-
Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten
sowie ein Verfahren zur Durchführung
eines entsprechenden Destillationsvorganges.
-
Die
Erfindung ist anwendbar für
Destillationsvorgänge
in der chemischen und Lebensmittelindustrie sowie zur Entsalzung
von Meerwasser, bei dem beispielsweise die Kondensationswärme von bereits
verdampftem Wasser oder Dampf auf das in die Einrichtung eingeleitete
Meerwasser übertragen wird.
-
Aufgrund
der ständig
wachsenden Erdbevölkerung,
eines damit verbundenen steigenden Wasserbedarfs des Einzelnen und
der globalen Klimaänderungen
erschöpfen
sich die natürlichen
Wasservorräte
zunehmend durch Übernutzung
und Versalzung. Von einer besonders gravierenden Knappheit sind
aride und semiaride Gebiete an den Küsten der Erde betroffen, weshalb
die Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser eine zunehmende und
immer wichtigere Bedeutung erlangt.
-
Da
in diesen Gebieten natürlich
vorkommendes Trinkwasser knapp, jedoch Meerwasser in ausreichender
Menge vorhanden ist, bietet sich der Einsatz von Verfahren und Anlagen
zur Trennung von Meerwasser in seine Bestandteile Trinkwasser und Salz
(bzw. Sole) an.
-
Ein
Typ von Meerwasserentsalzungsanlagen, der sich durch einen geringen
Energieaufwand pro gewonnenen Liter Trinkwasser auszeichnet, beinhaltet
so genannte Rieselfilmwärmeübertrager.
-
Bei
diesen Einrichtungen wird die eine Seite des Wärmeübertragers mit fein verteiltem
Meerwasser besprengt („berieselt"), das dort teilweise
verdampft. Auf der anderen Seite des Wärmeübertragers wird bereits verdampftes
Wasser gekühlt,
wobei dieses teilweise kondensiert. Die dabei abgegebene Kondensationswärme wird
auf das eingehende Meerwasser übertragen
und somit zu dessen Verdampfung genutzt.
-
Die
Effizienz von solchen Anlagen und damit die pro Energieeinheit gewonnene
Wassermenge lassen sich durch eine Reihenschaltung von Wärmeübertragern (bis
zu 30) wesentlich erhöhen,
da der in einem Wärmeübertrager
erzeugte Dampf jeweils für die
Erwärmung
des nach geschalteten Wärmeübertragers
genutzt wird.
-
Für Rieselfilmwärmeübertrager
werden üblicherweise
teure Werkstoffe wie Edelstahl, Kupferwerkstoffe oder Titan eingesetzt.
Außerdem
sind derartige Wärmeübertrager
meistens aufwändig
verschraubt oder verschweißt.
-
Deshalb
liegen die Investitionskosten für Meerwasserentsalzungsanlagen
bedingt durch die große
Anzahl an benötigten
Wärmeübertragern
bislang so hoch, dass sie in vielen ärmeren Ländern nicht für die Trinkwasserversorgung
und generell nicht für
die Landwirtschaft eingesetzt werden können.
-
Derartige
Wärmeübertrager
sind üblicherweise
als stehende oder liegende Rohrbündel
ausgeführt.
Die Rohre sind dabei mit ihren Enden jeweils in entsprechenden Öffnungen
einer Metallplatte, einem so genannten Boden, eingewalzt oder eingelötet; sie weisen
meist große
Nennweiten sowie große
Volumina auf. Die Wärmetauscher
sind daher vergleichsweise groß und
schwer, woraus folgt, dass für
sie aufwändige
Gehäuse-
und Statikbauteile benötigt
werden.
-
Zudem
verhindern die Rohrbündel
eine günstige
lokale Verteilung der Inertgase, weshalb einerseits der Wärmetransportkoeffizient
durch den Inertgaseinfluss abnimmt und andererseits überdimensionierte
Vakuumpumpen benötigt
werden.
