicht vorhanden ist. Der den Schmutz enthaltende Wasserfilm kann entgegen der Dampfströmung nach unten ausgetragen wer15

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den, wobei der Dampf weder die Wandimg des Zyklons berührt, noch Teile des Wasserfilms mit sich reisst. Im Gegensatz dazu besitzt jeder ändere Fliehkraftabscheider höhere Schleppkräfte bezüglich des Wasserfilms, der in Richtung der Dampfströmung mitgeht, woraus dann ein Übertritt von Teilen des Schmutzwasserfilms in den Dampf möglich ist. Der Zyklon ermöglicht eine weitere Reinigung des Rohwasserdampfes, so dass das Destillat auch pyrogenfrei gemacht werden kann. Ausserdem können dann mit der vorliegenden Erfindung ohne weiteres auch bakteriologisch stark belastete Wässer zu einem hochreinen Destillat umgewandelt werden. Das entstehende Schmutzwasser kann entwedernach ausserhalb abgeleitet oder in den Verdampfer zurückgeführt werden, wobei das letztere insbesondere zu Beginn eines Verfahrensablaufs durchgeführt werden kann. Der in dem Abflussrohr des adiabatisch gelagerten Zyklons herrschende hydrostatische Druck kann dabei benutzt werden, damit das Abflussrohr-falls das Schmutzwasser in den Verdampfer zurückgeleitet wird - als Dampfsperre wirkt, so dass Rohwasserdampf nicht unmittelbar durch das Abflussrohr in den Zyklon gelangen kann.

Um eine weitere Reinigung bzw. Vorreinigung des Roh-wasserdampfes zu erreichen, kann dieser insbesondere vor dem Eintreten in den Zyklon mittels mindestens einer Ultra-schallvorrichtung beschallt werden. Eine oder mehrere derartige Ultraschallquellen können im Bereich des Zykloneintritts axial gerichtet und/oder am Umfang des Brüdenraumes radial gerichtet angeordnet sein. Durch die Ultrabeschallung wird erreicht, dass die fein dispergierten Wassertröpfchen im Dampf zu grösseren Tröpfchen koagulieren, womit erreicht wird, dass der Abscheidegrad der Wassertröpfchen aus dem Dampf im anschliessenden Zyklon erhöht wird.

Es ist ferner möglich, den Rohwasserdampf, beispielsweise nach Austreten aus dem Zyklon, quer durch eine oder mehrere stehende Ultraschallwellen zu führen. Derartige stehende Wellen können durch einen oder mehrere Ultraschallstrahler, denen Reflektoren, beispielsweise Hohlspiegel, gegenüberliegend angeordnet sind, erzeugt werden. Diese Strahler können zweckmässigerweise im Tauchrohr des Zyklons angeordnet sein. Die stehenden Schallwellen besitzen dabei Schwingungsbäuche und -knoten, über denen ein Kanalsystem angeordnet sein kann, wobei jedem der Schwingungsbäuche bzw. -knoten ein einzelner Kanal zugeordnet ist. Dabei enthält derjenige Teil des Rohwasserdampfes, der über dem Schwingungskno-tea abgeführt wird, mehr Tröpfchen, als derjenige Teil des Dampfes, der über die Schwingungsbäuche entweicht. Dies bedeutet, dass der über den Schwingungsknoten abgeführte Dampf mehr Schmutz enthält und daher in den Verdampfer oder den Brüdenraum zurückgeführt werden kann, was ohne wesentlichen Energieverlust vorsieh geht, worauf dieser Teil des Dampfes nochmals den Reinigungsprozess durchläuft.

Es ist aber auch möglich, den Rohwasserdampf in einem Elektrofîlter zu reinigen, das zweckmässigerweise ebenfalls im Tauchrohr des Zyklons oder auch an anderer Stelle im oder ausserhalb des Brüdenraumes angeordnet sein kann. Alle diese genannten Vorrichtungen zum Reinigen des Rohwasserdampfes können einzeln oder in Kombination hintereinander oder parallel vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, mehrere solcher aus mehreren Vorrichtungen bestehende Reinigungszyklen hintereinander oder parallel anzuordnen. Dies hängt von der geforderten Reinheit des zu erzeugenden Destillats ab.

Die Anordnung der einzelnen Teile, insbesondere des Kondensators und des Verdampfers kann in vielfaltiger Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, den Kondensator und den Verdampfer unter Zwischenfügen des Brüdenraumes übereinander anzuordnen. Eine sehr kleinbauende und kompakte Anordnung ergibt sich jedoch dann, wenn der Verdampfer und der darüber angeordnete Brüdenraum innerhalb des vorzugsweise etwa haubenförmig ausgebildeten, konzentrischen Kondensators angeordnet sind. Dies bedeutet gleichzeitig eine erhebliche Wärmeisolierung des Verdampfers und 5 des Brüdenraumes nach aussen ohne zusätzliche Mittel. Dabei ist es zweckmässig, sowohl den Verdampfer und den Zyklon als auch die Wärmetauscher zur Vorwärmung des Rohwassers innerhalb eines vorzugsweise zylindrischen Behälters anzuordnen, der mühelos in den Kondensator eingesetzt und wieder 10 herausgenommen werden kann. Dadurch ist es möglich, sowohl die mit dem Destillat in Berührung kommende Innenwandung des Kondensators als auch die Aussenwandung des zylindrischen Behälters zu behandeln, ggf. mit einem Wärmereflektor oder durch Plattierung oder Galvanisierung u.a. zu 15 beschichten und ggf. einen Austausch defekter Teile besser vornehmen zu können. Eine solche Ausführungsform kann insbesondere auch als Kleingerät Verwendung finden. Dabei ist es günstig, wenn zwischen der Wand des beispielsweise aus Glas bestehenden Behälters und dem Verdampfer ebenfalls 20 Rohwasser an den Flüssigkeitsspiegel strömen kann, da sich dadurch eine vergrösserte Wärmeübergangsfläche für diesen ergibt.

