DE10215079B4 - Verfahren zum Destillieren oder Entsalzen von Flüssigkeiten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Trennen einer Flüssigkeit von den in ihr gelösten Fremdstoffen, bei dem
– die Flüssigkeit erwärmt wird,
– die erwärmte Flüssigkeit einem Verdunstungsbefeuchter (1) zugeführt wird,
– dem Befeuchter (1) im Gegenstrom zu der erwärmten Flüssigkeit ein Trägergas zugeführt wird,
– das in dem Befeuchter (1) befeuchtete Trägergas einem im Gegenstrom von kühlerer Rohflüssigkeit durchströmten Entfeuchter (3, 4) zugeführt wird, und
– die aus dem Trägergas auskondensierte Flüssigkeit aus dem Entfeuchter (3, 4) abgezogen wird,
gekennzeichnet durch
– Ableiten eines Teiles der Flüssigkeit aus dem Befeuchter (1) unter Verringerung des Massestroms der Flüssigkeit derart, dass die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Trägergas an jeder Stelle der Befeuchtungsstrecke etwa gleich groß ist, und
– Zuführen des aus dem Befeuchter (1) abgeleiteten Teils der Flüssigkeit zu dem Entfeuchter (3) an Stellen, an denen die Temperatur des jeweiligen Teilstroms der Temperatur des dem Entfeuchter...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
  • Mit Solarenergie oder Abwärme aus Industrieanlagen betriebene Destilations- und Entsalzungsanlagen werden häufig mit Luft als Trägermedium betrieben. Dabei verdunstet die flüchtigere Komponente des zu trennenden Gemisches in die Luft und wird an anderer Stelle durch Kühlung der Luft auskondensiert. Das Kondensat bildet das Produkt des Prozesses. Der Vorteil bei der Nutzung eines Trägergases wie Luft besteht darin, dass die zu verflüchtigende Flüssigkeit bei Umgebungsdruck nicht bis auf ihre Siedetemperatur erhitzt werden muss, um zu verdampfen. Die Verdunstung der zu verflüchtigenden Flüssigkeit findet vielmehr bereits bei niedrigsten Temperaturen statt. Bei der Nutzung thermischer Solarkollektoren zur Energiegewinnung für einen solchen Prozess, ermöglichen die geringeren Temperaturen einen höheren Wirkungsgrad der Kollektoren. Bei der Nutzung von Abwärme aus Kraftwerken kann der Kraftwerksprozess mit höherer Effizienz betrieben werden, wenn die Temperatur der Abwärmeströme geringer sein kann.
  • Ein wesentlicher Nachteil dieser mit dem Trägergas Luft arbeitenden Verfahren ist, dass die Wärmerückgewinnung auch bei idealem Verfahrensablauf und unendlich ausgedehnter Wärmeübertragungsfläche unvollständig bleibt. Der Grund dafür liegt darin, dass es systembedingt nicht möglich ist, das Flüssigkeitsgemisch oder die Lösung (im folgenden Sole genannt) im Verdunstungsbefeuchter auf die Temperatur der einströmenden Luft abzukühlen, 1. Die aus dem Befeuchter ausströmende Sole mit der nicht verdunsteten Restflüssigkeit hat somit immer noch eine relativ hohe Temperatur. Als Folge geht mit der aus dem System abgeführten Sole ein hoher Energiestrom verloren (Qverlust in 2). Wird die Sole ganz oder zum Teil im Kreislauf geführt, so kann sie zwar leicht im Entfeuchter wieder vorgeheizt werden, eine Kühlung der Luft und damit die Kondensation des Flüssigkeitsdampfes gelingt jedoch nur sehr unvollständig. Die Luft muss daher mit Kühlflüssigkeit weiter abgekühlt werden. Den auf die Kühlflüssigkeit übergehenden Energiestrom verliert die Entsalzungsanlage dabei, 3.