-
Sind
die Rohre liegend angeordnet, kommt noch hinzu, dass konstruktionsbedingt
eine Zunahme der Wasserfilmdicke im oberen und unteren Bereich zu
verzeichnen ist, wodurch der Wärmetransportkoeffizient
und somit die Effizienz des Wärmeübertragers
weiter verringert wird.
-
Plattenwärmeübertrager
werden gegenwärtig
nur in wenigen Fällen
als Verdampfer-Kondensatoren
für Meerwasserentsalzungsanlagen
eingesetzt. Diese Plattenwärmeübertrager
beruhen auf Konzepten für
Flüssig-Flüssig-Wärmeübertrager,
das heißt, sie
sind quer zum Dampfstrom angeordnet und die Plattenoberflächen sind
zudem stark strukturiert, weshalb bei diesen Ausführungen
hohe Druckverluste zu verzeichnen sind.
-
Nachteilig
ist auch, dass bei den bisherigen Konstruktionen keine Möglichkeit
der gezielten Konzentration der Inertgase an speziellen Absaugpunkten
besteht.
-
In
den letzten zehn Jahren wurden verschiedene Lösungen für Plattenwärmetauscher und Komponenten
von Plattenwärmetauschern
vorgeschlagen, die aus vergleichsweise kostengünstigen Materialien herstellbar
sind.
-
So
wird in
DE 42 23 699
A1 angeregt, einen plattenförmig ausgebildeten Wärmeübertrager
aus Kunststoff herzustellen. Der Einsatz dieses Wärmeübertragers
soll sich besonders bei der Verwendung von flüssigen Medien, die aggressiv
und korrosionsbildend sind, anbieten, also auch in Meerwasserentsalzungsanlagen.
-
Obgleich
durch den Einsatz von Kunststoff eine hohe Korrosionsbeständigkeit
erreicht wird, der Wärmeübertrager
auch kostengünstiger
hergestellt werden kann und durch den speziellen plattenförmigen Aufbau
eine größere Wärmeübertragerfläche geschaffen
wird als bei einem vergleichbaren Röhrenwärmeübertrager, führen die
schlechten Wärmeübertragungseigenschaften
des Kunststoffs dazu, dass die vergrößerte Wärmeübertragerfläche nur vergleichsweise schlecht
genutzt wird. Der Wirkungsgrad eines solchen Wärmeübertragers ist demzufolge unbefriedigend.
-
In
DE 102 12 754 B4 ist
eine Wärmeübertragungseinrichtung
für zwei
gasförmige
Medien beschrieben, welche aus glatten bzw. nur leicht strukturierten,
parallel angeordneten Aluminiumblechen, die über zwischengelagerte Streifen
aus gleichem Material beabstandet werden, aufgebaut ist.
-
Die
Streifen dienen gleichzeitig der Trennung der beiden Medienströme. Typischerweise
beträgt der
Abstand der Bleche 1,2 mm, die Breite der Streifen 6 mm.
-
Als
Einsatzgebiete für
diesen Wärmeübertrager
werden die Heizungstechnik und allgemeine Aufgaben der Wärmerückgewinnung,
vor allem in der chemischen Industrie, angegeben. Hierbei soll er eine
absolute Medientrennung gewährleisten
und sich zudem bei einer großen Übertragungsfläche durch
vergleichsweise geringe Strömungswiderstände auszeichnen.
-
In
EP 1 204 495 B1 wird
ein Plattenwärmeübertrager
beschrieben, der aus gegenüberliegenden, parallelen
Wandungen aus Metallblech mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupfer
oder Aluminium, hergestellt ist. In der Fläche der Wandungen befinden
sich Verbindungsstellen, um die herum in jedem der Bleche ein Versteifungsrand
ausgebildet ist. Durch diese Ränder
sollen abschälende
Verformungen des Bleches im Bereich der Verbindungsstellen verhindert
werden, sodass auch verlötete oder
verklebte Verbindungsstellen einem erhöhten Innendruck standhalten.