Die Trennung in Primär- und Sekundärsystem ermöglicht durch entsprechende Unterteilung der Wärmeaustauschflä-25 chen parallelen oder hintereinandergeschalteten Betrieb. Der Parallelbetrieb deckt grosse Déstillatmengen bei nur einfacher Destillation. Die Hintereinanderschaltung ermöglicht eine Mehrfachdestillation zur Erzeugung von noch höherer Destillatqualität bei kleineren Destillatmengen. Der Energierückge-30 winnungsprozess benötigt dabei nur eine Wärmepumpe.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zei-35 gen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäs-se Vorrichtung gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Fig. 2 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäs-40 se Vorrichtung gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Ausführungsform eines mit Ultraschallquellen bestückten Brüdenraumes,

Fig. 4a, b eine Ausführungsform eines mit Ultraschallstrahlern bestückten Tauchrohres eines Zyklons schematisch 45 in Ansicht bzw. Draufsicht, und

Fig. 5 eine Ausfuhrungsform eines mit einem Elektrofîlter bestückten Tauchrohres eines Zyklons.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 11 zum Destillieren von entsalztem und entmineralisiertem Rohwasser besitzt ein so Primärsystem 12, in welchem das Rohwasser destilliert wird und welches keine bewegten Teile aufweist, und ein davon getrenntes, in sich geschlossenes Sekundärsystem 13, in welchem ein Medium strömt, das ausschliesslich der Wärmeübertragung dient. Als Medium im Sekundärsystem 13 ist bei diesem Aus-55 führungsbeispiel ebenfalls entsalztes und entmineralisiertes Rohwasser verwendet. Es versteht sich, dass auch vorzugsweise möglichst entkalktes normales Wasser verwendet werden kann.

Das zu destillierende Rohwasser wird beispielsweise aus 6o einem Ionentauscher mit einer Temperatur von 25°C unter leichtem Überdruck über eine Zulaufleitung 16, in welcher ein Schwimmerschalter, ein elektrisch gesteuertes Ventil 17 oder dgl. zum Erreichen und Aufrechterhalten einer konstanten Füllhöhe der Vorrichtung 11 eingesetzt ist, einen ersten Wär-65 metauscher 18 und einen zweiten Wärmetauscher 19, die üblicher Bauart sind und nach dem Kreuzstromprinzip arbeiten, in das Primärsystem 12 eingeleitet. Dabei ist das Rohwasser am Ausgang des ersten Wärmetauschers 18 beispielsweise auf

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etwa 34°C und am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 19 beispielsweise auf etwa 94°C erwärmt. Vom zweiten Wärmetauscher 19 gelangt das Rohwasser in den Bodenraum 21 eines Verdampfers 22, in welchem eine Heizeinrichtung 23 vorgesehen ist. Die Heizeinrichtung 23 kann beispielsweise ein dampfdurchströmtes Rohr oder ein elektrischer Heizstab sein. Diese Heizeinrichtung braucht eigentlich nur so gross zu sein, dass sie das zuströmende erhitzte Rohwasser an dessen Siedetemperatur von etwa 105°C heranführt. Dies ist eine relativ geringe zuzuführende Wärmemenge, die im wesentlichen nur die Energieverluste der gesamten Vorrichtung 11 ersetzen soll. Die Heizeinrichtung 23 ist jedoch vorzugsweise so gross dimensioniert, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung auch relativ schnell angefahren werden kann, was bedeutet, dass die Heizeinrichtung 23 allein das Rohwasser von etwa 25 °C auf Siedetemperatur erhitzen können muss. In einer Vielzahl von etwa vertikal und beispielsweise konzentrisch angeordneten Rohren 24 im Verdampfer 22, wobei auch Plattenwärmetauscher eingesetzt werden können, strömt das noch flüssige Rohwasser nach oben in den Brüdenraum 26, in welchem es verdampft wird. Die Verdampfung erfolgt dabei von einem knapp oberhalb des Endes des Verdampfers 22 angeordneten Flüssigkeitsspiegel 27. Dabei gewährleistet die Wasserstandsregelung durch das Ventil 17, dass das Abdampfen von einer stets gleichen grossen Oberfläche erfolgt. Die Abdampfgeschwindigkeit liegt bei Werten, die das Mitreissen von grösseren Tröpfchen vermeiden.

