DE102016204452A1

DE102016204452A1 - Destillationseinrichtung

Info

Publication number: DE102016204452A1
Application number: DE102016204452.4A
Authority: DE
Inventors: Andrea Hagedorn; Thomas Mann
Original assignee: Mahle Industriefiltration GmbH
Current assignee: Filtration Group GmbH
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Destillationseinrichtung (1) mit einem Destillationsmodul (2), das einen Verdampfereinlass (7), einen Verdampferauslass (12), einen Kondensatoreinlass (14) und einen Kondensatorauslass (16) aufweist. Eine kompakte Konstruktion ergibt sich, wenn das Destillationsmodul (2) eine um eine zentrale Achse (40) gewickelte Destillationsmembran (46) aufweist, die im Destillationsmodul (2) eine Verdampferkanalschicht (48), eine Kondensatorkanalschicht (49) und eine Membranschicht (50) bildet, wenn das Destillationsmodul (2) einen mit dem Verdampfereinlass (7) verbundenen Verdampfereinlasskanal (37), einen mit dem Verdampferauslass (12) verbundenen Verdampferauslasskanal (39), einen mit dem Kondensatoreinlass (14) verbundenen Kondensatoreinlasskanal (41) und einen mit dem Kondensatorauslass (16) verbundenen Kondensatorauslasskanal (42) aufweist, und wenn die Verdampferkanalschicht (48) den Verdampfereinlasskanal (37) mit dem Verdampferauslasskanal (39) verbindet, während die Kondensatorkanalschicht (49) den Kondensatoreinlasskanal (41) mit dem Kondensatorauslasskanal (42) verbindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Destillationseinrichtung, insbesondere zur Mehrwasserentsalzung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der DE 40 08 066 C2 ist eine gattungsgemäße Destillationseinrichtung zur Meerwasserentsalzung bekannt, die mit einem Destillationsmodul ausgestattet ist, das einen Verdampfereingang, einen Verdampferausgang, einen Kondensatoreingang und einen Kondensatorausgang aufweist. Ferner ist ein Speisepfad vorgesehen, der eine Speiseflüssigkeit dem Verdampfereingang zuführt, nämlich Salzwasser bzw. Meerwasser. Außerdem ist ein Retentatpfad vorgesehen, der eine Retentatflüssigkeit vom Verdampferausgang abführt, nämlich hinsichtlich des Salzgehalts angereichertes Salzwasser bzw. Meerwasser. Ein Kondensatpfad führt eine Kondensatflüssigkeit vom Kondensatorausgang zum Kondensatoreingang. Bei der Kondensatflüssigkeit handelt es sich hierbei um Süßwasser. Des Weiteren ist ein Rezyklatpfad vorgesehen, der den Retentatpfad mit dem Speisepfad verbindet und über eine Einleitstelle einen Teil der Retentatflüssigkeit als Rezyklatflüssigkeit der Speiseflüssigkeit zuführt. Die Rezyklatflüssigkeit ist dabei der Speiseflüssigkeit rückgeführte Retentatflüssigkeit, also insbesondere Salzwasser mit erhöhtem Salzgehalt. In der Folge führt der Speisepfad ab der Einleitstelle dem Verdampfereinlass eine Speisemischflüssigkeit zu, die aus Speiseflüssigkeit und Rezyklatflüssigkeit besteht. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung handelt es sich bei der Speisemischflüssigkeit um Salzwasser mit einem mittleren Salzgehalt, der zwischen denjenigen der Speiseflüssigkeit und demjenigen der Retentatflüssigkeit liegt. Die Destillationseinrichtung ist außerdem mit einem Rekuperator ausgestattet, der den Speisepfad stromab der Einleitstelle mit dem Kondensatpfad wärmeübertragend und mediengetrennt koppelt. Außerdem ist eine Heizung vorgesehen, die stromab des Rekuperators in den Speisepfad eingebunden ist. Mit einem Entnahmepfad, der stromab des Rekuperators an den Kondensatpfad angeschlossen ist, kann über eine Entnahmestelle ein Teil der Kondensatflüssigkeit als Destillatflüssigkeit vom Kondensatpfad abgeführt werden. Bei der bekannten Destillationseinrichtung ist das Destillationsmodul als Verdampfungs- und Kondensationseinheit ausgestaltet, in der eine Vielzahl von oben offenen Rinnen zum Führen von Speiseflüssigkeit und von Kondensatflüssigkeit angeordnet ist. Diese Einheit benötigt somit vergleichsweise viel Bauraum. Ferner ist bei der bekannten Destillationseinrichtung der Kondensatpfad durch einen Destillattank sowie durch einen Kühler hindurchgeführt, wobei die Entnahmestelle am Destillattank angeordnet ist. Durch den Kühler benötigt die bekannte Destillationseinrichtung vergleichsweise viel Energie, um den Destillationsbetrieb durchführen zu können.
Grundsätzlich ist auch eine Membrandestillation bekannt. Bei einer Membrandestillation handelt es sich um ein thermisch getriebenes Separationsverfahren, bei dem die Separation aufgrund eines Phasenwechsels erfolgt. Eine hydrophobe Membran stellt hierbei eine Barriere für die flüssige Phase, zum Beispiel Salzwasser, eines Fluidstroms dar. Die dampfförmige Phase, zum Beispiel Wasserdampf, kann jedoch durch die Poren der Membran permeieren. Die treibende Kraft für den Prozess bildet ein Partialdampfdruckgefälle, welches üblicherweise durch eine Temperaturdifferenz hervorgerufen wird. Die Membrandestillation kann beispielsweise zur Gewinnung von Süßwasser, insbesondere Trinkwasser oder Brauchwasser, aus Salzwasser, üblicherweise Meerwasser, genutzt werden, zum Beispiel auf einem Schiff oder in einer stationären Anlage auf dem Land. Eine hierbei zum Einsatz kommende Destillationsmembran zeichnet sich durch eine hydrophobe und dampfdurchlässige Membranschicht aus, die eine Verdampferkanalschicht von einer Kondensatorkanalschicht trennt. Über die Verdampferkanalschicht wird eine Verdampferflüssigkeit bzw. Speiseflüssigkeit zugeführt, deren Flüssigkeitsgehalt durch Verdampfung reduziert werden soll. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung wird als Speiseflüssigkeit bzw. Verdampferflüssigkeit Salzwasser verwendet. Durch Verdampfen von Wasser reduziert sich der Wasseranteil im Salzwasser, wodurch der Salzanteil im Salzwasser zunimmt. In der Kondensatorkanalschicht wird dagegen eine Kondensatflüssigkeit, die kurz auch als Kondensat bezeichnet werden kann, oder Destillatflüssigkeit geführt, die kurz auch als Destillat bezeichnet werden kann. Das Destillat wird durch den Flüssigkeitsdampf, der aus der Verdampferkanalschicht durch die Membranschicht hindurch in die Kondensatorkanalschicht gelangt, durch Kondensation dieses Flüssigkeitsdampfs angereichert. Dieser Flüssigkeitsdampf repräsentiert dabei ein Permeat, das am Destillat kondensiert und dadurch das Destillat vermehrt. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung ist das Destillat Süßwasser, das durch den daran kondensierenden Wasserdampf des Salzwassers vermehrt wird. Die aufkonzentrierte Speiseflüssigkeit tritt als Retentatflüssigkeit oder kurz als Retentat aus der Verdampferkanalschicht aus. Im Beispiel der Meerwasserentsalzung ist das Retentat durch Salzwasser gebildet, das eine erhöhte Salzkonzentration besitzt.
