DE2334573B2

DE2334573B2 - Vorrichtung und Verfahren zum Konzentrieren von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE2334573B2
Application number: DE2334573A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. 6901 Leutershausen Blank
Original assignee: FRANCAISE WHITING FERMONT PARIS Ste
Current assignee: FRANCAISE WHITING FERMONT PARIS Ste
Priority date: 1973-07-07
Filing date: 1973-07-07
Publication date: 1975-08-14
Also published as: FR2351681A1; DE2334573A1; IT1021073B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Konzentrieren von Flüssigkeiten, die gelöste Feststoffe enthalten, unter Ausdampfen von Brüden in einem unter Unterdruck stehenden Verdampfer, unter Rückgewinnung der Verdampfungswärme mittels einer Wärmepumpe, wobei ein Kältemittel in einem Brüdenkondensator durch die kondensierenden Brüden verdampft, der Kältemitteldampf in einem Verdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher unter Rückgabe der Kondensationswärme an die zu konzentrierende Flüssigkeit kondensiert wird. Derartige Vorrichtungen dienen beispielsweise zum Konzentrieren schwerer, zäher Lösungen, zur Süßwassergewinnung aus Salzwasser, zum Auskristallisieren eines gelösten Stoffes aus Lösungen oder zum Destillieren.

Die DTPS 4 59 470 zeigt eine derartige Vorrichtung, die zum Eindampfen und Destillieren vorgesehen ist. Verwendet man diese Vorrichtung zum Konzentrieren von Flüssigkeiten, die gelöste Feststoffe enthalten, so lugert sich Feststoff an denjenigen Wärmeaustauschflächcn ab, an denen das komprimierte warme Kältemittel leine Wärme an die zu konzentrierende Flüssigkeit abgibt Diese Feststoffablagerungen verschlechtern den Wärmeübergang und machen eine häufige Reinigung ei .'orderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, Flüssigkeiten, die gelöste Feststoffe enthalten, zu konzentrieren, ohne daß FeststoffabJagerungen an denjenigen Wärmeaustauschflächen auftreten, an denen das komprimierte warme Kältemittel seine Wärme an die Flüssigkeit abgibt

!o Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdampfer als Zwangsumlaufverdampfer ausgebildet ist in dessen Kreislauf der Wärmetauscher angeordnet ist wobei hinter dem Brüdenkondensator

eine Vakuumpumpe zum Abziehen der inerten Gase vorgesehen ist Unter einem Zwangsumlaufverdampfer soll hierbei, im Gegensatz zu einem Naturumlaufverdampfer oder Fallstromverdampfer, ein Verdampfer mit Umwälzpumpe verstanden sein; diese Definition

umfaßt beispielsweise auch den Zwangsumlaufkristallisator.

An die zu konzentrierende Flüssigkeit wird die Wärme, die zum Ausdampfen der Brüden führt, vom komprimierten warmen Kältemittel abgegeben. An denjeni-

gen Wärmeaustauschflächen, an denen dieser Wärmeaustausch stattfindet hat die Flüssigkeit die höchste Temperatur; aus diesem Grunde neigt sie insbesondere an diesen Wärmeaustauschflächen zum Sieden und somit zum Ausscheiden von Feststoffe!!. Diese Feststoffablagerungen begünstigende starke lokale Erwärmung wird durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Zwangsumlaufverdampfers verhindert Die Flüssigkeit strömt schneller an den Wärmeaustauschflächen vorüber und wird weniger erwärmt; dies hat bei Stoffen, deren Löslichkeit mit steigender Temperatur abnimmt, keine Feststoffabscheidungen zur Folge, weil bei diesen Stoffen die Abnahme der Löslichkeit über ein kurzes Temperaturintervall nur minimal ist. Bei Stoffen, deren Löslichkeit mit steigender Temperatur zunimmt, können Feststoffausscheidungen sowieso nicht auftreten, solange die Arbeitstemperatur im Wärmetauscher unterhalb der Siedetemperatur liegt; bei Zwangsumlaufverdampfern ist dies der Fall, denn bei diesen wird der Wärmeübergang im Wärmetauscher durch die Turbulenz der Strömung und nicht durch Sieden der Lösung erzielt. Da die Wärmeaustauschflächen sauber bleiben, brauchen sie nur sehr selten gereinigt zu werden, und ein guter Wärmeübergang im Wärmetauscher bleibt auch während längerer Betriebsdauer der Vorrichtung erhalten. Ebenfalls wird durch das Abziehen der inerten Gase der Wärmeübergang verbessert, da die inerten Gase den Wärmeaustausch im Brüdenkondensator beeinträchtigen würden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung würde durch die Verwendung eines Naturumlaufverdampfers (Kletterfilmverdampfers) nicht gelöst, bei welchem ein Sieden der zu konzentrierenden Flüssigkeit an den genannten Wärmeaustauschflächen erforderlich ist, um einen guten Umlauf und somit einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Beim Fallstromverdampfer (Fallfilmverdampfer) andererseits wird ein guter Wärmeübergang durch die geringe Filmdicke erzielt, doch siedet der Film in den Rohren, um die Konzentration zu erhöhen. Wegen des Siedens sind

