DE19603380C2 - Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Verdampfer-Kondensatorein­ heit (VKE), die den zentralen Bestandteil einer Destillationsvorrichtung bildet, mit welcher die Rückführung eines Großteils der eingesetzten Ver­ dampfungswärme auf technisch sehr einfache Weise ermöglicht wird.

VKE im Sinne des Oberbegriffs stellen z. B. die einzelnen Kammern von "multiple-effect-" oder "multiple-stage flash-" Destillationsanlagen dar. In diesen wird die Prozeßwärme in aufeinanderfolgenden Kammern mit ziemlich genau aufeinander abgestimmten diskreten Dampfdruck- und Temperaturwerten teils unmittelbar dem Verdampfungsvorgang in nachfolgender Kammer zur Ver­ fügung gestellt, teils auf die zufließende Lösung übertragen. Durch diese Mehrfachnutzung bzw. Rückführung der Verdampfungswärme ist die Gesamt­ energiebilanz wesentlich günstiger als ohne diesen Vorgang. Erkauft wird dieser Vorteil mit einem ziemlich großen technischen Aufwand. Ein solcher ist naturgemäß verbunden mit hohen Investitionskosten und dem Erfordernis von ausgebildetem Betriebs- und Wartungspersonal. Aus mehrfachen Gründen ist der Einsatz kleinerer Anlagen dieser Art für Kondensatmengen unterhalb von 1000 Litern pro Tag unwirtschaftlich, so daß ihre Nutzung dem Bedarf nicht besonders flexibel (nach unten hin) angepaßt werden kann. Dagegen vermeiden Destillationsanlagen nach sehr einfachen technischen Prinzipien (z. B. Meerwasserentsalzungsanlagen nach dem greenhouse-Modell) die letzt­ genannten Probleme, allerdings um den Preis hohen Energieaufwandes. Es be­ steht nach dem bisherigen Stand der Technik, vereinfacht ausgedrückt, praktisch nur die Wahl zwischen diesen zwei sich wechselseitig bedingenden und komplementären Vorteil/Nachteilkombinationen. Allenfalls wäre ein tech­ nischer Kompromiß denkbar, welcher die Vor- und Nachteile in beidseitig gleichermaßen abgeschwächter Form realisiert.

Hieraus ergibt sich die Aufgabenstellung der Erfindung: Vereinigung der sich bisher ausschließenden Vorteile und damit zugleich Vermeidung (bzw. Minderung) der Nachteile. Dabei wird auch hier die Verdampfungswärme zu­ rückgeführt, aber durch Anwendung eines technisch einfacheren Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Mehrkammerver­ fahren der Energierückgewinnung (wie es z. B. auch in der Offenlegungsschrift DE 30 10 042 vorgesehen ist) vorteilhafterweise ersetzt wird durch das Kon­ zept einer kontinuierlichen Gegenstromwärmeübertragung beim Phasenüber­ gang. Dabei sind jedoch (Gegenstrom)verdampfer und -kondensator nicht zwei räumlich getrennte Einheiten, die vom Dampf nacheinander durchströmt werden, sondern sie stehen in unmittelbarem räumlichen Kontakt zueinander. Auf die Nutzung eines umlaufenden nichtkondensierbaren Gases als Trans­ portmedium für den Lösungsdampf (etwa im Sinne der Offenlegungsschrift DE 24 59 935) wird aus den im nachfolgenden Abschnitt angeführten Gründen be­ wußt verzichtet. Zwischen Verdampfungs- und Kondensationsfläche befindet sich auch keine phasentrennende Membran wie sie z. B. in den Patentschriften DE 38 24 839 C1 und DE 31 40 614 C2 vorgesehen ist, da die Membrandestil­ lation trotz des unbestreitbar sehr sinnvollen Grundprinzips auch einige technische Probleme mit sich bringt.

