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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein höchst wirksames Verfahren zur
Wasserdestillation und eine Vorrichtung dazu gerichtet, und insbesondere
ist die vorliegende Erfindung auf ein höchst wirksames Verfahren zur
Wasserdestillation gerichtet, das Verschmutzung und Kesselsteinbildung
der Betriebsapparatur über
lange Betriebszeiträume
hinweg minimiert.
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STAND DER
TECHNIK
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Allgemein
gesprochen, ist Wasserdestillation ein höchst wirksames Verfahren, ein
reines Wasserdestillat zu verdampfen und eine konzentrierte, eine
große
Menge nichtflüchtiger
Komponenten enthaltende Flüssigkeit
zurück
zu gewinnen. Dieses Prozessverfahren kann ein wirksames Mittel sein,
um sauberes, reines Wasser aus verunreinigten Quellen zurück zu gewinnen.
Jedoch haben Verfahren zur Wasserdestillation typischerweise mehrere
Probleme, deren nicht das kleinste Verschmutzung oder Kesselsteinbildung
der Apparatur mit Mineralien oder anderen Bestandteilen aus der
Flüssigkeit,
die destilliert wird, sein kann. Gewöhnliche Kesselstein bildende
Verbindungen bestehen aus Calcium, Magnesium und Silicium. Verschmutzung,
oder in größerem Ausmaß Kesselsteinbildung
der Wärmeübertragungs-Oberflächen haben
eine abträgliche
Wirkung auf die Kapazität
der Wärmeübertragungs-Komponenten, was
bewirkt, dass herkömmliche
Destillationsverfahren nicht ausführbar werden.
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Ein
anderes gewöhnliches
Problem bei typischen Wasser-Destillationsverfahren
sind die hohen Anforderungen an die Energieeinspeisung. Ohne ein
Mittel, um die eingespeiste Energie wirkungsvoll zurückzugewinnen,
entspricht die erforderliche Energie der latenten Verdampfungswärme von
Wasser bei einem gegebenen Druck/einer gegebenen Temperatur. Unter
diesen Bedingungen ist Wasserdestillation für Anwendungen der Wasseraufbereitung
nicht kommerziell gangbar.
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Die
auf das vorliegende technische Gebiet gerichtete Methodenlehre des
Standes der Technik ist in dem U.S. Patent Nr. 4 566 947 und dem
französischen
Patent Nr. 2 482 979 dargelegt worden. Diese Druckschriften sind
allgemeine Bezugsschriften für
das Entfernen von Verschmutzungen mittels Destillation oder anderer
Reinigungsverfahren und sprechen die Probleme nicht an, die von
der vorliegenden Erfindung gelöst werden.
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Um
die Probleme bei herkömmlichen
Destillationsverfahren zu überwinden,
müssen
mehrere Variablen in Erwägung
gezogen werden. Die folgenden drei Gleichungen beschreiben die grundlegenden
Wärmeübertragungs-Beziehungen
innerhalb eines Wasserdestillationssystems: Q(gesamt) = U*A*LMTD Q(freie Wärme) =
m*CP*(T1 – T2) Q(latente wärme) = m*Lwobei
gilt
Q = Menge der übertragenen
Wärme (Kg·m2·s–3)
U
= Koeffizient der gesamten Wärmeübertragung
oder Fähigkeit
des Systems, Wärme
zu übertragen (Kg·s–3·K–1)
A
= Wärmeübertragungsoberfläche (m2)
LMTD = Logarithmus der mittleren
Temperaturdifferenz oder die thermische Triebkraft des Systems (K)
m
= Massenfluss des Fluides im flüssigen
oder dampfförmigen
Zustand (Kg·s–1)
Cp
= spezifische Wärmekapazität des Fluides
(Kg·s–3·m2·K–1)
T1,
T2 = Temperatur des in das System eintretenden oder aus ihm austretenden
Fluides (K)
L = latente Verdampfungs- oder Kondensationswärme (Kg·m2·s–2·1) = m2/s2
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Um
ein wirkungsvolles Destillationssystem zu haben, muss die Menge
der ausgetauschten und zurückgewonnenen
Wärme Q,
die durch die vorstehenden Gleichungen ausgedrückt ist, maximiert werden,
während
gleichzeitig die praktischen Grenzwerte für die verbleibenden Variablen
eingehalten und Kesselsteinbildung und Oberflächenverschmutzung verhindert
werden. Für
ein gegebenes Fluid und gegebene Fluiddynamik in einer gegebenen
Wärmeaustauschvorrichtung
sind die Variablen U, Cp und L verhältnismäßig invariabel. Deshalb muss
den Variablen A, QA–1, LMTD, m und T1 und
T2 sorgfältige
Erwägung
zukommen gelassen werden, um die mit der Destillation von verschmutztem
Wasser verbundenen Probleme zu überwinden.
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Um
die Probleme, welche die Destillation von verschmutztem Wasser betreffen,
vollständig
zu überwinden,
und Kesselsteinbildung zu beseitigen, müssen über die vorstehend angegebenen
grundlegenden Gleichungen hinaus andere wesentliche Faktoren in
Betracht gezogen werden:
- • die Geschwindigkeit, mit der
die Wärme
innerhalb des Destillationssystems übertragen wird, bekannt als Wärmestrom
oder QA–1 (Kg·s–3);
- • das
Ausmaß an
Verunreinigungen in dem Konzentrat;
- • der
letztendliche Siedepunkt des Konzentrates mit Bezug auf die Sättigungstemperatur
des Dampfstromes;
- • der
Grad der Übersättigung
und das Ausmaß der
Ausfällung
des Konzentrates; und
- • das
Ausmaß der
Verdampfung des Verdampfungsstromes.
