DE1792662B2 - Mehrstufige Destillationsvorrichtung - Google Patents

Description

50

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige Destillationsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist in der US-PS 33 04 242 beschrieben.

Ein bekanntes Verfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus Salzwasser ist die Destillation. Hierunter versteht man eine Verdampfung des Salzwassers, so daß sich der Dampf vom Salzwasser abtrennt, der dann anschließend zur Gewinnung von Frischwas- w> ser kondensiert wird. Das Destillationsverfahren beinhaltet daher hauptsächlich die Zufuhr von Verdampfungswärme zu Salzwasser und anschließend die Abfuhr der gleichen Verdampfungswärme aus dem entstandenen Dampf, um den Dampf zu kondensieren. Das <>5 Destillationsverfahren kann wirtschaftlicher durchgeführt werden, wenn man die Verdampfungswärme, die dem Dampf bei der Kondensation entzogen wird, zur Vorwärmung und/oder Verdampfung von zusätzlichem Salzwasser verwendet Dieses ist bei einer mehrstufigen Destillation der Fall, bei der die Verdampfungswärme, die bei der Kondensation des Dampfes auf der einen Seite einer Wärmeaustauschfläche frei wird, dazu verwendet wird, Salzwasser zu verdampfen, das sich auf der anderen Seite dieser Wärmeaustauschfläche befindet

Man kann dann Wasser auf der einen Seite einer Wärmeaustauschfläche durch Kondensieren von Dampf auf der anderen Seite der Wärmeaustauschfläche verdampfen, wenn Druck und Temperatur des Wassers auf der einen Seite genügend unter dem Druck und der Temperatur auf der anderen Seite des Wärmeaustauschers liegen, an dem der Dampf kondensiert wird. Wenn man beispielsweise Dampf unter einem Druck von etwa 475 mbar und einer Temperatur von etwa 80° C auf der einen Seite einer Wärmeaustauschfläche kondensiert kann man auf der anderen Seite der Wärmeaustauschfläche Wasser unter einem Druck von etwa 440 mbar verdampfen, weil die Sättigungstemperatur bei diesem Druck nur etwa 78° C beträgt. Das Temperaturgefälle an der Wärmeaustauschfläche, das erforderlich ist um die erforderliche Wärme durch die Wärmeaustauschfläche hindurch zu transportieren, hängt von den Wärmeübergangseigenschaften der Wärmeaustauschfläche selber ab.

Für eine Destillation steht üblicherweise Dampf unter einem bestimmten Druck und unter einer bestimmten Temperatur zur Verfügung und außerdem Kühlwasser, das ebenfalls eine bestimmte Temperatur aufweist und zur Aufnahme von Wärme dient. Durch den Temperaturunterschied zwischen dem Dampf und dem Kühlwasser sind daher die Grenzen gegeben, innerhalb derer die mehrstufige Destillation durchgeführt werden muß. Bei einem vorgegebenen Temperaturunterschied gilt zwar als allgemeine Regel, daß um so mehr Flüssigkeit destilliert werden kann, je mehr Destillierstufen verwendet werden. Da aber bei den bisher üblichen und bekannten mehrstufigen Destillationsanlagen die zu destillierende Flüssigkeit der Reihe nach alle einzelnen Destilliers'ufen durchströmt, ist die Vergrößerung der Flüssigkeitsmenge bei jeder zusätzlichen Destillierstufe relativ klein.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Durchsatzmenge an zu destillierender Flüssigkeit zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß jeder Stufe Speisewasser zugeführt wird, nachdem es durch Wärmeaustauschrohre in den vorhergehenden, unteren Stufen soweit vorgewärmt worden ist, daß seine Temperatur sich dem Siedepunkt nähert, der dem Druck in jeder entsprechenden Stufe entspricht. Dadurch wird eine strömungsmäßige Parallelschaltung der einzelnen Stufen erhalten, die eine Erhöhung der Durchsatzmenge in direkter Abhängigkeit von der Anzahl der Destillationsstufen gestattet. Dabei sorgen die doppelt gerieften Rohre gemäß der Erfindung für eine besonders gute Wärmeübertragung. Weiterhin werden die Strömungen des Speisewassers, des Destillates und der Ablauge durch die verschiedenen Destillierstufen hindurch durch die Schwerkraft unterstützt. Auch die Druckregelung in der Anlage wird durch Rückschlagventile erleichtert, deren

