DE102011108909A1

DE102011108909A1 - Membrandestillationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102011108909A1
Application number: DE102011108909A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Heinzl
Original assignee: AAA Water Technologies AG
Current assignee: MAJOR BRAVO LIMITED, VG
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2031-07-30
Also published as: US9861935B2; CN103732311B; DE102011108909B4; CN103732311A; AU2012292161A1; WO2013017520A1; AU2012292161B2; US20140216916A1

Abstract

Es wird eine Membrandestillationsvorrichtung mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit und zumindest eine Verdampfereinheit umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe angegeben, der Dampf zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand begrenzten, vom zugeführten Dampf beaufschlagten ersten Dampfraum und eine jeweilige Verdampfereinheit einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand begrenzten zweiten Dampfraum umfasst und in einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führender Strömungskanal vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit über die Kondensationswand erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf durch die Membranwand hindurch in den zweiten Dampfraum gelangt. Dabei ist wenigstens eine Kondensations-/Verdampfungsstufe durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert, die wenigstens einen weiteren Dampfraum umfasst, der vom der Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführten Dampf beaufschlagt wird und in dem der Dampf kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit vorgewärmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membrandestillationsvorrichtung mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit und zumindest eine Verdampfereinheit umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe, der Dampf zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (Feed) durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand begrenzten, vom zugeführten Dampf beaufschlagten ersten Dampfraum und eine jeweilige Verdampfereinheit einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand begrenzten zweiten Dampfraum umfasst und in einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führender Strömungskanal vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit über die Kondensationswand erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf durch die Membranwand hindurch in den zweiten Dampfraum gelangt. Dabei kann der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe ein Dampferzeuger vorgeschaltet und der letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe eine Kondensationsstufe nachgeordnet sein.
In der WO 2007/054311 ist eine so genannte Multieffekt-Membrandestillationsvorrichtung dieser Art beschrieben.
Bei vielen thermischen Verfahren ist die Reduktion des Energiebedarfs für die Sicherstellung eines wirtschaftlichen Anlagenbetriebs von entscheidender Bedeutung. Insbesondere bei Multieffekt-Entsalzungsanlagen beeinflusst die Art und Weise, wie die aufzukonzentrierende Flüssigkeit oder Lösung zugeführt wird, den thermischen Energiebedarf der Aufkonzentrierung in erheblichem Maße.
Bei einer beispielsweise der Multieffektentsalzung dienenden Membrandestillationsvorrichtung der genannten Art erfolgt die Aufkonzentration der Lösung in Stufen oder Effekten, die in Reihe aufeinander folgen. In jeder Stufe stellt sich eine andere Temperatur und im Gleichgewicht dazu ein anderer Druck ein, wenn das System frei von nicht kondensierbaren Gasen betrieben wird.
Im Dampferzeuger ist die Temperatur am höchsten, während sie zum Kondensator hin fortlaufend abnimmt.
Üblicherweise befindet sich die aufzukonzentrierende Lösung oder Flüssigkeit auf Umgebungstemperatur oder, wie bei der Entsalzung von Meerwasser, auf Meerwassertemperatur. Dabei kann die aufzukonzentrierende Flüssigkeit beispielsweise bei einer Verwendung von Meerwasser als Kühlwasser des Kondensators zwar bereits nach Verlassen des Kondensators in einem Temperaturbereich von 30 bis 40°C vorgewärmt sein. Diese Temperatur liegt jedoch von der Temperatur in der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe von 80 bis 50°C noch deutlich entfernt.
Wird die aufzukonzentrierende Flüssigkeit als Teilstrom des Kühlwasserstroms vorgewärmt nach dem Kondensator entnommen, so wird sie üblicherweise der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe nach dem Dampferzeuger zugeführt. In dieser Stufe wird dann Dampf mit höherer Energie benutzt, um die aufzukonzentrierende Flüssigkeit auf Verdampfungstemperatur zu bringen. Das Gesamtsystem arbeitet dann bei einer niedrigeren Temperatur in der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe. Die gesamte treibende Kraft zwischen Dampferzeuger und Kondensator nimmt dabei ab.
Der Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Membrandestillationsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein effektiveres Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit gewährleistet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens eine Kondensations-/Verdampfungsstufe durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert ist, die wenigstens einen weiteren Dampfraum umfasst, der vom der Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführten Dampf beaufschlagt wird und in dem der Dampf kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit vorgewärmt wird.