^(l5 mithin der Naturumlaufverdampfer und der Fallstromverdampfer zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung ungeeignet.
Der Zwangsumlaufverdampfer ist zwar an sich be-

jtannt: ζ. B. zeigt die US-PS 26 19 453 einen derartigen Verdampfer mit Brüdenkompression, der jedoch ohne Hilfsflüssigkeit arbeitet und mit dem die besonderen Verteile von Brüdenkompressionsanlagen mit getrenntem Kreislauf eines Kältemittels nicht zu erzielen sind.

Die erfindungsgemäße Konstruktion hat nicht nur den Vorteil, in der beschriebenen Weise Feststoffablagerungen im Wärmetauscher zu unterfaden, sondern {imöglicht darüber hinaus den Aufbau der erfindungsgemäßen Anlage fast ausschließlich aus handelsübli- chen Apparateteilen:

Der Brüdenkondensator, der Verdichter und der Wärmetauscher sind, in einer einzigen Baueinheit zusammengelallt. unter der Bezeichnung »Kaltwassersatz« oder »Wasserkühler« mit den zugehörigen Ver- bindungsleitungen erhältlich. Weiterhin kann man auch die drei erforderlichen Pumpen »nach Katalog« kaufen, nämlich eine Pumpe zum Abziehen der inerten Gase, eine Pumpe zum Abziehen des Kondensats sowie eine Umwälzpumpe im Kreislauf des Zwangsumlaufverdampfen. Nur den Brüden-Abscheider muß man speziell für die gewünschte Vorrichtung herstellen, doch ist dieser derart einfach aufgebaut, daß seine Spezialanfertigung keine zu großen Unkosten verursacht.

Auch dieser Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, im wesentlichen aus »Katalog-Bauteilen«, wird durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Zwangsumlaufverdampfers erreicht, bei welchem im Gegensatz zur Konstruktion der DT PS 4 59 470 der Wärmetauscher mit dem Brüdenverdampfer keine bauliehe Einheit bildet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere für:

1. die Eindampfung temperaturempfindlicher Lösungen. beispielsweise organischer Stoffe wie Milch oder Zuckerlösungen, da die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzielung eines niedrigen Energiebedarfs mit kleinen Temperatuirdifferenzen zwischen der Lösung einerseits und der Kondensa- tionstemperatur des Kältemittels andererseits arbeiten kann;

2. die Kristallisation von Stoffen, die erst bei niedrigen Temperaturen kristallisieren (z. B. Citronensäuremonohydrat, Glaubersalz), oder solchen, die in zwei verschiedenen Formen nacheinander in einer Anlage kristallisiert werden solion (z. B. Citronensäure als Monohydrat oder was^erfrei);

3. die Behandlung kleiner Mengen in kleinen Anlagen, wo nach konventionellen Verfahren eine di- rekle Kristallisation zu aufwendig wäre (beispielsweise pharmazeutische Produkte, Galvanik-Abwässer);

4. Vorrichtungen mit Kühlwasserschwierigkeiten (Wassermangel oder zu hohe Temperaturen des Kühlwassers); bei konventionellen Vorrichtungen wird ein hohes Vakuum mittels Dampfstrahlpumpen erzielt, wobei viel Kühlwasser und Treibdampf verbraucht wird;

5. die Behandlung von Lösungen, die bei niederen Temperaturen weniger aggressiv sind, da es die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, den Zwangsumlaufverdampfer und insbesondere dessen Wärmetauscher aus wesentlich billigeren Werkstoffen zu erstellen als bei konventionellen Anlagen;

6. Neuanlagen und Erweiterungen, für die kein Dampf zu Verfügung steht.

Gegenüber mehrstufigen konventionellen Vorrichtungen hat die erfindungsgemäße einstufige Vorrichtung den Vorteil eines weitaus einfacheren Aufbaus und verminderter Betriebskosten.