In der Praxis kommen im Wesentlichen vier verschiedene Membrandestillationsverfahren, kurz MD-Verfahren, zum Einsatz. Bei einem Direct Contact MD-Verfahren (DCMD) sind beide Seiten der Membran direkt mit Flüssigkeit beaufschlagt. Auf der Verdampferseite befindet sich die heiße Speiseflüssigkeit, während sich permeatseitig gekühltes Permeat bzw. Kondensationsflüssigkeit befindet. Die Kondensation des durch die Membran hindurch permeierenden Dampfes findet direkt in der flüssigen Phase an der Membrangrenzschicht statt. Beim Air Gap MD-Verfahren (AGMD) entspricht der Aufbau des Verdampferkanals dem des DCMD-Verfahrens, während der Permeatkanal oder Kondensatorkanal zwischen der Permeatseite der Membran und der gekühlten Wandung liegt und mit Luft gefüllt ist. Beim Sweeping Gas MD-Verfahren (SWGMD) wird ein Kanalaufbau mit freiem Spalt auf der Permeatseite verwendet, was im Wesentlichen dem Aufbau des AGMD-Verfahrens entspricht. Allerdings wird beim SWGMD-Verfahren dieser Spalt mit einem Gas gespült. Die Kondensation des Dampfes findet dann außerhalb des MD-Moduls in einem separaten Kondensator statt. Beim Vacuum MD-Verfahren (VMD) wird ebenfalls ein Kanalaufbau mit Luftspalt verwendet, wobei der durch die Membran permeierte Dampf über einen Unterdruck aus dem Permeatkanal abgezogen wird und dann wie beim SWGMD-Verfahren außerhalb des MD-Moduls kondensiert wird.
Aus der DE 10 2004 013 647 A1 ist ein Destillationsmodul zur Membrandestillation bekannt, bei dem eine einzige Destillationsmembran spiralförmig um ein Zentrum gewickelt ist, die eine Verdampferkanalschicht, eine Kondensatorkanalschicht und eine zwischen der Verdampferkanalschicht und der Kondensatorkanalschicht angeordnete hydrophobe Membranschicht aufweist. Das bekannte Destillationsmodul besitzt einen Verdampfereinlass, über den die Speiseflüssigkeit zugeführt wird. Ferner ist ein Retentatauslass vorgesehen, über den die aufkonzentrierte Speiseflüssigkeit abgeführt werden kann. Schließlich sind zwei Permeatauslässe vorgesehen, nämlich ein erster Permeatauslass für dampfförmiges Permeat und ein zweiter Permeatauslass für flüssiges Permeat. Ein Einlass zum Zuführen von Kondensatflüssigkeit ist nicht vorgesehen.
Auch die DE 10 2004 040 950 A1 zeigt ein Destillationsmodul zur Membrandestillation, bei dem nur ein Speiseflüssigkeitseinlass, ein Permeatauslass und ein Retentatauslass vorgesehen sind. Ein Einlass für Kondensatflüssigkeit fehlt auch hier. In diesem Destillationsmodul ist wieder eine einzige Destillationsmembran spiralförmig um ein Zentrum gewickelt, wobei die Destillationsmembran zusätzlich eine Dampfkanalschicht enthält, die durch die Membranschicht von der Kondensatorkanalschicht getrennt ist. Innerhalb der spiralförmigen Wicklung der Destillationsmembran endet die Verdampferkanalschicht und ist mit dem innenliegenden Ende der Kondensatorkanalschicht verbunden, so dass bei diesem Beispiel die Speiseflüssigkeit zum Kühlen und zum Heizen dient. Die Dampfkanalschicht dient zum Kondensieren des Permeats und ist dementsprechend an den Permeatauslass oder Destillatauslass angeschlossen.
Aus der EP 1 029 583 A1 ist, der DE 203 03 013 U1 und der DE 15 17 915 A sind Destillationsmodule zur Membrandestillation bekannt, bei denen mehrere Destillationsmembranen spiralförmig um ein Zentrum gewickelt sind, so dass mehrere parallel durchströmbare Verdampferkanalschichten, mehrere parallel durchströmbare Kondensatorkanalschichten und mehrere hydrophobe Membranschichten vorhanden sind, die jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht und einer Kondensatorkanalschicht angeordnet sind. Auch bei diesen Destillationsmodulen sind jeweils nur drei Anschlüsse vorgesehen, nämlich ein Speiseeinlass, ein Retentatauslass und ein Permeatauslass. Ein Einlass für Kondensatflüssigkeit fehlt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Destillationseinrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine hohe Effizienz bei einem kompakten Aufbau auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Destillationseinrichtung mit einem Destillationsmodul zur Membrandestillation auszustatten, wobei das Destillationsmodul zumindest eine um eine zentrale Achse spiralförmig gewickelte Destillationsmembran aufweist, die im Destillationsmodul eine Verdampferkanalschicht, eine Kondensatorkanalschicht und eine zwischen Verdampferkanalschicht und Kondensatorkanalschicht angeordnete Membranschicht bildet. Die Membranschicht besteht dabei aus einem hydrophoben Membranmaterial. In der Folge ist das Membranmaterial und somit die daraus hergestellte Membranschicht für die Kondensatflüssigkeit und für die Speiseflüssigkeit weitgehend undurchlässig, während sie für Dampf der Speiseflüssigkeit durchlässig ist. Das Membranmaterial ist daher insbesondere semipermeabel. Das Destillationsmodul weist außerdem wenigstens einen mit dem Verdampfereinlass fluidisch verbundenen Verdampfereinlasskanal, wenigstens einen mit dem Verdampferauslass fluidisch verbundenen Verdampferauslasskanal, wenigstens einen mit dem Kondensatoreinlass fluidisch verbundenen Kondensatoreinlasskanal und wenigstens einen mit dem Kondensatorauslass fluidisch verbundenen Kondensatorauslasskanal auf. Die jeweilige Verdampferkanalschicht verbindet fluidisch zumindest einen solchen Verdampfereinlasskanal mit zumindest einem solchen Verdampferauslasskanal. Die jeweilige Kondensatorkanalschicht verbindet fluidisch zumindest einen solchen Kondensatoreinlasskanal mit zumindest einem solchen Kondensatorauslasskanal. Ein derartiges Destillationsmodul baut extrem kompakt, so dass auch die damit ausgestattete Destillationseinrichtung einen entsprechend kompakten Aufbau besitzt. Ferner wird bei dem hier vorgestellten Destillationsmodul die Kondensatorseite von Kondensatflüssigkeit durchströmt, derart, dass Kondensatflüssigkeit dem Kondensatoreinlass zugeführt und am Kondensatorauslass abgeführt wird. Hierdurch erfolgt innerhalb des Destillationsmoduls eine effiziente Kühlung, wodurch eine relativ hohe Temperaturdifferenz und in der Folge eine entsprechende Partialdruckdifferenz zwischen dem Verdampferpfad einerseits und dem Kondensatorpfad andererseits innerhalb des Destillationsmoduls realisiert werden kann. Dementsprechend arbeitet die hier vorgestellte Destillationseinrichtung außerdem mit einem hohen Wirkungsgrad.
Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der eine Zumischeinrichtung vorgesehen ist, die so ausgestaltet ist, dass sie zum konstanten Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Speisemischflüssigkeit den Anteil an Rezyklatflüssigkeit in der Speisemischflüssigkeit variiert. Mit Hilfe einer derartigen Zumischeinrichtung ist es somit möglich, für die Speisemischflüssigkeit eine vorbestimmte Zieltemperatur konstant einzustellen, wodurch sich der Destillationsprozess stabil bzw. stationär betreiben lässt. Insbesondere bei mobilen Destillationseinrichtungen, die beispielsweise auf einem Schiff zur Meerwasserentsalzung zum Einsatz kommen, kann je nach Position des Schiffs die Temperatur des angesaugten Meerwassers variieren. Da die Temperatur der zugeführten Speiseflüssigkeit einen wesentlichen Parameter für den Destillationsvorgang repräsentiert, schwankt die Effizienz der Destillationseinrichtung, wenn sich die Temperatur der ankommenden Speiseflüssigkeit verändert. Durch die Steuerung bzw. Regelung des rückgeführten Retentats, also des Rezyklats, lässt sich in der Speisemischflüssigkeit eine weitgehend konstante Temperatur einstellen. In der Folge kann durch den stabilisierten, stationären Betrieb der Destillationseinrichtung eine hohe Effizienz erzielt werden. Die Erfindung nutzt hierbei den Gedanken, dass das Retentat üblicherweise eine höhere Temperatur besitzt als die Speiseflüssigkeit, so dass als Zieltemperatur für die Speisemischflüssigkeit eine Temperatur gewählt wird, die oberhalb der Temperatur der Speiseflüssigkeit liegt und die unterhalb der Temperatur der Retentatflüssigkeit liegt. Sinkt die Temperatur der Speiseflüssigkeit kann durch Erhöhen der Menge bzw. des Volumenstroms der Rezyklatflüssigkeit die Temperatur der Speisemischflüssigkeit entsprechend angehoben werden. Nimmt jedoch die Temperatur der Speiseflüssigkeit zu, kann durch Reduzieren des Volumenstroms der zugeführten Rezyklatflüssigkeit die Temperatur der Speisemischflüssigkeit entsprechend abgesenkt werden.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Zumischeinrichtung ein Thermostatventil aufweisen oder durch ein Thermostatventil gebildet sein, wobei das Thermostatventil abhängig von der Temperatur der Speisemischflüssigkeit den Zustrom von Rezyklatflüssigkeit zur Speiseflüssigkeit variiert. Insbesondere kann ein derartiges Thermostatventil als rein passiv arbeitendes Thermostatventil ausgestaltet sein. Ein derartiges passives Thermostatventil arbeitet Fremdenergie frei und kann beispielsweise mit einem thermostatischen Steller ausgestattet sein, der ein Ventilglied abhängig von der Temperatur der Speisemischflüssigkeit verstellt. Alternativ dazu kann die Zumischeinrichtung auch als aktive Einrichtung ausgestaltet sein und beispielsweise ein motorisch angetriebenes Ventil aufweisen, das mit Hilfe einer Steuerung angesteuert wird, die außerdem mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Speisemischflüssigkeit verbunden ist. Zweckmäßig wird dann eine geschlossene Regelschleife aufgebaut, so dass die Zumischeinrichtung die Temperatur der Speisemischflüssigkeit auf den jeweiligen Zielwert einregelt.
Zweckmäßig kann die Zumischeinrichtung die Einleitstelle bilden, über die der Rezyklatpfad an den Speisepfad angeschlossen ist.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann eine Volumenstromeinstelleinrichtung zum konstanten Einstellen eines vorbestimmten Volumenstroms in der Speisemischflüssigkeit vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform wird berücksichtigt, dass auch der Volumenstrom der dem Verdampfereinlass zugeführten Speisemischflüssigkeit einen wesentlichen Parameter für den Destillationsbetrieb der Destillationseinrichtung repräsentiert. Durch die Vorgabe eines konstanten Volumenstroms lässt sich somit der Destillationsprozess stabilisieren, um einen stationären Destillationsprozess zu erzielen. In Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Temperatursteuerung oder Temperaturregelung für die Speisemischflüssigkeit folgt daraus, dass eine Veränderung des Volumenstroms der Rezyklatflüssigkeit, die zum Anpassen der Temperatur der Speisemischflüssigkeit erfolgt, eine reziproke Anpassung des Volumenstroms der Speiseflüssigkeit nach sich zieht, um insgesamt den Volumenstrom der Speisemischflüssigkeit konstant zu halten. Nimmt also beispielsweise die Temperatur der Speiseflüssigkeit zu, wird einerseits der Volumenstrom der Rezyklatflüssigkeit reduziert, um die Temperatur der Speisemischflüssigkeit konstant zu halten, während andererseits der Volumenstrom der Speiseflüssigkeit erhöht wird, um den Volumenstrom der Speisemischflüssigkeit konstant zu halten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Volumenstromeinstelleinrichtung eine verstellbare Drosseleinrichtung aufweisen oder durch eine verstellbare Drosseleinrichtung gebildet sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Volumenstromeinstelleinrichtung in die Zumesseinrichtung integriert ist. Auf dieser Weise lassen sich die Steuerung bzw. Regelung der Temperatur der Speisemischflüssigkeit und die Steuerung bzw. Regelung des Volumenstroms der Speisemischflüssigkeit einfach koordinieren und realisieren.
Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Speisepumpe im Speisepfad stromab der Einleitstelle angeordnet sein, die druckseitig die Speisemischflüssigkeit antreibt, während sie saugseitig die Rezyklatflüssigkeit und die Speiseflüssigkeit ansaugt. Vorteilhaft kann eine derartige Speisepumpe so ausgestaltet sein, dass sie einen vorbestimmten Volumenstrom der Speisemischflüssigkeit fördert. Die Speisepumpe kann hierzu als volumetrische Pumpe ausgestaltet sein. Insoweit kann eine derartige Speisepumpe zum Einstellen eines konstanten Volumenstroms in der Speisemischflüssigkeit verwendet werden.
Als Volumenstromeinstelleinrichtung ist ebenso denkbar, stromauf der Einleitstelle oder unmittelbar an der Einleitstelle eine verstellbare Drosseleinrichtung vorzusehen, mit deren Hilfe der Volumenstrom der Speiseflüssigkeit einstellbar ist. In Verbindung mit einer Speisepumpe, die einen konstanten Volumenstrom für die Speisemischflüssigkeit erzeugt, lässt sich die Zumischeinrichtung, die zum Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Speisemischflüssigkeit vorgesehen ist, realisieren. Alternativ lässt sich die Zumischeinrichtung auch mit einer in der Rezyklatleitung angeordneten Drosseleinrichtung realisieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Kondensatpfad von der Entnahmestelle direkt zum Kondensatoreinlass führen. Insbesondere kann somit im Kondensatpfad stromab des Rekuperators auf einen Kühler verzichtet werden. Sofern im Kondensatpfad stromab der Entnahmestelle eine Kondensatpumpe angeordnet ist, kann der Kondensatpfad vorteilhaft von der Kondensatpumpe direkt zum Kondensatoreinlass führen. Somit ist auch hier zwischen der Kondensatpumpe und dem Kondensatoreinlass kein Kühler vorgesehen.
Ferner kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass eine aktive Kühlung der Kondensatflüssigkeit im Kondensatpfad ausschließlich im Rekuperator erfolgt. Mit anderen Worten, auch hier wird auf einen zusätzlich zum Rekuperator vorgesehenen Kühler im Kondensatpfad verzichtet.
Der Entnahmepfad kann zu einem Destillatspeicher oder Destillattank führen, der das mit Hilfe der Destillationseinrichtung erzeugte Destillat für einen Verbraucher bereithält. Beispielsweise kann bei einer Verwendung der Destillationseinrichtung zur Meerwasserentsalzung an den Destillatspeicher, der in diesem Fall einen Süßwasserspeicher repräsentiert, ein Süßwassernetz angeschlossen sein.
