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Einrichtung zur Süßwassergewinnung
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Süßwassergewinnung durch
Entsalzen von Meer- und/oder Brackwasser auf thermischem Wege nach dem Verfahren
der mehrstufigen Entspannungsverdampfung, wobei eine größere Anzahl von gleichartigen,
jeweils einen Verdampfungs- und einen Kondensationsraum umfassenden sowie mit Zuführ-
und Ableitungssystemen für das Destillat und die Sole versehenen Kolonnen hintereinandergeschaltet
ist, und bei der das ileer- und/oder Brackwasser im Gegenstrom zum Destillat und
zur Sole durch die Kolonnen geführt ist und dabei das zunächst durch die im Kondensationsraum
angeordneten Kondensatorrohre der Kolonnen geflossene Meer- und/oder Brackwasser
vor seinem Eintritt in den ersten Verdampfungsraum einen Zulauferhitzer durchläuft.
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Wie aus dem im Jahre 1971 bei der Deutsche Verlagsanstalt GmbH, Stuttgart,
erschienenen Buch "Wasser" von Michael Overmann im Kapitel 6, und aus der Dissertation
über "Untersuchungen der thermischen Meerwasserentsalzung unter besonderer Berücksichtigung
von Verbesserungsmöglichkeiten ihrer Wirtschaftlichkeit" von Naman Azhari im Jahre
1976 vor der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen
Hochschule, Aachen, hervorgeht, sind bereits verschiedene Verfahren zur Süßwassergewinnung
durch Entsalzung von Meer- und/oder Brackwasser bekannt. Aus diesen Literaturstellen
geht auch hervor, daß beim heutigen Stand der Technik die Entsalzung von Meer- und/oder
Brackwasser
nach dem Verfahren der mehrstufigen Entspannungsverdampfung am wirtschaftlichsten
durchführbar ist.
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Bei einer bekannten Einrichtung zur Süßwassergewinnung, die nach dem
Verfahren der mehrstufigen Entspannungsverdampfung arbeitet, bestehen die einzelnen
Kolonnen jeweils aus zwei Baueinheiten, von denen die eine den Verdampfungsraum
und die andere den Kondensationsraum enthält. Diese Baueinheiten sind dabei nebeneinander
aufgestellt und stehen miteinander lediglich durch ein bogenförmiges Rohr in Wirkverbindung,
welches aus dem Verdampferraum zunächst nach oben herausgeführt und dann in den
Kondensationsraum nach abwärts gerichtet eingeführt ist. Dieses bogenförmige Rohr
dient ausschließlich der Überleitung des Dampfes vom Verdampfungsraum in den Kondensationsraum.
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Nachteilig bei einer aus derartigen Kolonnen aufgebauten Entsalzungseinrichtung
ist der relativ hohe konstruktive Aufwand und der beträchtliche Einbauraum, welcher,
bezogen auf eine bestimmte Destillatleistung, benötigt wird.
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Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Es liegt
ihr daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Süßwassergewinnung der gattungsgemäßen
Art zu schaffen, die baulich einfach gestaltet ist, einen relativ geringen Einbauraum
benötigt,und deren Kolonnen wirtschaftlich zu erstellen sind.
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Die Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch
gekennzeichnet, daß jede Kolonne ein Druckgefäß aufweist, das aus einem aufrecht
stehenden Kessel und einem dessen Mantel in seinem oberen Längenbereich diametral
durchdringenden, horizontal liegenden Behälter besteht, daß der Kessel unterhalb
des Behälters mit einer mittig durchbrochenen Trennwand versehen ist, in deren Durchbruch
ein Prallabscheider, z.B. eine Metallwolle-Packung,sitzt, und daß der untere Teil
des Kessels den Verdampferraum, der obere Teil desselben zusammen mit dem BehAlter
aber den Kondensationsraum bildet, durch welchen sich die
im wesentlichen
parallel zur Längsachse des Behälters verlaufenden Kondensatorrohre und eine den
unteren Teil des Kondensators umfassenden Destillat-Sammelwanne erstrecken.
