DE2207085C3 - Destillattonsverfahren und Vorrichtung zu seiner Durchführung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Destillationsverfahren, bei welchem eine Flüssigkeit unter Unterdruck verdampft wird, der Dampf mittels eines Kompressors abgezogen und komprimiert und anschließend im Wärmetausch mit einem Kühlmittel kondensiert wird, und bei welchem die Durchflußraten des Dampfes und der Flüssigkeit derart gesteuert werden, daß in der Verdampfungskammer fast völlige Dampfsättigung aufrechterhalten bleibt, d. h., der Dampfdruck im Dampfraum liegt knapp unter dem Dampfdruck der Flüssigkeit.

Bei einem derartigen, aus der US-PS 19 66 938 bekannten Verfahren wird der aus der Verdampfungskammer abgezogene Dampf durch einen Kondensator gedrückt, dessen dampfdurchströmte Rohre durch den flüssigkeitsgefüllten Raum der Verdampfungskammer verlaufen. Hierdurch wird die Flüssigkeit im Verdampfungsraum unter Unterstützung der Verdampfung erwärmt, andererseits jedoch die Temperaturdifferenz zwischen dem zu kondensierenden Dampf und der verdampfenden Flüssigkeit derart vermindert, daß zur F.rzielune einer hinreichenden TemDcraturdifferenz kinetische Energie zur Kompression des Dampfes zugeführt werden muß. Die eintretende Dampfüberhitzung ergibt sich aus den Angaben auf Seite 2, Zeilen 96 bis 108 der US-PS 19 66 938. Weiterhin wird der Wirkungsgrad der Anordnung der US-PS 19 66 938 durch die hohe Konzentration der Flüssigkeit in der Verdampfungskammer vermindert. Einerseits nimmt die Verdampfungswärme mit steigender Konzentration zu, andererseits treten Probleme der Inkrustierung auf, welche den Wärmetausch beeinträchtigen. Schließlich ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit derart gering (vgl. Seite 2, Zeilen 129 ff der US-PS 19 66 938), daß dort eine Phasentrennung auftritt. In einer derart stagnierenden Flüssigkeit kann der Wärmeiausch im wesentlichen durch Leitung, nicht jedoch durch Konvektion stattfinden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, den thermischen Wirkungsgrad bei einem einstufigen Destillationsverfahren dahingehend zu verbessern, daß von außen keinerlei Wärme zugeführt und gleichzeitig eine möglichst große Temperaturdifferenz zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs eingestellt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit mit so großer Durchflußrate durch die Verdampfungskammer strömt, daß die Verdampfungswärme ausschließlich aus dem Wärmeinhalt der Flüssigkeit selbst bezogen wird, und daß der Dampf mit dem abgekühlten Konzentrat als Kühlmittel kondensiert wird.

Dadurch, daß die zur Verdampfung erforderliche Wärme der Flüssigkeit selbst entzogen wird, wird einerseits die Zufuhr von Wärmeenergie vermieden und andererseits die erforderliche Tomperaturdifferenz zwischen dem zu kondensierenden Dampf und dem Konzentrat erzielt. Die zur Verdampfung erforderliche hohe Durchflußrate verhindert eine zu hohe Konzentration der Flüssigkeit und begegnet somit den hieraus resultierenden Nachteilen für den Wirkungsgrad.

Die hohe Durchflußrate der Flüssigkeit durch die Verdampfungskammer hat also eine nur teilweise Verdampfung zur Folge, wogegen die stagnierende Flüssigkeit in der Verdampfungskammer der US-PS 19 66 938 so weit eingedampft wird, daß nur eine dicke Sole übrig bleibt.

Ein Destillationsverfahren, bei welchem kühles Konzentrat zur Dampfkondensation verwendet wird, ist an sich aus Fig. 12 der US-PS 35 58 439 bekannt. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch eine vielstufige Entspannungsverdampfung, bei welcher die ersten Stufen mit einer besonderen Kühlflüssigkeit (Meerwasser aus großer Tiefe) gekühlt werden müssen und weitere Stufen mit dem Konzentrat vorheriger Stufen gekühlt werden. Das bekannte Verfahren der US-PS 35 58 439 steht somit gattungsmäßig dem erfindungsgemäßer: Verfahren ferner als das der eingangs genannten US-PS 19 66 938.