Bei einer anderen Ausführungsform kann stromauf der Einleitstelle eine Antiscalant-Dosiereinrichtung im Speisepfad angeordnet sein. Ein derartiges Antiscalant reduziert die Gefahr von Scaling des Membranmaterials, wodurch sich die Effizienz der Destillation verbessert.
Stromauf der Einleitstelle kann außerdem eine Filtereinrichtung im Speisepfad angeordnet sein, um störende Fremdstoffe, insbesondere Feststoffe, aus der Speiseflüssigkeit auszufiltern. Die Filtereinrichtung ist zweckmäßig stromauf der Antiscalant-Dosiereinrichtung angeordnet. Ebenso ist denkbar, die Filtereinrichtung und die Antiscalant-Dosiereinrichtung ineinander zu integrieren bzw. in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Destillationsmodul mehrere Destillationsmembranen aufweisen, deren Verdampferkanalschichten von der Speisemischflüssigkeit parallel durchströmbar angeordnet sind und deren Kondensatorkanalschichten von der Kondensatflüssigkeit parallel durchströmbar angeordnet sind. In der Folge können im Destillationsmodul somit mehrere spiralförmig um ein Zentrum gewickelte Destillationsmembranen vorgesehen sein, um mehrere Verdampferkanalschichten, mehrere Kondensatorkanalschichten und mehrere, jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht und einer Kondensatorkanalschicht angeordneten Membranschichten auszubilden. Im Betrieb des Destillationsmoduls werden die Verdampferkanalschichten von der Speisemischflüssigkeit parallel durchströmt, während die Kondensatorkanalschichten von der Kondensatorflüssigkeit parallel durchströmt werden.
Als Kondensatflüssigkeit wird das Permeat bzw. Kondensat oder Destillat verwendet, so dass sein Massestrom beim Durchströmen des Destillationsmoduls zunimmt, nämlich durch das Permeat, also den Flüssigkeitsdampf, der aus der Verdampferflüssigkeit austritt, die Membran durchtritt und an bzw. in der Kondensatorflüssigkeit kondensiert. Insbesondere lässt sich hierdurch eine effiziente Kühlung innerhalb des Destillationsmoduls auf der Kondensatorseite realisieren. Durch die Parallelschaltung mehrerer Flüssigkeitsströme lässt sich dabei eine hohe Effizienz bei kompakter Bauweise realisieren. Die kompakte Bauweise ist dabei außerdem für einen energieeffizienten Betrieb von Vorteil. Eine solche kompakte Bauweise kann bei reduziertem Raumangebot von Vorteil sein, z.B. auf einem Schiff.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass innerhalb des Destillationsmoduls für sämtliche Destillationsmembranen zumindest ein Verdampfereinlasskanal vorgesehen ist, der mit einer oder mit mehreren oder mit allen Verdampferkanalschichten fluidisch verbunden ist. Ferner ist für jede Destillationsmembran ein Verdampferauslasskanal vorgesehen, der mit jeweils einer Verdampferkanalschicht fluidisch verbunden ist. Außerdem sind für die Destillationsmembranen jeweils ein Kondensatoreinlasskanal und ein Kondensatorauslasskanal vorgesehen, die an entgegengesetzten Enden mit der jeweiligen Kondensatorkanalschicht fluidisch verbunden sind. Der Verdampfereinlass des Gehäuses ist mit dem Verdampfereinlasskanal fluidisch verbunden, während der Verdampferauslass des Gehäuses mit den Verdampferauslasskanälen fluidisch verbunden ist. Ebenso ist der Kondensatoreinlass des Gehäuses mit den Kondensatoreinlasskanälen fluidisch verbunden, während der gehäuseseitige Kondensatorauslass mit den Kondensatorauslasskanälen fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise besitzt das jeweilige Destillationsmodul gehäuseseitig im Extremfall genau bzw. nur vier Anschlüsse, während innerhalb des Destillationsmoduls entsprechend der jeweiligen Anzahl an Destillationsmembranen zumindest zwei Verdampferauslasskanäle, zumindest zwei Kondensatoreinlasskanäle und zumindest zwei Kondensatorauslasskanäle enthalten sind, um eine parallele Durchströmung der Verdampferkanalschichten und Kondensatorkanalschichten zu ermöglichen. Die gehäuseseitigen Anschlüsse sind dabei zweckmäßig an zwei axial voneinander beabstandeten Endböden des Gehäuses ausgebildet. Der erste Endboden weist vorzugsweise den Verdampfereinlass und den Kondensatoreinlass auf und repräsentiert somit einen einlassseitigen Endboden. Der zweite Endboden weist dann zweckmäßig den Verdampferauslass und den Kondensatorauslass auf und repräsentiert dadurch einen auslassseitigen Endboden.
Somit wird eine Ausführungsform bevorzugt, bei der für alle Destillationsmembranen ein gemeinsamer Verdampfereinlasskanal vorgesehen ist, und bei der für jede Destillationsmembran ein separater Verdampferauslasskanal, ein separater Kondensatoreinlasskanal und ein separater Kondensatorauslasskanal vorgesehen ist, wobei der gemeinsame Verdamfereinlasskanal über die Verdampferkanalschichten parallel mit den Verdampferauslasskanälen fluidisch verbunden ist, und wobei je ein Kondensatoreinlasskanal über je eine Kondensatorkanalschicht mit je einem Kondensatorauslasskanal fluidisch verbunden ist.
Vorteilhaft ist daher nur ein einziger, gemeinsamer Verdampfereinlasskanal vorgesehen, der vorzugsweise zentrisch oder zentral im Destillationsmodul angeordnet ist. Alternativ können auch mehrere Verdampfereinlasskanäle vorgesehen sein, insbesondere für jede Verdampferkanalschicht ein separater Verdampfereinlasskanal. Zweckmäßig sind die Verdampferauslasskanäle bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals distal angeordnet. Die Kondensatoreinlasskanäle können zweckmäßig bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals distal angeordnet sein. Im Unterschied dazu sind die Kondensatorauslasskanäle bezüglich des zentralen Verdampfereinlasskanals zweckmäßig proximalen angeordnet. Ferner können die genannten Kanäle zweckmäßig jeweils geradlinig ausgestaltet und parallel zur Längsmittelachse des Destillationsmoduls ausgerichtet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der erste Endboden einen ringförmigen Verteilerkanal enthalten, der den Kondensateinlass mit den Kondensateinlassöffnungen der Kondensateinlasskanäle fluidisch verbindet. Insoweit bildet der erste Endboden einen gehäuseseitigen Verteiler für das Kondensat. Die Integration des Verteilerkanals bzw. dieser Verteilerfunktion in den ersten Endboden vereinfachten den Aufbau und somit die Herstellung des Destillationsmoduls.
Zusätzlich oder alternativ kann am ersten Endboden der Verdampfereinlass zentrisch angeordnet sein, während der Kondensatoreinlass exzentrisch angeordnet ist. Hierdurch vereinfacht sich die fluidische Verbindung des Verdampfereinlasses mit dem ebenfalls zentral angeordneten gemeinsamen Verdampfereinlasskanal.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der zweite Endboden einen ringförmigen Sammelkanal enthalten, der die Verdampferauslassöffnungen der Verdampferauslasskanäle mit dem Verdampferauslass des Gehäuses fluidisch verbindet. Hierdurch besitzt der zweite Endboden eine Sammlerfunktion für die Verdampferflüssigkeit. Durch die Integration des Sammelkanals bzw. dieser Sammlerfunktion in den zweiten Endboden vereinfacht sich die Herstellung des Destillationsmoduls.
Zweckmäßig kann vorgesehen sein, dass am zweiten Endboden der Kondensatorauslass zentrisch angeordnet ist, während der Verdampferauslass exzentrisch angeordnet ist. Hierdurch verkürzen sich die Leitungsführungen innerhalb des zweiten Endbodens, was die Herstellung vereinfacht.
