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Verfahren zuni Destillieren von Flüssigkeiten und eine Vorrichtung
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zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Destillieren von Flüssiqkeiten in mindestens zwei aufeinanderfolgenden
Destiliationseinheiten, die mit unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten, bei
dem die zu destillierende Flüssigkeit in jeder der erwähnten Destillationseinheiten
verdampft und der entstandene Dampf im Wärmeaustausch mit einer in der nachfolgenden
zwei niedrigerem Temperaturniveau arbeitenden Destillationseininit fließenden Flüssigkeit
zu Destillat kondensiert wird, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Die bekannten, insbesondere ffir die Destillation von Meerwasser
entwickelten Destillationsverfahren sind die sog.
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Vertikalrohrverdampfuna und die Mehrstufenexpansionsdestillation.
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Beide Verfahrensarten haben NacIiteile, die vor allem bei der Anwendung
der Verfahren für d die Konzentrationsdestillation auftreten, beispielsweise zum
Konzentrieren von Abwässern in der Industrie.
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Bei der Vertikalrohrverdampfung erfolgt das Verdampfen der Flüssigkeit
an der Innenfläche der W#rmeaustauscherrohre. Die damit bedingte Verschmutzung der
Wärmeaustauscherflächen bilden einen wesentlichen Nachteil dieses Verfahrens.
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Bei Verwendung der Mehrstufenexpansionsdestillation zur Konzentration
von Lösungen ist nachteilig, daß ein und dieselbe konzentrierte Lösung den gesamten
Temperaturbereich der Destillieranlage durchlaufen muß, wobei der Anstieg des Siedepunktes
der zu destillierenden Flüssigkeit und die Zunahme der Viskosität die Funktion bzw.
den Betrieb der Destillieranlage wesentlich verschlechtert. Außerdem muß die Destillieranlage
bei Anwendung dieses Verfahrens mit außerordentlich vielen Stufen gebaut werden,
wenn angestrebt wird, die teuerste Komponente der Destillieranlage, das Kondensatorrohrbündel,
in angemessener Größe zu behalten. Dies liegt daran, daß die Temperaturdifferenz
zwischen dem kondensierenden Dampf und der KÜhlflüssigkeit umso großer ist, je kleiner
der Temperaturabfall der verdampfenden Flüssigkeit pro Destillationsphase ist.
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Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, unter Ausschaltung der Nachteile
bekannter Verfahren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchfilhrung des Verfahrens
zum Destillieren von Flüssigkeiten zu schaffen, bei dem in bestimmten Grenzen auf
die in einer Destillationsphase stattfindende Temperaturänderung der Flüssigkeit
Einfluß genommen werden kann, ohne unnötig die Anzahl der Destillationsphasen erhöhen
zu müssen, wobei' Flüssigkeiten verschiedener Konzentration bei unterschiedlichen
Temperaturen behandelt werden können, so daß der Anstieg des Siedepunktes und die
Zunahme der Viskosität nicht vollständig im gesamten Temperaturbereich zur Auswirkung
kommen; zusätzlich soll das Verdampfen der zu destillierenden Flüssigkeit aus dem
freien Flüssigkeitszustand heraus durchgeführt und so das Verschmutzen der Wärmetauscherflächen
verhindert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemän durch ein Verfahren gelöst, bei
dem die zu destillierende Flüssiqkeit in mindestens einer der Destillationseinheiten
verdampft und in mindestens zwei Destillationsphasen kondensiert wird.
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Yeiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis
5 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in den Unteransprüchen 6
bis 9 dargelegt.
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Die F.rfinduna wird im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert.
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In der Zeichnung ist ein Destillationsschema mit mehreren aufeinanderfolgenden
Destillationseinheiten bzw.
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Moduln, I,II,III,.. .N dargestellt. Jeder Modul hat mehrere Destillationsphasen
V1, V2, ...Vm mit jeweils einem Verdampfer und einem Kondensator, die so miteinander
in Verbindung stehen, daß der im Verdampfer entstehende Dampf in den Kondensator
strömen und dort zu Destillat kondensieren kann.
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So gehören z.B. der Verdampfer 11 und der Kondensator 14I des Moduls
1 zur ersten Destillationsphase V1, der Verdampfer 12I und Kondensator 151 zur zweiten
Destillationsphase V2, sowie Verdampfer 13I und Kondensator 161 zur letzten Destillationsphase
Vm. Die Verdampfer llI, 12I und 13I stehen so miteinander in Verbindung, daß die
zu destillierende Flüssigkeit vom Verdampfer 11 zum Verdampfer 121 und weiter in
die folgenden Verdampfer fließen kann, der Dampfstrom von einem Verdampfer zum anderen
jedoch verhindert ist.
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Die zu destillierende Fliissigkeit fließt im Modul 1 in den Verdampfer
ll#, o ein Teil der Flüssigkeit verdampft und der Dampf im Kondensator 141 kondensiert.
