DE2346857C3 - Verfahren und Vorrichtung zur destillativen Trennung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur destillativen Trennung von Flüssigkeiten, die eine nicht-flüchtige Komponente enthalten, in Rieselkolonnen mit Destillationskammern aus wärmedurchlässigen Wänden, die auf der einen Seite mit der zu destillierenden Lösung beaufschlagt werden und auf deren anderer Seite das Kondensat herabläuft wobei die Kammern beheizt werden.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Zur Entmischung einer Lösung muß Arbeit aufgewendet werden, die mindestens gleich der durch die Entmischung bewirkten Änderung AG der freien En thalphie des Systems ist Bei den konventionellen Methoden zur Entmischung von Lösungen mit einer nichtflüchtigen Komponente wird diese Arbeit entweder mechanisch, wie bei der umgekehrten Osmose, elektrisch, wie bei der Dialyse, oder in Form von Wärme, wie bei den Verdampfungsverfahren zugeführt. Die mechanischen und elektrischen Verfahren haben den Nachteil, daß höhere Entmischungsgrade nur nach einer bestimmten Anzahl von Behandlungsstufen erreicht werden. Bei den Verdampfungsverfahren muß in jedem Fall die Verdampfungsenthalpie AH des Lösungsmittels zu- und nach seiner Kondensation wieder abgeführt werden. Da die Verdampfungsenthalpien im allgemeinen die Entmischungsarbeit AG um Größenordnungen übersteigen, sind mit der Zu- und Abfuhr der Verdampfungswärme erhebliche Arbeitsverluste verbunden. Weil jedoch die Gasphase praktisch einen unendlich großen Übergangswiderstand für nicht-flüchtige feste Stoffe bildet, ist trotz dieser Nachteile die destillative Trennung wohl das einfachste einstufige Verfahren zur Abtrennung eines flüssigen Lösungsmittels von einem festen Lösungsgut

Verfahren und Vorrichtung zur destillativen Trennung von Flüssigkeiten der angegebenen Gattung sind beispielsweise aus der BE-PS 6 39 759 sowie DT-OS 15 17 385 bekannt Dabei wird beispielsweise nach der DT-OS 15 17 385 eine Endwand beheizt, so daß der aus dem Film an dieser Platte entwickelte Dampf an der gegenüberliegenden Wand der gleichen Kammer kondensiert, diese zweite Platte dabei erhitzt und den an ihr in der zweiten Kammer herabfließenden Film teilweise verdampft, worauf der so entwickelte Dampf die dritte Wand erhitzt und den an dieser in der dritten Kammer herabfließenden Film teilweise verdampft. Dieser Vorgang setzt sich weiiter bis zur letzten Kammer fort. Auch bei diesem Verfahren muß also Wärmeenergie zugeführt werden, um die destillative Tren-

nung auszttiösen-

Der Erfindung 5egt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung tier angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem keine Wärmeenergie zur Auslösung der distillativen Trennuag zugeführt werden muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der angegebenen Gattung dadurch gelöst, daß die Häiffe; der Destillationskammern mit zwei Lösungen unterschiedlichen chemischen Potentials beaufschlagt werden, zwischen denen eine spontane Destillation stattfindet, wobei «Se Wärme, die durch die übergehende kondensierende Komponente freigesetzt wird, zur destillativen Trennung der Flüssigkeiten verwendet wird.

