DE10161210A1

DE10161210A1 - Seawater desalination process uses an open absorption apparatus to evaporate at low pressure, condense at high pressure

Info

Publication number: DE10161210A1
Application number: DE10161210A
Authority: DE
Inventors: Lutz Richter
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Seawater treatment process using an open absorption apparatus comprises evaporating seawater at low pressure, condensing at high pressure, opening the cyclical process between water discharge after condensation and water influx at the evaporator and increasing the pressure by thermal compression over the solvent.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Meerwasserentsalzung mittels Verdampfung, thermischer Verdichtung und Kondensation. Besonderer Gegenstand der Erfindung ist die Prozessführung sowie die Kombination und Verschaltung von Wärmeübertragem und Speicherbehältern. The invention relates to a method for desalination by evaporation, thermal compression and condensation. A special subject of the invention is that Process control as well as the combination and connection of heat exchangers and Storage tanks.

Ein hoher Anteil der Erdbevölkerung lebt in Gebieten, in denen Wassermangel herrscht und folglich die Trinkwasserversorgung der Menschen nicht stabil oder gar nicht gesichert werden kann. Die Trinkwassersicherung der Erdbevölkerung ist eine der entscheidenden gegenwärtigen Menschheitsaufgaben. In den letzten Jahren wurden unterschiedliche Verfahren zur Trinkwassergewinnung und Meerwasserentsalzung entwickelt. Konventionelle Verfahren wie Destillationskolonnen wurden optimiert, die Umkehrosmose marktfähig gemacht, Verfahren mit solarer Energienutzung zur Trinkwassergewinnung entwickelt. A high proportion of the earth's population lives in areas where there is water shortage and consequently, people's drinking water supply is not stable or not secured at all can be. Securing drinking water for the earth's population is one of the crucial ones current human tasks. Different procedures have been used in recent years developed for drinking water extraction and desalination. Conventional procedures how distillation columns were optimized, reverse osmosis made marketable, Process with solar energy use developed for drinking water production.

Der stets stärker werdende Trend zur Verwendung von regenerativen Energien sowie hinsichtlich einer rationellen Energienutzung und folglich der damit verbundenen Einsparung von Primärenergie führt verstärkt auch zu Verfahren mittels Antriebsenergien Solar- oder Abwärme. Und gerade in Gebieten mit großem Wassermangel ist eine hohe jährliche Sonnenscheindauer und somit eine große Energiemenge an jährlich nutzbarer Sonnenenergie zu verzeichnen. The ever increasing trend towards using renewable energies as well with regard to the rational use of energy and consequently the associated savings of primary energy also leads to processes using solar or solar energy Waste heat. And especially in areas with great water shortages is a high annual Sunshine duration and thus a large amount of energy in annual usable solar energy to be recorded.