Aufgrund dieser Ausbildung wird eine deutlich effektivere Vorwärmung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erreicht.
Bevorzugt umfasst die Vorwärmeinrichtung wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Kanal, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wand begrenzt ist. Dabei kann der dem wenigstens einen weiteren Dampfraum der Vorwärmeinrichtung zugeführte Dampf an den wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wänden der die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Kanälen kondensieren.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membrandestillationsvorrichtung sind mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen, wobei zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen jeweils durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert ist.
Hierbei ist von Vorteil, wenn die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit zunächst der Vorwärmeinrichtung der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführt wird, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführt wird.
Die erste Vorwärmeinrichtung muss jedoch nicht zwingend in der letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe vorgesehen sein. Zudem muss auch nicht zwingend in jeder Kondensations-/Verdampfungsstufe eine Vorwärmeinrichtung enthalten sein.
Die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe wird bevorzugt vom Dampf eines Dampferzeugers beaufschlagt. Dabei kann dieser Dampf beispielsweise auch von extern, z. B. aus einer Dampfturbine, kommen.
Sind mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen, so wird vorteilhafterweise die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondensations-/Verdampfungsstufe vom in der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe entstehenden Dampf beaufschlagt.
Es können beispielsweise mehrere horizontal nebeneinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen und/oder mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen sein.
Die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe ist bevorzugt über einen horizontalen Sammelkanal vom Dampf eines Dampferzeugers beaufschlagt.
Sind mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen, so wird vorzugsweise der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe entstehende Dampf der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe über parallele horizontale Sammelkanäle zugeführt, die durch einen vertikalen Umlenkkanalabschnitt miteinander verbunden sind.
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Auführungsform mit mehreren vertikal untereinander angeordneten Kondensations-/Verdampfungsstufen kann der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe entstehende Dampf der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe auch vertikal zugeführt werden.
Das in den Kondensationseinheiten einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe entstehende gesammelte Kondensat wird vorzugsweise über eine Druckausgleichseinrichtung der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführt.
Sind mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen, so kann die Druckausgleichseinrichtung insbesondere einen Siphon umfassen.
Dabei umfasst der aufsteigende Teil eines solchen Siphons vorteilhafterweise Entspannungskanäle, die durch zumindest eine Membran begrenzt sind.
Dabei kann das Destillat von unten durch die Entspannungskanäle strömen, die den oder einen Teil des aufsteigenden Siphons bilden. Die Entspannungskanäle sind zweckmäßigerweise auf dem Druck der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe, so dass das Destillat aus der jeweils vorangehenden Stufe, in der ein höherer Druck als in der darauf folgenden Stufe vorherrscht, schlagartig unter Dampfbildung entspannen kann. Der Dampf kann dann durch die Membran in den Dampfraum der nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe strömen und muss nicht wie in einem Rohr nach oben abströmen. Ein Leerheben des Siphons durch Dampfblasen wie in einem Rohr erfolgt also nicht. Der entstehende Dampf kondensiert in den Kondensationskanälen oder Kondensationseinheiten der nachfolgenden Stufe.
Aus jeder Kondensations-/Verdampfungsstufe und dem Kondensator werden am toten Ende der Kanäle für den eintretenden Dampf zweckmäßigerweise die Inertgase abgezogen.
Zur Druckabtrennung zwischen zwei aufeinander folgenden Kondensations-/Verdampfungsstufen können wie erwähnt Siphons eingesetzt werden. Solche Siphons können beispielsweise als Membranrahmen vorgesehen sein. Auf der nach unten strömenden Seite des Siphons steht der höhere Druck an, während auf der nach oben strömenden Seite des Siphons der niedrigere Druck ansteht. In beiden Stufen wird der Prozess an der Siedetemperatur gefahren. Im nach oben strömenden Teil des Siphons kommt es jetzt zu einem spontanen Sieden der Flüssigkeit. Ist der Durchmesser zu klein ausgelegt, heben die Siedeblasen wie eine Mammutpumpe den aufsteigenden Teil leer. Es kommt zum Druckkurzschluss zwischen den Stufen. Jetzt kann im aufsteigenden Teil des Siphons die ganze aufsteigende Länge oder z. B. der obere Teil durch Rahmen mit Kanälen, die zumindest auf einer Seite von einer Membran begrenzt sind, ersetzt werden. Der beim Entspannen der Flüssigkeit entstehende Dampf kann unmittelbar über die Membran in den Dampfraum der nachfolgenden Stufe entweichen und muss nicht wie in einem Rohr komplett im Rohr nach oben steigen.
