DE68917470T2

DE68917470T2 - Destillieranordnung.

Info

Publication number: DE68917470T2
Application number: DE68917470T
Authority: DE
Inventors: Tapio Heinioe; Mauri Kontu
Original assignee: Aquamax Oy
Current assignee: Aquamax Oy
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2009-08-26
Also published as: ATE109670T1; EP0431030B1; BR8907612A; AU4198689A; ES2016501A6; RU2005530C1; DE68917470D1; KR930008107B1; EP0431030A1; JP2972253B2; JPH04500172A; AU635718B2; KR900701358A; WO1990001977A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Destillationsapparat mit
einem Gehäuse,
einem in das Gehäuse eingesetzten Verdampfer/Kondensator mit einem Verdampfungsteil und einem Kondensatorteil,
Mitteln zum Zuführen von zu destillierender Flüssigkeit in den Verdampfungsteil des Verdampfers/Kondensators,
Mitteln zum Erzeugen eines Vakuums in den Verdampfer/Kondensator und
einem Gebläse zum Fördern von in dem Verdampfungsteil erzeugtem Dampf in den Kondensatorteil des Verdampfers/Kondensators.
Kurzgefaßt ist das Funktionsprinzip eines Destillationsapparates, der nach dem Dampfverdichter-Prinzip arbeitet. das folgende: Die zu destillierende Flüssigkeit wird zunächst in Vorwärmetauschern mit Destillations- und Abwasser erhitzt, wonach sie einem Verdampfer zugeführt wird. Aus dem Verdampfer wird Dampf mit Hilfe eines Gebläses (Kompressors) angesaugt, während unverdampftes Wasser (Abwasser) zum Boden des Verdampfers fließt. Der Druck und die Temperatur des Dampfes steigen hinter dem Gebläse an. Von dem Gebläse wird der Dampf zu einem Kondensator geführt in dem er kondensiert wird, und in dem Hitze auf das dem Verdampfer zugeführte Wasser übertragen wird, so daß das Wasser verdampft wird. Das Destillat fließt unter dem Einfluß der Schwerkraft zum Boden des Apparates. Die Verdampfungstemperatur kann nach Wunsch gewählt werden, indem der Innendruck des Apparates variiert wird. Üblicherweise verwendete Temperaturen liegen im Bereich von 50 bis 60 ºC, wobei ein erforderliches Vakuum in dem Apparat erzeugt wird.
Die gebräuchlichste Anwendung von Destillationsapparaten des Dampfverdichter-Typs ist die Erzeugung von Frischwasser aus Meerwasser. In herkömmlichen Apparaten sind die Verdampfer/Kondensatoren von der Bauart eines Röhren- oder Plattenwärmetauschers. Die Destillation von Meerwasser mit diesen Apparaten war hauptsächlich aus zwei Gründen problematisch.
Zunächst ist Meerwasser unter den Destillationsbedingungen hochkorrosiv, so daß sich ernste Korrosionsprobleme ergeben. Aus diesem Grund sind beispielsweise Titan und Kupfernickel als Materialien für den Verdampfer verwendet worden. Die Verwendung von Spezlallegierungen macht die Apparate teuer und beeinträchtigt ihre Konkurrenzfähigkeit mit alternativen Verfahren wie etwa Umkehrosmose.
Ein anderes Problem bei herkömmlichen Destillationsapparaten war die Verunreinigung der Wärmeübertragungs-Oberflächen. Die Eigenschaften verschiedener Arten von Meerwasser variieren in dieser Hinsicht in weitem Umfang, und die Auslegung der Apparate erforderte Fachwissen in Wasserchemie. Verunreinigungen haften leicht an starren Metalloberflächen an. Infolgedessen war es notwendig, die bestehenden Apparate während der Betriebsperiode periodisch zu waschen und zu spülen.