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Dabei hat es sich nach der Erfindung als besonders wesentlich erwiesen,
daß der Kessel beidendig, der Behälter aber nur einendig eine#gewölbte Abschlußwand
aufweist und das offene Ende des Behälters als Stutzen ausgebildet ist, durch den
der an einem Flanschdeckel sitzende Kondensator und die ebenfalls an diesem Flanschdeckel
befestigte Destillat-Sammelwanne quer zur Längsachse des Kessels in den Kondensationsraum
einführbar sind.
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Erfindungsgemäß ist es weiterhin bedeutsam, daß der Flanschdeckel
an seiner Außenseite mit einem Meer- und/oder Brackwasser-Einlaßstutzen und einem
Meer- und/oder Brackwasser-Auslaßstutzen für den Kondensator sowie einem Destillat-Auslaßstutzen
für die Sammelwanne versehen ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind an dessen tiefster
Stelle mit dem unteren Abschlußboden des Kessels sowie an einer höher gelegenen
Stelle mit dem Mantel des Kessels je ein Anschlußstutzen verbunden, die Flüssigkeitsdurchgänge
für den Verdampfungsraum bilden, und zweckmäßig ist gegen den tangential in den
Kessel mündenden, höher gelegenen Anschlußstutzen höhen- und seitenversetzt ein
Schauglas vorgesehen Als besonders zweckmäßig hat es sich nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
erwiesen, wenn die Kondensatorrohre als in Vertikalebene ausgerichtete Bügel geformt
sind, deren offene Enden in am Flanschdeckel angeordnete Kammern münden, von denen
eine den Meer- und/oder Brackwasser-Einlaßstutzen und eine andere den Meer- und/oder
Brackwasser-Auslaßstutzen trägt. Gegebenenfalls kann mindestens eine keinen Einlaßstutzen
aufweisende Kammer vorgesehen sein, die freien Enden von Kondensatorrohren miteinander
verbindet, so daß mindestens zwei Gruppen von Kondensatorrohren geschaffen werden,
die nacheinander vom Meerwasser durchströmt werden. In baulicher und funktionsmäßiger
Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn die Destillat-Sammelwanne etwa halbkreisförmigen
Quersxhh hb
Die von heißem Meer- und/oder Brackwasser sowie von
der Sole durchströmten Kolonnen-Bauteile, und zwar insbesondere die Kondensatorrohre
und der den Verdampferraum bildende Abschnitt des Kessels, können aus hochkorrosionsfestem
Werkstoff bestehen, während die übrigen Kolonnen-Bauteile aus billigerem Material
herstellbar sind.
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Für einen raumsparenden Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung
ist es schließlich wichtig, daß einander benachbarte Kolonnen auf der Horizontalebene
um 180° zueinander verdreht angeordnet sind und dabei jeweils einerseits die geradzahligen
sowie andererseits die ungeradzahligen Kolonnen in Durchströmrichtung unmittelbar
hintereinander geschaltet sind.
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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nunmehr an einem Ausfunrungsbeispiel
näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 in schematisch vereinfachter Draufsichtdarstellung
eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Süßwassergewinnung, Fig. 2 in Vertikalschnitt
ein Druckgefäß einer erfindungsgemäß ausgestalteten Entsalzungskolonne, Fig. 3 ebenfalls
im Vertikalschnitt den einem Druckgefäß nach Fig. 2 zugeordneten Kondensator und
Fig. 4 im Querschnitt den in das Druckgefäß nach Fig. 2 eingebauten Kondensator
nach Fig. 3.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist eine Meer- und/oder Brackwasserentsalzungsanlage
in der Draufsicht dargestellt, die bspw. aus vier funktionsmäßig hintereinandergeschalteten
Kolonnen 11, 12, und besteht.
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Jede dieser Kolonnen 11bis14 besitzt ein Druckgefäß 2 (Fig.2), das
aus einem aufrechtstehenden Kessel 3 und einem dessen Mantel 4 in seinem oberen
Längenbereich diametral durchdringenden, horizontal liegenden Behälter 5 besteht.