An Hand der Querschnittskizze der Fig. 1 wird das Grundprinzip der vorge­ legten Erfindung dargestellt, wobei die Horizontalproportionen der Deut­ lichkeit halber z. T. verändert wurden. Die zu destillierende Lösung glei­ tet als dünner Flüssigkeitsfilm 1 an einer senkrechten Wand hinunter und kühlt sich längs des Abflußweges durch den Verdampfungsvorgang ab (die nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Verdampfungswand 2 mindert das entstehende Temperaturgefälle nicht merkbar). Da die verdampfende Lösung nur eine dünne Schicht bildet, kann sich kaum eine nachteilige Abkühlung der Ober­ fläche relativ zum "Inneren" der Flüssigkeit ausprägen. Dicht gegenüber der Verdampfungsfläche 2 befindet sich die Kondensatorfläche 3. Sie führt die Kondensationswärme ab auf die nachfolgende bzw. zulaufende Lösung 4, die in dem schmalen Spaltkanal 5 durch die Pumpe 6 hochgedrückt wird und dadurch einen Großteil der für den späteren Destillationsvorgang nutz­ baren Wärme erhält, wobei auf diesem Wege aufwärts ihre Temperatur konti­ nuierlich steigt. Nach Verlassen des Spaltkanals 5 wird die Lösung sodann durch die Wärmequelle 11 auf die Eingangstemperatur des oberen Endes der Verdampfungsfläche gebracht. Die abfließende, mehr oder minder aufkonzen­ trierte Lösung 7 und das Destillat 8 werden am unteren Ende der VKE gegen den Außendruck abgepumpt oder aber durch den hydrostatischen "Sog­ effekt" flüssigkeitsgefüllter Rohre mit ausreichender Vertikalausdehnung abgezogen. Der Verdampfungs- und Kondensationsprozeß muß weitgehend unter der Gasphase des Lösungsmittels erfolgen, da nichtkondensierbare Gase (Luft z. B.) den Verdampfungs- und nochmehr den Kondensationsvorgang ganz erheb­ lich behindern, was deutlich größere Flächen 2 und 3 erfordern würde. Vor Eintritt in den Dampfraum, an der Stelle 9, muß die Lösung daher ent­ gast werden. Da sich im Laufe des Betriebes dennoch Reste solcher nichtkon­ densierbarer Gase ansammeln, befindet sich am unteren Ende der VKE eine weitere Entgasungsvorrichtung 10, denn dort ist der Partialdruck der Fremdgase am höchsten.

Der Destillatniederschlag an der Kondensationsfläche 3 erfolgt oben zunächst mit dem großen Wärmeübergangskoeffizienten der Tropfenkondensa­ tion. Die abgleitenden Tropfen bilden weiter unten ab einer bestimmten Strecke einen dünnen zusammenhängenden Film, der den Wärmeübergang je nach dessen Dicke (also zunehmend mit der Ablaufstrecke) mehr oder weniger hemmt. Zur Förderung der vorteilhaften Tropfenkondensation kann die Kon­ densationsfläche (hin und wieder) mit geeigneten sog. Promotoren versehen werden. Dieser Vorgang kann wegen der senkrecht auf gerader Strecke abfal­ lenden Kondensatorfläche technisch sehr einfach erfolgen durch Zugabe solcher Substanzen von der Flächenoberkante her.

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des kondensatorseitigen Wärmeüber­ gangskoeffizienten behandelt Unteranspruch 2. Sie besteht z. B. darin, den sich bildenden Flüssigkeitsfilm durch Rillen oder Querstege zu unterbre­ chen, so daß die Tropfenkondensation auch weiter unten wenigstens stück­ weise auftritt und der sich ggf. daran anschließende Flüssigkeitsfilm so dünn bleibt, daß er den kondensatorseitigen Wärmeübergang weniger behindert.

Falls das Verhältnis des Verdampfer-Kondensator-Flächenabstandes d klein ist zur Vertikalausdehnung dieser Flächen h und der interne Wärmeübergang des Spaltkanals ausreichend groß (was durch den Einbau geeigneter interner Strömungsleitflächen nach Unteranspruch 5 erreicht werden kann), dann dominiert der horizontale Dampfdruckgradient, so daß sich ein nachteili­ ger temperaturausgleichender vertikaler Dampfstrom kaum ausbilden kann.

Ist die VKE für den vorgesehenen Betrieb richtig ausgelegt, so liegt die Temperatur der unten abfließenden Lösung 7 und des Kondensates 8 nur wenig über der der unten zufließenden Lösung 4. In diesem Fall ist die für den Destillationsvorgang am oberen Ende der VKE von der Wärmequelle 11 aufzubringende Energie relativ klein im Vergleich zur Verdampfungs­ wärme, welche der Destillatmenge entspricht.