In besonderen Fällen kann es wirtschaftlich sein, anstelle von Ausgangsflüssigkeit, die beispielsweise aus größerer Entfernung herangeschafft werden muß, Konzentrat in den Kreislauf einzuführen. Ein derartiges Verfahren ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kondensieren des Dampfes, im Wärmetausch mit dem Konzentrat, dieses Kondensat nochmals in Wärmetausch mit dem Konzentrat gebracht wird und daß dann ein Teil des Konzentrats zur Verdampfungskammer zurückgeführt wird. Durch den zweiten Wärmetausch des Kondensats mit dem Konzentrat wird letzteres im wesentlichen auf die gleiche Temperatur

wie die Ausgangsflüssigkeit wieder angehoben. Man verwendet jedoch vorteilhaft nur einen Teil des Konzentrats wieder, weil anderenfalls eine fortschreitende Abkühlung und eine fortschreitende Konzentrationszunahme der zirkulierenden Flüssigkeit die Folge wären.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Entsalzung von Wasser, z. B. Meerwasser, ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate durch die Verdampfungskammer derart gesteuert wird, daß eine zu hohe Salzkonzintralion vermieden wird. Über die Messung der Salzkonzentration ist es besonders gut möglich, die Durchflußrate derart zu regeln, daß die Verdampfungswärme ausschließlich aus dem Wärmeinhalt der Flüssigkeit selbst bezogen wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in Übereinstimmung mit der US-PS 19 66 938 eine Verdampfungskammer, einen Kompressor und mindestens einen Kondensator auf-¹ weist, wobei die Verdampfungskammer über eine Steigleitung mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist, in dem sich die Flüssigkeit bei atmosphärischem Druck befindet, und wobei sie je eine Ausgangsöffnung im Dampf- und Flüssigkeitsraum besitzt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsöffnung im Flüssigkeitsraum der Verdampfungskammer über eine Konzentratleitung mit dem Kondensator verbunden ist.

Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Anordnung ist schematisch in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Teil aus einer Aufsicht auf eine Vorrichtung, wobei einzelne Teile weggebrochen und im Schnitt gezeigt sind,

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes im wesentlichen längs der Schnittlinie 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 einen Teil eines Seitenschnittes, der eine etwas veränderte Ausführungsform der in F i g. 2 dargestellten Vorrichtung zeigt und

Fig.4 ein schematisches Blockdiagramm des Steuersystems.

Die F i g. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Ringgehäuse 12 senkrecht über einem radial-ringförmigen Einlaßtank oder Reservoir 16 und einem radial-inneren Auslaßtank oder Reservoir 18 angeordnet. Eine Zuführungsleitung 20 erstreckt sich vom Einlaßtank 16 nach oben in den äußeren Abschnitt des Ringgehäuses 12. Der radial-innere Abschnitt des Ringgehäuses 12 ist mit dem oberen Ende eines vertikalen Kondensators 22 verbunden, welcher sich abwärts in einen Kondensatsammeitank 24 erstreckt, an den der Eingang einer Kondensatpumpe 26 angeschlossen ist.