Nach einer werteren Ausführungsform der Erfindung wird die Wärme bei der spontanen Destillation zweier gleicher Lösungen unterschiedlicher Konzentration freigesetzt, wobei sie durch den Niederschlag der flüchtigen Komponente auf der konzentrierteren Lösung erzeugt wird, da die flüchtigi Komponente auf Grund des Konzentrationsunterschiedes zwischen den Lösungen über die Dampfphase zu der konzentrierteren Lösung diffundiert

Be. einer Vorrichtung der angegebenen Gattung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Destillationskammern der Rieselkolonnen aus mindestens einer Doppelzelle mit wärmedurchlässigen Warden gebildet sind, deren eine Zelle für die Beaufschlagung mit den zwei Lösungen unterschiedlichen chemischen Potentials, und deren andere Zelle für die Beaufschlagung mit der zu destillierenden Lösung geschaltet ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur destillativen Trennung von Flüssigkeiten mit einer nicht-flüchtigen Komponente geschaffen werden, bei denen keine Heiz- und Kühlleistungen von außen aufgebracht werden müssen, sondern nur für die Förderung der Lösungen Energiezufuhr erforderlich ist. Dabei wird die destillative Trennung mit einem spontanen Prozeß gekoppelt der nicht nur die notwendige Destillationsarbeit liefert sondern auch die bei der Verdampfung aufgenommenen und bei der Kondensation wieder abgegebenen Wärmemengen seinerseits abgibt bzw. aufnimmt

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ersichtlich, in der Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Es zeigen

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Doppelzel-Ie,

F i g. 2 einen Querschnitt und Einzelteile einer Doppelzelle,

F i g. 3 einen montierten Plattenblock mit Zu- und Ablaufteil. SS

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Kondensationswärme, die bei der spontanen Destillation zwischen zwei Lösungen unterschiedlichen chemischen Potentials frei wird, zur destillativen Trennung der Lösung ausgenutzt Ein hierfür geeigneter Prozeß ist die spontane Destillation zwischen zwei gleichen Lösungen unterschiedlicher Konzentration. Bekanntlich werden Konzentrationsunterschiede in der flüssigen Phase auf Grund von Dampfdruckdifferenzen auch über die Gasphase ausgeglichen. Wird für die spontane Destillation ebenfalls ein System aus flüssigem Lösungsmittel und nichtflüchtigem Lösungsgut gewählt, ςη erwärmt sich auf Grund der Kondensation die konzentriertere Lösung, während sich die weniger konzentrierte auf Grund der Verdampfung des Lösungsmittels abkühlt Bei geeigneter räumlicher Anordnung der Destillationskammern liefern die beiden Prozesse sich gegenseitig die notwendige Kühl- bzw. Heizleistung. Charakteristisch für eine solche Anordnung ist daß nur wärmedurchlässige mit nur stoffdurchlässigen Bereichen abwechseln.

In F i g. 1 ist schematisch eine Doppelzelle 10 dargestellt die aus einer Zelle 12 und einer Zelle 14 besteht. Die Zellen werden von senkrecht in möglichst geringem Abstand zueinander aufgehängten Wänden 16,18 und 20 möglichst geringer Dicke gebildet Dazu können Folien aus einer seewasserbeständigen Al-Mg-Mn-Legierung mit einer Stärke von ca. 100 μ verwendet werden. Auf diese Weise kann man einen Block von mehreren Zellen 12 bzw. Zellen 14 zusammenstellen, die einander abwechseln.

Wählt man als aufzutrennende Lösung ein System Kochsalz-Wasser, wie es zum Beispiel bei der Meerwasserentsalzung im wesentlichen vorliegt, so können für den spontanen Destillationsprozeß eine aus Meerwasser gewonnene Sole hoher Salinität und Meerwasser üblicher Salzkonzentration eingesetzt werden, während bei der Auftrennung reines Wasser aus Meerwasser gewonnen wird.