Aus Kostengründen ist man bestrebt, den Wärmetauscher, d. h. seine Wärmetauschflächen, möglichst klein zu machen. Hierzu muß der Verdichter das Kältemittel auf einen hohen Druck verdichten. Bei diese·· starken Verdichtung jedoch wird dem Kältemittel mehr Wärme zugeführt, als zum Austreiben der Brüden erforderlich wäre. Es entsteht also dann das Problem, diese Überschußwärme in möglichst sinnvoller Weise wieder abzuführen.

Im allgemeinen wird man es vorziehen, die Oberschußwärme bereits vor dem Verdichter, d. h. »am kalten Ende«, aus dem Prozeß herauszunehmen, um zu vermeiden, daß im Brüdenkondensator unnötig viel Kühlmittel verdampft wird, zu dessen Verdichtung der Verdichter viel Energie benötigt Vorteilhaft wird daher nur ein Teil der Brüden im Brüdenkondensator mit Hilfe des Kältemittels kondensiert, wogegen zum Niederschlagen der restlichen Brüden brüdenseitig vor, neben oder nach dem Brüdenkondensator ein luft- oder wassergekühlter Brüdenhilfskondensator gescheltet ist. — An Stelle des oder zusätzlich zum BrüdenhiMtkondensator kann vorteilhaft kältemittelseitig dem Brüdenkondensator ein Kältemittelvorkühler vorgeschaltet sein, welcher das Kältemittel vor Eintritt in den ersten Brüdenkondensator vorkühlt und mit Kühlwasser oder Kühlluft beaufschlagt ist.

Die Überschußwärme kann man beispielsweise dann nicht »am kalten Ende« abführen, wenn das für den Brüdenhilfskondensator und/oder den Kältemittelvorkühler verfügbare Kühlwasser (bzw. die Kühlluft) nicht oder nicht wesentlich kalter ist als das Kältemittel vor seinem Eintritt in den Brüdenkondensator. In diesem Falle wird die Überschußwärme nicht »am kalten Ende« abgeführt, sondern es ist vorteilhafter, nur einen Teil des im Verdichter hochverdichteten Kältemittels dem Wärmetauscher des Zwangsumlaufverdampfers zuzuleiten, wogegen ein anderer Teil des Kältemittels seine Kondensationswärme in einem zweiten Wärmetauscher abgibt. Hierzu wird vorteilhaft kältemittelseitig parallel zum Wärmetauscher ein luft- oder wassergekühlter Kältemittelhilfskondensator geschaltet.

Mit der erfindungsfemäßen Vorrichtung wird vorteilhaft bei Temperaturen der Lösung zwischen 20 und 60° C (beispielsweise Citronensäuremonohydrat 30° C, wasserfreie Citronensäure 50° C, Zucker 60° C) gearbeitet. Diese Grenzwerte ergeben sich aus Wirtschaftlichkeitsüberlegungen, und zwar in bezug auf die untere Grenze seitens der Vakuumanlage, in bezug auf die obere Temperaturgrenze seitens des Kältemittelkreislaufes.

Zwei vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfin dung sind schematisch in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 schematisch und vereinfacht eine Vorrichtung mit im Kreislauf des Zwangsumlaufverdampfers angeordnetem Wärmetauscher und

F i g. 2 eine verbesserte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1.

Gemäß F i g. I weist der Zwangsumlaufverdampfer 2 eine Umwälzpumpe 4, einen Abscheider 8 sowie eine Umlaufleitung 10 auf. Im Kreislauf des Zwangsumlaufverdampfers 2 sind die Umwälzpumpe 4 und der Wärmetauscher 6 angeordnet. Gemäß den eingezeichneten Pfeilen wird die Umlaufleitung 10 abwärts und die Lei-

tung 14, in der der Wärmetauscher 6 angeordnet ist, aufwärts von der Flüssigkeit durchflossen. Im Abscheider 8 zirkuliert die Flüssigkeit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 12, über welchem sich die ausgedampften Brüden befinden. Am Flüssigkeitsspiegel 12 tritt gegebenenfalls Kristallbildung auf.

Durch das kontinuierliche Austreiben der Brüden würde die Konzentration der Flüssigkeit fortlaufend erhöht. Dies wird durch kontinuierliches Abziehen konzentrierter Flüssigkeit über die Leitung 60 (in welcher erforderlichenfalls noch ein Filter oder Eindicker 110 vorgesehen sein kann) und kontinuierliche Zugabe frischer Flüssigkeit über die Leitung 16 verhindert; die Konzentration der Flüssigkeit wird dadurch konstant gehalten.