  • Die Ursache für den unvollständigen Wärmeaustausch im Verdunstungsbefeuchter liegt darin begründet, dass die Wärmekapazitätsströme der mit Flüssigkeitsdampf gesättigten Luft und der Sole nicht über die gesamte Befeuchterlänge gleich groß gehalten werden können. Der Wärmekapazitätsstrom der mit Wasser gesättigten Luft ist vielmehr, wegen des stattfindenden Stoffaustausches, stark temperaturabhängig. So ist die gesättigte Luft bei einem Temperaturanstieg von 20 auf 21°C in der Lage die latente und sensible Wärme von 3,4 kJ/kg aufzunehmen. Bei einem Temperaturanstieg von 60 auf 61°C kann sie aber bereits 25,4 kJ/kg speichern. Der Wärmekapazitätsstrom der Sole bleibt hingegen über den gesamten Temperaturverlauf annähernd konstant. Für einen optimal arbeitenden Gegenstromwärmeaustauscher müssten die Produkte aus Wärmekapazität und Massenstrom der beiden energieaustauschenden Medien jedoch an jeder Stelle gleich groß sein. Der Temperaturverlauf entlang der Wärmetauscherlänge ist für diesen Fall in 4 qualitativ dargestellt. Bei einem ideal ausgeführten Wärmeaustauscher mit unendlich ausgedehnter Austauschfläche würden die Temperaturverläufe zusammenfallen, die Austrittstemperatur von Fluid 1 würde der Eintrittstemperatur von Fluid 2 entsprechen, und umgekehrt. In 5 sind die Temperaturverläufe von gesättigter Luft und Sole in einem im Gegenstrom betriebenen Verdunstungsbefeuchter exemplarisch dargestellt. Der in die Luft verdunstende Flüssigkeitsanteil der Sole bewirkt, dass sich das Produkt aus Wärmekapazität mal Massenstrom der Luft ständig ändert und somit kein linearer Temperaturverlauf über der Befeuchterlänge erreicht wird. Bei einem ideal ausgeführten Befeuchter mit unendlich ausgedehnter Austauschfläche würden die Temperaturverläufe im Punkt a) aufeinandertreffen, sich jedoch nicht überschneiden. Erhöht man den Massenstrom der einen oder anderen Komponente, so kann damit Punkt a) in Richtung L/Lmax = 0 oder L/Lmax = 1 verschoben werden. Es kann jedoch niemals erreicht werden, dass die ausströmende Sole die Temperatur der einströmenden Luft erreicht, und gleichzeitig die austretende gesättigte Luft die Temperatur der einströmenden Sole erreicht. Anders ausgedrückt bedeutet dies: Ein im Gegenstrom betriebener Verdunstungsbefeuchter, kann nicht reversibel arbeiten, auch bei unendlich großer Wärme- und Stoffaustauschfläche kommt es systembedingt zur Entropieproduktion bzw. zu Exergieverlusten. Diese Problematik führt zu den oben erläuterten Energieverlusten.
  • K. Bourouni et. al. (Desalination, Nr. 137, Seiten 167 bis 176, Jahrg. 2001), O. Heschl. et. al. (Tagungsbericht des 4. Int. Sonnenforums 6.–9. Oktober 82, Berlin) und M.A. Younis (Desalination, Nr. 94, Seiten 11 bis 24, Jahrg. 1993) versuchen diese Problematik in der Weise zu lösen, dass aus dem Befeuchter an bestimmten Stellen Teilluftströme dem Entfeuchter zugeführt werden, 6. Führt man beispielsweise an vier verschiedenen Stellen Teilluftströme aus dem Befeuchter ab, wie in 6 dargestellt, so ergibt sich der in 7 qualitativ gezeigte Temperaturverlauf im Verdunstungsbefeuchter. Die Teilluftströme müssen genau so dosiert werden, dass die Wärmekapazitätsströme der mit Flüssigkeitsdampf gesättigten Luft des Hauptstroms und der Sole wieder angeglichen werden. Im Idealfall unendlich vieler abgeführter Teilluftströme könnte mit dieser Maßnahme die Wärmekapazität der Luft an jeder Stelle im Befeuchter konstant gehalten werden. Es würde sich ein Temperaturverlauf wie in 4 dargestellt einstellen.