Die Oberflächen der von Folien gebildeten Wände 16. 18. 20 werden mit den verschiedenen Lösungen als Rieselfilme der ungefähren Dicke von 50 μ beaufschlagt. Auf der rechten Fläche 22 bzw. 24 jeder Folie läuft ein Rieselfilm 26. 28 aus Meerwasser ab. Auf den gegenüberliegenden Flächen 30, 32 fließt in der Zelle 12 die hochkonzentrierte Salzlösung als Rieselfilm 34 und in der Zelle 14 das kondensierte reine Wasser als Rieselfilm 36 ab. Auf Grund der Dampfdruckdifferenz verdampft aus dem Rieselfilm 26 Wasser, das durch den Gasraum der Zelle 12 zu dem gegenüberliegenden Rieselfilm 34 diffundiert und sich dort niederschlägt. Die dabei frei werdende Kondensationswärme wird durch die Folie 18 hindurch zum Rieselfilm 28 auf der Fläche 24 geleitet. Dadurch kann Wasser aus diesem Rieselfilm verdampfen, das sich an der Fläche 32 der Wand 20 niederschlägt, die sich auf niedrigerer Temperatur befindet. Der Gesamtprozeß verläuft spontan, da bei entsprechenden Konzentrationen der Betrag der freien Vermischungsenthalpien größer ist als die freie Entmischungsenthalpie.

Man ordnet nun mehrere Doppelzellen räumlich so nebeneinander an, daß sich imme^r eine Zelle 12 mit einer Zelle 14 abwechselt, wobei also in F i g. 1 die rechte Fläche 22 der Wand 20 der rechten Fläche der Wand 16 entspricht; an dieser Fläche 22 der Wand 20 läuft ebenfalls ein Rieselfilm 26 aus Meerwasser ab, so daß das Lösungsmittel, in diesem Fall Wasser, durch die Gasphase der nicht dargestellten weiteren Zelle zur hochkonzentrierten Lösung diffundiert. Durch die Verdampfung des Lösungsmittels aus dem Rieselfilm 26 wird dem Rieselfilm 36 auf der linken Fläche 32 der Wand 20 Wärme entzogen, so daß diese räumliche Anordnung zu einer Kühlung des Rieselfilms 36 aus der reinen destillierten Komponente führt.

Durch eine Erhöhung der Anzahl der hintereinander geschalteten Doppelzellen 10, die jeweils aus einet Zelle 12 und einer Zelle 14 bestehen, kann ein besserer Wirkungsgrad der gesamten Vorrichtung erreicht werden. Dabei kann man entweder die Doppelzellen 10 so nebeneinander anordnen, daß sie einen Kreis bilden, wobei ein in sich geschlossener Zyklus von gekühlten

bzw. geheizten Flächen entsteht, oder aber die Doppelzellen 10 werden kettenförmig angeordnet. In diesem Fall kann die auf der Fläche 32 der letzten Zelle 14 frei werdende Wärme der Fläche 22 der ersten Zelle 12 zugeführt werden. s

Bei einer solchen Anordnung wird die Umsatzdichte im wesentlichen durch den Diffusionswiderstand des Dampfraumes und den Wärmeleitungswiderstand der Lösungsfilme bestimmt, während der Wärmeleitungswiderstand der Folie gegenüber dem der Filme weniger ins Gewicht fällt Um den Diffusionswiderstand des Dampfraumes niedrig zu halten, sollte der Folienabstand möglichst klein gewählt werden. Weiterhin kann der Diffusionswiderstand des Dampfraumes durch Einstellen eines Unterdrucks herabgesetzt werden, wobei darauf geachtet werden muß, daß die Siedepunkte der Lösungen bei den jeweiligen Drücken nicht erreicht werden. Im hier vorgeschlagenen System hat sich ein Druck von 80 Torr als vorteilhaft herausgestellt.