Mit einem kältetechnischen Absorptionskreisprozess ist es möglich, aus niedertemperierter Wärme, beispielsweise Abwärme oder Solarwärme, die sonst an die Umwelt gegeben oder nicht genutzt werden würde, Kälte zu erzeugen. Dazu ist dieser Prozess in sich geschlossen. Absorptionskreisprozesse verwenden ein Arbeitsstoffpaar. Auf niedrigem Druck wird der eine Arbeitsstoff, die leichter siedende Komponente, verdampft, wobei Kälte erzeugt wird, die durch einen Kälteträger abgeführt wird. Der andere Arbeitsstoff, eine schwerer siedende Komponente, absorbiert unter Anfall von Absorptions- und Lösungswärme den erzeugten Wasserdampf. Mittels einer Lösungsmittelpumpe wird unter Verwendung einer geringen Menge Exergie die dabei entstehende und sogenannte reiche Lösung auf ein höheres Druckniveau gepumpt. In einem Austreiber, auch Generator genannt, wird die leichter siedende Komponente durch Wärmezufuhr aus der Lösung ausgetrieben. Die entstehende Lösung, die einen kleineren Anteil an der leichter siedenden Komponente besitzt, wird arme Lösung genannt und fließt dem Absorber im Niederdruck wieder zu. Zur energetischen Verbesserung ist ein interner Lösungswärmeübertrager zwischen reicher und armer Lösung integriert. Der im Austreiber erzeugte Dampf der leichter siedenden Komponente wird auf dem hohen Druckniveau in einem Kondensator unter Anfall von Kondensationswärme, die abgeführt werden muss, kondensiert. Damit steht diese Flüssigkeit nach einer Entspannung auf den niedrigen Druck erneut einer Verdampfung und somit der Kälteerzeugung zur Verfügung. Im Bereich der Klimakälteerzeugung wird als leichter siedende Komponente, somit als Kältemittel, allgemein Wasser verwendet. In der Regel ist gegenwärtig eine Lithium-Bromid- Lösung die andere Arbeitsstoffkomponente, andere Lösungsmedien sind möglich, derzeit jedoch nicht verbreitet. With a refrigeration absorption cycle process, it is possible from low-temperature Heat, for example waste heat or solar heat, which is otherwise given to the environment or would not be used to generate cold. This process is in itself closed. Absorption cycle processes use a working material pair. At low pressure the a working substance, the lower-boiling component, evaporates, producing cold that is dissipated by a coolant. The other working substance, a heavier boiling Component, absorbs the generated under heat of absorption and solution Steam. Using a solvent pump, using a small Amount of exergy the resulting and so-called rich solution to a higher one Pumped level. In an expeller, also called a generator, it becomes easier boiling component expelled from the solution by supplying heat. The emerging Solution that has a smaller proportion of the lower-boiling component becomes poor Solution called and flows back to the absorber in low pressure. For energetic Improvement is an internal solution heat exchanger between rich and poor solution integrated. The vapor of the lower-boiling component generated in the expeller is on the high pressure level in a condenser under heat of condensation must be dissipated, condensed. This liquid gets up after relaxation the low pressure again for evaporation and thus cooling Available. In the field of air conditioning refrigeration is used as a lower-boiling component, thus as Refrigerant, generally water. As a rule, a lithium bromide Solution the other working component, other solution media are currently possible however not common.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Absorptionskälteprozesses so zu verändern, um damit eine thermische Meerwasserentsalzung zu realisieren. Das Verfahren soll mit niedertemperierter Wärme, Ab- oder Solarwärme unter 60°C, angetrieben werden und den Primärenergieverbrauch bei der Meerwasserentsalzung senken. The object of the invention is to change the absorption refrigeration process so as to to realize thermal desalination. The process is supposed to low-temperature heat, waste or solar heat below 60 ° C, and driven Reduce primary energy consumption in desalination.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Ansprüche enthalten auch notwendige, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird Meerwasser indirekt thermisch entsalzt. Für das Verfahren sind sehr niedrige Antriebstemperaturen und folglich weniger Antriebsenergie in Form von Wärme notwendig. Die Verwendung von Elektroenergie als Pumpenergie ist stark minimiert. Mit dem Verfahren können entweder bisher nicht verwendete Abwärmeströme zur Meerwasserentsalzung genutzt oder bei der Nutzung von Solarwärme folglich einfachste Solarabsorber angewandt werden. Einfache Solarabsorber mit tiefer Nutztemperatur, kleiner 60°C, besitzen neben geringen Kosten auch einen hohen thermischen Wirkungsgrad. Eine wirtschaftliche Anlagenlösung kann geschaffen werden. According to the invention the object is achieved by the features of the claims. The Claims also contain necessary, advantageous refinements of the invention. By the process according to the invention is thermally desalinated indirectly from sea water. For the Procedures are very low drive temperatures and consequently less drive energy in the form of heat necessary. The use of electrical energy as pump energy is strong minimized. With the method, waste heat flows not previously used can either Desalination or the simplest when using solar heat Solar absorbers can be applied. Simple solar absorbers with low useful temperature, smaller 60 ° C, in addition to low costs, also have a high thermal efficiency. A economical system solution can be created.

