DE102004005689A1

DE102004005689A1 - Ausdampfverfahren zur Reinigung und/oder Aufkonzentrierung verunreinigter Flüssigkeiten

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Publication number: DE102004005689A1
Application number: DE200410005689
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-25
Also published as: DE112005000800A5; WO2005075045A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein energiesparendes Ausdampfverfahren zur Reinigung und/oder Aufkonzentrierung verunreinigter Flüssigkeiten insbesondere von salz-, säure- oder laugenbelasteten Wässern. Das Verfahren arbeitet mit mehreren, gesamtdruckgestuften Trägergasumläufen, über ein größeres zusammenhängendes Prozesstemperaturintervall und nutzt für die Flüssigkeitsvorwärmung die gesamte Verflüssigungsabwärme der Destillatgewinnung. Die Prozesskomponenten sind modular aufgebaut und zu Ausdampfmodulen zusammengefasst. Die volle Energiesparwirkung entfaltet eine Serienschaltung von mehreren, mit unterschiedlichen Gesamtdrucken operierenden Ausdampfmodulen.

Description

Die Erfindung betrifft ein energiesparendes Ausdampfverfahren zur Reinigung und/oder Aufkonzentrierung verunreinigter Flüssigkeiten, beispielsweise zur Herstellung von Trinkwasser aus salz- oder säure- bzw. laugenbelasteten Wässern. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einer Ausdampfung über ein größeres, zusammenhängendes Prozesstemperaturintervall und nutzt die Abwärme der Destillatverflüssigung zur Vorwärmung der zu reinigenden bzw. aufzukonzentrierenden Flüssigkeit.
Die verunreinigte Flüssigkeit wird zu diesem Zweck als Kühlmittel durch eine Kondensiereinrichtung geleitet, anschließend in einer Heizeinrichtung nacherhitzt und dann unter Ausdampfung und Abkühlung durch eine Ausdampfeinrichtung geleitet. Durch beide Einrichtungen zirkuliert in mehreren, mit unterschiedlichen Gesamtdrucken operierenden Umläufen dampfgesättigtes Trägergas in entgegengesetzten Richtung zu der verunreinigten Flüssigkeit. In den einzelnen Umläufen reichert sich das Trägergas in der Ausdampfeinrichtung unter Erwärmung mit Dampf an und in der Kondensiereinrichtung unter Abkühlung und Destillatausscheidung ab. Das abgekühlte Destillat wird aus der Kondensiereinrichtung abgeführt und das abgekühlte Konzentrat aus der Ausdampfeinrichtung. In dieser beschriebenen Ausführungsform arbeitet das Verfahren gänzlich ohne zusätzliches Kühlmittel.

Derartige mit einem Trägergasumlauf über ein Temperaturintervall operierende Ausdampfverfahren sind aus der Literatur bekannt und sind in der EP 0531 293 B1 bzw. in der PCT/DE01/04072 offenbart. In den Schriften werden Maßnahmen dargestellt, wie sich die negativen Einflüsse des Trägergases auf den Prozessablauf in den Wärme- und Stoffaustausch-Apparaten mindern lassen, insbesondere wie die Wärmeverschleppungen aus dem Ausdampfteil in den Kondensationsteil kompensiert werden können.

In der EP 0531 293 B1 sind dafür zwei Wärmetauscher vorgesehen, wovon ein erster im Kondensationsteil und ein zweiter, gleichdimensionierter im Ausdampfteil angeordnet ist. Im ersten Wärmetauscher soll der abgekühlte dampfverarmte Trägergasgesamtstrom mittels Verflüssigungsabwärme aufgeheizt und im zweiten Wärmetauscher dann wieder abgekühlt werden und die verschleppte Wärme in einem ersten Schritt zunächst die ausdampfende verunreinigte Flüssigkeit im Ausdampfteil beheizen. In einem weiteren Schritt soll die ausdampfende Flüssigkeit dann wieder das sich mit Dampf sättigende Trägergas erwärmen. Diese Wärmerückführung ist auch ohne den offenbarten Umweg, auf direktem Wege möglich.

Die beiden offenbarten Wärmetauscher sind nicht nur voluminös und teuer und vergrößern zusätzlich die Apparate. Sie verursachen vor allem gasseitig hohe Druckverluste und induzieren weitere unnötige Temperaturverluste. Die Trägergaszirkulation durch beide Wärmetauscher erfordert einen hohen mechanischer Energieaufwand. Die offenbarten Wärmetauscher stellen aus prozesstechnischer Sicht eine ungeeignete Problemlösung dar.