Um den Wärmeleitungswiderstand der Lösungsfilme niedrig zu halten, sollte auch die Filmdicke möglichst klein gewählt werden. Dabei müssen jeweils abwechselnd vier Flächen 22,30,24 und 32 von drei eng beieinander liegenden, von Folien gebildeten Wänden 16. 18 und 20 mit möglichst dünnen Rieselfilmen 26,34,28 und 36 aus drei verschiedenen Lösungen beaufschlagt werden. Diese Anforderungen werden durch die in F i g. 2 dargestellte Ausführung einer Doppelzelle erfüllt, welche aus den nachstehend beschriebenen Einzelteilen besteht. Auf die als Wand 16 dienende Ablauffolie fol- yo gen im oberen Teil der Zelle ein Verteilerstück 38, ein Zuleitungsstück 40, ein Trennstück 42, ein Zuleitungsstück 44 und wieder ein Verteilerstück 38, an das sich die als Wand 18 dienende nächste Ablauffolie anschließt. Im unteren Teil der Zelle sind als Auffangvorrichtung für die ablaufenden Rieselfilme zwischen den Ablauffolien die Ableitungsstücke 46 und 50 angeordnet, welche durch ein Trennstück 48 voneinander getrennt sind. Alle Einzelteile zwischen den Ablauffolien sind wegen der besseren Abdichtung gegeneinander und wegen der Unbenetzbarkeit z. B. in Polytetrafluoräthylen ausgeführt Mit der im Querschnitt U-förmigen Ausführung der Trennstücke 42 soll der Übergang der an den Verteilerstücken 38 austretenden Flüssigkeiten zur gegenüberliegenden Folienoberfläche verhindert werden. Die als Wände 16,18 und 20 dienenden Ablauffolien sind entsprechend der Darstellung in F i g. 2 mit Kunststoffvliesen beschichtet, wie weiter unten näher beschrieben wird. Außerdem sind auf einer der beiden Oberflächen dieser Folien Abstandshalter angebracht, deren Position auf einer Folie 16 ebenfalls aus F i g. 2 ersichtlich wird.

Die Einzelteile einer Zelle sind entsprechend F i g. 3 auf je zwei Bolzen 52 und 54 einer Haltevorrichtung aufgeschichtet und durch Anpreßdruck gegeneinander abgedichtet. Die erforderlichen Bohrungen zur Aufnahme der Bolzen sind in Fig.2 nicht dargestellt. In F i g. 3 sind die Lösungszuführung mit 56, die Lösungsabführung mit 58 und der Plattensatz mit 60 bezeichnet.

Die Lösungen werden oben durch die Bohrungen 1,2 und 3 (F i g. 2) zugeführt und unten durch die Bohrungen 1, 2,3 und 4 abgeleitet Aus den oberen Bohrungen gelangen die einzelnen Lösungen durch die verschieden ausgeführten Zuleitungsstücke über die Verteilerkämme des Verteilerstücks 38 auf die Oberflächen der entsprechenden Ablauffolie. Die Ableitungsstücke 46 und 50 sind dann so ausgeführt, daß die ablaufenden Lösungen in die unteren Bohrungen 1, 2, 3 und 4 geleitet werden. Wegen der relativ hohen Oberflächenspannung des Wassers bzw. der Lösungen und der nicht ohne weiteres gegebenen selbsttätigen Benetzung der Folie ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten für das Aufbringen und die Ableitung der Lösungsfilme, die möglichst dünn sein sollen. Auch wenn die Ablauffolien vor ihrem Einsatz sorgfältig entfettet werden, bilden sich unterhalb der Einlaufschlitze Tropfen, die zum Teil bis auf die Größe des Plattenabstandes anwachsen. Das hat einmal eine ungleichmäßige Benetzung der Folienoberfläche zur Folge, zum anderen werden bei Kontakt der Tropfen mit der gegenüberliegenden Folienoberfläche die beiden Folien aufgrund der entstehenden Kapillarwirkung zusammengezogen. Daher werden die Oberflächen der Ablauffolien mit einem Kunststoffvlies von ca. 35μ Dicke belegt Durch diese Maßnahme wird einmal das Spreiten der Tropfen auf den Folienoberflächen gewährleistet, zum anderen die Tropfenbildung an den Einlaufschlitzen wirksam verhindert Die Beschichtung der Folienoberflächen reicht bis in die Ablauftrichter hinein, wie in F i g. 2 dargestellt Auf diese Weise wird der ablaufende Rieselfilm in die entsprechenden Bohrungen geleitet und eine Vermischung der verschiedenen Lösungen durch Aufstauen über die Trennstücke 48 hinaus verhindert Die Kunststoffvliese werden unter Wasser auf die vorher mit einem Dispersionskleber besprühten Oberflächen der Ablauffolien aufgeschwemmt Dadurch haften die Vliese nach dem Trocknen faltenfrei und mit geringster mechanischer Verspannung auf den Oberflächen.

