DE2830514C2 - Mehrstufen-Entspannungsverdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mchrstufen-Entspannungsverdampfer mit Kühlicil. Wirinerückgewinnungsteil und Enderhiizer. wobei im Kühlteil und Wärmcrückgewinnur.gsteil je zwei Wärmeaustauscher unabhängig voneinander geschaltet und ihre Ausgangsleitungcn zu einer Leitung vereinigt sind, die mit der ersten Stufe des Wärmerückgewinnungsteils verbunden ist.

Die Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser oder einem Wasser mil incerwasserähnlieher Zusammensetzung in mehrstufigen Enispannungsvcrdampfern, in denen das eingespeiste Rohwasscr stufenweise in einer Vielzahl von Entspannungsstufcn jeweils teilweise verdampft wird, dieser Dampf an Kondensatoren niedergeschlagen wird und in einer darunter angeordneten Rinne aufgefangen wird, ist bekannt. Nachteilig ist dabei, daß infolge von Temperaturerhöhungen und Aufkonzentrierungen der Sole Vcrkrusiungen in den Wärmerückgewinnungssiufen und dem Enderhiizer durch Überschreiten der Löslichkeitsgrenzc von im Meerwasser enthaltenen gelösten Stoffen auftreten. Insbesondere das im Meerwasser vorhandene Ca(HCOi): führt durch die Temperaturerhöhung zu CaCOj-Krusten auf den Wärmeatisiauschflächen. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeil bei den bekannten Anlagen, gelegentliche Reinigungen zur Entfernung der Krusten und zur Wiederherstellung der ursprünglichen Leistungsfähigkeit der Anlage durchzuführen.

Es ist bekannt, die notwendigen Reinigungen während des Betriebs der Anlage durchzuführen, wozu dem Umlaufwasscr entweder Schwefelsäure oder Salzsäure zugesetzt wird. Nachteilig ist hierbei, daß beim Sehwcfelsäiurezustand ggf. die Caleiumsuliat-Kon/eniralion im Umlauf so ansieigt. dalies im Enderhit/er /u Veikrusiungcn kommt. Durch das freiwerdende CO.· und überschüssige Schwefelsäure entsteht eine verstärkte Korrosionsgefahr für die eingesetzten Werkstoffe. Bei der Reinigung der laufenden Anlage mit (HI besteht andererseits die Gefahr, daß überschüssige Salzsäure mil übcrdesiillicrt und zusätzliche Korrosionserscheinungen im Destillatsystem verursacht

Aus Sicherheitsgründen wird es daher vorgezogen, die Anlage zur Erzeugung von Trinkwasser aus Mcerwasser außer Betrieb zu nehmen. Das Abstellen der Anlage bedingt jedoch, daß während der Reinigung kein Wasser erzeugt wird. Es muß für die Dauer der Reinigung dafür gesorgt sein, daß Trinkwasser ai>s einem bereitzustellenden Notreservoir geliefert wird. Die Größe des Reservoirs wird von der Reinigungsdauer bestimmt. Grundsätzlich ist jedoch die Notwendigkeit, ein Wasserreservoir unter Umständen von beachtlichen Ausmaßen bereitstellen zu müssen, ein Nachteil, der die Wirtschaftlichkeit der Anlage beeinträchtigt. Die Auswcriung von Erfahrungen mit den beschriebenen Anlagen hat ferner gezeigt, daß eine erhebliche Zahl von Stillegungen aufgrund von Schäden notwendig ist. Bei 100 Anlagen-Slillegungen war in einem Berichtszeitraum etwa 37mal ein Schaden im Sole-Kreislauf die