  • Nachteil dieser Vorgehensweise ist jedoch, dass es sehr schwierig ist die Teilluftströme zu dosieren. Soll der Transport der Luft in der Anlage allein durch natürlichen Auf- und Abtrieb infolge von Dichteänderungen erfolgen, so ist eine ausreichend genaue Dosierung der Teilluftströme nach dem bisherigen Stand der Technik nicht erreichbar. Ein weiterer Nachteil liegt darin begründet, dass die aus dem Befeuchter abgeführten Teilluftströme mit weniger Flüssigkeitsdampf beladen werden. Bei gleichbleibendem Gesamt-Luftmassenstrom verringert sich somit der im Entfeuchter anfallende Kondensatmassenstrom, der das Produkt des Verfahrens darstellt.
  • Aus der DE 43 40 745 C2 ist ein Verfahren zum Gewinnen von Brauchwasser aus verunreinigten Wässern unter Nutzung von Solarwärme bekannt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach zu verwirklichendes Verfahren zu schaffen, mit dem es gelingt, in einer mit Verdunstung arbeitenden Destillations- oder Entsalzungsanlage die Energieverluste auf ein Minimum zu reduzieren und damit die Produktionskosten klein zu halten.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, der Unteranspruch gibt eine vorteilhafte Ausgestaltung dieses Verfahrens an.
  • Erfindungsgemäß werden also die Massenströme der Sole im Befeuchter und im Entfeuchter derartig variiert, dass die Wärmekapazitätsströme der beiden energieaustauschenden Medien entlang der Wärme- und Stoffaustauschflächen etwa gleich groß bleiben. Dies bewirkt, dass auch die treibenden Temperaturdifferenzen in Befeuchter und Entfeuchter etwa konstant bleiben, so dass die Irreversibilitäten systembedingt geringer sind als bei gewöhnlichen Verdunstungsverfahren. Die etwa konstanten treibenden Temperaturdifferenzen führen zu einer geringen Temperatur der aus dem System abgeführten Sole und damit zu einem hohen Energierückgewinnungsfaktor, d.h. der Energieverbrauch der Anlage verringert sich bei gleicher Produktionsrate. Dies ist bei Anlagen, die mit Solarenergie betrieben werden, besonders wichtig, da weniger Kollektorfläche benötigt wird, welche besonders hohe Investitionskosten verursacht. Der hohe Energierückgewinnungsfaktor stellt den Hauptvorteil des Verfahrens dar.
  • Vorteilhaft ist weiter, dass sich aufgrund der kleineren Kollektorflächen die Energieverluste durch kürzere Rohrleitungen und weniger Apparateflächen noch weiter verringern, dass mit dem Verfahren eine sehr hohe Dampfbeladung des Trägergases, die im Entfeuchter fast vollständig auskondensiert wird, erreicht werden kann, was bedeutet, dass gegenüber den zum Stand der Technik gehörenden Verfahren ein geringerer Massenstrom des Trägergases erforderlich ist, um die gleiche Menge an Kondensat produzieren zu können.
  • Eine hohe Temperatur im Soletank erzeugt bei entsprechendem Tankvolumen einen hohen Energieinhalt des Soletanks. Dies ermöglicht auch bei der Nutzung von Solarenergie einen 24-Stunden-Betrieb der Anlage. Alle Komponenten, die zum Betrieb eines Ausführungsbeispieles des Verfahrens benötigt werden, können aus Standardprodukten, die auf dem Weltmarkt frei erhältlich sind, zusammengesetzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:
  • 8 eine schematische Ansicht einer nach das erfindungsgemäße Verfahren verwirklichenden Anlage und
  • 9 eine alternative Ausbildung der Anlage.
