DE102016006389B3

DE102016006389B3 - Vorrichtung und Verfahren zur Destillation

Info

Publication number: DE102016006389B3
Application number: DE102016006389.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-24
Filing date: 2016-05-24
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2036-05-25

Abstract

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, dass Flüssigkeiten destilliert werden sollen, wobei der energetische Wirkungsgrad möglichst hoch sein soll. Bei herkömmlichen Destillator-Typen fällt oftmals entweder der Wirkungsgrad vergleichsweise niedrig oder der technische Aufwand vergleichsweise hoch aus. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Destillations-Vorrichtung sowie ein entsprechendes Destillationsverfahren, in welcher bzw. welchem ein Verdampfer, ein Verdichter und ein Kondensator kombiniert werden. Der Verdichter beruht auf der Beschleunigung von Gas- oder Dampf-Ionen in einem elektrostatischen Feld. Dabei nehmen die beschleunigten Ionen den umliegenden Dampf mit, was zu einer entsprechenden Verdichtung und Temperaturerhöhung führt. Der Verdampfer und der Kondensator stehen über einen Wärmetauscher thermisch miteinander in Verbindung, sodass die eingesetzte Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit(en) mindestens teilweise zurückgewonnen wird. Durch den einfachen Aufbau der Gesamtvorrichtung und insbesondere des Verdichters wird ein hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig geringem technischen Aufwand erzielt. Die Erfindung kann für beliebige Destillations-Prozesse verwendet werden. Als mögliche Beispiele seien hier die Verwendung als Meerwasserentsalzungsanlage und das Raffinieren von Erdöl genannt.