»o Ursache. Als Schaden stellen sich Leckagen in Wärmeaustauscherrohren, in ümienkhauben, in Ümwäizieitungen. im Enderhitzer, in Dampfleitungen und Störungen an der Umwälzpumpe dar. Solche mechanischen Störungen treten größtenteils überraschend auf und mail chen unter Umständen eine sofortige Stillsetzung der gesamten Anlage notwendig. Dies ist gleichbedeutend mit dem Gesamiausfall der Trinkwasscrproduklion. was wiederum die Notwendigkeil mit sich bringt, aus Sicherheitsgründen ein erhebliches Notreservoir vorzusehen, jo Aus der DE-OS 26 36 682 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum mehrstufigen Entspannungsverdatnpfen von Salz- oder Meerwasser zur Gewinnung von Süßwasser bekannt. Dabei wird das frische Meerwasser in zwei Teilslrömen durch die letzten Wärmeabfuhrstufen geleitet, von denen nur ein Tcilstrom hinsichtlich seiner Menge so geregell wird, daß er beim Eintritt in die angereicherte Sole deren Temperatur aufweist. Der /weile Teilsirom wird lediglich zur Kühlung in den letzten Wärmeabfuhrstufen vcrvvcndev und dann abgelassen. Entsprechend weist die Anlage in der letzten Wärmeabfuhrsiufc zwei voneinander getrennte Wärmeaustauschvorrichtungen auf, die beide von Frischwasser durchflossen sind und von denen nur die eine mit der Kammer in Verbindung steht, in der das Frischwasser der Sole zugesetzt wird. Nachleiligcrweise muß zwingend auf beiden Wärnieaustauschvorrichtungen gefahren werden, und zwar einerseits mit einer fixen Menge zur Kühlung und andererseits einer variablen Menge zur Speisung der Anlage. Demzufolge bestehen weiterhin die oben geschilderten Nachteile bei Reinigungen oder Reparaturen. Es ist notwendig, die Anlage abzustellen, so daß in dieser Zeit kein Wasser erzeugt wird und demzufolge ein Reservoir bereitgestellt werden muß. aus welchem Trinkwasser während der Stillzeit der Anlage entnommen weiden kann.

lerner ist aus der DE-OS 23 08 177 ein Mehrsiufcn-Enispannungsvcrdampfcr der eingangs genannten Art bekannt, der jedoch zur Lösung einer grundsätzlich verschiedenen Aufgabenstellung im Vergleich zu der der Erfindung dient, nämlich zur Entfernung von gelösten Stoffen aus einer Rohlösung, die eine von der Temperatur anhängige Löslichkeit aufweisen. Dabei wird eine die jeweilige l.öslichkeitsgrenze überschreitende Teniperaluriinderung in der Rohl'lüssigkeil durch Zng;ibe eines Nuidarligcn Mediums bewirkt und werden die ausfallenden Feststoffe abgezogen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit einer Meerwasscrentsal-

iungs-Anlage mit Mehrstufen-Entspannungsverdanip-Fer dadurch zu verbessern, daß der Anlagenbetrieb über einen langen Zeitraum gewährleistet ist. ohne daß bei der notwendigen Reinigung oder bei mechanischen Ausfällen die gesamte Anlage abgestellt werden muß. Zielsetzung ist es, einen über lange Zeiträume störungsfreien Betrieb mit konstanter Leistung, d. h. eine volle Verfügbarkeit mit einer Solleistung bis zu 100% über lange Zeitabslände zu erreichen.

Die Aufgabe is. erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Wärmeaustauscher-Ausgangsleitung einen Enderhitzer aufweist, dessen Ausgangsleitung mit einem Rcinigungskreislauf verbunden ist. Dadurch ist der Lösungsfluß in Umwälzpumpen, Wärmeaustauschern und Enderhitzern geteilt, so daß völlig voneinander unabhängige Kreisläufe über die Wärmeaustauscher geführt werden, die erst hinter den Enderhilzern zur Zufuhr der ersten Stufe des Entspannungsverdampfers vereinigt werden. Durch entsprechende Auslegung der Wärmeaustauschflächen und Einstellung der Endtemperatur in den Enderhitzern ist es möglich, über einen sehr langen Zeitraum mit mindestens 7ö^G/b der angestrebten Leistung, auch bei Reinigung eines Stranges die A.;luge zu betreiben. Zum Beispiel kann durch die Anhcb»>ng der Endtemperatur im Enderhitzer bei der Reinigung eines 2^r> Umwälzstranges die Anlagenleistung auf 70% des Auslegungswertes mit dem anderen Strang gehalten werden. Die Nachteile des Gesamtausfalles der Anlage durch Reinigung oder Störung infolge defekter Anlagenteile sind durch die Erfindung soweit ausgeglichen, daß für einen langen Zeitraum mindestens 70% der geforderten Anlagenleistung garantiert erbringbar sind. Die Aufteilung des Solekreislaufs in den Wärmeauslauschern der Wärmerückgewinnungsstufe und der Abkühlungsstufe sowie der Enderhitzer mit den zugehört- a gen Pumpen und Leitungen in zwei (oder mehrere) Stränge, setzt die Gesamlausfallzciten für Spülvorgänge und die meisten Reparaturarbeiten auf ein Minimum herab.