Durch den einlassseitigen ersten Endboden mit radial innenliegendem Verdampfereinlass und radial außenliegendem Kondensatoreinlass und durch den auslassseitigen zweiten Endboden mit radial innenliegendem Kondensatorauslass und radial außenliegendem Verdampferauslass werden einerseits extern, also außerhalb des Destillationsmoduls eine parallele und axiale Zuführung sowie parallele und axial Abführung von Verdampferflüssigkeit und Kondensatflüssigkeit zum bzw. vom Destillationsmodul erreicht, während andererseits intern, also innerhalb des Destillationsmoduls eine radiale Durchströmung des Destillationsmoduls mit Verdampferflüssigkeit und mit Kondensatflüssigkeit im Gegenstromprinzip realisiert wird. Diese Bauweise vereinfacht die Einbindung des Destillationsmoduls in die Destillationseinrichtung und erhöht die Effizienz.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der innerhalb der jeweiligen Destillationsmembran die jeweilige Membranschicht einerseits dem in der Verdampferkanalschicht geführten Verdampfungsmittel und andererseits dem in der Kondensatorkanalschicht geführten Kondensationsmittel unmittelbar ausgesetzt ist. In diesem Fall ist das Destillationsmodul für ein DCMD-Verfahren vorgesehen. Es ist klar, dass bei anderen Ausführungsformen das Destillationsmodul auch für ein AGMD-Verfahren, für ein VMD-Verfahren oder für ein SWGMD-Verfahren vorgesehen sein kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Destillationseinrichtung als Meerwasserentsalzungseinrichtung ausgestaltet, die sich insbesondere für eine Verwendung in einem Wasserfahrzeug eignet.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Destillationseinrichtung mit einem Destillationsmodul,
2 einen Längsschnitt des Destillationsmoduls.
Entsprechend 1 umfasst eine Destillationseinrichtung 1, die vorzugsweise zur Meerwasserentsalzung verwendet und auf einem Wasserfahrzeug zum Einsatz kommen kann, zumindest ein Destillationsmodul 2, in dem ein Verdampferpfad 3 mittels einer hydrophoben Membranstruktur 4 von einem Kondensatorpfad 5 getrennt ist. Die Destillationseinrichtung 1 weist außerdem einen Speisepfad 6 auf, mit dem eine Speiseflüssigkeit dem jeweiligen Destillationsmodul 2 zuführbar ist. Der Speisepfad 6 ist hierzu an einen Verdampfereinlass 7 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen. Zum Fördern der Speiseflüssigkeit kann im Speisepfad 6 eine Speisemittelpumpe 8 oder Speisepumpe 8 angeordnet sein. In den Speispfad 6 sind im gezeigten Beispiel ein erster Wärmeübertrager 9 und ein zweiter Wärmeübertrager 10 eingebunden, über die der Speiseflüssigkeit Wärme zugeführt werden kann. Der erste Wärmeübertrager 9 bildet dabei einen Rekuperator 9. Der zweite Wärmeübertrager 10 bildet dagegen eine Heizung 10. Ein Retentatpfad 11 ist an einen Verdampferauslass 12 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen und führt die Speiseflüssigkeit ab, die an dieser Stelle auch als Retentat bezeichnet werden kann.
Die Destillationseinrichtung 1 weist außerdem einen Kondensatpfad 13 auf, der an einen Kondensatoreinlass 14 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen ist und der zum Zuführen einer Kondensatflüssigkeit dient. Im Kondensatpfad 13 kann zum Antreiben der Kondensatflüssigkeit eine Kondensationsmittelpumpe 15 oder Kondensatpumpe 15 angeordnet sein. Ferner ist der Kondensatpfad 13 an einen Kondensatauslass 16 des Destillationsmoduls 2 angeschlossen. Die Kondensationsflüssigkeit kann ab dieser Stelle auch als Permeat oder Kondensat oder Destillat bezeichnet werden. Der Kondensatpfad 13 ist durch den Rekuperator 9 geführt, wodurch eine Wärmerückgewinnung realisierbar ist. Somit führt der Kondensatpfad 13 die Kondensatflüssigkeit vom Kondensatauslass 16 über den Rekuperator 9 zum Kondensateinlass 14 zurück bzw. im Kreis. Im Kondensatpfad 13 ist eine Entnahmestelle 17 angeordnet, von der ein Entnahmepfad 18 ausgeht, der beispielsweise zu einem Destillattank 19 führen kann. Die Entnahmestelle 17 ist dabei stromab des Rekuperators 9 an den Kondensatpfad 13 angeschlossen. An der Entnahmestelle 17 erfolgt eine Aufteilung des im Kondensatpfad 13 stromauf der Entnahmestelle 17 zugeführten Kondensatstroms auf den Entnahmepfad 18 und den im Kondensatpfad 13 stromab der Entnahmestelle 17 abgeführten Kondensatstrom, der letztlich dem Kondensateinlass 14 zugeführt wird. Über den Entnahmepfad 18 gelangt das Kondensat als Destillatflüssigkeit beispielsweise in den Destillattank 19. Im Beispiel der 1 sind rein exemplarisch zwei Positionen für die Kondensatpumpe 15 eingetragen, in denen die Kondensatpumpen mit 15 bzw. 15' bezeichnet sind. Bevorzugt ist die Kondensatpumpe 15 stromab der Entnahmestelle 17 angeordnet. Denkbar ist jedoch auch die alternative Positionierung, in der die Kondensatpumpe 15' stromauf der Entnahmestelle 17 angeordnet ist.
Die Heizung 10 ist im Speisepfad 6 stromab des Rekuperators 9 angeordnet. Die Heizung 10 ist auf geeignete Weise in einen Heizkreis 20 eingebunden, der grundsätzlich beliebiger Natur sein kann. Sofern die Destillationseinrichtung 1 auf einem Schiff zum Einsatz kommt, kann der Heizkreis 20 durch einen Zweig eines Kühlkreises eines Antriebsaggregats des Schiffs gebildet sein.
Die hier vorgestellte Destillationseinrichtung 1 weist außerdem einen Rezyklatpfad 21 auf, der an einer Abzweigstelle 22 vom Retentatpfad 11 abzweigt und über eine Einleitstelle 23 an den Speisepfad 6 angeschlossen ist. Somit kann über den Rezyklatpfad 21 ein Teil der Retentatflüssigkeit als Rezyklatflüssigkeit der Speiseflüssigkeit zugeführt werden. In der Folge führt der Speisepfad 6 stromab der Einleitstelle 23 eine Speisemischflüssigkeit, die aus der Speiseflüssigkeit und aus der Rezyklatflüssigkeit gebildet ist. Die Speiseflüssigkeit stammt aus einer Speisequelle 24, die auf geeignete Weise mit dem Speisepfad 6 verbunden ist. Bei einer als Meerwasserentsalzungsanlage ausgestalteten Destillationseinrichtung 1 enthält die Speisequelle 24 Meerwasser. Der Retentatpfad 11 führt zu einer Retentatsenke 25. Bei einer Meerwasserentsalzung können Speisequelle 24 und Retentatsenke 25 jeweils durch das Meer gebildet sein.
Die Einleitstelle 23 ist im Speisepfad 6 stromauf des Rekuperators 9 angeordnet. Zweckmäßig ist die Speisepumpe 8 stromauf des Rekuperators 9 im Speisepfad 6 angeordnet. Im Beispiel der 1 ist die Speisepumpe 8 stromab der Einleitstelle 23 im Speisepfad 6 angeordnet.