Die Erfindung nach Unteranspruch 3 und 4 wird in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt perspektivisch die vorteilhaften zylindrisch-konzentrischen Anord­ nungen von Verdampfungs- 2 und Kondensationsflächen 3 und des daraus gebildeten Spaltkanals 5. Aus Gründen der Darstellungsübersicht sind die Kondensationsflächen 3 und die Dampfräume 12 nicht vollständig mit Bezugszahlen versehen. Die Zylinderform ist günstig bei den hier horizon­ tal wirksamen Druckkräften (Differenz von Außen- und Anlageninnendruck). Mehrere Folgen parallel arbeitender VKE können dabei, wie dargestellt, ineinandergeschachtelt sein, was die Stabilität der Anordnung erhöht ebenso wie die Destillatausbeute im Verhältnis zum beanspruchten Raum der Anlage. Bei dieser Anordnung werden nicht nur der Spaltkanal 5 sondern auch die Verdampfungsflächen 2 (außer denjenigen, die die Anlage begren­ zen 2a) beidseitig für den Destillationsvorgang genutzt. Der obere Teil der äußeren Verdampfungsfläche 2a ist zum Zwecke der Einsehbarkeit gestrichelt. Die beidseitige Wärmezufuhr auf den Spaltkanal 5 ist aus thermisch-strömungstechnischen Gründen sehr wichtig. Eine einzelne VKE ebenso wie eine horizontale Folge parallel arbeitender VKE wird also praktischerweise immer von einseitig beaufschlagten Verdampfungsflächen nach außen hin abgeschlossen.

Ein spiralig durch den Dampfraum 12 geführter Schlauch 13 im Sinne des Unteranspruchs 4, in Fig. 2 nur für den äußeren Dampfraum eingezeichnet, erfüllt vier Funktionen: 1. Erhöhung der mechanischen Stabilität der Anlage durch Stützung gegen horizontale Druckkräfte. 2. Hemmung des axialen (hier = vertikalen) Dampfflusses. 3. Unterbrechung des Kondensatfilmes zwecks Er­ höhung des Wärmeüberganges (s. o.). 4. Horizontale thermische Durchmischung der abfließenden Flüssigkeiten an der Kontaktstelle mit dem Spiralschlauch 13. Das Destillat kann in einer schmalen Rinne, die z. B. die Schlauchrun­ dung mit der ebenen Kondensationswand bildet, abfließen. Die Kontaktlinie des Schlauches mit der Verdampfungswand ist dagegen so durchbrochen, daß die Filmbedeckung durch die abgleitende und (teil)zuverdampfenden Lösung nicht wesentlich behindert wird.

Die Strömungsleitflächen 14 nach Unteranspruch 5 bewirken eine Erhöhung des Wärmeübergangs auf die zufließende Lösung indem nicht nur das Tempera­ turprofil über dem Flußquerschnitt homogenisiert wird, sondern sich auch die wandnahe Strömungsgrenzschicht verringert. Letzteres ergibt sich durch Größe und Richtung der mit 14 erzeugten Sekundärströmungen, welche je­ doch nicht turbulent sind. Demnach erfolgt die Homogenisierung des Tempe­ raturprofils nicht durch turbulente Vermischung, sondern dadurch, daß die Positionen der sich im unbeeinflußten Fall einstellenden Temperaturminima und -maxima in "geordneter Weise" gegeneinander vertauscht werden. Auf diese Weise ist der durch die Strömungsleitflächen erzeugte Strömungs­ widerstand wegen der verminderten Dissipationseffekte geringer als es beim Einbau von beliebigen Vermischungsvorrichtungen zu erwarten wäre. Da Tur­ bulenzeffekte praktisch fehlen, wird auch vermieden, daß die Strömungs­ leitflächen einen gewissen axialen Temperaturausgleich bewirken, was den beabsichtigten Nutzen des Gegenstromwärmeaustausches erheblich mindern könnte.

Eine von vielen möglichen Anordnungen und Ausführungsformen einer Strö­ mungsleitfläche nach Anspruch 5 sei von ihrem Grundprinzip her an einem einfach gewählten Beispiel für einen Zylinderspaltkanal mittels der Fig. 3a erläutert. Die Leitfläche 14 besteht hier aus einem schräg gestellten und parallel zum Flußquerschnitt angeschnittenen Rohr, dessen Profil in Richtung der Achse des Zylinderspaltes 5 als näherungsweise kreisförmig angenommen sei und einen mittleren Radius r zwischen Innen- und Außenzy­ linder aufweise. Fig. 3b bis 3d zeigen die Querschnitte der durch die Leitfläche unterteilten Teilströme und deren Verschiebung längs des verti­ kalen Strömungsweges. Es wird deutlich, daß so eine Strömungskomponente erzeugt wird, welche den oben angegebenen "Verschiebungseffekt" auf die sich normalerweise (d. h. ohne Strömungsleitflächen) einstellenden Temperaturmi­ nima und -maxima hat. Ferner erhält man eine zusätzliche Azimutalgeschwin­ digkeit, deren mittlerer Betrag wegen der peripheren Ausweichbewegungen deutlich größer sein muß als die Flächenschwerpunktsgeschwindigkeit der längs des Aufwärtsflusses veränderlichen Querschnitte beider Teilströme. Letztere ergibt sich aus der Breite s des Zylinderspaltes 5 sowie dem Anstellwinkel α der Strömungsleitfläche 14 mit der Richtung der Zulauf­ geschwindigkeit u aus geometrischen Betrachtungen näherungsweise zu:

tan(α) · u · r/s

Sofern der Spaltkanal sehr schmal ist, wie in Anspruch 5 festgelegt (vor­ gesehen sind Werte von r/s » 10), so können die Azimutalgeschwindigkeit und insbesondere lokale Maximalwerte derselben auch bei mäßigen Anstell­ winkeln α erhebliche Beträge im Vergleich zu u annehmen. Somit wird auch die wandnahe Strömungsgrenzschicht durch die so erzeugten Sekundärströ­ mungskomponenten zum Vorteil des Wärmeübergangs erheblich verringert.

Bezugszeichenliste

 1 Flüssigkeitsfilm der teilweise verdampfenden und abfließenden Lösung
 2 Verdampfungsfläche/wand
 2a nach außen abschließende Verdampfungsfläche/wand
 3 Kondensationsfläche/wand
 4 zufließende Lösung
 5 Spaltkanal für zufließende Lösung 4
 6 Druckpumpe für die zufließende Lösung 4
 7 aufkonzentrierte Lösung
 8 Destillat bzw. Kondensat
 9 Eintrittsstelle der heißen Sole in den Dampfraum 12
10 Abzugsvorrichtung für nichtkondensierbare Gase
11 Wärmequelle
12 Dampfraum
13 spiraliger Trennschlauch (o. ä.)
14 Strömungsleitfläche
d Abstand der Verdampfer- 2 von der Kondensatorfläche 3
h Vertikalausdehnung von Verdampfer- 2 und Kondensatorfläche 3
r mittlerer Radius eines zylindrischen Spaltkanals 5
s Breite des Spaltkanals 5
u Zulaufgeschwindigkeit der zu erwärmenden Lösung innerhalb von 5
α Anstellwinkel der Strömungsleitfläche relativ zur Richtung von u
VKE integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit

Claims (5)

1. Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit (VKE) als Zentralelement einer Destillationsvorrichtung mit Rückgewinnung der Verdampfungswärme, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß Destillations- und Wärmerückgewinnungsvorgang in einem kontinuier­ lichen Gegenstromverfahren erfolgen;
• b) daß eine senkrechte und wenig wärmeleitende Verdampfungsfläche von dem Flüssigkeitsfilm der herabgleitenden und zu destillierenden Lösung bedeckt wird;
• c) daß Kondensations- und Verdampfungsfläche sich in geringem Abstand pa­ rallel verlaufend gegenüberstehen und zusammen einen Spaltkanal, den sog. Dampfraum, bilden;
• d) daß je zwei einander zugewandte Rückseiten der Kondensationsflächen ebenfalls einen sehr schmalen Spaltkanal bilden, in welchem die zufließende Lösung die Kondensationswärme aufnimmt;
• e) daß der Dampfraum nur die Gasphase des Lösungsmittels und Reste der aus der erhitzten Lösung entwichenen nichtkondensierbaren Gase enthält.

2. Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationsfläche Rillen und/oder Querstege aufweist zur Verhinderung oder Unterbrechung eines sich bildenden Kondensatfilmes.

3. Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensations- und Verdampfungsflächen aus konzentrischen Zylindermänteln bestehen.

4. Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasgefüllter Schlauch, dessen Außendurchmesser die Spaltbreite des Dampfraumes einnimmt, den Dampfraum mindestens über einen Teil seiner Vertikalausdehnung schraubenartig durchläuft, wobei auf Seiten der Berührungslinie des Schlauches mit der Verdampfungsfläche regelmäßige Durchbrüche zur Aufrechterhaltung des filmartigen Lösungsabflusses vorhanden sind, während der Kondensatabfluß auf der gegenüberliegenden Seite vorwiegend durch eine zusammen mit der Kondensationsfläche gebildeten Rinne erfolgt und Durchbrüche für einen vertikalen Abfluß dort allenfalls an einigen Stellen vorgesehen sind.

5. Integrierte Verdampfer-Kondensatoreinheit nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der schmale Spaltkanal für die zufließende Lösung eine oder mehrere Strömungsleitflächen enthält, welche vorwiegend in Richtung der wärmeaustauschenden Flächen des schmalen Spaltkanals mit geringem und räumlich variablem Winkel geneigt sind und den Gesamtfluß innerhalb ihres Ausdehnungsbereiches in zwei separate Teilströme trennen.