DE2921728A1

DE2921728A1 - Sea-water desalination - by freezing and evaporation in-stages using energy from wind power

Info

Publication number: DE2921728A1
Application number: DE19792921728
Authority: DE
Inventors: Klaus Ulrich Dipl In Plantikow
Original assignee: Plantikow klaus Ulrich dipl-Ingdr
Current assignee: Plantikow Ulrich Dipl-Ing Dr 8000 Muenchen
Priority date: 1979-05-29
Filing date: 1979-05-29
Publication date: 1980-12-11

Abstract

Seawater is desalinated for the production of drinking water by a multi-stage extraction process, based on successive freezing and evaporating of the ice crystals. Several heat exchangers are incorporated in a subsequent expensive evaporation section. The entire amount of power required is generated by wind power. This system can be introduced in coastal regions without any electric power supply where other systems have to be ruled out. Calculations have shown that drinking water can be produced by this system at a reasonable cost.

Description

Die Erfindung bezieht siel au ein Verfahren zur GewinnungThe invention relates to a method of extraction

von Süßwasser aas Meerwasser verschiedener Extraktionsgrade nach dem Gefrier-bzw. Verdampfungsverfahren.from fresh water to sea water of various degrees of extraction according to the Freezer or Evaporation process.

Zum Stand der Technik zählt bereits eine Vielzahl von Verwahren zur Meerwasserentsalzung,wovon vorwiegend drei Verfahrensarten in Anwendung gelangen,nämlich des Destillationsdas Iembran- und das Kristallisationsverfahren.Diese Verfahrensarten unterteilen sich wieder in speziele Verfahrenstechniken.So beinhaltet die Destillationsteohnik die Verfahren der Entspannungsverdampfung,der Vielfachverdampfung und der Bri'(1enkonpress ion0 Die ICrisxallisationstechnik unterteilt sich in das Gefrierverfahren und das Bydratverfahren und die Membranverfahren werden wieder unterteilt in die Elektrodialyse und die reverse Osmose, Unabhängig nun von der Trennmethode ist zur Trennung der Lösungskomponenten ein Mindestenergieaufwand erforderlich,der nicht unterschritten werden kann.Für Meerwasser ist eine minimale Trennenergie von 0,7) kWh/m3 ermittelt wordenONun wurde weiterhin festgestellt,(1aß im gesamten gesehen ,der benötigte Wasserbadarf etwa nur ein Zehntel des vorhandenen Wassers ausmacht.Nur die Verteilung der vorhandenen Wassermenge ist regional stark unterschiedlich,so daß an zahlreichen Verbrauchsschwerpunkten ,wie beispielsweise die Küstenregionen Sülamerikas,der vordere Orient und weite Teile Afrikas und Australiens,die notwnedigen Wassermengen nicht zur Verfügung stehen und aus technischen Gründen auch nicht erbracht werden können, weil in erster Linie die erforderliche Energie nicht aufgebracht werden kann oder hierzu ein nicht mehr vertretbarer wirtschaftlicher Aufwand getrieben werden muß0Aus diesem Grunde lassen sich an vielen Stellen die bisher bekannten Verfahren nicht realisieren,abgesehen von ihren artspezifischen Mängeln, Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es dahersein Verfahren der eingangs genannten Art zu scllaffenvias mit optirniertem Aufwand auch an küstennahen Zonen ohne vorhandene Energieversorgung den erforderlichen Süßwasserbedarf in wirtschaft lioh vertretbarem Maße erbringt.The state of the art already includes a large number of safeguards Seawater desalination, of which mainly three types of processes are used, namely of distillation, membrane and crystallization processes. These types of processes are again subdivided into special process technologies, such as the distillation technique the processes of flash evaporation, multiple evaporation and Bri '(1enkonpress ion0 The ICrisxallization technique is divided into the freezing process and the The hydrate process and the membrane process are again subdivided into electrodialysis and the reverse osmosis, now regardless of the separation method is used to separate the Solution components require a minimum energy expenditure that is not undershot A minimum separation energy of 0.7) kWh / m3 has been determined for seawater Now it was further established (1ass seen in the whole that needed Water bath only makes up about a tenth of the available water, just the distribution the amount of water available is regionally very different, so that at numerous Consumption focuses, such as the coastal regions of South America, the front Orient and large parts of Africa and Australia, not the necessary amounts of water are available and cannot be provided for technical reasons, because in the first place the required energy cannot or this means that an economic outlay that is no longer justifiable must be driven out For this reason, the previously known methods cannot be used in many places realize, apart from their species-specific defects, task of the present invention, it is therefore a method of the type mentioned at the beginning to sleep vias with optimized effort even in coastal zones without existing ones Energy supply the necessary fresh water demand in an economically justifiable way Dimensions.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst.Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend beschrieben und in einer Schemazeichnung dargestellt.This task is accomplished by the measures laid down in the claims An embodiment of the invention is described below and in shown in a schematic drawing.