Wirkungsweise auf der Schwerkraft beruht.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine mehrstufige Destiilationsvorrichtung,

Fig.2 zeigt in einem Längsschnitt die erste Destillierstufe nach F i g. i,

Fig.3 ist ein Längsschnitt längs der Linien HI-HI in Fig.4 durch eine nachfolgende Destillierstufe der Vorrichtung nach F i g. 1.

Fig.4 ist eine Draufsicht in Höhe der Linien IV-IV auf die Anordnung nach F i g. 3.

Fig.5 zeigt im Detail eine einzelne Düse und ein doppelt gerieftes Rohr.

Fig.6 ist eine Detaildarstellung eines sich selbst steuernden Destillatabflusses.

Fig. 7 ist ein Schnitt längs der Linien VIl-VIl in Fig. 4.

In der F i g. 1 ist eine mehrstufige DestMlationsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Bei dieser Vorrichtung sind die einzelnen Stufen senkrecht übereinander angeordnet. Die ganz oben in der Vorrichtung angeordnete Destillierstufe 4 ist die erste Stufe. Die nachfolgenden Destillierstufen der Vorrichtung sind mit 6 bezeichnet. Insgesamt ist die dargestellte Destillationsvorrichtung mit fünf nachfolgenden Destillierstufen versehen, die alle senkrecht unter der ersten und untereinander angeordnet sind.

Die erste Destillierstufe ist im einzelnen in der F i g. 2 dargestellt. Diese Destillierstufe 4 weist einen Dampfraum 8 auf, der oben und unten durch Rohrplatten 10 und seitlich durch eine senkrechte Wand 12 begrenzt ist, die zwischen den Rohrplatten 10 verläuft. Durch die untere Rohrplatte 10 gehen mehrere Abflußrohren 14 für das Kondensat hindurch, die den Dampfraum 8 mit der Kondensatrückleitung 16 verbinden. Am Stutzen 18 wird der Dampfi aum 8 von außen mit Dampf versorgt. Der Dampf für die erste Destillierstufe 4 stammt aus einem geschlossenen Kreislauf, der nicht dargestellt ist und der auf der einen Seite am Stutzen 18 und auf der anderen Seite an der Kondensatrückleitung 16 angeschlossen ist.

Oberhalb des Dampfraumes 8 ist ein Speisewasserkopf 20 angeordnet. Eine größere Anzahl von doppelt gerieften Wärmeaustauschrohren 24 geht durch die obere und untere Rohrplatte 10 hindurch und steht mit dem Speisewasserkopf 20 in Verbindung. Zwischen der unteren Rohrplatte 10 der ersten Destillierstufe 4 und der nächst niedrigeren Rohrplatte 101 (die die obere Rohrplatte der nächst nachfolgenden Destillierstufe ist) befindet sich eine Abscheidekammer 22, die seitlich ebenfalls von der Wand 12 begrenzt ist. Die Wärmeaustauschrohre 24 stehen daher mit dem Sleisewasserkopf 20 und der Abscheidekammer 22 in Verbindung. Wie die doppelt gerieften Wärmeaustauschrohre 24 im einzelnen ausgebildet sind, braucht nicht beschrieben zu werden, da solche Wärmeaustauschrohre beispielsweise in den US-Patentschriften 32 91 704 und 32 44 601 beschrieben sind.

