CN110072817B - 具有筒状件的蒸馏装置及其用于蒸馏水的用途 - Google Patents

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Abstract

蒸馏装置设置有至少一个蒸发空间(251、252)和至少一个冷凝空间(241、242)，在至少一个蒸发空间中，给水(5)被蒸发成蒸汽(12)，在至少一个冷凝空间中，来自前述蒸发空间的蒸汽(12)被冷凝成蒸馏物。蒸发空间和冷凝空间各自构造成包括室(242、252)和布置在所述室(242、252)之间的多个交叉指形的袋状部(241、251)，使得蒸发空间的第一袋状部存在于冷凝空间的第一袋状部与第二袋状部之间，并且冷凝空间的第一袋状部存在于蒸发空间的第一袋状部与第二袋状部之间。所述空间借助于分隔屏障件(26)相互分隔，该分隔屏障件构造成用于传递热和用于限定交叉指形的袋状部。

Description

具有筒状件的蒸馏装置及其用于蒸馏水的用途
发明领域
本发明涉及蒸馏装置，该蒸馏装置包括蒸馏站，该蒸馏站具有给水入口、蒸馏物出口和盐水出口、至少一个蒸发空间、以及至少一个冷凝空间，在所述至少一个蒸发空间中，给水被蒸发成蒸汽，在所述至少一个冷凝空间中，来自前述蒸发空间的蒸汽碰到冷凝壁被冷凝成蒸馏物，并且此后被输送至蒸馏物出口，其中，其余未蒸发的给水被输送至盐水出口。
本发明还涉及蒸馏装置的用途，该蒸馏装置用于蒸馏水溶液以特别地获得饮用水和/或用于工业应用的生产用水，以及用于浓缩来自工业过程、农业过程或家庭过程的废水。
发明背景
目前使用的水处理系统通常基于机械处理、化学处理、生物处理、离子交换处理和/或热处理。这些处理的典型示例是过滤处理和离心处理；分别使用树脂床和蒸发水或挥发性成分的聚集(flocking)。热处理占据水处理系统的相当大的市场份额。实际上，存在许多只能使用热处理来有效处理的水，因为存在不可能进行化学处理、离子交换处理或机械处理的成分。这种水的示例是包含非常小的颗粒、生物活性物质或溶解性固体的水。这种限制可能涉及这些处理技术的实际物理限制，但也可能是经济性限制。非常高的电能消耗通常会阻碍经济上可行的使用。
已知两种主要类型的热处理系统，所述两种主要类型的热处理系统是蒸汽压缩和多效蒸馏(MED)。在蒸汽压缩中，由沸腾过程形成的蒸汽在机械驱动的压缩机中被压缩，并且被用于预热进来的给料流。这种类型的蒸汽压缩蒸发器具有高的资本成本并且由电能驱动，并且这种类型的蒸汽压缩蒸发器在经济上适用于较高度集中的水并且适用于中/高水量。在MED中，使用高等级热能源，如过热蒸汽。高等级热能源的热能在一系列“效应器(effect)”或站中被重复使用若干次以使水蒸发，其中，一系列“效应器”或站连续地以较低压力操作。在第一站中借助于来自给水的蒸发而产生的蒸汽在后续站中碰到冷凝壁冷凝。潜热被再次传递至给水，该给水随即被蒸发。这种重复使用本身应当导致更高的热效率，但是冷凝壁的由像不锈钢之类的金属制成的典型结构对腐蚀敏感并且需要高的维护要求。
MED原理的变型是比如从WO2005/089914A1中已知的多效膜蒸馏。此处，冷凝壁邻近于液体通道布置，该液体通道又借助于膜封闭。液体的蒸发允许蒸汽经由膜离开液体通道。存在基于圆形延伸形式的箔状件的实施方案和基于平行布置的箔状件的实施方案两者。MED的这种变型在蒸汽与液体之间形成了更大的接触面积，并且似乎是适合的解决方案。然而，蒸汽穿过膜的迁移倾向于引起盐或基于有机物的污垢成分的沉积。此外，膜需要通过框架定位和固定。框架和膜两者都可以由聚合物材料制成。考虑到达到沸点的高温和较低的压力，聚合物材料会经受膨胀。这趋向于导致可靠性问题和维护问题。
从US2014/0042009A1已知MED处理系统的另一种变型。此处，膜已经被芯吸材料层替代。更特别地，这种层允许给水流动穿过该层。因此，不需要膜，这简化了结构。在所述申请中，包含给水的芯吸层与冷凝壁之间的距离被减小至小间隙，并且选择圆形构型。一些独立的间隔件被布置到间隙中，以避免芯吸层将附着至冷凝壁。显然，在单个堆叠的箔状件或单个卷的箔状件内的多个效应器的这种构型中，不能施加逐渐减小的压力。这是主要限制，因为压力逐级减小是使蒸馏过程继续的驱动因素中的一个驱动因素。此外，尽管能够观察，但是明显地仍然存在将给水带至蒸馏物的风险，因为两个液体流布置在彼此面对并且仅由间隙分隔开的表面处。当然可以扩大芯吸层与冷凝壁之间的间隙的尺寸，但是这会立即导致每单位体积的有效表面面积减小。
从US2014/0332365A1中已知另一种系统。该申请公开了一种蒸馏器，该蒸馏器具有用于将液体蒸发成蒸汽的蒸发表面。围绕竖向中心纵向轴线存在交替的蒸发通道和冷凝器通道。所述蒸发通道中的每个蒸发通道具有两个相对的蒸发表面。每个冷凝器通道设置有两个相对的冷凝表面。存在一种机动化的旋转组件，该旋转组件包括转子和泵，以用于将加热的液体从壳体底部处的集液槽施用至移动的涂敷器装置，该涂敷器装置通过擦拭件将加热的液体以薄膜的形式涂敷到蒸发表面上。在该系统中，蒸发通道构成封闭的室。冷凝通道在封闭的室之间延伸。加热的液体(即给料)和冷凝蒸汽沿相同的方向从顶部向底部行进。
如在本申请的图8中可见，蒸发通道和冷凝通道两者均设置有被称为竖向灌溉通道的各种结构件和元件，长形保持结构具有波纹形状和波纹部以提供长形的竖向延伸或直立保持的槽或凹部。这使得该构造连同用于使液体旋转的转子复杂且昂贵。明显地，需要这些结构和旋转运动以确保液体膜在操作期间将被保持在蒸发表面和冷凝表面处。此外，该结构似乎使蒸发通道内的给料中的污染物的粘附和沉积增加。因此，很快就需要清洁，除非使用限于作为相当纯的混合物的液体。这样，装置的有效操作时间被认为是相当低的。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于多效蒸馏的改进装置，该装置不易受由于膜和其它箔状件的热膨胀和/或由于盐或有机沉积物而产生的维护问题的影响。特别地，期望可以对该装置施加真空或降低的压力，并且期望有效密度足够高。
另外，根据第一方面，本发明提供了一种蒸馏装置，该装置包括具有容纳件的蒸馏站，该容纳件设置有至少一个蒸发空间和至少一个冷凝空间，在至少一个蒸发空间中，给水被蒸发成蒸汽，在至少一个冷凝空间中，来自前述蒸发空间的蒸汽碰到冷凝壁被冷凝成蒸馏物并且然后被输送至蒸馏物出口。此处，剩余的未蒸发的给水被输送至盐水出口。根据本发明，蒸发空间和冷凝空间各自构造成包括室和布置在所述室之间的多个交叉指形(interdigitated)的袋状部，使得蒸发空间的第一袋状部存在于冷凝空间的第一袋状部与第二袋状部之间，并且冷凝空间的第一袋状部存在于蒸发空间的第一袋状部与第二袋状部之间，其中，蒸发空间和冷凝空间借助于分隔屏障件相互分隔，该分隔屏障件构造成用于传递热，其中，所述分隔屏障件构造成限定交叉指形的袋状部。此处，容纳件被实施为容器，该容器包括给料入口、蒸馏物出口和盐水出口、以及任何可选的蒸汽入口和蒸汽出口，所述容器还设置有安装装置，该安装装置用于安装包括所述分隔屏障件的筒状件。
本发明的装置基于与现有技术的MED型装置不同的另一种操作原理。此处，用于单个站的容纳件被细分成蒸发空间和冷凝空间，蒸发空间和冷凝空间借助于以特定形式设置的分隔屏障件相互分隔。这形成具有第一室和第二室的布置，第一室和第二室借助于多个交叉指形的袋状部分隔开。第一室和第二室分别用于提供蒸汽流和移除蒸汽流。另外，这使得单个袋状部内的蒸汽的主要流动方向和液体的主要流动方向是彼此相反的方向，而现有技术中蒸汽的主要流动方向和液体的主要流动方向是相同的方向和/或彼此垂直。
