DE69208354T2

DE69208354T2 - Verfahren und vorrichtung für destillation bei überkritischen bedingungen

Info

Publication number: DE69208354T2
Application number: DE69208354T
Authority: DE
Inventors: Henrik Olrik
Original assignee: Grundfos International AS
Current assignee: Zc Industries Pte Ltd Singapur/singapore Sg
Priority date: 1991-02-22
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2012-02-22
Also published as: US5591310A; ATE134143T1; EP0576467A1; DE69208354D1; DK31091D0; EP0576467B1; ES2087529T3; AU1349892A; WO1992014531A1

Description

1. Hintergrund der Erfindung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode und eine Vorrichtung zum Destillieren einer Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punktes der Flüssigkeit, insbesondere für die Anwendung bei der Entsalzung von Salzwasser oder bei der Reinigung organisch belasteten Abwassers aus der Industrie und der Landwirtschaft.
Eine Flüssigkeit wie salziges Trinkwasser kann durch Destillation von Feststoffen gereinigt werden, indem die nicht-flüchtigen Substanzen der Flüssigkeit als Rückstand in dem Destillationsbehälter zurückgehalten werden, während man den Dampf, der von der Flüssigkeit verdampft, in einen Kondensationsbereich eintreten läßt, in dem er als Destillat kondensiert wird, das möglicherweise flüchtige Substanzen und die Komponenten der Luft in Lösung enthält.
Die Verdampfung einer Flüssigkeit umfaßt einen Phasenübergang von der Flüssig- zur Dampfphase, ebenso wie die Kondensation des Dampfes einen Phasenübergang von der Dampf- zur Flüssigphase umfaßt, wobei beide Phasenübergänge durch Kräfte vorangetrieben werden, die durch Unterschiede im Druck, in der Temperatur oder in der Konzentration an der Phasengrenze zwischen Flüssigkeit und Dampf verursacht werden. Bei Drücken und Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes der Flüssigkeit kann die Flüssigkeit durch Zuführen der notwendigen Verdampfungswärme bei konstanter Temperatur von der flüssigen in die Dampfphase übergeführt werden. Bei Drücken und Temperaturen oberhalb des kritischen Punktes kann dieser Phasenübergang jedoch ohne Zuführung von Wärme stattfinden, da die Verdampfungswärme bei diesen überkritischen Druck- und Temperaturbedingungen gleich Null ist. Als Beispiel sei angemerkt, daß die Verdampfungswärme von 1 kg Wasser bei 1 atm und 100ºC 2257 kJ beträgt, während diese beim kritischen Punkt bei 221,20 bar und 374,15ºC 0 kJ beträgt.

"Destillation unterhalb des kritischen Punkts"

Um bei der Destillation einer Flüssigkeit unterhalb des kritischen Punktes optimale Energieausnutzung zu erreichen, ist es bekannt, die Flüssigkeit unter Ausnutzung der im Dampf zur Verfügung stehenden Energie, einschließlich der Verdampfungswärme, zu erwärmen.
Es ist z. B. aus "Principies of Distillation", Part A and B, Editors K.S. Spiegler and A.D.K. Laird, Academic Press Inc., 1980, New York bekannt, die Destillation durch thermische Einzel- oder Mehrschrittverdampfungsprozesse durchzuführen bei denen die Energie, die in den abgeführten Destillat- und Rückstandsströmen zur Verfügung steht, dazu beiträgt, den Zufuhrstrom zu erwärmen. Bei solchen Prozessen wird die treibende Kraft für die Wärmeübertragung durch einen Temperaturunterschied zwischen den Abfuhrströmen und dem Zufuhrstrom hergestellt, der im wesentlichen durch eine Absenkung des Dampfdrucks der Flüssigkeit erreicht wird.
Es ist darüber hinaus bekannt (a.a.O.) die Destillation einer Flüssigkeit durch Verdampfungsprozesse durchzuführen, bei denen eine Temperaturdifferenz zwischen den Abfuhrströmen und dem Zufuhrstrom dadurch erreicht wird, daß der Dampf in einem komprimierten Zustand kondensiert und gekühlt wird, wobei ein höherer Dampfdruck der Flüssigkeit erzeugt wird.
Ein allgemeiner Nachteil dieser Verdampfungsprozesse ist, daß sie alle die Zufuhr von Verdampfungswärme erfordern und daß die Wiederverwendung der zusätzlich zugeführten Energie schwierige und umständliche Mehrschrittprozesse oder Dampfkompressionsprozesse (umgekehrte Carnot-Kreisprozesse) erfordert, wobei letztere Kompressoren erfordern, die, bei häufig geringem Wirkungsgrad, in der Lage sind, große Dampfvolumina bei relativ geringen Drücken zu komprimieren.
Ein weiterer Nachteil ist, daß es unsicher ist, ob das Destillat steril ist.
Folglich besteht Bedarf an einer Flüssigkeitsdestillationstechnik, bei der ein geringerer Energieverbrauch als bei den vorbekannten Methoden erreicht wird, wobei sie sicherstellt, daß das Destillat steril ist.

"Destillation oberhalb des kritischen Punktes"

Es ist bekannt, feste, nicht-flüchtige Substanzen aus einer Lösung in einer Flüssigkeit herauszutrennen, indem die Flüssigkeit bei Drücken und Temperaturen, die den kritischen Druck und die kritische Temperatur der Flüssigkeit übersteigen, verdampft wird, wobei
- ein geringerer Engergieverbrauch als bei vorbekannten Techniken erreicht wird, wobei sichergestellt wird, daß das Destillat steril ist,
- die Notwendigkeit entfällt, die Verdampfungswärme wiederzugewinnen, und
- die Notwendigkeit entfällt, den Dampf zu komprimieren oder mehrstufige Wärmeaustauschprozesse anzuwenden, um die im Dampf vorhandene Energie erneut zu nutzen.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punktes der Flüssigkeit destilliert, indem
a) die Flüssigkeit einem Wärmeaustauscher zugeführt wird, in dem sie erhitzt wird, und dann
b) die erhitzte Flüssigkeit in einen Separator geführt wird, der derart mit Druck beaufschlagt wird, daß die Flüssigkeit in einen Zustand in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punktes gebracht wird, wobei sie einen Phasenübergang durchläuft, bei dem sich eine Dampfphase und ein flüssiger Rückstand bilden, die durch eine Flüssigkeitsoberfläche getrennt sind, und dann
c) der Dampf unter Phasenübergang zur Flüssigkeit und der Rückstand als Destillat bzw. Rückstand derart abgezogen werden, daß sie die in ihnen enthaltene Wärme an die Flüssigkeit im Wärmeaustauscher abgeben, wobei die Flüssigkeit erwärmt wird.
Die Anwendung dieser Technik ist insbesondere in Verbindung mit der Kristallisation von Salz aus einem Solerückstand Rückstand bekannt. Ein Nachteil dieses Standes der Technik ist, daß die Destillation unstabil ist, so daß ein Überfließen des Solerückstandes in das Destillat auftreten kann.