Durch die Rohrplatte 101 gehen mehrere senkrecht verlaufende Abflußleitungen 26 für die Ablauge hindurch. Ebenso verläuft eine Anzahl senkrecht angeordneter Leitungen 28 durch die Rohrplatte 101 hindurch, die/.um Abführen von Dampf und von Destillat bestimmt sind. Dieses ist auch in der Fig. 4 dargestellt. Die Halterung für die Leitungen 28 ist bei 30 dargestellt. Die Leitungen 28 stehen daher mit dem obersten Teil der Abscheidekammer 22 durch ein Sieb oder einen Nebelabscheider 32 in Verbindung.

In der F i g. 3 ist nun gezeigt, wie eine nachfolgende Destillierstufe 6 aufgebaut ist Da die Destillierstufe 6 sehr ähnlich wie die erste Destillierstufe 4 aufgebaut ist werden nur die Unterschiede beschrieben. Die Danspfräume der nachfolgenden Destillierstufen 6 entsprechen dem Dampfraum 8 in der ersten Stufe und sind mit 38 bezeichnet Jeder Dampfraum 38 bildet die Außenseite

ίο der Wärmeaustauscher um die doppelt gerieften Rohre 24 herum. Die Dampfräume 38 haben die gleiche Funktion wie der Dampfraum 8 der ersten Stufe 4.

Mit den Ausdrücken »Heizdampf« und »Kondensat« sollen hier die strömenden Medien in dem äußeren Heizdampfkreislauf bezeichnet werden, der zum Amheizen des Speisewassers in der ersten Destillierstufe vorgesehen ist. Das in der ersten Destillierstufe entstehende Kondensat, das kondensierter Heizdampf ist, verbleibt im Kreislauf und trägt zum erzeugten Frischwasser nichts bei. Mit den Ausdrücken »Naßdampf« und »Destillat« werden dagegen die Medien in den nachfolgenden Destillierstufen bezeichnet, die schließlich das Frischwasser ergeben. Die obere und die untere Rohrplatte, die den Dampfraum 38 begrenzen, sind mit 101 und 102 bezeichnet worden. Der Unterschied zwischen den Rohrplatten 101 und den Rohrplatten 10 der ersten Destillierstufe besteht darin, daß durch die Rohrplatten 101 noch Abflußleitungen 26 für die Ablauge und Leitungen 28 für den Naßdampf und das Destillat hindurchgehen. Durch die Rohrplatten 102 gehen noch Abflußleitungen 29 für das Destillat hindurch, die das Destillat zu den Leitungen 28 weiterleiten.

In der F i g. 7 ist nun ein Querschnitt längs der Linien

r> VIl-VII aus F i g. 4 dargestellt. Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, ist die Anordnung gemäß F i g. 7 etwa in der Mitte eines jeden Dampfraumes 38 horizontal angeordnet und geht quer durch einen solchen Dampfraum hindurch. Die Anordnung nach F i g. 7 stellt einen Wärmeaustauscher dar, der mit 40 bezeichnet ist und dazu dient, Speisewasser vorzuwärmen, das bei 42 dem Wärmeaustauscher 40 zugeführt wird und den Austauscher nach einem Dreifachdurchgang bei 44 verläßt. Das Speisewasser, das bei 42 eintritt, fließt durch Wärmeaustauschrohre 46 hindurch, die innerhalb eines jeden Dampfraumes 38 vom Naßdampf umspült werden. Das Speisewasser wird durch Speisewasserleitungen 36 den Wärmeaustauschern 40 zugeführt und von ihnen abgeführt. Am Anfang des ersten Durchgangs durch den Wärmeaustauscher 40 sind gleich am Eingang eine Anzahl von Prallblechen 48 angeordnet. Diese Prallbleche dienen dazu, nicht kondensierbare Substanzen und Stoffe zu unterkühlen, so daß diese Stoffe über eine Belüftungsleitung 50 aus dem System entfernt werden können. Der Dampf, der sich hierbei kondensiert, fließt über eine Leitung 49 ab und vereinigt sich mit dem Destillat im Dampfraum 38.

