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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von reinem Wasser aus Salzlösungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von reinem Wasser aus einer
Salzlösung, bei dem eine teilweise Verdampfung der Salzlösung durch Entspannung
im Vakuum mit anschließender Verdichtung des Wasserdampfes unter weiterer Wärmezufuhr
und Übertragung der aufgenommenen Wärme einschließlich der Kondensationswärme auf
die zu verdampfende Salzlösung stattfindet.
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Es ist bereits bekannt, bei Verdampfungsprozessen mit einem Zweistoffverfahren
zu arbeiten, bei denen neben dem verdampfenden Bestandteil ein inertes Hilfsgas
verwendet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, mit dem aus beispielsweise Salz- oder Meerwasser auf möglichst
einfache und wirtschaftliche Weise Trinkwasser gewonnen werden kann.
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Gemäß der Erfindung findet die teilweise Verdampfung der Salzlösung
in Gegenwart von vorgewärmter Luft statt. Dabei kann ,in vorteilhafter Weise der
nicht verdampfte Teil der Salzlösung, der sich abgekühlt hat, von dem Luft-Dampf-Gemisch
abgetrennt werden.
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Es kann zwecksmäßig sein, den Druck des Luft-Dampf-Gemisches zu erhöhen
und darauf eine Erwärmung folgen zu lassen. Zweckmäßigerweise wird das erwärmte
Luft-Dampf-Gemisch in Wärmeaustausch mit der kalten Salzlösung, von welcher anschließend
ein Teil abgedampft werden soll, gebracht, wobei das Luft-Dampf-Gemisch derart abgekühlt
wird, daß eine Kondensation des in dem Luft-Dampf-Gemisch enthaltenen Wassers erfolgt
und wobei die Salzlösung auf eine Temperatur gebracht wird, die annähernd gleich
der des Luft-Dampf-Gemisches vor Eintritt in diesen Wärmeaustauscher ist.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, einen Wärmeaustausch zwischen dem
Luft-Dampf-Gemisch und der Luft, die mit der erwärmten Salzlösung in Berührung gebracht
wird, vorzusehen. Danach wird zweckmäßigerweise die warme Salzlösung und die warme
Luft in einem Strahl gegeneinander gerichtet, wodurch upr Erzielung der teilweisen
Verdampfung der Salzlösung die beiden miteinander in Berührung gebracht werden.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend
beschriebenen Verfahrens vorgesehen, die eine Vorrichtung zum Verdampfen eines Teils
der Salzlösung aufweist, welche mit einer isolierten Kammer versehen ist, in die
durch ein Leitungssystem warme Salzlösung und warme Luft eingeführt werden und welche
am oberen Ende eine oeffnung zum Austritt des Luft-Dampf-Gemisches und am unteren
Ende eine Öffnung zum Austritt der nicht verdampften Salzlösung aufweist. Dabei
können Mittel zur Erhöhung des Druckes eines Teils des Luft-Dampf-Gemisches vorgesehen
sein. Diese Mittel
können beispielsweise Gasbrenner, Ölbrenner, Kohlenstaubbrenner,
elektrische Heizvorrichtungen, Sonnenheizungen od. dgl. sein.
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Vorteilhafterweise können Mittel zur Erhöhung von Druck und Temperatur
der gesamten Luft-Dampf-Mischung vorgesehen sein. Es liegt im Rahmen der Erfindung,
einen Wärmeaustauscher oder ein Wärmeaustauschsystem vorzusehen, in welchem das
wieder erwärmte Luft-Dampf-Gemfsch seine Wärme an die Luft und an die Salzlösung
abgibt. Durch das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es in vorteilhafter
Weise möglich, die Aufgabe Trinkwasser zu gewinnen, durch eine weitgehende Ausnutzung
der vorgenommenen Erwärmung in außerordentlich wirtschaftlicher Weise durchführen
zu können.
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Im folgenden sollen zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
im Zusammenhang mit der schematischen Darstellung näher erläutert werden, ohne dadurch
die Erfindung zu beschränken.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der
Erfindung; Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, die drei Wärmeaustauscher aufweist; Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung
des erfindungsgemäß en Verfahrens.
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Aus der Fig. 1 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine Kammer 1 aufweist, in die ein Strahl 2 der zu behandelnden warmen Salzlösung
durch Leitung 3, die durch Ventil 3a gesteuert wird, geschickt wird. Die warme Luft
tritt durch Leitungen 4, die mit Ventilen 5 versehen sind und am Ende Auswerfer
4a tragen, ein.