Patentliteratur des Standes der Technik

Die US-Patentschrift Nr.1 204 716 beschreibt eine Verdampfungs- und Destillationsmethode für Flüssigkeiten bei Drücken und Temperaturen, die dem kritischen Punkt der Flüssigkeit entsprechen oder nahe an diesem liegen.
Die US-Patentschrift Nr.2 520 186 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtrennen fester, nicht-flüchtiger Substanzen aus der Lösung in einer zu reinigenden Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit einem Druck unterworfen wird, der den kritischen Druck des reinen Lösungsmittels übersteigt; die Temperatur der Flüssigkeit wird unter Aufrechterhaltung des hohen Drucks bis zu einem Punkt oberhalb der kritischen Temperatur des reinen Lösungsmittels erhöht, wobei sich eine Dampfphase und eine konzentrierte Salzlösung bildet; es erfolgt eine Trennung der Dampfphase von der konzentrierten Salzlösung; die abgetrennte Dampfphase und, falls erwünscht, die konzentrierte Salzlösung werden gekühlt, wobei sie unter Aufrechterhalten des Drucks Wärme an die zu reinigende Lösung abgeben. Die Vorrichtung umfaßt zusätzliche Heizmittel in Form einer elektrischen Widerstandswicklung um den oberen Bereich des Druckbehälters, der die zu reinigende Flüssigkeit aufnimmt, um den unvermeidbaren Wärmeverlust an die Umgebung zu kompensieren. Darüber hinaus kann die Vorrichtung Filter umfassen, die jegliche Abscheidung in der Dampfphase herausfiltern, wenn der Dampf abgeführt wird und in der Folge seine Wärme in einem Wärmeaustauscher abgibt.
Dieses Verfahren und diese Vorrichtung bewirken eine ineffektive Abtrennung der festen, nicht-flüchtigen Substanzen, aus der eine untragbar hohe Konzentration fester, nicht-flüchtiger Substanzen im Destillat resultiert, unter anderem da diese Substanzen dazu neigen, von der konzentrierten Salzlösung in die Dampfphase mitgeschleppt zu werden.
Die US-Patentschrift Nr.3 361 647 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zur Kristallisation von Salz aus einer Salzlösung, bei der in der Salzlösung ein Druck und eine Temperatur aufgebaut wird, die oberhalb des kritischen Druckes und der kritischen Temperatur reinen Wassers liegen und die ausreichend sind, eine Phasentrennung zwischen einer salzarmen Dampfphase und einer salzreichen flüssigen Phase zu bewirken, wobei von letzterer ein Anteil zur Abtrennung von Salz in eine Kristallisationskammer geleitet wird.
Die US-Patentschrift Nr.3 477 918 beschreibt einen Dampfkompressions-Destillations- Prozeß zur Gewinnung gereinigten Wassers aus einer Lösung aus Wasser und darin gelösten Substanzen durch Dampfkompression bei 80 - 200 atm (1 atm 760 Torr = 1,01325 bar).
Ein Nachteil des Standes der Technik gemäß den oben erwähnten Patentschriften ist daß die Verfahren nicht ausreichend stabil und zu ineffektiv für die Anwendung in industriellen Verfahren sind.

2. Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Destillation einer Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punktes der Flüssigkeit zur Verfügung zu steilen, die im Betrieb effizienter und zuverlässiger sind als die vorbekannten Techniken.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zur Destillation zur Verfügung zu steilen, insbesondere für die Entsalzung von Salzwasser und für eine Wärme-Druckbehandlung des Wassers, insbesondere organisch belasteten Abwassers aus der Industrie und der Landwirtschaft, die in einem kompakten System mit kleinen Abmessungen realisiert werden können.

Erfindungsgemäße Lösungen

"verfahren zur überkritischen Destilation"

Die Erfindung löst diese Aufgaben, indem sie ein Verfahren zur Destillation einer Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb ihres kritischen Punktes zur Verfügung stellt, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

"Vorrichtung für die überkritische Destillatin"

Die Erfindung löst diese Aufgaben darüber hinaus dadurch, daß sie eine Vorrichtung zur Destillation einer Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb ihres kritischen Punktes zur Verfügung stellt, die die Merkmale des Anspruchs 10 aufweist.

Erfindungsgemäße Lösungen

Indem in einem überwiegenden Teil der Trennzone ein Temperaturprofil erzeugt wird, das von einem Flüssigkeitseinlaß zu einem Dampfauslaß hin ansteigt, wird erreicht,
i) daß die Flüssigkeit in der Trennzone derart erwärmt wird, daß Temperaturen oberhalb der kritischen Temperatur entlang des ansteigenden Temperaturprofils existieren, die von einem Bereich in der Flüssigkeit ausgehen, in dem sich die Flüssigkeit in einem überkritischen Zustand befindet und daher ohne Volumenzunahme einen Phasenübergang zur Dampfphase unterworfen ist, die keinen oder nur wenig Feststoff tragen kann und
ii) daß sich zwischen der überkritischen Dampfphase und der Flüssigkeit eine Flüssigkeitsoberfläche bildet, die unterkritisch ist und die feststoffarme Dampfphase von der feststoffreichen flüssigen Phase, dem Rückstand, trennt, wobei die Lage der Flüssigkeitsoberfläche außer vom Druck und der Temperatur von der Konzentration der gelösten Feststoffe abhängt,
iii) daß sich die Flüssigkeitsoberfläche nicht bewegt,
Darüber hinaus wird durch Abziehen des Rückstands unmittelbar unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche in der Trennzone erreicht, wodurch sichergestellt wird, daß die Destillation auf stabile Weise durchgeführt werden kann, ohne daß der Rückstand in das Destillat mit hineingezogen wird.
Dieser Effekt kann durch die folgende nicht einschränkende Erklärung als Erhöhung des kritischen Punktes des Rückstandes erläutert werden, der analog zu der Siedepunkterhöhung von beispielsweise Salzlösungen ist.
Stellt man sich vor, daß der Auslaß des Rückstands zu weit unterhalb der Flüssigkeits oberfläche in der Flüssigkeit liegt, so hat dies zur Folge, daß nicht die Menge Feststoff mit dem Rückstand abgezogen wird, die ausreichend wäre, um die Feststoffkonzentration unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche auf ihrer Gleichgewichtkonzentration bei dem betreffenden Druck und der betreffenden Temperatur zu halten. Die Feststoffkonzentration wäre zu hoch, als daß die zur Verfügung stehende Flüssigkeit noch in der Lage wäre, die zusätzliche Menge Feststoff zu tragen. Um die Feststoffkonzentration bis zur Gleichgewichtskonzentration hin zu reduzieren, würde die Flüssigkeit weniger Dampf in die Dampfphase übergehen lassen woraus sich eine ansteigende Flüssigkeitsoberfläche ergeben würde.
Es hat sich daher in Versuchen gezeigt daß bei zu weit unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche in der Flüssigkeit positioniertem Rückstandsauslaß die Flüssigkeitsoberfläche so weit ansteigen kann, daß der Rückstand durch die Destilatleitungen abfließt.
Umgekehrt steigt bei zu hoch über der Flüssigkeitsoberfläche in der Dampfphase angebrachtem Rückstandsauslaß die Flüssigkeitsoberfläche so lange, bis sie sich gerade oberhalb der Leitung befindet.
Folglich wird gemäß der Erfindung sichergestellt, daß die Trennung zwischen Destillat und Rückstand stabil ist, ohne daß Rückstand in das Destillat überfließt, wodurch ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt ist. Darüber hinaus wird bei erfindungsgemäßem Abziehen des Rückstandes der Rückstand mit der größtmöglichen Feststoffkonzentration abgezogen, wodurch ein effektiveres Destillationsverfahren erreicht wird.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens

Um zusätzliche Vorteile zu erreichen, wird das erfindungsgemäße Destillationsverfahren vorzugsweise gemäß den folgenden bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt, die in den Ansprüchen 2 bis 9 bzw. 11 bis 20 beansprucht sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Destillationsverfahrens wird die Temperatur des Dampfes in der Dampfphase erhöht, indem in einem Bereich der Trennzone, der in relativ großem Abstand von dem Bereich der Trennzone liegt, in dem der Rückstand abgezogen wird, Wärme zugefiihrt wird, wobei sichergestellt wird, daß die Flüssigkeitsoberfläche oberhalb des Rückstandsauslasses und nicht vollständig oder teilweise in der Dampfphase liegt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Temperatur des Dampfes in der Dampfphase dadurch erhöht, daß entweder
- der Dampf durch Zuführen von Wärme innerhalb der Trennzone erwärmt wird,
- der Dampf durch Zuführen von Wärme außerhalb und in die Trennzone hinein erwärmt wird oder
- der Dampf aus der Trennzone abgezogen wird und der abgezogene Dampf erwärmt wird,
wodurch sichergestellt wird, daß die Wärme, die bei der Destillation verbraucht wird, nur an einer Stelle zugeführt werden muß, und zwar an der Stelle, an der der Dampf in der Dampfphase erwärmt wird, und daß die Wärme durch den Dampf dergestalt zugeführt wird, daß Flüssigkeitstropfen nicht in die Dampfphase überführt werden. Es wird darüber hinaus sichergestellt, daß mögliche Flüssigkeitstropfen mit einem großen Feststoffgehalt getrocknet werden, so daß sie aufgrund der Schwerkraft oder einer Zentrifugalkraft gezwungen werden, zurück auf die Flüssigkeitsoberfläche zu fallen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der letzte Teil der Trennzone als Zyklonzone ausgeführt, in der die Flüssigkeitsoberfläche eine parabolische Form annimmt, wodurch es möglich wird, eine große Zentrifugalkraft zu erzeugen, die ein kompaktes System mit kleinen Abmessungen erlaubt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der letzte Teil der Trennzone als Scheidetrichterzone ausgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere bei der Ausführung, bei der der letzte Teil der Trennzone als Zyklonzone oder Scheidetrichterzone ausgeführt ist, wird die Temperatur des Dampfes in der Dampfphase dadurch erhöht, daß der Dampf durch Zuführung von Wärme innerhalb eines spiralartig geformten Verlaufs des Hauptteils der Trennzone erwärmt wird, womit erreicht wird, daß sowohl der Dampf als auch mögliche Tropfen und die Flüssigkeit einer Zentrifugalkraft ausgesetzt sind, die den Dampf und die Flüssigkeit voneinander trennt und sicherstellt, daß rückstandshaltige Tropfen, falls vorhanden, vorzugsweise zurück in die flüssige Phase gezwungen werden.
Um einen Großteil der zugeführten thermischen Energie erneut zu nutzen, insbesondere um die zugeführte Flüssigkeit zu erwärmen, werden das Destillat bzw. der Rückstand vorzugsweise derart abgeführt, daß sie die in ihnen enthaltene Wärme einzeln oder gleichzeitig an die Flüssigkeit in der Heizzone abgeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Trennzone und die Heizzone einstückig miteinander verbunden.
Die in Dampf und Rückstand enthaltene Wärme kann optional für andere Zwecke als das Erwärmen der Flüssigkeit genutzt werden, z. B., wenn angebracht, in Verbindung mit Heizvorgängen in anderen Verfahrensschritten.

Bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung Hubkolbenpumpen mit Verschiebemitteln wie Kolben oder Diaphragmen für die Flüssigkeit den Rückstand und das Destillat, die dadurch gekennzeichnet sind, daß jeder der abpumpenden Zylinder, der zu den Rückstandsverschiebemitteln und den Destillatverschiebemitteln gehört, mit einem Auslaßventil und einem Schiebeventil in Verbindung steht, die durch die Kolbenbewegung dergestalt gesteuert werden, daß das Schiebeventil das Hinausfließen von Flüssigkeit zu einem Auslaß absperrt, wenn der Kolben eine Position vor seinem oberen Totpunkt erreicht hat, und das Auslaßventil öffnet, wenn die Dnicke oberhalb davon vergleichbar sind, wobei erreicht wird, daß
- Druckstöße innerhalb des Systems vermieden werden,
- das Auslaßventil von großen Druckunterschieden entlastet ist und
- das Ventil eine höhere Lebensdauer erreicht, da hierdurch Kaviationskorrosion vorgebeugt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Kolbenbewegung zusätzlich so, daß das Schiebeventil den Flüssigkeitseinlaß vom Auslaßventil absperrt, wenn der Kolben eine Position vor seinem unteren Totpunkt erreicht hat und zum Ausströmen von Fiiissigkeit zu dem Auslaß öffnet, wenn die Drücke oberhalb davon vergleichbar sind, wodurch dem Ventil in ähnlicher Weise höhere Lebensdauer verliehen wird, da hierdurch Kavitationskorrosion vorgebeugt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform steht der Zylinder zum Hineinpumpen, der zu den Flüssigkeitsverschiebemitteln gehört mit einem Auslaßventil in Verbindung das wiederum mit einem Entlastungsventil verbunden ist, das so eingestellt ist, daß es öffnet, wenn der Druck im System einen gewünschten Druck überschreitet, wodurch sichergestellt wird,
- daß stets dieselbe Menge hineingepumpt wird wie hinausgepumpt wird, unabhängig von gelösten Gasen und Unterschieden im Ausdehnungskoeffizienten,
- daß der Druck konstant gehalten wird, so daß das System keinen beispielsweise schädlichen Drücken unterworfen ist, und
- daß die Energie bei einem größeren Hubvolumen beim Hineinpumpen nicht verlorengeht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform führt eine Wärmequelle der Trennzone entweder innerhalb dieser oder außerhalb und in diese hinein Wärme zu oder die Dampfaus- laßleitungen umfassen einen Bereich außerhalb der Trennzone, der von einer Wärmequelle erwärmt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der letzte Teil der Trennzone als Zyklon oder als Scheidetrichter ausgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere bei derjenigen, bei der der letzte Teil der Trennzone als Zyklon oder als Scheidetrichter ausgeführt ist, ist eine Wärmequelle zum Zuführen von Wärme zum Trennbereich radial innerhalb eines spiralartigen Verlaufs des Hauptteils des Trennbereichs angeordnet, wodurch erreicht wird, daß sowohl auf den sich bildenden Dampf als auch mögliche Tropfen als auch auf die Flüssigkeit eine Zentrifugalkraft einwirkt, die den Dampf und die Flüssigkeit voneinander trennt und sicherstellt, daß rückstandshaltige Tropfen, falls vorhanden, bevorzugt zurück in die flüssige Phase gedrängt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Trennbereich und der Wärmeaustauscher einstückig miteinander verbunden.