Die ausgetriebenen Brüden werden in einem Brüdenkondensator 18 im Wärmeaustausch mit über die Kältemittel-Leitung 20 zugeführtem flüssigem Kältemittel kondensiert, wobei im Brüdenkondensator 18 das Kältemittel verdampft wird. Dieses verdampfte Kältemittel wird über die Verdichter-Saugleitung 22 einem von einem Motor M angetriebenen Verdichter 24 zugeführt. Der Verdichier 24 verdichtet das gasförmige Kältemittel, ohne es zu verflüssigen, und drückt es über die Wärmetauscher-Zuleitung 28 in den Wärmetauscher 6, dem andererseits über die Leitung 14 Flüssigkeit zugeführt wird. An diese gibt das Kältemittel seine Wärme ab, kondensiert und verläßt den Wärmetauscher 6 durch die Kältemittel-Leitung 30 in flüssigem Aggregatzustand.

An den Brüdenkondensator 18 ist eine Vakuumpumpe 45 angeschlossen, welche durch die Leitung 48 die inerten Gase abführt und das Vakuum im Zwangsumlaufverdampfer 8 auf einem konstanten Wert entsprechend der gewünschten Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit hält. Die im Brüdenkondensator 18 kondensierten Brüden werden durch die Kondensatpumpe 44 abgezogen und verlassen die Vorrichtung durch die Kondensatleitung 46.

Dient die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung dem Entsalzen von Meerwasser, also der Süßwassergewinnung, so wird dieses Meerwasser durch die Leitung 16 eingespeist, und das durch die Kondensatleitung 46 austretende Brüdenkondensat ist das gewünschte Süßwasser. Die durch die Abzugsleitung 60 austretende Sole wird ins Meer zurückgeleitet. Soll aus dem Meerwasser Salz gewonnen werden, so wird die Konzentration im Zwangsumlaufverdampfer 2 so weit erhöht, bis am Flüssigkeitsspiegel 12 Kochsalz auskristallisiert; aus der durch die Abzugsleitung 60 entnommenen Sole wird das Salz durch einen Filter oder EindicKer 110 entnommen, und die hochkonzentrierte Sole wird dem Zwangsumlaufverdampfer wieder zugeführt.

Gemäß F i g. 2 weist der Zwangsumlaufverdampfer 2 eine Umwälzpumpe 4, einen Wärmetauscher 6. einen Abscheider 8 sowie eine Umlaufleitung 10 auf. Gemäß den eingezeichneten Pfeilen wird die Umlaufleitung 10 abwärts und der Wärmetauscher 6 aufwärts von der zu konzentrierenden Flüssigkeit durchflossen. Im Abscheider 8 zirkuliert die Flüssigkeit unterhalt des Flüssigkeitsspiegels 12, über welchem sich die ausgedampften Brüden befinden.

Durch das kontinuierliche Austreiben der Brüden würde die Konzentration der Flüssigkeit fortlaufend erhöht Di«s wird durch kontinuierliches Abziehen konzentrierter Flüssigkeit fiber die Leitung 60 und kontinuierliche Zugabe frischer Flüssigkeit über die Leitung 16 verhindert; die Konzentration der Flüssigkeit wird konstant gehalten.

Die ausgetriebenen Brüden werden in einem Brüdenkondensator 18 im Wärmeaustausch mit über die Kältemittel-Leitung 20 zugeführtem flüssigem Kältemittel kondensiert, wobei im Brüdenkondensator 18 das Kältemittel verdampft wird. Dieses verdampfte Kältemittel wird über die Verdichter-Saugleitung 22 einem Verdichter 24 zugeführt. Der Verdichter 24 verdichtet das gasförmige Kältemittel und drückt es über die Wärmetauscher-Zuleitung 28 zum Teil in den Wärmetauscher 6 des Zwangsumlaufverdampfers 2, zum Teil in einen Kältemittelhilfskondensator 106.

Durch Wärmeaustausch mit der umlaufenden Flüssigkeit kondensiert Kältemittel im Wärmetauscher 6 und verläßt ihn durch die Austrittsleitung 30 in flüssigem Aggregatzustand. Es tritt in einen Kältemittel-Vorlagebehälter 32 ein.

Zur Abfuhr der durch den mit hoher Verdichtung arbeitenden Verdichter 24 erzeugten Überschußwärme wird ein Teilstrom des verdichteten, aber noch gasförmigen Kältemittels über eine Zweigleitung 29, deren Durchfluß mittels eines Ventils 31 regelbar ist, über den Kältemittelhilfskondensator 106 geführt. Hier wird das Kältemittel verflüssigt und dann ebenfalls dem Kältemittel-Vorlagebehälter 32 zugeleitet. - Der Kältemittelhilfskondensator 106 kann beispielsweise ein Raumbeheizer sein, welcher in Richtung des Pfeiles 33 von Raumluft durchströmt wird.

