DE102007003988B3

DE102007003988B3 - Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102007003988B3
Application number: DE200710003988
Authority: DE
Inventors: Klaus Richter; Frank Peter Helmus; Frank Ostrau
Original assignee: FRIEDRICH HIPPE MASCHINENFABRI; Friedrich Hippe Maschinenfabrik und Geratebau GmbH
Current assignee: FRIEDRICH HIPPE MASCHINENFABRI; Friedrich Hippe Maschinenfabrik und Geratebau GmbH
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-01-27
Also published as: WO2008089809A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten, insbesondere zur Destillation von Abwässern aus organischen Abfällen wie Gülle mit einem einen Wärmetauscher 2, eine dem Wärmetauscher 2 in Strömungsrichtung des Dampfes vorgeordneten Verdichter 6, ein Abwassersammelbecken, einen Destillatabfluss 13 sowie eine Abwasserzufuhr 5 aufweisenden, mit einem Unterdruckerzeuger 10 verbindbaren Behälter 1. Um einen verbesserten Wärmeübergang zu haben und einer Verkrustungsneigung vorzubeugen, ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher 2 ganz oder teilweise in der zu destillierenden Flüssigkeit 3 getaucht angeordnet und ein Teil des erzeugten Dampfes einem im Abwassersammelbehälter unterhalb eines gewählten Füllstandspiegels 4 angeordneten, mit zumindest einer Öffnung zum Sammelbecken in versehenen Dampfumformer 9 zuführbar ist (Figur).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten, insbesondere zur Destillation von Abwässern aus organischen Abfällen wie Gülle, mit einem Wärmetauscher, eine dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Dampfes vorgeordneten Verdichter, ein Abwassersammelbecken, einen Destillatabfluss sowie eine Abwasserzufuhr aufweisenden, mit einem Unterdruckerzeuger verbindbaren Behälter, wobei das Abwassersammelbecken und der Wärmetauscher an den Unterdruckerzeuger anschliessbar sind.
Eine Vorrichtung der vorgenannten Art ist aus der DE 102 02 026 bekannt. Hierbei ist zusätzlich zu dem Unterdruckbehälter ein Flüssigkeitszwischenspeicher vorgesehen, wobei der Zwischenspeicher über eine Verbindungsleitung mit dem Unterdruckbehälter in Strömungsverbindung steht. Abgesehen davon, dass diese Vorrichtung relativ aufwändig baut, haftet ihr der Nachteil an, dass zur Erzeugung von Dampf aus dem Abwasser im Sammelbecken relativ viel Energie zuzuführen ist, um einen kontinuierlichen Destillationsprozess sicherzustellen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass mit verbesserter Energiebilanz eine Vorrichtung zur Destillation von beispielsweise Gülle, Gärresten und dergleichen, zur Verfügung gestellt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten der eingangs genannten Art dadurch aus, dass der Wärmetauscher ganz oder teilweise in der zu destillierenden Flüssigkeit getaucht angeordnet ist und ein Teil des erzeugten Dampfes einem im Abwassersammelbehälter unterhalb eines gewählten Füllstandspiegels angeordneten, mit zumindest einer Öffnung zum Sammelbecken hin versehenen Dampfumformer zugeführt werden kann.
Damit ist eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die z.B. in Biogasanlagen anfallende Gärreste in ihrem Volumen stark reduzieren kann. Damit geht zum einen der Vorteil einher, dass die für die Verwertung der Gärreste erforderlichen landwirtschaftlichen Flächen minimiert werden können. Zum Anderen entfällt bzw. reduziert sich erheblich die notwendige Lagerung ausserhalb der Zeiträume, in denen die Gärreste als Flüssigdünger aufgebracht werden dürfen. Auf Grund der verbesserten Energiebilanz, die sich mit der Vorrichtung nach der Erfindung erzielen lässt, wird nur eine geringe Energiemenge bezogen auf die zu verdampfende Flüssigkeitsmenge benötigt. Diese kann beispielsweise auch aus einem in einem Blockheizkraftwerk anfallende Abwärme und zu einem geringen Anteil auch durch elektrische Energie abgedeckt werden.
Die vorliegende Erfindung kombiniert in vorteilhafter Weise ein Verfahren der Brüdenverdichtung und der Wasserbaddampfumformung mit dem in die siedende Flüssigkeit eingetauchten Wärmetauscher. Damit kann durch aufsteigende Siedeblasen eine Cross-Flow-Strömung erzeugt werden, die wesentlich zur Verbesserung des Wärmeübertragungsverhaltens im Bereich des Wärmetauschers führt. Darüber hinaus kann die Verkrustungsneigung am Wärmetauscher durch das an sich schwierig zu handhabende Medium (Neigung zum Biofouling, Geruchsemission und dgl.) günstig beeinflusst werden. Dadurch lassen sich in einem wesentlichen Masse Anschaffungs- und Betriebskosten, aber auch Reinigungsintervalle reduzieren.