In der Fig.5 ist nun der obere Teil eines doppelt gerieften Wärmeaustauschrohre:: 24 mit einer Sprühdü-

bo se 52 dargestellt, die Speisewasser kegelförmig gegen die Innenwand des Rohres 24 spritzt, so daß das Speisewasser an der Innenwand des Rohres 24 heri'iterfließt. Die Verwendung einer Sprühdüse zur Verteilung des Speisewassers wird als besonders

i^r> günstig angesehen.

In der F i g. 6 ist die Abflußleitung 26 für die Ablauge an der Stelle dargestellt, an der sie durch die Rohrplatte 101 hindurchführt. An der Stelle, an der die Abflußlei-

tung 26 in die Rohrplatte eingepaßt ist, ist die Leitung 26 verbreitert. In diesem verbreiterten Ende der Leitung 26 ist ein sich selbst steuerndes Rückschlagventil 54 angeordnet, das die Abflußleitung 26 öffnet oder sperrt. Über der Mündung einer jeden Leitung 26 ist ein Käfig 56 befestigt, der dafür sorgt, daß das Ventil 54 nicht verlorengehen kann. Die Abflußleitungen 29 für das Destillat sind ebenfalls mit Rückschlagventilen 54 und Käfigen 56 versehen.

Die letzte oder unterste Destillierstufe unterscheidet sich von den restlichen Destillierstufen dadurch, daß ihr Dampfraum 38 über eine Anzahl von Abflußröhren 58 für das Destillat, die durch die untere Rohrplatte 102 hindurchgehen, mit einem Destillatverteiier 60 in Verbindung sieht, durch den das Destillat einem Sammeltank (nicht gezeigt) zugeleitet wird. Die Abscheidekammer 22 der letzten Destillierstufe steht über einen Rohrstutzen 62 mit einem äußeren Kondensator (nicht gezeigt) in Verbindung. Die untersten Abflußieitungen 26 für die Ablauge führen zu einem Sumpf 64, der mittels einer Pumpe (nicht gezeigt) entleert wird.

Im Betrieb wird Salzwasser oder Speisewasser zum Wärmeaustauscher 40 der untersten Destillierstufe gepumpt und gelangt dann durch eine Reihe von Speisewasserleitungen 36 und Wärmeaustauschern 40 zum Speisewasserkopf 20 der obersten Destillierstufe. Dabei werden die Speisewasserköpfe aller Destillierstufen gefüllt Von den Speisewasserköpfen 20 her wird das Speisewasser durch die Sprühdüsen 52 kontinuierlich in das Innere der doppelt gerieften Rohre 24 gesprüht und fließt dann von selbst an den Innenwänden der Rohre 24 nach unten.

Inzwischen ist dem Dampfraum 8 der ersten Destillierstufe 4 Dampf zugeführt worden, der sich an den Rohren 24 kondensiert und dabei seine Wärme an die Rohre 24 abgibt Das Kondensat, das hierbei entsteht, sammelt sich in der Kondensatrückleitung 16 an und wird laufend wieder einem Dampferzeuger zugeführt, der in diesem äußeren geschlossenen Dampfkreislauf vorgesehen ist.

Das Speisewasser an der Innenseite der Rohre 24 wird nun durch die Wärme verdampft, die von dem Dampf außen an die Rohre 24 abgegeben worden ist Demzufolge tritt eine Mischung aus Dampf, der unter einem Druck P_t steht und Ablauge unten aus den Rohren 24 aus und gelangt in die Abscheidekammer 22. Die Abscheidekammer 22 ist deswegen Abscheidekammer genannt worden, weil sich in ihr der Dampf von der Lauge trennt Die Ablauge fließt nun von selbst durch die Abflußieitungen 26 ab, und der Dampf strömt durch die Nebelabscheider 32 hindurch in die Dampfleitungen 28 hinein.