Die zu destillierende Flüssigkeit fließt weiter in den Verdampfer l2I, wo ein niedrigerer
Druck herrscht als im Verdampfer 111 und ein weiterer Teil der zu destillierenden
Flüssigkeit verdampft.
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Während des Verdampfens kühlt die Destillationsflüssigkeit ab;
die
abgekühlte Flüssigkeit tritt mit Hilfe einer Pumpe 17 aus dem letzten Verdampfer
13I in einen Erhitzer 10, wo die zu destillierende Flüssigkeit durch Energiezufuhr
von außen erhitzt wird. Von dem Erhitzer 10 kehrt die Flüssigkeit erhitzt in den
Verdampfer 11 zurück.
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Eine durch die Kondensatoren 16I, 15I und 14I des Moduls I strömende
Flüssigkeit erwärmt sich durch Aufnahme von VerdalD zfungswärme des kondensierenden
Dampfes. Die erwärmte Flüssigkeit fließt von dem Kondensator 14I durch ein Rohr
22 in den ersten Verdampfer 11 des Moduls II, wo ein niedrige er Druck und eine
niedrigere Temperatur als im ersten Verdampfer 111 des Moduls I herrscht. Die Flüssigkeit
verdampft in den Verdampfern llII, 1211 und 1311 des Moduls II, wobei die Flüssigkeit
abkühlt und durch ein Rohr 20, eine Pumpe 18 und ein Rohr 21 in die Kondensatoren
161, 15I und 14I des Moduls I strömt, die somit als erhitzer des Moduls II arbeiten.
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Der Destillationsprozeß setzt sich auf entsprechende Weise von einem
Modul zum anderen fort, bis die anfangs dem Erhitzer 10 zugeführte Wärmeenergie
auf eine durch die Kondensatoren 16N, 15N und 14 des Moduls N fließende Kühlflüssigkeit
N übergegangen ist, welche mittels einer Pumpe 28 über ein Rohr 26 eingespeist wird
und durch ein Rohr 27 aus dem System austritt.
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Die zu destillierende Flüssigkeit kann durch ein Rohr 29 z.B. in
den letzten Modul N in das System eingespeist werden. Teils destilliert die zu destillierende
Flüssigkeit im Modul N, teils wird sie weiter in die nachfolgenden Moduln eingespeist.
Eine Speisepumpe 24" speist die zu destillierende Flüssigkeit durch ein Rohr 25"
in den Flüssigkeitskreislauf des Moduls III, aus dem wiederum ein Teil der zu destillierenden
Flüssigkeit durch ein Rohr 23', eine Pumpe 24' und ein Rohr 25' in den Flüssigkeitskreislauf
des Moduls II eintritt.
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Aus dem Flüssigkeitskreislauf des Moduls II fließt ein Teil der zu
destillierenden Flüssigkeit durch ein Rohr 23, eine
Pumpe 24 und
ein Rohr 25 in den Flüssigkeitskreislauf des Moduls I ein. Das sich ergebende Konzentrat
wird durch ein Rohr 30 aus dem Flüssigkeitskreislauf des Moduls I abgeführt.
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Die Finspeisung der ursprünglichen, zu destillierenden Flüssigkeit
kann in Abhängigkeit von der Temperatur in jeden beliebigen Modul erfolgen und das
sich ergebende Konzentrat kann seinen Eigenschaften entsprechend aus jedem beliebigen
Modul abgeführt werden. Das Destillat kann aus jedem Modul I, II...N getrennt durch
Rohre 31I, 31II, ~ . . 31Nabgeführt werden oder aus dem bei niedrigerem Temperaturniveau
arbeitenden Modul N durch Sammeln aller Destillate in den Modul N durch das Rohr
31N abgeführt werden.
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In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Konzen -tration der Flüssigkeit
in jedem Modul I,II,...N abweichend von der Konzentration der Flüssigkeit, die in
den anderen Moduln fließt, geregelt werden, wodurch ein bedeutender Vorteil speziell
für die Konzentration von Lösungen wie Industrieahwässer erzielt wird. Dabei beeinflußt
der Anstieg des Siedepunktes der Fltlssigkeit im wesentlichen nur einen Teil des
Temperaturbereichs. Außerdem können die notwendigen Zusatzstoffe zur Verhinderung
von Korrosion und Kesselstein für jeden Modul gesondert angepaßt werden oder diese
können automatisch in den Flüssigkeitskreisläufen konzentriert werden, in denen
die Flüssigkeitskonzentration am größten ist.
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Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können die Kondensatoren
unter Verwendung von waagerechten Rohren wesentlich unterhalb der freien Flüssigkeitsoberflächen
der Verdampfer eingebaut werden, so daß die Fliissigkeit beim Durchfließen der Kondensatoren
nicht verdampft. Die gesamte Destillieranlage kann aus untereinander gleichartigen
Moduln gebaut werden; damit ist ein günstiger Einfluß auf die Planungs-und Herstellungskosten
der Destillieranlage erzielbar.