Die hier gezeigte Destillationseinrichtung 1 ist außerdem mit einer Zumischeinrichtung 24 ausgestattet, mit deren Hilfe in der Speisemischflüssigkeit eine vorbestimmte Temperatur einstellbar ist. Die Temperatureinstellung in der Speisemischflüssigkeit erfolgt mit Hilfe der Zumischeinrichtung 24 dabei durch Variieren des Anteils an Rezyklatflüssigkeit in der Speisemischflüssigkeit. Die Zumischeinrichtung 24 kann hierzu als Thermostatventil 25 ausgestaltet sein, das abhängig von der Temperatur der Speisemischflüssigkeit den Zustrom von Rezyklatflüssigkeit zur Speiseflüssigkeit variiert. Ein derartiges Thermostatventil 25 kann alternativ auch in die Zumischeinrichtung 24 integriert sein. Bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der das Thermostatventil 25 passiv arbeitet und beispielsweise mit einem thermostatischen Antriebselement als Steller ausgestattet ist, das temperaturabhängig zumindest ein Stellglied oder Ventilglied innerhalb des Thermostatventils bewegt. Zweckmäßig befindet sich die Zumischeinrichtung 24 im Bereich der Einleitstelle 23. Bevorzugt befindet sich die Einleitstelle 23 innerhalb der Zumischeinrichtung 24. Im Beispiel der 1 bildet die Zumischeinrichtung 24 die Einleitstelle 23.
Des Weiteren kann eine Volumenstromeinstelleinrichtung 26 vorgesehen sein, mit deren Hilfe in der Speisemischflüssigkeit ein vorbestimmter Volumenstrom einstellbar ist. Im Beispiel der 1 ist diese Volumenstromeinstelleinrichtung 26 in die Zumesseinrichtung 24 integriert. Die Volumenstromeinstelleinrichtung 26 kann dabei durch eine verstellbare Drosseleinrichtung 27 gebildet sein bzw. eine solche Drosseleinrichtung 27 aufweisen. Im Beispiel der 1 wird mit Hilfe der Volumenstromeinstelleinrichtung 26 der Volumenstrom im Speisepfad 6 stromauf der Einleitstelle 23 gesteuert. Die Funktionalität der Volumenstromeinstelleinrichtung 26, insbesondere der Drosseleinrichtung 27, lässt sich in die Zumischeinrichtung 24 bzw. in das Thermostatventil 25 integrieren.
Die Funktionalität der Volumenstromeinstelleinrichtung 26 bzw. der Drosseleinrichtung 27 lässt sich dagegen auch in die Speisepumpe 8 integrieren, sofern diese stromab der Einleitstelle 23 im Speisepfad 6 angeordnet ist. Die Speisepumpe 8 kann hierzu so ausgestaltet sein, dass sie konstant einen vorbestimmten Volumenstrom an Speisemischflüssigkeit im Speisepfad 6 erzeugt. Mit anderen Worten, für diesen Fall kann die Speisepumpe 8 als volumetrische Pumpe ausgestaltet sein.
Mit Hilfe eines konstanten Volumenstroms in der Speisemischflüssigkeit sowie einer konstanten Temperatur in der Speisemischflüssigkeit lässt sich während eines Destillationsbetriebs ein stationärer Zustand realisieren, der eine hohe Effizienz besitzt. Im einfachsten Fall lassen sich konstante Temperatur und konstanter Volumenstrom in der Speisemischflüssigkeit mit Hilfe der volumetrischen Speisepumpe 8 und dem passiven Thermostatventil 25 realisieren.
Bei der hier gezeigten Destillationseinrichtung 1 führt der Kondensatpfad 13 von der Kondensatpumpe 15 direkt zum Kondensateinlass 14. Sofern die alternativ positionierte Kondensatpumpe 15’ stromauf der Entnahmestelle 17 vorliegt, führt der Kondensatpfad 13 von der Entnahmestelle 17 direkt zum Kondensateinlass 14.
Innerhalb des Destillationsmoduls 2 erfolgt eine Aufheizung der im Kondensatpfad 13 geförderten Kondensatflüssigkeit. Eine Kühlung der Kondensatflüssigkeit erfolgt im Kondensatpfad 13 hier ausschließlich im Rekuperator 9, sofern von Wärmeverlusten in den Leitungen abgesehen wird. Jedenfalls kommt die hier gezeigte Destillationseinrichtung 1 ohne zusätzliche, aktive Kühlung im Kondensatpfad stromab des Rekuperators 9 aus.
Im Speisepfad 6 ist stromauf der Einleitstelle 23 eine Antiscalant-Dosiereinrichtung 28 angeordnet, mit deren Hilfe während des Betriebs der Destillationseinrichtung 1 ein geeignetes Antiscalant der Speiseflüssigkeit zugemischt bzw. zugeleitet werden kann. Durch das Antiscalant kann ein Scaling der Membranstruktur 4 vermieden oder zumindest vermindert werden.
Ferner kann stromauf der Einleitstelle 23 im Speisepfad 6 eine Filtereinrichtung 29 angeordnet sein. Die Filtereinrichtung 29 ist im Beispiel stromauf der Antiscalant-Dosiereinrichtung 28 angeordnet. Denkbar ist auch eine Integration der Filtereinrichtung 29 und der Antiscalant-Dosiereinrichtung 28 in eine gemeinsame Einrichtung 32 bzw. in einem gemeinsamen Gehäuse 32.
Entsprechend 2 umfasst das Destillationsmodul 2 ein Modulgehäuse 33, das einen zylindrischen Mantel 34 und zwei axial voneinander abgewandte Endböden, nämlich einen ersten Endboden 35 und einen zweiten Endboden 36 aufweist. Der Gehäusemantel 34 ist in 2 nur mit unterbrochener Linie dargestellt.
Entsprechend 2 weist das Destillationsmodul 2 einen zentralen Verdampfereinlasskanal 37 auf, der eine Verdampfereinlassöffnung 38 besitzt. Ferner sind mehrere Verdampferauslasskanäle 39 vorgesehen, die bezüglich des Verdampfereinlasskanals 37 distal, also radial beabstandet angeordnet sind und die in der Umfangsrichtung gleichförmig verteilt angeordnet sind. Die Umfangsrichtung bezieht sich dabei auf eine Längsmittelachse 40 des Destillationsmoduls 2.
Des Weiteren sind mehrere Kondensatoreinlasskanäle 41 vorgesehen, die ebenfalls bezüglich der Längsmittelachse 40 bzw. bezüglich des Verdampfereinlasskanals 37 radial distal angeordnet und in der Umfangsrichtung gleichförmig verteilt angeordnet sind. Zweckmäßig wechseln sich radial außen am Destillationsmodul 2 innerhalb des Gehäusemantels 34 die Verdampferauslasskanäle 39 und die Kondensatoreinlasskanäle 41 in der Umfangsrichtung ab. Ferner weist das Destillationsmodul 2 mehrere Kondensatorauslasskanäle 42 auf, die bezüglich der Längsmittelachse 40 proximal, also angenähert angeordnet und in der Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Die Verdampferauslasskanäle 39 weisen jeweils eine Verdampferauslassöffnung 43 auf. Die Kondensatoreinlasskanäle 41 weisen jeweils eine Kondensatoreinlassöffnung 44 auf. Die Kondensatorauslasskanäle 42 weisen jeweils eine Kondensatorauslassöffnung 45 auf.