Vorzugsweise sind die Wärmeaustauscher durch au- 41) Ben an die Kammernstufen angesetzte Umlcnkhauben unter Erzeugung eines Mäanderflusses verbunden. Hierbei kann unter den Wärmeaustauschen, eine Destillat-Auffangrinne angeordnet sein.

Im Gegensatz zu dieser »cross-tubew-Bauwcise kön- 4^r> ncn die Wärmeaustauscher auch parallel zum l.ösungsfluß angeordnet sein. d. h. nach dem »long-tubew-System. Grundsätzlich können der Wärmerückgewinnungsteil und der Kühlungstcii auch direkt zusammengebaut den Mchrstufen-Knispannungsverdampfcr dar- ^r>o stellen.

Zur Erleichterung der Peinigung ist es nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorteilhaft, daß der Reinigungskreislauf aus einem Vorratsbehälter für das Reinigungsmittel, -"iner Pumpe und Leitungen zum v, wählbaren Anschluß an die Ausgangsleitungcn der Enderhitzer einerseits und der Wärmeaustauscher des Entspannungsverdampfers andererseits besteht. Der Zeitpunkt der Reinigung wird durch den Vcikrusiungsgrad bestimmt. Er kann beispielsweise dann gegeben sein, m> wenn der Wärmedurehgangsweri (K-Wert) gerade noch so hoch ist, daß bei zweisträngiger Auslegung der Anlage die halbe Anlage noch in der Lage ist. 70"/» der Gcsamtanlagenleistung zu erbringen, ohne daß die maximale Soletemperutur angehoben werden müßte, da b^ri noch eine Überkapazität für die Wärmeaustauscher vorhanden ist.

Fs ist andererseits auch möglich, als Zeitpunkt für die Reinigung das Erreichen des Auslegungs-K-Wertes vorzusehen, wobei dann die Leistung der halben Anlage durch Anheben der maximalen SoletemperEturauf 70% gehalten wird. In jedem Fall wird bei einer Reinigung ein Teilkreislauf stillgelegt, während der zweite 70% der Anlagenleisuing bringt. Ober die separate Reinigungsanlage der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dann der erste Strang heiß gereinigt. Die anfallende Reinigungslösung wird nach Durchlaufen des Enderhitzers aus dem System abgeführt und gelangt nicht in die Entspannungskammern. Aus diesem Grund ist vorteühafterweise bei der Reinigung z. B. auch HCI einsetzbar. da keine Gefahr des Überdestillierens besteht.

lsi der erste Strang gereinigt und wieder in Betrieb, kann, wenn notwendig, das Reinigungsverfahren anschließend für den zweiten Strang durchgeführt werden. Da hierbei der erste Strang bereits gereinigt und damit wieder voll leistungsfähig ist, und auch höhere K-Werte hai, braucht dann die maximale Soictemperatur nicht erhöht zu werden, da aufgrund des -Tsteilungsmäßig Vorgesehenen hohen K-Wcrtes die haiue Anlage in der Lage und vorgesehen ist. 70% der Gesamtleistung der Anlage zu liefern. Aus einem Wasserreservoir, das aufgrund dieser Tatsache kleiner sein kann, als bei bisherigen Mehrstufen-Enispannungsvcrdampfern, müssen nur noch 30% an Trinkwasser zugestellt werden, um die volle Trinkwassermenge zur Verfügung zu stellen, da grundsätzlich sowohl bei Reinigungen als auch bei mechanischen Störungen immer nur ein Strang abgeschaltet werden muß und mit dem anderen Strang mindestens 70% der Anlagenleistung zur Verfugung stehen.

Weitere Einzelheiten. Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der schemalisch eine Anlage zur Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser gemäß der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Gesamtanlage schemalisch,
F i g. 2 einen Querschnitt einer Kammer.
F i g. 3 eine Draufsicht auf mehrere Kammern und
Fig.4 ein I.eistungsdiagramm der Gesamtanlage über einen längeren Zeilraum.

Die Anlage besteht im wesentlichen aus eiijcm Mehrslufen-Enispannungsverdampfer 1, der in einen Wärmcrückgewinnungsieil 2 mit einer Vielzahl von Kammern π I. π 2 usw. und einem Kühlungsteil 3 mit einer Vielzahl von Kammern m 1. m 2 usw. aufgeteilt ist. und zwei Enderhilzern 4, 5 sowie zugehörige Pumpen 6, 7 und Vcrbindungsleilungcn. Darüberhinaus isi ein Reinigungskreislauf R vorgesehen.