Die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit tritt in eine jeweilige Kondensations-/Verdampfungsstufe ein und wird vom in diese Stufe eintretenden Dampf erwärmt. Der Vorgang verläuft selbst regelnd, da nur so lange ein Temperaturunterschied zwischen der vorzuwärmenden Flüssigkeit und dem Dampf besteht, wie Dampf in die Vorwärmkanäle strömt.
Die Membrandestillationsvorrichtung kann zumindest teilweise als modulares Strömungssystem mit einer Vielzahl von Rahmenelementen ausgeführt sein, wobei die verschiedenen Funktionseinheiten insbesondere eine jeweilige Kondensationseinheit, eine jeweilige Verdampfereinheit, eine jeweilige Heizeinheit des Dampferzeugers, eine jeweilige Kühleinheit des Kondensators, ein jeweiliger weiterer Dampfraum sowie ein jeweiliger Vorwärmkanal der Vorwärmeinrichtung, ein jeweiliger Entspannungskanal eines Siphons usw. jeweils in Form eines solchen Rahmenelements sein können. Die Rahmenelemente können mit Stegstrukturen versehen sein, über die sie insbesondere zur Bildung des Verdampfers, einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe, der Kondensationsstufe usw. miteinander verbindbar sind. Die Rahmenelemente können jeweils einen von einem äußeren Rahmen umschlossenen Innenbereich umfassen, der vorzugsweise mit einem insbesondere gitterartigen Abstandshalter versehen ist, auf dessen beiden Seiten insbesondere zur Bildung eines jeweiligen Dampfraums, eines jeweiligen Heizfluidraums, eines jeweiligen Kühlfluidraums usw. insbesondere jeweils eine Funktionsfläche, vorzugsweise eine Folie oder Membran aufgebracht sein kann.
Die Multieffekt-Membrandestillationsvorrichtung kann also zumindest teilweise insbesondere aus Rahmenelementen aufgebaut sein. Die Rahmenelemente können aufgebrachte Funktionsflächen umfassen. Es sind insbesondere die folgenden Arten von Rahmenelementen denkbar: beidseitig jeweils mit einer Membran versehenes Rahmenelement, beidseitig jeweils mit einer fluiddichten Folie versehenes Rahmenelement, mit einer Folie bespanntes, Fluidkanäle aufweisendes Rahmenelement. Beispielsweise aus solchen Rahmenelementen kann die erfindungsgemäße Membrandestillationsvorrichtung zumindest teilweise aufgebaut werden.
Bevorzugt befindet sich die aufzukonzentrierende Lösung über alle Stufen auf der zum Absolutdruck im Dampfraum einer jeweiligen angrenzenden Verdampfereinheit korrespondierenden Siedetemperatur, wie dies in der WO 2007/0543211 beschrieben ist, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen wird.
Der in die Kondensationseinheiten eintretende Dampf kondensiert an den Kondensationsflächen. Die entsprechende Wärme wird über die betreffende Fläche an die aufzukonzentrierende Flüssigkeit übertragen. Der in dieser entstehende Dampf tritt durch die Membran der angrenzenden Verdampfereinheit hindurch in deren Dampfraum, der mit dem Druck des Dampfraums der jeweiligen Kondensationseinheit der darauf folgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe kommuniziert.
Bei den Stegstrukturen, über die die einzelnen Rahmenelemente miteinander verbunden werden können, kann es sich beispielsweise um Schweißstegstrukturen oder Klebestrukturen handeln, über die die Rahmenelemente miteinander verschweißt bzw. verklebt werden. Im Fall von Schweißstegstrukturen kann zur Verbindung der Rahmenelemente beispielsweise ein Reibschweißverfahren, Laserschweißverfahren und/oder Heizelementschweißverfahren angewandt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
1 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit einer eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe,
2 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit zwei horizontal nebeneinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen,
3 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen,
4 eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen,
5 eine schematische Teildarstellung einer mit der der 4 vergleichbaren Membrandestillationsvorrichtung, wobei zusätzlich die Entsorgung nicht kondensierbarer Gase dargestellt ist, und
6 eine schematische Teildarstellung einer mit der der 5 vergleichbaren Membrandestillationsvorrichtung, wobei als Druckausgleichseinrichtung ein Siphon vorgesehen ist, dessen aufsteigender Teil Entspannungskanäle umfasst, die durch zumindest eine Membran begrenzt sind.