Das hier gezeigte Destillationsmodul 2 weist außerdem zumindest eine, vorzugsweise mehrere Destillationsmembranen 46 auf, die um eine zentrale Achse, vorzugsweise um die Längsmittelachse 40 spiralförmig gewickelt sind. Die Destillationsmembranen 46 erstrecken sich dabei in der Umfangsrichtung spiralförmig gewickelt um den zentralen Verdampfereinlasskanal 37 und die dazu proximal angeordneten Kondensatorauslasskanäle 42. Die spiralförmig aufgewickelten Destillationsmembranen 46 bilden eine Wicklung 47. Innerhalb dieser Wicklung 47 bilden die Destillationsmembranen 46 mehrere Verdampferkanalschichten 48, mehrere Kondensatorkanalschichten 49 und mehrere Membranschichten 50 aus, die spiralförmig aufeinander liegen. Die jeweilige Membranschicht 50 ist dabei jeweils zwischen einer Verdampferkanalschicht 48 und einer Kondensatorkanalschicht 49 angeordnet und besteht aus einem hydrophoben und semipermeablen Membranmaterial. In 2 ist zur Veranschaulichung in der linken Hälfte eine Verdampferkanalschicht 48 dargestellt, während in der rechten Hälfte eine Kondensatorkanalschicht 49 dargestellt ist. Zur besseren Veranschaulichung sind in 2 die einzelnen Schichten 48, 49, 50 als ebene Schichten dargestellt, die in der Zeichnungsebene liegen, obwohl in der Realität die Schichten 48, 49, 50 gewickelt sind und demnach in diesem Längsschnitt an sich nur im Profil erkennbar sind.
Gemäß 2 sind die Verdampferkanalschichten 48 an ihrem inneren Ende mit dem Verdampfereinlasskanal 37 fluidisch verbunden, während sie mit ihrem äußeren Ende mit jeweils einem Verdampferauslasskanal 39 fluidisch verbunden sind. Die relativen Angaben „innen“ und „außen“ beziehen sich auf die radiale Position, wobei sich "radial" auf die Längsmittelachse 40 bezieht. Die Kondensatorkanalschichten 49 sind jeweils mit ihrem inneren Ende mit je einem Kondensatorauslasskanal 42 und mit ihrem äußeren Ende jeweils mit einem Kondensatoreinlasskanal 41 fluidisch verbunden. Dementsprechend verbinden die Verdampferkanalschichten 48 jeweils den zentralen, gemeinsamen Verdampfereinlasskanal 37 mit einem der Verdampferauslasskanäle 39. Die Kondensatorkanalschichten 49 verbinden dabei jeweils einen der Kondensatoreinlasskanäle 41 mit einem der Kondensatorauslasskanäle 42.
Der erste Endboden 35 weist gemäß 2 den Verdampfereinlass 7 und den Kondensatoreinlass 14 auf. Der Verdampfereinlass 7 ist mit der Verdampfereinlassöffnung 38 fluidisch verbunden. Der Kondensatoreinlass 14 ist mit den Kondensatoreinlassöffnungen 44 fluidisch verbunden. Im Unterschied dazu weist der zweite Endboden 36 den Verdampferauslass 12 und den Kondensatorauslass 16 auf. Der Verdampferauslass 12 ist mit den Verdampferausöffnungen 43 fluidisch verbunden. Der Kondensatorauslass 16 ist mit den Kondensatorauslassöffnungen 45 fluidisch verbunden. Dementsprechend stellt sich im Betrieb der Destillationseinrichtung 1 bzw. des Destillationsmoduls 2 für die Speisemischflüssigkeit ein in 2 durch Pfeile angedeuteter Verdampfungsmittelstrom 51 ein, der durch den Verdampfereinlass 7 in das Destillationsmodul 2 hineinführt, den Verdampfereinlasskanal 37 durchströmt, von dort durch die Verdampferkanalschichten 48 in die Verdampferauslasskanäle 39 gelangt und von diesen zum Verdampferauslass 12 strömt und durch diesen aus dem Destillationsmodul 2 ausströmt. Für die Kondensatflüssigkeit stellt sich dagegen ein Kondensatmittelstrom 52 ein. Dieser ist in 2 ebenfalls durch Pfeile angedeutet und tritt durch den Kondensateinlass 14 in das Destillationsmodul 2 ein. Von dort gelangt der Kondensatmittelstrom 52 in die Kondensatoreinlasskanäle 41, von dort strömt das Kondensationsmittel durch die Kondensatorkanalschichten 49 in die Kondensatorauslasskanäle 42 und gelangt von diesen zum Kondensatauslass 16. Dabei durchströmen der Verdampfungsmittelstrom 51 und der Kondensationsmittelstrom 52 das Destillationsmodul 2 einerseits wärmeübertragend und andererseits mediengetrennt hinsichtlich der flüssigen Phase. Ferner durchströmen der Verdampfungsmittelstrom 51 und der Kondensationsmittelstrom 52 das Destillationsmodul 2 hier nach dem Gegenstromprinzip. Dampf des Verdampfungsmittels kann durch die Membranschichten 50 aus den Verdampferkanalschichten 48 in die Kondensatorkanalschichten 49 gelangen, darin kondensieren und dadurch in den Kondensationsmittelstrom 52 gelangen.
Gemäß 2 enthält der erste Endboden 35 zweckmäßig einen ringförmigen Verteilerkanal 53, der eine fluidische Verbindung zwischen dem Kondensateinlass 14 und den Kondensateinlasskanälen 41 schafft. Hierzu münden die Kondensateinlasskanäle 41 mit ihren Kondensateinlassöffnungen 44 in den Verteilerkanal 53 ein. Erkennbar ist der Verdampfereinlass 7 zentrisch am ersten Endboden 35 angeordnet, während der Kondensatoreinlass 14 exzentrisch am ersten Endboden 35 angeordnet ist.
Gemäß 2 enthält der zweite Endboden 36 einen ringförmigen Sammelkanal 54, der eine fluidische Verbindung zwischen dem Verdampferauslass 12 und den Verdampferauslasskanälen 39 schafft. Dementsprechend münden die Verdampferauslasskanäle 39 mit ihren Verdampferauslassöffnungen 43 in den Sammelkanal 54 ein. Zweckmäßig ist am zweiten Endboden 36 der Kondensatorauslass 16 zentrisch angeordnet, während der Verdampferauslass 12 am zweiten Endboden 36 exzentrisch angeordnet ist.
Gemäß 2 kann im zweiten Endboden 36 zusätzlich eine zylindrische oder scheibenförmige Sammelkammer 55 enthalten sein, um eine fluidische Verbindung zwischen den mehreren exzentrischen Kondensatorauslassöffnungen 45 und dem einen zentrischen Kondensatorauslass 16 zu schaffen.
Der erste Endboden 35 und der zweite Endboden 36 können aus Kunststoff, insbesondere aus Kunstharz, gegossen sein. Dabei kann der Gießprozess in zwei Stufen stattfinden, um den in den ersten Endboden 35 integrierten Verteilerkanal 53 auszuformen bzw. um im zweiten Endboden 36 den integrierten Sammelkanal 54 und/oder die darin integrierte Sammelkammer 55 auszuformen. Beim Angießen der Endböden 35, 36 an die Wickelstruktur 47 wird gleichzeitig eine axiale Versiegelung der Destillationsmembranen 46 erreicht, um die Verdampferkanalschichten 48, die Kondensatorkanalschichten 49 und die Membranschichten 50 axial abzudichten.