Aufbau und Betriebsweise der Anlage ergeben sich aus der nachfolgenden Funktionsbeschreibung:

Daa V'-ecrwasscr Irin bei E über eine Speiseleitung 8 in den Kühlungsteil 3 der Anlage ein und durchläuft die im Krcuzsirom angeordneten Röhren von Wärmeaustauschern 9 der Kammern w 1. m 2 usw. des Kühlungsleils 3. Ein Teilstrom des Meerwassers wird nach Durchlaufen des Kühlmipsieils 3 über eine Rohrleitung 10 ins Meer zurückgeführt, während ein anderer Teil durch den Kühlungstcii 3 parallel zur entspannenden Sole durch die Rohrleitung Il in die Entspannungssiufe geführt wird, wo es sich mit vorkonzentrierter Lösung mischt und in den Kreislauf eingeführt wird. Mittels der Umwälzpumpen 6,7 wird die so gemischte und entgaste Sole der Wärmerückgcwinnungsstufe 2 des Mehrstufen-Entspannungsvcrdampfcrs 1 über Rohrleitungen 12, 13 zugeführt, wo das Gemisch von Stufe zu Stufe

deren Wärmeaustauscher 14. die ebenfalls im Kreuzstrom angeordnet sind, durchläuft. Hierbei erwärmt sich die Sole. Ihre Endtemperatur wird in den Enderhitzern 4, 5 auf eine Temperatur von WC eingestellt.

Im Lösungsfluß hinter den Wärmeaustauschern 4, 5 werden die beiden Stränge des Solckrcislaufs vereinigt und über eine Rohrleitung 15 in die erste Kammer und damit die erste Entspannungsstufe π I des Entspannungsverdampfers 1 eingespeist. Die heiße Sole verdampft dort teilweise, schlägt sich an den Rohren der Wärmeaustauscher 14 nieder und wird in einer darunter angeordneten Trinkwasserrinne 16 aufgefangen. Das Trinkwasser (Destillat) durchläuft ebenso wie die heiße Sole sämtliche einzelnen Kammern η I, η 2 usw. ...in I, ni2 usw. unter Expansion und Abkühlung, wobei sich durch den in jeder nachfolgenden Stufe herrschenden niedrigeren Druck der Verdampfungs- und Kondensationsprozeß wiederholt. In tier vorletzten Stufe (vergleiche F i g. 1 der Zeichnung) wird ein Teil der Sole aus der Anlage mittels einer Pumpe 17 als Abstoß geführt, um die Konzentration nicht zu hoch ansteigen zu lassen. Der Konzentrationsfaktor soll maximal 1.8 betragen.

Das Destillat wird aus der Trinkwasserrinnc 16 mittels einer nicht dargestellten Pumpe bei Taus der Anlage abgezogen.

Aus der Zeichnung ist erkennbar, daß das Meerwasser in zwei Strängen in die Anlage eingespeist wird, die dementsprechend mit der doppelten Anzahl von in jeder Kammer über- oder nebeneinander angeordneten Wärmeaustauschern sowohl im Kühlungsteil 3 als auch im Wärmerückgcwinnungsteil 2 ausgerüstet ist. Die gesamte Soleführung erfolgt zweisträngig bis hinter die Enderhitzer 4,5, wo die Vereinigung der beiden Stränge erfolgt und die Einspeisung der Sole in die erste Kammer η 1 des Entspannungsverdampfers über die Rohrleitung 15 durchgeführt wird. Die Stränge sind derart ausgelegt, daß sie einzeln zur Erzeugung von mindestens 70% der geforderten Trinkwassermenge geeignet sind. Die Stränge sind ieistungsnuißig gleich groß ausgelegt.

Analog zu dieser beschriebenen Fuhrweise der Recirculation ist auch ein nur einmaliges Durchfahren der Anlage gegeben, wobei die Sole nach »once through« direkt wieder abgestoßen wird. d. h. das Meerwasser läuft über die Wärmeaustauscher 9, 14. die Enderhitzer

4, 5.die Leitung 15.die Kammern η 1. η 2... nt 1, ηι2

und verläßt die Anlage als Abstoß ans der vorletzten Kammer.