Description

Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, bei welchem Flüssigkeiten erst verdampft und dann wieder kondensiert werden. Dadurch können verschiedene Flüssigkeiten voneinander oder Flüssigkeiten von darin gelösten Fremdstoffen getrennt werden. Zur Verdampfung von Flüssigkeiten sind typischerweise sehr hohe Energiemengen nötig. Bei einigen Destillatortypen wird die eingesetzte Verdampfungsenthalpie nicht oder nur in geringem Maße zurückgewonnen, so dass die Wirkungsgrade recht niedrig ausfallen.
Zur Rückgewinnung der Verdampfungsenthalpie und entsprechenden Erhöhung des Wirkungsgrades können beispielsweise Wärmetauscher eingesetzt werden, in welchen dem Kondensat Wärme entzogen und der/den zu verdampfenden Flüssigkeit(en) wieder zugeführt wird. Der entsprechende technische Aufwand, um dabei höhere Wirkungsgrade zu erreichen, ist allerdings oft recht hoch.
Ein wichtiger Faktor bei der Destillation und entsprechenden Verdampfung ist die Temperatur. Während auch bei niedrigeren Temperaturen bereits Verdunstung auftritt, wird für eine höhere Verdampfungsgeschwindigkeit und entsprechend hohe Destillatproduktion typischerweise ein Sieden der Flüssigkeit(en) angestrebt. Die Siedetemperatur hängt von der/den zu verdampfenden Flüssigkeit(en) sowie vom Umgebungsdruck ab. Bei atmosphärischem Druck sind die für Sieden nötigen Temperaturen typischerweise recht hoch, so dass zusätzlich zur für die Verdampfung nötigen Energie auch noch viel Energie für die entsprechende Aufheizung der Flüssigkeit(en) von Umgebungstemperatur auf die Siedetemperatur eingesetzt werden muss.
Soll das Sieden ohne vorheriges Aufheizen bereits bei typischen Umgebungstemperaturen einsetzen, so kann dies durch ein Absenken des Systemdruckes auf den der Umgebungstemperatur entsprechenden Dampfdruck der zu verdampfenden Flüssigkeit(en) erreicht werden. Die Dampfdrücke typischer zu verdampfender Flüssigkeiten liegen dabei unterhalb des Standardumgebungsdruckes, so dass die Dampfdichte bei einer entsprechenden Absenkung des Systemdruckes typischerweise entsprechend niedrig ist.
Die oben angesprochene Rückgewinnung der Verdampfungsenthalpie in einem Wärmetauscher setzt voraus, dass im Kondensator eine höhere Temperatur herrscht als im Verdampfer. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Dampf verdichtet wird. Die Druckerhöhung führt zur gewünschten Temperaturerhöhung. Zur Verdichtung des Dampfes können beispielsweise mechanische Verdichter eingesetzt werden. Entsprechende Verfahren werden als „Mechanische Dampfkompression” bezeichnet.
Verdichter üblicher Bauart weisen oft eine Vielzahl mechanischer Komponenten und Bauteile auf. In Abhängigkeit von der vorliegenden Dichte des zu verdichtenden Dampfes oder Gases sowie vom gewünschten Durchsatz werden dabei teilweise sehr hohe Drehzahlen eingesetzt. Diese führen zu hohen Beanspruchungen einiger Verdichterbauteile und oftmals hohem Verschleiß und Geräuschentwicklung. Dadurch sind die Anforderungen an die Qualität der Verdichterkomponenten oft sehr hoch, was sich auch auf die Herstellungskosten entsprechender Verdichter niederschlägt.
Wie bei der oben angesprochenen Mechanischen Dampfkompression liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, dass in einem Destillationsprozess der Dampf (bzw. ein Dampf-Gas-Gemisch) komprimiert werden soll, um die Verdampfungsenthalpie zurückzugewinnen und zirkulieren zu lassen, wodurch der Wirkungsgrad des Destillationsprozesses erhöht werden kann. Anders als bei der Mechanischen Dampfkompression sollen dabei aber keine beweglichen Bauteile zum Einsatz kommen. Außerdem soll der Verdichter einen möglichst einfachen Gesamtaufbau und möglichst wenig Einzelteile aufweisen.
Der Stand der Technik umfasst verschiedene Verdichtungsverfahren, welche ohne bewegliche Bauteile auskommen. Im Patent US 2 765 975 A wird eine Vorrichtung beschrieben, in welcher ein elektrostatischer Verdichter, welcher auf Korona-Entladungen und dadurch entstehendem Ionenwind beruht, zur Förderung von Gasen eingesetzt wird. Patent DE 39 25 749 C1 beschreibt eine mikro-miniaturisierte elektrostatische Pumpe zur Verdichtung von Gasen. Der Stand der Technik umfasst weiterhin Vorrichtungen und Verfahren, in welchen elektrostatische Effekte bei der Destillation verschiedener Flüssigkeiten eingesetzt werden. So beschreibt Offenlegungsschrift WO 2008/088 211 A2 ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, in welchem bzw. welcher Salzwasser entsalzt wird, wobei elektrisch aufgeladene salzhaltige Flüssigkeitströpfchen durch Anlegen eines elektrostatischen Feldes davon abgehalten werden, sich mit dem Kondensat zu vermischen. Patent US 2 362 889 A beschreibt ein Verfahren, in welchem die Destillations-Geschwindigkeit sowie die Destillat-Qualität durch das Anlegen eines elektrostatischen Feldes zwischen einem Verdampfer und einem Kondensator erhöht werden.