此外，根据本发明，单个站的这种细分是耐用元件与待安装在耐用元件中的筒状件之间的细分。耐用元件是容器，该容器还包括任何入口和出口。一次性筒状件基本上包括限定交叉指形的袋状部的分隔屏障件。为了适当地布置筒状件，容器设置有安装装置。筒状件适合地是在使用之后被处置为废料的筒状件。然而，筒状件可以替代性地是可以被单独清洁的筒状件。
更特别地，根据本发明，给水将在蒸发空间中沿着屏障件朝向底部向下流动，从而释放上升的蒸汽。进入的蒸汽将从底部或侧面进入冷凝空间中的袋状部。特别地当蒸汽从底部侧进入时，蒸汽将通过蒸汽的碰到袋状部中的冷凝壁而冷凝的体积减小效应而被拉升。这种构型引起冷凝空间中的蒸汽与蒸发空间中的给水流之间的反向流动。由于在分隔屏障件的一侧的给水中的温度分布以及在分隔屏障件的另一侧的蒸馏物和蒸汽的温度分布，因此这种反向流动使得实现最佳的热能交换。
发明人认为，蒸发空间中的蒸汽相对于下落的液体膜的反向流有助于或甚至确保液体膜粘附到蒸发表面上。蒸汽产生了似乎与如下情况进行反作用的压力：液体膜被分成液滴或形成束。应当理解的是，在优选实施方式中使用的芯吸层进一步有助于液体膜的这种粘附。然而，芯吸层的替代方案比如具有表面纹理的支承层结合蒸汽的反向流也是足够的。
所产生的蒸汽在蒸发空间内上升，并被收集在蒸发室中。然后，蒸汽借助于蒸汽输出连接部被从蒸发空间移除。
为了清楚起见，观察到的是，蒸发空间的袋状部可以相互连接，以形成单个螺旋形腔。类似地，冷凝空间的袋状部可以相互连接，以形成单个螺旋形腔。然而，替代性可行的是，袋状部是筒形的。此外，可行的是，螺旋形腔从螺旋形状的内部至外部被细分。螺旋形腔的使用被理解为便于容易制造，因为限定这种腔的箔状件可以围绕中央筒卷起。
在优选实施方式中，所述至少一个蒸发空间设置有亲水性材料的芯吸层和邻近的蒸汽通道，给水流动穿过该芯吸层，其中，冷凝壁和芯吸层被实施为片状材料，该片状材料布置成使得芯吸层存在于蒸发空间的袋状部中，并且冷凝壁存在于冷凝空间的袋状部中。尽管不排除使用膜，但是这被认为会导致更复杂而没有太大的收益。更特别地，与现有技术相比，该实施方式基于片状材料的第一部分和第二部分的镜像顺序。不同于在液体层和冷凝壁重复交替的现有技术中，本发明就此布置成一对液体层布置在多对冷凝壁之间，并且重复这一点。
术语‘芯吸’在科学文献中被定义为液体的由于在多孔介质表面或多孔介质内的液-气界面处发生毛细吸收而穿过多孔介质的自发输送(S.Beyhaghi等人的AIChEJournal,60(2014),1930-1940)。术语‘芯吸层’在本申请的上下文中用作下述层：穿过所述层和在所述层的外表面上发生芯吸。此外，在当前装置中，液体给料从顶部进入多孔介质，从而使得液体沿着介质的外表面流动。本发明人认为，多孔介质内的毛细作用以及因此液体在多孔介质中的存在有助于将液体保持在多孔介质的外表面处。似乎很可能的是，进一步能够使液体膜的这种稳定效果成为可能，因为膜的下落速度从液体膜的外表面朝向芯吸层与下面的片状材料之间的表面逐渐地且有区别地减小，并且下落速度在芯吸层的外表面处高于零。观察到的是，已知能够芯吸的各种亲水性多孔介质。这种介质可以由聚合物材料组成，可以由无机材料组成，所述无机材料比如是硅酸盐、硼硅酸盐玻璃，沸石和可选地可以通过有机基团改性的其他陶瓷，并且这种介质也可以呈金属结构的形式。金属结构的示例是能够从德国
Figure GDA0003664230310000051
KG商业获得的所谓的荷兰斜纹编织(DTW)，如在N.Fries等人的“Theeffect of evaporation on the wicking of liquids into a metallic weave(蒸发对将液体芯吸到金属编织物中的影响)”J.Colloid Interf.Sci.,321(1):118-129,2008中所述。
芯吸层适合地是纤维状和多孔的。这具有下述优点：给水流进一步基于芯吸材料的毛细效应。芯吸材料的典型示例是纤维素基纸或纸板材料，或者是由例如粘胶纤维并且可选地由被涂覆的聚酯纤维制成的合成基芯吸材料。对这些材料的大量测试示出这些材料具有足够的导热性以将热从一个表面即冷凝壁以冷凝的方式传递到表面的另一侧的给水中。适合地，材料具有小于1mm的厚度，优选地具有小于250μm的厚度。当使用这种芯吸材料时，片状件的一侧保持其天然亲水状态，以用作蒸发表面。在这一侧，给水在表面上行进穿过薄膜，并释放水蒸气。
除了使用单独的芯吸材料，还可以借助于亲水性层的表面改性来产生支承液体膜的结构。表面改性的一个实施方式是在表面处形成纹理，比如通过槽和腔来实施。这可以借助于粗糙化处理比如通过研磨来实现。在本发明的一个实施方式中，液体膜厚度的第一指标小于500μm，比如在150μm至400μm的范围内，例如250μm至300μm。创建具有深度达到所述范围例如100μm至250μm的轮廓的表面纹理是可行的。
除了使用纤维材料，在支承层的顶部上还可以沉积优选地是亲水性的任何多孔层。多孔材料及其沉积的示例本身是众所周知的。示例包括聚合物泡沫和无机材料。示例包括沸石和二氧化硅类材料。对于二氧化硅材料，例如已知通过对前体材料的选择性改性和溶胶-凝胶过程中的沉积来控制所产生的膜的性质。特有的多孔材料的示例是例如气凝胶材料和介孔氧化硅材料。
在使用具有纤维芯吸材料的蒸发表面的实施方式的第一实验中，观察到出乎意料的高的传热系数。此外，在所述实施方式的实验中发现，传热系数在很大程度上独立于给料流量。这被认为是非常有益的，因为任何用户都可以选择给料的浓缩系数而不会对装置的操作产生重大影响。
适合地，分隔屏障件还设置有不能渗透给水和/或不能渗透给水的任何成分比如盐的层。不可渗透层可以是不可渗透的且适合疏水性的涂层，比如蜡或乳胶。不可渗透层可以替代性地是基于塑料例如聚丙烯或聚氨酯的且呈箔形状的片状材料。不可渗透层的厚度通常小于100μm，例如是5μm至30μm。因此，总体而言，分隔屏障件可以是疏水性片状材料和芯吸层或涂覆的芯吸层的叠层。分隔屏障件甚至可以是没有不可渗透层的芯吸层。那么，芯吸层例如通过调节芯吸层的厚度和密度并且/或者通过提供增加冷凝壁的密度的一侧处理而适合地构造成基本上不能渗透盐和/或水溶液。后一实施方式被认为对于给水被浓缩以减少给水体积的应用是可行的，但对于生产除矿质水的应用或蒸馏水不需要是纯的应用是不可行的。
在一种实施方案中，蒸发室、多个交叉指形的袋状部和冷凝室的布置构成竖向堆叠，其中，冷凝室位于底部侧并且联接至至少一个蒸汽入口和蒸馏物出口，并且蒸发室位于顶部侧处并且联接至蒸汽出口和给水入口。术语‘垂直堆叠’在本文中用于说明构成室和袋状部的相互顺序和布局。这种竖向堆叠的优点在于，可以利用重力来确保液体膜沿着所述蒸发空间的袋状部的蒸发表面落下。除了竖向堆叠，不排除水平堆叠或另外的取向。竖向堆叠看起来适合与片状材料的螺旋构型组合。
更普遍地，容纳件设置有用于给水的入口、蒸馏物出口和盐水出口。蒸馏站在其中设置并构造成使液体被引导进出蒸发空间或冷凝空间。更特别地，给水从入口被传递至蒸发空间。剩余的未蒸发的给水从蒸发空间被输送至盐水出口。蒸馏物被从冷凝空间——并且特别是冷凝空间中的任何冷凝壁——输送，冷凝抵靠所述任何冷凝壁发生。
适合地，在蒸发空间的底部处存在盐水通道，以用于将剩余的未蒸发的给水朝向盐水出口输送。更特别地，这种盐水通道布置在交叉指形的袋状部内部并且将侧向或径向延伸(取决于片状材料的构型)以连接蒸发空间中的所有袋状部。盐水通道将最终到达盐水出口或朝向所述出口延伸的任何其他通道。