Um die Energiebilanz noch weiter zu verbessern, ist zweckmässigerweise vorzusehen, dass eine Teilmenge des Dampfes, der nach dem Verdichter bzw. dem Gebläse vorliegt, noch vor Eintritt in den Wärmetauscher über eine Bypassleitung dem Abwasser im Abwassersammelbecken über den Dampfumformer zugeführt werden kann. Ein anderer Teil der Brüden kann z.B. mittels eines feinen Sprühnebels, beispielsweise mittels Leitungswassers, gesättigt werden. Die so geschaffene Sattdampfathmosphäre ermöglicht einen besseren Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschers, beispielsweise innerhalb eines Plattenwärmetauschers. Die verdichteten und gesättigten Brüden gelangen in den Wärmetauscher, wo sie kondensieren. Um den Temperaturverlauf innerhalb des Wärmetauschers zu erfassen und ggf. auch zu steuern, können beispielsweise verschiedene Temperaturmessstellen vorgesehen sein.
Mit der Vorrichtung lässt sich in energetisch günstiger Weise ein kontinuierlicher Destillationsprozess einstellen, wobei bevorzugtermassen über eine Bypassleitung immer ein Teil des erzeugten Dampfes für den weiteren Verdampfungsprozess abgezogen wird. Zweckmässigerweise ist dabei auch ein Teil der Bypassleitung innerhalb der Flüssigkeit geführt, so dass darüber ebenfalls die Flüssigkeit über den Dampf mit erhitzt werden kann, bevor der Dampf in den Dampfumformer gelangt.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus weiteren Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten nach der Erfindung dargestellt.
Allgemein mit 1 ist ein Unterdruckbehälter bezeichnet, in dessen Innenraum ein Wärmetauscher 2 angeordnet ist. Der Behälter 1 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und an der Ober- und Unterseite mit jeweils Klöpperböden 1.1 und 1.2 zu verschliessen. Der Wärmetauscher 2 ist innerhalb der im Abwassersammelbekken bevorrateten, zu destillierenden Flüssigkeit 3 getaucht angeordnet, die eine Füllstandshöhe 4 innerhalb des Behälters 1 hat. Die zu destillierende Flüssigkeit wird über einen Zulauf 5 in den Behälter 1 eingebracht. Oberhalb des Füllstandsspiegels spiegels 4 ist innerhalb des Behälters 1 ein Gebläse bzw. ein Radialverdichter 6 vorgesehen. Diesem Radialverdichter 6 ist eine Vorrichtung zur Zerstäubung von Wasser nachgeschaltet. Diese Vorrichtung ist allgemein mit 7 gekennzeichnet. Der Vorrichtung 7 wird über die Leitung 8 zum Beispiel Leitungswasser zugeführt. Innerhalb der Flüssigkeit ist im Bereich des Behälterbodens 1.1 ein Dampfumformer 9 vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Vakuumpumpe 10 vorgesehen, beispielsweise eine Flüssigkeitsringvakuumpumpe, die den notwendigen Unterdruck in der gesamten Vorrichtung einstellt. Über einen Ablauf 11 kann das Konzentrat abgezogen werden. Vom Verdichter 6 ist über eine Leitung 12 der verdichtete und überhitzte Brüden zunächst mittels eines Wassersprühnebels zu sättigen. Die so geschaffene Sattdampfathmosphäre ermöglicht einen besseren Wärmeübergang innerhalb des Wärmetauschers 2. Die verdichteten und gesättigten Brüden gelangen in den Wärmetauscher 2, wo sie kondensieren. Um den Temperaturverlauf innerhalb des Wärmetauschers zu erfassen, können beispielsweise an verschiedenen Stellen Temperaturmessungen durchgeführt werden und in einer geeigneten Steuervorrichtung für die Steuerung des gesamten Prozesses weiterverarbeitet werden. Die Steuervorrichtung ist nicht dargestellt.