Zusätzlich zum Kältemittelhilfskondensator 106 odei an Stelle desselben kann in der den Kältemittel-Vorla gebehälter 32 mit dem Brüdenkondensator 18 verbin denden Leitung 20 ein mit Kühlwasser oder Kühlluft ir Pfeilrichtung 35 beaufschlagter Kältemittelvorkühlei 36 vorgesehen sein, um die in der beschriebenen Weise durch den Verdichter erzeugte Überschußwärme abzuführen.

Der Kältemittelhilfskondensator 106 und/oder dei Kältemittelvorkühler 36 ziehen die Überschußwärme »am warmen Ende«, d. h. hinter dem Verdichter 24. audem Prozeß. Das flüssige Kühlmittel kann jedoch vor den Brüden im Brüdenkondensator 18 in zu großei Menge verdampft werden. Der Verdichter 24 muli dann unnötig viel verdampftes Kältemittel verdichtet und hat infolgedessen eine zu hohe Leistungsaufnahme Um die Menge des im Brüdenkondensator 18 ver dampften Kältemittels auf den erforderlichen Wert zi reduzieren, läßt man vorteilhaft nur einen Teil der Brü den in diesem Brüdenkondensator 18 kondensieren wogegen ein anderer Teil der Brüden in einem den Brüdenkondensator 18 in bezug auf die Strömung dei Brüden vor-, neben- oder nachgeschalteten Brüden hilfskondensator 38 niedergeschlagen wird. Gemäl F i g. 2 ist dieser Brüdenhilfskondensator 38 dem Brü denkondensator 18 nachgeschaltet, d. h. ein Teil de Brüden wird im Brüdenkondensator 18 im Wärmeaus tausch mit dem Kältemitte! niedergeschlagen, die restli chen Brüden werden in dein nachgeschalteten Brüden hilfskondensator 38 im Wärmeaustausch mit Kühlwas ser oder Kühlluft niedergeschlagen, und die inertei Gase werden schließlich durch die Vakuumpumpe 4! abgezogen.

Die Kondensate aus dem Brüdenkondensator 18 so wie dem Brüdenhilfskondensator 38 werden durch di< Kondensaisammelleitungen 40 bzw. 42 einer Brüden kondensatpumpe 44 zugeführt und durch die Konden satleitung 46 abgeführt Dient die erfindungsgemäßi Anlage zum Entsalzen von Meerwasser, so ist das Kon densat das gewünschte Frischwasser, wogegen di<

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hochkonzentrierte Salzlösung als Abfallprodukt wieder ins Meer zurückgeleitet wird. Dient die erfindungsgemäße Anlage dagegen der Kochsalzgewinnung, so dampft man das Wasser so weit ein, daß sich im Abscheider 8 am Flüssigkeitsspiegel 12 Salzknstalle ausscheiden; das Kondensat ist in diesem Falle das Nebenprodukt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patenunsprüche:

1. Vorrichtung zum Konzentrieren von Flüssigkeiten, die gelöste Feststoffe enthalten, unter Ausdampfen von Brüden in einem unter Unterdruck stehenden Verdampfer, unter Rückgewinnung der Verdampfungswärme mittels einer Wärmepumpe, wobei ein Kältemittel in einem Brüdenkondensator durch die kondensierenden Brüden verdampft, der Kältemitteldampf in einem Verdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher unter Rückgabe der Kondensationswärme an die zu konzentrierende Flüssigkeit kondensiert wird, daduich gekennzeichnet, daß der Verdampfer als Zwangsumlaufverdampfer (2) ausgebildet ist in dessen Kreislauf der Wärmetauscher (6) angeordnet ist. wobei hinter dem Brüdenkondensator (18) eine Vakuumpumpe (45) zum Abziehen der inerten Gase vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß brüdenseitig vor, neben oder nach dem Brüdenkondensator (18) ein luft- oder wassergekühlter Brüdenhilfskondensator (38) geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß kältemitielseitig dem Brüdenkondensator (18) ein Kältemitt.elvorkühler (36) vorgeschaltet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß kältemittelseitig parallel zum Wärmetauscher (6) ein luft- oder wassergekühlter Kältemittelhilfskondensator (106) geschaltet ist.

5. Verfahren zur Konzentration von Flüssigkeiten, die gelöste Feststoffe enthalten, unter Verwendung der Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer im Temperaturbereich zwischen 20 und 6O⁰C betrieben wird.