EP-A-0 034 920 lehrt einen Destillationsapparat mit Membranen aus einem Kunststoffmaterial. Die Membranen sind jedoch durch Verbindungsstifte, Trennstücke und Stützstrukturen festgelegt und sind deshalb weder flexibel noch dehnbar. DE-A-2 511 144 beschreibt einen Apparat mit großen horizontalen Kondensatorkanälen, die mit engeren vertikalen Kanälen in Verbindung stehen. Zwischen den Kondensatorteilen werden trapezförmige Verdunstungskanäle gebildet. Die in DE-A-2 511 144 beschriebene spezielle Konstruktion beschränkt die Leichtigkeit, mit der Membranelemente ausgewechselt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die obigen Nachteile zu beseitigen und einen Apparat mit verbesserter Anwendbarkeit zu schaffen, der leichter zu warten ist.
Demgemäß schafft die vorliegende Erfindung einen Apparat mit:
einem Gehäuse,
einem in dem Gehäuse angeordneten Verdampfer/Kondensator mit mehreren Membraneinheiten, die jeweils ein im wesentlichen geschlossenes Membranpaar aufweisen, und mit einem Träger zum Aufhängen der Membraneinheiten in dem Gehäuse,
Mitteln zum Verklammern der Membraneinheiten miteinander und mit dem Träger, wodurch Zwischenräume zwischen benachbarten Einheiten einen Verdampfungsteil des Apparates und Zwischenräume innerhalb der Einheiten einen Kondensatorteil des Apparates bilden,
Mitteln zum Zuführen von zu destillierender Flüssigkeit in den Verdampfungsteil,
Mitteln zum Erzeugen eines Vakuums in dem Verdampfer-Gehäuse und einem Gebläse zum Fördern von in dem Verdampfungsteil erzeugtem Dampf in den Kondensatorteil.
dadurch gekennzeichnet, daß: jede Membraneinheit eine dehnbare Struktur besitzt, wobei die Membranen jedes Paares durch mehrere Schweißpunkte miteinander verbunden sind. die Membraneinheiten so beabstandet sind, daß bei Dehnung die Membranen der benachbarten Membraneinheiten miteinander an einer Anzahl von Punkten in Berührung treten, so daß Verdampfungskanäle dazwischen gebildet werden, und die Klammer- Mittel lösbar sind, um das Austauschen einzelner Membraneinheiten zu ermöglichen.
Die Membranen sind vorzugsweise aus einem Kunststoffilm oder dergleichen Material hergestellt.
In den Kanälen des Verdampfers stehen die Membranen an ihren am weitesten gedehnten Punkten miteinander in Berührung. Dies versteift nicht nur die Struktur, was die Verwendung von dünnen Membranen ermöglicht, sondern führt auch zu dehnbaren und sich zusammenziehenden Kanälen, die äußerst vorteilhaft für die Wärmeübertragung sind.
Ein Vorteil des Verdampfers/Kondensators gemäß der Erfindung gegenüber einigen Kondensatoren nach dem Stand der Technik ist ihr kostengünstiger Aufbau. Da die Wärmeübertragungs-Oberflächen vorzugsweise aus dünnen Kunststoffmembranen hergestellt sind, beträgt der Preis pro Flächeneinheit nur einen Bruchteil desjenigen einer Oberfläche aus Titan. Bekanntlich sind Kunststoffmaterialien äußerst korrosionsfest, so daß Kunststoff-Wärmeübertragungsflächen nicht unter Korrosion leiden.
Ein Nachteil von Kunststoff ist seine schlechte Wärmeleitfähigkeit, was häufig die Verwendung von großen Oberflächen erfordert. In Destillationsapparaten des Dampfverdichter-Typs beträgt die Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator nur etwa 150 bis 300 mm Wassersäule. Aus diesem Grund können sehr dünne Membranen in dem erfindungsgemäßen Apparat verwendet werden. Geeignete Kunststoffilme sind am Markt problemlos erhältlich, alternativ können auch Metallfolien erwogen werden. Jedes Membranpaar kann separat von dem Verdampier/Kondensator gelöst werden, und der Austausch kann unter Betriebsbedingungen vorgenommen werden.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Apparat wegen der Flexibilität der Wärmeübertragungsflächen nicht anfällig für Verunreinigungen. Verunreinigungen, die an den Oberflächen anhaften, können durch Druckänderung abgeschüttelt werden.