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Bis
zum Aufkommen der vorliegenden Erfindung konnte eine Maximierung
der bei einem Vorgang der Wasserdestillation übertragenen und zurückgewonnenen
Wärmemenge,
ohne die Neigung zu Verschmutzung und Kesselsteinbildung, nicht über einen
lang andauernden, fortwährenden
Zeitraum hinweg verwirklicht werden.
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Ein
Verfahren wurde entwickelt, das sowohl energieeffizient ist und
dabei auch die bisher bei der Destillation von verschmutztem Wasser,
das unter anderem mit organischen und anorganischen Stoffen und
Metallen verunreinigt ist, angetroffenen Probleme beseitigt.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Die
vorliegende Erfindung findet Anwendung auf dem Destillationsgebiet.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung gründet
auf der Verknüpfung
zweier unterschiedlicher Konzepte, von denen beide vorher als einzelne
in dem Stand der Technik genau bestimmt wurden, die aber noch nicht
einheitlich mit der synergistischen Wirkung, die sich bei der vorliegenden
Erfindung ergibt, konfiguriert wurden. Es hat sich erwiesen, dass,
durch Verwendung eines herkömmlichen
Kreislaufs zur Dampf-Wiederverdichtung zusammen mit einem einheitlich
konfigurierten Kreislauf zur Rückgewinnung
und Übertragung
von Wärme
mit erzwungener Konvektion, sehr wünschenswerte Ergebnisse hinsichtlich
der Maximierung der Wärmeübertragung
und darin, dass der gewünschte
Kreislauf mit erzwungener Konvektion nicht zu Kesselstein ansetzenden
Austauschern führt,
was typischerweise bei der Ausübung
von Standard-Destillationsverfahren auftritt, erhalten werden können.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes rationelles
Verfahren zur Destillation von organische, anorganische, Metalle
oder andere verschmutzende Verbindungen enthaltendem Wasser zu erhalten,
wobei das Ergebnis eine gereinigte Wasserfraktion ohne die Verschmutzungen
ist, das zudem keine Kesselsteinbildung der Destillationsvorrichtung
mit sich bringt.
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Es
hat sich erwiesen, dass durch genaues Regeln des Verhältnisses
der umgewälzten
Masse in einem Bereich von weniger als 300- bis nahe 2-fach derjenigen
der Dampffraktion, die komprimiert wird, mehrere wünschenswerte
Vorteile verwirklicht werden können:
- 1. Das durch die Verdampfungsseite des Aufkochers
umgewälzte
Konzentrat enthält
eine genau geregelte Dampffraktion von nahe 1% bis 50% der Masse
des umgewälzten
Konzentrates.
- 2. Indem diese Dampffraktion genau geregelt wird, bleibt der
Temperaturanstieg des umgewälzten
Konzentrates sehr niedrig (etwa 1,81°K), und kalte Wärmeaustauschflächen bleiben
benetzt, bei einer Temperatur nahe derjenigen des umgewälzten Fluides.
Dies verringert die Gefahr der Verschmutzung dieser Oberflächen.
- 3. Mit dieser geregelten niedrigen Dampffraktion wird das konzentrierte
Fluid in dem Austauscher einem zusätzlichen örtlichen Konzentrationsfaktor
von weniger als 1,1 unterworfen, wodurch örtliche Ausfällung von
Kesselstein bildenden Verbindungen vermieden wird.
- 4. Wenn während
der Durchleitung durch den Aufkocher die Dampffraktion zunimmt und
der Konzentrationsfaktor zunimmt, nehmen die Stromgeschwindigkeiten
deutlich zu und verringern so die Gefahr der Verschmutzung.
- 5. Indem eine geregelte Dampffraktion in dem verdampfenden Fluid
gestattet wird, kann durch das Mittel latenter Wärme erhebliche Wärmeübertragung
ohne Kesselsteinbildung verwirklicht werden.
- 6. Da der Temperaturanstieg der Verdampfungsseite des Aufkochers
sehr niedrig gehalten wird, wird die LMTD des Aufkochers aufrechterhalten,
wodurch die Kompressionsenergie sehr niedrig gehalten wird; und
- 7. Durch Einstellen des Wärmestromes
wird die Temperatur der nassen Oberflächen zum Kondensieren und Verdampfen
nahe derjenigen des Zustands gesättigten
Dampfes gehalten. Die angetroffene Art des Siedens wird von hauptsächlich erzwungener
Konvektion bis zu stabilem Blasensieden der benetzten Oberflächen reichen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Verfahrens
zum Entfernen von Verunreinigungen aus einem Verunreinigungen enthaltenden
Zustrom durch Verwenden eines erwärmten Separators und eines
Wärmeaustauschers
und zum Verhindern der Verschmutzung und der Bildung von Kesselstein auf
dem Separator und dem Wärmeaustauscher,
wobei das Verfahren die Schritte umfasst des
- a)
Erzeugens einer Dampffraktion aus dem erwärmten Separator, die im Wesentlichen
von Verunreinigungen frei ist, und einer separaten Fraktion aus
konzentrierten Verunreinigungen;
- b) Komprimierens der Dampffraktion, um die Temperatur der Dampffraktion über die
Temperatur des erwärmten
Separators zu erhöhen;
- c) Überführens der
Dampffraktion in einen Kontakt mit dem Wärmeaustauscher, um ein kondensiertes
Destillat zu bilden; und
- d) mindestens in Kontakt Haltens der Heizflächen des erwärmten Separators
und des Wärmeaustauschers mit
der Fraktion aus konzentrierten Verunreinigungen durch fortlaufendes
Umwälzen
der Fraktion aus konzentrierten Verunreinigungen durch den erwärmten Separator
und den Wärmeaustauscher,
in einem Verhältnis
der Masse des umgewälzten
Konzentrates zu der Dampfmasse von etwa 300 zu annähernd 2,
wobei die umgewälzte
Dampfmasse gleich der Masse des zurückgewonnenen Destillates ist,
wodurch die Bildung von Kesselstein und die Verschmutzung der Heizflächen verhindert
wird.