  • In den Figuren bedeuten:
  • L
    Länge der Energie- und Stoffaustauschfläche in Strömungsrichtung
    Lmax
    Gesamtlänge der Energie- und Stoffaustauschfläche in Strömungsrichtung
    Massenstrom
    Q
    Energiestrom
    T
    Temperatur
    φ
    relative Luftfeuchte
  • Die Beschreibung anhand des Beispiels bezieht sich auf die Anwendung des Verfahrens zur solar betriebenen Meerwasserentsalzung. Grundsätzlich kommt aber auch die Destillation oder Trennung anderer Stoffgemische und die Nutzung anderer Energiequellen in Frage. Die angegebenen Temperaturen, Luftfeuchten und Massenstromverhältnisse können je nach Anlagenausführung und Betriebsweise ebenfalls differieren und sollen hier als Orientierungshilfe dienen.
  • Von Zustandspunkt (A) nach (B):
  • Das 25 bis 28°C warme Trägergas hat eine relative Luftfeuchte von annähernd 100% und tritt in den unteren Teil des Verdunstungsbefeuchters 1 ein. Als Trägergas kann Luft benutzt werden, aber auch andere Gase sind einsetzbar. In 8 ist als Verdunstungsbefeuchter 1 schematisch ein Rieselfilmbefeuchter dargestellt, bei dem Füllkörper oder matrizenförmige Elemente 11 die Wasseroberfläche der Sole vergrößern. Alternativ kann als Verdunstungsbefeuchter 1 auch ein Sprühdüsenbefeuchter verwendet werden, bei dem die Sole über Düsen eingesprüht wird. In verschiedenen Höhen des Verdunstungsbefeuchters 1 wird das oben in den Befeuchter einströmende Solewasser abgezogen, so dass nur ein kleiner Teil des Solewasserstroms den Boden des Befeuchters erreicht. Damit werden die Wärmekapazitätsströme der Sole und der Luft entlang der Wärme- und Stoffaustauschfläche etwa gleich groß gehalten, so dass sich ein Temperaturverlauf entsprechend 7 einstellt. Um so mehr Teilströme entlang des Befeuchters 1 abgezogen werden, um so genauer lässt sich die Gleichheit der Wärmekapazitätsströme und damit die Konstanz der treibenden Temperaturdifferenz einstellen. Das Trägergas strömt in entgegengesetzter Richtung in den oberen Teil des Befeuchters 1. Dabei wird durch Verdunstung und Konvektion Energie und Soledampf von der Sole auf das Trägergas übertragen. Das Trägergas hat am Ausgang des Verdunstungsbefeuchters 1 (Zustandspunkt B) eine relative Luftfeuchte von annähernd 100% und eine Temperatur von etwa 69°C. Der absolute Wasserdampfgehalt der Luft ist um ein vielfaches gegenüber dem Gehalt am Zustandspunkt A gestiegen. Die in verschiedenen Höhen abgezogenen Solewasserströme haben absteigende Temperaturen von etwa 68°C im obersten bis 32°C im untersten Strang. Die Anzahl der Stränge beträgt im vorliegenden Beispiel fünf, ist jedoch in dem neuen Verfahren nicht festgelegt. Sie muss vielmehr in jedem Einzelfall anhand von Optimierungsrechnungen ermittelt werden. Die Sole aus dem untersten Strang wird bei 12 ins Meer abgelassen. Der Verdunstungsbefeuchter 1 wird in diesem Beispiel senkrecht von der Sole und dem Trägergas durchflossen. Grundsätzlich kann er aber auch geneigt oder horizontal ausgelegt werden.