Definition von Begriffen

Der Ausdruck "destillation" bezeichnet im Sinne der Erfindung eine Kombination, bei der zuerst ein Phasenübergang von der flüssigen zur Dampfphase erfolgt und dann ein darauffolgender Phasenübergang von der Dampfphase zu der flüssigen Phase erfolgt, bei der eine Flüssigkeit, die eine Lösung von Substanzen umfaßt, in eine oder mehrere Fraktionen aufgetrennt werden kann.
Der Ausdruck "feststoff" bezeichnet im Sinne der Erfindung sowohl nicht-lösliche als auch lösliche Substanzen, wie z. B. nicht-lösliche und lösliche organische und anorganische Substanzen, die bei den gegebenen Destillationsbedingungen im Rückstand zurückgehalten werden.

3. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1A ein Flußdiagramm einer herkömmlichen Destillationsvorrichtung, bei der gemäß dem Stand der Technik Dampfkompression angewendet wird,
Fig. 1B ein T,S-Diagramm der Destillationsvorrichtung aus Fig. 1A und eines gemäß der Erfindung,
Fig. 2A ein Flußdiagramm einer Destillationsvorrichtung, die erfindungsgemäß Wasserkompression verwendet,
Fig. 2B ein t,h-Diagramm des Dampf-Wasser-Systems bei Drücken in der Nähe des kritischen Punktes,
Fig. 2C Isobare Löslichkeitsdiagramme von NaCl im Wasser-Dampf-System in der Nähe des kritischen Punktes,
Fig. 3A eine erfindungsgemäße Entsalzungsvorrichtung,
Fig. 3B eine Ausführungsform der Vorrichtung aus Fig. 3A,
Fig. 3C eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung aus Fig. 3A,
Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch die Pumpvorrichtung A,
Fig. 5 einen vergrößerten Schnitt durch die Abzugsvorrichtung C,
Fig. 6 einen vergrößerten Schnitt durch den Separator,
Fig. 7 die Entsaungsvorrichtung aus Fig. 3A und 3B, die mit einem Pulsator ausgestattet ist,
Fig. 8 die Entsaungsvorrichtung aus Fig. 3A und 3B, die mit einem Zyklon ausgestattet ist,
Fig. 9 die Entsaungsvorrichtung aus Fig. 8, bei der der Zyklon durch einen Filter ersetzt ist,
Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der Entsaungsvorrichtung, die mit einem Dampfverdichter und einem Schlammabscheider ausgestattet ist,
Fig. 11 einen vergößerten Schnitt durch den Dampfverdichter aus Fig. 10,
Fig. 12 einen vergrößerten Schnitt durch die Pumpvorrichtung A aus Fig. 10,
Fig. 13A und 13B wurden zurückgezogen,
Fig. 14A eine bevorzugte Ausführungsform der Trennzone mit einem Zyklon,
Fig. 14B einen Querschnitt durch die Ausführungsform aus Fig. 14A,
Fig. 15A eine bevorzugte Ausführungsform der Trennzone mit einem Scheidetrichter,
Fig. 15B einen Querschnitt durch die Ausführungsform aus Fig. 15A.

4. Detallierte Beschreibung

Destillation mit Dampfkompressionen (gemäß dem Stand der Technik)

Fig. IA zeigt ein Flußdiagramm einer konventionellen Destillation mit Dampfkompression gemäß dem Stand der Technik. Ein Zufuhrstrom 10 führt Flüssigkeit über einen Dreistromwärmeaustauscher 20 und einen optionalen Hilfswärmeaustauscher 21 einem Verdampfer-Kondensator 30 zu, indem die Flüssigkeit verdampft wird, was optional durch Sieden geschehen kann. Der Dampf wird in einem Verdichter 50 komprimiert, so daß die Differenz zwischen der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit im komprimierten und im nicht-komprimierten Dampf größer als die Wärmeübertragungstemperaturdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf im Verdampfer-Kondensator 30 ist.
Fig. 1B zeigt ein T,S-Diagramm, aus dem ersichtlich wird, daß dem Dampf vom Druck P&sub1; zum Druck P&sub2; Verdichtungsarbeit zugeführt werden muß, um die Temperatur von T&sub1; auf T&sub2; anzuheben.

Destillation einer Flüssigkeit mit Wasserkompressionen (erfindungsgemäß)