Die Erfindung betrachtet die Destillation verschiedener Flüssigkeiten und schließt eine vorherige Behändlung oder Verarbeitung nicht aus. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird Meerwasser dem Einlaßtank 16 durch das Regulierventil 34 über eine Leitung 36 zugeführt. In üblicher Weise kann das Meerwasser, bevor es in den Tank 16 gelangt, durch eit.cr» Entlüfter geführt werden. Indem man das Einfließen des Meerwassers durch das Regulierventil 34 in Abhängigkeit von der Behandlung in der Vorrichtung regelt, hält man ein vorbestimmtes Niveau 38 in der Verdampfungskammer 48 aufrecht, um einen Niveauunterschied gegenüber dem Niveau 40 der Flüssigkeit im Einlaßtank 16 herzustellen. Die Zirkulation der Flüssigkeit mit der crpwfinsohten Durchflußrate kann durch an geeigneten Stellen angeordnete Förder-Pumpen aufrechterhalten werden, wie beispielsweise durch die Umwälzpumpe 43, welche Konzentrat vom Austrittsende eines unteren Kondensators 88 abzieht. Ein geregelter Ausfluß des Konzentrats wird von dem Durchflußsteuerventil 44 gesteuert, um die Salzkonzentration im Konzentrat zu steuern. Der Ausfluß aus dem Ventil 44 wird abgeführt oder mit anderen Verfahren weiter behandelt. Derjenige Teil des Konzentrats 42 dagegen, welcher in den .uslaßtank 18 durch das Ventil 46 eintritt und im ι esentlichen die gleiche Temperatur hat wie das Meerwasser 32, das in den Einlaßtank 16 eintritt, wird von dem Auslaßtank wieder in den Einlaßtank zurückgeführt. Der Auslaßtank kann bei gewissen praktischen Anwendungen weggelassen werden und das Konzentrat kann vom Ventil 46 direkt zurück in den Einlaßtank gepumpt werden, um es so wieder dem Kreislauf zuzuführen.

Da die Flüssigkeit im Einlaßtank und im Auslaßtank unter atmosphärischem Druck steht, fließ! das Meerwasser durch die Leitung 20 aufwärts in die Verdampfungskammer 48, die sich im Ringgehäuse 12 befindet. In der Verdampfungskammer wird das Meerwasser von einer großen Fläche teilweise verdampft, so daß nur eine minimale Menge Salz in den Dampfraum mitgenommen wird. So wird eine Dampfphase im Datr.pfraum 54 hergestellt, welcher durch eine Trennwand 56 von einer Übertragungskammer 58 getrennt ist, die innerhalb des Ringgehäuses über dem Kondensator 22 angeordnet ist. Das Konzentrat 52, das sich innerhalb der Verdampfungskammer 48 bildet, ist nicht nur dichter als das Meerwasser, sondern aufgrund der entzogenen Verdampfungswärme auch kühler und wird über die Konzentratleitung 68 in den Kondensator 22 gepumpt, wogegen der Dampf aus dem Dampfrauin 54 vom Gebläse 60 in die Übertragungskammer 58 abgezogen wird. Die Durchflußrate der Flüssigkeit durch die Verdampfungskammer hindurch wird passend zur Verdampfungsrate reguliert, um Temperaturbedingungen aufrechtzuerhalten, welche mit einer nahezu maximalen Dampfdichte im Dampfraum 54 der Verdampfungskammer zusammenpassen. Wenn daher der Dampfstrom, der in gesättigtem Zustand relativ inkompressibel ist. vom Gebläse 62 in den Kondensator 22 überführt wird, so kondensiert der Dampf leicht, da seine Temperatur dort durch Wärmetausch mit dem kühleren abgeführten Konzentrat abgekühlt wird.

Der Dampf wird zunächst im Kondensator 22 zum Wärmetausch durch Rohre 66 im Gegenstrom zum Konzentrat geführt. Auf diese Weise wird das abgekühlte Konzentrat bei seiner niedersten Temperatur anfangs in Wärmetausch mit dem Dampf bei ebenfalls dessen niederster Ausgangstemperatur geführt, wogegen das Konzentrat bei seiner höchsten Auslaßtemperatur im oberen Abschnitt des Kondensators 22 in Wärmetausch mit dem einfließenden Dampf bei seiner höchsten Einlaßtemperatur steht. Der verbleibende Dampf und das Kondensat fließen aus dem oberen Kondensator 22 abwärts durch eine Sprühzone 72, in welche Kondensat durch den Sprühkopf 74 eingesprüht wird, um die Kondensation zu fördern. Das Kondensat wird den Sprühköpfen durch die Pumpe 76 zugeführt, deren Eingang mit dem Kondcnsatsammel-Tank 24 verbunden ist, in welchen das Kondensat 78 vom Kondensator abgegeben wird.

