DE2507209B2

DE2507209B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Destillieren einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE2507209B2
Application number: DE2507209A
Authority: DE
Inventors: Masaharu Osaka Takada (Japan)
Original assignee: SASAKURA ENGINEERING Co Ltd OSAKA (JAPAN)
Current assignee: SASAKURA ENGINEERING Co Ltd OSAKA (JAPAN)
Priority date: 1974-02-22
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1981-01-22
Also published as: DE2507209A1; NL165999C; IT1031825B; DE2507209C3; NL165999B; GB1503741A; NL7501891A; JPS50115174A; BE825786A; FR2261796B3; JPS5247741B2; FR2261796A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 6.

Bei einem Verfahren der vorgenannten Art werden

JO die Brüden der Verdampferstufe niedrigster Temperatur in die Verdampferstufe höchster Temperatur eingespeist. Den Brüden wird hierbei nur die im Kompressor erzeugte Kompressionswärme zugeführt (DE-OS 22 19 650).

Es ist auch ein mehrstufiger Verdampfer bekannt, bei dem die Brüden von Verdampferstufen niedrigerer Temperaturen mit Hilfe eines mit Hochdruckdampf betriebenen Dampfstrahles abgesaugt werden und das Gemisch aus Treibdampf und Brüden dem Wärmetauscher einer Wärmekammer höchster Temperatur zugeführt wird. Die in den vorhergebenden Wärmekammern erwärmte zu destillierende Flüssigkeit wird in nachgeschalteten Entspannungskammern entspannt, wobei die hier entstehenden Brüden in die Wärmekammern niederer Temperaturen zum Erwärmen der zu destillierenden Flüssigkeit eingeleitet werden. Der in jeder Verdampferstufe erzeugte Dampf wird nur einmal für die Verdampfung über die ganzen Verdampferstufen benutzt. Entspannungskammern niedrigerer Tempera-

tür sind mit Wärmetauscherkammern verbunden, durch die Frischwasser zur Kühlung hindurchgeführt wird, wodurch Wärme aus dem Verdampfer abgeführt wird, was zu einem erhöhten Energieverbrauch führt (GB-PS 8 29 036).

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den thermischen Wirkungsgrad eines Verdampfers durch Vermischen des in einer Stufe erzeugten Niederdruckdampfes mit für die Heizung nutzbarem Hochdruckdampf zu verbessern. Diese

W) Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 erfindungsgemäß gelöst. Mittels des Dampfstrahlers wird Hochdruckdampf zugeführt und mit den Brüden vermischt. Die Wärme in der Verdampferstufe niedrigster Temperatur wird durch Zuführen der zu destillierenden Flüssigkeit von außen in günstiger Weise ausgenutzt. Wegen der Zuführung des Konzentrates der Verdampferstufe niedrigster Temperatur zur Verdampferstufe höchster Temperatur wird

C ι Si

ein Höchstmaß an zu destillierender Flüssigkeit verdampft

Eine Vereinfachung der Abfuhr von nicht kondensierbaren Gasen wird durch die Merkmale tas Anspruches 4 erreicht. Hierdurch wird die Energie des ι Hochdruckdampfes wirkungsvoll ausgenutzt und Heizenergie eingespart.

Weitere Vorteile ergeben sich tus den übrigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. In dieser ist ein Verdampfer als Ausführungsbeispiel des in Gegenstandes der Erfindung dargestellt, dessen Wirkungsweise nachstehend beschrieben wird. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine scheinatische Darstellung eines lotrechten mehrstufen Verdampfers entsprechend der vorliegenden Erfindung;

F i g. 2 einen Schnitt durch einen Dampfstrahler.