在其他适合的实施方式中，在蒸发室的顶部处存在水分配器。水分配器更优选地实施为具有多个小孔的板，并且水分配器构造成用于将给水散布穿过蒸发空间，例如以液滴的形式散布穿过蒸发空间。在替代性实施方式中，水分配器是环形的，这允许将给料供应到环形水分配器内的空间中。因此，给料沿径向方向或沿包括径向分量和轴向分量两者的方向供应。径向方向通常在水平平面中，并且轴向分量将在竖向平面中。不排除水分配器具有辅助孔，该辅助孔用于沿其他方向例如向下供应给料。不排除用于水分配器的其他替代性实施方式，比如具有孔口的通道的阵列。可以存在喷嘴以产生最佳分布，但这不被认为是必须的。在替代性实施方式中，分配器板是所谓的雨板(rain plate)。在其他实施方式中，在雨板的顶部上存在给水贮存器。在给水贮存器中可以存在混合装置，以产生沿径向方向或侧向方向的流动模式。
水分配器的产生沿径向方向或侧向方向的流动模式的所述构型(包括具有混合贮存器的所述雨板或具有侧向定位的孔口或喷嘴的环形水分配器)被认为对分配是有益的。这种构型使得水不仅落下穿过雨板，而且还具有侧向或径向速度。已经发现，利用蒸发室向下传递给水——特别是将给水传递为液滴或射流——不会与向上的蒸汽传递干涉。特别地，不会出现大量的污染或蒸汽污染。
发明人认为，给水中的固体是含水的并且与水物理地结合，这防止成为气相的任何扩散。这种理解已经通过对所产生的蒸馏物的电导率进行测量并将该电导率与在给料罐中测量到的电导率进行比较而被证实。这里使用便携式电导率仪，并且使用如图12和图13中进一步所示的环形水分配器。发现蒸馏物中的电导率不超过20μS/cm。给料罐中的电导率为至少300μS/cm。当给料的电导率通过添加普通盐(氯化钠)而升高时，未观察到蒸馏物的电导率增加。
观察到的是，将给料喷洒或以其他方式分配到蒸发空间中是为了产生射流或液滴而不是蒸发给料，以防止给料中的污染物随着蒸汽被带入到蒸汽出口(或蒸汽出口)。尽管认为这些喷洒的液滴最终到达芯吸层中和芯吸层的表面上，但不排除喷洒的液滴中的一部分液滴落入到交叉指形的袋状部中并且可以以与交叉指形的袋状部中上升的蒸汽流交换的方式部分蒸发。所测量的蒸馏物的电导率表明，这种存在和交换不会——至少不会显著地或基本上不会——导致给料的这种液滴结合到蒸馏物流中。进入袋状部的这些喷洒和下落的液滴仍将最终到达芯吸层中或芯吸层上，但是位于较低的位置处而不是在顶部处。
在再一实施方式中，片状材料中的相邻的片状件借助于间隔件栅格间隔开。这些间隔件栅格具有限定分隔屏障件的片状件之间的空间的功能，但也可以是结构构件，以承受蒸馏过程的压力和温度影响。在一个适合的实施方案中，间隔件栅格具有小于1cm的厚度，例如4mm至8mm，这取决于精确的间隔件栅格布局和所选择的材料。
认为适合的是，间隔件栅格还存在于片状材料的外部与容纳件之间。由此获得进一步的保护。此外，这允许通向限定容纳件内的压力的压力管线的连接器存在于构造成用于交叉指形的袋状部的高度处，而不是存在于蒸发室或冷凝室中。观察到的是，片状材料和间隔件栅格不一定以任何方式彼此连接或相关，并且可以被单独地选择，以实现具有某些必须的尺寸、热特性或者关于蒸馏过程或用在蒸馏过程中的给水质量或给水量的其它所需特性的布局。
在一种实施方案中，蒸发空间内的间隔件栅格具有与应用在冷凝空间中的间隔件栅格不同的厚度。此外，间隔件栅格的材料和栅格的形状可以变化。优选地，蒸发空间内的间隔件栅格包括亲水性材料，该亲水性材料具有使间隔件栅格的表面成为总蒸发表面的一部分的效果。适合地选择蒸发空间中的间隔件的形状，使得间隔件有助于将给水分配在室的壁上。在另一优选实施方式中，冷凝室中的间隔件栅格包括亲水性材料，该亲水性材料具有将从室的壁上吸走冷凝液滴的效果。这引起更快且更有效的冷凝过程并且因此引起朝向相邻的蒸发空间的更高热传递。
根据本发明，容器配备有用于流体输入及输出和气体输入及输出的所有必需的连接部，以支持容器内的冷凝和蒸发过程，在容器中，这些连接部定位在实现用于每个效应器的优选地最佳操作条件的位置。容器在蒸馏装置内的预期用途和位置是永久性的：容器不是消耗品，并且容器在蒸馏装置内的预期使用寿命等于或接近总系统寿命。该容器配备有必要的可进入性装置，以用于容易地拿取安装在容器内的筒状件，以能够快速更换筒状件，从而导致最小的系统停机时间。
筒状件设计成用于在蒸馏过程的典型操作条件下且在预定的操作时间期间使用。此外，筒状件设计成其可以定位在容器内。
可选地，筒状件可以设置有定位装置，该定位装置与安装装置配合，例如由于定位装置具有与安装装置的形状互补的形状。然而，这不被认为是必须的。特别是在构成分隔屏障件的箔状件的螺旋构型中，被认为足够的是：筒状件中的内部筒可以定位在安装装置上、安装装置周围或安装装置中，而筒状件的外部将被有效地夹持在容器的外部壁或其他安装装置内。
优选地，筒状件包括呈围绕内部中空筒的螺旋构型的分隔屏障件，该筒能够安装在容器的所述安装装置上。这是有助于安置筒状件的构造。
在一个其他实施方案中，容器设置有芯筒，所述安装装置布置在该芯筒上，该芯筒优选地限定用于蒸汽从蒸汽入口朝向冷凝空间的流动路径。这种芯筒确保整体构造足够坚固以承受使用期间的压力变化。当芯筒是中空的时，芯筒作为一个或更多个液体流或蒸汽流的流动路径也是可行的。在一个优选的选择中，芯筒用作蒸汽在蒸汽入口与冷凝空间之间行进的流动路径。在替代性选择中，芯筒用作蒸汽在蒸发空间与蒸汽出口之间行进的流动路径。
在其他实施方案中，芯筒与内部中空筒之间的空间和布置在容器中且在所述内部中空筒下方的任何筒构成盐水流动路径，该盐水流动路径用于使未蒸发的给水从盐水通道朝向盐水出口流动。该实施方案有助于未蒸发的给水流动，其中，限制了蒸馏物被污染的风险或甚至使该风险降至最低。优选地，盐水流动路径经由容器内的或容器下方的其他隔室朝向盐水出口延伸并延伸至盐水出口。替代性地，盐水出口可以位于芯筒与其他筒之间的所述空间的端部处。盐水出口可以连接至管、管道、容纳件或其他保持装置。
在再一其他实施方式中，容器具有上隔室，该上隔室设置有给料入口，并且该上隔室还设置有水分配器以用于将给水分配到蒸发空间中的蒸发表面上。所述蒸发表面更特别地是芯吸层。相信的是，亲水性材料的适合地是纤维状且多孔的芯吸层和蒸发空间中的任何间隔件栅格两者均将加热的给水朝向分隔屏障件拉动并将所述给水拉入分隔屏障件中。
优选地，这种上隔室构造成使得其中的任何给料在使用期间与容器的其余部分相比保持处于更高的压力。上隔室的适合的压力例如是0.5巴至3巴(明确的)，优选地是0.8巴至2巴。在操作期间，容器的其余部分将处于减小的压力。因此，可以设定容器的压力差，以确保给料将以任何期望的流量离开所述上隔室。水分配器可以通过孔口和/或喷洒喷嘴来实施。每个容器的喷洒喷嘴的数目取决于容器的尺寸，并且所述数目通常小于10，例如2至6。
在适合的实施方案中，安装装置包括承载装置，该承载装置用于在容器中的冷凝空间的底部上方的预定高度处承载所述内部中空筒。这是用于限定冷凝室高度的实用方式。
在其他实施方式中，蒸馏装置中的效应器的压力容器的连接部和内部结构的布局使得来自蒸馏装置中的前一效应器的所产生的蒸汽被引向所提到的效应器的压力容器的底部部分。流入的给水在顶部处进入压力容器。
在该效应器中，安装有如在前面实施方式中所述构造的筒状件，其中，该筒状件中的冷凝室和蒸发室以下述方式密封：冷凝室在底部处是敞开的，并且在筒状件的顶部处被密封。
优选地，多个蒸馏站作为独立的实体存在，所述独立的实体相互联接以传递给水和蒸汽，其中，特别地，在使用中，第二蒸馏站中的压力保持处于比第一蒸馏站中的压力低的水平。该实施方式与多效蒸馏装置相对应。已知多效蒸馏装置相比于单效蒸馏装置具有更高的效率。然而，不排除单个效应器即单个容纳件与其他冷凝器组合。
附图说明
参照以下附图将进一步说明和详述本发明的这些和其他方面：
图1示出了多效蒸馏装置的示意图；
图2示出了包括容器和筒状件的第一蒸馏站的示意图；