-
Aus
Kupfer- bzw. Aluminiumblechen durch Löten oder Verkleben hergestellte
Plattenwärmeübertrager
sind generell kostengünstiger
und weisen vergleichsweise hohe Wirkungsgrade auf. Aufgrund ihres
geometrischen Aufbaus sind jedoch beide vorgenannten Wärmeübertrager
für die
Verwendung als Rieselfilmwärmeübertrager
ungeeignet.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zu schaffen, mit denen insbesondere eine große volumen- und gewichtsspezifische
Destillatleistung erbracht wird, ein hoher Wärmetransportkoeffizienten erzielt
wird und wobei die Einrichtung aus preisgünstigen Materialien unkompliziert
und insgesamt effektiv und preisgünstig herstellbar ist.
-
Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
mit einer Einrichtung mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1 und
mit einem Verfahren nach den Merkmalen gemäß dem Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis
5.
-
Die
Einrichtung weist gemäß der Erfindung flächenförmige Wandungen
mit jeweils einer im Wesentlichen rechteckförmigen Grundfläche auf,
an deren entlang von zwei sich tangierenden Stirnseiten jeweils
eine streifenförmig
und in einem definierten Winkel abgekantete (gebogene) Falzfläche angeordnet
ist.
-
Durch
eine entgegengesetzte Anordnung der Falzflächen werden jeweils eine vordere
Wandung und eine hintere Wandung gebildet.
-
Jeweils
eine vordere Wandung wird entlang ihrer Falzflächen mit den entgegen gesetzt
gerichteten Falzflächen
einer jeweils hinteren Wandung anliegend dicht verbunden, wodurch
eine Anzahl von Kammern mit durch Noppen beabstandeten Wandungen
und einem offenen Bereich (einer Öffnung) gebildet wird, welche
den Falzflächen
diagonal gegenüber
liegt.
-
Die
offenen Bereiche (Öffnungen)
der jeweiligen Kammern sind einerseits miteinander verbunden und
bilden andererseits einen freien Auslauf.
-
Schließlich ist
eine Anzahl von Kammern parallel derart zueinander angeordnet und
in einem Block mit entsprechenden Abschlusselementen zusammengefasst
in einer Trägeranordnung
befestigt, wobei die jeweils offene Bereiche (Öffnungen) der nebeneinander
liegenden Kammern wechselseitig versetzt sind und diagonal gegenüber liegen.
Ferner ist der Block mit einer Einrichtung zur definierten Berieselung
der Wandungen mit Meerwasser verbunden.
-
Durch
die mittels Noppen beabstandeten Wandungen besteht gegenüber den
herkömmlichen Plattenprägungen ein
Vorteil darin, dass hierdurch vergleichsweise geringere Druckverluste
auftreten.
-
Die
Blockbauweise ermöglicht
es beispielsweise in vorteilhafter Weise, eine entsprechende und bedarfsgerechte,
beliebige und vergleichsweise große Anzahl von Kammern zu einem
Block zusammen zu stellen.
-
Die
hierbei bevorzugt vertikal über
dem Block von flächenförmigen Wandungen
befindliche Rieseleinrichtung weist entgegen üblicher Anordnung keine Düsen auf,
sondern ist als sektorierte Rieselwanne mit Löchern ausgebildet, wodurch
eine Berieselung ermöglicht
wird.
-
Die
Effizienz der Einrichtung wird in vorteilhafter Weise dadurch erhöht, dass
im Betrieb die Wandungen der Kammern (Sektoren) intervallweise nacheinander
mit Wasser beaufschlagt werden, was zu einer schwallweisen Berieselung
der darunter liegenden Bereiche des Wärmeübertragers führt.
-
Eine
solche diskontinuierliche, so genannte Schwallberieselung ermöglicht im
Vergleich zu einer entsprechenden kontinuierlichen Berieselung höhere Wärmetransportkoeffizienten
und erleichtert außerdem
die erstmalige Benetzung des derart gebildeten Wärmeübertragers nach dessen Inbetriebnahme.