1 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit beispielsweise einer zumindest eine Kondensationseinheit K und zumindest eine Verdampfereinheit V umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe 12. Im vorliegenden Fall sind mehrere Kondensationseinheiten und mehrere Verdampfereinheiten V vorgesehen.
Der Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 wird Dampf 14 von einem nicht dargestellten Dampferzeuger zugeführt. Ferner ist die Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 (Feed) durchströmt.
Dabei umfasst eine jeweilige Kondensationseinheit K einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand 18 begrenzten, vom zugeführten Dampf 14 beaufschlagten ersten Dampfraum 20 und eine jeweilige Verdampfereinheit V einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand 22 begrenzten zweiten Dampfraum 24. Dabei ist in der Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit K und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit V gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führender Strömungskanal 26 vorgesehen, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 über die Kondensationswand 18 erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 entstehender Dampf 14' durch die Membran 22 hindurch in den zweiten Dampfraum 24 gelangt.
Die Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 ist durch eine integrierte Einrichtung 28 zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert. Dabei umfasst diese Vorwärmeinrichtung 28 wenigstens einen weiteren Dampfraum 30, der vom der Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeführten Dampf 14 beaufschlagt wird und in den der Dampf 14 kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 vorgewärmt wird. Wie anhand der 1 zu erkennen ist, sind im vorliegenden Fall mehrere weitere Dampfräume 30 vorgesehen.
Zudem umfasst die Vorwärmeinrichtung 28 wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führenden Kanal 32, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden flüssigkeitsdichten Wand 34 begrenzt ist. Wie anhand der 1 zu erkennen ist, sind im vorliegenden Fall mehrere die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führende Kanäle 32 vorgesehen.
Zweckmäßigerweise kann wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand 34 in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen sein.
Wie anhand der 1 zu erkennen ist, tritt die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 an der Stelle ”A” in die Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 ein, wo sie zunächst in der am Ende dieser Stufe vorgesehenen Vorwärmeinrichtung 28 vorgewärmt wird. Die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 wird an der Stelle ”B” aus der Vorwärmeinrichtung 28 herausgeführt und eingangsseitig der Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 wieder zugeführt. Dabei gelangt die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 insbesondere parallel in die verschiedenen Strömungskanäle 26. Das Konzentrat bzw. die aufkonzentrierte Flüssigkeit wird dann an der Stelle ”C” aus dieser Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 herausgeführt. Der in den zweiten Dampfräumen 24 entstehende Dampf wird an der Stelle ”D” aus der Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 herausgeführt.
Bei dieser Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 mit integrierter Vorwärmeinrichtung 28 tritt die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 also in die Stufe ein und wird vom ebenfalls in die Stufe eintretenden Dampf vorgewärmt. Der Vorgang ist selbst regelnd, da nur so lange ein Temperaturunterschied zwischen der vorzuwärmenden aufzukonzentrierenden Flüssigkeit und dem Dampf besteht, wie Dampf in die weiteren Dampfräume 30 strömt. Die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 strömt in den Kanälen 32, die von einer wärmeleitenden flüssigkeitsdichten Wand 34 begrenzt sind. Dabei kann wenigstens eine wärmeleitende flüssigkeitsdichte Wand 34 in Form einer ebenen Fläche, eines Rohre oder eines Hohlfades vorgesehen sein.
Die 2 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele von Membrandestillationsvorrichtungen 10, die jeweils mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen 12 umfassen. Dabei ist zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen 12 jeweils durch eine integrierte Einrichtung 28 zum Vorwärmen der auf zukonzentrierenden Flüssigkeit 16 erweitert.
Bei diesen jeweils mehrere Kondensations-/Verdampfungsstufen 12 umfassenden Membrandestillationsvorrichtungen 10 wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 jeweils zunächst der Vorwärmeinrichtung 28 der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung 28 der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeführt, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal 26 der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeführt wird.
Dabei wird die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 jeweils vom Dampf 14 eines Dampferzeugers beaufschlagt. Dagegen wird die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 vom in der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 entstehenden Dampf 14' beaufschlagt.
2 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit horizontal nebeneinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen 12. Dabei findet in jeder Stufe wieder Kondensation und Verdampfung statt. In der zweiten Stufe strömt die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 in Kanälen 32 und wird von dem aus der ersten Stufe in die zweite Stufe eintretenden Dampf 14' erwärmt. Dabei handelt es sich bei dem Dampf 14' um den in der ersten Stufe neu entstehenden Dampf.