Das in Absatz [07] beschriebene Problem wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Dabei wird ein elektrostatischer Verdichter eingesetzt, welcher verhältnismäßig wenige Einzelteile aufweist und ohne bewegliche mechanische Bauteile auskommt. Dies führt zu geringem Verschleiß und geringer Geräuschentwicklung. Die geringe Anzahl an Einzelteilen sowie die verhältnismäßig geringen Anforderungen an die Qualität der eingesetzten Bauteile erlauben eine Herstellung zu verhältnismäßig geringen Kosten.
Typischerweise ist die Erfindung aus den folgenden Hauptkomponenten aufgebaut (siehe 1): Einem Verdampfer (1), einem elektrostatischen Verdichter (2), einem Kondensator (3) und einem Wärmetauscher (4) zwischen Kondensator und Verdampfer. Dabei besteht der elektrostatische Verdichter typischerweise aus einem Ionisator (5) und einem elektrostatischen Feld (6), welches zwischen mindestens zwei Elektroden (7) mittels Hochspannung erzeugt wird. Im Ionisator wird der Dampf durch mindestens ein elektrisches Wechselfeld, welches zwischen mindestens zwei Elektroden angelegt wird, teilweise ionisiert. Die Ionen (8) werden dann mittels des elektrostatischen Feldes beschleunigt. Dabei kollidieren sie mit umliegenden Gas- oder Dampfatomen, so dass diese beschleunigt werden und sich der Staudruck im Gas bzw. Dampf erhöht. Die sich einstellende Ionendriftgeschwindigkeit ist typischerweise deutlich unter Lichtgeschwindigkeit. Wird der beschleunigte Dampf im Anschluss aufgestaut, so erhöht sich der Druck im Dampf entsprechend (siehe Druckerhöhung (9)), was gleichzeitig zu einer Zunahme der Dampftemperatur führt (siehe Temperaturdifferenz (10)). Die Beispielstromlinie (11) zeigt einen möglichen Pfad eines Dampfteilchens vom Verdampfer, durch den Verdichter und in den Kondensator an.
Die Verschaltung des das elektrostatische Feld erzeugenden Gleichspannungs-Generators (12) mit dem das elektrische Wechselfeld erzeugenden Wechselspannungs-Generator (13) ist so ausgeführt wie in 2 dargestellt. Dabei liegt an der einen der beiden Ionisator-Elektroden (14), der sogenannten Gleichspannungs-Elektrode, das reine Gleichspannungspotenzial an, während dieses bei der zweiten Ionisator-Elektrode (15), der sogenannten Mischspannungs-Elektrode, mit der Wechselspannung überlagert ist. Dadurch bewirkt im Nahbereich der Ionisator-Elektroden das elektrische Wechselfeld (16) eine (Teil-)Ionisierung des Dampfes bzw. Gases, während der Gleichspannungsanteil im weiteren Verlauf des Verdichters eine Beschleunigung der Ionen (8) in Richtung der geerdeten Elektrode (17) und damit des umliegenden ungeladenen Dampfes bzw. Gases bewirkt. Zwischen der Gleichspannungs-Elektrode (14) und der geerdeten Elektrode (17) liegt somit eine Gleichspannung (18) an, während zwischen der Mischspannungs-Elektrode (15) und der geerdeten Elektrode (17) eine Mischspannung (19) anliegt.
Zwischen den Wechselfeld-Elektroden ist eine dielektrische Barriere angebracht, so dass es zu Stiller Elektrischer Entladung kommt. Dabei entsteht ein Plasma, also ein teilionisiertes Gas, bei geringer elektrischer Leistungsaufnahme und Geräuschentwicklung. Durch die im Plasma entstehende ultra-violette Strahlung werden weitere Dampf- bzw. Gasmoleküle ionisiert. Die Entstehung eines Lichtbogens bzw. elektrischen Durchschlages wird durch die dielektrische Barriere verhindert.
In Schutzanspruch 2 wird ein entsprechendes Verfahren zur Destillation mit Rückgewinnung der Verdampfungsenthalpie beschrieben. Dieses wird in einer Vorrichtung wie oben beschrieben durchgeführt. Dabei bewirkt im Nahbereich der Ionisator-Elektroden das elektrische Wechselfeld (16) eine Ionisierung oder Teilionisierung des Dampfes bzw. Gases, während der Gleichspannungsanteil im weiteren Verlauf des Verdichters eine Beschleunigung der Ionen (8) in Richtung der geerdeten Elektrode (17) und damit des umliegenden ungeladenen Dampfes bzw. Gases bewirkt.
Wie in Schutzanspruch 3 dargestellt, kann der erfindungsgemäße Destillations-Prozess bei geringerem Druck als dem atmosphärischen Druck betrieben werden. Wird der Destillations-Prozess weiterhin, wie in Schutzanspruch 4 dargestellt, unter weitgehendem Ausschluss von Fremdgasen betrieben, so kann der Dampf ungehindert strömen und kondensieren, ohne zuvor durch die nicht-kondensierenden Fremdatome diffundieren zu müssen, was entsprechend zu einer höheren Kondensationsrate führt.
Wie im Schutzanspruch 5 dargestellt, kann das erfindungsgemäße Destillations-Verfahren dazu eingesetzt werden, um Meerwasser oder Brackwasser zu entsalzen. Dies kann sowohl für die Herstellung von Trinkwasser oder Brauchwasser als auch für die Herstellung von Meersalz verwendet werden.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Destillations-Verfahren auch, wie in Schutzanspruch 6 dargestellt, zum Raffinieren von Erdöl eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer
2: elektrostatischer Verdichter
3: Kondensator
4: Wärmetauscher
5: Ionisator
6: elektrostatisches Feld
7: Elektrode
8: Ion
9: Druckerhöhung
10: Temperaturdifferenz und entsprechender Wärmestrom
11: Beispiel-Stromlinie eines Dampfteilchens
12: Gleichspannungs-Generator
13: Wechselspannungs-Generator
14: Gleichspannungs-Elektrode
15: Mischspannungs-Elektrode
16: elektrisches Wechselfeld
17: geerdete Elektrode
18: Gleichspannung
19: Mischspannung

