DE2143330B2 - Mehrstufenverdampfer zum Destillieren von Lösungen, die nichtflüchtige Bestandteile enthalten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrstufenverdampferzum Destillieren von Lösungen, die nichtflüchtige Bestandteile enthalten, insbesondere zur Gewinnung von Wasser aus Meerwasser, dessen Gehäuse durch vertikale Zwischenwände in mehrere Stufen unterteiler ist und in jeder Stufe ein aus untereinander parallelen, beidseitig offenen Wärmcausiauschroliren gebildetes Rohrbündel angeordnet ist, über dein sich ein Flüssigkeitsverteiler mit Düsen zum Aufsprühen der zu destillierenden lösung auf die Wärnieiuislausdirohre befindet, und mit im Unterteil des Gehabes angeordneten Sammlern und Ableitungen zum getrennten Auffangen und Abführen von Kondensat und Konzentrat.

Ein derartiger Mehrstufenverdampfer ist aus der DE-OS 1517503 bekannt, bei dem Rohrbündel aus beidseitig offenen Wärmeaustauschrohren Anwendungfinden, die in Flußrichtung des Dampfes abwärts s geneigt angeordnet sind, so daß Flüssigkeit und Dampf in diesen Rohrbündeln in gleicher Richtung strömen. Die Rohrbündel sind im übrigen parallel zu den vertikalen, die einzelnen Stufen abteilenden Zwischenwände angeordnet. Die Dampfführung durch

ίο die einzelnen Stufen weist zahlreiche Richtungsänderungen auf, so daß sich ein entsprechender Druckverlust in den einzelnen Stufen einstellt.

Aus der DE-OS 1519 555 ist ein zweistufiger Verdampfer bekannt, bei dem die Wärmeaustauschrohre in Form von Rohrschlangen verlegt sind. Der in der erbten Stufe erzeugte Dampf wird in der nächsten Stufe kondenstiert. Dieses Kondensat wird nun aber nicht nochmals verdampft, sondern dient zu Heizzwecken zum Anwärmen des Meerwassers. Auch bei dieser Vorrichtung wird der Dampf unter zahlreichen Richtungsänderungen durch die Anlage geführt, so daß entsprechende Druck Verluste im Verdampfer unvermeidlich sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Mehrstufenverdampfer der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der mit möglichst großem wirtschaftlichem Nutzeffekt arbeitet, also insbesondere geringe Druckverluste aufweist.

Dies wird gemäß den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches aufgeführten Merkmalen in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erreicht. Im Gegensatz zum Stand der Technik sind damit die einzelnen Stufen des Mehrstufenverdampfers horizontal hintereinander in Reihe angeordnet, so daß ein ungehinderter Durchfluß des sich in jeder Stufe bildenden Dampfes in Längsrichtung der Rohre möglich ist. Der Heizdampf bzw. die in den Stufen erzeugten Brüden können damit ohne Richtungsänderung durch sämtliche Stufen des Mehrstufenverdampfers hindurchströmen. Gleichzeitig wir! vorteilhaft erreicht, daß eine gleichmäßige Beheizung der Wärmeaustauschrohre stattfindet, sich also der Dampf ohne zusätzliche Maßnahmen gleichmäßig auf die einzelnen Wärmeaustauschrohre verteilt. Lediglich an der Kondensationsstellc, an der örtlich gesehen der Dampf seinen Aggregatzustand ändert, wird eine Richtungsänderung in Kauf genommen. Dabei wird also für die eigentliche Richtungsänderung in geschickter Weise der Änderungspunkt des Aggregatzustandes ausgenutzt. Der während dieser Kondensation auf der Außenseite der Wärmeaustauschrohre erzeugte Dampf kann durch das dampfdurchlässig ausgebildete Gitterwerk ohne wesentlichen Druckverlust hindurchströmen und sich am Ende mit dem jeweiligen Rest des Dampfes vermischen, wobei die Bewegungsrichtungen dieser beiden Dämpfe übereinstimmen. Der Heizdampf und der Brüdendampf werden dann gemeinsam in die Wärmeaustauschrohrc der nächsten Stufe geführt.