Die mechanische Stabilität eines nicht in sich geschlossen bzw. an seinen Enden nicht beheizten bzw. gekühlten Plattenblockes wird dadurch beeinträchtigt, daß sich längs des Blocks ein Temperaturprofil ausbildet Zwischen Anfang und Ende des Blockes entsteht nach Berechnung eine Temperaturdifferenz von etwa 15°Q Es werden daher zwischen den einzelnen Ablauf folien Abstandshalter angebracht Sie sollen möglichst unbenetzbar sein und einen hohen Wärmeleitungswiderstand aufweisen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur destillativen Trennung von Flüssigkeiten, die eine nicht-flüchtige Komponente enthalten, in Rieselkolonnen mit Destillationskammern aus wärmedurchlässigen Wänden, die auf der einen Seite mit der zu destillierenden Lösung beaufschlagt werden und auf deren anderer Seite das Kondensat herabläuft, wobei die Kammern beheizt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälfte der Destillationskammern mit zwei Lösungen unterschiedlichen chemischen Potentials beaufschlagt werden, zwischen denen eine spontane Destillation stattfindet, wobei die Wärme, die durch die übergehende kondensierende Komponente freigesetzt wird, zur destillativen Trennung der Flüssigkeiten «erwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennleichnet daß als Lösungen unterschiedlichen ehe-■tischen Potentials zwei gleiche Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration verwendet werden.

3. V01 richtung zur Durchführung des Verfahrens •ach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Destillationskammern der Rieselkolonnen •us mindestens einer Doppelzelle (10) mit wärmetfurchlässigen Wänden gebildet sind, deren eine Zelle (12) für die Beaufschlagung mit den zwei Lösungen unterschiedlichen chemischen Potentials und deren andere Zelle (14) für die Beaufschlagung mit der zu destillierenden Lösung geschaltet ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den wärmedurchlässigen Wänden (16) und (18) und 18) und (20) towie die Dicke der Wände (16.18,20) und der Rieseifilme (26,28,34,36) gering sind

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß die wärmedurchlässigen Wände (16.18.20) aus benetzbaren Folien bestehen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Folien aus einer Al-Mg-Mn-Legierung bestehen, die mit einem Kunststoffvlies beschichtet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Rieselkolonnen durch kreisförmiges Hintereinanderschalten der Doppelzellen (10) zusammengestellt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Rieselkolonnen durch longitudinal Hintereinanderschalten der Doppelzellen (10) zusammengestellt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß sich im Ober- und Unterteil der Doppelzelle (10) Zu- bzw. Abführungs- ss elemente für die Lösungen befinden, die zwischen den Folien angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungselemente aus einem Verteilerstück (38), einem Zuleitungsstück (40), einem Trennstück (42), einem Zuleitungsstück (44) und wieder einem Verteilerstück (38) und die Abführungselemente aus von einem Trennstück (48) getrennten Ableitungsstücken (46,50) bestehen, wobei für die Zu- und Abführung der jeweiligen Lösungen Bohrungen (1, Z 3) bzw. (1, 2, 3, 4) vorhanden sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die einzelnen Stücke der Zu- und Abführungselemente aus unbenetzbaren Kunststoffen mit hohem Wärmeleitungswiderstand bestehen.

IZ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelteile mehrerer Doppelzellen (10) auf Bolzen (52,54) aufgeschichtet und durch Anpreßdruck gegeneinander abgedichtet sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis IZ dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Folien Abstandshalter angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet daß die Abstandshalter unbenetzbar und schlecht wärmeleitend sind.