Fig. 2A zeigt ein Flußdiagramm einer erfindungsgemäßen Destillation mit Wasserkompression. Ein Zufuhrstrom 10 wird über eine Wasserpumpe 20A einer Heizzone 31 zugeführt, in der er erwärmt wird und von der aus die erwärmte Flüssigkeit einer Trennzone 32 zugeführt wird, die derart mit Druck und Temperatur beaufschlagt ist, daß sich die Flüssigkeit in der Trennzone in einem überkritischen Zustand befindet, und in der sie einen Phasenübergang erfährt, bei dem sich eine Wasserphase 43 und ein Flüssigkeitsrückstand 53 bilden, die durch eine Flüssigkeitsoberfläche 45 getrennt sind und die über die Druckventile 20B und 20C abgezogen werden.
Wie aus Fig. 1B und 2B ersichtlich wird, wird entlang einer Isobaren P oberhalb des kritischen Drucks Pc erreicht, daß kein Zuführen von Verdampfungswärme erforderlich ist, um einen Phasenübergang von der flüssigen zur Dampfphase zu erreichen, ebenso wie die Neigung der Isobaren im T,S-Diagramm für alle Werte T und S unter dieser Bedingung größer als 0 ist, so daß erfindungsgemäß die Flüssigkeit und der Dampf als Wärmequellen dienen, die keine latente Verdampfungswärme enthalten.
Die Kurven aus Fig. 2 stammen aus Table 3 in "Properties of Water Steam in SI-Units", Herausgeber U. Grigull und E. Schmidt Springer-Verlag, Berlin 1989.
Darüber hinaus wird, bezugnehmend auf Fig. 2C, aus dem Löslichkeitsdiagramm von NaCl in Wasser ("Natrium", Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8. Auflage Verlag Chemie Weinheim 1973) deutlich, daß bei einem Druck oberhalb des kritischen Drucks, z. B. 250 bar, überkritischer Wasserdampf bei einer Temperatur von ungefähr 420ºC mit etwa 0,05 % NaCl und überkritisches Wasser mit etwa 25 % NaCl gesättigt werden kann. Daher kann Salzwasser durch Einstellen eines Druckes und einer Temperatur oberhalb des kritischen Punktes in der Trennzone in eine Teilmenge mit geringem NaCl-Gehalt und eine Teilmenge mit hohem NaCl-Gehalt aufgetrennt werden. Durch geeignete Auslaßeinrichtungen können mehrere Teilmengen des Dampfes 33 und des Rückstandes 53 mit unterschiedlichem NaCl-Gehalt abgezogen werden.
Die Fig. 3A und 6 zeigen, wie der Rückstandsauslaß unmittelbar unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist.
Es ist jedoch möglich, mehrere Auslaßeinrichtungen vorzusehen, falls ein Rückstand mit einer geringeren Konzentration an Feststoff, z. B. Salz, erwünscht ist, vorausgesetzt, daß diese Auslaßeinrichtungen in Verbindung mit einem Abziehen des Rückstands un mittelbar unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche angewendet werden.
Entsprechend ist es möglich, Dampf mit unterschiedlichem Gehalt an Feststoff, z. B. NaCl, abzuziehen, indem der Dampfauslaß in unterschiedlichem Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet wird oder indem die Temperatur des Dampfes am Dampfauslaß reguliert wird.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen spezifische Ausführungsformen, bei denen der Dampf 43 mit einem Phasenübergang von der Dampfphase zur flüssigen Phase als Destillat 40 abgezogen wird, wobei die Temperatur des Dampfes in der Dampfphase dadurch erhäht wird,
- der Trennzone über eine Wärmequelle 60 Wärme zugeführt wird (Fig. 3A),
- der Dampf aus der Trennzone 32 abgezogen wird und außerhalb dieser durch eine Wärmequelle 60 erwärmt wird (Fig. 3B) oder
- eine Wärmequelle 60 in die Trennzone 32 eingeführt wird (Fig. 3C),
wobei das Destillat so abgezogen wird, daß die in ihm enthaltene Wärme an die Flüssigkeit in der Heizzone 31 abgegeben wird.
Entsprechend wird der Rückstand 53 so abgezogen, daß die in ihm enthaltene Wärme an die Flüssigkeit in der Heizzone 31 abgegeben wird.
Wie aus Fig. 3A ersichtlich wird, ist die Trennzone 32 Teil der Heizzone 31, so daß in der Trennzone und in der Heizzone der gleiche Druck herrscht, wobei jedoch bei einer anderen spezifischen Ausführungsform (nicht gezeigt) die Trennzone 32 von der Heizzone 31 getrennt ist und mit geeigneten Zufuhr- und Abzugseinrichtungen verbunden ist.
Die Heizzone wird, wie bspw. anhand einer spezifischen Ausführungsform gezeigt, dadurch erwärmt, daß die im Dampf 33 und im Rückstand 53 enthaltene Wärme wiedergewonnen wird, die Wärme zum Heizen der Heizzone kann jedoch auch von einer anderen Wärmequelle oder mehreren Wärmequellen stammen. Die Fig. 14A und 14B und die Fig. 15A und 15B zeigen bevorzugte Ausführungsformen eines Hauptteils der Trennzone 32A, die spiralartig geformt ist und in der die Dampfphase 43 und der Rückstand 53 in den einzelnen Windungen der Spirale aufgrund der Zentrifugalkraft durch eine Flüssigkeitsoberfläche getrennt sind.
In Fig. 14A und 14B ist der letzte Teil der Trennzone ein Zyklon 33, wohingegen der letzte Teil der Trennzone bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 15A und 15B ein Scheidetrichter ist.
Zweckmäßige Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung werden aus den Ansprüchen, den Zeichnungen und den folgenden Beispielen ersichtlich.

5. Beispiele

Eine Mehrzahl von bevorzugten Ausführungsformen und bevorzugten Anwendungen der Erfindung ist im folgenden aufgeführt.

Beispiel 1:

Entsalzung von Salzwasser

Fig. 3A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Entsalzungsvorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.

"Trennzone"

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Teil der Trennzone 32, die aus einem Behälter wie einer Hochdruckkammer 325 besteht, in der eine Dampfeitung im oberen Teil und eine Rückstandsleistung 327 im unteren Teil endet, so daß die beiden Leitungen auf ihren jeweiligen Seiten einer Flüssigkeitsoberfläche 45 enden, die sich an der Stelle bildet, an der der Phasenübergang der zugeführten Flüssigkeit erfolgt.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Trennzone 32 als Teil der Heizzone 31 ausgeführt, wobei die Umlenkplatte 311 für die zugeführte, erwärmte Flüssigkeit und der Einlaß 312 direkt an die Trennzone 32 anschließen.
Die Trennzone 32 kann auch getrennt von der Heizzone 31 verwirklicht sein.

"Erhitzen von Dampf in der Trennzone"

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Dampfheizung in der Trennzone, bei der eine Heizeinrichtung 60, wie z. B. eine Flamme, die Trennzone direkt erwärmt.
Fig. 3B zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei der der Dampf abgezogen wird und dann mittels einer Heizvorrichtung 60 erwärmt wird, woraufhin er wieder in die Trennzone 32 geführt wird.
Fig. 3C zeigt noch eine weitere Ausführungsform, bei der eine Heizvorrichtung 60, wie z. B. ein Heizglied, in die Dampfphase der Trennzone oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 45 eingeführt ist.

"Heizzone"

Die Heizzone 31 besteht aus einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung, wie z. B. einem Wärmeaustauscher, der als Gegenstromwärmeaustauscher angeordnet ist und so konstruiert ist, daß sich ein Wärmedurchgangskoeffizient von 3 kW/m²ºC ergibt.
Es wird erwartet, daß ein reiner Gegenstromwärmeaustauscher einen besseren thermischen Wirkungsgrad ergibt.