Der insgesamt in der erfindungsgemäßen Vorrichtung stattfindende Prozess gestaltet sich wie folgt:
Die beispielsweise aus einem Biogasprozess erwärmten Gärreste gelangen über ein nicht näher dargestellte Armatur füllstandsgeregelt in das Innere des Behälters 1, an den über die Vakuumpumpe 10 ein Unterdruck angelegt ist. Zum Beispiel auf halber Höhe des Wärmetauschers 2 kann die Temperatur durch einen Temperaturfühler gemessen werden. Oberhalb des Wärmetauschers 2 wird der Brüden durch den Verdichter 6 angesaugt und verdichtet, wobei sich eine Temperatur- und Druckerhöhung einstellt. Direkt am Ausgang des Verdichters 6 kann ein Teil der verdichteten überhitzten Brüden abgezweigt und zu dem unten innerhalb der Flüssigkeit angeordneten Wasserbaddampfumformer 9 geleitet werden. Der andere Teil der Brüden wird mittels eines freien Wassersprühnebels, gesättigt. Die verdichteten und gesättigten Brüden gelangen in den Wärmetauscher 2 zwecks Kondensation. Das Brü denkondensat wird über die Leitung 13 der z.B. als Flüssigkeitsringvakuumpumpe ausgebildeten Pumpe 10 zugeführt und aus dem Behälter gefördert. Ein Teil des abgeführten Brüdenkondensats kann über einen manuell zu betätigenden Kugelhahn zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitsrings der Vakuumpumpe wieder zurückgeführt werden.
Der hinter dem Verdichter 6 abgezweigte Teil der überhitzten Brüden wird über den Wasserbaddampfumformer 9 in die Gärreste eingeleitet. Durch das Einleiten des Sattdampfes wird ein Teil der sich im Behälter 1 befindenden Flüssigkeit verdampft. Dadurch, dass der Wärmetauscher 2 in die siedende Flüssigkeit eingetaucht ist, steigen die Siedeblasen an den Wärmeübertragungsflächen auf und erzeugen eine Cross-Flow-Strömung. Diese Cross-Flow-Strömung erhöht einerseits die Turbulenz, was mit einem verbesserten Wärmeübertragungsverhalten verbunden ist, und vermindert andererseits die Verkrustungsneigung. Durch das verbesserte Wärmeübertragungsverhalten lassen sich geringere Wärmeübertragungsflächen und somit geringere Investitionen realisieren. Die verringerte Verkrustungsneigung lässt verlängerte Betriebszyklen zu. Das entstehende Konzentrat am Behälterboden kann ebenfalls über eine Armatur oder Pumpe über die Leitung 11 abgeführt werden.
Es ist möglich, noch weitere Druck- und Temperaturmessungen durchzuführen, um den gesamten Prozess zu überwachen und zu steuern. So können die Drücke am Ein- und Austritt des Verdichters 6 und am Wärmetauscherausgang gemessen werden. Des weiteren können die Temperaturen am Behälterboden oberhalb des Flüssigkeitsniveaus, am Wärmetauschereingang, am Ein- und Austritt des Verdichters 6, am Antrieb des Verdichters und am Austritt des Wärmetauschers 2 im Kondensatstrom messtechnisch erfasst und zur Steuerung des Prozesses weiterverarbeitet werden.

Claims

Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten, insbesondere zur Destillation von Abwässern aus organischen Abfällen wie Gülle mit einem Wärmetauscher (2) zur Kondensation von Dampf, eine dem Wärmetauscher (2) in Strömungsrichtung des Dampfes vorgeordneten Verdichter (6), ein Abwassersammelbecken, einen Destillatabfluss (13) sowie eine Abwasserzufuhr (5) aufweisenden, mit einem Unterdruckerzeuger (10) verbindbaren Behälter (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) ganz oder teilweise in der zu destillierenden Flüssigkeit (3) getaucht angeordnet und ein Teil des erzeugten Dampfes einem im Abwassersammelbehälter unterhalb eines gewählten Füllstandspiegels (4) angeordneten, mit zumindest einer Öffnung zum Abwassersammelbecken hin versehenen Dampfumformer (9) zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Dampfes zwischen dem Verdichter (6) und dem Wärmetauscher (2) eine Bypaßleitung (14) zum Dampfumformer (9) hin vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Dampfes mittels eines Wassersprühnebels gesättigt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Destillatabfluss (13) des Behälters (1) am Wärmetauscher (2) ausgebildet und dieser über den Destillatabfluss mit dem Unterdruckerzeuger (10) verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruckerzeuger (10) über eine Verbindungsleitung (13) mit dem Wärmetauscher (2) und dem Verdichter (6) verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Dampfes vor dem Wärmetauscher (2) eine Wasserzufuhr (7) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (1) zwei voneinander getrennte Räume vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) spritzgeschützt vor dem Abwasser im Sammelbecken innerhalb des Unterdruckbehälters (1) angeordnet ist.
Unterdruckbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) in einem gegenüber dem Abwassersammelbecken abgetrennten Bereich des Behälters (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den getrennten Räumen des Behälters (1) ein Druckausgleich einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Verdichters (6) steuerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Unterdruckbehälter (1) ein Schauglas für eine Füllstandsanzeige vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypaßleitung (14) mit einer Leitungsstrecke unterhalb des Füllstandspiegels (4) geführt ist.