Nach Durchlaufen der Sprühzone 72 werden Gase, die vom Kondensat und vom Dampf mitgerissen wurden, durch ein Saugrohr 30 entfernt, welches

unterhalb des Wehres 80 angeordnet und an eine Vakuumpumpe 28 angeschlossen ist.

In der vertikalen Leitung 84, die den Gehäuseabschnitt 86 mit dem Sammeltank 24 verbindet, steht infolge des Absaugens das Kondensat 82 bis zu einer Höhe, weiche durch den Ausfluß aus der Kondensatpumpe 26 bestimmt ist. Vom oberen Kondensator 22 fließt das Konzentrat durch einen unteren Kondensator 88, wobei es mit dem Kondensat 82 in Wärmetausch steht, das innerhalb der Leitung 84 fließt. Der untere Kondensator 88 weist Wärmetauschrohre 90 auf. Die Temperatur des Konzentrats wird im wesentlichen auf die ursprüngliche Mcerwasscrtempcratur wieder angehoben, wogegen das Kondensat auf eine Endtemperatur abgekühlt ist, bevor es den Sammeltank 78 erreicht. Das Konzentrat wird mittels der Pumpe 43 abgezogen und teils durch das Ventil 46 zum Auslaßtank 18 geführt, teils abgeführt. Die Unterdrücke werden bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die barometrische Druckhöhe (Flüssigkeitssäule) aufrechterhalten.

In den Fig. 1 und 2 ist dargestellt, wie die Verdampfungskammer 48 und die Übertragungskammer 58 aufgebaut sind, damit die Sonnenhitze die Funktion nicht störend beeinflußt, indem sie eine Unlersältigung des Dampfes innerhalb des Danipfraumcs 54 der Verdampfungskammer bewirkt. Zu diesem Zweck wird Meerwasser von der Zuführungsleitung 20 durch die Flüssigkeitspumpe 94 abgezogen und durch die unterbrochen dargestellte Leitung % zum oberen linde eines doppclwandigcn, geneigten Daches 98 des Gehäuses geführt. Der Kaum 100 zwischen den Wandungen 102 und 104 weist Zirkulationspassagcn 106 für das Meerwasser auf. Dementsprechend absorbiert das Meerwasser die Sonnenhitze und kann verwendet weiden, um den Verdampfungsprozeß innerhalb der Kammer 48 zu verbessern, indem es durch eine Vielzahl von öffnungen 108 in der inneren Wandung 104 im unteren Abschnitt des Daches in ilen Dampfraum 48 eingesprüht wird. Die beschriebene Anordnung verhindert eine Unlcrsättigurtg des Dampfes bei heißen klimatischen Bedingungen. Um eine Übersättigung unter kalten klimatischen Bedingungen zu verhindern, ist die Anordnung dahingehend abgeändert, daß ilas im Raum 100 abgekühlte Wasser abgeführt wird, ohne daß es in die Verdampfungskammer cingesprüht würde.

Fine andere Vorrichtung ist in Fig. .5 dargestellt, wobei das Dach 98' zwischen einer äußeren Wandung 102' und einer tindurchlochteu inneren Wandung 104' ein geeignetes Isolicrungsmalerial HO aufweist. Auch sind die beiden Gebläse 60 und 62 durch ein einziges Gebläse 112 ersetzt, welches diagonal /.wischen dem Dampfraum 54' und der Übcrlragungskammcr 58', am oberen Ende der Trennwand 56' zwischen der Verdampfungskammer 48 und der Übertragungskam-111er 58', angeordnet ist. Im übrigen ist die in Fig,3 dargestellte Vorrichtung die gleiche, wie sie in bezug auf clic F i g. I und 2 beschrieben wurde.