In der PCT/DE01/04072 sind Maßnahmen offenbart, die die Wärmerückführung wesentlich verbessern helfen, indem einzelne, aus dem Ausdampfteil in den Kondensationsteil übergeleitete Trägergasteilströme in zusätzlichen Wärmeaustauschelementen angepasste Teilströme von verunreinigter Flüssigkeit in Stufen erwärmen und diese gestuft erwärmten Teilströme dann in den Ausdampfteil übergeleitet sind und darin zusammen mit dem Hauptstrom der verunreinigten Flüssigkeit unter Abkühlung wieder ausdampfen. Ergänzend hierzu wird die umlaufende Trägergasmenge reduziert, indem mehrere Trägergaskreisläufe mit angepassten Gesamtdrucken in sich ergänzenden Ausdampf-/Kondensationsabschnitten innerhalb des Ausdampf-/Kondensationstemperaturintervalls operieren.

Exakte thermische Berechnungen dieses Prozessablaufs zeigen dagegen auf, dass es noch energiesparender ist, wenn keine Teilmengen von gestuft aufgewärmter verunreinigter Flüssigkeit abschnittsweise aus dem Kondensationsteil abgezogen und in den Ausdampfteil übergeleitet sind und der Gesamtstrom der verunreinigten Flüssigkeit in unveränderter Menge sämtliche Aufheizstufen der Wärmeaustauscheinrichtung innerhalb des Kondensationsteils passiert, in der äußeren Heizeinrichtung nachgeheizt wird und abschließend sämtliche Ausdampfstufen des Ausdampfteils unter Ausdampfung und Abkühlung durchströmt.

In diesem Fall könnte mit einem kleinen, nicht separierten und nicht an der Ausdampfung beteiligten Teilstrom der im Durchlauf befindlichen verunreinigten Flüssigkeit das Trägergas im Ausdampfteil wieder rückerwärmt werden.

Diese Möglichkeit eröffnet sich mit dem folgenden erfindungsgemäßen Gedanken: Die negative Einflussnahme des Trägergases lässt sich mindern, indem innerhalb des zusammenhängenden Ausdampftemperaturintervalls mehrere auf unterschiedlichem Gesamtdruckniveau operierende Trägergasumläufe gleich große, sich ergänzende Ausdampftemperaturabschnitte realisieren und die Gesamtdrücke in den Trägergasumläufen nur wenig höher gewählt sind als die Sättigungsdrucke der in den jeweiligen Ausdampfabschnitt eintretenden verunreinigten Flüssigkeit. Dadurch mindern sich nicht nur gezielt die in den einzelnen Kreisläufen umlaufenden Trägergasmengen sondern letztere gleichen sich in den Kreisläufen derart an, als würde eine konstante Menge Trägergas in nur einem einzigen Umlauf über das gesamte Prozesstemperaturintervall durch die Ausdampfeinrichtung und die Kondensiereinrichtung zirkulieren.

Diese erfindungsgemäße Lösung reduziert nicht nur den spezifischen Energieverbrauch bei der Destillatgewinnung, sie verringert vor allem den apparativen Aufwand für den internen Wärme- und Stoffaustausch. Derartige Module bauen kompakter und sind preisgünstiger zu fertigen.

Energetisch besonders günstig ist es, wenn jeweils in jedem dieser Ausdampf-/Kondensationstemperaturabschnitte ein geschlossener, mengenkonstanter Trägergasumlauf realisiert ist, mit einem speziell angepassten Gesamtdruck. In jedem Abschnitt herrscht dann ein anderer Gesamtdruck, der abschnittsweise mit der Sättigungstemperatur der ausdampfenden verunreinigten Flüssigkeit ansteigt. Dadurch operieren sämtliche Trägergasumläufe in den ihnen zugeordneten Temperaturabschnitten mit annähernd derselben Trägergasmenge. Die vom Trägergas verursachte Energieverschleppung aus der Ausdampfeinrichtung in die Kondensiereinrichtung sinkt dadurch beispielsweise bei der Herstellung von destilliertem Wasser in den sich ergänzenden Temperaturabschnitten auf gleichgroße Werte unter 4 kWh/m³ Destillat. Diese Energiemenge lässt sich folglich besonders günstig mit der mitumlaufenden, nicht am Ausdampfprozess beteiligten Menge verunreinigter Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsrichtung des Trägergases zurück in den Ausdampfeinrichtung transportieren. Der für die Rückerwärmung des gesamten Trägergases in der Ausdampfeinrichtung erforderliche nicht ausdampfende Flüssigkeitsanteil beträgt in diesem Fall weniger als 0,5% der Gesamtdurchlaufmenge.