Die in der zweiten Stufe vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 strömt in die Kanäle 32 der der ersten Stufe zugeordneten Aufwärmeinrichtung 28 und wird von dem in diese erste Stufe einströmenden kondensierenden Dampf weiter erwärmt. Die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 kann dann dieser ersten Stufe als durch Verdampfung aufzukonzentrierende Flüssigkeit zugeführt werden.
3 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen 12.
Im vorliegenden Fall wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 von unten nach oben durch die Kondensations-/Verdampfungsstufen 12 geführt.
Wie anhand der 3 zu erkennen ist, wird die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 über einen horizontalen Sammelkanal 36 mit Dampf 14 des Dampferzeugers beaufschlagt. Der in der oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 entstehende Dampf 14' wird der darunter angeordneten nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe über zwei parallele horizontale Sammelkanäle 38 zugeführt, die durch einen vertikalen Umlenkabschnitt 40 miteinander verbunden sind.
Der den Kondensations-/Verdampfungsstufen 12 jeweils zugeführte Dampf tritt auch in die weiteren Dampfräume 30 der diesen Stufen 12 zugeordneten Vorwärmeinrichtungen 28 ein. Wie auch bei den anderen Ausführungsformen sind die weiteren Dampfräume 30 einer jeweiligen Vorwärmeinrichtung 28 jeweils zumindest teilweise durch wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Kondensationswände 34 begrenzt.
Wie bereits erwähnt, wird der Dampf beim Übergang von der oberen ersten Stufe zur unteren zweiten Stufe über einen vertikalen Kanalabschnitt 40 vertikal umgeleitet. Der in die untere zweite Stufe eintretende Dampf tritt nach seiner horizontalen Verteilung in die ersten Dampfräume 20 der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 ein, die jeweils zumindest teilweise von einer Kondensationswand 18 begrenzt sind. Die Kondensationswärme wird über die die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führende Strömungskanäle 26 übertragen, und durch Temperatur- und Druckunterschiede entsteht neuer Dampf 14', der durch die Membranwände 22 in die zweiten Dampfräume 24 tritt.
Das in den ersten Dampfräumen 20 der oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 entstehende Kondensat wird gesammelt und über eine z. B. einen Siphon 44 umfassende Druckausgleichseinrichtung der nächsten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeführt.
Im aufsteigenden Teil des Siphons 44 kommt es zu einer Entspannungsverdampfung des Destillats durch Druckunterschiede. Am Ende eines jeden ersten Dampfraums oder Kondensationskanals 20 sind Öffnungen zum Abtransport der nicht kondensierbaren Gase mit entsprechender Verrohrung von Stufe zu Stufe vorgesehen.
4 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufen 12.
Im vorliegenden Fall strömt der Dampf aus einem jeweiligen zweiten Dampfraum 24 der oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 unmittelbar, d. h. ohne Umlenkung, vertikal in einen jeweiligen ersten Dampfraum bzw. Kondensationskanal 20 der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12. In jeder Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 ist wieder eine Vorwärmeinrichtung 28 integriert. Im vorliegenden Fall wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit bzw. Lösung 16 von unten nach oben durch die Stufen geführt. Dabei wird die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 in jeder weiteren Stufe weiter erwärmt. Nach der letzten Vorwärmung in der der oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeordneten Vorwärmeinrichtung 28 wird die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 dann dieser oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 als die durch Verdampfung aufzukonzentrierende Flüssigkeit bzw. Lösung 16 zugeführt.
5 zeigt in schematischer Teildarstellung eine mit der der 4 vergleichbare Membrandestillationsvorrichtung 12, wobei zusätzlich die Entsorgung nicht kondensierbarer Gase dargestellt ist. Eine entsprechende Entsorgung nicht kondensierbarer Gase kann auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt. Einander entsprechenden Teilen der verschiedenen Ausführungsformen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
6 zeigt in schematischer Teildarstellung eine mit der der 5 vergleichbare Membrandestillationsvorrichtung 12, wobei im vorliegenden Fall als Druckausgleichseinrichtung ein Siphon 44 vorgesehen ist, dessen aufsteigender Teil Entspannungskanäle 46 umfasst, die jeweils durch zumindest eine Membran 48 begrenzt sind.