Nun tritt der Dampf in den Dampfraum 38 der nächsten Destillierstufe 6 gleichzeitig durch die verschiedenen Dampfleitungen 28 ein, die von der Abscheidekammer 22 der ersten Destillierstufe 4 herkommen. Dieser Dampf gibt genauso wie in der ersten Destillierstufe seine Wärme an die doppelt gerieften Rohre 24 ab, wenn er sich an diesen Rohren kondensiert so daß sich Destillat bildet Dieses Destillat fließt laufend durch die Abflußleitungen 29 ab und in die Leitung 28 hinein, die dann das Destillat an den Verteiler 60 weiterleiten, der am Boden der ganzen Vorrichtung angeordnet ist Die Wärme, die bei der Kondensation des Dampfes bei der Destillatbildung frei wird, wird vom Speisewasser aufgenommen, das laufend gegen die Innenwände der Wärmeaustauschrohre 24 gesprüht wird. Es entsteht dabei innen in den Rohren 24 mehr Dampf bei einem niedrigeren Druck P2, der in der nachfolgenden Abscheidekammer 22 von der Ablauge getrennt wird.

Auch in den Dampfraum 38 der letzten oder untersten Destillierstufe tritt Dampf aus der davor angeordneten Stufe durch die Dampfleitungen 28 ein. Wieder gibt der Dampf bei der Kondensation Wärme an das Speisewasser innerhalb der Rohre 24 ab, so daß das Speisewasser unter dem niedrigsten Druck Pe verdampft. Das entstehende Kondensat fließt vom Boden dieses letzter Dampfraums aus durch die Destillatabflußleitungen 58 in den Destillatverteiler 60 hinein, von wo aus das Destillat in einen Vorratstank gelangt Durch alle Rohre 28, ausgenommen diejenigen der ersten oder obersten Destillierstufe 4, fließt eine Mischung aus Destillat und Dampf hindurch. Das Destillat fließt aufgrund seines Gewichts durch die Rohre 28 immer weiter nach unten bis es schließlich in den Destillatverteiler 60 gelangt Auch die Ablauge fließt aufgrund ihres Gewichtes durch die Leitungen 26 von selbst nach unten, und zwar beginnt sie damit bei der zweiten Destillierstufe, bis sie im Sumpf 64 angekommen ist.

Der Unterdruck in dem Dampfkondensator, in dem der Dampf aus der untersten Destillierstufe kondensiert wird, und der Speisewasserdampfdruck in den doppell gerieften Rohren 24 der ersten Destillierstufe bilder zusammen die Druckdifferenz, mit der die ganze mehrstufige Destillationsvorrichtung arbeitet Um sicherzustellen, daß die Druckdifferenz zwischen zwei Destillierstufen auch wirklich aufrechterhalten wird sind in jeder Laugenabflußleitung 26 und in jeder Destillationsabflußleitung 29 Rückschlagventile 54 vorgesehen, die sich nur öffnen, wenn oberhalb des Rückschlagventils ein gewisser Füllstand von Ablauge oder Destillat vorhanden ist Wenn über den Rückschlagventilen kein Destillat oder keine Ablauge steht schließen sich die Rückschlagventile, so daß die Druckdifferenz an den Rückschlagventilen aufrechter-

to halten wird. Durch die Rückschlagventile kann daher kein Dampf hindurchsttemen, wodurch das Betriebsverhalten der Vorrichtung beeinträchtigt würde. Der Rückschlagventilkörper ist so ausgebildet daß er nach oben schwimmt und damit die Ventilöffnung freigibt wenn über ihm eine bestimmte Höhe Flüssigkeit steht Bei einem Ausführungsbeispiel hat ein eiförmiger Rückschlagventilkörper zufriedenstellend gearbeitet Die Druckdifferenz, die auf diese Weise aufrechterhalten wird, ist für die Funktion einer solchen mehrstufiger Vorrichtung wesentlich, da es gerade wegen dieses fortlaufend niedriger werdenden Druckes möglich ist mit dem Dampf aus einer Destillierstufe Speisewasser ir der nachfolgenden Destillierstufe zu verdampfen.