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In der Kammer 1, in der unteratmosphärischer Druck herrscht, tritt
eine teilweise Verdampfung der warmen Salzlösung durch die Einwirkung der warmen
Luft ein, wobei sich die Salzlösung bei einer Temperatur im Bereich von etwa 30
bis etwa 1000 und die warme Luft bei einer Temperatur im Bereich von etwa 40 bis
etwa 1200 befinden. Die Luft-Dampf-Mischung gelangt durch Abschnitt 6 in die Abzüge
6a und 7. Der Abzug 6a führt zu einer Pumpe 7a, die einen Teil der Mischung komprimiert,
der danach unter Druck durch Brenner 8, beispielsweise Gasbrenner, die die Temperatur
dieses Teils des Luft-Dampf-Gemisches erhöhen, erneut erwärmt wird. Der komprimierte
und erwärmte Teil der Mischung gelangt in ein Venturirohr 8a und zieht durch die
Abzüge 7 eine zusätzliche Menge an Luft-Dampf-Gemisch nach, wobei diese durch die
Wirkung der sich erweiternden Abschnitte 9, die in einen Sammelbehälter 10 münden,
komprimiert werden.
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Das auf diese Weise wieder erwärmte Luft-Dampf-Gemisch, das sich
bei einem Druck befindet, der über oder nahe bei atmosphärischem Druck liegt, gelangt
durch die Leitungen 11 in einen Wärmeanstauscher 12, der insbesondere einen Zellenradiator
13 umfaßt, worin die zu behandelnde Salzlösung im Gegenstrom umläuft. Diese Lösung
gelangt durch Leitung 23a über eine Pumpe 23 in einen Vorratsbehälterl4, von wo
Leitung 3 ausgeht. Die Salzlösung erwärmt sich während ihres Durchganges in dem
Zellenradiator 13, während die Luft-Dampf-Mischung sich abkühlt. Es sind eine Reihe
von Prallblechen 15 vorgesehen, um den bestmöglichen Wärmeaustausch zwischen dem
Luft-Dampf-Gemisch und der Salzlösung zu sichern.
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Die Abkühlung des Luft-Dampf-Gemisches bewirkt die Kondensation fast
des gesamten Dampfes der Mischung auf den Flächen des Radiators 13 und auf der inneren
Wandung 16 des Austauschers; dieses Kondensationswasser wird durch den Luftstrom
nach unten mitgerissen. Die äußeren Wandungen 26 und 27 des Austauschers bilden
mit der Wand 18 einen ringförmigen Zwischenraum, worin man die Luft, die über 19
aus dem Sammler20, der durch Leitung 21 aus einem Gebläse22 gespeist wird, zirkulieren
läßt.
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Die Luft wird in dem genannten ringförmigen Zwischenraum durch Wärmeaustausch
mit dem Luft-Dampf-Gemisch, das zwischen den Wandungen 26 und 27 zirkuliert, erwärmt.
Um den Wärmeaustauscher zu verbessern, sind bei 17 Rippen vorgesehen. Das Gas gelangt
aus dem ringförmigen Zwischenraum durch Leitung 4 in die Kammer 1.
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Die von dem Gebläse 22 kommende Luft und die über Pumpe 23 geleitete
Salzlösung gelangen mit gewöhnlicher Temperatur in die Vorrichtung gemäß der Fig.
1, wobei sie in dem Wärmaustauscher 12 erwärmt werden, indem sie dem Luft-Dampf-Gemisch
Wärmemengen entziehen, wodurch sowohl die Salzlösung als auch die Luft auf die obengenannten
Temperaturen gebracht werden.