Das wird insbesondere dadurch erreicht, dass ein Absorptionskältekreislauf im Kälteteil zwischen Kondensator und Verdampfer geöffnet wird, Meerwasser in einem Direktverdampfer verdampft, der Dampf in einem Lösungsmedium gebunden, nach Druckerhöhung der Lösung aus dieser ausgetrieben und anschließend in einem Kondensator kondensiert wird. Das Kondensat wird in einem Speicher gesammelt und steht der weiteren Aufbereitung zur Verfügung. This is achieved in particular in that an absorption refrigeration cycle in the refrigeration part between condenser and evaporator is opened, sea water in a direct evaporator evaporates, the steam is bound in a solution medium after increasing the pressure of the solution driven out of this and then condensed in a condenser. The Condensate is collected in a storage tank and is available for further processing Available.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Abbildung (Fig. 1) ist eine Anlage zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In Fig. 1 wird Meerwasser (1) mit Umgebungstemperatur der Umwelt entnommen und bei Umgebungsdruck in einem Wärmeübertrager Absorber (A0) und einem Kondensator (C1) durch Aufnahme der im Verfahren anfallenden Absorptions- und Kondensationswärme erwärmt (2) sowie anschließend in einen Vakuumdirektverdampfer (E0) entspannt. Eine Teilmenge des Meerwassers (3) verdampft, wobei der nichtverdampfenden Menge die Verdampfungswärme entzogen wird und diese nach Druckerhöhung auf Umgebungsdruck (MWP) abgeleitet wird (10). Ein Lösungsmedium (5), beispielsweise Wasser/Lithiumbromid-Lösung, absorbiert den Wasserdampf in Absorber A0 (4), da der Partialdruck des Wasserdampfes in der Lösung geringer als deren Sättigungsdruck ist. Die dabei anfallende Absorptions- und Lösungswärme wird wie bereits erwähnt dem Meerwasser übertragen. Nach Druckerhöhung der Lösung mittels einer Pumpe (LMP) wird aus dieser reichen Lösung (4) durch niedertemperierte Wärme (11) der Wasserdampf in einem Austreiber (G1) ausgetrieben. Die weniger Wasser enthaltende Lösung (5), sogenannte arme Lösung, wird dem Niederdruck wieder zugeführt (LDV). Ein interner Wärmeübertrager (LWÜ) zwischen der armen und reichen Lösung verbessert den Prozess energetisch. Der Wasserdampf (6) wird in einem Kondensator C1 kondensiert. Die Kondensationswärme nimmt das Meerwasser auf. Das anfallende Kondensat (7) wird auf Umgebungsdruck gepumpt (TWP) und in einem Behälter (TW) gespeichert. Durch die Prozessführung, die einen hohen Verdampfungsdruck in E0 und A0 sowie einen geringen Kondensationsdruck in C1 und G1 bedingt, kann die Austreibungstemperatur in (5) sehr klein sein. Temperaturen unter 45°C sind möglich. Damit sind niedertemperierte Abwärmeenergie oder mit einfachen Konstruktionen zu gewinnende Solarwärmeenergie zum Antrieb des Verfahrens verwendbar. The invention is explained in more detail using an exemplary embodiment. A plant for implementing the method according to the invention is shown in the associated illustration ( FIG. 1). In Fig. 1, sea water ( 1 ) is taken from the environment at ambient temperature and heated at ambient pressure in a heat exchanger absorber (A0) and a condenser (C1) by absorbing the heat of absorption and condensation ( 2 ) and then in a direct vacuum evaporator ( E0) relaxed. A partial amount of the sea water ( 3 ) evaporates, the non-evaporating amount being extracted from the heat of vaporization and, after the pressure has been increased to ambient pressure (MWP), being dissipated ( 10 ). A solution medium ( 5 ), for example water / lithium bromide solution, absorbs the water vapor in absorber A0 ( 4 ), since the partial pressure of the water vapor in the solution is less than its saturation pressure. The resulting heat of absorption and solution is transferred to the sea water, as already mentioned. After increasing the pressure of the solution by means of a pump (LMP), the water vapor is expelled from this rich solution ( 4 ) by low-temperature heat ( 11 ) in an expeller (G1). The less water-containing solution ( 5 ), so-called poor solution, is fed back to the low pressure (LDV). An internal heat exchanger (LWÜ) between the poor and rich solution improves the process energetically. The water vapor ( 6 ) is condensed in a condenser C1. The heat of condensation absorbs the sea water. The condensate ( 7 ) is pumped to ambient pressure (TWP) and stored in a container (TW). Due to the process control, which requires a high evaporation pressure in E0 and A0 and a low condensation pressure in C1 and G1, the stripping temperature in ( 5 ) can be very low. Temperatures below 45 ° C are possible. This means that low-temperature waste heat energy or solar heat energy that can be obtained with simple constructions can be used to drive the process.