Die vorliegende Erfindung wird im wesentlichen zur Erzeugung von reinem Wasser aus Salzvasser, z. B. Meerwasser, Grundwasser und verschmutztem Fluß- jo wasser, benutzt, obwohl sie auch zum Konzentrieren verschiedener Lösungen anwendbar ist. Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel ist eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem lotrechten, mehrstufigen Verdampfer für Meerwasser. 2^

Der lotrechte mehrstufe Verdampfer ist mit 1 bezeichnet und hat eine Oberseite 2, einen Boden 3 und Seitenwände 4, welche ein Gehäuse 5 bilden, das durch im wesentlichen waagerechte Trennwände 6 in mehrere Stufen 7 unterteilt ist. jo

Jede Stufe 7 hat ein Rohrbündel 11, das eine Anzahl von Wärmeübertragungsrohren 10 zum Verdampfen zwischen einer Einlaßrohrplatte 8 und einer Auslaßrohrplatte 9 aufweist. Die Sole wird unterhalb des Rohrbündels in einem auf der Trennwand 6 angeordne- J5 ten Solebehälter 12 gesammelt. Eine Dampfeinlaßkammer 13 und eine Destillatkammer 14 sind vorgesehen. Die Destillatkanimern einander benachbarter Stufen sind durch Rohre 15 miteinander verbunden.

Der Verdampfungsraum 16 außerhalb der Rohre 10 ist mit der Dampfeinlaßkammer 13 der folgenden Stufe durch eine Dampfauslaßkammer 18 mit einem Flüssigkeitsabscheider 17 verbunden. Auf diese Weise wird im Verdampfungsraum einer oberen Stufe erzeugter Dampf in den Kondensationsraum 19 innerhalb der Rohre der folgenden darunterliegenden Stufe eingebracht.

Düsen 20 durchdringen jede Wand 6, mit Ausnahme der Wand 6c; oberhalb der Stufe Td mit der geringsten Temperatur. Die Düsen 20 sprühen die Sole in den Solebehälter 12 auf die Rohre 10 der unteren Stufen.

Solevorwärmer 21 sind mittels Rohren 22 in der Einlaßkammer jeder Stufe, mit Ausnahme der Stufe 7a mit der höchsten Temperatur hintereinander geschähet.

Die Bauformen der obersten Stufe 7a und der untersten Stufe Td sind nahezu gleich der der Zwischenstufen 7, mit Ausnahme, daß die Dampfeinlaßkammer 13a der oberen Stufe Ta mit dem Auslaßrohr 25 eines Dampfejektors 24 verbunden ist, der mittels durch ein Zuführungsrohr 23 hindurchgeführten Hochdruckdampfs betätigbar ist. Ein Solesprüher 26 ist über den Rohren 10 vorgesehen und die Destillatkammer 14a ist mit einem Rohr 27 verbunden, womit nicht kondensierbare Gase in die Atmosphäre abgeblasen werden.