Es zeigen Fig.1 ein Blockschaltbild der beschriebenen Anlage ein ein Prinzipschaltbild einer Kristallisationsanlage mit vibrierenden Wärmetauscherflächen in Werbindung mit einer Entspannungsverdampfungsanlage Das in den Figuren 1 und 2dargestellte Ausführungsheispiel einer Anlage zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens vereint innerhalb einer Anlage das Gefrier-un das Verdampfungsverfahren .Damit aber werden die Vorteile beider Verfahren voll ausgenützt.Im einen Fall liegt der W teil in der niedrigen Enthalpie der abzuführenden Schmelzwärme,die nur 1/7 der Verdampfungswärme beträgt und im anderen Fall wird die Verdampfungswärme bei hohen Temperaturen zugeführt,während die Schmelzwärme bei niedrigen Temperaturen abgeführt wird.1 shows a block diagram of the system described Basic circuit diagram of a crystallization system with vibrating heat exchanger surfaces in connection with a flash evaporation system Illustrated embodiment of a system for carrying out the aforementioned Process combines the freezing and evaporation processes within one system This, however, means that the advantages of both methods are fully exploited. In one case lies the part in the low enthalpy of the heat of fusion to be dissipated, which is only 1/7 is the heat of evaporation and in the other case the heat of evaporation is at fed at high temperatures, while the heat of fusion at low temperatures is discharged.

Der Energiebedarf zur Durchführung der vorgenannten Verfahren wird nun durch ein aus Windenergiekonvertern bestehendes nSindkraftwerk im inselbetrieb aufgebracht.1a(1uroh ist es möglich, eine Süßwassergewinnung aus Meerwasser unabhängig an jedem gewünschten Ort durchzuführen,auch wenn keine elektrischen oder sonstigen Kraftwerke vorhanden sind Q Gerade in den küstennahen Gebieten der verschiedenen leere ist generell eine ständige Windbewegung festzustellen,(1ie nahezu eine vollständige und ununterbrochene Tnbetriebnahme der vorgeschlagenen Meerwasserentsalzungsanlage erlauben O Die zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens gezeigte Anlage setzt sich aus einer dreistufigen Gefrieranlage mit erzwungener Kristallisation und einer Mehrstufen-Entspannungsverdampfungsanlage mit einer Wärmepumpe zusammen.The energy required to carry out the aforementioned method is now through an nSindkraftwerk consisting of wind energy converters in island operation applied.1a (1uroh it is possible to obtain freshwater from seawater independently to be carried out at any desired location, even if not electrical or otherwise Power plants are present Q Especially in the coastal areas of the In general, a constant wind movement can be observed in various empty spaces (1ie almost a complete and uninterrupted commissioning of the proposed seawater desalination plant allow O The system shown for carrying out the proposed method sets consists of a three-stage freezer with forced crystallization and one Multi-stage expansion evaporation system together with a heat pump.