Für die Anlagenherstellung ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere seriell von der verunreinigten Flüssigkeit durchströmte komplementäre Kondensierelemente und Ausdampfelemente zu Gruppen zusammengefasst sind und in jeder Gruppe ein mengenangepasster Trägergasumlauf unter angepasstem Gesamtdruck operiert und die dampfgesättigten Trägergasteilmengen in jeder Gesamtdruckstufe von den entsprechenden Ausdampfelementen zu den komplementären Kondensierelementen übergeleitet sind.

Prozess- und fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, wenn Gruppen von komplementären Ausdampfelementen und Kondensierelementen in einem gemeinsamen Behälter angeordnet sind, wobei der Behälter den Gesamtdruckraum umschließt oder der Behälter in mehrere Druckräume unterteilt sein kann.

Prozesstechnisch vorteilhaft ist außerdem, wenn in den einzelnen Trägergasumläufen Tropfenabscheider integriert sind, die den Übertritt von Destillat in die Ausdampfeinrichtung und den Übertritt von verunreinigter Flüssigkeit in die Kondensiereinrichtung mindern.

Die einzelnen Trägergasumläufe werden mit Ventilatoren erzwungen. Mittels einer Drehzahlregelung der Antriebsmotore lassen sich die Umlaufmengen angepassen. Die von einer Ausdampfdruckstufe zu nächsten Ausdampfdruckstufe übergeleitete verunreinigte Flüssigkeit wird mittels Drosseleinrichtungen auf den jeweils folgenden Gesamtdruck entspannt.

Außerdem ist es vorteilhaft , wenn anstatt einer unteren Ausdampfdruckstufe ein gewöhnlicher Wärmeaustauscher dem Ausdampfprozess vorgeschaltet wird. In diesem Wärme tauscher wird die eintretende verunreinigte Flüssigkeit im Gegenstrom mit den Restwärmen von austretendem Destillat und austretendem Konzentrat vorgewärmt. Mit dieser Zusatzmaßnahme lässt sich die für die Trägergasumwälzung erforderliche Antriebsleistung des Gesamtprozesses mindern und gleichzeitig das Ausdampftemperaturintervall stabilisieren.

Als Trägergase bieten sich alle Edelgase, Luft, Stickstoff oder Kohlendioxid oder Mischungen von diesen Gasen oder überhitzten Dämpfen an. Für eine destillative Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser ist die Verwendung von Umgebungsluft oder Stickstoff besonders vorteilhaft.