Wi Die Merkmale des Anspruches 2 sind insofern von Vorteil, als durch die isolierende Dichtung auch eine isolierung gegen galvanische Ströme erreicht wird. Für die Ausbildung der Verschlüsse der Wärmeaustauschrohre an der Dampfauslaßseite bieten sich ver-

(o schicdenc Möglichkeiten an. Vorteilhaft ist es, gemäß Anspruch 3 die Verschlüsse auswechselbar anzuordnen, um den Dampfdurchsat/ den gewünschten Betricbsverhältnissen anzunassen.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen schematisierten Längsschnitt durch den Mehretufenverdarnpfer,

F i g. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in F i g. 1,

Fig. 3 einen Schnitt gemäß der Linie IH-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine Detaildarstellung gemäß der Linie: IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf das Unterteil des Mehrstufenverdampfers,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Rohrbündels in vergrößerndem Maßstab,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Füssigkeitsverteiler, und

Fig. 8 einen Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in Fig. 1 durch einen Teil des Rohrbündels in vergrößerndem Maßstab.

Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt der Mehrstufenverdampfer ein Gehäuse 1, welches in mehrere Stufen 2/1 bis 1In unterteilt ist. Jede Stufe 2/1 bis Hn weist eine Zwischenwand 3/1 bis 3/n derart auf, daß jede der Stufen 2 bis hin zur letzten Stufe 1In ihre eigene Zwischenwand aufweist und damit von der benachbarten Stufe getrennt ist. Selbstverständlich können beliebig viele Stufen 2/1 bis 1In hintereinander angeordnet sein.

Jede Zwischenwand 3 besteht aus metallischem Material, vorzugsweise dünnem Aluminium oder Aluminiumlegierung, und ist an ihren Rändern mit dem Gehäuse 1 verbunden und mit Öffnungen versehen. Durch die Zwischenwände 3/1 bis 3In reichen die offenen Rohrenden 4α der Wärmeaustauschrohre 5 des Rohrbündels 6 hindurch, wobei jeweils Rohrbündel 6/1 bis 6/n vorgesehen sind.

Aus Fig. 6 ist klar zu erkennen, daß die Enden Aa der Wärmeaustauschrohre 5 dichtend in die in den Zwischenwänden 3 befindlichen Öffnungen eingesetzt sind, wobei nachgiebige elektrisch isolierende Dichtungen 7 in jeder Öffnung der Zwischenwand vorgesehen sind, um für eine dichtende Durchführung der Rohre zu sorgen. Die entgegengesetzten Enden 4h der Wärmeaustauschrohre 5 jedes Rohrbündels 6 weisen mit axial gerichteten Auslaßöffnungen 8α versehene Verschlüsse 8 auf, die als Stopfen, Kappen od. dgl. ausgebildet sein können.

Die Wärmeaustauschrohre 5 eines jeden Rohrbündels 6 sind in einem durchbrochenen Gitterwerk 9 abgestützt, welches, wie in Fig. 8 veranschaulicht, mit den Seitenwänden des Gehäuses 1 verbunden ist. Das Gitterwerk 9 ist in Abhängigkeit vom jeweiligen Rohrbündel derart geformt, daß gerade die auftretenden mechanischen Beanspruchungen aufgenommen werden. Fig. 8 zeigt weiter, daß das durchbrochene Gitterwerk 9 so dimensioniert ist, daß der durch diese Struktur hindurchfließende Dampfsich über die volle Länge der angeordneten Rohre verteilen kann.

An der gegenüber der Zwischenwand 3 jeder Stufe 2/1 bis l/n liegenden Seite der Rohrbündel ist ein in einem rechteckigen Rahmen gehaltener Flüssigkeitsabscheider 11 vorgesehen, der ebenfalls in den Seitenwändeni des Gehäuses 1 gehalten ist.