图3示意性地示出了第一实施方式中的筒状件；
图4以(部分)展开的形式示意性地示出了第一实施方式的筒状件；
图5示意性地示出了图3的筒状件的俯视图；
图5a是图5的修改形式，其中，示意性地示出了螺旋室；
图6示意性地示出了筒状件的横截面图，该横截面在图3中通过线B-B指示；
图7示意性地示出了第一实施方式中的容器的横截面图，该横截面与图6的横截面相对应；
图8以鸟瞰立体图示意性地示出了水分配器的第一实施方式，该水分配器也在图7中示出；
图9以横截面图示意性地示出了如图6和图7中所示的容器与筒状件的组合；
图10以鸟瞰立体图示意性地示出了水分配器的第二实施方式；
图11以横截面图示意性地示出了第二实施方式的具有图10的水分配器的容器与如图6中所示的第一实施方式的筒状件的组合；
图12以仰视图示意性地示出了水分配器的第三实施方式；
图13示意性地示出了使用中的水分配器的第三实施方式；以及
图14是传热系数被示出为给料流的函数的曲线图。
示出的实施方式的详细描述
附图未按比例绘制，并且不同附图中的相同的附图标记指的是相同或对应的元件。像连接器或接合部(interface)之类的具体元件不一定按其准确位置或取向绘制。
图1示意性地示出了多效蒸馏装置100的第一实施方式。该多效蒸馏装置包括也被称为效应器(effect)的多个站21、121、221、321。在每个效应器21、121、221、321中，蒸馏过程借助于蒸发过程和冷凝过程进行。每个后续效应器以较低压力操作。另外，效应器21、121、221、321借助于真空管线或回路13联接至泵送装置23。泵送装置23可以是常规的真空泵，但也可以是例如流体驱动的文丘里泵。可以添加更多个效应器以获得最高的热效率和最高的清洁水产量或最佳的给水的浓缩。因此，系统100中的效应器的总数目取决于供应的热和待处理的水，但是由于操作限制和经济限制，效应器的总数目通常是至少2并且最多10，优选地是至少4并且最多6。每个效应器可以根据在系统100内的位置而具有特定的内部构型，特定的内部构型例如是关于蒸发表面、总体积、材料和外部连接。尽管如此，但是每个效应器均具有蒸发空间25和冷凝空间24。两个空间由包括冷凝壁的分隔屏障件26分开，分隔屏障件26用作热传导件，该热传导件将热从冷凝空间24传递至蒸发空间25。
在示出的实施方式中，多效蒸馏系统100设置有两个外部接合部，以用于将热传递到系统中以及将热传递离开系统。为了将热传递到第一效应器21中，使用加热模块20。为了将热传递出系统100，使用冷却模块22。冷却模块22连接至外部冷却源，该外部冷却源可以是完全独立的冷却源，例如像蒸发冷却器，或者该外部冷却源可以是将由多效蒸馏系统100处理的实际给水。这在系统100用于从海水生产饮用水时可以例如是下述情况：这里海水用作给水但也用作冷却模块22中的冷却水。
在图1中，示出了给水冷却的形式。此处给水1进入冷却模块22，并且作为加热的给水流2离开该模块。然后，流2被分成给水流4和剩余流3，给水流4将用作用于多效蒸馏过程的给料流，剩余流3不被使用并被丢弃。现在，预热的给水流4被引入到加热模块20中，在加热模块20中给水流4被进一步加热，从而从外部热源接收热能。为实现此目的，流7流入加热模块20，流7是加热的介质，该加热的介质是流体或气体，其中，流体是优选的，因为流体的较高热密度允许较小体积的模块20。流7在加热模块20中部分地释放流7的热，并且作为具有较低温度及热含量的流8离开加热模块20。因此，给料流4在加热模块20内被加热，并且作为热给料离开加热模块20，该热给料是纯液体流5或被分成热液体流5和蒸汽流12。将给料流分成液体5和蒸汽12的比率取决于加热模块20的构型和存储在流7中的外部热的质量和热量。
液体流5和蒸汽流12两者均被插入到第一效应器21中。液体流5进入蒸发空间25，而蒸汽流12进入冷凝空间24。蒸汽流12将碰到分隔屏障件26的冷凝壁而被冷凝，从而将蒸汽流12的潜热(及其显热的可能部分)传递到分隔屏障件26中。液体流5将沿着分隔屏障件26流动，并且被其自身的热含量以及被从分隔屏障件26接收的来自蒸汽流12的冷凝过程的热驱动而部分地蒸发。冷凝空间24中的冷凝过程产生蒸馏物流9，蒸馏物流9被捕获在第一效应器21的底部侧处。在蒸发空间25中，产生新的蒸汽流12，新的蒸汽流12如进入第一效应器21的冷凝空间24的原始蒸汽流12那样处于较低的温度。未蒸发的给料流作为新的热液体流5离开效应器，新的热液体流5如进入第一效应器21的蒸发空间25的原始液体流5那样处于较低温度。这些新的流5和流12被转移至下一个效应器121，在效应器121中，如针对第一效应器21所述，将进行完全相同的冷凝/蒸发过程，其中，不同之处在于第二效应器121的冷凝空间24和蒸发空间25内部的压力和温度低于第一效应器21中冷凝空间和蒸发空间内部的压力和温度。第三效应器221的冷凝空间24和蒸发空间25内部的压力和温度低于第二效应器121中的冷凝空间和蒸发空间内部的压力和温度。第三效应器321的冷凝空间24和蒸发空间25内部的压力和温度低于第二效应器221中的冷凝空间和蒸发空间内部的压力和温度等。
在示出的实施方式中，每个效应器——包括对来自第三效应器321的最后蒸汽流12进行冷凝的冷却模块22——产生蒸馏物9，蒸馏物9被收集在收集点10处，并且被释放(泵出)在流11中。离开最后的第三效应器321的未蒸发的给料6被称为浓缩物(或在主要包含盐时被称为盐水)，并且也被释放(泵出)。观察到的是，每个效应器相比于前一效应器以更低的压力操作。此外，各个效应器21、121、221、321中的压力的设定可以自动进行。
在第一应用中，该装置用于从包含盐的给料产生清洁水，比如从海水产生可饮用的水。在第二应用中，该装置用于产生应当满足关于来自任何源的杂质的预定限制的生产用水或除矿质水。在其他应用中，该装置可以用于通过除去水来浓缩给料。可以这样做以使废物减至最少并且/或者用于浓缩物的再循环。给料和浓缩物中的主要污染物可以是盐，在这种情况下，浓缩物被通常称为盐水。主要污染物可以替代性地是非离子溶质比如小分子，或者是酸性溶质比如无机酸或有机酸，该酸性溶质根据pH和浓度或多或少是离子的。此外，溶质可以是下述类型的分子：所述分子在以足够的浓度存在时，所述分子本身可以是溶剂，比如醇。不是溶质或除了溶质之外，给料可以包含微观颗粒比如纳米颗粒。
本发明的利用亲水性芯吸材料的本实施方式的优点被认为是：与给料中的其他化合物相比，可以增加水的蒸发。由于水附着至芯吸材料，因此有效表面面积扩大，这导致在有效表面面积中水分子之间的内聚力更容易被克服。
图2以示意性的方式更详细地示出了该装置的第一站21。根据本发明的优选实施方式，第一站21被细分成壳体或容器30和一次性的筒状件31，壳体或容器30包括任何连接部、入口和出口，一次性的筒状件31基本上包括限定效应器21内部的冷凝空间24和蒸发空间25的分隔屏障件26。根据下文将讨论的优选实施方式，不存在以机械方式连接至筒状件31的入口或出口。这对于将新的未使用的筒状件31安置到容器30中和/或将用过的筒状件从容器30移除而言非常实用。此外，这种‘自由’连接的设计适合于使用中的分隔屏障件，这将参照图3及后面的内容进一步讨论。然而，不排除可以在筒状件31与容器30或容器30中的任何装置之间形成一个或更多个物理连接。例如，可以提供呈管道或分配器形式的给水分配器，该给水分配器以物理的方式连接至分隔屏障件26的上侧或构造成接纳这种管道或分配器的中间元件。另外，代替提供布置成延伸至底部侧的盐水通道，可以使用连接器类型的连接。应当注意的是，图2中描绘的孔口(入口、出口)的位置和尺寸不一定代表实际孔口，并且仅出于说明目的而示出。