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Wünschenswerter
Weise beinhaltet das Verfahren ferner die Schritte des:
Vorerwärmens des
Zustroms vor dem Erzeugen der Dampffraktion in Schritt a), wobei
der Wärmeaustauscher ein
Aufkoch-Austauscher ist und Schritt b) ferner das Regeln der Temperaturdifferenz
zwischen dem Wärmeaustauscher
und der Fraktion aus konzentrierten Verunreinigungen einschließt, um stabiles
Blasensieden aufrechtzuerhalten, wodurch innerhalb des Aufkoch-Austauschers eine
benetzte Oberfläche
aufrechterhalten wird; und
des Sammelns des im Wesentlichen
von Verunreinigungen freien kondensierten Destillates nach Schritt
d).
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Vorzugsweise
schließt
das Verfahren nach dem Regeln der Temperaturdifferenz ferner die
Schritte ein des:
- a. Übersättigens der Fraktion aus konzentrierten
Verunreinigungen, um mindestens einen ausgewählten Feststoff auszufällen;
- b. Filtrierens des Konzentrates; und
- c. Zurückgewinnens
des mindestens einen ausgewählten
Feststoffs.
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Es
ist auch bevorzugt, dass der Zustrom vor dem Erwärmen einem Vorbehandlungsschritt
unterzogen wird und der Vorbehandlungsschritt mindestens einen aus
Filtration, Ionenaustauschen, Destillation, Ausfällung und Verdampfung beinhaltet.
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Es
ist auch wünschenswert,
dass ein weiterer Schritt des Wiederverwendens der Fraktion aus
konzentrierten Verunreinigungen und des Veränderns der Umwälzgeschwindigkeit
des Konzentrates bereitgestellt wird.
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Vorzugsweise
wird die Umwälzgeschwindigkeit
des Konzentrates so eingestellt, dass von etwa 1% bis etwa 50% Dampfmasse
aufrechterhalten werden.
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Noch
bevorzugter ist die umgewälzte
Masse etwa 10% der Dampfmasse.
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Es
ist ferner auch wünschenswert,
dass ein Teil des kondensierten Destillates als Destillatrückfluss
zu der Destillationskolonne zurückgeführt wird.
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Grob
gesprochen wird in einer möglichen
Ausführungsform
destilliertes Wasser verdampft und durch einen Siebbausch hindurch
geleitet, um etwa mitgerissenes Wasser vor dem Eintritt in den Kompressor
zu entfernen. Der Kompressor erhöht
den Druck und die Temperatur des Dampfstromes über diejenigen des erwärmten Separators,
um wirkungsvollen Wärmeaustausch über den
Aufkoch-Wärmeaustauscher
hinweg stattfinden zu lassen. Der Dampfstrom tritt daraufhin in
den Aufkocher ein, wo er „entüberhitzt" und zu Destillat
kondensiert wird. Die Wärmeenergie
wird von dem erwärmten
Separator auf das umgewälzte
Konzentrat übertragen,
wo durch Regeln der Masse des umgewälzten Konzentrates zu derjenigen
des Dampfstromes in einen Bereich von weniger als 300 bis nahe 2
weniger als 50% Dampf, genauer weniger als 10% Dampf in dem umgewälzten Konzentratstrom
erzeugt wird. Diese Dampfphase absorbiert die übertragene Wärme durch
latente Verdampfungswärme,
während
sie zur gleichen Zeit die Temperaturerhöhung in dem umgewälzten Konzentrat um
nicht mehr als etwa 1,81°K
ansteigen lässt.
Das saubere Destillatwasser bei Temperatur und Druck der Kondensation
durchläuft
den Vorerwärmer,
um den freien Wärmeanteil
des Systems für
den hereinkommenden Zustrom zurückzugewinnen.
Gleichzeitig wird ein Teil des Konzentratstromes aus dem erwärmten Separator
entfernt, um die gewünschte
Konzentration an Verunreinigungen einzustellen. Dieser Abschlämmungs-Konzentratstrom mit
der Temperatur und dem Druck des erwärmten Separators wird durch
einen zusätzlichen
Vorerwärmer
hindurch geleitet, um die verbleibende freie Wärmeenergie an den Zustrom weiter
zu geben. Zusätzliche
Verfahren der Vor- und Nachbehandlung können als ansatzweise oder kontinuierliche
Verfahrensabläufe
angewendet werden, um Verunreinigungen während des Destillationsvorganges
zu entfernen oder zu behalten, Verfahren zur Regelung des pH-Wertes
können
verwendet werden, um flüchtige
Komponenten zu ionisieren oder um je nach den Löslichkeitsbedingungen in dem
Konzentrat den Destillationsvorgang des Patentgegenstandes weiter
zu verbessern.
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Das
zurückgewonnene
Destillatwasser kann auf ein Reinheitsniveau und ein Temperaturniveau
eingestellt werden, welches erlaubt, dass es als Betriebswasser
wiederverwendet, als destilliertes Wasser wiederverwendet oder in
natürliche
Wassereinzugsgebiete freigesetzt wird, indem es praktisch alle Umweltstandards
für Wasserqualität erfüllt oder übertrifft.