"Wasserpumpe"

Die Wasserpumpe 20 ist dafür ausgelegt, dem Wärmeaustauscher 31 und dem Separator 32 bei einem konstanten Druck von 240 - 260 bar Rohwasser zuzuführen, während das Destillat 40 und der Rückstand 50 abgezogen werden.
Die Wasserpumpe ist vorzugsweise so ausgelegt, daß die Energie, die dazu verwendet wird, das Rohwasser in den Wärmeaustauscher und den Separator zu fördern, möglichst weitgehend wiedergewonnen wird, wenn das Wasser wieder abgezogen wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Wasserpumpe 20 drei Zylinder:
a) einen Zylinder A zum Pumpen von Rohwasser 10 in den Wärmeaustauscher,
b) einen Zylinder B zum Abziehen konzentrierten Wassers 50 und
c) einen Zylinder C zum Abziehen des Destillats 40.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Wasserpumpe darüber hinaus einen Zylinder D, in dem ein Kolben geführt ist, der dazu dient, das Wasser in der Heiz- und der Trennzone in Pulsation zu versetzen (siehe Beispiel 2).
Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Rohwasser-Pumpenzylinder A, der einen Kolben 210, ein Einlaßventil 211 und ein Auslaßventil 212 umfaßt, bei denen es sich jeweils um Kugelrückschlagventile handelt.
Entfernt sich der Kolben 210 von seinem oberen Totpunkt, so öffnet das Einlaßventil 211 und das Auslaßventil 212 schließt, so daß Rohwasser in den Raum vor dem Kolben gezogen wird. Umgekehrt schließt das Einlaßventil 211 und öffnet das Auslaßventil 212, wenn der Kolben 220 sich zu seinem oberen Totpunkt hin bewegt, so daß das Rohwasser in die Leitung 11 abgegeben wird.
Das Auslaßventil 212 ist darüber hinaus so ausgelegt daß es sich nicht schließen kann wenn der Druck im System zu groß wird.
Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch den Zylinder C (Zylinder B arbeitet in derselben Weise), der ein Kugeentil 232 und ein Schiebeventil 233 umfaßt, das über den Nocken 24 gesteuert ist.
Bewegt sich der Kolben 230 zu seinem oberen Totpunkt hin, so wird das Wasser hinausgepumpt. Etwas vor seinem oberen Totpunkt wird der Wasserauslaß gesperrt, indem das Schiebeventil 233 geschlossen wird. Der Wasserdruck im Zylinder C steigt hiermit auf denselben Druck wie in der Leitung 41. Gleichzeitig übt das Schiebeventil 233 auf das Kugeventil 232 einen Druck aus, der der Federkraft entspricht, mit der die Kugeln in den Ventilen vorgespannt sind.
Entspricht der Druck im Zylinder C ungefähr demjenigen in Leitung 41, 50 ermöglicht das Schiebeventil 233 das Einfließen von Wasser, indem es die Kugel aus ihrem Sitz hebt.
Bewegt sich der Kolben 230 zu seinem unteren Totpunkt hin, so wird das Kugeventil 232 solange offengehalten, bis der Nocken 24 die Schubstange zurückzieht und das Kugelventil 232 den Wasserzufluß absperrt und das Schiebeventil 233 zum Wasserauslaß öffnet.
Diese Anordnung hat zur Folge, daß das Kugeventil 232 vor einem großen Druckabfall über dem Ventil geschützt ist, so daß sowohl Kavitation und darauffolgende Korrosion als auch große Schwankungen im Flüssigkeitsstrom innerhalb der Vorrichtung vermieden werden.
Bei einer Versuchsanordnung wurden ausschließlich Dichtungen mit Dichtlippen verwendet, um jedoch die sich daraus ergebenden Reibungsverluste zu reduzieren, wird es bevorzugt, Kolben und Zylinder zu verwenden, die aus keramischem Material oder aus Hartmetall gefertigt sind, ohne Dichtungen einzusetzen.
Die Vorrichtung wird in Betrieb genommen, indem destilliertes Wasser eingepumpt wird, bis sämtliche Luft aus dem System verdrängt und durch Wasser ersetzt ist.
Das Pumpen wird dann bei betätigtem Ventilheber 25 fortgesetzt so daß der Wasserauslaß abgesperrt ist. Ist der gewünschte Druck erreicht, so wird der Ventilheber 25 deaktiviert, woraufhin die Wasserpumpe 20 betriebsbereit ist.
Der gewünschte Druck wird dadurch erreicht, daß das Hubvolumen der Förderpumpe, Zylinder A in Fig. 4, wenige Prozent größer als das Hubvolumen der Ausiaßpumpe, Zylinder B und C in Fig. 5, ist, so daß der Druck im System einen Wert annimmt, der durch die Ventilfedervorspannung in der Zufuhrpumpe im Gleichgewicht gehalten ist.
Daraufhin wird eine regulierte Wärmemenge zugeführt bis eine erwünschte Temperatur im Separator erreicht ist, woraufhin das zu destillierende Salzwasser zugeführt wird.

"Versuche"

Es wurden Versuche durchgeführt, bei denen der Druck im System bei 250 bar lag und das Temperaturprofil in der Trennzone von 390 - 425ºC reichte.
Es wurde Salzwasser mit 3 % Natriumchlorid zugeführt und ein Destillat mit 0,014 % NaCl und ein Rückstand mit 6 % NaCl wurden erhalten, was gut mit dem Löslichkeitsdiagramm aus Fig. 2C übereinstimmt.

Beispiel 2:

Entsaungsvorrichtung mit Pulsator

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform bei der die zugeführte Flüssigkeit im Wärmeaustauscher mittels eines vierten Zylinders D in der Wasserpumpe 20, der mit dem Wärmeaustauscher über Leitungen 71 verbunden ist, in Pulsation versetzt ist.
Durch Pulsation der Flüssigkeit wird eine bessere Abtrennung des Salzes im Separator 32 erreicht.

Beispiel 3:

Entsaungsvorrichtung mit Zyklon

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform bei der der Dampf, der vom Separator in der Leitung 43 abgezogen wird, in einen Zyklon 80 übergeführt wird, von dem aus sowohl überkritischer Dampf mit größeren Partikeln als auch überkritischer Dampf ohne Partikel zur weiteren Erwärmung und darauffolgenden Kondensation im Wärmeaustauscher 31 über die Leitungen 81 bzw. 82 weitergeleitet wird. Alternativ kann die Erwärmung auch vor dem Zyklon erfolgen.
Der Bedarf an der Abtrennung von Partikeln, wie z. B. Salzpartikeln, vom überkritischen Dampf wird dadurch überwacht, daß die Salzkonzentration im Rückstand 51 durch einen Salzsensor 90, wie z. B. einen Leitfähigkeitsmesser, überwacht wird. Im Falle zu hoher Konzentration erfolgt ein geringfügiges Schließen von Ventil 91 und ein geringfügiges Öffnen von Ventil 92, um die Konzentration im Rückstandsstrom 51 zu reduzieren, der in die Leitung 51A über die Ventile 91 und 92 gelangt.
Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß die Trennzone kleiner und der Durchsatz größer sein kann.

Beispiel 4:

Entsalzungsvorrichtung mit Filter

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Zyklon 80 aus Fig. 8 durch einen Filter 100, wie z. B. einen Keramikfilter, ersetzt wurde. Wie im Fall mit dem Zyklon kann der Separator kleiner und der Durchsatz größer sein. Da der Filter darüber hinaus billiger ist, wird diese Ausführungsform bevorzugt, insbesondere im Fall kleinerer Anlagen.
Optional kann die Vorrichtung sowohl einen Zyklon als auch einen Filter enthalten.

Beispiel 5:

Entsaungsvorrichtung mit einem Dampfkompressor

Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der mechanische Kompression des Dampfes anstelle von thermischer Erwärmung des sich bildenden Dampfes durchgeführt wird, um dessen Temperatur zu erhöhen.