Im Brüdenraum 26 besitzt der Dampf beispielsweise eine Temperatur von 105°C und es herrscht dort ein Druck von etwa 1,23 bar. Im Brüdenraum 26 ist mittig (oder eventuell aus-sermittig) und konzentrisch zu ihm ein Zyklon 28 (oder eventuell mehrere) angeordnet, der an der Decke 29 des Brüdenraumes 26 befestigt ist und in dem Brüdenraum 26 hängend oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 27 endet. Der Zyklon 28, der von der bei der Gas-Feststoff-Trennung verwendeten Bauart ist, besitzt an seinem oberen Ende eine spiralig nach innen verlaufende, radiale Eintrittsöffnung 31, an seinem Boden eine mit einem Absperrventil versehene und nach ausserhalb des Brüdenraumes 26 führende Ablaufleitung 32 für das Schmutzwasser und ein Tauchrohr 33, das mittig oder eventuell aussermittig und axial angeordnet ist und vom Zykloninnenraum in einen über dem Brüdenraum 26 angeordneten Kondensator 34 reicht. Bei Eintritt in den mit konzentrischen Rohren versehenen Kondensator 34, in welchem der Dampf wieder kondensiert, hat dieser eine Temperatur von beispielsweise etwa 102°C und steht unter einem Druck von etwa 1,13 bar, so dass der Dampf aufgrund dieses Druckgefälles gegenüber dem Brüdenraum 26 durch den Zyklon 28 mit erheblicher Geschwindigkeit strömen kann. Durch den radialen Eintritt erfahrt der Rohwasserdampf im Zyklon 28 einen Drall um die Längsachse des Zyklons 28, wodurch mittels Fliehkraft die im Dampf enthaltenen Tröpfchen, die Schmutzpartikel und dgl. enthalten, gegen die Innenwand 36 des Zyklons 28 geschleudert werden und sich dort niederschlagen. Diese Tröpfchen sammeln sich am Boden des Zyklons 28 und flies-sen durch die Ablaufleitung 32 nach aussen ab.

Auf diese Weise ist das Rohwasser bzw. der Roh wasserdampf zu einem guten Teil gereinigt. Der Zyklon 28 ist aufgrund seiner mittigen Lage im Brüdenraum 26 nahezu adiabat gelagert, da praktisch keine Wärme Verluste entstehen und der Rohwasserdampf nach Durchtritt durch das Tauchrohr 33, dort etwa dieselbe Temperatur wie im Brüdenraum 26 besitzt. Aufgrund der Kinetik des Rohwasserdampfes besitzt die Innenwand 36 des Zyklons 28 dennoch eine um etwa 1°C niedrigere Temperatur als der sie umgebende Brüdenraum 26, so dass stets gewährleistet ist, dass sich die durch Fliehkraft abgeschiedenen Tröpfchen an der Innenwand niederschlagen. Der Zyklon 28 kann im Bereich des Bodens Prallbleche oder dgl. besitzen, damit der durch das Tauchrohr 33 ausströmende Dampf die an der Innenwand abgelagerten Flüssigkeitsteilchen nicht wieder mitreissen kann. Der im Kondensator 34 kondensierte Rohwasserdampf fliesst als Destillat mit beispielsweise einer Temperatur von 102°C ab, strömt durch den zweiten Wärmetauscher 19, in welchem es sich durch Wärmeabgabe auf etwa 25°C abkühlt, und durch den Ablauf 38 zu einer Füllanlage oder dgl.

Das in sich geschlossene, ausschliesslich der Wärmeübertragung und dem Wärmetransport dienende Sekundärsystem, das vom Primärsystem 12 räumlich getrennt ist, besitzt an seinem oberhalb des Kondensators 34 angeordneten Brüdenraum 41 entweder einen Einffllstutzen, eine Anschlussmöglichkeit an ein Fremddampfnetz, oder, wie beim Ausführungsbeispiel dargestellt, eine mit einem Absperrventil 43 versehene und mit dem Brüdenraum 26 des Primärsystems 12 verbundene Nebenschlussleitung 42. Dadurch kann das Sekundärsystem 13, wenn in ihm ebenfalls Rohwasser verwendet wird, unmittelbar durch das Primärsystem 12 beim Anfahren der Anlage gespeist werden. Ebenfalls kann vor Inbetriebnahme der Anlage über diese Leitung das Gesamtsystem bei höherer Temperatur sterilisiert werden. Dadurch ist zusätzlich ein schnelleres Aufheizen der Gesamtvorrichtung 11 möglich, und es ist ferner auf diese Weise möglich, das Medium für das Sekundärsystem 13 selbst herzustellen. Der im Brüdenraum 41 erzeugte Sekundärdampf von etwa 100°C und 1,0 bar strömt durch den fremdangetriebenen Verdichter 44 einer Wärmepumpe 46, die den Dampf auf etwa 1,4 bar verdichtet, wodurch sich eine Überhitzung des Dampfes auf etwa 180°C ergibt. (Die Überhitzungstemperatur und damit auch die Verdichtungsleistung kann durch Einspritzen von Wasser im Verdichtungsbereich niedriger gehalten werden.) Die Leitung 47, in der der Verdichter 44 angeordnet ist, mündet in den Verdampfer 22, aus dem der durch Wärmeabgabe an das Primär-rohwasser auf etwa 108 °C abgekühlte kondensierte Sekundärdampf als Flüssigphase durch eine Leitung 48 ausströmt, den ersten Wärmetauscher 18 durchströmt und als etwa 99°C heis-ses Sekundärrohwasser durch eine Leitung 49 in den Zwischenboden 50 des Kondensators 34 fliesst, wo es durch Wärmeaufnahme vom Primärrohwasserdampf wieder verdampft und wieder in den Brüdenraum 41 gelangt. Beim Ausführungsbeispiel sind der Verdampfer 22, der Brüdenraum 26, der Kondensator 34 und der Brüdenraum 41 übereinander innerhalb eines zylindrischen, aufrechtstehenden Behälters angeordnet.