Dabei ist der Kessel 3 an seinem oberen Ende durch eine nach außen gewölbte Wand
6 und nach unten durch eine entsprechend nach außen gewölbte Wand 7 abgeschlossen,
während der Behälter 5 nur an seinem einen Ende eine
nach auswärts
gewölbte Abschlußwand 8 aufweist. Das andere Ende des Behälters 5 ist hingegen als
offener Stutzen 9 gestaltet, der hinter einem angeschweißten Bund 1o einen Flanschring
11 trägt.
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Sowohl der Kessel 3 als auch der Behälter 5 haben zylindrischen Querschnitt,
wobei in den Kessel 3 unterhalb des Behälters 5 eine Trennwand 12 eingesetzt ist,
die mittig einen Durchbruch 13 hat, der nach oben von einem Kragen 14 begrenzt ist.
Der Kragen 14 umfaßt dabei einen Prallabscheider 15, der bspw. aus einer Metallwolle-Packung
besteht.
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Der unterhalb der Trennwand 12 liegende Teil des Kessels 3 bildet
einen Verdampfungsraum 16, während der oberhalb dieser Trennwand gelegene Bereich
des Kessels 3 zusammen mit dem Behälter 5 der Kondensationsraum 17 ist.
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An der tiefsten Stelle der unteren Abschlußwand 7 sitzt ein radial
gerichteter Anschlußstutzen 18, während etwa diametral gegenüberliegend und in Höhenrichtung
versetzt am Mantel 4 des Kessels 3 ein Schauglas 19 zur Überwachung des Füllstandes
des Verdavpfungsraumes 16 und des Verdampfungsvorganges angeordnet ist. Etwas höher
als das Schauglas und tangential in den Mantel 4 des Kessels 3 mündend ist ein weiterer
Anschlußstutzen 20 für den Einlaß der zu verdampfenden Sole vorgesehen.
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In den vom Behälter 5 und vom oberen Teil des Kessels 3 gebildeten
Kondensationsraum 17 ist durch den Stutzen 9 ein Kondensator 21 (Fig. 3) eingesetzt,
der aus drei Gruppen von im wesentlichen bügelförmig bzw. U-förmig gebogenen Rohren
22 besteht, deren Enden in einem Flanschdeckel 23 befestigt sind.
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Das eine Ende jedes Rohres 22 mündet dabei in eine an der Außenseite
des Flanschdeckels 23 sitzende Kammer 24, während deren anderes Ende in eine entsprechende
Kammer 25 geführt ist.
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Unterhalb des Kondensators 21 ist mit dem Flanschdeckel 23 eine Destillat-Sammelwanne
26 fest verbunden, die etwa halbkreisförmigen Querschnitt hat und nur die untere
Hälfte des Kondensators 21 umfaßt. In diese Destillat-Sammelwanne 26 mündet an der
tiefsten Stelle ein ebenfalls an der Außenseite des Flanschdeckels 23 sitzender
Anschlußstutzen 27.
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Wichtig ist, daß der untere Bereich des Kessels 3 mit der Wand 7 und
dem unterhalb der Trennwand 12 angeordneten Mantelbereich mit Anschlußstutzen 18
und 20 sowie der Schauglasarmatur 19 aus hochkorrosionsfestem Werkstoff gefertigt
ist, während alle übrigen Teile des Druckgefäßes 2 aus normalem Kesselblech bestehen
können. Andererseits lassen sich auch die Kondensationsrohre 22 sowie die an der
Außenseite des Flanschdeckels 23 vorgesehenen Kammern 24 und 25 aus korrosionsfestem
Werkstoff herstellen.
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Das zu entsalzende Meer- und/oder Brackwasser von einer bspw.