Die Erfindung wird anhand der 1 bis 4 näher ausgeführt.
1: zeigt das Verfahrensschema in seiner elementaren Ausführungsform,
2: zeigt das Verfahrensschema mit mehreren, bei unterschiedlichen Gesamtdrücken arbeitenden komplementären Kondensations- und Ausdampfelementen, die seitens der verunreinigten Flüssigkeit in Serie geschaltet sind,
3: zeigt das Verfahrenschema von mehreren, zu einer Gruppe zusammengefassten komplementären Kondensations- und Ausdampfelementen, die unter einem gemeinsamen Gesamtdruck stehen und seitens der verunreinigten Flüssigkeit ebenfalls in Serie geschaltet sind und
4 zeigt den modularen Aufbau des Verfahrens beispielhaft ausgeführt mit drei seriell geschalteten Ausdampfmodulen.
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Ausdampfverfahrens geht aus der 1 hervor. Es enthält als Prozesskomponenten eine Kondensiereinrichtung 1, eine Ausdampfeinrichtung 2, einen Heizer 3 und einen Trägergasumlauf 4. Innerhalb der Kondensiereinrichtung 1 befindet sich ein Wärmetauscher 5. In dem Trägergasumlauf 4 sind die Tropfenabscheider 6 und 7 angeordnet. In der Ausdampfeinrichtung 2 sind ein Flüssigkeitsverteiler 8 und ein Stoffaustauschelement 9 angeordnet. Ein Ventilator 10 erzwingt den Trägergasumlauf 4 durch die Kondensiereinrichtung 1 und die Ausdampfeinrichtung 2. Der Gesamtdruck ist in dem über ein Temperaturintervall operierenden dampfgesättigten Trägergasumlauf 4 konstant. Die Dampfsättigung des Trägergases bewegt sich im Umlauf durch die Kondensiereinrichtung und die Ausdampfeinrichtung zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert. In der Ausdampfeinrichtung nimmt der Dampfgehalt des Trägergases zwischen den Grenzwerten zu und in der Kondensiereinrichtung gleichwertig ab.
Mittels einer Pumpe 11 wird eine verunreinigte Flüssigkeit 12 zur Vorwärmung durch die Wärmeaustauscheinrichtung 5 gefördert. Sie passiert unter weiterer Wärmeaufnahme den Heizer 3 und wird über das Verteilsystem 8 in die Ausdampfeinrichtung 2 eingeleitet und durchströmt unter Ausdampfung und Abkühlung die Stoffaustauschpackung 9. Das abgekühlte Konzentrat 13 tritt aus der Ausdampfeinrichtung 2 aus.
Die wärmeübertragenden Oberflächen der Wärmeaustauscheinrichtung 5 können zur Intensivierung des Wärmeübergangs, zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und zur Vermeidung von Feststoffablagerungen mit selektiv wirkenden Niedrigenergie-Nanostrukturbeschichtungen überzogen werden. Das erhöht die Lebensdauer der Wärmeaustauscheinrichtung 5 und mindert deren Wartungsbedarf.
Der Ventilator 10 saugt über den Tropfenabscheider 7 dampfgesättigtes Trägergas 4 aus der Ausdampfeinrichtung 2 an und fördert es zur Destillatabscheidung in die Kondensiereinrichtung 1. An der äußeren Oberfläche des Wärmeaustauschers 5 schlägt sich unter der Kühlwirkung der im Inneren in entgegengesetzter Richtung strömenden verunreinigten Flüssigkeit 12 Destillat 14 nieder. Das dampfverarmte Trägergas strömt über den Tropfenabscheider 6 zurück in den Ausdampfeinrichtung 2 und sättigt sich unter Erwärmung, in entgegengesetzter Richtung zur ausdampfenden verunreinigten Flüssigkeit erneut mit Dampf. Das abgekühlte Destillat 14 wird aus der Kondensiereinrichtung 1 abgeleitet.
Mit einem in konstanter Menge, bei einem konstanten Gesamtdruck umlaufendem Trägergas ist eine energiesparende Ausdampfung der verunreinigten Flüssigkeit nur in Temperaturabschnitten von jeweils 5 K bis 20 K möglich. Der Energiespareffekt entfaltet sich allerdings erst mit der Ausdampfung über ein wesentlich größeres, zusammenhängendes Prozesstemperaturintervall. Hierfür müssen mehrere gleichartige, gemäß 1 ausgeführte Systeme seitens der verunreinigten Flüssigkeit hintereinander geschaltet werden und eine entsprechende Zahl von Trägergasumläufen mit unterschiedlichen Gesamtdrucken betrieben werden. Die in der Kondensiereinrichtung vorgewärmte verunreinigte Flüssigkeit muss in diesem Fall vor dem Eintritt in den obersten Ausdampfabschnitt der Ausdampfeinrichtung mit Fremdenergie nachgeheizt werden. Eine solche mehrfache Hintereinanderschaltung zeigt 2.