Beim erfindungsgemässen Verfahren bzw. der erfindungs-gemässen Vorrichtung erfolgt also eine körperliche Ineinan-derschachtelung der beiden getrennten Systeme 12,13 derart, dass sie sich wärmemässig gegenseitig beeinflussen. So wird im ersten Wärmetauscher 18 das Rohwasser des Primärsystems 12 durch das kondensierte Medium des Sekundärsystems 13 erwärmt, bevor dieses ausschliesslich als Wärmeträger fungierende Sekundärmedium aufgrund der Kondensation, also der Wärmeabgabe des Primärrohwassers im Kondensator 34 verdampft. Um ein Verdampfen des Primärrohwassers im Verdampfer 22 ausschliesslich durch das Sekundärmedium zu eixeichen, wird das letztere durch die Wärmepumpe 46 auf ein höheres Temperaturniveau mit grösserer Enthalpie angehoben, indem dessen Druck erhöht wird. Die dabei zur Verfügung stehende Wärmeenergie (nun auf höheres Temperaturniveau gebracht), ist bei einer solchen Wärmepumpe etwa um die zugeführte mechanische Energie für den Verdichter 44 grösser. Aufgrund.des geschlossenen Sekundärsystems 13 wird praktisch keine Wärmeenergie ungenutzt abgeführt, wie es beispielsweise bei solchen Anlagen der Fall ist, die mit Kühlwasser arbeiten. Aufgrund der nach der Wärmepumpe zur Verfugung stehenden Verdampfungsenergie ist es ggf. auch möglich, das aus dem zweiten Wärmetauscher 19

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fliessende heisse Rohwasser ohne Einschalten der Heizeinrichtung 23 zu verdampfen, ©er Druck in einzelnen Teilen der gesamten Vorrichtung 11 beträgt etwa zwischen 1,0 und 1,4 bar. Die Heizeinrichtung 23 kann beispielsweise auch so dimensioniert sein, dass die Anlage bei einem Druck von 2,5 bar Überdruck und einer Temperatur von 140°C sterilisiert wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemässe Vorrichtung 11' eine weitergehende apparative Ineinanderschachtelung und kompakte Bauweise. Während beim ersten Ausführungsbeispiel Verdampfer 22, Brüdenraum 26, Kondensator 34 und Brüdenraum 41 etagenweise übereinander angeordnet sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel der Verdampfer 22' und der Brüdenraum 26' des Primärsystems 12 innerhalb eines beispielsweise zylindrischen Behälters 51 angeordnet, der von einem etwa topfförmigen Element 52 haubenförmig umgeben ist, welches den Kondensator 34' und den Brüdenraum 41' des Sekundärsystems 13 enthält. Der Verfahrensablauf, d.h. derDestillationsvorgang und die Wärmeübertragung innerhalb der Vorrichtung 11' ist derselbe wie bei der Vorrichtung 11, jedoch ist die Anordnung der einzelnen Teile räumlich zueinander von der Vorrichtung 11 verschieden. Im Boden 53 des Behälters 51 münden die Zulaufleitung 16 und die Ablaufleitung 38 für das entminerali-sierte und entsalzte, zu destillierende Rohwasser bzw. für das erzeugte Destillat. Der oberhalb des Bodens 53 angeordnete Raum 54 im Behälter 51 bildet den ersten Wärmetauscher 18' mit einer vom Medium des Sekundärsystems 13 durchflosse-nen Rohrschlange, in welcher eine Drossel 58 eingebaut ist, und den zweiten Wärmetauscher 19' mit einer vom Destillat durchflossenen Rohrschlange.

Oberhalb des Raumes 54 ist der Verdampfer 22' angeordnet, der aus konzentrisch zueinanderverlaufenden Rohren 61 für das Primärrohwasser besteht. Die Rohrböden 62, zwischen denen die Rohre 61 eingesetzt sind, sind so am Behälter 51 befestigt, dass das Rohwasser auch an der Behälterinnenwand nach oben an den Flüssigkeitsspiegel 27 strömen kann. Über dem Verdampfer 22' ist der Zyklon 28 angeordnet, dessen Ablaufleitung 32' in den Verdampfer 22' zurückgeführt ist und unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 27 mündet. Auf diese Weise wird das aus dem Zyklon 28 kommende Schmutzwasser nochmals verdampft, also seine Wärmeenergie und seine Masse wieder verwertet. Dadurch, dass im Zyklon 28 nur ein geringfügiger niederer Druck herrscht als im Verdampfer 22', steigt eine Flüssigkeitssäule aus Rohwasser in der Ablaufleitung 32' nach oben. Ihre Höhe entspricht dem Differenzdruck zwischen dem Verdampfer 22' und dem Zyklon 28. Sie wirkt als Sperre sowohl gegen den Dampf im Zyklon 28 als auch gegen das Rohwasser aus dem Verdampfer 22'. Das Tauchrohr 33, das die Decke 29' des Behälters 51 durchdringt und dort befestigt ist, mündet in den Zwischenboden 50' des Kondensators 34' im topfförmigen Element 52. Während der Zwischenboden 50' oberhalb des Behälters 51 angeordnet ist, umgeben die konzentrischen Rohre 64 des Kondensators 34' den Behälter 51 über dessen gesamte Höhe. An ihrem unteren Ende sind die konzentrischen Rohre 64 über die Rohrschlange des ersten Wärmetauschers 18' mit dem Innenraum des Verdampfers 22' verbunden. Das sich unter dem Flüssigkeitsspiegel 68 befindliche Kondensat des Primärsystems 12' (zwischen Aussenwand des Behälters 51 und Innenwand des topfförmigen Behälters 52) wird durch die Rohrschlange des zweiten Wärmetauschers 19' zum Destillatauslauf 38 geführt. Der Brüdenraum 41' des Sekundärsystems 13' befindet sich zwischen dem Zwischenboden 50' der Decke 67 des topfförmigen Elements 52. Vom Brüdenraum 41' führt die mit dem Verdichter 44 versehene Rohrleitung 47 der Wärmepumpe 46 in den Innenraum des Verdampfers 22' des Sekundärsystems 13'. Aus Fig. 2 ist ferner der Flüssigkeitsspiegel 68 des kondensierten Rohwassers ( = jetzt das zu gewinnende Destillat) und der Flüssigkeitsspiegel 69 des kondensierten Frigens des Sekundärsystems 13' ersichtlich. Als Medium im Sekundärsystem 13' wird also bei diesem Ausführungsbeispiel ein Kältemittel, nämlich haloge-nierte Kohlenwasserstoffe, beispielsweise das unter dem Warenzeichen «Frigen» bekannte verwendet. Dieser Wärmeträger verdampft unter einem Druck von etwa 9 bar bei etwa 100°C und wird durch die Wärmepumpe 46 unter einer Temperaturerhöhung von etwa20°C auf etwa 20 bar verdichtet.