Zweckmäßig sind die Destillationsmembranen 46 hier so konfiguriert, dass die Membranschichten 50 einerseits dem in der jeweiligen Verdampferkanalschicht 48 geführten Verdampfungsmittel und andererseits dem in der jeweiligen Kondensatorkanalschicht 49 geführten Kondensationsmittel jeweils unmittelbar ausgesetzt sind. Dementsprechend arbeitet das hier vorgestellte Destillationsmodul 2 vorzugsweise nach dem DCMD-Verfahren. Alternativ kann zwischen der jeweiligen Membranschicht 50 und der zugehörigen Kondensatorkanalschicht 49 ein Spalt ausgebildet sein, um das Destillationsmodul 2 nach dem AGMD-Verfahren oder nach dem VMD-Verfahren oder nach dem SWGMD-Verfahren betreiben zu können.
Für den Fall, dass die hier vorgestellte Destillationseinrichtung 1 zur Meerwasserentsalzung verwendet wird, wird dem Verdampfereinlass 7 Salzwasser als Speiseflüssigkeit mit einem ersten Salzgehalt zugeführt, während am Verdampferauslass 12 Salzwasser als Retentatflüssigkeit mit einem erhöhten zweiten Salzgehalt abgeführt wird. Dem Kondensatoreinlass 14 wird eine erste Menge an Süßwasser als Kondensatflüssigkeit zugeführt, während am Kondensatorauslass 16 eine größere zweite Menge an Süßwasser abgeführt wird. Der Überschuss an Kondensatflüssigkeit bzw. Süßwasser kann über die Entnahmestelle 17 dem Tank 19 zugeführt werden. An den Tank 19 kann ein entsprechendes Verbrauchernetz 56 angeschlossen sein, z.B. ein schiffseigenes Trink- und/oder Brauchwasserleitungsnetz bei einer mobilen Anwendung der Destillationseinrichtung 1 zur Meerwasserentsalzung auf einem Schiff.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4008066 C2 [0002]
DE 102004013647 A1 [0005]
DE 102004040950 A1 [0006]
EP 1029583 A1 [0007]
DE 20303013 U1 [0007]
DE 1517915 A [0007]

Claims

Destillationseinrichtung, insbesondere zur Meerwasserentsalzung, mit mindestens einem Destillationsmodul (2), das einen Verdampfereinlass (7), einen Verdampferauslass (12), einen Kondensatoreinlass (14) und einen Kondensatorauslass (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Destillationsmodul (2) wenigstens eine um eine zentrale Achse (40) spiralförmig gewickelte Destillationsmembran (46) aufweist, – dass die jeweilige Destillationsmembran (46) im Destillationsmodul (2) eine Verdampferkanalschicht (48), eine Kondensatorkanalschicht (49) und eine zwischen Verdampferkanalschicht (48) und Kondensatorkanalschicht (49) angeordnete Membranschicht (50) bildet, – dass das Destillationsmodul (2) wenigstens einen mit dem Verdampfereinlass (7) fluidisch verbundenen Verdampfereinlasskanal (37), wenigstens einen mit dem Verdampferauslass (12) fluidisch verbundenen Verdampferauslasskanal (39), wenigstens einen mit dem Kondensatoreinlass (14) fluidisch verbundenen Kondensatoreinlasskanal (41) und wenigstens einen mit dem Kondensatorauslass (16) fluidisch verbundenen Kondensatorauslasskanal (42) aufweist, – dass die jeweilige Verdampferkanalschicht (48) zumindest einen solchen Verdampfereinlasskanal (37) mit zumindest einem solchen Verdampferauslasskanal (39) fluidisch verbindet, – dass die jeweilige Kondensatorkanalschicht (49) zumindest einen solchen Kondensatoreinlasskanal (41) mit zumindest einem solchen Kondensatorauslasskanal (42) fluidisch verbindet.
Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch – einen Speisepfad (6), der eine Speiseflüssigkeit dem Verdampfereinlass (7) zuführt, – einen Retentatpfad (11), der eine Retentatflüssigkeit vom Verdampferauslass (12) abführt, – einen Kondensatpfad (13), der eine Kondensatflüssigkeit vom Kondensatorauslass (16) zum Kondensatoreinlass (14) führt, – einen Rezyklatpfad (21), der den Retentatpfad (11) mit dem Speisepfad (6) verbindet und über eine Einleitstelle (23) einen Teil der Retentatflüssigkeit als Rezyklatflüssigkeit der Speiseflüssigkeit zuführt, so dass der Speisepfad (6) ab der Einleitstelle (23) eine Speisemischflüssigkeit aus Speiseflüssigkeit und Rezyklatflüssigkeit führt, – einen Rekuperator (9), der den Speisepfad (6) stromab der Einleitstelle (23) mit dem Kondensatpfad (13) wärmeübertragend koppelt, – eine Heizung (10), die stromab des Rekuperators (9) in den Speisepfad (6) eingebunden ist, – einen Entnahmepfad (18), der stromab des Rekuperators (9) an den Kondensatpfad (13) angeschlossen ist und über eine Entnahmestelle (17) einen Teil der Kondensatflüssigkeit als Destillatflüssigkeit vom Kondensatpfad (13) abführt.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zumischeinrichtung (24) zum Einstellen einer vorbestimmten Temperatur in der Speisemischflüssigkeit durch Variieren des Anteils an Rezyklatflüssigkeit in der Speisemischflüssigkeit vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischeinrichtung (24) ein Thermostatventil (25) aufweist oder durch ein Thermostatventil (25) gebildet ist, das abhängig von der Temperatur der Speisemischflüssigkeit den Zustrom von Rezyklatflüssigkeit zur Speiseflüssigkeit variiert.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumischeinrichtung (24) die Einleistelle (23) bildet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Volumenstromeinstelleinrichtung (26) zum Einstellen eines vorbestimmten Volumenstroms in der Speisemischflüssigkeit vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenstromeinstelleinrichtung (26) eine verstellbare Drosseleinrichtung (27) aufweist oder durch eine verstellbare Drosseleinrichtung (27) gebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 sowie nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumeneinstelleinrichtung (26) in die Zumesseinrichtung (24) integriert ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisepumpe (8) im Speisepfad (6) stromab der Einleitstelle (23) angeordnet ist, die einen vorbestimmten Volumenstrom der Speisemischflüssigkeit fördert.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kondensatpfad (13) von der Entnahmestelle (17) direkt zum Kondensatoreinlass (14) führt, oder – dass im Kondensatpfad (13) stromab der Entnahmestelle (17) eine Kondensatpumpe (15) angeordnet ist, wobei der Kondensatpfad (13) von der Kondensatpumpe (15) direkt zum Kondensatoreinlass (14) führt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Kühlung der Kondensatflüssigkeit im Kondensatpfad (13) ausschließlich im Rekuperator (9) erfolgt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Entnahmepfad (18) zu einem Destillatspeicher (19) führt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Einleitstelle (23) eine Antiscalant-Dosiereinrichtung (28) im Speisepfad (6) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Destillationsmodul (2) mehrere Destillationsmembranen (46) aufweist, deren Verdampferkanalschichten (48) von der Speisemischflüssigkeit parallel durchströmbar angeordnet sind und deren Kondensatorkanalschichten (49) von der Kondensatorflüssigkeit parallel durchströmbar angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, – dass für alle Destillationsmembranen (46) ein gemeinsamer Verdampfereinlasskanal (37) vorgesehen ist, – dass für jede Destillationsmembran (46) ein separater Verdampferauslasskanal (39), ein separater Kondensatoreinlasskanal (41) und ein separater Kondensatorauslasskanal (42) vorgesehen ist, – dass der gemeinsame Verdamfereinlasskanal (37) über die Verdampferkanalschichten (48) parallel mit den Verdampferauslasskanälen (39) fluidisch verbunden ist, – dass je ein Kondensatoreinlasskanal (41) über je eine Kondensatorkanalschicht (49) mit je einem Kondensatorauslasskanal (42) fluidisch verbunden ist.