Wenn, wie in herkömmlichen Destillationsapparaten, das gesamte Gebläse oder der Kompressor mit Zubehör außerhalb des Gehäuses des Verdampfers/Kondensators angeordnet ist, muß die gesamte Kompressoreinheit gegen die Umgebungsluft geschützt und konstruiert werden. Dies macht die Kompressoreinheit sehr teuer und komplex. insbesondere die Wellendichtung ist ein kompliziertes und, in kleinen Apparaten, energieverbrauchendes Teil. Auch die Konstruktion der Einlaß- und Auslaßleitungen des Kompressors mit ihren Anschlüssen ist teuer und mühsam zu installieren.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, diese Probleme zu beseitigen. Dies Aufgabe wird gelöst durch eine bevorzugte Ausführungsform des Apparates, bei der das Gebläse einschließlich seines Antriebsmotors im Inneren des Gehäuses des Verdampiers/Kondensators installiert ist.
Auf diese Weise wird der Aufbau des Gebläses und des gesamten Destillationsapparates wesentlich vereinfacht, da keine Wellendurchführungen oder äußeren Leitungskupplungen notwendig sind.
Das Flügelrad des Kompressors ist bevorzugt unmittelbar auf der Welle und den Lagern des Antriebsmotors montiert, wodurch keine separate Wellen- Lageeinheit für den Kompressor benötigt wird. In diesem Fall ist es außerdem bevorzugt, daß eine Dichtungseinheit zwischen den Lagern des Antriebsmotors und des Flügelrades des Kompressors eingefügt ist, welche Dichtungselnheit den Austritt von Dampf zu den Lagern des Motors verhindert.
Wenn man zusätzlich sicherstellen will, daß Leckage innerhalb des Kompressors nicht in das Destillat entweicht, sollte in dem Gehäuse vorzugsweise ein gesonderter Raum für den Kompressor und seine Zubehörtelle abgetrennt werden, von dem eine Druckverbindung zu dem Kondensatorteil des Verdampfers/Kondensators und eine Fluidverblndung zu dem Verdampfungsteil des Verdampfers/Kondensators besteht.
Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die als Beispiel schematisch zwei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Destillationsapparates zeigt.
Figür 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 ist eine Frontansicht des Verdampfers/Kondensators.
Figur 3 zeigt ein Membranpaar.
Figur 4 zeigt Träger und Klemmteile für Dampf-Zufuhröffnungen.
Figur 5 ist eine schematische Ansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
ln Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Gehäuse des Destillationsapparates. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet ein Gebläse. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Dampfleitung, und die Ziffern 4 und 5 Saug- und Zufuhrkammern für Dampf. Eine Zufuhrleitung für zu destillierendes Wasser ist mit 6 bezeichnet. 7 und 8 bezeichnen Vorwärmetauscher. Ablaßleitungen für Abwasser und Destillat sind mit 9 bzw. 10 bezeichnet. Auffangbecken für das Destillat und Abwasser sind mit 11 und 12 bezeichnet. Ein Paar von Membranen oder Filmen in einem Verdampfer/Kondensator 25 ist mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnet, und Schweißpunkte, die die Membranen verbinden, sind mit 23 angegeben. Ein Träger für das Membranpaar ist mit 14 bezeichnet.
Klammern am unteren Rand der Dampf-Zufuhröffnung sind mit 15 bezeichnet und vertikale Klammern mit 16. Träger des Membranpaares sind mit I7 und 18 bezeichnet. Ein Verteilerbecken für das zu destillierende Wasser ist mit 19 bezeichnet und Verteilerrohre mit 20. Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Tropfenabscheider. Das Destillat wird aus dem Bereich zwischen dem Paar der Filme durch ein Rohr 22 abgeführt.