Die Eintrittstemperatur des Meerwassers,wie sie sich beispielsweise an den Küsten des atlantischen Ozeans in den ariden Gebieten Südafrikas und Südwestafrikas ergibt,sei mit 15° C angenommen'währen(1 für die Salzkonzentration des lw eerwassers 3 angegeben werden darf.Bei einem Extraktionsgrad von 0,5 werden etwa Goo m3/h Meerwassersole benötigt,wobei die 1. Gefrierstufe mit 400 m3/h und 150 C versorgt wird,um in einem Vorkühler 11 durch zurückfließende kalte angereicherte Lauge in der Größenordnung von etwa 100 m3/h auf etwa 5° C C abgekühlt zu werden.Die 400 m3 werden - beispielsweise durch verdampfendes Ammoniak - in einem Kristallisierapparat 12 auf etwa - 20 C abgekühlt 9wobei sich in bekannter Weise Eis bildet.Nun wird aus dem Kristallisierapparat 12T der folgenden Stufe Tjutterlauge in den erstgeaannten Kristallisierapparat 12 eingeleitet,wobei ein Teil der selben über den Vorkühler 11 fließt und das im Verdichter 13 komprimierte Kältemittel in einem Wärmetauscher 14 kühlt bevor dieses im Kondensator 15 verflüssigt wird, Die sich im Kristallisierapparat bildenden Einskristalle enthalten aber noch Einschlüsse von meerwasser und werden daher im Kondensator 15 des Kältemittelkreislaufs wieder geschmolzen. In allen folgenden Stufen wiederholt sich der Gefriervorgang,wobei in jeder Stufe die gewonnene Mutterlauge salzärmer wird.Die geschmolzenen Eiskristalle werden jeweils der nachfolgen(1en Stufe zugeleitet, warend die Mutterlauge nach dem Ausfrieren im Kristalisierapparat einer Stufe dem Kristallisierapparat der vorhergenenden Stufe zufließt,bis letztlich in der 3. Stufe etwa 300 m3/h Süßwasser mit einem Salzgehalt von rund o,o35 % entstehen Die dem meerwasser - wie vorbeschrieben - entzogene Wärme,die in dem abgeführten Restlaugestrom enthalten ist,wird nun mittels einer Wärmepumpe auf ein höheres Tezperaturniveau gebracht, womit ein weiterer Meerwasserstrom erhitzt und in der angeschlossenen Entspannungsverdampfungsanlage 16 zur Erlangung weiteren Süßwassers " verarbeitet" wird.The inlet temperature of the sea water, as it is, for example on the coasts of the Atlantic Ocean in the arid regions of South Africa and South West Africa results, assuming 15 ° C (1 for the salt concentration of the water 3. With an extraction rate of 0.5, about goo m3 / h of seawater brine is obtained required, whereby the 1st freezing stage is supplied with 400 m3 / h and 150 C to in one Pre-cooler 11 by flowing back cold enriched liquor in the order of magnitude to be cooled from about 100 m3 / h to about 5 ° C. The 400 m3 - for example by evaporating ammonia - in a crystallizer 12 to about - 20 ° C when it has cooled down, ice is formed in the known way. Now the crystallizer becomes 12T of the following stage Tjutter liquor into the first-mentioned crystallizer 12 initiated, with part of the same flowing through the precooler 11 and that in the compressor 13 compressed refrigerant in a heat exchanger 14 cools before this in the condenser 15 is liquefied, containing the single crystals forming in the crystallizer but still inclusions of sea water and are therefore in the condenser 15 of the refrigerant circuit melted again. The freezing process is repeated in all subsequent stages, whereby In each stage the mother liquor obtained becomes lower in salt. The melted ice crystals are each forwarded to the following (1st stage, warend the mother liquor after freezing in the crystallizing apparatus of one stage the crystallizing apparatus the previous stage flows until finally in the 3rd stage about 300 m3 / h fresh water With a salt content of around 0.035%, the seawater is created as described above - Removed heat, which is contained in the residual liquor stream removed, is now by means of a heat pump brought to a higher temperature level, with which a further seawater flow heated and in the attached expansion evaporation system 16 to obtain further fresh water is "processed".

Beide Verfahren - wie vorgeschlagen - hintereinandergeschaltet argeben im vorliegenden Beispiel zusammen rund 38. m3/h Süßwassersaczu ein Leistungsaufwand von etwa 4,2 tiW erforderlich ist.Dieser Energieaufwand kann von Windkraftwerken ohne weiteres aufgebracht werden,wobei es unter Umständen empfehlenswerter ist, zwei kleinere Kraftwerke anstelle eines großen zusammenzuschließen Wie bereits erwähnt sind Entsalzungsanlage und Kraftwerk im Inselbetrieb miteinander geschaltet.Both methods - as suggested - argabe connected in series In the present example, a total of around 38 m3 / h of fresh water 4.2 tiW is required. This energy input can be provided by wind power plants can be easily applied, although it may be more advisable to merge two smaller power plants instead of one big one As already mentioned the desalination plant and power plant are connected to one another in isolated operation.