In der unteren Stufe 7t/ist die Trennwand 6c nicht mit Düsen versehen. Statt dessen ist eine Sprüheinrichtung 29 für Meerwasser, das durch ein Rohr 46 vom Meer 28 angesaugt wird, oberhalb des Rohrbündels 11 vorgesehen. Die Dampfauslaßkammer \%d der untersten Stufe Td ist mit dem Saugeinlaß des Ejektors 24 durch ein Ansaugrohr 30 verbunden. Die Destillatkammer 14t/ ist mit einer Destillatpumpe 31 verbunden. Ein Kühler 34 ist mit einer Leitung 33 verbunden, die von der Pumpenauslaßleitung 32 abgezweigt ist, um gekühltes Destillat über ein Rohr 35 abzuführen. Die Sole im Solebehälter 12t/ auf dem Boden 3 wird mittels einer Pumpe 37 durch ein Auslaßrohr 36 und durch ein Rohr 38 zu den Vorwärmern 21 gepumpt Eine Leitung 39 ist für die unmittelbare Abfuhr eines Teils der abgezogenen Sole vorgesehen. Die Menge des durch die Sprüheinrichtung 29 zuzuführenden Meerwassers ist durch ein Ventil 44 einstellbar, das durch Signale steuerbar ist, die von einem Temperaturfühler 43 gesteuert werden, der vorzugsweise nach Art eines Quecksilberausdehnungsoder Platinwiderstandfühlers ausgebildet ist Ein Druckfühler kann anstelle des Temperaturfühlers angeordnet werden, wenn der Dampf unter Sättigungsbedingungen steht Das Meerwasser sollte vorzugsweise mit einem der Bildung von Kesselstein entgegenwirkenden Inhibitor, z. B. Schwefelsäure, Polyphosphat und dgl, versehen sein, welcher durch das Rohr 45 eingebracht werden kann. In einem lotrechten, mehrstufigen Verdampfer der vorbeschriebenen Bauart wird Hochdruckdampf von z.B. 10—30kg/cm² zum Antrieb des Ejektors 24 über ein Rohr 23 eingespeist, so daß der Ejektor über das Rohr 30 in der untersten Stufe Td erzeugten Niederdruckdampf von etwa 0,7 kg/cm² ansaugt. Mitteldruckdampf von etwa 1,0 kg/cm² als Mischung des angesaugten Dampfes und des Teildampfes für den Ejektor wird durch das Rohr 25 der Einlaßkammer 13a der ersten Stufe zugeführt und dann als Wärmequelle in die Kondensationsseite 19 (innere Seite) der Rohre 10 in der oberen Stufe 7a eingeleitet

Da der Druck und die Temperatur in jeder der Stufen 7a, Tb, 7c und Td nacheinander tiefer als die Temperatur in der benachbarten oberen Stufe gehalten werden, ermöglicht das höchste Vakuum, das in der untersten Stufe Td erzeugt wird, das Ansaugen des Wassers aus dem Meer 28 durch das Rohr 46 und durch den Kühler 34, worin Wärme zwischen dem Meerwasser und dem heißen Destillat ausgetauscht wird. Das Meerwasser wird dann gesteuert durch das Ventil 44 in der gewünschten Menge durch die Sprüheinrichtung 29 auf die Außenfläche der Wärmeübertragungsrohre 10 der unteren Stufe Tdaufgesprüht, und es wird zwischen dem von der oberen Stufe Tc eingespeisten Dampf und dem Meerwasser auf der Innenseite der Wärmeübertragungsrohre Wärme ausgetauscht, weiche das Meerwasser zur Teilverdampfung erwärmt. Die verbleibende Sole wird durch eine Pumpe 37 über die Rohre 36, 38, den Solevorwärmer 21 und das Rohr 22 zur oberen Stufe Ta gefördert und dann durch den Sprüher 26 auf die Außenseite der darin vorhandenen Wärmeübertragungsrohre gesprüht.

In der oberen Stufe 7a berührt die Sole die Wärmeübertragungsrohre 10, wo die Mischung aus Treibdampf und Meerwasserdampf, die vom Ejektor 24 stammt, die Sole aufheizt und einen Teil davon verdampft. Der erzeugte Dampf wird dann durch den Flüssigkeitsabscheider 17, die Kammer 18 und die Einkßkammer 13i zur Innenseite 19 der Rohre 10 in der folgenden Stufe Tb geführt.

Die in der Stufe 7a teilweise verdampfte Sole wird konzentriert, in dem Solebehälter 12a gesammelt und aufgrund des Wasserdruckes und des Druckunterschiedes zwischen den Stufen Ta und Tb über die Düsen 20 auf

die unteren Verdampfungsrohre in der folgenden Stufe Tb aufgesprüht, wo ein Wärmeaustausch mit dem Dampf staltfindet, der in die Rohre eingespeist wird, wobei ein anderer Teil der Sole verdampft.