Der Behälter 51 besteht vorzugsweise aus Glas und kann ggf. an seiner Aussenwandung mit einem reflektierenden Medium beschichtet werden, so dass ein möglichst geringer Wärmeaustausch zwischen dem Behälter 51 und dem topfförmigen Element 52 besteht. Der Behälter 51 ist von unten in das topf-förmige Element 52 passend eingeschoben und mittels Flansche 71 an ihm befestigt. Eine Zusatzheizeinrichtung muss aufgrund der gegenseitigen Wärmeisolierung nicht unbedingt vorgesehen sein.

Gemäss dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Brüdenraum 26,26' an seiner Decke 29,29' eine oder mehrere im Abstand angeordnete und den Zyklon 28 umgebende Ultraschallquellen 72, die axial nach unten gerichtet sind und den in Gegenrichtung aufströmenden Dampf beschallen. Im Brüdenraum 26, 26' können statt dessen oder zusätzlich eine oder mehrere, strichpunktiert angedeutete weitere Ultraschallquellen 73 an der Innenwandung seines Mantels angeordnet und radial gerichtet sein. Dadurch kann der im Brüdenraum 26,26' aufsteigende und durch die Öffnrag 31 in den Zyklon 28 eintretende Rohwasserdampf in axialer und/ oder radialer Richtung beschallt werden. Durch die Ultrabeschallung des Dampfes koagulieren die im Dampf enthaltenen feindispergierten Wassertröpfchen zu grösseren, so dass sich dadurch der Abscheidungsgrad im anschliessenden Zyklon 28 erhöhen lässt.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Tauchrohres 33' dargestellt, das bei allen der vorgenannten Ausführungsbei-spiele verwendbar ist. Dieses Tauchrohr 33' besitzt an seinem aus dem Zyklon 28 austretenden Ende eine Erweiterung 76, deren unterer Teil an einer Stelle des Aussenumfanges mit beispielsweise drei übereinander angeordneten Ultraschallstrahlern 77 bestückt ist. Diesen Strahlern 77 gegenüberliegend ist die Erweiterung 76 innenwandig mit zugehörigen Reflektoren 78, beispielsweise in Form von Hohlspiegeln beschichtet, so dass sich durch die Ausstrahlung und Reflektierung des Ultraschalls drei übereinander angeordnete stehende Schallwellen 79 ergeben, die jeweils aus Schwingungsknoten 81 und Schwingungsbäuchen 82 zusammengesetzt sind. Innerhalb der Erweiterung 76 sind über den Schallwellen 79 Kanäle 83,84 angeordnet, von denen die Kanäle 83 im Bereich über den Schwingungsknoten 81 und die Kanäle 84 über den Schwingungsbäuchen 82 angeordnet sind. Die Erweiterung 76 im Tauchrohr 33' ist so bemessen, dass der Dampf nunmehr eine Strömungsgeschwindigkeit von möglichst unter 0,5 m/s besitzt, so dass er im mit den Schallwellen 79 ausgefüllten Raum eine grössere Verweilzeit besitzt. Der die Schallwellen 79 senkrecht durchströmende Rohwasserdampf wird vor den Kanälen 83, 84 aufgeteilt, wobei deijenige Teil des Dampfes, der die Schwingungsknoten 81 durchströmt, mehr Tröpfchen enthält als deijenige, der die Schwingungsbäuche 82 durchströmt. Der weniger Tröpfchen enthaltende und durch die Kanäle 84 strömende Dampf wird dem Kondensator 34,34' zugeführt und als hochreines Destillat abgezapft. Demgegenüber wird der mehr Tröpfchen enthaltende Dampf durch die Kanäle 83 in den Brüdenraum 26,26' oder unmittelbar in das Tauchrohr 33,33' zurückgeführt, wodurch praktisch keine Verluste entstehen, jedoch der Dampf weiter bzw. nochmals gereinigt werden kann.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Tauchrohres 33" dargestellt, das ebenfalls bei jedem der vorgenanns