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Was
die Anwendungsbreite für
dieses Verfahren angeht, könnte
dieses leicht verwendet werden, um industriell verarbeitetes Wasser
zu dekontaminieren, so wie dasjenige bei Gewerben wie Raffinerie,
Petrochemie, Zellstoff und Papier, Nahrungsmitteln, Bergbau, Kraftfahrzeug-
und anderen Transportgewerben und den herstellenden Gewerben. Überdies
sind Anwendungen für
Deponiesickerwasser, Entsalzung, Grundwassersanierung, Reinigung
von Quellwasser, Schlammteichsanierung, Zurückgewinnung von Abwasser aus Ölfeldern,
ebenso wie die Herstellung jeder Form von Kesselspeisewasser und
das Aufkonzentrieren wertvoller Komponenten aus verdünnten Strömen denkbar.
Diese Auflistung ist in keiner Weise erschöpfend, sondern eher beispielhaft.
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Nachdem
die Erfindung auf diese Weise beschrieben wurde, wird nun auf die
begleitenden Zeichnungen, welche die bevorzugten Ausführungsformen
veranschaulichen, Bezug genommen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Veranschaulichung des gesamten Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform
der beschriebenen Erfindung;
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2 ist
eine alternative Ausführungsform
von 1;
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3 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
von 1;
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4 veranschaulicht
in einer schematischen Form die typischen Druck- und Temperaturbedingungen
um die Verdampfungskomponenten herum;
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5 ist
eine Kondensations/Verdampfungs-Arbeitskurve für das Aufkoch-Austauscher-System;
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6 veranschaulicht
das Schema des Strömungsbildes
für die
Aufkocherplatte/Wärmeaustauscherplatte;
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7 ist
ein Schaubild, welches das Ausmaß der in dem umgewälzten Fluid
stattfindenden Verdampfung in dem Aufkocher mit Bezug auf das Verhältnis von
umgewälzter
Fluidmasse zu Dampfmasse veranschaulicht;
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8 ist
ein Schaubild, welches die mit unterschiedlichen Dampffraktionen
sich ergebende örtliche Konzentrationswirkung
in dem Aufkocher veranschaulicht; und
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9 ist
ein Schaubild, welches die von einer Pilot-Destillationseinheit
erhaltenen Testdaten zeigt.
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In
dem Text verwendete gleiche Ziffern bezeichnen gleiche Elemente.
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ARTEN, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
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Mit
Bezug nun auf 1 wird ein Beispiel einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Ein
Zustrom aus verunreinigtem Wasser, allgemein durch die Ziffer 10 gekennzeichnet,
wird in einen allgemein durch 12 gekennzeichneten Vorbehandlungsschritt
eingeführt,
um unlösliche
Bestandteile und flüchtige
Bestandteile zu entfernen und/oder andere pH-Wert- oder Konditionierungsschritte
durchzuführen,
um den Zustrom 10 vorzubereiten. Flüchtige Bestandteile werden
aus dem Zustrom bei 14 entlüftet, während weniger flüchtige Komponenten
aus dem Zustrom bei 16 abgelassen werden. Der 12 verlassende,
vorbehandelte Zustrom wird dann in einen Vorerwärmer 18 überführt, um
die Temperatur des Zustroms anzuheben, um die Zurückgewinnung
freier Wärme
vor der Einführung
in einen erwärmten
Separator 20 zu steigern. Der Zustrom kann in mehrere Ströme aufgespalten
und durch andere, sekundäre
Vorerwärmer
zur Zurückgewinnung
freier Wärme
hindurch geleitet werden, um die Fähigkeit der Einheit zur vollständigen Zurückgewinnung
zu maximieren. Derartige Anordnungen werden von Fachleuten verstanden
werden. Die mehrfachen Vorerwärmer
können
als ein einziger Mehrzweck-Vorerwärmer oder als getrennte Einheiten,
wie durch 18 und 26 gekennzeichnet, konfiguriert
sein. Die getrennten Zuströme
werden wiedervereinigt und auf Temperaturen nahe der Temperatur
des erwärmten
Separators erwärmt,
bevor sie in den erwärmten
Separator 20 eintreten. Wenn gewünscht, kann der Zustrom auch
in den erzwungenen Umwälzstrom
eingeführt
werden, um eine örtliche
Verdünnungswirkung
in dem Aufkocher zu erzeugen. Der erwärmte Separator kann eine mehrfache
Trenneinheit, wie einen Zyklonseparator, umfassen. Der untere Abschnitt,
grob durch die Ziffer 22 bezeichnet, hat eine Zyklonwirkung,
um festes Material in dem Konzentrat zu suspendieren und das abzulassen,
worauf als „Abschlämmung" von Konzentrat,
wie durch Linie 24 gekennzeichnet, Bezug genommen wird.
Der Anteil der Abschlämmung 24,
kontinuierlich oder absatzweise, steuert die Konzentration der Komponenten
in dem erwärmten
Separator 20, wodurch er den Sättigungsgrad des Konzentrates,
den Übersättigungsgrad,
die nachfolgende Ausfällung
von Feststoffen und die Siedetemperatur in dem erwärmten Separator 20 reguliert.
Die Abschlämmung 24 mit
der Temperatur des erwärmten
Separators 20 wird über
die Leitung 28 zur Wärmerückgewinnung
an den Zustrom durch den zweiten Vorerwärmer 26 hindurch geleitet.
Der Abschlämmungsstrom 24 wird
auf eine Temperatur von etwa 257,65 K zurückgeführt, um 5,4 K absolute Temperaturdifferenz
gegenüber dem
Zustrom bei 26 zu erreichen.