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zwischen 100 und 300C liegenden Temperatur wird mittels einer Pumpe
43 über die Rohrleitung 28 und einen Einlaßstutzen 29 in die Kammer 24 der Kolonne
13 eingeführt. Von dort aus strömt es durch die Rohre 22 des Kondensators 21 und
die Kammer 25 in den Auslaßstutzen 30, der wiederum durch eine Rohrleitung 31 mit
dem Einlaßstutzen 29 der Kolonne 1 in Verbindung steht. Der Auslaßstutzen 30 des
Kondensators 21 dieser Kolonne ist wiederum durch eine Rohrleitung 32 mit dem Einlaßstutzen
29 der Kolonne 1 verbunden, während deren Auslaßstutzen 30 durch ein Rohr 33 an
den Einlaßstutzen 29 der Kolonne 1 angeschlossen ist. Deren Auslaßstutzen 30 ist
eine Rohrleitung 34 zugeordnet, die in einen Zulauferhitzer 35 führt.
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In diesem Zulauferhitzer 35 wird das Meerwasser auf eine Temperatur
von 1200 gebracht und dann durch eine Rohrleitung 36 dem Anschlußstutzen 18 der
Kolonne 14 zugeleitet. Durch diesen tritt es in den Verdampfungsraum 16 ein, wo
es sich bis auf das Höhenniveau des Anschlußstutzens 20 aufstaut und dann durch
diesen in den Anschlußstutzen 18 der Kolonne 12 fließt. Auch dort staut es sich
wiederum bis auf das Niveau des Anschlußstutzens 20 auf und fließt daraufhin durch
eine Rohrleitung 37 wiederum dem Anschlußstutzen 18 der Kolonne 11 zu. Auch dort
staut sich das
Wasser im Verdampfungsraum 16 auf das Niveau des
Anschlußstutzens 20 auf, der wiederum unmittelbar mit dem Anschlußstutzen 3 18 der
Kolonne 1 verbunden ist. Nachdem sich auch in deren Verdampfungsraum 16 das Wasser
bis auf das Niveau des Anschlußstutzens 20 aufgestaut hat, gelangt es durch eine
Rohrleitung 38 zu einer Pumpe 39.
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Durch nur in Fig. 1 dargestellte, mit Drosselvorrichtungen ausgestattete
und in die Kondensationsräume 17 mündende Entlüftungsleitungen 45, 46 sind die Druckbehälter
2 sämtlicher Kolonnen 1 gestuft hintereinander geschaltet und an eine Vakuumpumpe
40 angeschlossen, die innerhalb der direkt angeschlossenen Kolonne ein Grobvakuum
von bspw. 0,05 ata erzeugt, während die folgenden Kolonnen 1 und 12 einen stufenweise
geringeren Unterdruck zeigen und in der Kolonne 14 etwa der normale Außendruck eingestellt
wird.
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Die Druckabstufung läßt sich vermittels von den Entlüftungsleitungen
45, 46 zugeordneten Drosselvorrichtungen einstellen. Die Druckdifferenz wird weiterhin
über das Anstauen des Meerwassers infolge der Höhendifferenz der Anschlußstutzen
18 und 20 in Verbindung mit auch diesen zugeordneten Drosselvorrichtungen aufrechterhalten.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anlage zur Süßwassergewinnung wird
das Meerwasser mit einer Temperatur zwischen 100 und 300c mittels der Pumpe 43 mit
einer Förderhöhe von bspw. 4 ata dem Einlaßstutzen 29 des Kondensators 21 der Kolonne
13 zugeführt und durchströmt die Kondensatorrohre 22 in Richtung auf den Auslaßstutzen
30 hin. Dieser steht mit dem Einlaßstutzen 29 der nächsten Kolonne 1 in Verbindung,
dessen Auslaßstutzen 30 wiederum mit dem Einlaßstutzen 29 der folgenden Kolonne
verflanscht ist. Daher werden die Kondensatorrohre 22 der Kolonnen 1 nacheinander
vom Meerwasser durchströmt, das durch die Kondensation von Dampf an den Kondensatorrohren