Wie es aus der sehematischen Darstellung gemäß Fig. 5 deutlich zu entnehmen ist, sind im Unterteil des Gehäuses 1 eine Anzahl untereinander verbundener Konzentrat- und Kondensatsammler und Leitungen wie folgt vorgesehen:

Parallel zu den la/igs verlaufenden Seitenwündeii la und Ib des Gehäuses 1 sind mit geringem Zwischenraum Unterteilungswände 12a und Mb vorgesehen. Die Wände Xa und 12a begrenzen zwischen sich eine in Längsrichtung verlaufende Konzentratleitung 13, wobei die einzelnen Leitungsabschnitte durch in den Zwischenwänden 3 vorgesehene Öffnungen 13a miteinander in Verbindung stehen.

Dementsprechend befindet sich zwischen den Wänden \2b und Ib die längs verlaufende Konden-

satleitung 14, wobei ebenfalls jeweils in der querverlaufenden Zwischenwand 3 Öffnungen 136 vorgesehen sind.

Begrenzt durch die Zwischenwand 3 der ersten Stufe und die Kopfwand Ic des Gehäuses 1 ist der Kondensatsammler 15/1 angeordnet, während die weiteren Kondensatsammler 15/2 usw. jeweils zwischen den folgenden Zwischenwänden 3 und dem jeweiligen Flüssigkeitsabscheider 11 vorgesehen sind und über in der Unterteilungswand 12fe befindliche

2ü Öffnungen 15a mit der Kondensatleitung 14 in Verbindung stehen.

In jedem Bereich bildet der Boden uiJ der durch den Flüssigkeitsabscheider 11, die Zwischenwände 3 und die Wände 12a und 12fc umgrenzte Raum den

Konzentratsammelbehälter 16, der über eine Öffnung 16a mit der Konzentratleitung 13 in Verbindung steht.

Wie die Fig. 2 und 3 erkennen lassen, enthalten die Konzentrat- und Kondensatleitungen 13 und 14 in ihren Abdeckungen 17 und 18 abgedeckte Dampfauslässe 19 und 20.

In den Leitungen 13 und 14 sind weiterhin auf der Abströmseite vor den Öffnungen 13a und 13fr Überläufe 21 und 22 vorgesehen.

Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, wird die zu verdampfende Flüssigkeit über die Einlaßleitung 23 in eine mit Auslässen 25/1 bis 25//i versehene Hauptverteilerleitung 24, eingeführt. Von dort gelangt sie in die, in den einzelnen Stufen 2/1 bis Hn vorges^henen Verteilerrohre 26/1 bis 26/«, die gemäß Fig. 7 jeweils eine größere Anzahl im Abstand voneinander angeordnete Düsen 27 aufweisen.

Das Gehäuse 1 ist in der Vorderwand, die die erste Stufe 2/1 begrenzt, mii einem Hauptdampfeinlaß 28 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Dampfauslaßkanal 29 versehen.

Die letzte Stufe Hn ist mit Konzentrat- und Kondensatauslässen 30 und 31 versehen, während in der ersten Stufe 2/1 nur ein Kondensatauslaß 32 vorgesehen ist.

Die Arbeitsweise des Mehrstufenverdampfers soll nunmehr beschrieben werden bei seinem Einsatz zur Destillation von Meerwasser. Er kann selbstverständlich auc! bei allen möglichen andersartigen Destillationsgegebenheiten zum Einsatz gelangen.