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Der
obere Abschnitt des erwärmten
Separators 20, der zumeist gesättigten Wasserdampf enthält, ist zur
Dampf/Flüssigkeits-Trennung
bestimmt, und kann solche Merkmale wie einen Siebbausch (nicht gezeigt) aufweisen,
um Flüssigkeitströpfchen aus
dem Dampfstrom zu zusammenwachsen zu lassen. Dampf, der aus dem
erwärmten
Separator 20 austritt und allgemein durch die Linie 30 angedeutet
ist, bildet Destillat mit Umweltqualität und kann, abhängig von
den in dem Zustrom vorhandenen Komponenten, trinkbares Wasser oder Wasser
von der Qualität
zur Kesselspeisung umfassen. Der Dampf wird in den Kompressor 32 übertragen,
um den Druck und die Temperatur des Dampfstromes über diejenigen
des erwärmten
Separators 20 anzuheben. Der Dampfstrom kann, wenn er den
erwärmten
Separator verlässt,
bei jedem Druck einschließlich
Vakuum vorliegen. Dieser Dampf ist bei den Bedingungen des erwärmten Separators 20 hauptsächlich gesättigt, kann
jedoch übersättigt werden,
wenn das Konzentrat Komponenten mit einer Konzentration enthält, die
ausreicht, den Siedepunkt des Dampfes zu erhöhen. Dieses Konzept ist als
Siedepunktserhöhung
oder BPR (Boiling Point Rise) bekannt und soll so verstanden werden,
dass die Kompression in angemessener Weise ausgeglichen werden kann.
Die dem Dampfstrom verliehene zusätzlich Energie baut die benötigte LMTD
oder thermische Triebkraft auf, die notwendig ist, um Wärmeübertragung
in dem Aufkocher-Wärmeaustauscher
zu bewirken, der allgemein mit der Ziffer 34 bezeichnet
ist.
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Der
Kompressor oder Auflader, gekennzeichnet durch Ziffer 32,
kann jede den Fachleuten bekannte Vorrichtung sein, die eine Druckhöhe von etwa
2·104 bis 6,8·104 Kg·m–1·s–2 in
den Dampf einbringen und das gewünschte
Ausmaß an
Dampfmasse strömen
lassen kann. Die tatsächliche,
von dem Kompressor 32 verlangte Druckhöhe wird für jede Einheit in spezifischer
Weise durch die Verdampfungsbedingungen in dem erwärmten Separator 20 und
der für
den Aufkocher 34 benötigten
LMTD bestimmt. Der den Kompressor 32 verlassende Dampf
ist hauptsächlich überhitzter
Wasserdampf. Der Grad der Überhitzung
ist von dem Verdichtungsdruck und dem Wirkungsgrad des Kompressor-Gerätes 32 abhängig.
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Der
Aufkoch-Austauscher 34 dient dazu, den von dem Kompressor 32 erhaltenen
komprimierten Dampf zu Destillat zu kondensieren, welches von dem
Aufkocher 34 durch eine mit der Ziffer 36 gekennzeichnete
Kondensataufnahme abläuft.
Dieser Schritt fängt
die Überhitzung
und die latente Wärme
des Dampfstromes auf und nimmt sie mittels thermischer Triebkraft
in dem mit der Ziffer 38 gekennzeichneten umgewälzten Konzentratstrom
auf. Das in der Aufnahme 36 angesammelte Destillat ist
im Allgemeinen gesättigte
Flüssigkeit bei
einem spezifischen Zustand von Temperatur und Druck. Die in dem
Destillat enthaltene zusätzliche
freie Wärme
wird zurück
gewonnen, indem heißes
Destillat unter Verwendung der Pumpe 40 durch den Vorerwärmer 18 zurück geleitet
wird, wo der austretende Strom auf etwa 3F über dem von 12 hereinkommenden
Zustrom abgekühlt
wird.
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Es
hat sich erwiesen, dass durch die Verwendung einer Konzentrat-Umwälzpumpe 42,
um eine vorgeschriebene Menge an Konzentrat von dem erwärmten Separator 20 durch
den Aufkoch-Austauscher 34 umzuwälzen, bedeutende Ergebnisse
ohne die Gefahr der Verschmutzung oder Kesselsteinbildung der Austauscheroberflächen erzielt
werden können.
Der Anteil der umgewälzten
Konzentratmasse wird in spezifischer Weise so gewählt, dass
er in einem Bereich von weniger als 300 bis nahe 2 liegt, wodurch
genau eine Dampffraktion von nahe 1% bis weniger als 50% in dem
aus dem Aufkoch-Austauscher 34 austretenden Strom 38 erzeugt
wird. Dieser Massenfluss kann verändert und auf den gewünschten
Parameter eingestellt werden, indem eine allgemein mit der Ziffer 44 gekennzeichnete
Regelvorrichtung verwendet wird. Noch spezifischer ist der gewünschte Zielwert
für die
Dampffraktion in dem austretenden umgewälzten Strom 38, wenn
die meisten verunreinigten Zuströme
in Betracht gezogen werden, weniger als 10% Dampffraktion. Der in
dem Strom 38 erzeugte Dampf ist an Masse gleich der durch
den Kompressor hindurch geleiteten und als Destillat bei 46 zurückgewonnenen
Menge. Obwohl er sehr klein an Massenanteil (etwa 1 bis 10% der
umgewälzten
Masse) ist, absorbiert der in dem Aufkoch-Austauscher 34 erzeugte
Dampf den größeren Teil
der von der Kondensationsseite des Aufkochers 34 übertragenen
Wärme.