特定的效应器的壳体30是包括一种或更多种材料的容器，所述一种或更多种材料耐受温度、压力、给水和蒸馏物，因为所述一种或更多种材料根据蒸馏装置100的操作条件和提到的效应器在该装置内的位置来确定。适当地是使用钢。为了能够将筒状件31安装在壳体30内并且在需要时更换或维护筒状件31，必须具有通向壳体30的内部而不与将在下文中讨论的连接部和接合部干涉的通道。为了形成该通道，分隔线32可以用作物理分隔位置，以用于打开壳体30来安装或移除筒状件31。替代性地，壳体可以在筒状件31的底部侧处打开。用于打开容器30的优选方案例如取决于容器的尺寸、容器的用途和/或容器的位置。为了清楚起见，图2中未示出精确的分隔构型，该分隔构型包括像密封件、O形圈或其他部件之类的附加装置。
容器30设置有多个接合部(interface)。在顶部侧处，存在给水入口40和蒸汽出口43，分别地，在给水入口40处，给料流5进入容器30，在蒸汽出口43处，蒸汽流12离开容器30。给水入口40和蒸汽出口43被适合地实施为允许连接管道的连接器。在容器30内部，限定了两个接合部41、42。第一接合部41允许给料流5以受控的方式被分配到蒸发空间25中。第二接合部42允许蒸汽流12从蒸发空间25被传递出并朝向壳体30的外部传递，而不受来自也存在于蒸发空间25中的给料流5的干扰。
更向下示出了用于连接真空管线13的连接器44。接合部45被限定为将真空流传递至筒状件31的冷凝空间24中。该连接器44和接合部45优选地布置在从容器30中的外部空间界定的区域35中。因此，存在密封件33(在顶部侧与分隔线32重合，并且因此在图2中未示出)。如将参照图6及后面进一步说明的那样，筒状件31和密封件33将容器细分为三个主要部分，在该实施方式中，所述三个主要部分以一个在另一个顶部的方式布置以构成“竖向堆叠”：蒸发室(252，如图6中所示)，具有袋状部(241、251，如图6中所示)的筒状件31和冷凝室(242，如图6中所示)。功能上，蒸发室252属于蒸发空间25，并且冷凝室242属于冷凝空间24。
在容器的底部侧处，示出了另一空间36以及分隔线38。该分隔线38是壳体30的固定结构部分。空间36是用于来自蒸发空间25的未蒸发的给水5(也被称为“浓缩物”或“盐水”)的收集空间。空间36在其外部壁上具有盐水出口49，该盐水出口49允许连接从空间36移除浓缩物流5的管道。在空间36内部安装有接合部46，接合部46间接地连接至蒸发空间25。最优选地，接合部46被实施为用于来自蒸发空间25的未蒸发的给料流5的收集装置。接合部46还确保未蒸发的给料流5不会与进出冷凝空间24的其他流干涉。在分隔线38的相反侧存在另一空间37。收集空间36联接至蒸发空间25，而空间37联接至冷凝空间24。如将从图9明显看出，该空间37不需要对应于与冷凝室242分开的物理空间。相反，通常，空间37将是冷凝室242。
容器30还包括安装在其外部壁中的用于使蒸馏物流9出去的蒸馏物出口50和用于使蒸汽流12进入的蒸汽入口51。还设置有用于蒸馏物流9的接合部47和用于蒸汽流12的接合部48。接合部47是用于来自冷凝空间24的蒸馏物流9的收集装置。接合部48是用于蒸汽流12的调节装置，以确保蒸汽流12可以以无阻碍的方式流动进入冷凝空间24，而不与蒸馏物流9和未蒸发的液体给料流5干涉。因此，根据本发明的优选实施方式，蒸馏站被细分成容器和筒状件，其中，入口和出口以及用于提供和移除的任何接合部布置在容器中，并且特别地使得在筒状件与容器之间不需要直接接触部或可能仅仅一个接触部来提供和移除液体和蒸汽。
图3至图6示意性地示出了本发明的筒状件31的优选实施方式。图3是关于筒状件的从其外部观察的鸟瞰图。图4示出了呈部分展开形式的筒状件的视图。图5示出了筒状件的俯视图(与沿着图4中的线A-A的横截面相对应)，并且图6示出了沿着如图3中指示的线B-B的竖向平面中的横截面视图。示出的筒状件31是螺旋卷绕的形式。如图4中所示，示出的实施方式的筒状件包括卷起的多个片状件201至204。
在螺旋卷绕的筒状件31的这种特定形式中，内部筒200用作筒状件31的中心构件。筒200被选择成足够刚性以抵抗在制造期间以及在将筒状件31安装在壳体30内部和在壳体30内部操作筒状件31期间(参见图2)作用在筒上的力。但是，筒适合地是中空的或者至少沿其轴线设置有定位装置——例如位于顶部侧和底部侧处的腔——以使能够固定至容器的安装装置。筒200由耐温耐压和耐给水的材料制成，因为筒200将与给水流5接触，并且将经受壳体30内的操作温度和压力。适合地，筒200由工程塑料制成，比如由聚丙烯或高密度聚乙烯制成。
图5a以横截面图示出了筒状件的另一示意图。在此可见的是，螺旋卷绕的一对第一片状材料201和第二片状材料202在密封之后如何构成限定冷凝空间和蒸发空间的螺旋室24、25，在第一室24和第二室25的哪部分中形成如图6中所示的横截面图中的交叉指形布置，其中，第一室24的这部分存在于第二室25的部分之间。尽管该图5a中的圈数是相当受限制的，但是应当理解的是，该数目可以根据可用的热源和/或系统的期望输出而变化。
在该实施方式中，下述片状件围绕筒200卷起：
a.第一片状材料201，其用作冷凝空间与蒸发空间之间的分隔屏障件，并且在该实施方式中包含聚丙烯的载体膜，亲水性材料的芯吸层附接在该载体膜上，所述亲水性材料例如呈纤维状的纺织材料比如纤维素或纤维胶的形式；
b.第二片状材料202，其用作蒸发空间与冷凝空间之间的分隔屏障件。虽然在图中不可见，但是第一片状材料201和第二片状材料202优选地具有相同的结构。然而，第二片状材料202相对于第一片状材料201以颠倒的方式布置成卷。因此，片状材料201、202的后侧(即载体片状件)通过中间间隔件栅格204彼此面对。当卷起时，片状材料的前侧(即芯吸层)通过中间间隔件栅格203也彼此面对；
c.第一栅格203，其将用作蒸发空间25内的间隔件和结构构件；
d.第二栅格204，其将用作冷凝室24内的间隔件和结构构件。
应当理解的是，可以存在更多层。如图5中所示，第一片状材料201和第二片状材料202各自固定至内部筒。间隔件栅格203、204也可以固定至内部筒200，但这不是必需的。替代性地，间隔件栅格203、204可以连接至筒，而第一片状材料201和第二片状材料202没有固定至筒，或者可能在某个位置处固定至间隔件格栅203、204中的一者，所述某个位置优选地靠近筒200的附接点。
尽管第一栅格203和第二栅格204的存在被认为是优选的，但是不排除室内的间隔件的其他实施方案。在另一个实施方式中，第一格栅204被完全省去，并且在使用中，彼此相对的芯吸层的分隔借助于冷凝蒸汽的蒸汽压力来实现。为了便于理解，观察到的是，冷凝室在使用中与蒸发室相比处于更高的压力。通常，压力差在15毫巴至60毫巴(大气压)的范围内。
在图4中，此外可以看到粘合或密封化合物205。该粘合化合物在片状件201和202与内部筒200之间、以及在片状件201和202与间隔件栅格203和204之间、在制造过程期间需要粘合和/或密封的那些位置处、以及在需要永久性密封或粘合的那些位置上、或者在针对其他过程步骤需要暂时密封或粘合的那些位置上提供粘合。该密封化合物205实际上具有将各个片状材料201、202结合到分隔屏障件26中的功能，该分隔屏障件26以下述方式将蒸发空间25与冷凝空间24定界：在所述两个空间24、25之间不存在用于材料传输的孔或孔口。这在卷起片状件201至204之后布置成第一片状件201和第二片状件202借助于顶部侧和底部侧上的密封化合物205彼此密封。然而，仅两个片状件被密封在一起而不是整个卷状件被密封在一起。密封的效应在图6中最佳可见，其中，所产生的密封件通过附图标记206、207表示。该作用是使许多片状件成形，其中，第一片状件的底部端相对于一侧的相邻的第二片状件密封，并且其中，第一片状件的顶部端相对于另一侧的相邻的第三片状件密封。因此，片状材料201、202构成屏障件26，即，片状材料201、202以交替的顺序从顶部侧以及从底部侧敞开。片状件之间的部分构成交替布置且交叉指形的袋状部241、251。能够从顶部侧进入的袋状部251是蒸发空间25的一部分。更具体地，袋状部251能够从蒸发室252进入。能够从底部侧进入的袋状部241是冷凝空间24的一部分，并且特别地能够从冷凝室242进入。优选地，制备密封件，因为粘合化合物进一步向上延伸以将整个卷状件连接在一起，并且然后密封件在期望的高度处被切断。