Das ankommende Meerwasser wird ü(er die Hauptzufuhrleitung 23 in die Verteilerkammcr 24 eingeleitet und gela.igt über die Rohre 25 in die Verteiler 26. Aus diesen wird es in den einzelnen Bcrei-

Mi ehen durch die Düsen 27 auf die Rohre der jeweiligen Rohrgruppen versprüht. Es fließt als dünner Film über die Außenseite der Rohre nach unten

Gleichzeitig wird von einem außeriliegenden Dampferzeuger in die erste Stufe 2 1 über die EinlalS-

(<= öffnung 28 Dampf zugeführt, der infolge der guten Abdichtung der Rohrenden 4« in der Zwischenwand j/'l sicher in die Wärmeaustauschrohre 5 hineingelangt. Hs erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dein

heißen Dampf, der durch die Wärmeaustauschi öhre 5 geleitet wird und dem auf der Außenseite der Rohre nach unten fließenden Flüssigkeitsfilm.

Das auf diese Weise erzeugte Kondensat fließt aus den Wärmeaustauschrohren 5 - die vorzugsweise gegenüber der Horizontalen nach ihren offenen Enden Aa hin leicht geneigt sind - heraus und sickert auf der Zwischenwand 3/1 bis in den Sammelbehälter 15/1. Das so gesammelte Kondensat kann auf Wunsch durch den Auslaß 32 abgeleitet und zu dem Dampfer- m zeuger zurückgeführt werden, wobei die öffnung 15o verschlossen ist oder es kann bei geschlossenem Auslaß 32 in die Kondensatleitung 14 fließen.

Zur gleichen Zeit sammelt sich nicht kondensierter Dampf in den Rohrenden 4/), von wo er durch die in den Verschluß 8 vorgesehenen Auslaßöffnungen 8a austreten kann.

Gleichzeitig wird das nach unten fließende Mecrw^sscr züFT! Xci! vcrdämⁿft. Der restliche Teil dss nicht verdampften Wassers bildet ein Konzentrat. ;n welches abwärts fließt und in dem Sammelbehälter 16/1 aufgefangen wird. Der aus dem ersten Teil gebildete Dampf vereint sich mit dem aus den Wärmeaustauschrohren 5 austretenden nicht kondensierten Heizdampf und gelangt mit diesem durch den ersten Flüssigkeitsabscheider 11/1. in welchem alle noch vorhandenen Wassertropfen ausgeschieden werden, die ihrerseits in dem Konzentratsammelbehälter 16 aufgefangen werden.

Der Dampf, der durch den ersten Flüssigkdtsab- ό scheider hindurchtritt, gelangt in die zweite Stufe, in der ein geringerer Druck und eine niedere Temperatur als in der vorherigen Stufe herrschen. Er gelangt in die dort vorgesehenen Wärmeaustauschrohre des nächstfolgenden Rohrbündels, in denen eine erneute Kondensation und zugleich eine Konzentration des hier aufgesprühten Meerwassers, ähnlich wie in der vorhergehenden Stufe, erfolgen.

Auf diese Weise werden die Dämpfe in jeder der aufeinander folgenden Stufe kondensiert, wobei je- -in weils der Niederschlag über den Sammelbehälter 15 in die Kondensatleitung 14 fließt. Gleichzeitig wird die aufgegebene Flüssigkeit beim Herabfließen teilweise verdampft und der Dampf zusammen mit dem nichtkondensierten Dampf aus dem Bereich heraus über den Flüssigkeitsabscheider in die Wärmeaustauschrohre der angrenzenden Stufe geleitet, wo der Trennungs- und Kondensationsproi.eß fortgesetzt wird. Die in jeder Stufe gebildeten und verbleibenden Konzentrate gelangen über die jeweiligen Sammler in die gemeinsame Konzentratableitung.

Das Kondensat, welches durch die Kondensatleitung 14 fließt, gelangt aus einer heißeren Zone in eine kühlere, in der es sich mit dem an den dortigen Wärmeaustauschrohren herabgesickerten Kondensat verbindet. Das Kondensatgemisch hat dadurch eine höhere Temperatur als die Zone, in welcher es sich befindet. Daraus resultiert eine bessere Dampfentwicklung, wobei sich der entstehende Dampf wieder mit dem anderen Dampf vermischt, der aus dem Konzentrat produziert wird und mit diesem in die nächstfolgende Zone strömt, wo der restliche Kondensatstrom abgekühlt wird.