  • Von Zustandspunkt (B) nach (C):
  • Am Zustandspunkt B tritt das Trägergas in einen Feuchtluftkollektor 2 ein. Er ist um einige Grad aus der Horizontalen geneigt, so dass möglichst viel Sonnenstrahlung aufgenommen werden kann und der Solefilm selbständig vom oberen in den unteren Teil des Kollektors 2 fließt. Der Feuchtluftkollektor 2 hat eine mehrwandige transparente Abdeckung 2.3. Parallel zu dieser in einiger Entfernung darunter befindet sich die zweigeteilte Absorberfläche 2.1, die im oberen Teil des Feuchtluftkollektors 2 von der Sole unterströmt und im unteren Teil überströmt wird. Die Absorberfläche nimmt die durch die transparente Abdeckung 2.3 hindurch tretende Solarstrahlung auf. Der Spalt zwischen der Abdeckung 2.3 und dem Absorber bzw. dem darüber strömenden Solefilm bildet mit den Seitenwänden des Feuchtluftkollektors 2 den Luftstromkanal. Im unteren Teil des Kollektors 2 wird die Luft sowohl erhitzt als auch befeuchtet. Im oberen Teil hat die Luft keinen direkten Kontakt mit der Sole und wird nur noch überhitzt. Der Feuchtluftkollektor 2 ist an der Unterseite und an den Seitenwänden gegen Wärmeverluste isoliert. Die Neigung erzeugt einen Naturzug und unterstützt somit den Umlauf der Luft. Die mehrwandige transparente Abdeckung 2.3 ist durch die stagnierenden Luftschichten zwischen den einzelnen transparenten Wänden so gut gegen Wärmeverluste an die Umgebung abzusichern, dass an ihrer dem Luftkanal zugewandten Seite keine Kondensation stattfindet. Für den Fall, das sich dennoch einmal Kondensat bildet (z.B. bei plötzlich ausbleibender Sonneneinstrahlung oder in den Nachtstunden), ist am unteren Ende des Feuchtluftkollektors 2 eine Auffangrinne 2.2 vorgesehen, die das Kondensat zum Produktwasser leitet. Für den Fall, dass auch bei Sonneneinstrahlung Kondensat an der Unterseite der Abdeckung 2.3 entsteht, kann dort auch ein perforierter Absorber angebracht werden. Dieser Absorber nimmt nur genau so viel Strahlungsenergie der Sonne auf, wie benötigt wird, damit die wandnahen Luftschichten nicht ihren Taupunkt unterschreiten.
  • Auf den Feuchtluftkollektor kann auch verzichtet werden, wenn die Sole bevor sie in den Verdunstungsbefeuchter 1 eintritt, oder die feuchte Luft bevor sie in den Entfeuchter 3 eintritt, überhitzt wird. Dies kann z.B. durch einen Solarkollektor erfolgen, der von der Sole bzw. von der Luft durchströmt wird. 9 zeigt diese Alternative für den Fall, dass die Sole durch einen Solarkollektor 8 überhitzt wird.
  • Von Zustandspunkt (C) nach (D):
  • Die im Feuchtluftkollektor 2 befeuchtete und auf etwa 75°C überhitzte und Luft strömt in den ersten Entfeuchter 3. Der Entfeuchter besteht z.B. aus einem Lamellenwärmetauscher, der von den am Rieselfilmbefeuchter 1 abgezogenen Soleströmen und einem Teil frischen Meerwassers im Gegenstrom durchflossen wird. Der in Luftströmungsrichtung letzte Wärmetauscherabschnitt wird nur vom frischen Meerwasser mit einer Eintrittstemperatur von etwa 32°C durchflossen. In den luftstromaufwärts folgenden Abschnitten des Wärmetauschers werden zum Meerwasserstrom nacheinander die Solewasserstränge mit immer höherer Temperatur beigemischt. Die Beimischung erfolgt immer an den Stellen, an denen die Temperatur des Hauptstroms der Temperatur des zuzuführenden Solewasserstrangs entspricht. Die Wärmekapazitätsströme der Luft und der Sole werden damit entlang der Wärmeaustauschfläche etwa gleich groß gehalten, so dass auch die treibende Temperaturdifferenz etwa konstant bleibt.
  • Die feuchte Luft kühlt sich im Entfeuchter 3 auf etwa 33°C im Zustandspunkt (D) ab, wobei ein Kondensatmassenstrom von etwa 24 l pro 100 kg einströmender Luft entsteht. Die erhitzte Sole wird in den Soletank 6 gepumpt und hat eine Temperatur von etwa 70°C. Ihr Massenstrom richtet sich nach dem Wärmekapazitätsstrom der gesättigten feuchten Luft. Auf den Soletank kann auch verzichtet werden. In diesem Fall wird die im Entfeuchter 3 vorgeheizte Sole direkt in den Feuchtluftkollektor 2 oder den Enderhitzer 8, 9, geleitet.