Die Kondensiereinrichtung 20 besteht in diesem Beispiel aus den Kondensierelementen 20.1 , 20.2 und 20.n und die Ausdampfeinrichtung 21 aus den komplementären Ausdampfelementen 21.1, 21.2 und 21.n. Innerhalb der Kondensierelemente 20.1 bis 20.n sind die Wärmeaustauschelemente 22.1 bis 22.n angeordnet. Die Ausdampfelemente 21.1 bis 21.n enthalten Flüssigkeitsverteilsysteme 23.1 bis 23.n und Stoffaustauschelemente 24.1 bis 24.n. Durch die komplementären Elemente 20.1 und 21.1 bis 20.n und 21.n zirkulieren in entgegengesetzter Richtung zu der verunreinigten Flüssigteit 25 separate Trägergasumläufe 26.1 bis 26.n, mit jeweils unterschiedlichen Gesamtdrucken Pges. 1 bis Pges. n. und sich darin ergänzenden Sättigungsgrenzwerten. Die Ventilatoren 27.1 bis 27.n erzwingen die einzelnen Trägergasumläufe.
Mit einer Pumpe 28 wird die verunreinigte Flüssigkeit zur Vorwärmung nacheinander durch die Wärmeaustauschelemente 22.1 bis 22.n geleitet. Anschließend passiert die vorgewärmte verunreinigte Flüssigkeit 25 unter weiterer Erwärmung den Heizer 29 und wird danach in das Ausdampfelement 21.n eingeleitet. Sie durchströmt das Ausdampfelement 21.n unter partieller Ausdampfung und Abkühlung, wird in der Drosseleinrichtung 30.n auf den Gesamtdruck des darunter befindlichen Ausdampfelements 21.2 entspannt, durchströmt das mittlere Ausdampfelement 21.2 unter partieller Ausdampfung und Abkühlung, wird in der Drosseleinrichtung 30.2 auf den im unteren Ausdampfelement 21.1 vorliegenden Gesamtdruck entspannt und durchströmt unter partieller Ausdampfung und Abkühlung das untere Ausdampfelement 21.1. Das abgekühlte Konzentrat 31 wird aus dem unteren Ausdampfelement 21.1 abgeleitet.
Das in den Kondensierelementen 20.1 bis 20.n abgeschiedene Destillat 32.n bis 32.1 wird über eigenständige Drosselelemente 33.n bis 33.2 zur weiteren Abkühlung durch die nachfolgenden Kondensierelemente 20.2 und 20.1 geleitet und abschließend aus dem unteren Kondensierelement 20.1 abgeführt. Alternativ kann das Destillat im Gegenstrom zu angepassten, aus dem Hauptstrom der kalten verunreinigten Flüssigkeit abgezweigten Teilströmen abgekühlt werden.
Dieser energiesparende kombinierte Aufheiz-, Rückverflüssigungs- und Ausdampfzyklus lässt sich mit einer mehrfachen (n-fachen) Serienschaltung der vorgenannten komplementären Elemente und mit mehreren darin operierenden gesamtdruckgestuften Trägergasumläufen in Temperaturabschnitten von ca. 10 K zu einem zusammenhängenden Ausdampf-/Kondensationstemperaturintervall (Prozesstemperaturintervall) von mehr als 150 K erweitern. Das Verfahren entfaltet so seine optimalen Wirkungen. Bis zu 5 solcher auf unterschiedlichen Druckstufen arbeitenden, komplementären Elementepaare können in einem gemeinsamen Modulbehälter angeordnet werden. In den Druckstufen zirkulieren in geschlossenen Kreisläufen jeweils konstante Trägergasmengen.
Eine andere Ausführungsform von flüssigkeitsseitig seriell geschalteten Ausdampf- und Kondensierelementen zeigt 3. In dieser Darstellung sind komplementäre Kondensierelemente 40.1 bis 40.3 und komplementäre Ausdampfelemente 41.1 bis 41.3 zu einer komplementären Gruppe 40/41 zusammengefasst. Durch und zwischen diesen zu einer Gruppe zusammengefassten komplementären Elementen zirkuliert mit konstantem Gesamtdruck ein zwischen den komplementären Elementen mengenangepasster Trägergasumlauf 42 in Gegenstromrichtung zur verunreinigten Flüssigkeit.