22 erwärmt wird und mit einer zwischen 400 und 100o C liegenden Temperatur den Zulauferhitzer
35 erreicht, in dem es auf bspw. 1200 aufgeheizt wird. Eine Verdampfung von Wasser
findet jedoch trotz Überschreiten des Normalsiedepunktes nicht
statt,
da das Meer- bzw. Brackwasser noch unter dem Druck der Pumpe 43 steht. Vom Zulauferhitzer
gelangt das Meerwasser dann über einen Anschlußstutzen 18 sowie eine diesem zugeordnete,
dem Druck auf bspw. 1,1 ata reduzierende Drosselvorrichtung in dem 4 Verdampfungsraum
16 der Kolonne 1 . Infolge dieser Druckabsenkung vermag nunmehr das Meerwasser zu
verdampfen, bis durch die ihm hierbei entzogene Verdampfungswärme es soweit abgekühlt
ist, daß seine Temperatur unter der Siedetemperatur liegt, die sich bei dem in dieser
Kolonne herrschenden Druck ergibt. Der aufsteigende Dampf tritt durch den Durchbruch
13 der Trennwand 12 und durch den Prallabscheider 15 in den Kondensationsraum 17
der Kolonne 1# ein. Vom Dampf evtl. mitgerissene Wassertröpfchen werden vom Prallabscheider
15 zurückgehalten, während der Dampf sich an den Rohren 22 des Kondensators 21 niederschlägt
und als Destillat in die Sammelwanne 26 abtropft. Die verbleibende Sole gelangt
über den Anschlußstutzen 19 der vorliegenden Kolonne, den Anschlußstutzen 20 der
folgenden Kolonne 12 sowie eine diesen zugeordnete Drosselvorrichtung in den Verdampfungsraum
16 dieser folgenden Kolonne 1 .
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Wie bereits vermerkt, sind die Verdampferräume 16 stufenweise so evakuiert,
daß in jedem folgenden Verdampfungsraum ein niedrigerer Druck herrscht als im vorhergehenden.
Hierdurch verdampft bei dem jeweils herrschenden Druck in jedem der Verdampfungsräume
Wasser, bis die der verbleibenden Sole entzogene Verdampfungswärme diese unter die
Verdampfungstemperatur abgekühlt hat, die sich im betreffenden Verdampfungsraume
aufgrund des dort herrschenden Druckes einstellt. Die Druckabstufung wird zweckmäßig
so eingestellt, daß die Verdampfungsräume 16 etwa gleiche Verdampfungsleistungen
und damit etwa gleiche Destillatmengen ergeben.
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Das in den Kondensationsräumen 17 in den Sammelwannen 26 aufgefangene
Destillat wird durch die Anschlußstutzen 27 über Rohrleitungen 41 durch eine Pumpe
42 abgezogen. Die Anordnung ist hier so getroffen, daß das Destillat aus der den
höchsten Druck aufweisenden Kolonne 1# ueber eine in den Figuren nicht dargestellte
Drosselvorrichtung dem den nächsttieferen Druck aufweisenden Kondensationsraum
17
der Kolonne 1 zugeführt wird, so daß das Destillat der Kolonne 14 die Kondensationsräuine
der folgenden Kolonnen durchströmt, bis das gesamte Destillat der in Fig. 1 dargestellten
vier 3 Kolonnen aus der Kolonne 1 durch die Pumpe 42 gegen den Außendruck gefördert
wird. In gleicher Weise wird dem Verdampfungsraum der den niedrigsten Druck aufweisenden
Kolonne 1# die verbliebene Sole mittels der Pumpe 39 entnommen.
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Druckdurchschläge zwischen den Kolonnen sind nicht zu befürchten,
da sowohl die die Sole überführenden Anschlußstutzen 18 bzw. 20 als auch die das
Destillat abführenden Rohrstutzen 27 und die Entlüftungsleitungen 45,46 jeweils
nur mit dem Differenzdruck beaufschlagt werden und jeweils mit den Ubertritt nur
der gewünschten Menge gestattenden Drosselvorrichtungen ausgestattet sind.