图6示出了筒状件31的沿着图3中的线B-B的纵向横截面切口。示出了片状材料201、202，其中，间隔件栅格204和203安装在相应的室中(间隔件栅格在图4中仅部分地示出)。可以观察到，冷凝空间的袋状部241在顶部部分上通过密封件206密封。该密封件206基于如图3中所示的该密封材料205，然而该密封件206也可以以替代性方式制造。蒸发空间25在底部部分处通过密封件207密封。冷凝空间的袋状部241在底部处是敞开的，从而允许蒸汽在底部处进入袋状部，并且允许碰到这些袋状部241的壁或碰到间隔件栅格204的表面形成的蒸馏物落下并离开筒状件31。
蒸发空间的袋状部251在顶部处朝向蒸发室252敞开，从而允许给水在顶部处进入袋状部251、沿着这些袋状部251的壁201、202向下流动、从而在给水的向下的路径处产生蒸汽，其中，所提到的蒸汽上升并且在顶部处离开袋状部251并进入蒸发室252中。
筒状件31在顶部处和底部处还配备有两个密封件：筒状件31的顶部处的密封件208构成筒状件31的外表面与壳体30的壁之间的密封，从而在顶部处封闭空间35(参见图2)。图6中的密封件209必定形成筒状件31的外表面与壳体30的壁之间的密封，从而在底部处封闭空间35(参见图7)。
模块31的内部筒200也具有两个密封件：顶部处的密封件210和底部处的密封件211。这些密封件必须将管状件200的内部相对于图2中的空间35和37密封，因为中空的内部筒200的内部可以用于输送来自蒸发空间的未蒸发的给料，并且该给料不得与进入的蒸汽流12或形成的蒸馏物流9(参见图2)接触。密封件208、209、210和211的位置不是必须如图6中所示；可以根据效应器的构型、操作条件或给水的类型来选择所有密封件206、207、208、209、210和211的材料和尺寸。
在图2中，示出了接合部45，接合部45用以将外部真空压力13与模块31连接，从而使从筒状件31朝向泵送装置23(参见图1)的气体传输成为可能。在图2中还示出了接合部46，接合部46用作模块31与壳体30之间的连接元件，以用于将给料流5从模块31传输至壳体30的外部。为了使气体传输和流体传输成为可能，在图6中限定了两个通道：
a.通道212，通道212允许收集在筒状件31的蒸发袋状部251的底部处的未蒸发的给料被传输至内部筒200的内部。通道212的精确尺寸、形状和径向位置由于可以根据操作条件、给水类型和制造过程而不同，所以在图6中未示出。通道212的一个要求是：通道212尽可能靠近底部密封件207的顶部(沿纵向方向观察)定位，以避免未蒸发的给料可能收集在蒸发空间的袋状部251内部并且不能被排出，而是可能会损坏片状材料201、202；
b.通道213，通道213允许气体(可冷凝和不可冷凝)被从筒状件31排出；通道213位于冷凝空间24内部，并且优选地位于顶部部分，以避免未冷凝的蒸汽也通过该通道213排出，因为这将意味着产物损失。
图7以与图6的横截面图相对应的横截面图示出了第一实施方式中的容器30。关于壳体30内部的具体结构部件，在图7中着重说明下述部件：
a.分配器板66。该分配器板安装在顶部侧处，从而界定蒸发室252，并且该分配器板用作进入的给料流5的分配装置，并被称为“雨板”。分配器板66配备有多个小孔67，多个小孔67允许给料流5以一定的流量通过，从而产生朝向进入蒸发室252并到达待插入的筒状件的逐滴流体传输。尽管图7示出了呈板形式的水分配器，但是这种水分配器可以替代性地设置为环，如将参照图12和图13进一步说明的；
b.中央管或芯筒68。该管是壳体30的结构部件，并且还与筒状件31结合用作导引及密封部件。如可以在图7中观察到的，中央管68是定位导引件，并且可选地是用于壳体30的可移除部分的固定点。中央管68也是用于安装筒状件31定位点及结构构件，也是用于筒状件31的密封装置，该密封装置特别地朝向模块31的内部筒200，从而将盐水空间封闭，在该盐水空间中，未蒸发的给料穿过模块31的底部处的通道212被收集；
c.安装装置69，在该实施方式中，安装装置69被限定为收集托盘69，收集托盘69用作筒状件31的支承及定位表面，并且为筒状件的内部筒200的底部密封提供密封表面。托盘69在其表面上收集未蒸发的给料流5；排放管70允许给料流5朝向底部隔室36转移，其中，可以收集该未蒸发的给料并允许该未蒸发的给料到达盐水出口63。如图5a中所示，托盘69可以具有围绕其周向的边缘，以在筒状件31被移除时避免给料溢出到冷凝室242中；
d.底部板71，底部板71将冷凝室242与底部隔室36分隔。高度期望这种分隔，以避免冷凝室242中的清洁蒸汽和蒸馏物与来自底部隔室36的被污染的未蒸发的给料交叉污染；
e.保持件72。该部件在效应器21的安装和操作期间将筒状件31保持在其位置并将筒状件31保持压靠于托盘69。该保持件可以例如是夹持类型或者配备有螺纹，因此该保持件可以用作按压元件，该按压元件根据需要通过将保持件72旋拧到较低的位置而抵靠于筒状件31。保持件72的精确布局和尺寸在图7中没有详细示出。
图9示出了筒状件31安装在壳体30的第一实施方式内部的情况。可以看出，不同的密封件加上壳体的内部结构件结合在一起以形成在图2中限定的不同空间。而且，图7和图9中示出了不同的孔口，所述不同的孔口必须安装在壳体30的结构件(内部和外部)中，以可以使流体和气体传递至壳体30和筒状件31以及使流体和气体传递离开壳体30和筒状件31。图9中的这些孔口的位置、尺寸和形状不一定是实际的，而仅出于说明的目的。
孔口或给水入口60位于壳体30的顶部部分中，并且允许进入蒸发室252。孔口和紧接着该孔口的顶部隔室位于壳体30的可移除部分中以允许安装或移除筒状件31，其中，该可移除部分允许进入空间35。壳体30的这个可移除部分与固定部分的分隔由分隔线32指示。穿过孔口60的给料流5可以进入蒸发室252，并且因此也可以进入袋状部251(见图6)。
孔口或蒸汽出口61也位于壳体30的可移除顶部部分中，并且允许蒸汽流12从蒸发室252朝向外部传递。图11中示出了孔口61的特定延伸的形式：孔口61在此通过引入管而形成并延伸，该管行进穿过壳体30的外部壁，并且也穿过分配器板66。该优选形式允许更有效地收集从筒状件31上升的蒸汽流12，同时保持该蒸汽流12与也存在于蒸发室252中的给料流5分离。该收集管是必需的，否则所产生的蒸汽体积和速率太大以致于不能以可使用的流量穿过雨板孔口67(如图7中所示)。
孔口或蒸馏物出口62位于壳体30的外部壁中，并且位于冷凝室242所在的部分处。冷凝室242用作收集空间，来自先前空间的蒸汽流12以及在筒状件31内部形成的蒸馏物进入该收集空间。孔口或蒸馏物出口62允许蒸馏物流9被朝向壳体30的外部传递。该孔口62的尺寸设计成使得由特定的效应器的操作条件限定的最大蒸馏物流9可以以足够的流量被传递穿过该孔口62，同时该孔口适当地小足以使蒸汽流12的泄漏减小至某一最小值，以避免产物损失。