Gleichzeitig fließt auch das jeweils verbleibende Konzentrat über Leitung 13 von einer Zone zur anderen, wobei sich in jeder Zone der Verdampfungsvorgang zum Zwecke weiterer Dampferzeugung fortsetzt und der verbliebene Kondensatstrom schließlich völlig abgekühlt wird.

Die Überläufe 21 und 22, die genau gegenüber den entsprechenden öffnungen 30a und 30b angeordnet sind, haben den Zweck, diesen VerdampfungsprozeC wesentlich /u erleichtern. Dabei kann der Dampf, der als Endprodukt der Nachverdampfung von Kondensat und Konzentrat anfällt, aus den Leitungen 13 und 14 über die öffnungen 19 und 20 in die jeweilige Stufe einströmen.

Aus der letzten Stufe wird der dort erzeugte Dampf, zusammen mit den restlichen nicht kondensierten Gasen, welche sich von Stufe zu Stufe gebildet haben, über den Auslaß 29 entfernt. Dieser kann an einen Kondensator angeschlossen sein oder an das Ansaugteil eines Verdichters. Im letzteren Fall kann der aus dem Verdichter austretende Dampf nach zweckmäßiger Aufbereitung wieder dem zum Dampfeinlaß 28 strömenden Frischdampf zugesetzt werden.

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in der Schlußphase gebildet wird, direkt in den Dampfeinlaß eines zusätzlichen Verdampfers einzuführen, der so ausgebildet ist, daß er unter ganz niedrigen Temperaturbedingungen arbeiten kann.

Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind mehrere Verdampferstufen in Reihe angeordnet.

Eine weitere Alternative besteht darin, daß die letzte Zone als Schlußkondensator arbeitet, d. h. daß hier p^ßere Mengen kalter Flüssigkeit aufgegeben werden. In diesem Falle verbleiben, wenn überhaupt, nur sehr geringe Dampfmengen, die dann zuammen mit dem nicht kondensierten Frischdampf über eine an ein Absaugsystem angeschlossene Ableitung.

In allen Fällen wird das gesamte Kondensat - bei diesem Ausführungsbeispiel also das Süßwasser über den Auslaß 31 entfernt, während das Konzentrat über die Ableitung 30 ausgeschieden wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Rohrbündel der Rohrleitungssysteme mittels eines durchbrochenen Gitterwerks abgestützt sind, so daß ein ungehinderter Durchfluß des sich in jeder Stufe bildenden Dampfes in Längsrichtung der Wärmeaustauschrohre möglich ist und der Dampf mit ständig vermindertem Druck von einer Stufe zur anderen fließen kann.

Ferner ist zwischen den einzelnen Stufen eine wirksame Abdichtung gegen einen etwaigen Dampfrückfluß dadurch erreicht, daß das Kondensat und das Konzentrat, das die Leitungen 13 und 14 durchfließt, nur über versenkt angeordnete öffnungen (unter dem Flüssigkeitsspiegel liegend) von einer Zone in die nächstfolgende kältere gelangen kann und damit das Kondensat bzw. Konzentrat eine Sperrflüssigkeit bildet. Weil zwischen den angrenzenden Stufen jeweils ein Druckgefälle besteht, gelangen Kondensat sowohl als auch Konzentrat durch die verschiedenen Wirkungszonen ohne praktischen Niveauverlust.