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In der Kammer 1 tritt eine teilweise Verdampfung der Salzlösung ein,
wobei ein Luft-Dampf-Gemisch gebildet wird, das nur einen Teil des Wassers enthält
(nämlich das verdampfte). Dieses Gemisch hat eine Temperatur, die unterhalb der
mittleren Temperatur
der Luft und der Salzlösung liegt, die die durch die Verdampfung
eines Teils des Wassers verbrauchte Wärmemenge abgegeben hat. Das Luft-Dampf-Gemisch
wird auf einen höheren Druck und eine Temperatur gebracht, die oberhalb der genannten
Durchschnittstemperatur liegt. Dies wird durch die vereinte Wirkung der Brenner
8, der Kompressorpumpe 7a und des Venturirohres 8a erreicht. Das Gemisch gibt darauf
nahezu seine gesamte Wärme in den Austauscher 12 ab und tritt durch Leitung 28 in
Form einer Mischung aus Luft und Süßwasser mit einer Temperatur aus, die nahe bei
Atmosphärentemperatur liegt, d. h. bei einer Temperatur, die nahezu gleich derjenigen
ist, die diese Bestandteile bei ihrem Eintritt über das Gebläse 22 und die Pumpe
23 (in Form der Salzlösung) besaßen. In dem Vorratsbehälter 31 trennt sich das Wasser
von der Luft, die bei 29 entweicht. Das Wasser kann bei 32 abgezogen werden, während
die nicht verdampfte Salzlösung die Vorrichtung bei 33 verläßt. Es sei erwähnt,
daß man die konzentrierte Salzlösung, die bei 33 austritt, wieder verwenden kann,
um sie in einer zweiten Vorrichtung gemäß der Erfindung weiterzubehandeln, um ihren
Konzentrationsgrad zu erhöhen, insbesondere, wenn man die mineralischen Bestandteile
(im Falle von Meerwasser) durch Behandlung in einer Reihe von erfindungsgemäßen
Vorrichtungen abzutrennen wünscht.
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In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäß en
Vorrichtung wiedergegeben. Bei dieser Ausführungsform läßt man in einen Behälter
34, worin unteratmosphärisdler Druck herrscht, dadurch einen Zerstäuber 35 feine
Tröpfchen einer warmen Salzlösung eintreten, die als Suspension in einem durch Leitung
37 eintretenden warmen Luftstrom durch Leitung 36 eintritt. Der Strahl 38 wird auf
einen konkaven, nach unten gerichteten Reflektor 39 gerichtet, der die Tröpfchen
40 nach unten dirigiert, wo diese sich bei 41 am Boden des Behälters 34 ansammeln.
In dem Behälter 34 wird ein Teil des in der warmen Salzlösung enthaltenen Wassers
verdampft, wobei sich diese abkühlt, ohne jedoch die Umgebungstemperatur zu erreichen.
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Ein Teil der Mischung wird durch ein Ansaug-und Verdichtungssystem
42a angesaugt und gelangt durch Leitung 43 zum Erwärmer 44 (beispielsweise Sonnenheizanlage),
um durch Leitung 45 ein trompetenförmiges Venturirohr 43a zu speisen, wobei dieses
Venturirohr bei 46 eine zusätzliche Menge 42 an Luft-Dampf-Gemisch ansaugt und komprimiert.
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Die erwärmte und komprimierte Mischung erreicht einen Wärmeaustauscher
47 vom gleichen Typ, wie der in der Fig. 1 dargestellte. In diesem Austauscher zirkuliert
das Luft-Dampf-Gemisch um einen zellenförmigen Radiator 48, wobei sein Weg durch
die Prallbleche 49 verlängert wird. Luft zirkuliert in dem ringförmigen Zwischenraum
53, der diesen Austauschen umgibt, wobei sie die Rippen 51 umspült.
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Dieser erste Wärmeaustauscher wird so berechnet, daß das Luft-Dampf-Gemisch
abgekühlt wird und bei 45a die Temperatur erreicht, die die Salzlösung bei 41 besitzt.
Die Salzlösung, die in dem Zellenradiator nach oben umläuft, gelangt schon etwas
wieder erwärmt durch Leitung 53a, die Pumpe 57, die das Salzwasser durch Leitung
58 (beispielsweise aus dem Meer 58a) ansaugt, dieses durch Leitung 59 in einen zweiten
Wärmeaustauscher 60 führt. In diesem Wärmeaustauscher zirkuliert das Salzwasser
unter Umspülung der Rohre56, worin die Salzlösung höherer Konzentration und höherer
Temperatur, die von 41 durch Leitung
55 eintritt, zirkuliert. Die
Salzlösung höherer Konzentration wird bei 56a abgezogen, während die erwärmte Salzlösung
aus 60 austritt. Es sind Prallbleche 54 vorgesehen, um die Berührung zwischen der
durch Pumpe 57 gepumpten Salzlösung und der von 41 kommenden Salzlösung zu erhöhen.