Wenn Speisewasser durch die Leitung 36 gepumpt wird, tritt es in die Rohre der Wärmeaustauscher 40 ein Dort wird es in gewissem Umfang vorgewärmt bevor es in die nächste Reihe der Speisewasserleitungen 3f gelangt Das Speisewasser wird den einzelnen Speise Wasserköpfen 20 von den Leitungen 36 her über Abzweigleitungen 34 zugeführt In jeder Abzweigleitung 34 ist ein Druckreduzierventil oder eine Düs« angeordnet durch das der Druck im Speisewasserkopl 20 herabgesetzt wird. Dieses geschieht um in der doppelt gerieften Rohren 24 einer jeden Destillierstuf« die richtigen Durchsatzmengen zu erreichen. Ein Grunc für die Verwendung der Wärmeaustauscher 40 besteht darin, das Speisewasser so weit vorzuwärmen, daß es den Siedepunkt unter dem Druck erreicht der in der

7 8

verschiedenen Destillierstufen verwendet wird. bein nun diese Dämpfe, wenn sie zur Entlüftungsleitung

Eine andere Eigenschaft der Wärmeaustauscher 40 ist 50 strömen, die mit einem niedrigen Druck in

die folgende. Das Wasser in jedem der Wärmeaustau- Verbindung steht, sei es mit der nächsten Deslillierstufe

scher 40 hat am Eingang 42 die niedrigste Temperatur. oder mit irgendeiner anderen Stelle der Anlage. Diese

Es findet daher in diesem Gebiet eine Kondensation von ι Verwirbelung macht es möglich, Luft und andere nicht

Dampf statt. Dadurch ist der Druck am Eingang 42 der kondensierbare Gase zu entfernen, die in den Dampf

Wärmeaustauscher etwas geringer, so daß Dampf in gelangt sein können,
dieses Gebiet hineinströmt. Die Prallflächen 48 verwir-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Mehrstufige Destillationsvorrichtung mit einer Anzahl übereinander angeordneter Destillierstufen, die jeweils einen Speisewasserkopf, einen Dampfraum, eine Abscheidekammer und eine Anzahl von Wärmeaustauschrohren aufweisen, wobei eine Speisewasserleitung der Reihe nach durch die Dampfräume von der untersten zur obersten Destillierstufe führen, der Dampfraum von der zweiten und jeder nachfolgenden Stufe über Destillat-Abflußleitungen mit der Abscheidekammer der gleichen Stufe in Verbindung steht, die Abscheidekammer von jeder Stufe über Dampfleitungen mit dem Dampfraum der nächst unteren Stufe und über Salzwasser-Abflußleitungen mit der Abscheidekammer der nächst unteren Stufe verbunden ist aer Dampfraum der ersten Stufe mit einer Dampfquelle und einer Kondensat-Rückleitung in einem geschlossenen Dampf-Wasserkreislauf in Verbindung steht und die Abscheidekammer der letzten Stufe mit einem Dampfkondensator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung hinter jeder Destillierstufe eine Speisewasser-Zweigleitung (34) die Speisewasserleitung (36) mit jedem Speisewasserkopf (20) verbindet und die Wärmeaustauschrohre (24) doppelt geriefte Rohre sind, die vertikal durch jeden Dampfraum (8) verlaufen und mit dem Speisewasserkopf (20) und der Abscheidekammer (22) verbunden sind.

2. Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Zweigleitung (34) ein Druckreduzierventil angeordnet ist.

3. Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speisewasserleitung (36) im Bereich der Dampfräume (38) Wärmeaustauscher {40) angeordnet sind, die mit Wärmeaustauschrohren (46) versehen sind.

4. Mehrstufige Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die *o Abflußleitungen für die Ablauge und das Destillat durch ein auf den Flüssigkeitspegel ansprechendes Rückschlagventil (54) verschließbar sind.

5. Mehrstufige Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am *5 oberen Ende von jedem Wärmeaustauschrohr (24) eine Sprühdüse (52) angeordnet ist.