Nach jedem Ausdampfelement wird jeweils ein in seiner Menge angepasster dampfgesättigter Trägergasteilstrom mittels der Ventilatoren 44.1 bis 44.3 in das zugehörige komplementäre Kondensierelement übergeleitet. Die Anpassung erfolgt in einer Weise, dass in den einzelnen Ausdampfelementen möglichst gleiche Dampfmengen ausdampfen und diese von den angepassten Trägergasmengen aufgenommen und in den komplementären Kondensierelementen unter maximal möglicher Aufheizung des Kühlmittels verflüssigt und abgekühlt werden. Die zu der komplementären Gruppe 40/41 zusammengefassten Elemente sind in dem Modulbehälter 43 angeordnet. Der Modulbehälter 43 stellt die äußere Begrenzung des Gesamtdruckraumes dar. In einem Modulbehälter können wiederung bis zu 5 komplementäre Elementepaare angeodnet sein. Durch jedes Elementepaar zirkuliert bei konstantem Behälterdruck das dampfgesättigte Trägergas in angepassten Mengen.
Wie die 4 zeigt, können mehrere Modulbehälter 50.1 bis 50.3, wie sie in 3 beispielhaft beschrieben sind, flüssigkeitsseitig seriell geschaltet werden. In jedem Modulbehälter herrscht ein anderer konstanter Gesamtdruck . Mit dieser Methode kann das zusammenhängende Prozesstemperaturintervall zu höheren Temperaturen hin erweitert werden. Bis zu 5 Modulbehälter können so verschaltet werden. In 4 ist zum Beispiel ein Prozesstemperaturintervall von 90 K dargestellt
Die Kondensiereinrichtungen 51.1 bis 51.3 der Module werden mit Hilfe der Pumpe 56 von der verunreinigten Flüssigkeit in Richtung zunehmendem Gesamtdruck durchströmt und die komplementären Ausdampfeinrichtungen 52.3 bis 52.1 in Richtung abnehmendem Gesamtdruck. In jedem Modul 50.1 bis 50.3 zirkuliert zwischen und durch die komplementären Elemente ein Trägergasumlauf 53.1 bis 53.3 mit angepasstem Gesamtdruck. Der Gesamtdruck (Arbeitsdruck) in den Modulen steigt in Stufen mit der Ausdampftemperatur der in die Module eintretenden verunreinigten Flüssigkeit.
Zwischen den Modulen 50.3 und 50.2 und den Modulen 50.2 und 50.1 befinden sich ausdampfelementeseitig Drosseleinrichtungen 54.3 bis 54.2 für die gestufte Entspannung der eingeleiteten verunreinigten Flüssigkeit. Die Destillatströme 55.1 bis 55.3 werden in derselben Weise behandelt, wie in 2 beschrieben. Sie addieren sich von Stufe 3 in Richtung Stufe 1. Die Nachheizung der verunreinigten Flüssigkeit erfolgt über die Heizeinrichtung 57.
Die modulare Bauart nach 3 eignet sich besonders gut für eine kostengünstige Fertigungsweise und die Verschaltung nach 4 bietet die Möglichkeit, Anlagen in jeder Leistungsgröße herzustellen. Zur Steigerung der Produktausbeuten können mehrere derartige Module flüssigkeitsseitig parallel und/oder seriell geschaltet werden.
Zur höheren Anreicherung der verunreinigten Flüssigkeit kann entweder ein Teilstrom des Konzentratablaufs in einer Modulkaskade, wie sie beispielhaft in 4 ausgeführt ist, recycliert werden oder, der Konzentratablauf einer ersten Modulkaskade dient als Zulauf für eine weitere Modulkaskade, wobei mehrere Modulkaskaden dann seriell von der verunreinigten Flüssigkeit durchströmt werden.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Destillatausbeute und zur Steigerung der Endkonzentration der verunreinigten Flüssigkeit besteht darin, dass in den einzelnen Temperaturabschnitten des Prozesstemperaturintervalls mehrere gleichartige Module von der verunreinigten Flüssigkeit parallel durchströmt werden und das gesammelte und zusammengeführte Konzentrat derselben Zahl von Modulen des nachfolgenden Temperaturabschnitts zugeführt wird. Dies geschieht der Reihe nach in Richtung abnehmender Temperatur durch sämtliche Temperaturabschnitte und endet mit dem kalten Konzentrataustritt.
Im Falle der Trinkwassergewinnung aus Meerwasser eignet sich das beanspruchte Verfahren auch zur Kombination mit den herkömmlichen MSF- oder MED-Verfahren. Während letztere Verfahren speziell im oberen Sättigungsdruckbereich effizient und in kompakter Bauweise arbeiten, weist das beanspruchte Verfahren diese Eigenschaften im unteren Sättigungsdruckbereich des Trennprozesses auf. Die Kombination beider Verfahren verspricht einen Kosten- und Energie optimierten Anlagentyp. Der beanspruchte Verfahrensteil lässt sich auch in bestehende MSF-Anlagen integrieren und nachrüsten.