Das in jeder Stufe in den Rohren 10 durch Kondensation der Dämpfe gebildete Destillat wird in der Destillalkammer 14 gesammelt. Gase, die in der Destillatkammer 14a der höchsten Stufe 7a nicht kondensierbar sind, werden unmittelbar über das Rohr 27 durch den Druckunterschied zwischen seinem Innenraum und der Atmosphäre ausgeschieden. Das in den Destillatkammern 14 gesammelte Destillat fließt daraufhin wasserfallartig durch die Rohre 15 nach unten und wird schließlich als Erzeugnis von der unteren Destillatkammer 14c/ mittels der Pumpe 33 und dem Auslaßrohr 32 abgezogen. Das heiße Erzeugnis aus dem Auslaßrohr 32 ist zur Kesselspeisung geeignet. Wo ein kälteres Erzeugnis bevorzugt wird, wird das Wasser durch den Kühler 34 geleitet und über das Rohr 35 ausgeschieden.

Eine solche Verdampfung und eine solche Kondensation werden in jeder Stufe wiederholt. Der in der Stufe 7c erzeugte Dampf wird in die Rohre der unteren Stufe eingebracht, um wie vorstehend beschrieben kondensiert zu werden, so daß die über die Rohre gesprühte Sole verdampft wird. Der erzeugte Niederdruckdampf wird durch den Ejektor 24 über das Ansaugrohr 30 aufgrund der Energie des Hochdruckdampfes (Treibdampf) abgezogen, der dem Ejektor von einer äußeren, nicht dargestellten Quelle zugeführt wird. Nachdem der Niederdruckdampf komprimiert, erwärmt und mit dem Treibdampf in dem Ejektor vermischt ist, wird er in die obere Stufe 7a als Wärmequelle eingebracht. Die in der Stufe Tc verbleibende konzentrierte Sole wird in dem Solebehälter 12c gesammelt und wird als warme Sole durch eine Pumpe 41 über Rohre 40 und 42 ausgebracht.

Sole wird in der unteren Stufe Td teilweise verdampft und die verbleibende Sole wird in dem Solebehälter 12c/ gesammelt und mittels einer Pumpe 37, wie vorstehend erwähnt, hochgepumpt und erneut für die Verdampfung in den vorhergehenden Stufen benutzt.

Obgleich diese für die Verdampfung von Meerwasser vorgesehene Bauform es ermöglicht, daß die konzentrierte Sole durch eine Pumpe 41 aus der Stufe 7c abgezogen wird, wenn das System zur Erzeugung von reinem Wasser aus Salzwasser niederer Konzentration, z. B. Flußwasser und anderes Brackwasser, oder beim Konzentrieren von Milch, Säften oder Schmutzwasser usw, verwendet wird, so kann zusätzlich ein Rückführrohr 47 vorgesehen sein, daß das Auslaßrohr 42 mit dem Einlaßrohr 46 für den nochmaligen Umlauf der Flüssigkeit in dem System verbindet oder in einem anderen Fall kann eine Trennwand 6c mit Düsen ausgerüstet sein, um die Flüssigkeit in die untere Stufe 7c/für den Wiederumlauf einzuführen und sie dadurch zu konzentrieren.

Obwohl das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel horizontal angeordnete Wärmeübertragungsrohre 10 aufweist, welche einen inneren Kondensationsraum und einen äußeren Verdampfungsraum aufweisen, können sie auch umgekehrt wirken, oder jede Stufe kann auch waagerecht angeordnet sein.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der Niedertemperaturdampf, der in der unteren Stufe aus dem durch den eine höhere Temperatur aufweisenden Dampf von der vorhergehenden Stufe erwärmten Rohrwasser erzeugt wird, durch einen Ejektor angesaugt der durch Hochdruckdampf betrieben wird, wobei dieser Dampf mit dem Niederdruckdanipf vermischt wird. Diese Mischung wird als Wärmequelle in den Kondensationsbereich der oberen Stufe eingespeist. Obgleich das vorstehend beschriebene Verfahren nur auf die Verdampfung durch eingebrachten und als Wärmequelle dienenden Hochdruckdampf gerichtet ist, kann der Gegenstand der vorliegenden Erfindung zum Verdampfen der Sole Dampf benutzen, der in der unteren Stufe durch Wiedererwärmen mittels eines Dampfejektors erzeugt wird. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Verdampfers. Dieser Wirkungsgrad ist durch das Verhältnis der Menge des destillierten Wassers zu der eingebrachten Dampfmenge bestimmt. Wenn z. B. in einem Ejektor die Menge an Treibdampf und die Menge des angesaugten Niederdruckdampfes gleich gehalten werden kann, so ist die einen Mitteldruck aufweisende Dampfmischung als Wärmequelle mengenmäßig doppelt so groß wie der Hochdruckdampf, wodurch der Wirkungsgrad verdoppelt wird.