Der Destillationsapparat nach Figur 1 arbeitet wie folgt. Zu destillierendes Wasser wird durch die Zufuhrleitung 6 über die Vorerhitzer 7 und 8 in das Vertellerbecken 19 geleitet, von wo es durch die Rohre 20 in Kanäle fließt, die zwischen den Membranpaaren gebildet sind und in denen es verdampft wird. Unverdampftes Wasser fließt in das Becken 11. Das Gebläse 2 bläst den erzeugten Dampf aus der Saugkammer 4 über die Zufuhrkammer 5 in die Kanäle im Inneren jedes geschlossenen Membranpaares. wo der Dampf kondensiert und durch die Rohre 22 in das Becken 12 fließt. Wärme aus dem Destillat und dem Abwasser wird durch die Wärmetauscher 7 und 8 zu dem zugeführten Wasser zurückgeführt, was den Wirkungsgrad des Apparates beträchtlich verbessert.
Die Membranpaare des Verdampfers/Kondensators sind vorzugsweise aus einem geschlossenen schlauchförmigen Kunststoffilm hergestellt, dessen obere und untere Ränder zugeschweißt sind und dessen oberer Rand mit einem Träger 14 versehen ist, dessen oberer Bereich mit Nuten 24 für die Rohre 20 versehen ist. Damit die zwischen den Membranen jedes Paares 13 gebildeten Kanäle eine gewünschte Größe haben, sind die Membranen durch Schweißpunkte 23 miteinander verschweißt. Der untere Rand des Membranpaares ist geneigt angeordnet. so daß das Destillat In das Rohr 22 fließt. Die Träger 14 sind an ihren Seiten mit Öffnungen für die Zufuhr von Dampf versehen. Die Membranpaare 13 werden zusammengekoppelt. nachdem der an der Dampf-Zufuhröffnung angebrachte Film aufgeschnitten worden ist. Das Zusammenkoppeln erfolgt mit Hilfe der vertikalen Klammern 16, die auch als Dichtungen dienen, die den Eintritt des Dampfes in den Verdampfer verhindern.
Die Membranpaare sind mit Hilfe der Klammern 15 an dem Gehäuse 1 befestigt. Der Träger 14 liegt auf den Trägern 17 und 18, und der untere Bereich des Membranpaares hängt lose nach unten. Die Zwischenräume zwischen den Verdampfer- und Kondensator-Kanälen können nach Wunsch eingestellt werden, indem die Anzahl der Schweißpunkte 23 und die Dicke der Träger 14 variiert wird. ln den Kanälen des Verdampfers stehen die Membranen an ihren am weitesten gedehnten Punkten miteinander in Berührung, wodurch die Struktur versteift wird. Ein dehnbarer und sich zusammenziehender Kanal ist besonders vorteilhaft für die Wärmeübertragung.
Wenn einige der Membranen im Gebrauch verschlissen werden, kann das Membranpaar ausgetauscht werden, indem die Klammern 15 und 16 gelöst und der gesamte Membranstapel gelockert wird, wonach das Membranpaar ohne irgendwelche Spezialwerkzeuge ausgetauscht werden kann.
Die In Figur 5 gezeigte Ausführungsform umfaßt ein mit dem Bezugszeichen 31 bezelchnetes Gehäuse, in das eingesetzt sind: ein Verdampfer/Kondensator 32 mit dem gleichen allgemeinen Aufbau wie zuvor in Verbindung mit Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde, Vorwärmetauscher 33, 33a und 33b, die das Erhitzen und Fördern der zu destillierenden Flüssigkeit, bezeichnet durch einen Pfeil 50, zu dem Verdampfer-Kondensator 32 einleiten, eine mit den Vorwärmetauschern verbundene Zufuhreinrichtung 34 zum Zuführen der zu destillierenden Flüssigkeit in den Verdunstungsteil des Verdampfers/Kondensators 32, eine Vakuumpumpe 37 zum Erzeugen eines Vakuums in dem Verdampfer/Kondensator 32 und zum gleichzeitigen Erzeugen eines Unterdruckes in dem