Claims

Ausdampfverfahren zur Reinigung und/oder Aufkonzentrierung verunreinigter Flüssigkeiten dadurch gekennzeichnet, dass a) eine verunreinigte Flüssigkeit als wärmeaufnehmendes Kühlmittel zur Vorwärmung durch eine Kondensiereinrichtung geleitet ist, b) eine erwärmte verunreinigte Flüssigkeit zur Ausdampfung und Abkühlung durch eine Ausdampfeinrichtung geleitet ist, c) ein dampfgesättigtes Trägergas zwischen der Kondensiereinrichtung und der Ausdampfeinrichtung zirkuliert, d) die verunreinigte Flüssigkeit in einer ersten Strömungsrichtung durch die Kondensiereinrichtung und die Ausdampfeinrichtung geführt ist und e) das Trägergas in einer zweiten Strömungsrichtung durch beide Einrichtungen geleitet ist, die der ersten entgegengerichtet ist, f) das Trägergas innerhalb der Ausdampfeinrichtung die verunreinigte Flüssigkeit direkt kontaktiert und Dampf aus der ausdampfenden verunreinigten Flüssigkeit aufnimmt, g) das Dampf angereicherte Trägergas aus der Ausdampfeinrichtung abgeleitet und in die Kondensiereinrichtung eingeleitet ist, h) das Dampf angereicherte Trägergas in der Kondensiereinrichtung unter Auskondensation des gespeicherten Dampfes Wärme an die vorzuwärmende verunreinigte Flüssigkeit abgibt, i) die verunreinigte Flüssigkeit in die Kondensiereinrichtung eingeleitet ist, j) das abgekühlte gereinigte Destillat aus der Kondensiereinrichtung abgeleitet ist und k) das abgekühlte Konzentrat der verunreinigten Flüssigkeit aus der Ausdampfeinrichtung abgeleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte Flüssigkeit zwischen den Schritten a) und b) zur weiteren Erwärmung durch eine Heizeinrichtung geleitet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung des Schrittes a) innerhalb der Kondensiereinrichtung eine Wärmeaustauscheinrichtung angeordnet ist, durch die innenseitig die verunreinigte Flüssigkeit geleitet ist und auf deren außenseitiger Oberfläche sich unter der Kühlwirkung der verunreinigten Flüssigkeit der im Trägergas gespeicherter Destillatdampf niederschlägt und abkühlt.
Wärmeaustauscheinrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ihre wärmeübertragenen Oberflächen mit selektiv wirkenden Nanostrukturbeschichtungen überzogen sind.
Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Wirkung folgende Eigenschaften begünstigt, Ausbildung einer Tropfenkondensation, Korrosionsbeständigkeit des Strukturmaterials, Antihaftwirkung der thermisch ausgefällten Karbonate und Hydroxide sowie eine verminderte Reibung der strömenden Fluide.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der höchste Gesamtdruck von der Temperatur der verunreinigten Flüssigkeit am Austritt der Heizeinrichtung bestimmt ist und der niedrigste Gesamtdruck von der Temperatur der verunreinigten Flüssigkeit am Eintritt der Wärmeaustauscheinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergas ein Edelgas, Luft oder Stickstoff oder Kohlendioxid oder ein anderes gegenüber der verunreinigten Flüssigkeit und dem Strukturmaterial chemisch inert verhaltendes Gas oder gasförmiges Gemisch eingesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensiereinrichtung mehrere von der verunreinigten Flüssigkeit seriell durchströmte Kondensierelemente enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdampfeinrichtung mehrere von der verunreinigten Flüssigkeit seriell durchströmte Ausdampfelemente enthält.
Verfahren nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein komplementäres Kondensierelement und ein komplementäres Ausdampfelement ein komplementäres Elementepaar bilden.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere komplementäre Elementepaare seriell von der verunreinigten Flüssigkeit durchströmt sind.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte Flüssigkeit die Kondensierelemente der Kondensiereinrichtung seriell in Richtung gestuft zunehmendem Gesamtdruck und die Ausdampfelemente der Ausdampfeinrichtung seriell in Richtung gestuft abnehmendem Gesamtdruck passiert.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass in jedem einzelnen komplementären Elementepaar ein geschlossener, mit einem angepassten Gesamtdruck operierender Trägergasumlauf zirkuliert.
Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere komplementäre Elementepaare zu einer Gruppe zusammengefasst sind und in dieser Gruppe ein geschlossener Trägergasumlauf mit einem angepassten Gesamtdruck realisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass komplementäre Teile der Ausdampfeinrichtung innerhalb der komplementären Teile der Kondensiereinrichtung oder beide komplementären Einrichtungsteile in demselben Behälter angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Trägergasumlauf mit einem angepassten, die Trägergasmenge festlegenden Gesamtdruck und mit einem unteren und einem oberen Dampfgehalt im Trägergas über einen Temperaturabschnitt operiert.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass oberer und unterer Dampfgehalt des Trägergases und auch die umlaufende Trägergasmenge durch die Sättigungstemperaturen der verunreinigten Flüssigkeit am Ein- und Austritt eines Ausdampfelementes festgelegt sind.
Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtdruck in den einzelnen Elementepaaren in derartigen Stufen angepasst ist, dass in den einzelnen Trägergasumläufen für die Dampfaufnahme in den sich ergänzenden Temperaturabschnitten dieselben oder annähernd dieselben Trägergasmengen zirkulieren.
Verfahren nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass von jedem Ausdampfelement einer Elementegruppe ein mengenangepasster, dampfangereicherter Teilstrom des Trägergases zum zugehörigen, komplementären Kondensationselement überwechselt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Druckstufen Verbindungsleitungen angeordnet sind, in denen partiell aufgeheizte Teilströme von verunreinigter Flüssigkeit von den Kondensierelementen der Kondensiereinrichtung zu komplementären Ausdampfelementen der Ausdampfeinrichtung übergeleitet sind oder in umgekehrter Richtung partiell ausgedampfte, abgekühlte Teilströme von verunreinigter Flüssigkeit von einzelnen Ausdampfelementen zu komplementären Kondensierelementen überwechseln.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlauf des dampfgesättigten Trägergases mittels mechanischer Ventilation realisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass in jedem geschlossenen Trägergasumlauf mindestens zwei Tropfenabscheider integriert sind.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdampfelemente aus mechanisch stabilen, temperaturbeständigen und chemisch resistenten Stoffaustauschstrukturen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere komplementäre Elementepaare oder zu einer Gruppe zusammengefasste komplementäre Elementepaare in einem gemeinsamen, den betreffenden Gesamtdruckbereich eingrenzenden Behälter angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb der Ausdampfeinrichtung von einer höheren in die nächst niedrigere Druckstufe übertretende verunreinigte Flüssigkeit mittels einer Drosseleinrichtung auf den niedrigeren Gesamtdruck entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass sich die einzelnen aus den Druckstufen der Kondensiereinrichtung abgeleiteten gereinigten Destillatströme in separaten Wärmeaustauscheinrichtungen im Gegenstrom zu einzeln angepassten Teilströmen der verunreinigten Flüssigkeit abkühlen, während sich im Gegenzug die einzelnen Teilströme der verunreinigten Flüssigkeit erwärmen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einer dem Schritt a) vorgeschalteten Prozessstufe die eintretende verunreinigte Flüssigkeit mit den Restwärmen von austretendem Destillat und austretendem Konzentrat vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass besagte Heizeinrichtung zur Nachheizung der verunreinigten Flüssigkeit Sonnenkollektoren oder Einrichtungen zur Nutzung industrieller Abwärme beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 weiter bestehend aus einem Schritt, in dem mindestens ein Teil der verunreinigten Flüssigkeit vor oder während des Schrittes a) vorbehandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 29 dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Vorbehandlung eine Vorbehandlung mittels Kristallisation, Filterung, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Bestrahlung oder Kombinationen derselben beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte Flüssigkeit eine temperatursensible Komponente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die pharmazeutische Verbindungen, ein Polypeptid, einen DNA-Strang oder einen RNA-Strang enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte Flüssigkeit Meerwasser ist, das Destillat Trinkwasser und das Konzentrat nutzbare Sole.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verunreinigte Flüssigkeit umweltschädliche Dünnsäure ist, das Destillat Nutzwasser und das Konzentrat regenerierte Gebrauchssäure.
Verfahren nach Anspruch 32 dadurch gekennzeichnet, dass es mit gewöhnlichen MSF- oder MED-Verdampfungsstufen kombiniert ist.
Verfahren nach Anspruch 34 dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Verfahren MSF-oder MED-Stufen den oberen Sättigungsdruckbereich abarbeiten und Trägergas-Ausdampfstufen den unteren, im Unterdruckbereich liegenden Sättigungsdruckbereich.