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Wenn die Differenz der höchsten und der niedrigsten Temperatur T1
- Tc mit SoT, der Siedepunktanstieg der Flüssigkeit mit Cf,T und der Temperaturabfall
der Flüssigkeit bei
dessen Fließen durch alle Destillationsphasen
eines Moduls mit sT bezeichnet wird,ist die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
zwischen dem Dampf und der in dem Kondensator fließenden Kühlflüssigkeit:
Diese Temperaturdifferenz tT hat eine wesentlichen Einfluß auf die Größe der teuersten
Komponenten der Destillieranlage, d.h. auf die tondensatoren. Aus der oben genannten
Formel kann gefolgert werden, daß die Temperaturdifferenz t T abhängig ist von dem
Temperaturabfall der zu destillierenden Flüssigkeit je Destillationsphase, d.h.
von dem Verhältnis wie wieauch bei der Mehrstufenexpansionsdestillation. Der wesentliche
Unterschied besteht darin, daß bei der Mehrstufenexpansionsdestillation, wenn die
Größe bestimmt ist, auf das Verhältnis 6 T/m nur durch Erhöhung der Anzahl der Destillationsphasen
Einfluß genommen werden kann. In dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen kann das
Verhältnis #T/m unabhängig von der Temperaturdifferenz {oT durch Änderung der Durchflußmenge
der Flüssigkeit jeden Moduls I,II,...N und durch Änderung der Auslegung des Kondensators
beeinflußt werden.
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Der folgende Vergleich veranschaulicht die durch die Erfindung erzielten
Vorteile. Wenn T = 60 C, #T = 10C 0 und das Petriebsverh#ltnis der Mehrstufenexpansionsdestillation,
d.h. das Verhältnis des erzeugten destillierten Wassers zur Menge des verbrauchten
Heizdampfes 8 beträgt, ergibt sich als logarithmische Temperaturdifferenz für eine
48-phasige Mehrexpansionsdestillieranlage 5,090C. Wenn alle anderen Ausgangswerte
gleich sind, ergibt sich in dem erfindungsgemäßen
Verfahren eine
logarithmische Temperaturdifferenz von 5,6l0C, wenn N = 8, m = 3 und OTT = 30C betragen.
Erfindungsgemäß kann dieselbe Destillationskapazität also mit einem 10% kleineren
Kondensator und insgesamt lediglich 24 Destillationsphasen bzw. mit der )hälfte
der Destillationsphasen von konventionellen Destillierverfahren gebaut werden.
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Aus der Gleichunq für die Temperaturdifferenz kann weiterhin festgestellt
werden, daß die Anstiege &'T des Siedepunktes der Fliissigkeit in den verschiedenen
Destillationseinheiten unterschiedlich sein können und diese als Gesamtsumme die
mittlere logarithmische Temperaturdifferenz AT beeinflussen, wobei der durch die
größte Konzentration hervorgerufene Siedepunktsanstieg nur im Bereich der eigenen
Destillationseinheit Einfluß ausübt und nicht im Temperaturbereich des gesamten
Prozesses.
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Die Destillationseinheiten können seitens ihres inneren Aufbaus und
ihrer Anordnung untereinander vorteilhaft so angeordnet werden, daß die zu destillierende
Flüssigkeit im geschlossenen Flüssigkeitskreislauf in den Kondensatoren einer bestimmten
Destillationseinheit tiefer liegt als die freie Oberfläche der in den Verdampfern
der nachfolgenden Destillationseinheit fließenden zu destillierenden Flüssigkeit.
Selbstverständlich können alle Destillationseinheiten der Destillieranlage auf die
beschriebene Art und Weise gebaut werden. Dabei ist es vorteilhaft, daß die Flüssigkeit
in den Kondensatoren als Kiihlflüssigkeit strömend nicht zum Verdampfen neigt, was
ein Verschmutzen der Wärmeaustauscherrohre und eine Verschlechterung der Wärmeübertragung
verursachen würde. Dies ist bekanntlich der wesentliche Nachteil der Vertikalrohrverdampfung,
insbesondere bei der Konzentration von Lösungen, da die Verdampfung bei der Vertikalrohrverdampfung
in erster Linie an den Fläche der Wärmeaustauschrohre stattfindet. In dem erfindungsgemäßen
Verfahren können die Innenflächen der W-irmeaustauscherrohre dagegen z.B. durch
Anordnung einer geeigneten Menge reinigender Kugeln innerhalb deS jeweiligen geschlossenen
Flüssigkeitskreislaufs
ständig saubergehalten werden.
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Es ist vortielhaft, eine aus mehreren Destillationseinheiten bestehende
Destillieranlage aus mehreren untere in ander gleichartigen Destillationseinheiten
zusammenzustellen; damit werden die Baukosten der Destillieranlage herabgesetzt.
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