Gehäuse 31, ein mit dem Verdampfer/Kondensator 32 verbundener Kompressor 35, der vollständig innerhalb des Gehäuses 1 installiert ist, ein Antriebsmotor 36 für den Kompressor, eine Kompressoreinheit mit einer Leitungsinstallation und anderen gegebenenfalls erforderlichen Zubehörteilen zum Erhöhen des Druckes und entsprechend der Temperatur des in dem Verdampfungsteil erzeugten Dampfes und damit zum Fördern des unter Druck stehenden und erhitzten Dampfes in den Kondensatorteil des Verdampfers/Kondensators 32, eine Destillat-Pumpe 38 zum Abziehen des in dem Kondensator erzeugten Destillats und eine Abwasserpumpe 39 zum Abziehen der unverdampften Flüssigkeit, d.h. des Abwassers. Die Vorrichtung umfaßt weiterhin einen Luft-Exhaustor, der jedoch in der Zeichnung nicht gesondert dargestellt ist, und einen mit dem Bezugszeichen 41 bezeichneten Tropfenseparator zwischen dem Verdampfer/Kondensator 32 und dem Kompressor 35. Das Flügelrad 35a des Kompressors 35 ist direkt auf der Welle und den Lagern des Antriebsmotors 36 montiert, und eine Dichtungseinheit 40 Ist zwischen den Lagern und dem Flügelrad 35a eingefügt. Ein gesonderter Raum 42 für den Kompressor 35 und den Antriebsmotor sowie andere geeignete Zubehörteile kann auch separat in dem Gehäuse 31 montiert sein.
Das Bezugszeichen 43 bezeichnet eine Austrittsleitung für das Destillat aus dem Verdampfer/Kondensator 32, 44 bezeichnet eine Ablaufleitung für das Destillat. 45 und 46 bezeichnen entsprechende Auslaß- und Ablaufleitungen für Abwasser, 47 bezeichnet eine Pumpe zum Zurückführen eines Teils des Abwassers, bis zu 90 %. 48 und 49 bezeichnen einen Kühlkreislauf für den Motor 36. Die Kühlflüssigkeit (Destillat) wird durch die Pumpe 38 gefördert, während der Wärmetauscher 33 einen Strömungswiderstand bildet, um eine ausreichende Strömung von Flüssigkeit durch die Leitung 49 zu dem Motor 36 zu gewährleisten. Dampf wird auch in dem Wärmetauscher 33b kondensiert, und das erhaltene Destillat fließt durch die Leitung 51 und vereinigt sich mit dem Destillat in der Leitung 43.
Die Pumpen 38, 39 und 47 können innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet sein.
Das Funktionsprinzip des Destillationsapparates nach Figur 5 ist das folgende:
Die zu destillierende Flüssigkeit, z.B. Meerwasser, wird in den Vorwärmetauschern 33, 33a und 33b und dem Luft-Exhaustor auf Siedetemperatur (z.B. 50 ºC) erhitzt. Die Flüssigkeit strömt durch die Zufuhreinrichtung 34 in den Verdampfungsteil des Verdampfers/Kondensators 32 und beginnt zu sieden, da ein Vakuum mit Hilfe der Vakuumpumpe 37 in dem System erzeugt worden ist. Der erzeugte Dampf wird in den Kompressor 35 eingesogen. wo der Druck des erzeugten Dampfes um z.B. 20 % erhöht wird, wobei gleichzeitig die Sledetemperatur des Wassers entsprechend erhöht wird, da der Dampf gesättigt ist.
Hinter dem Kompressor 35 wird der heißere Dampf in den Kondensatorteil des Verdampfers/Kondensators 32 geleitet, in welchem der Dampf zu Destillat kondensiert wird. Gleichzeitig wird die freigesetzte Kondensationswärme-Energie auf die auf der Verdampferseite zirkulierende Flüssigkeit übertragen, so daß neue Flüssigkeit verdampft wird. So wird der Prozeß aufrechterhalten, und die einzige externe Energie, die benötigt wird, ist die von dem Antriebsmotor 36 des Kompressors 35 benötigte Energie (elektrische Energie). Das erzeugte Destillat und die unverdampfte Flüssigkeit werden mit den Pumpen 38 und 39 durch die Ablaufleitungen 44 und 46 aus dem Apparat abgepumpt.