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Durch tiefliegende Drosselvorrichtungen und ggf. Anstauen der Sole
bzw. des Destillates wird erreicht, daß die Drosselvorrichtungen im wesentlichen
nur von Flüssigkeit beaufschlagt werden. Die Dosierung des insgesamt entnommenen
Destillats sowie der Sole kann außer durch der Druckeinstellung durch Einstellung
oder Regelung des Förderstroms jener Pumpen bewirkt werden, die diese gegen den
Unterdruck der letzten Stufe aus dem betreffenden Sumpf fördern. Die Regelung kann
hierbei durch einen Niveaugeber des der Pumpe vorgeordneten Sumpfes bewirkt werden.
Auch der die Kondensatorrohre 22 durchsetzende Förderstrom des Meer- bzw.
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Brackwassers kann durch Einstellen des Förderstromes der Pumpe 43
bestimmt werden; eine zusätzliche Dosierpumpe 47 geringen Förderstromes vermag hierbei
aus gesonderten Vorratsbehältern den Betrieb der Anlage fördernde Chemikalien wie
Mittel zur Verhütung von Ansätzen, bspw. Kalk, in Lösung und/oder Suspension in
vorgegebenen Mengen beizufügen.
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Es ist möglich, als Dosselvorrichtungen Drosselventile vorzusehen;
die Drosselventile können aber auch durch einfache Drosselstrecken bzw. Drosselbohrungen
ersetzt werden, da die Anlage sich praktisch selbst regelt: Sinkt in einem Verdampfungsraum
der Druck zu stark ab, so reagiert er mit erhöhter Verdampfung und gleicht damit
den Druckunterschied mindestens teilweise aus.
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Auch die Vorwärmung des Meer- bzw. Brackwassers in den Kondensatorrohren
22 läßt sich so einstellen, daß die gewünschte Erhitzung erreicht wird und Nebenwirkungen
unterbunden werden.
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So können die Kondensatorrohre 22 eines Kondensators direkt in die
Speisung bewirkende Kammern 24 bzw. 25 münden, so daß alle Rohre parallel geschaltet
sind. Wird eine höhere Strömungsgeschwindigkeit gewünscht, so können die Kondensatorrohre
22 gruppenweise derart unterteilt sein, daß sie einendig in gespeiste Kammern münden,
während die noch freien Enden der Mündungen zweier Rohrgruppen durch eine nicht
gespeiste weitere Kammer miteinander verbunden sind.
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Die der Einrichtung zur Süßwassergewinnung zugeordneten Pumpen, nämlich
die Solepumpe 39, die Vakuumpumpe 40, die Destillatpumpe 42 und die Meerwasserpumpe
43, sind in ihren Leistungen so reichlich dimensioniert, daß an ihnen Schäden durch
Überbeanspruchung nicht entstehen können, und daß sie ohne weiteres eine Erhöhung
der Destillatleistung durch Zuschaltung weiterer Kolonnen zulassen.
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Als wesentlich hat sich erwiesen, daß die gesamte Einrichtung zur
Süßwassergewinnung bereits im Herstellerwerk betriebs fertig montierbar ist und
nach durchgeführtem Probelauf ohne Demontage an den Einsatzort gebracht werden kann.
Diese Möglichkeit ist durch die kompakte Ausgestaltung der einzelnen Kolonnen und
der daraus erstellen Gesamtanlage gewährleistet. Diese läßt sich durch ihre kompakte
Bauweise auf einer Montageplatt#orm anordnen, die bspw.
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auf einem normalen Lkw-Anhäher verladen werden kann, oder die unmittelbar,
ggf. durch Anwendung von Lafetten, fahrbar ausgebildet ist. Auf einer solchen Montagebühne
sind nicht nur sämtliche Kolonnen aufgestellt, sie enthält auch die Pumpen, den
Zulauferhitzer 35 mit dem diesen zugeordneten Dampferzeuger 44, sämtliche Verbindungselemente,
Schalt- und Steuergeräte, so daß die Anlage praktisch stets betriebsfertig ist.
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