孔口或盐水出口63位于壳体30的底部部分中，并且位于底部隔室36的位置处，来自模块31的未蒸发的给料被收集在底部隔室36中。孔口63允许将该给料流5朝向外部传递。
孔口或蒸汽入口64位于壳体30的底部部分并且提供通向冷凝室242的入口，在冷凝室242中，来自前一效应器(或加热模块)的蒸汽流12被提供至筒状件31的冷凝空间24的入口。孔口64允许将蒸汽流12传递到冷凝室242中。
孔口65或真空连接部位于壳体30的外部壁上并且位于空间35所在处。该孔口允许气体从模块31朝向真空回路13排出(参见图1)。
在该图9中可见的是，第一蒸馏站21实际上被细分成三部分：上部部分，该上部部分表示为蒸发室252；中间部分35，筒状件31布置在中间部分35中，并且真空连接部65在中间部分35中延伸；下部部分，该下部部分表示为冷凝室242。分隔屏障件26限定了袋状部241与251之间的壁，所述袋状部241和251分别是冷凝空间和蒸发空间的一部分。
图10和图11示出了蒸馏站21的第二实施方式。图10与图8相对应并且示出了另一雨板66。图11与图9相对应并且示出了容器30与筒状件31的组合。在图11中，壳体30的可移除顶部部分还是由分隔线32限定，分隔线32现在具有不同的路线。可以看出，中央管或芯筒68现在在顶部处敞开，并且由另一管73延长，该管没有附接至中央管68。延伸管73是壳体30的可移除顶部部分的一部分，并且行进穿过雨板66并附接至雨板66。当管73突出穿过壳体30的顶部盖时，孔口64现在被定位。管68具有安装在底部部分处的许多孔口74，其中，这些孔口的精确数目和尺寸根据效应器21的操作条件来确定。以这种方式，管68现在已变成图2中的空间37的一部分：在管68与管73之间安装有密封件214，以保持冷凝空间24与蒸发空间25之间的完全分隔，冷凝空间24包括冷凝室242和袋状部241，蒸发空间25包括蒸发室252和袋状部251。
与图9中所示的实施方式相比，如图11所示在效应器21的顶部处连接蒸汽流12以使用管68的内部来传递蒸汽可以具有经济和尺寸(占地面积)方面的优点。不希望的是，效应器的整体性能将由于该替代性实施方式而改变。
图12以示意性仰视图示出了水分配器66的第三实施方式。该实施方式的分配器66设置有环形元件。在所述分配器66内部定位有环形通道168，被加压的给料流在环形通道168中流动。给料入口60允许给料进入这个环形通道168中。将存在泵以提供所需的压力，该压力优选地在0.5巴至2巴(大气压)的范围内。此后，被加压的给料经由元件67被分配到蒸发空间25中，元件67例如实施为喷嘴或孔口。虽然在该图12中未示出，但是可以预见的是，环形通道168——并且优选地整个环形分配器66构成中空装置，使得蒸发空间中的压力将保持低于通道168中的压力。为了完整起见，添加的是，该图12还示出了行进穿过分配器66的延伸管73，分配器66可以构成用于来自前一站(或效应器)的或来自其他地方的蒸汽的流动路径12的一部分。图12还示出了通道61(或蒸汽出口)的存在，蒸汽通过通道61被引出蒸发空间25，以在后续站的冷凝空间24中被冷凝，或者替代性地(特别是在一端)在冷凝器中被冷凝。
图13示出了图12的水分配器66的第三实施方式，而水分配器66在使用中。此处可以看到喷嘴67如何将给料喷洒到蒸发空间25中。喷嘴67中的每个喷嘴布置成防止给料被注射到蒸汽出口61中，在该实施方式中，总共三个喷嘴，这被认为是优选的但不是必需的。此外，给料被喷洒到蒸发空间中以产生相当均匀的分布。
图14是示出作为给料流(以每蒸馏站的升/分钟表示)的函数的传热系数(HTC，常规地以kW/m2/K表示)的曲线图。此处，使用图6中所示类型的筒状件和如图12中所示的水分配器。片状材料基于工程塑料比如聚丙烯，该片状材料在一侧设置有芯吸层。芯吸层包含100％人造丝(纤维胶)。然而，发现纤维胶含量可以降低，例如降低至40％、或降低至60％或降低至80％，其中，其余为工程塑料，该工程塑料优选地与用于片状材料的工程塑料相同。片状材料和芯吸层的总厚度为0.21mm。纤维胶适合地设置为水刺材料，例如来自LidroTM的具有57g/m2的密度的纤维胶。当与工程塑料混合时，密度增加至例如100g/m2。使用具有8mm的厚度的聚丙烯间隔件栅格。筒状件以图11中所示的方式被插入到容器中。在测试装置中，使用如在荷兰埃因霍温可获得的自来水作为给料。给水在进入蒸馏站之前借助于家用锅炉被加热至70℃。
传热系数通过对进入系统的热输入和系统的如在系统的冷凝器中测量的热输出两者进行测量来确定。使用一系列蒸馏站构型。在实验中蒸馏站的数目为2或3。因此，通过每个站的功率实际上与在冷凝器中吸取的功率相同。随后，每个蒸馏站的所述差异由于有效表面面积(即片状材料的表面面积)和冷凝室与蒸发室之间的温度差而分开。
图14是测量数据示出为点的曲线图。可以看出，对于一系列给料流，发现该系统具有在1.0kW/m2/K与2.0kW/m2/K之间的传热系数HTC。发现平均值略微高于1.5kW/m2/K。这被认为是极好的值。用于管壳式热交换器的热水与冷水之间的典型传热系数为0.8kW/m2/K至1.5kW/m2/K。对于蒸汽和水溶液的汽化器，传递系数通常为1.0kW/m2/K至1.5kW/m2/K。相同的值适用于(热)水溶液和(冷)水的冷凝器。对于其他有机液体，传热系数通常要低得多(来自http://www.engineeringpage.com/technology/thermal/transfer.html的数据)。虚线基于实验数据的插值并将其截段(intercept)设置为零。基于此，当将本发明的系统用在每个蒸馏站(即一个容器)的至少0.5l/min至2.8l/min之间的宽给料流中时，获得稳定的传热系数。观察到的是，测量数据似乎提供甚至超出所述范围的操作。
足够且稳定的传热系数对于系统操作的相关性很高。如果传热系数太低，则将不存在良好的性能。系统将变干或形成太厚的液体层(即，厚度与形成在蒸发空间中的芯吸层上的水层有关)。如果传热系数证明是仅在高的给料流时是足够的，则性能将不是高效的，因为这意味着大量的给料需要被泵送循环以进行蒸发。此外，宽范围的适合的给料流对本发明是有益的，因为这允许给料的浓缩系数变化，而不会对系统性能产生重大改变。这是相关的，因为在不同的应用中可能期望不同的浓缩系数。例如，可能存在最大浓缩系数，因为被过度浓缩的给料将会产生反作用。
因此，总体而言，本发明涉及一种蒸馏装置，该蒸馏装置设置有至少一个蒸发空间和至少一个冷凝空间，在所述至少一个蒸发空间中，给水被蒸发成蒸汽，在所述至少一个冷凝空间中，来自前述蒸发空间的蒸汽被冷凝成蒸馏物。蒸发空间和冷凝空间各自构造成包括室和布置在所述室之间的多个交叉指形的袋状部，使得蒸发空间的第一袋状部存在于冷凝空间的第一袋状部与第二袋状部之间，并且冷凝空间的第一袋状部存在于蒸发空间的第一袋状部与第二袋状部之间。这些空间借助于分隔屏障件相互分隔，该分隔屏障件构造成用于传递热和用于限定交叉指形的袋状部。本发明还涉及一种在所述蒸馏装置中使用的筒状件；涉及该筒状件在该装置中的用途；并且涉及该装置用于蒸馏给水、特别是将给水蒸馏成清洁水比如蒸馏水、工业用水、可饮用水的用途以及用于减少废水量的用途。

Claims (32)

1.一种蒸馏装置，包括具有容纳件的蒸馏站，所述容纳件设置有至少一个蒸发空间和至少一个冷凝空间，在所述至少一个蒸发空间中，给水被蒸发成蒸汽，在所述至少一个冷凝空间中，来自前述蒸发空间的蒸汽被冷凝成蒸馏物，
其中，所述蒸发空间和所述冷凝空间借助于分隔屏障件相互分隔，所述分隔屏障件构造成用于传递热，并且其中，所述冷凝空间构造成用于将所述蒸馏物输送至蒸馏物出口，