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ten Ausführungsbeispiele verwendet werden kann. Das Tauchrohr 33" ist doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen seiner Aussenwand und seiner Innenwand 89 ein ringförmiger Raum 86 besteht, der am oberen Ende des Tauchrohres in eine axialgerichtete ringförmige Öffnung 87 mündet. In der Längsmittelebene des Tauchrohres 33" ist eine Elektrode 88, beispielsweise in Form eines Sprühdrahtes, angeordnet, die eine elektrische Durchführung 85 durchdringend an Hochspannung von beispielsweise 20 bis 80 kV gelegt ist. Die Elektrode 88 ist beispielsweise an den negativen Pol und die Innenwand 89 des Tauchrohres 33" an den positiven Pol der Hochspannung, oder umgekehrt, gelegt, Durch die Hochspannung wird eine für Wasserdampf kritische Feldstärke im Tauchrohr 33" aufgebaut, wodurch sich die Wasserdampfmoleküle in positive Ionen und Elektronen spalten, wobei die letzteren sich teilweise an neutrale Moleküle unter Bildung von negativen Ionen anlagern. Die negativen Ionen wandern unter dem Einfluss des elektrischen Feldes an die positive Niederschlagselektrode, also an die Innenwand 89, wobei sie weitere neutrale Moleküle durch Zusammenstoss ionisieren. Beim Auftreffen auf die Innenwand 89 werden negative Ionen entladen, d.h., es werden an ihr Dampfverunreinigungen und feinste Tröpfchen niedergeschlagen. Durch die nach obengerichtete Dampfströmung wird der Niederschlag an der Innenwand 89 mit nach oben genommen und am Tauchrohrende über die Öffnung 87 in den ringförmigen Raum 86 geführt, aus welchem es beispielsweise in den Brüdenraum 26,26' bzw. den Verdampfer 22,22' rückgeführt wird. Auch durch diese Massnahme ist der Rohwasserdampf weiter gereinigt.

Es versteht sich, dass diese vorgenannten Reinigungsarten,

mittels Zyklon, Ultrabeschallung, Durchströmen von stehenden Ultraschallwellen und Elektrofîlter auch in Kombination derart angewendet werden kann, dass eines oder mehrere dieser Reinigungsverfahren hintereinander oder parallel vorge-5 nommen werden kann bzw. können.

Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung auch andere Ausführungsbeispiele möglich sind, bei denen zwei räumlich getrennte Systeme verwendet werden, nämlich ein mit unbewegten Teilen versehenes System zum Erzeugen des Destil-10 lats aus dem Rohwasser und ein in sich geschlossenes Wärmeträgersystem zur Wärmerückgewinnung mittels Wärmepumpe. Es versteht sich ferner, dass auch andere als Wärmeträger geeignete Medien im Sekundärsystem vorgesehen sein können.

Zur Erzielung grosser Destillatmengen einfacher Destilla-15 tion oder kleinerer Destillatmengen mehrfacher Destillation können zwei oder mehr Primärsysteme parallel- bzw. hintereinandergeschaltet werden. Je nach dem konstruktiven Aufbau des Destillierapparats sind die Primärsysteme wärmetechnisch mit einem einzigen, eine Wärmepumpe enthaltenden 2o Sekundärsystem verbunden oder jeweils für sich einem Sekundärsystem ohne Wärmepumpe zugeordnet, wobei dann den zwei oder mehr Sekundärsystemen eine einzige Wärmepumpe zur Energierückgewinnung zugeordnet ist. Ferner kann es in manchen Fällen zweckmässig sein, den ersten Wärmetauscher 25 wegzulassen und statt dessen in die betreffende Leitung des Sekundärsystems nur eine Drossel einzuschalten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich wegen der geringen Temperaturdifferenz zwischen dem Verdampferausgang und dem Kondensatoreingang der apparative Aufwand eines Wärme-30 tauschers nicht lohnt.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims

619908 2 PATENTANSPRÜCHE den Systemen (12,13) ein absperrbarer Nebenschluss (42) be- 1. Verfahren zum kontinuierlichen Destillieren von Roh- steht. wasser, bei dem das Rohwasser innerhalb eines Primärsystems 13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- und ein Sekundärmedium innerhalb eines eine Wärmepumpe net, dass im Sekundärsystem (13) ein anderes Medium als im mit einem Verdichter enthaltenden, vom Primärsystem räum- 5 Primärsystem (12), beispielsweise halogenierte Kohlenwasser-lich getrennten, in sich geschlossenen Sekundärsystem ver- . stoffe verwendet ist. dampft und kondensiert wird, und bei dem sich beide Systeme 14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich-gegenseitig derart wärmemässig beeinflussen, dass das Roh- net, dass innerhalb des zwischen Verdampfer (22,22') und wasser im wesentlichen durch Kondensation des durch den 'Kondensator (34,34') angeordneten Brüdenraumes (26,26') Verdichter der Wärmepumpe auf ein höheres Wärmeenergie- 10 ein Zyklon (28) mit radialem Eintritt (31) vorgesehen ist. niveau gebrachten Sekundärmediums und dieses im Sekun- 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich- därsystem durch Kondensation des Rohwassers verdampft net, dass am Boden des Zyklon (28) ein Abflussrohr (32) mün-wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine bei über dem Nor- det, das nach ausserhalb der Vorrichtung (11) geführt ist. maldruck durchgeführte Verdampfung des Rohwassers in dem 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich-nur mit unbewegten Teilen versehenen Primärsystem durch net, dass am Boden des Zyklons (28) ein Abflussrohr (32') die dem Sekundärmedium vom Verdichter zugeführte Energie mündet, dessen anderes Ende im Verdampfer (22') unterhalb erreicht wird, und dass die Temperatur des Rohwassers mittels des Flüssigkeitsspiegels endet. Vorerwärmung in mindestens einem im Primär- und Sekun- i 17. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch ge-därsystem angeordneten Wärmetauscher auf die Siedetempe- kennzeichnet, dass im bzw. am Brüdenraum (26,26') eine oder ratur angehoben wird. 20 mehrere Ultraschallquellen (72,73) vorgesehen sind, die im 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Bereich des Zykloneintritts (31) axial gerichtet und/oder am dass die Temperatur des Rohwassers mittels Vorerwärmung Umfang des Brüdenraumes (26,26') radial gerichtet angeord-durch eine äussere Wärmequelle an diese Siedetemperatur an- net sind. gehoben wird. 18. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch ge- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 25 kennzeichnet, dass sie mindestens einen Ultraschallstrahler zeichnet, dass entsalztes und entmineralisiertes Rohwasser (77) aufweist, der in einem Tauchrohr (33') des Zyklons (28) verwendet wird. angeordnet ist und quer zur Rohwasserdampfströmung gerich- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch tete stehende Schallwellen (79) erzeugt, im Bereich von deren gekennzeichnet, dass der Rohwasserdampf in einem Zyklon Schwingungsbäuchen (82) und/oder -knoten ein in Strö-(28) gereinigt wird. 30 mungsrichtung verlaufendes Kanalsystem (83,84) angeordnet 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, ist, dessen den Schwingungsknoten gegenüberliegende Kanäle dass das im Zyklon (28) gesammelte Schmutzwasser nach aus- in den Brüdenraum (26,26') zurückgeführt sind, und dass dem serhalb abgeleitet wird. Ultraschallstrahler (77) gegenüberliegend Reflektoren (78) 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, beispielsweise in Form von Hohlspiegeln angeordnet sind. dass das im Zyklon (28) gesammelte Schmutzwasser in den 35 19. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch geVerdampfer (22,22') zurückgeführt wird. kennzeichnet, dass sie ein vom Rohwasserdampf durchström- 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, tes Elektrofîlter besitzt, das einen an Hochspannung liegenden dass der Rohwasserdampf vor dem Reinigen mittels minde- mittigen Sprühdraht (88) aufweist und als doppelwandiges stens einer Ultraschallvorrichtung (72,73) beschallt und nach Rohr ausgebildet ist, dessen Zwischenraum (86) am hinteren 1 dem Reinigen quer durch eine oder mehrere Ultraschallwellen 40 Rohrende in Strömungsrichtung nahe der Innenwand (89) (79) geführt wird. eine Auffangöffnung besitzt, und dass das Elektrofîlter in ei- 8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, nem Tauchrohr (33") des Zyklons (28) angeordnet ist. dass der Rohwasserdampf in einem dem Zyklon (28) nachge- 20. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch ge schalteten Elektrofîlter (88) gereinigt wird. kennzeichnet, dass die Wärmetauscher (18,19), der Verdamp- 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An- 45 fer (22') und der Zyklon (28) innerhalb eines vorzugsweise zy-spruch 1, mit einem Primärsystem (12) für das Rohwasser und lindrischen Behälters (51) angeordnet sind, der innerhalb des mit einem davon räumlich getrennten, eine Wärmepumpe vorzugsweise etwa haubenförmig ausgebildeten, konzentri-(46) mit einem Verdichter (44) enthaltenden, in sich geschlos- sehen Kondensators (34') angeordnet ist, dass zwischen dem senen Sekundärsystem (13) zur Wärmeübertragung, wobei Mantel des zylindrischen Behälters (51 ) und dem Verdampfer sich die beiden Systeme (12,13) über mindestens einen Ver- 50 (22') ein Zwischenraum (62) zur Aufnahme des zu verdamp-dampfer (22) und mindestens einen Kondensator (34) für das fenden Rohwassers vorgesehen ist, und dass der zylindrische Rohwasser, zwischen denen sekundärseitig der Verdichter (44) Behälter (51) von einem gereinigten Rohwasserdampf enthal-der Wärmepumpe (46) geschaltet ist, wärmemässig gegenseitig tenden ringförmigen Raum (66) umgeben ist, innerhalb dem beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der vom zu verdampfenden Medium des Sekundärsystems (13) bei einer über dem Normaldruck durchgeführten Verdamp- 55 vorzugsweise in Gegenrichtung durchströmte Rohre (64) an-fung auftretenden Siedetemperatur des Rohwassers minde- geordnet sind. stens ein im Primär- und Sekundärsystem (12,13) angeordne- 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich-ter Wärmetauscher (18,19) yorgesehen ist, und dass das Pri- net, dass der Behälter (51) aus Glas und mit einem reflektie-märsystem (12) nur mit unbewegten Teilen versehen ist. renden Medium beschichtet ist. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich- 60 22. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der bei einer über dem Normaldruck net, dass bei Parallel- oder Reihenschaltung von zwei oder durchgeführten Verdampfung auftretenden Siedetemperatur mehr Primärsystemen (12) eine einzige Wärmepumpe (46) des Rohwassers eine äussere Wärmequelle (23) vorgesehen ist. vorgesehen ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohwasser entsalzt und entmineralisiert ist. 65 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Sekundärsystem (13) dasselbe Medium wie im Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Primärsystem (12) verwendet ist, und dass zwischen den bei- Vorrichtung zum kontinuierlichen Destillieren von Rohwasser 3