Wie bereits gesagt,wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Wärme in den Kristallern in bekannter Weise durch eine Kältemaschine entzogen wobei als Kältemittel beispielsweise NH3 Verwendung findet, das durch Verdampfung in den ICristallern 12 der Sole Wärme entzieht.In den Verdichtern 13 wird nun der Kältemitteldampf auf einen höheren Druck komprimiert und dabei überhitzt0in dem Wärmetauscher 14 und in den Kondensatoren 15 wird der Kältemitteldampf wieder abgekühlt und niedergeschlagen .Die Abwärem des Kälteprozesses wird - wie angegeben - zur Entspannungsverdampfung ausgenutzt,deren Verfahren allgemein bekanrft ist, so daß hier nicht näher darauf eingegangen werden muß.As already mentioned, according to the method according to the invention, the heat in the crystallizers is extracted in a known manner by a refrigeration machine, with NH3, for example, being used as the refrigerant, which extracts heat from the brine by evaporation in the ICrystals 12. The refrigerant vapor is now in the compressors 13 compressed to a higher pressure and thereby overheated in the heat exchanger 14 and in the condensers 15 becomes the refrigerant vapor cooled down again and precipitated. The waste heat of the cold process is - as indicated - used for expansion evaporation, the process of which is generally popular, so that it does not need to be discussed in more detail here.

Um nun den vorbeschriebenen Prozess noch zu verbessern und damit den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, wird vorgeschlagen'den Kristallisationseinrichtungen zur Reinigung der Eiskristalle Waschzentrifugen zuzuordnen und die Wärmetauscherflächen mit einer Vibrationseinrichtung zu versehen,wodurch die Bildung einer kompakten Eisschicht auf diesen Flächen verhindert wird.Der für die Vibrationseinrichtung erforderliche Stromaufwand beträgt nur ein Bruchteil desjenigen, der erforderlich ist um Kratz-,Schabe- oder Klopfeinrichtungen für die Loslösung des Eises in Betrieb zu nehmen O Es hat sich nun gezeigt, daß das vorgeschlagene Verfahren wirtschaftlich mit allen bisher konkurrierenden Wasseraufbereitungsanlagen Schritt halten kann.So ergibt sich bei einer beispielsweisen Benutzungsdauer von 2coo Stunden im Jahr bereits ein Kubimmeterpreis von DN 1,34 . Dieser Wasserpreis liegt bereits 10% unter dem Verkaufspreis für Trinkwasser der Stadt Husum0Allerdings sind hier die Verteilerkosten und Gewinneswie sie im Husumer Preis enthalten sind , nicht berücksichtigt.In order to improve the process described above and thus the It is proposed to increase the efficiency and economy To clean the ice crystals, assign washing centrifuges and the heat exchanger surfaces to be provided with a vibration device, whereby the formation of a compact Ice layer on these surfaces is prevented. The one for the vibration device required electricity consumption is only a fraction of that which is required is in operation around scratching, scraping or knocking devices for loosening the ice to take O It has now been shown that the proposed method is economical can keep up with all previously competing water treatment systems results from an example of use of 2 hours per year a cubic meter price of DN 1.34. This water price is already 10% below Selling price for drinking water in the city of Husum0 However, here are the distribution costs and profit as they are included in the Husum price, not taken into account.

Das hier vorgeschlagene Verfahren läßt sich zur Wirtschaftlichkeit je nach den vorzufindenden lokalen Verhältnissen variieren, So kann beispielsweise die Kristallisationsanlage ein - oder mehrstufig sein, LeerseiteThe method proposed here can be used for economy vary depending on the local conditions to be found, for example the crystallization system can be one or more stages, Blank page

Claims

Process for the extraction of fresh water from sea water P a t e n t a n p r ü c h e Process for the extraction of fresh water from sea water of differentiated water Degree of extraction after freezing or

the evaporation process e t that a crystallization-freezing system has a; 'ntspannungsverdampfungsanlage with one or more heat pumps connected downstream and the entire electrical Energy demand of the systems is applied by wind energy converters.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h 2 e k e n n z e i c Ii n e that the crystallization-freeze system for cleaning the crystals from adhering Quickly run brine (1st centrifuges are assigned and the heat exchanger surfaces in Vibration are set and the electrical and / or mechanical energy required for this is supplied by the wind converters.