Die Entspannungskanäle 46 bilden also zumindest einen Teil des Siphons 48. Im vorliegenden Fall ist eine solche einen Siphon umfassende Druckausgleichseinrichtung zwischen der oberen ersten Stufe und der darauf folgenden, darunter angeordneten zweiten Stufe dargestellt. Grundsätzlich kann eine solche Druckausgleichseinrichtung jedoch auch zwischen einer beliebigen vorangehenden und einer unmittelbar darauf folgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe vorgesehen sein.
Wie anhand der 6 zu erkennen ist, strömt das Destillat von unten durch die Entspannungskanäle 46, die den oder einen Teil des aufsteigenden Teils des Siphons 44 bilden. Die Entspannungskanäle 46 sind auf dem Druck der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12, so dass das Destillat aus der oberen ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12, die einen höheren Druck als die zweite Stufe besitzt, schlagartig unter Dampfbildung entspannen kann. Der dabei entstehende Dampf kann dann durch die jeweilige Membran 48 in die jeweiligen ersten Dampfräume 20 der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 strömen und muss nicht wie in einem Rohr nach oben abströmen. Ein Leerheben des Siphons durch Dampfblasen wie in einem Rohr erfolgt nicht. Der entstehende Dampf kondensiert in den ersten Dampfräumen oder Kondensationskanälen 20 der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12. Das entstehende Kondensat wird der darauf folgenden, nicht dargestellten dritten Stufe über eine entsprechende Druckausgleichseinrichtung 44 bzw. Siphon wie zwischen den beiden ersten Stufen zugeführt.
Bezugszeichenliste

10: Membrandestillationsvorrichtung
12: Kondensations-/Verdampfungsstufe
14: Dampf von einem Dampferzeuger
14': in einer jeweiligen Vorstufe neu entstehender Dampf
16: aufzukonzentrierende Flüssigkeit
18: Kondensationswand
20: erster Dampfraum
22: Membranwand
24: zweiter Dampfraum
26: Strömungskanal
28: Vorwärmeinrichtung
30: weiterer Dampfraum
32: Kanal
34: Wärme leitende, flüssigkeitsdichte Wand
36: horizontaler Sammelkanal
38: horizontaler Sammelkanal
40: vertikaler Umlenkkanalabschnitt
42: Kondensat
44: Druckausgleichseinrichtung, Siphon
46: Entspannungskanal
48: Membran
K: Kondensationseinheit
V: Verdampfungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/054311 [0002]
WO 2007/0543211 [0031]

Claims

Membrandestillationsvorrichtung (10) mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit (K) und zumindest eine Verdampfereinheit (V) umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12), der Dampf (14, 14') zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit (K) einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand (18) begrenzten, vom zugeführten Dampf (14, 14') beaufschlagten ersten Dampfraum (20) und eine jeweilige Verdampfereinheit (V) einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand (22) begrenzten zweiten Dampfraum (24) umfasst und in einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit (K) und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit (V) gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führender Strömungskanal (26) vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) über die Kondensationswand (18) erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) entstehender Dampf (14') durch die Membranwand (22) hindurch in den zweiten Dampfraum (24) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) durch eine integrierte Einrichtung (28) zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) erweitert ist, die wenigstens einen weiteren Dampfraum (30) umfasst, der vom der Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführten Dampf (14, 14') beaufschlagt wird und in dem der Dampf (14, 14') kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) vorgewärmt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmeinrichtung (28) wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führenden Kanal (32) umfasst, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wand (34) begrenzt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand (34) in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen (12) jeweils durch eine integrierte Einrichtung (28) zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) erweitert ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) zunächst der Vorwärmeinrichtung (28) der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung (28) der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführt wird, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führender Strömungskanal (26) der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) vom Dampf (14) eines Dampferzeugers beaufschlagt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) vom in der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehenden Dampf (14') beaufschlagt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere horizontal nebeneinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet erste Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) über einen horizontalen Sammelkanal (36) vom Dampf (14) eines Dampferzeugers beaufschlagt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehende Dampf (14') der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) über parallele horizontale Sammelkanäle (38) zugeführt wird, die durch einen vertikalen Umlenkkanalabschnitt (40) miteinander verbunden sind.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehende Dampf (14') der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) vertikal zugeführt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Kondensationseinheiten (K) einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehende gesammelte Kondensat (42) über eine Druckausgleichseinrichtung (44) der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass die Druckausgleichseinrichtung einen Siphon (44) umfasst.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aufsteigende Teil des Siphons (44) Entspannungskanäle (46) umfasst, die durch zumindest eine Membran (48) begrenzt sind.