  • Von Zustandspunkt (D) nach (E):
  • Der zweite Entfeuchter 4 kann ebenfalls als Lamellenwärmetauscher ausgeführt werden. Er kühlt den Luftstrom bis auf etwa 25°C ab und wird wasserseitig direkt aus dem Meer oder aus einem Salzwasserbrunnen gespeist. Das Kühlwasser wird bis auf etwa 32°C erwärmt und zum Teil oder vollständig dem ersten Entfeuchter 3 zugeführt und dort weiter erhitzt. Der restliche Teil wird zurück zum Meer geleitet. Es entsteht ein Kondensatstrom von etwa 41 pro 100 kg einströmender Luft, so dass insgesamt 28 1 Destillat pro 100 kg zirkulierender Luft produziert wird.
  • Von Zustandspunkt (E) nach (A):
  • Ein handelsüblicher regelbarer Ventilator 5 fördert die Luft wieder in den Rieselfilmbefeuchter 1. Über die Leistungsregelung kann der geforderte Luftmassenstrom eingestellt werden. Alternativ zum geschlossenen Kreislauf kann auch zum Teil oder ausschließlich Frischluft aus der Umgebung dem Befeuchter 1 zugeführt werden. Dies ist vor allem bei hohen Luftfeuchten der Umgebung sinnvoll, wenn die Luft im Zustandspunkt (E) mit geringerer Luftfeuchte als in der Umgebung vorherrscht, wieder abgelassen wird.
  • Auf den Ventilator 5 kann auch verzichtet werden, wenn die einzelnen Komponenten so ausgerichtet werden, dass sich erwärmende Luft nach oben und sich abkühlende Luft nach unten bewegen kann und die Druckverluste im Luftkanal gering gehalten werden. In diesem Fall erzeugt der thermische Auf- und Abtrieb der Luft die erforderliche Umwälzung. Zur weiteren Energieeinsparung kann auch noch ein weiterer Wärmeaustauscher 9 zwischen den Zustandspunkten (E) und (A) installiert werden, welcher vom Kondensat oder dem wärmeren Teil des Kondensates und der gekühlten und entfeuchteten Luft im Gegenstrom durchflossen wird, 9.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Trennen einer Flüssigkeit von den in ihr gelösten Fremdstoffen, bei dem – die Flüssigkeit erwärmt wird, – die erwärmte Flüssigkeit einem Verdunstungsbefeuchter (1) zugeführt wird, – dem Befeuchter (1) im Gegenstrom zu der erwärmten Flüssigkeit ein Trägergas zugeführt wird, – das in dem Befeuchter (1) befeuchtete Trägergas einem im Gegenstrom von kühlerer Rohflüssigkeit durchströmten Entfeuchter (3, 4) zugeführt wird, und – die aus dem Trägergas auskondensierte Flüssigkeit aus dem Entfeuchter (3, 4) abgezogen wird, gekennzeichnet durch – Ableiten eines Teiles der Flüssigkeit aus dem Befeuchter (1) unter Verringerung des Massestroms der Flüssigkeit derart, dass die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Flüssigkeit und Trägergas an jeder Stelle der Befeuchtungsstrecke etwa gleich groß ist, und – Zuführen des aus dem Befeuchter (1) abgeleiteten Teils der Flüssigkeit zu dem Entfeuchter (3) an Stellen, an denen die Temperatur des jeweiligen Teilstroms der Temperatur des dem Entfeuchter im Gegenstrom zugeführten Rohflüssigkeit entspricht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Entfeuchter (3) vorgewärmte Flüssigkeit in einem Solarkollektor (8) weiter erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Befeuchter (1) zugeführte Trägergas wenigstens zum Teil das im Entfeuchter (3) gekühlte Trägergas ist.
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