Die Auswahl der Dampffraktion und der Konzentrat-Umwälzgeschwindigkeit
ist ein wichtiger Faktor bei der Verringerung der Verschmutzung
und Kesselsteinbildung. In einem größeren Umfang ist dieser Parameter äußerst wichtig,
um einen sehr niedrigen Temperaturanstieg in dem umgewälzten Konzentrat-Fluid
aufzubauen, um eine wirksame LMTD ohne eine Temperaturüberkreuzung
in dem Aufkoch-Austauscher 34 aufrechtzuerhalten. Jeder
Temperaturanstieg wird schnell die LMTD beseitigen und die Wärmeübertragung
wird aufhören.
Wenn zum Beispiel der Druck des umgewälzten Konzentrates in dem Aufkocher
erhöht
würde,
so dass das Fluid nicht etwas Dampf erzeugen könnte, würde die Temperatur durch Absorption
freier Wärme
ansteigen, bis keine LMTD vorhanden wäre, und auf diese Weise würde die
Wärmeübertragung
abfallen. Der Gegendruck des Konzentrat-Umwälzsystems,
der aus statischen und Reibungs-Druckverlusten besteht, wird so
ausgelegt, dass er minimal ist. Tatsächlich ist der Gegendruck hauptsächlich gleich
dem statischen Druckverlust über
den vertikalen Austauscher hinweg, da der dynamische Druckabfall
des Austauschers minimal gemacht wird. Der umgewälzte Konzentratfluss wird dann
so ausgewählt,
dass in der Auslassleitung 38 nahe 1% bis 10% Dampffraktion
erreicht werden. Der sich ergebende Temperaturanstieg ist sehr niedrig
und die LMTD bleibt bei ihrem angestrebten Wert.
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Mit
Bezug nun auf 2 wird ein Schema eines alternativen
Verfahrens gezeigt, das es gestattet, die Abschlämmung 24 aus dem erwärmten Separator 20 so
einzustellen, bis die Gesamtkonzentrationswirkung oder der Konzentrationsfaktor
(CF, Concentration Factor) des Systems ein hinsichtlich einer oder
vieler Komponenten übersättigtes
Konzentrat erzeugt, um Ausfällung
zu verursachen. Wenn die Feststoffe in dem erwärmten Separator 20 sich
bilden und aufbauen wird die Abschlämmung 24 zur Entfernung
der Feststoffe oder des schlammigen Bodensatzes durch eine allgemein
mit der Ziffer 50 gekennzeichnete Fest/Flüssig-Trennvorrichtung
hindurch geleitet. Als eine Alternative kann die Fest/Flüssig-Trennvorrichtung 50 zwischen
der Aufkocherpumpe 42 und dem Austauscher 34 angebracht
sein, in einer Nachstrom- oder Gesamtfluss-Anordnung. Die zurück gewonnene
Flüssigkeit
wird weiter zu dem erwärmten
Separator 20 zurückgeführt, wie
durch 52 angezeigt, und ein Teil, der die Abschlämmungsmenge
darstellt, wird weiter zur Wärmerückgewinnung
durch den Vorerwärmer 26 hindurch
geleitet und auf etwa 257,65 K abgekühlt. Die Fest/Flüssig-Trennvorrichtung 50 kann
von jeder Form sein, wie ein Hydrozyklon, Zentrifugalabscheider,
Schwereabscheider, eine Zentrifuge, ein Dekantiertrenner, die den
Fachleuten bekannt ist. Dieses Verfahren ist besonders attraktiv,
wenn das Hauptziel ist, eine Verbindung als einen Feststoff zurückzugewinnen
oder wenn die Verbindung von erheblichem kommerziellem Wert ist.
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Mit
Bezug weiter auf 3 wird eine weitere Verfahrensvariante
gezeigt, bei welcher der Dampfstrom einen Teil einer besonderen
Verunreinigung aus dem Zustrom enthalten kann. Der erwärmte Separator 20 ist mit
einer Fraktionierkolonne 54 vor dem Kompressor 32 und
der Kompressor-Ansaugleitung 30 ausgerüstet. Die Kolonne 54 wird
verwendet, um die Verunreinigung zu fraktionieren und herauszuwaschen,
indem mehrere Stufen in Verbindung mit Rückfluss von sauberem, kühlem Wasser
verwendet werden, der mit Ziffer 56 gekennzeichnet ist.
Der Rückfluss
kann entweder vor oder nach dem Vorerwärmer 18 oder in einer
Kombination davon abgezweigt werden, abhängig von der erforderlichen
Rückflusstemperatur.
Diese Verfahrensvariante ist attraktiv, wenn der Zustrom zum Beispiel
flüchtige
Stoffe wie Kohlenwasserstoffe, Glycole, Ammoniak und so weiter enthält.
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4 veranschaulicht
die typischen Druck- und Temperaturbeziehungen der verschiedenen
Ströme um
den Verdampfungsteil des Verfahrens herum. Für diese Diskussion wird auf
Ziffern aus 1 bis 3 Bezug
genommen. Obwohl die spezifischen Verfahrensparameter als Beispiele
gezeigt werden, sind sie abwandelbar, um auf jede spezifischen Destillationsanwendung
zu passen. Dieses Schema zeigt die Bedingungen, ausgehend von einem
Fluid ohne Siedepunktserhöhung
und wobei der erwärmte
Separator 20 leicht über atmosphärischem
Druck arbeitet, 1,1·105 Kg m1·s–2 und
373,47 K. Die Temperaturerhöhung
des umgewälzten Konzentrates
ist für
einen Druckabfall im Aufkocher von 2,5 psi weniger als 1 F. Die
Dampffraktion des umgewälzten
Stromes ist etwa 10%. Die Bedingungen um den Aufkoch-Austauscher 34 herum
können
auf einer Verdampfungs/Kondensationskurve, wie in 5 gezeigt,
dargestellt werden. Auf der Kondensationsseite des Austauschers
tritt überhitzter
Wasserdampf an dem Punkt C bei etwa 394,26 K und 1,48·105 Kg·s–2·m–1 psia ein
und wird bei dem gesättigten
Druck des Dampfes bei Punkt C',
etwa 383,71 K und 1,476·105 Kg·s–2·m–1, kondensiert.