-
Der
Einsatz der Einrichtung gemäß der Erfindung
als Wärmeübertrager
für die
Entsalzung von Meerwasser weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass
eine kostengünstige
Herstellung mit guten Überragungswerten
unter der Verwendung von Aluminiumblechen ermöglicht werden kann, wobei sich rechteckförmige Bleche
am Einfachsten verarbeiten lassen.
-
Insbesondere
bei der Verwendung von Aluminiumblechen, die sich nur sehr schwer
schweißen bzw.
löten lassen,
ist es vorteilhaft, die kraftschlüssige und stoffdichte Verbindung
der Falzflächen
an den Wandungen durch flächiges
Verkleben und zusätzliches
Vernieten herzustellen. Durch das flächige Verkleben wird die Stoffdichtigkeit
und durch das zusätzliche
Vernieten eine hohe mechanische Belastbarkeit gewährleistet.
-
Für einen üblicherweise
erfolgenden Einsatz ist gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung der Block mit der Anzahl von Kammern mit entsprechenden
Mitteln zur Zuführung
von Wasserdampf verbunden, wobei der Wasserdampf in die Öffnungen
der entsprechenden Kammern eingeleitet wird und somit die Destillation
des als Rohwasser über
die Wandungen der Kammern verteilten Meerwassers erfolgt.
-
Um
eine optimale Durchströmung
der zur Destillation des Wasserdampfs genutzten Kammern zu erreichen,
ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen, Dichtmaterial, vorzugsweise in Form eines
Kunststoffschlauchs, in die entsprechenden Kammern einzulegen.
-
Dadurch
wird außerdem
ein definierter Dampfströmungsweg
gewährleistet
mit dem Vorteil, dass sich Inertgase, das heißt, nicht kondensierbare Gase,
die den Kondensationsprozess behindern, am Ende des Dampfströmungswegs
anreichern und dort gezielt abgesaugt werden können.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der zughörigen
Zeichnung zeigen
-
1:
eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung,
-
2:
eine Teilansicht auf die flächenförmigen Wandungen
von Kammern im Querschnitt,
-
3:
eine schematische Darstellung der Funktion der Einrichtung gemäß der Erfindung,
-
4:
das Schema einer Einrichtung zur Berieselung und Steuerung der Zuführung von
Meerwasser in die Einrichtung gemäß der Erfindung,
-
5:
eine schematische Darstellung der Funktion der Einrichtung zur Berieselung
der Kammern.
-
In
der 1 ist ein Ausschnitt aus einer als Rieselfilmwärmeübertrager
ausgebildeten Einrichtung vereinfacht dargestellt, die beispielsweise
aus achtzig Kammern besteht.
-
Die
Einrichtung setzt sich im Wesentlichen aus einer Abfolge von jeweils
gleichartigen vorderen Wandungen 1 und hinteren Wandungen 2 aus
Aluminium zusammen.
-
Die
Wandungen 1 und 2 weisen an den Rändern jeweils
eine Falzfläche 3; 3' und eine Falzfläche 4, 4' auf, die parallel
zu dem jeweiligen Blechrand verlaufen, wobei die Falzfläche 3 in
einem größeren Abstand
zum Rand verläuft
als die Falzfläche 4.
-
Die
Falzfläche 4 wird
am Blechrand jeweils durch einen Blechendstreifen 6 begrenzt.
Die Falzflächen 3 und 4 der
Wandungen 1 sind mit den entsprechend angeordneten Falzflächen 3' und 4' der Wandungen 2 verbunden.
-
Die
Wandungen 1 und 2 sind ferner jeweils über die
Blechendstreifen 6 mittels einer flächigen Verklebung 7 und
zusätzlich
durch Nieten 8 miteinander verbunden. Der räumliche
Verlauf aller Verklebungsstreifen bildet hierbei eine Spirale.