其中，所述蒸发空间和所述冷凝空间各自构造成包括室和布置在所述室之间的多个交叉指形的袋状部，使得所述蒸发空间的第一袋状部存在于所述冷凝空间的第一袋状部与第二袋状部之间，并且所述冷凝空间的第一袋状部存在于所述蒸发空间的第一袋状部与第二袋状部之间，
其中，蒸发室、所述多个交叉指形的袋状部和冷凝室以一者在另一者上方的方式布置，其中，所述冷凝室位于底部侧处并联接至至少一个蒸汽入口和所述蒸馏物出口，并且所述蒸发室位于顶部侧处并联接至蒸汽出口和给水入口，
其中，所述容纳件被实施为容器，所述容器包括给料入口、蒸馏物出口和盐水出口、以及任何可选的蒸汽入口和蒸汽出口，所述容器还设置有用于安装筒状件的安装装置以及用于将所述筒状件装入到所述容器中和从所述容器中拿取所述筒状件的可进入性装置，
其中，所述筒状件包括所述分隔屏障件，所述分隔屏障件构造成所述交叉指形的袋状部，所述分隔屏障件呈围绕内部中空的筒的螺旋构型，所述筒能够安装在所述容器的所述安装装置上。
2.根据权利要求1所述的蒸馏装置，其中，所述筒状件的所述内部中空的筒在其内部处设置有密封件，以用于密封所述容器的所述安装装置。
3.根据权利要求1所述的蒸馏装置，所述分隔屏障件基于卷起并互相分隔的第一片状材料和第二片状材料，其中，所述第一片状材料和所述第二片状材料以将各个所述片状材料结合成所述分隔屏障件的方式成对地密封在一起，
其中，所述分隔屏障件包括不能渗透水溶液的溶质的不可渗透层以及亲水性材料的芯吸层，其中，所述第一片状材料和所述第二片状材料在卷起时被互相颠倒，使得所述芯吸层暴露在能够从所述顶部侧进入的袋状部中，并且所述不可渗透层暴露在能够从所述底部侧进入的袋状部中。
4.根据权利要求3所述的蒸馏装置，其中，所述冷凝空间包括冷凝壁，来自前述蒸发空间的所述蒸汽碰到所述冷凝壁被冷凝成蒸馏物。
5.根据权利要求1所述的蒸馏装置，其中，所述蒸馏站还构造成用于输送剩余的未蒸发的给水。
6.根据权利要求5所述的蒸馏装置，其中，在所述蒸发空间的底部处存在盐水通道，以用于将剩余的未蒸发的给水朝向所述盐水出口输送。
7.根据权利要求4所述的蒸馏装置，其中，所述至少一个蒸发空间设置有亲水性材料的芯吸层和邻近的蒸汽通道，给水流动穿过所述芯吸层，其中，所述冷凝壁和所述芯吸层以片状材料来实施，所述片状材料布置成使得所述芯吸层存在于所述蒸发空间的袋状部中，并且所述冷凝壁存在于所述冷凝空间的袋状部中。
8.根据权利要求3所述的蒸馏装置，其中，在顶部侧处存在水分配器，以用于将给水分配到所述蒸发空间的袋状部的蒸发表面上。
9.根据权利要求8所述的蒸馏装置，其中，所述容器具有上隔室，所述上隔室设置有所述给料入口，所述上隔室还设置有所述水分配器以用于将给水分配到所述蒸发空间中的所述蒸发表面上，所述上隔室构造成在使用期间与所述容纳件的其余部分相比保持处于更高的压力。
10.根据权利要求9所述的蒸馏装置，其中，所述蒸汽出口被实施为具有延伸穿过所述上隔室并延伸至所述蒸发空间的管。
11.根据权利要求10所述的蒸馏装置，其中，所述蒸汽出口相对于所述上隔室偏心地布置。
12.根据前述权利要求1至8中的任一项所述的蒸馏装置，其中，相邻的片状材料借助于间隔件栅格间隔开。
13.根据权利要求3所述的蒸馏装置，其中，第一间隔件栅格和第二间隔件栅格与所述第一片状材料和所述第二片状材料一起卷起，使得所述第一片状材料存在于所述第一间隔件栅格与所述第二间隔件栅格之间，其中，所述第一片状材料和所述第二片状材料通过所述第一间隔件栅格或所述第二间隔件栅格间隔开。
14.根据权利要求8所述的蒸馏装置，其中，所述蒸发空间的交叉指形的袋状部和所述冷凝空间的交叉指形的袋状部各自构成单个螺旋形的腔，所述腔被卷起使得所述蒸发空间的第一部分或第一袋状部存在于所述冷凝空间的第一部分与第二部分之间或存在于所述冷凝空间的第一袋状部与第二袋状部之间。
15.根据权利要求8所述的蒸馏装置，其中，所述容器设置有芯筒，所述安装装置布置在所述芯筒上。
16.根据权利要求15所述的蒸馏装置，其中，在所述蒸发空间的底部处存在盐水通道，所述芯筒与所述内部中空的筒之间的空间和布置在所述容器中且在所述内部中空的筒下方的任何筒构成盐水流动路径，所述盐水流动路径用于使未蒸发的给水从所述盐水通道朝向所述盐水出口流动。
17.根据权利要求1-8中的任一项所述的蒸馏装置，其中，所述安装装置包括承载装置，所述承载装置用于在所述容器中的所述冷凝空间的底部上方的预定高度处承载所述内部中空的筒。
18.根据权利要求1-8中的任一项所述的蒸馏装置，还包括用于连接至泵来设定压力的入口，所述入口布置在所述交叉指形的袋状部延伸的高度水平处。
19.根据权利要求1-8中的任一项所述的蒸馏装置，其中，多个蒸馏站作为独立的实体存在，所述独立的实体相互联接以传递给水和蒸汽，其中，在使用中，第二蒸馏站中的压力保持处于比第一蒸馏站中的压力低的水平。
20.根据权利要求8所述的蒸馏装置，其中，所述蒸发表面被实施为所述芯吸层。
21.根据权利要求9所述的蒸馏装置，其中，所述上隔室构造成处于0.5巴至3巴的范围内的压力。
22.根据权利要求15所述的蒸馏装置，其中，所述芯筒限定了蒸汽从蒸汽入口朝向所述冷凝空间的流动路径。
23.根据权利要求1-19中的任一项所述的蒸馏装置的用于水溶液的蒸馏的用途。
24.一种用于根据前述权利要求1至22中的任一项所述的蒸馏装置的一次性的筒状件，所述筒状件包括分隔屏障件，所述分隔屏障件基于卷起并互相分隔的第一片状材料和第二片状材料，从而限定第一螺旋形腔和第二螺旋形腔，使得当在竖向平面中的横截面中观察时，所述第一腔和所述第二腔构成多个交叉指形的袋状部，使得作为所述第一腔的一部分且能够从顶部侧进入的第一袋状部存在于能够从底部侧进入且作为所述第二腔的一部分的第一袋状部与第二袋状部之间，并且使得能够从所述底部侧进入的第一袋状部存在于能够从所述顶部侧进入的第一袋状部与第二袋状部之间，其中，所述分隔屏障件构造成用于传递热并且至少基本上不能渗透水溶液的溶质，
其中，所述分隔屏障件呈围绕内部中空的筒的螺旋构型，所述内部中空的筒在其内部处设置有密封件，以用于相对于容器的安装装置密封，
其中，所述第一片状材料和所述第二片状材料以将各个所述片状材料结合成所述分隔屏障件的方式成对地密封在一起。
25.根据权利要求24所述的一次性的筒状件，其中，所述分隔屏障件包括不能渗透水溶液的溶质的不可渗透层以及亲水性材料的芯吸层，其中，所述第一片状材料和所述第二片状材料在卷起时被互相颠倒，使得所述芯吸层暴露在能够从所述顶部侧进入的袋状部中，并且所述不可渗透层暴露在能够从所述底部侧进入的袋状部中。
26.根据权利要求25所述的一次性的筒状件，其中，亲水性材料的所述芯吸层包括纤维状的纺织材料。
27.根据权利要求24至26中的任一项所述的一次性的筒状件，其中，在相邻的所述第一片状材料与所述第二片状材料之间存在间隔件栅格。
28.根据权利要求24所述的一次性的筒状件，其中，所述水溶液的溶质是盐水溶液的离子。
29.根据权利要求26所述的一次性的筒状件，其中，所述纤维状的纺织材料是纤维素。
30.根据权利要求26所述的一次性的筒状件，其中，所述纤维状的纺织材料是非织造材料。
31.根据权利要求27所述的一次性的筒状件，其中，所述间隔件栅格延伸超过所述片状材料，以在所述筒状件的外部处构成保护层。
32.根据权利要求24至31中的任一项所述的一次性的筒状件的用途，其中，所述筒状件被插入到容器中以构成如权利要求1至22中的任一项所述的蒸馏装置的蒸馏站。
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