Das Verfahren ist selbstregulierend in der Art, dass beispielsweise bei hoher Solartemperatur, infolge extremer Sonneneinstrahlung, die anfallende Wassermenge in (7) durch das vergrößerte Lösungsfeld zwischen (4) und (5) zunimmt. Sinkt diese Temperatur verringert sich die Wassergewinnung von selbst. Aufwendige Regelungen sind nicht erforderlich. Insbesondere für dezentrale Anlagen ist dies von Bedeutung. Bezugszeichen 1 Zufluss Meerwasser
2 Meerwasserleitung zum Verdampfer
3 Leitung Wasserdampf-Niederdruck
4 Leitung reiche Lösung
5 Leitung arme Lösung
6 Leitung Wasserdampf-Hochdruck
7 Leitung Wasserdampfkondensat
8 Kondensatzufluss zum Trinkwasserspeicher
9 Trinkwasserentnahme
10 Abfluss konzentriertes Meerwasser
11 solarthermischer Heizkreislauf
E0 Direktverdampfer
A0 Absorber
LWÜ Lösungswärmeübertrager
G1 Austreiber
C1 Kondensator
TW Trinkwasserspeicher
LMP Lösungsmittelpumpe
LDV Lösungsdrossel
MDV Meerwasserdrosselventil
MWP Meerwasserpumpe
TWP Trinkwasserpumpe
SABS Solarabsorber
The method is self-regulating in such a way that, for example, at high solar temperature, due to extreme solar radiation, the amount of water in ( 7 ) increases due to the enlarged solution field between ( 4 ) and ( 5 ). If this temperature drops, the water production decreases automatically. Complex regulations are not necessary. This is particularly important for decentralized systems. Reference number 1 inflow of sea water
2 sea water pipe to the evaporator
3 line of water vapor low pressure
4 wire rich solution
5 pipe poor solution
6 High pressure steam line
7 Line of steam condensate
8 Condensate inflow to the drinking water storage
9 Drinking water withdrawal
10 Outflow of concentrated sea water
11 solar thermal heating circuit
E0 direct evaporator
A0 absorber
LWÜ solution heat exchanger
G1 expeller
C1 capacitor
TW drinking water storage
LMP solvent pump
LDV solution choke
MDV seawater throttle valve
MWP sea water pump
TWP drinking water pump
SABS solar absorber

Claims

1. Process for desalination of sea water using an open one Absorption refrigeration system with water as the refrigerant, whereby the evaporation of sea water lower and the subsequent condensation of water vapor at higher Pressure level takes place, and by opening the cycle between water drainage after the condenser (C1) and water flow to the evaporator (E0), the Pressure increase realized by thermal compression using a solution medium becomes.

2. The method according to claim 1, characterized by the use of a Direct evaporator (E0), in which only a part of the supplied sea water evaporates and the necessary heat of vaporization by cooling the non-vaporized Part of the sea water is supplied.

3. The method according to claim 1, characterized by the heating of the sea water before entering the evaporator (E0) by including the in the procedure accumulating heat of absorption and condensation with the aim of providing the necessary Lower the process drive temperature even further.

4. The method according to claim 1, characterized in that the drive of the Process by low-temperature heat, preferably solar heat, over the simplest Solar absorber (SABS), coupled with a simple control, so that System itself in terms of performance according to the supply of drive energy regulated.