-
Die
Ecken der Wandungen 1 und 2 sind außerdem zur
Gewährleistung
einer guten mechanischen Stabilität der Anordnung und Blockbildung
mit den Trägern 9 verbunden.
-
Der
aus der Einrichtung gemäß der Erfindung
gebildete Wärmeübertrager
besteht nach dem Ausführungsbeispiel
aus vierzig im Wechsel von aufeinander folgenden Kammern 10 und 11,
welche einerseits als Kondensationskammern und andererseits als
Berieselungskammern dienen.
-
Wie
in 2 dargestellt ist, sind in den Wandungen 1; 2 Noppen 12 ausgeprägt, die
sich jeweils gegeneinander abstützen
und so die jeweiligen Kammern 10; 11 stabilisieren.
-
Jede
der als Kondensationskammer ausgebildeten Kammer 10 ist
zeichnungsgemäß nach links und
nach unten geöffnet.
-
Wie
in 3 schematisch dargestellt ist, wird Wasserdampf
von links in die jeweilige Kammer 10 (vgl. 1)
des Blocks eingeleitet, das als Rohwasser bezeichnete Meerwasser
wird von der zeichnungsgemäß oberen
Seite des Blocks in definierter Weise über die Wandungen 1; 2 (vgl. 1 bzw. 2)
geleitet.
-
Das
sich dadurch an den Wänden
bildende Destillat läuft
nach unten ab, die nicht kondensierbaren Gase werden auf der rechten
Seite abgesaugt.
-
Für eine definierte
Führung
des Gasstromes sind gemäß weiterer
Ausführung
Kunststoffschläuche
in die als Kondensationskammern ausgebildeten Kammern 10 eingelegt.
-
Die
Ansaugung der nicht kondensierbaren Gase erfolgt hierbei durch ein
Kunststoffrohr, dessen Ansaugende sich im zeichnungsgemäß rechten, oberen
Teil der als Kondensationskammer ausgebildeten Kammer 10 befindet.
-
Wie
in 4 schematisch darstellt, ist jede der als Berieselungskammer
ausgebildeten Kammer 11 (vgl. 1) nach
der zeichnungsgemäß rechten und
oberen Seite hin geöffnet.
-
Wie
aus der 4 ferner ersichtlich ist, erfolgt
die Berieselung der Kammern 11 mit Rohwasser über eine
sektorierte und mit Durchbrüchen
versehene und als Berieselungswanne ausgebildete Einrichtung 13.
-
Mit
Hilfe von entsprechenden Steuerventilen 14 werden die Sektoren
nacheinander mit Wasser befüllt,
mit der Folge, dass jeweils bestimmte Bereiche des als Wärmetauscher
ausgebildeten Blocks von Wandungen 1; 2 schwallweise
mit Rohwasser beaufschlagt werden.
-
Wie
in 5 schematisch dargestellt ist, verdampft ein Teil
des an den Wandungen 1; 2 der als jeweilige Berieselungskammer
ausgebildeten Kammern 11 entlang rinnenden Rohwassers.
Der Dampf wird gemäß dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
nach rechts abgesaugt.
-
Der
nicht verdampfte Teil des Rohwassers, die so genannte Sole, fließt hierbei
zeichnungsgemäß nach rechts
unten ab.
-
- 1
- Vorderes
Blech/vordere Wandung
- 2
- Hinteres
Blech/hintere Wandung
- 3;
3'
- Falzfläche jeweiliger
vorderer Wandung
- 4;
4'
- Falzfläche jeweiliger
hinterer Wandung
- 5
- Blechstreifen
(L-förmig)
- 6
- Blechendstreifen
- 7
- Verklebung
- 8
- Verbindungsmittel,
Niet
- 9
- Träger
- 10
- als
Kondensationskammer ausgebildete Kammer
- 11
- als
Berieselungskammer ausgebildete Kammer
- 12
- Noppen
- 13
- als
Berieselungswanne ausgebildete Einrichtung
- 14
- Steuerventil