Auf dieses Gebiet wird gewöhnlich
als das Entüberhitzungsgebiet
Bezug genommen und es besteht aus etwa 2% der Austauscherfläche, wobei
das verbleibende Gebiet die Fläche
ist, durch welche die latente Kondensationswärme freigesetzt wird. Ein leichter
Abfall von Druck und Temperatur wird wegen des innewohnenden Druckabfalls
des Wärmeaustauschers
durch den Austauscher 34 stattfinden. Die Auslassbedingungen
werden etwa 383,97 K und 1,4756·105 Kg·s–2·m–1.
Die Oberflächentemperatur
auf der Kondensationsseite wird geringer sein als die Sättigungstemperatur
des eintretenden Dampfes, wodurch ein Kondensatfilm auf der Wärmeaustauschoberfläche gebildet
wird. Die Wärmeübertragung
wird daher außerhalb
der Bedingung einer nassen Wand erfolgen, wodurch die effektive
Temperatur des Films bei der Dampf-Sättigungstemperatur gehalten
wird. Das Destillat wird von dem Austauscher zu der Kondensataufnahme 36 bei
Punkt D ablaufen, wodurch der Aufkocher frei von Flüssigkeit
gehalten wird und die gesamte Wärmeaustauscheroberfläche dem
Kondensationsvorgang ausgesetzt wird.
-
Auf
der Verdampfungsseite tritt Konzentrat im Gegenstrom vom Boden bei
Punkt A bei etwa 373,47 K und 1,28·105 Kg·s2·m–1 hinter
der Umwälzpumpe 42 in
den Austauscher ein. Die Umwälzgeschwindigkeit
wird so eingestellt, dass der Anteil der Konzentratmasse mindestens
10 mal größer ist
als der Dampfanteil. Die Temperatur des Konzentrat-Fluides beginnt
auf den Punkt A' anzusteigen,
und flacht dann auf etwa 378,71 K ab, wenn Punkt B erreicht ist,
wo der statische Druck überwunden
wird und der Druck sich auf 1,11·105 Kg·s–2·m–1 verringert.
Während
das Konzentrat in dem Austauscher 34 aufsteigt, beginnt
sich durch erzwungene Konvektion Dampf zu bilden, der die übertragene
latente Wärme
absorbiert. Durch Steigern der Fluidmasse auf der Verdampfungsseite,
bis das Verhältnis
der umgewälzten
Masse zur Dampfmasse in den gewünschten Bereich
fällt,
wird das Siedephänomen
innerhalb der Gebiete der erzwungenen Konvektion und des stabilen Blasensiedens
eingeregelt. Wegen des hohen Massenflusses von Flüssigkeit
bleibt die Wärmeübertragungsoberfläche bei
einer Temperatur gleich der Sättigungstemperatur
des frisch gebildeten Dampfes benetzt. Indem weiter sichergestellt
wird, dass die Flussgeschwindigkeit (QA–1)
für einen
Austauscher unter 18927,55 Kg·s–3 liegt,
kann der Temperaturanstieg für
die Verdampfungsseite unter 1,8 K gehalten werden und die Oberfläche aus
benetztem Film wird beibehalten, wodurch die Gefahr der Kesselsteinbildung
beseitigt wird. Wenn die Flussgeschwindigkeit zu hoch ist, übersteigt
der augenblickliche Druckabfall durch Dampfbeschleunigung zeitweilig
den verfügbaren
statischen Überdruck,
was einen instabilen zeitweiligen Rückfluss und den möglichen
Zusammenbruch der benetzten Wärmeübertragungsoberfläche zur
Folge hat. Dies kann Verschmutzung der Wärmeübertragungsoberfläche zur
Folge haben. Unterhalb von Wärmeflüssen von
18927,55 Kg·s–3 und
in dem Bereich von umgewälzter
Konzentratmasse zu Dampfmasse von weniger als 300 existiert ein
Gebiet, wo die Flüssigkeit
und Dampf in stabilem Betrieb koexistieren und eine vollständig benetzte
Wärmeübertragungsoberfläche auf
der Verdampfungsseite des Aufkochers ohne die Gefahr von Verschmutzung
oder Kesselsteinbildung aufrechterhalten können.
-
Bezug
auf die Punkte A bis D findet sich auch in 6.