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nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 8.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der DE-PS 459 470 und der DE-PS 1258 358 bekanntgeworden. Die Verfahren und Vo rrichtungen beider Entgegen- 5 haltungen dienen u.a. zum Destillieren von Wasser, wobei in beiden Entgegenhaltungen über die erreichte Güte des Destillats nichts ausgesagt ist. Die beiden bekannten Verfahren laufen bei erheblichem Unterdrück ab, so dass für das Rohwasser nur eine Verdampfungstemperatur im Bereich von 45° (DE-PS 459 470) bzw. 21°C (DE-PS 1 258 358) notwendig ist. Dieses Vakuum verdampfungs verfahren hat jedoch den wesentlichen Nachteil, dass man auf diese Weise weder aus «normalem» Rohwasser ein hochreines Destillat, wie man es beispielsweise für die chemische, pharmazeutische und Elektronikindustrie benötigt, noch Trinkwasser vorgeschriebener Qualität aus in Küstennähe vorhandenem, bakteriologisch stark belastetem Meerwasser oder gar aus Abwasser erhalten kann, da sich bei derart niedrigen Verdampfungstemperaturen praktisch nur die nichtflüchtigen Bestandteile vom Rohwasser trennen, wie beispielsweise das Salz aus Meerwasser, da weder Bakterien noch Keime abgetötet werden und da das Destillat in einer Destillatleitungspumpe, die das erzeugte Destillat aus âer unter Vakuum stehenden Vorrichtung absaugen muss, erneut verschmutzt. Ausserdem ist bei diesem niedrigen Temperaturniveau der thermische Wirkungsgrad schlecht und zur Erzeugung des Unterdrucks ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich.

Zum Erreichen von reinem oder hochreinem Destillat hat man deshalb bisher stets das sogenannte Thermokompres-sions- bzw. das Mehrstufenverdampfungsverfahren verwendet.

Bei der Thermokompression wird das Rohwasser durch ein oder mehrere Wärmeübertrager möglichst bis zur Siedetemperatur vorgewärmt. In einem anschliessenden Verdampfer wird der Destillatdampf erzeugt. Um seine Verdampfungsenthalpie energetisch zu nutzen, wird er von einem Verdichter angesaugt und in ihm auf ein höheres Druckniveau gebracht. Dies hat zur Folge, dass ebenfalls die Temperatur des Dampfes ansteigt, und dass er somit als Heizmedium für den obenerwähnten Verdampfer benutzt werden kann. Das dort entstehende Destillat wird über die Wärmeübertrager riickgekühlt und erwärmt dabei das Rohwasser. Bezogen auf den Destillatpreis ist das Verfahren zwar wirtschaftlich, jedoch wird das zu gewinnende Destillat durch die Wärmepumpe des Verdichters geführt. Diese Wärmepumpe besitzt drehende Teile, welche nach aussen abgedichtet werden müssen. An dieser Stelle gelangen bevorzugt Keime bakterieller Natur, Schmierstoffe und Materialabrieb ins Destillat. Ein weiterer Nachteil ist, dass alle Wassertröpfchen, welche mit dem Destillatdampf durch die Wärmepumpe befördert werden, das Destillat verunreinigen.

Bei der Mehrstufenverdampfung wird der Dampf mittels Fliehkraft von den Wassertröpfchen gereinigt. Die Verdampfung erfolgt in einem Drallrohr, wobei der Dampf eine Fliehkraftreinigung erfährt. Ein bekanntes Verfahren bzw. eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist z.B. in DE-OS 2 219 650, Fig. 4 und Fig. 5 beschrieben.

Zur Energierückgewinnung wird das Rohwasser in mehreren hintereinander angeordneten Kondensatoren vorgewärmt. In einem ersten Verdampfer verdampft dieses unter einem bestimmten Druck (in der Regel 3-7 bar Überdruck) nur teilweise. Der nicht verdampfte Teil verdampft im nächstfolgenden Verdampfer bei geringerem Druck ebenfalls nur teilweise. In der letzten Stufe verdampft der letzte Teil des Rohwassers. Der Destillatdampf der 1. Stufe dient der

2. Stufe als Heizmedium, der der 2. Stufe dient der

3. Stufe als Heizdampf usw. Der Destillatdampf der letzten Stufe wird über eine Wärmepumpe der 1. Stufe als Heizmedium zugeführt. Das entstehende Destillat ist, falls die Verdampfer Fliehkraftabscheider in Form von Drallrohren besitzen, reiner als bei alleiniger Thermokompression. Dadurch, dass jedoch in der letzten Stufe die Wärmepumpe eingesetzt wird, kann das Destillat durch sie verschmutzen. Wird ohne Wärmepumpe gearbeitet, so verteuert sich das Destillat im Preis, da mit Fremdenergie gearbeitet werden muss.

Die beiden zuletzt genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen erzeugen im ersten Fall Destillat mit ungenügender Reinheit, im zweiten Fall, d.h. bei Verwendung der Fliehkraftreini-gung und der Mehrstufenverdampfung ohne Wärmepumpe (dann muss zusätzlich gekühlt werden), verteuert sich das Destillat wesentlich.