Der übliche, mehrstufige Verdampfer erfordert einen Kondensator für Dampf, der in den untersten Stufen erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung braucht überhaupt keinen solchen Kondensator, da die Verdampfung durch alle Wärmeübertragungsrohre, mit Ausnahme der Vorwärmer, geschieht, wodurch die Zahl der erforderlichen Wärmeübertragungsrohre verringert wird, die aus teueren Werkstoffen bestehen. Weiterhin werden gemäß der vorliegenden Erfindung nicht kondensierbare Gase, die aus dem rohen Salzwasser stammen, unter hohem Dampfdruck komprimiert und erreichen die oberste Stufe mit einem Druck, der höher als der Atmosphärendruck ist. Demzufolge können die Gase, die von der Auslaßseite der Rohre in der oberen Stufe stammen, unmittelbar in die Atmosphäre geleitet werden, wodurch eine Vakuumeinrichtung zum Ausbringen nicht kondensierbarer Gase wie beim bekannten System nicht notwendig ist.

Wie vorstehend angegeben, wird die Arbeitstemperatur der obersten Stufe höher gehalten, als der Siedepunkt (100⁰C) unter Atmosphärendruck, während die Arbeitstemperatur des unteren Verdampfers, wie in F i g. 1 dargestellt, ebenfalls verhältnismäßig hoch ist. Dadurch arbeitet das System mit hohem Wärmeübertragungskoeffizienten und einer kleinen Anzahl von Wärmeübertragungsrohren, wodurch die Größe des Verdampfers verringert wird.

Die Temperaturangaben an bestimmten Stellen in F i g. 1 des Systems beziehen sich auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Diese ändern sich entsprechend der Temperatur des Meerwassers, dem Dampfdruck usw.

Das bekannte Verfahren braucht eine große Menge an Kühlwasser für den Kondensator und demzufolge eine groß ausgelegte Pumpe, während, wie bereits dargelegt, das System nach der Erfindung bei hohen Temperaturen arbeitet, die von den üblichen Temperaturen des Meerwassers stark verschieden sind, so daß eine geringe Menge an zugeführtem Wasser für das Kühlen genügt Auch kann die Wasserzufuhr durch das Vakuumansaugen der Bodenstufe mit ihrem verringerten Druck erreicht werden, wodurch das System vereinfacht und die Energiekosten durch Wegfall der Pumpe verringert werden.

Darüber hinaus wird entsprechend dem üblichen Konzept die Dampfzufuhr eingerichtet um die gewünschten Temperaturen und die gewünschten Drücke in dem Verdampfer durch Drossein der Dampfzufuhr zum Ejektor zu erhalten. Hierbei fällt der Dampfdruck

unmittelbar vor dem Ejektor, so daß die Energie des Hochdruckdampfes nicht wirksam ausgenutzt wird, was zu einem verringerten Wirkungsgrad des Ejektors und einem verringerten Verhältnis des Wirkungsgrades entsprechend dei Verringerung der angesaugten Dampfmenge führt. Bei der vorliegenden Erfindung