"Dampfkompressor"

Fig. 11 zeigt einen vergrößerten Teil des Dampfkompressors 120, der für den Betrieb bei hohen Temperaturen, für Dampfschmierung und für hochoxidativen Dampf ausgelegt sein muß.
Die Verdichtung des Dampfes erfolgt dadurch, daß die Kolbenstange 123, die bei Raumtemperatur durch den Zylinder D im beweglichen System der Wasserpumpe 20 betätigt wird, so bewegt wird, daß das Kugelrückschlagventil 121 öffnet und das Kugelrückschlagventil 122 schließt, wenn die Kolbenstange 123 zu ihrem oberen Totpunkt hin bewegt wird, wobei der Raum 124 mit Dampf 43 aus der Trennzone 32 gefüllt wird.
Fig. 12 zeigt einen vergrößerten Teil der Förderpumpe, die zwei Kugelrückschlagventile 211 und 212 und einen federbelasteten Zylinder A umfaßt, dessen Feder 213 so ausgelegt ist, daß der Systemdruck einen gewünschten Druck nicht übersteigen kann.
Die Vorrichtung ist darüber hinaus mit einem Entspannungsbehälter 110 versehen, der, zusätzlich zu seiner Funktion als Druckventil, als Dämpfer für die Pulsationen vom Dampfkompressor 120 dient.
Um Komponenten, wie z. B. Kalk, zu entfernen, die schlechter löslich als das Salz der Hauptkomponente sind, ist der Wärmeaustauscher 31 etwas vor dem Separator 32 mit einem Auslaß für einen Schammabscheider 31 versehen.

Beispiel 6:

Energieverbrauch

Der Energieverbrauch für 1000 kg Destillat für die Entsaungsvorrichtung aus Beispiel 1 wurde unter folgenden Bedingungen berechnet:
Rohwasser, 3 % NaCl: 1125 kg/h,
Temperatur 8ºC
Destillat 1000 kg/h,
Temperatur 15ºC
Rückstand 24 % NaCl: 125 kg/h,
Temperatur 15ºC
Druck im Wärmeaustauscher und im Separator: 250 bar, Wirkungsgrad der Wasserpumpe: 85 %, Strahlungsverlust der Vorrichtung: 10 % der zugeführten Wärme.

a) Leistungsaufnahme der Pumpe:

0,15 × 250 × 10&sup5; × 1125 (3600 × 10&sup6;) = 1,172 kWh

b) Wärmeaufnahme:

4,184 × (15-8) × 1,125/3600 = 9,150 kWh

c) Strahungsverlust:

9,150 × 0,1 = 0,915 kWh
Der Gesamtenergieverbrauch hängt von der Konstruktion der Pumpe, des Wärmeaustauschers und von der Isolation ab.

Beispiel 7:

Energiebetrachtung für die Vorrichtung

Um die zugeführte theoretische Wärme in der Trennzone zu ermitteln, wurden die folgenden Enthalpieen für reines Wasser berechnet:
Rohwasser in die Heizzone: 1,5 kg, Temperatur 10ºC, Druck 250 bar, 99 kJ;
Destillat beim Einlaß in den oberen Teil der Trennzone (Dampfleitung): 1,0 kg Temperatur 420ºC, Druck 250 bar, 2774 kJ;
Destillat aus der Heizzone: 0,5 kg, Temperatur 390ºC, Druck 250 bar, 107 kJ;
Rückstand beim Einlaß in den unteren Teil der Trennzone (Rückstandsleitungsauslaß):
0,5 kg, Temperatur 390ºC, Druck 250 bar, 1195 kJ; und
Rückstand aus der Heizzone: 0,5 kg, Temperatur 20ºC, Druck 250 bar, 55 kJ.
Pro 1,0 kg Destillat werden 162 kJ - 99 kJ = 63 kJ zugeführt.

Beispiel 8:

Vergleich von Dampf- und Wasserkompression

Um die Größe der mechanischen Arbeit für eine erfindungsgemäße Destillationsvorrichtung zu ermitteln, wurde die Kompressionsarbeit für die Destillation von Rohwasser bei einer Wasserproduktion (Destillat) von 1 kg/h unter den folgenden Bedingungen berechnet:
Rohwasser ein: 1,5 kg/h
Temperatur 10ºC
Destillat aus: 1,0 kg/h
Temperatur 20ºC
Rückstand aus: 0,5 kg/h
Temperatur 20ºC

a) Wärmeverlust durch ausgehendes Wasser (sowohl bei Dampf- als auch bei Wasserkompression):

Q=dt × CP × m/3600 = 17,43 Wh
CP = 4184 J/kg bei 250 bar.

b) Dampfverdichtungsarbeit:

Druck im Verdampfer 1 bar
Temperatur 100ºC
Druck im Kondensator 1,5 bar
Temperatur 110ºC
Theoretische Arbeit: L = k/(k-1) × P&sub1; × V&sub1; ((P&sub2;/P&sub1;)^((h-1)/h)-1)/3600 = 19,86 Wh
Erwartete Arbeit: 19,86/0,5 = 39,7 Wh.

c) Wasserverdichtungsarbeit:

Druck im Wärmeaustauscher und im Separator: 250 bar
Theoretische Arbeit:
L = P × V/3600 = 10,42 Wh,
woraus sich bei einem Rückgewinnungsgrad von 50 % eine theoretische Arbeit von L = 5,21 Wh ergibt.
Bei einer kontinuierlichen Wasserproduktion von 1 kg/h ergibt sich für die Wasserkompression im Vergleich zur Dampfkompression eine etwa 5fache Arbeitsersparnis, wodurch eine Destillation einer Flüssigkeit mit geringerem Energieaufwand als bei vorbekannten Methoden möglich ist, wobei zusätzlich das Destillat stets steril ist.

Claims

1. Verfahren zum Destillieren einer Flüssigkeit in der Nähe oder oberhalb ihres kritischen Punkts, bei dem

a) die Flüssigkeit einer Heizzone (31) zugeführt wird, in der sie erwärmt wird;

b) die erwärmte Flüssigkeit zu einer Trennzone (32) mit einem Flüssigkeitseinlaß, einem Dampfauslaß und einem Flüssigkeitrückstandsauslaß gefördert wird, wobei diese Zone mit einem Druck dergestalt beaufschlagt wird, daß die Flüssigkeit in einen Zustand in der Nähe oder oberhalb ihres kritischen Punkts gebracht wird, wodurch sie eine Phasenumwandlung durchläuft und eine Dampfphase (43) und einen Flüssigkeitsrückstand (53) bildet, die durch eine Flüssigkeitsoberfläche (45) getrennt sind; wobei der Dampfauslaß an der Oberseite der Trennzone angeordnet ist; und dann

c) die Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) erhöht wird; und

d) der Dampf (43), der von der Dampfphase in Flüssigkeit phasenumgewandelt ist, und der Rückstand (53) als Destillat (40) bzw. als Rückstand (50) abgeführt werden, so daß diese ihre Wärme auf die der Heizzone (31) zugeführte Flüssigkeit übertragen und diese erwärmen;