Claims

Destillations-Vorrichtung aufweisend eine Kombination von mindestens einem Verdampfer mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem Kondensator, wobei der bzw. die Verdampfer und der Kondensator bzw. die Kondensatoren thermisch miteinander in Verbindung stehen, sodass die eingesetzte Verdampfungsenthalpie der Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten mindestens teilweise zurückgewonnen wird, und wobei weiterhin der bzw. die Verdichter auf der Beschleunigung von Gas- oder Dampf-Ionen in mindestens einem elektrostatischen Feld, welches bzw. welche mit einem oder mehreren elektrischen Wechselfeldern überlagert ist bzw. sind, und der entsprechenden Mitnahme und Verdichtung des umliegenden ungeladenen Gases und/oder Dampfes beruht bzw. beruhen, wobei ein elektrostatischer Verdichter aus einem Ionisator (5) und einem elektrostatischen Feld (6) besteht, welches zwischen mindestens zwei Elektroden mittels Hochspannung erzeugt wird, wobei ein das elektrostatische Feld erzeugender Gleichspannungs-Generator (12) mit einem das elektrische Wechselfeld erzeugenden Wechselspannungs-Generator (13) so verschaltet ist, dass an der einen der beiden Ionisator-Elektroden (14), der sogenannten Gleichspannungs-Elektrode, das reine Gleichspannungspotenzial anliegt, während dieses bei der zweiten Ionisator-Elektrode (15), der sogenannten Mischspannungs-Elektrode, mit der Wechselspannung überlagert ist, so dass zwischen der Gleichspannungs-Elektrode (14) und einer geerdeten Elektrode (17) eine Gleichspannung (18) anliegt, während zwischen der Mischspannungs-Elektrode (15) und der geerdeten Elektrode (17) eine Mischspannung (19) anliegt, und wobei zwischen den Elektroden des Ionisators bzw. der Ionisatoren eine oder mehrere dielektrische Barrieren angebracht sind, so dass es zu Stiller Elektrischer Entladung kommt und ein Plasma entsteht.
Verfahren zur Destillation mit Rückgewinnung der Verdampfungsenthalpie, durchgeführt in einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei im Nahbereich der Ionisator-Elektroden das elektrische Wechselfeld (16) eine Ionisierung oder Teilionisierung des Dampfes bzw. Gases bewirkt, während der Gleichspannungsanteil im weiteren Verlauf des Verdichters eine Beschleunigung der Ionen (8) in Richtung der geerdeten Elektrode (17) und damit des umliegenden ungeladenen Dampfes bzw. Gases bewirkt.
Destillations-Verfahren nach Anspruch 2 wobei die Verdichtung bei geringerem Druck als atmosphärischem Druck stattfindet.
Destillations-Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3 wobei die Verdichtung unter weitgehendem Ausschluss von Fremdgasen stattfindet.
Destillations-Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4 wobei Meerwasser oder Brackwasser mindestens teilweise entsalzt wird.
Destillations-Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4 wobei Erdöl raffiniert wird.