kann jedoch eine Steuerung der Zufuhr des Rohsalzwassers durch Abfühlen der Temperatur oder des Sättigungsdruckes in der oberen Stufe vorgesehen sein, wodurch der Arbeitsvorgang konstanter und wirkungsvoller als bei dem bekannten System ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zum Destillieren einer Flüssigkeit, insbesondere einer Lösung, in einem mehrstufigen Verdampfer mit von Stufe zu Stufe abnehmenden Temperaturen, der in den einzelnen Stufen mit einem Wärmetauscher versehen ist, welcher auf einer seiner wärmetauschenden Seiten mit der zu destillierenden Flüssigkeit beaufschlagt wird und auf der anderen Seite mit den Brüden der vorhergehenden Stufe beheizt wird, wobei die Brüden kondensieren und das Kondensat aus der Stufe tiefster Temperatur abgezogen wird, und bei dem die Brüden der Stufe niedrigster Temperatur abgesaugt, komprimiert und dem Wärmetauscher der Stufe höchster Temperatur zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Brüden der Stufe niedrigster Temperatur mit Hilfe eines mit Hochdruckdampf betriebenen Dampfstrahlers abgesaugt werden und das Gemisch aus Treibdampf und Brüden dem Wärmetauscher der Stufe höchster Temperatur zugeführt wird, während die zu destillierende Flüssigkeit der Stufe niedrigster Temperatur zugeführt wird und der Wärmetauscher der Stufe höchster Temperatur mit dem Konzentrat der Stufe niedrigster Temperatur beaufschlagt wird, und daß das Konzentrat aus der Stufe, die der mit niedrigster Temperatur vorhergeht, abgezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des abgezogenen Konzentrates in die zu destillierende Flüssigkeit eingespeist wird.
3. Verfahren nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Stufe niedrigster Temperatur anfallende Konzentrat durch die Brüden mindestens einer Stufe vorgewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe höchster Temperatur mit einem über dem Atmosphärendruck liegenden Druck betrieben wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der in der Zeiteinheit in die Stufe niedrigster Temperatur eingespeiste zu destillierende Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur oder dem Sättigungsdruck der Stufe höchster Temperatur gesteuert wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Mehrstufenverdampfer mit von Stufe zu Stufe abnehmende Temperaturen aufweisenden Verdampfereinheiten, die einen von der zu destillierenden Flüssigkeit einerseits und von den Brüden der vorhergehenden Stufe änderet seits beaufschlagten Wärmetauscher aufweisen, mit einem Kondensatsammler in jeder Stufe, einer Kondensatabführung aus der Stufe niedrigster Temperatur und mit einem die Stufen mit der niedrigsten und der höchsten Temperatur brüdenseitig verbindenden Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter als Dampfstrahler (24) ausgebildet ist, daß die Stufe (7d) niedrigster Temperatur mit einer Zuführung (46) für die zu destillierende Flüssigkeit verbunden ist, daß die Stufe niedrigster Temperatur konzentratseitig unter Einschaltung einer Pumpe (37) mit der Stufe (7a) höchster Temperatur verbunden ist und daß die der Stufe mit niedrigster Temperatur vorhergehen-

de Stufe (7c; mit einer Abführung (40) für das Konzentrat versehen ist
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (7a) höchster Temperatur einen Auslaß (27) zum Ablassen von rieht kondensierbaren Gasen aufweist
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentratseitige Verbindungsleitung (38) zwischen der Stufe (7d) niedrigster Temperatur und der Stufe (7a) höchster Temperatur mindestens einen Wärmetauscher (21) in mindestens einer der dazwischen liegenden Stufen aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stufe (7a) höchster Temperatur ein Temperatur- oder Druckfühler (43) angebracht ist und über eine Steuerleitung mit einem Ventil (44) in Verbindung steht, das sich in der Zuführung (46) für die zu destillierende Flüssigkeit befindet.