Claims

1. Destillationsapparat mit:

einem Gehäuse (1),

einem in dem Gehäuse (1) angeordneten Verdampfer/Kondensator (25) mit mehreren Membraneinheiten (13), die jeweils ein im wesentlichen geschlossenes Membranpaar aufweisen, und mit einem Träger (14) zum Aufhängen der Membraneinheiten (13) in dem Gehäuse (1),

Mitteln (15, 16) zum Verklammern der Membraneinheiten miteinander und mit dem Träger (14), wodurch Zwischenräume zwischen benachbarten Einheiten (13) einen Verdampfungsteil des Apparates und Zwischenräume innerhalb der Einheiten (13) einen Kondensatorteil des Apparates bilden,

Mitteln zum Zuführen von zu destillierender Flüssigkeit in den Verdampfungsteil,

Mitteln zum Erzeugen eines Vakuums in dem Verdampfer-Gehäuse (1) und

einem Gebläse (2) zum Fördern von in dem Verdampferteil erzeugtem Dampf in den Kondensatorteil,

dadurch gekennzeichnet daß: jede Membraneinheit (13) eine dehnbare Struktur besitzt, wobei die Membranen jedes Paares durch mehrere Schweißpunkte (23) miteinander verbunden sind, die Membraneinheiten (13) so beabstandet sind, daß bei Dehnung die Membranen der benachbarten Membraneinheiten (13) miteinander an einer Anzahl von Punkten in Berührung treten, so daß Verdampfungskanäle dazwischen gebildet werden, und die Klammer-Mittel (15, 16) lösbar sind, um das Austauschen einzelner Membraneinheiten (13) zu ermöglichen.

2. Apparat nach Anspruch 1, bei dem die Membranpaare der Membraneinheiten (13) aus einem Kunststoffilm oder dergleichen Material bestehen.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Träger (14) für die Membranpaare (13) den Boden eines Zuführbeckens (19) für die zu destillierende Flüssigkeit bilden und bei dem die Träger (14) Nuten (24) für Flüssigkeits- Verteilerrohre (20) auiweisen.

4. Apparat nach Anspruch 3, bei dem die Träger (14) innerhalb jeweiliger Membranpaare (13) angeordnet sind, wobei die Seiten der Träger (14) mit Öffnungen für die Zufuhr von Dampf versehen sind und wobei die Membranpaare (13) an den Rändern der Dampf-Öffnungen mit Hilfe von Klammern (16) aneinander befestigt sind.

5. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Membranpaare (13) lose an im oberen Teil des Verdampfers/Kondensators (25) angeordneten Trägern (17) und (18) hängen und bei dem der untere Teil der Membranpaare (13) geneigt und mit einem Auslaufrohr (22) versehen ist.

6. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Gebläse (35) einschließlich seines Antriebsmotors (36) im inneren des Gehäuses (31) installiert ist.

7. Apparat nach Anspruch 6, bei dem zwischen den Lagern des Antriebsmotors (36) und des Flügelrades (35a) des Gebläses (36) eine Dichtungseinheit (40) eingefügt ist, die den Austritt von Dampf zu den Lagern des Motors (36) verhindert.

8. Apparat nach Anspruch 6 oder 7, bei dem in dem Gehäuse (31) ein Raum (42) für das Gebläse (35) und dessen Antriebsmotor (36) abgeteilt ist, von welchem Raum (42) eine Druckverbindung zu der Kondensatoreinheit des Verdampfers/Kondensators (2) und eine Fluidverbindung zu der Verdampfereinheit des Verdampfers/Kondensators besteht.