dadurch gekennzeichnet

e) daß die zu der Trennzone (32) geförderte Flüssigkeit am Boden der Trennzone eingelassen wird

f) daß die Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitseinlaß und dem Dampfauslaß der Trennzone abgelassen wird;

und daß

g) die zu der Trennzone (32) geförderte Flüssigkeit zusätzlich erwärmt wird, so daß ihre Temperatur sich von einer Temperatur an dem Flüssigkeitseinlaß auf eine höhere Temperatur an dem Dampfauslaß der Trennzone erhöht, wobei dieser Temperaturanstieg die Flüssigkeit in einen Zustand in der Nähe des oder oberhalb des kritischen Punkts bringt und eine Flüssigkeitsoberfläche (45) unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsrückstandsauslasses bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) durch Zuführen von Wärme in einen Bereich der Trennzone, der sich in einem verhältnismäßig großen Abstand von dem Bereich der Trennzone befindet, in dem der Rückstand (53) abgezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) durch Erwärmen des Dampfes mittels Zuführen von Wärme zu dem Dampf innerhalb der Trennzone (32).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) durch Erwärmen des Dampfes mittels Zufuhr von Wärme zu diesem Dampf außerhalb der Trennzone (32) oder in diese Trennzone (32) hinein.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) durch Abziehen des Dampfes von der Trennzone (32) und Erwärmen des abgezogenen Dampfes.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Teil der Trennzone (32) eine Zylkonzone (33) ist, in der die Flüssigkeitsoberfläche (45) eine parabolartige Form annimmt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Teil der Trennzone (32) ein Scheidetrichter (34) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes in der Dampfphase (43) durch Heizen des Dampfes mittels Zufuhr von Wärme zu diesem Dampf innerhalb eines spiralartig geformten Verlaufs (32A) des Hauptteils der Trennzone.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennzone (32) und die Heizzone (31) einstückig miteinander verbunden sind.

10. Vorrichtung zum Destillieren einer Flüssigkeit in der Nahe oder oberhalb ihres kritischen Punkts, die aufweist:

a) einen Trennbereich (32) zum Trennen der Flüssigkeit in eine Dampfphase (43) und einen Flüssigkeitsrückstand (53), die durch eine Flüssigkeitsoberfläche (45) getrennt sind

wobei dieser Trennbereich einen Flüssigkeitseinlaß, einen Dampfauslaß und eine Flüssigkeitrückstandsauslaß aufweist;

wobei der Dampfauslaß an der Oberseite des Trennbereichs angeordnet ist

b) einen Wärmetauscher (31) für den Austausch von Wärme von dem abgetrennten Dampf und dem Flüssigkeitsrückstand zu der Flüssigkeit;

c) eine Zufuhrleitung (11) zum Zuführen der Flüssigkeit zu dem Wärmetauscher

d) eine Wärmequelle (60) zum Erwärmen des Dampfs und des Rückstands in dem Trennbereich

e) Abführleitungen (41, 51) zum Abführen des Dampfs und des Rückstands aus dem Trennbereich;

f) Pumpen zum Hineinpumpen der Flüssigkeit und Herauspumpen des Dampfs und des Flüssigkeitsrückstands; wobei die Pumpen, die Flüssigkeitszufuhrleitung (11) und die Wärmequelle (60) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie in dem Trennbereich (50) einen Druck und eine Temperatur herstellen, daß die Flüssigkeit in einen Zustand in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punkts gebracht wird, so daß eine Dampfphase (43) und ein Flüssigkeitsrückstand (53) gebildet wird;

und wobei die Dampf- und Flüssigkeitsrückstandsabführleitungen (41, 51) so angeordnet sind, daß sie den Dampf und den Rückstand von dem Trennbereich (32) über den Wärmetauscher (31) abführen, so daß der Dampf in ein Destillat umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet,

g) daß der Flüssigkeitseinlaß in den Trennbereich (32) an der Unterseite des Trennbereichs angeordnet ist;

h) daß der Auslaß des Flüssigkeitsrückstands in dem Trennbereich (32) zwischen dem Flüssigkeitseinlaß und dem Dampfauslaß angeordnet ist, und daß

i) die Wärmequelle (60) eine von einer Temperatur an dem Flüssigkeitseinlaß zu einer höheren Temperatur an dem Dampfauslaß des Trennbereichs ansteigende Temperatur herstellt; wobei der Temperaturanstieg die Flüssigkeit in einen Zustand in der Nähe oder oberhalb des kritischen Punkts bringt und die Flüssigkeitsoberfläche (45) unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsrückstandsauslasses bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie Hubkolbenpumpen mit Verschiebemitteln (A, B, wie Kolben oder Diaphragmen für die Flüssigkeit, den Rückstand und das Destillat aufweist, wobei jeder der abpumpenden Zylinder, die zu den Rückstandsverschiebemitteln (B) und den Destillatverschiebemitteln (C) gehören, mit einem Auslaßventil (232) und einem Schiebeventil (233) in Verbindung stehen, die von der Kolbenbewegung dergestalt gesteuert werden, daß das Schiebeventil (233) das Hinausfließen von Flüssigkeit zu einem Auslaß (42) schließt, wenn der Kolben (230) eine Position vor seiner obersten Stellung erreicht hat, und das Auslaßventil (232) öffnet, wenn die Drücke oberhalb davon vergleichbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Kolbenbewegung zusätzlich, so ist daß das Schiebeventil (233) den Einstrom von Flüssigkeit von dem Auslaßventil (232) schließt, wenn der Kolben (230) eine Position vor seiner untersten Stellung erreicht hat und für einen Ausstrom von Flüssigkeit zu dem Auslaß (42) öffnet, wenn die Drücke oberhalb desselben vergleichbar sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 0 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder zum Hineinpumpen, der zu dem Flüssigkeitsverschiebemitteln (A) gehört, mit einem Auslaßventil (212) in Verbindung steht, das wiederum mit einem Entastungsventil (213) verbunden ist, das so eingestellt ist, daß es öffnet, wenn der Druck in dem System einen gewünschten Druck überschreitet.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmequelle (60) Wärme dem Inneren des Trennbereichs (32) zuführt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmequelle (60) Wärme zu dem Trennbereich (32) außerhalb desselben und in diesen hinein zuführt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfauslaßleitungen einen Bereich außerhalb des Trennbereichs (32) umfassen, der von einer Wärmequelle (60) erwärmt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 0 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Teil des Trennbereichs (32) ein Zyklon (33) ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der letzte Teil des Trennbereichs (32) ein Scheidetrichter (34) ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet daß eine Wärmequelle (60) zum Zuführen von Wärme zum Trennbereich (32) radial innerhalb eines spiralartigen Verlaufs des Hauptteils des Trennbereichs angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennbereich (32) und der Wärmetauscher (31) einstöckig miteinander verbunden sind.