In jeder Stufe erfolgt die Abstützung der offenen Rohrenden Aa der Wärmeaustauschrohre 5 jedes Rohrbündels 6 durch elektrisch isolierende Dichtungen 7, vorzugsweise aus Gummi, welche in passenden Öffnungen der Zwischenwände 3 sitzen. Dies stellt nicht nur einen äußerst einfachen Weg einer abdichtenden Abstützung der Wärmeaustauschrohre dar, sondern bietet auch die Möglichkeit, daß sich die Wärmeaustauschrohre bei Temperaturschwankungen mehr oder weniger ausdehnen können. Außerdem aber bringt die elektrische Isolation zugleich die Sicherung gegen galvanische Ströme und damit verbundene Korrosion. Das Maß der in den Verschlüssen 8

angeordneten Auslaßöffnungcn Hr/ bestimmt die Menge des nicht kondensierten Diiinpfcs. welcher unter Berücksichtigung der im Innenraum und an den Außenseiten der Wärmeaustausclirohrc herrschenden Druck- und Tcmperaturverhältniss>j aus den Wärmeaustauschrohren entweichen k,inn.

Auf diese Weise können durch veränderliche Dimensierung (z. B. durch Auswechseln von Verschlüssen HK Auslaßöffnungen eines anderen Typs bzw. anderer Bemessung) andere Volumina an Kondensat und Konzentrat, die in den einzelnen Stufen erzielt werden sollen, eingestellt werden.

Da die Wiirmeaustauschrohre und Zwischenwände h,'w. Gitterwerk lies Verdampfers aus irgendeinem

geeigneten Material gefertigt sind, läßt sich der Verdampfer insbesondere bei Wasser bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen betreiben. Mit besonderem Vorteil verwendet man Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, was besonders wirtschaftlich ist.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel können mit dem gezeigten Verdampfer auch aus anderen Lösungen Flüssigkeiten abdestilliert werden. Zweckmäßig läßt sieh auch die Lösung oder das Konzentrat vorwärmen oder der Frischdampf überhitzen.

F.'.ienso kann die hier beschriebene besondere Art und Menge der Kondensat- und Kon/.entratableitung beliebig variiert werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Mehrstufenverdampfer zum Destillieren von Lösungen, die nichtflüchtige Bestandteile enthalten, insbesondere zur Gewinnung von Wasser aus Meerwasser, dessen Gehäuse durch vertikale Zwischenwände in mehrere Stufen unterteilt ist und in jeder Stufe ein aus untereinander parallelen, beidseitig offenen Wärmeaustauschrohren gebildetes Rohrbündel angeordnet ist, über dem sich ein Flüssigkeitsverteiler mit Düsen zum Aufsprühen der zu destillierenden Lösung auf die Wänneaustauschrohre befindet, und mit im Unterteil des Gehäuses angeordneten Sammlern und Ableitungen zum getrennten Auffangen und Abführen von Kondensat und Konzentrat, dadurch gekennzeichnet, daß die Wänneaustauschrohre (5) horizontal oder zur Dampfeinlaßseite leicht geneigt ausgerichtet sind und auf der Dampfeinlftbseite jeder Stufe in den vertikalen, die Slufen abteilenden Zwischenwänden (3) dicht gelagert sind, während sie im übrigen von einem dampfdurchlässig ausgebildeten Gitterwerk (9) abgestützt sind, so daß der in einer Stufe erzeugte Dampf in Richtung der Wärmeaustauschrohre in die nächste Stufe geführt ist, und daß die Wärmeaustauschrohre auf der Dampfauslaßseite ggf. mit Verschlüssen (8) versehen sind, die eine Auslaßöffnung (8a) für den nicht kondensierten Dampf besitzen.

2. Mehrstiifenverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wänneaustauschrohre (S) im Bereich ihrer Durchführung durch die Zwischenwand (3) vo.n einer elektrisch isolierenden Dichtung (7) umschlossen sind.

3. Mehrstufenverdampfer nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlüsse (8) gegen Verschlüsse mit anderen Größen von Auslaßöffnungen (8a) auswechselbar sind.

4. Mehrstufenverdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Stufe zwischen dem Ende des Rohrbündels und der Zwischenwand (3) an der Eingangsseite des Rohrbündels der nächsten Stufe ein im Gehäuse befestigter Flüsr.igkeitsabscheider (11) vorgesehen ist.