Wie bereits angedeutet wurde, muß das Fließen der Flüssigkeit und des Dampfes durch die Verdampfungskammer derart geregelt werden, daß eine Störung des fast völligen Sflttigungszustandcs des Dampfes innerhalb der Verdampfungskammer vermieden wird, Zu diesem Zweck steuert eine DurchfluDratcn-Slcticrcinlicit 114, wie sie schematisch in F i g. 4 angedeutet ist, die Kondcnstttpumpc 26, um die Höhe des Kondensats 82 in der Leitung 84 und das Dampfvolumcn im Kondensator zu steuern, in welchen der Dampf mit einer Zuflußratc eingeführt wird, welche durch die Gcblttscgcschwindigkeitsstcuercinheit 116 gesteuert ist, mit welcher die Durchflußraten-Steucrcinhcit 114 ebenfalls verbunder ist. Die Dampfdurchflußrate, welche von den Gebläse!" 60 und 62 bzw. 112 bestimmt wird, der Unterdruck iir Kondensator und die Rate des von der Kondensatpumpe 26 abgezogenen Kondensats müssen ebenfalls mil der Verdampfungsrate in Übereinstimmung gcbrachi werden, welche von der verdampfenden Oberfläche und der Bewegung der Flüssigkeit durch die Verdampfungskammer 48 hindurch abhängt, welche wiederum durch die Geschwindigkeit der Umwälzpumpe 43 gegeben ist Die Geschwindigkeit der Umwälzpumpe wird von einer Tempcraturdifferenzstcucrcinheit 117 gesteuert, um eine konstante, vorgegebene Differenz zwischen der Temperatur der in die Verdampfungskammer eintretenden Flüssigkeit und dem aus dieser Kammer austretenden Konzentrat aufrechtzuerhalten. Temperaturfühler 122 und 124, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, sind aus diesem Grunde mit der Steuereinheit 117 verbunden Fine Niveaudiffcrcnzsteucrcinhcit 118 verändert die Stellung des Ventils 34, um ein vorgegebenes Flüssigkeitsniveau 38 aufrechtzuerhalten. Da dieses Flüssigkeitsniveau sich bei Änderungen des Luftdruckes verändern könnte, ist die Niveaudifferenzsteuereinheit mit einem Druckfühler 120 verbunden, um entsprechend die Niveaudifferenz in Übereinstimmung mit Veränderungen des atmosphärischen Druckes zu verändern. Auch steuert ein Salzdichlcfühlcr 121 die Stellung des Ventils 44, um den Ausfluß des Konzentrats zu steuern und eine zu hohe Salzkonzcntration zu verhindern. Allgemein bedeutet in Fig.4 »M«einen Motor,der die Gebläse (60, 62, 112) oder die Pumpen (26, 43) antreibt, und » V« ein Ventil (34,44).

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Zahlen-Beispiel angegeben:

Nehmen wir an. daß die Verdampfungskammer 48, welche luftdicht und luftleer ist, 1000 cbm Dampf im Dampfraum 54 enthüll. Nehmen wir weiterhin an. es seien IO cbm Seewasscr auf dem konstanten Niveau 38 durch barometrischen Druck auf das Niveau 40 des Reservoir Wassers aufrechterhalten. Hat das Meerwasser 20" C, so beträgt der Dampfdruck des gesättigten Wasserdampfes 0,0234 bar und das spezifische Volumen beträgt 57.84 cbm pro kg, so daß das spezifische Gewicht 0,01721 kg pro cbm beträgt. Aus diesem Grunde enthüll der 1000 cbm-Dampfraum 54 eine Menge von 17,24 kg Wasser in dampfförmigem Zustand. Da bei 20"C' die Verdampfungswärme des Meerwassurs 585,5 Kcal pro kg betrugt, muli die Menge der dem Meerwasser zu entziehenden Wurme 17,29 kg χ 585,5 kcal/kg - 10 123 kcal betragen, Hierdurch werden die 10 cbm Meerwasser in der Verdampfungskammer um etwa I"C ubgckühlt, Um 17,29 kg frisches Wasser zu erhalten, müssen cluhcr die Gebläse 1000 cbm Dampf bewegen, und die Gcblltsc müssen die großen Dampfmengen stetig abziehen, um Kondensat zu produzieren und gleichzeitig den Unterdruck in der Verdampfungskammer gerade unter 0,0234 bar zu erhalten, um eine konstante Vcrdnmpfungsrutc zu erzielen.

Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, diiU das Abziehen von einer Tonne oder etwa 60 000 cbm Wasserdampf 585,5 χ 1000 oder etwa 600 00 kcal Wurme erfordert. Die Abnahme der Temperatur des Sccwassers kann beispielsweise unter gewissen Bedingungen 5" C betragen. Dann muß die Menge des durch die Verdampfungskammer umgewälzten oder gepumpten Seewassers 120 Tonnen betrugen, um die erfordern-

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ehe Verdampfungswärme von 600 000 kcal (120 Tonnen χ 1000 kcal χ 5°C) für eine Tonne Dampf oder Kondensat zu erhalten. Die Kosten, um 120 Tonnen Seewasser zu pumpen, stehen in günstigem Verhältnis zu den Kosten, um Seewasser von einer äußeren Quelle zu erhitzen, um die gleiche Menge Wasserdampf zu erhalten. Verwendet man beispielsweise als Brennstoff für die Pumpen öl zu einem Preis von $ 30 pro Tonne und mit 10 000 000 kg-Cal, und nimmt man nur 10% Wirkungsgrad der mechanischen Anordnung an, so schätzt man, daß die Kosten des Anhebens von

Tonnen Wasser um einen Meter weniger als 1 Cent betragen. Das Verbrennen des gleichen Öls, um das Seewasser in einem üblichen Destiliationssystem zu kochen, um eine Tonne Wasserdampf zu erhalten würde demgegenüber etwa $ 1,80 kosten. Weitere Energie wird selbstverständlich beim Betrieb der Umwälzpumpen und sonstiger Einrichtungen des vorliegenden Systems verbraucht, und diese Energie ist vielleicht vergleichbar mit der Energie, die von dci übrigen Einrichtung eines üblichen Destillationssystemi verwendet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Destillationsverfahren, bei welchem eine Flüssigkeit unter Unterdruck verdampft wird, der Dampf mittels eines Kompressors abgezogen und komprimiert und anschließend im Wärmetausch mit einem Kühlmittel kondensiert wird, und bei welchem die Durchflußraten des Dampfes und der Flüssigkeit derart gesteuert werden, daß in der Verdampfungskammer fast völlige Dampfsättigung aufrechterhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit mit so großer Durchflußrate durch die Verdampfungskammer strömt, daß die Verdampfungswärme ausschließlich aus dem Wärmeinhalt der Flüssigkeit selbst bezogen wird, und daß der Dampf mit dem abgekühlten Konzentrat als Kühlmittel kondensiert wird.

2. Destillationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kondensieren des bampfes, im Wärmetausch mit dem Konzentrat, dieses Kondensat nochmals in Wärmetausch mit dem Konzentrat gebracht wird und daß dann ein Teil des Konzentrates zur Verdampfungskammer zurückgeführt wird.

3. Destillationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, zur Entsalzung von Wasser, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußrate durch die Verdampfungskammer derart gesteuert wird, daß eine zu hohe Salzkonzentration vermieden wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder folgenden, die eine Verdampfungskammer, einen Kompressor und mindestens einen Kondensator aufweist, wobei die Verdampfungskammer über eine Steigleitung mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist, in dem sich die Flüssigkeit bei atmosphärischem Druck befindet, und wobei sie je eine Ausgangsöffnung im Dampfund Flüssigkeitsraum besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsöffnung im Flüssigkeitsraum der Verdampfungskammer (48) über eine Konzentratleitung (68) mit dem Kondensator (22) verbunden