Gestrichelt ist in f i g. 1 der Zeichnung der Reinigungskreislauf R eingezeichnet. Die möglichen Anschlüsse hintc^r den F.nderhitzern sowie vor und hinter dem Kühhingsieil 3 sind eingezeichnet. Im wesentlichen sind zum Transport des Reinigungsmittels, beispielsweise der Salzsäure, aus dem Vorratsbehälter in die einzelnen Stränge entsprechende Pumpen und Leitungen sowie Ventile vorhanden. Wegen der Vielzahl der Ventile sind diese in F i g. 1 nicht dargestellt. Wird eine geplante Reinigung oder die Reparatur eines plötzlich auftretenden Defektes notwendig, wird der betreffende Strang abgestellt und der andere Strang wird bezüglich der Durchflußmenge und Temperalurcinstellung derart neu geregelt, daß 70% der Anlagen-Soll-Lcistung auch während der Zeit der Abschaltung des einen Strangs erreicht wird, je nach Verschmutzungsgrad des im Betrieb verbleibenden Stranges mußdieTemperatureiideinstcllung über 90 C angehoben werden. Dies kann bis maximal 120" C vorgenommen werden. Nach der Beendigung der Reinigung oder Reparatur wird auch dieser Strang wieder in Betrieb gesetzt und es wird noch eine gewisse Zeit zur Ergänzung der Ausfallmengen mit einer Produktionsmenge gefahren, die höher liegt als die Soll-Leistung, wobei die Endlcinperatur wieder auf > W¹C reduziert wird.

Die Reinigung der Stränge erfolgt zweckmäßig in einem nach der Verkrustung festzulegenden Turnus so, daß die planmäßigen Reinigungen in gleichen Zeitabständen erfolgen. Unter gewissen Bedingungen ist es

κι aber auch möglich bzw. zweckmäßig, die Anlagcnstränge direkt hintereinander zu reinigen.

Aus I' i g. 2 der Zeichnung ist erkennbar, daß die Wärmeaustauscher 14 in jeder Kammer η \. n2 usw. untereinander angeordnet sind und entsprechend die Stränge

r> parallel und untereinander angeordnet im Mehrstufen-Entspannungsvcrdampfcr geführt sind. Unter den Wärmeaustauschern 14 ist die Trinkwasserrinne 16 angeordnet, die sämtliche Kammern durchläuft. Schematisch ist der l.ösungsspiegel dargestellt.

:o I" i g. j der Zeichnung zeigt eine Draufsicht auf mehrere Kammern η I. «2 .... wobei die Anordnung der Wärmeaustauscher 14 I· i g. 2 der Zeichnung entnehmbar ist. Zur Verbindung der Wärmeaustauscher sind Umlenkhauben 18 außen an den Kammern angebracht.

2^r, (■' i g. 4 zeigt schließlich ein Leistungsdiagramm der (iesamtanlage über einen längeren Zeitraum. Hier sind, durch Verkrus'.ungen bedingt, zwei Reinigungen der Einzrlstränge und ein Stillstand durch den Ausfall einer Umwälzpumpe in einem Strang dargestellt. Gegenüber

jo herkömmlichen Anlagen, die in diesen Fällen einen Stillstand der gesamten Anlage bewirken, geht aus dieser Darstellung hervor, daß die Anlage gemäß der Erfindung über sehr lange Zeiträume in Produktion bleiben kann, wobei je nach Erfordernis immer nur ein Teil der

r> Anlage außer Betrieb genommen wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mehrstufen-Entspannungsverdampfer mit Kühlteil, Wärmerückgewinnungsteil und Enderhitzer, wobei im Kühiteil und Wärmerückgewinnungsteil je zwei Wärmeauslauscher unabhängig voneinander geschaltet und ihre Ausgangsleitungen zu einer Leitung vereinigt sind, die mit der ersten Stufe des Wärmerüekgewinnungsteils verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmcaustauscher-Ausgangsleitung einen Enderhitzer (4; 5) aufweist, dessen Ausgangsleitung mit einem Reinigungskreislauf f/y verbunden ist.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher (9,. 14) durch außen an die Kammern (Stufen) angesetzte Umlenkhauben (18) verbunden sind.

3. Verdampfer nach den Ansprüchen 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Reinigungskreislauf (R) aus einem Vorratsbehälter für das Reinigungsmittel, einer Pumpe und Leitungen zum wählbaren Anschluß an die Ausgangslcitungen der Enderhitzer (4, 5) einerseits und der Wärmeaustauscher (9 oder 14) des Entspannungsverdampfers andererseits besteht.