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Das Gemisch aus Luft und Wasser (letzteres rührt von der Kondensation
des Dampfes des Luft-Dampf-Gemisches im Austauscher 47 her) gelangt von 45a zu einem
dritten Wärmeaustauscher64, der Rippen 62 und 63 im Inneren und Rippen 65 außen
trägt; die zuletzt genannten Rippen befinden sich in einem ringförmigen Behälter
61, worin Luft 52 zirkuliert, die durch ein Gebläse 66 in eine Leitung 67 geleitet
wurde. In diesem dritten Wärmeaustauscher wird die Luft mit Wärmemengen erwärmt,
die dem bei 68 austretenden Gemisch aus Luft und Wasser entzogen wurden. Die Tröpfchen
69 sammeln sich in dem Behälter 70 an; das reine Wasser kann bei 72 abgezogen werden,
während die vom Wasser abgetrennte kalte Luft bei 71 entweicht.
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In gleicher Weise, wie bei der ersten Ausführungsform, kann die bei
56a austretende Salzlösung höherer Konzentration gewünschtenfalls in eine zweite
erfindungsgemäße Vorrichtung eingebracht werden, um sie weiter zu konzentrieren.
Diese Maßnahme kann fortgesetzt werden, bis die Konzentration der zurückbleibenden
Salzlösung den gewünschten Grad erreicht hat. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet
bei einer Temperatur unterhalb der Siedetemperatur der Salzlösung und bei einem
Druck unterhalb Atmosphärendruck während der Verdampfungsperiode mit verhältnismäßig
wenig Luft, wobei die erneute Einstellung des Taupunktes mechanisch erfolgt. Die
Kosten des Verfahrens werden dadurch gesenkt.
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Es sei erwähnt, daß man die beschriebenen Aus iührungsformen des
Verfahrens und der Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung verschiedentlich abändern
oder ergänzen kann, ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu gelangen.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Dabei wird das Verfahren, welches mit der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung
durchgeführt wird, in seinen Grundzügen erläutert, und es werdenTemperaturangaben
für charakteristische Verfahrensschritte gemacht.
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In die Leitung 101 wird mittels des Ventilators li I,uft gedrückt.
Diese Luft hat im vorliegenden Beispiel eine Temperatur von 220 C. Die Leitung 102
saugt Meerwasser ein, welches im angegebenen Beispiel eine Temperatur von 20,40
C aufweist. Das Meerwasser und die Luft werden in einer noch zu beschreibenden Weise
vorgewärmt und mittels der Düse 103 in die Kammer K gesprüht. Der dabei nicht verdampfte
Teil des Meerwassers fällt auf den Boden der Kammer K und wird über die Leitung
104 abgeführt.
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Das Gemisch aus Luft und Meerwasserdampf wird nun in einem Kompressor
C verdichtet und gelangt dann in eine Vorwärmevorrichtung 0, beispielsweise einen
Sonnenofen. Der Einfachheit der Darstellung wegen wurde bei der Skizze nicht angegeben,
daß nur ein Teil des Gemisches einer Kompression und einer Erwärmung unterzogen
wird. Das heiße Gemisch, welches den Sonnenofen mit einer Temperatur von 1750 C
verläßt, gelangt in den Kondensator 105, wird abgekühlt und erwärmt dabei die über
di Leitung 102 angesaugte Salzlösung auf eine Temperatur von 101,60 C. Im Kondensator
105 kondensiert ein Teil des Süßwassers. Die Temperatur des Gemisches Luft-Dampf
und kondensiertes Süßwasser wird in einem
Austauscher 106 etwa auf die normale Lufttemperatur
abgekühlt. Gleichzeitig erfolgt in diesem Austauscher 106 die Erwärmung der in der
Leitung 101 angesaugten Luft.
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Zur ersten Erwärmung des Meerwassers bzw. der Salzlösung dient ein
Austauscher 107, in welchem die konzentrierte Salzlösung ihre Wärme an das angesaugte
Medium abgibt. In der mit 108 bezeichneten Vorrichtung findet eine Abscheidung von
kondensiertem Süßwasser und Luft statt. Die konzentrierte Salzlösung, die den Kondensator
107 bei 109 verläßt, kann weggeschüttet werden oder kann einer nochmaligen Behandlung
durch Einsaugen mittels der Pumpe P in die Leitung 102 unterworfen werden.
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PATENTANSPROCHE 1. Verfahren zur Herstellung von reinem Wasser aus
einer Salzlösung, bei dem eine teilweise Verdampfung der Salzlösung durch Entspannung
im Vakuum mit anschließender Verdichtung des Wasserdampfes unter weiterer Wärmezufuhr
und Übertragung der aufgenommenen Wärme einschließlich der Kondensationswärme auf
die zu verdampfende Salzlösung stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise
Verdampfung der Salzlösung in Gegenwart von vorgewärmter Luft stattfindet.