-
6 veranschaulicht
die Aufrissansicht eines höchst
wirkungsvollen Wärmeübertragungsaustauschers 58,
der unter Fachleuten als ein Platten-und-Rahmen Wärmeaustauscher bekannt ist,
bei dem Reihen von vertikal gestapelten, gekapselten Platten 60 zwischen
zwei festen Rahmen 62 und 64 angeordnet sind. Diese
Vorrichtungen sind für
ihre kompakte Größe und die
Fähigkeit,
sehr hohe U-Werte oder Gesamt-Wärmeübertragungskoeffizienten
zu haben, gut bekannt. Diese Art von Austauscher, angeordnet als
eine Ein-Durchgangs-Gegenstrom-Konfiguration,
ist für
die vorliegende Erfindung gut geeignet und bietet in spezifischer
Weise die folgenden Vorteile, um die vorliegende Erfindung auszuüben:
- 1. Der Austauscher vom Plattentyp stellt einen
niedrigen, feststehenden statischen Druck und einen sehr niedrigen
Druckabfall auf der Seite des umgewälzten Konzentratfluides oder
der Verdampfungsseite bereit, während
er einen verhältnismäßig hohen
Wärmeübertragungskoeffizienten
bereitstellt;
- 2. Der Wärmefluss
kann durch Hinzufügen
von mehr Oberfläche
oder Platten in einem gegebenen Rahmen leicht eingestellt werden;
- 3. Die Kondensationsseite einer Plattenrahmenkonstruktion läuft frei
ab und hat einen niedrigen Druckabfall, während ein verhältnismäßig hoher
Wärmeübertragungskoeffizient
aufrechterhalten wird;
- 4. Der höchst
wirkungsvolle Wärmeübertragungskoeffizient
ermöglicht
es, dass die Temperaturen der Oberflächen sehr nahe bei beiden Fluidstromtemperaturen
liegen, was die Gefahr der Verschmutzung verringert;
- 5. Die hohe Turbulenz und entsprechend hohe Fluidgeschwindigkeiten
haben niedrige Verschmutzung zur Folge und halten die Feststoffe
in homogener Suspension, wenn sie den Austauscher durchlaufen;
- 6. Einer Plattenrahmenkonstruktion sind keine warmen oder kalten
Stellen und keine Toträume
innewohnend, was die Gefahr der Verschmutzung oder Kesselsteinbildung
verringert;
- 7. Die Platten sind glatt und gut oberflächenbehandelt, was die Gefahr
von Verschmutzung verringert; und
- 8. Niedrige Fluid-Verweilzeit verringert die Gefahr von Ausfällung, da
nicht ausreichend Zeit zum Erreichen des Gleichgewichtes und zur
Erzeugung Kesselstein bildender Verunreinigungen vorhanden ist.
-
Noch
gattungsbezogener ist der Wärmeaustauscher
vom Plattentyp sehr kompakt und kann kostengünstig mit Platten aus exotischer
Legierung bereitgestellt werden, um der Rissbildung durch Fluidkorrosion und
Spannungskorrosion standzuhalten, die bei Anwendungen vom Typ der
Entsalzung verbreitet sind. Andere Arten von Austauschern, wie Gehäuse und
Rohr, Doppelrohr, Rippenrohr, Spiraltyp, können von den Fachleuten ebenfalls
ins Auge gefasst werden, vorausgesetzt die spezifischen Anforderungen
der Erfindung werden erfüllt.
-
7 ist
ein Schaubild, das den bevorzugten Konstruktionsbereich, der als
Ganzes mit 66 gekennzeichnet ist, für das Verhältnis des Massenflusses an
umgewälztem
Konzentrat zu dem Dampfmassenfluss zeigt. Der gewünschte Bereich
von etwa 10 bis 100 hat eine Dampffraktion von weniger als 10% bis
nahe 1% zur Folge.
-
8 ist
ein Schaubild, das die sich ergebende Auswirkung des örtlichen
Konzentrationsfaktors CFAUSTAUSCHER mit
Bezug auf die Gefahr weiterer Übersättigung
und Ausfällung
in dem Wärmeaustauscher zeigt.
Allgemein kann der Konzentrationsfaktor des Systems wie folgt ausgedrückt werden: CFGESAMT = CFABSCHLÄMMUNG·CFAUSTAUSCHER
-
Die
Konzentration, die in dem erwärmten
Separator einen stabilen Zustand erreicht, ergibt sich aus der ständigen Entfernung
von Dampf im Gleichgewicht mit einer fortlaufenden Abschlämmung aus
dem erwärmten Separator.
Der Wert von CFGESAMT ist typischerweise
in der Größenordnung
von weniger als 5- bis etwa 20-fach, abhängig von dem Ausmaß und der
Art der Verunreinigungen in dem Zustrom. Ebenfalls abhängend von
dem Ausmaß der
den Aufkocher verlassenden Dampfmasse wird der sich ergebende CFAUSTAUSCHER bestimmt (zwischen 1,0 und 1,1)
und die Abschlämmgeschwindigkeit
so eingestellt, dass in dem Aufkocher die gewünschten Konzentrationsniveaus
nicht überstiegen
werden. Ein typisches Beispiel kann wie folgt gezeigt werden:
- • Zustrom
enthält
20000 TDS, und es ist gewünscht,
dass TDS in dem Konzentrat 100000 nicht übersteigt.
- • Es
wird aus 7 festgestellt, dass das wirksamste
Massenverhältnis 20 ist,
was eine Dampffraktion von 5% zur Folge hat.
- • Aus 8 wird
festgestellt, dass CFAUSTAUSCHER etwa 1,07
ist. Der CFGESAMT wird als (100000/20000)
= 5 betragend berechnet.
- • Der
CFABSCHLÄMMUNG wird
als (5/1,07) = 4,7 betragend berechnet.
- • Deshalb
wird die korrigierte Abschlämmungsgeschwindigkeit
(1/4,7) = 21% des Einlass-Zustromes betragen.
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Demgemäss ist,
indem von einem Verfahren der Dampf-Wiederverdichtung in Kombination mit
einem Wärmeübertragungssystem
mit erzwungener Konvektion Gebrauch gemacht wird, und indem die
Schritte des sorgfältigen
Auswählens
des Verhältnisses
des Massenflusses des umgewälzten
Systems zu dem Massenfluss des Dampfstroms, so dass es weniger als
300 bis etwa 2, noch spezifischer ein Verhältnis von etwa 10 bis 100 ist,
des Auswählens
eines Wärmeflusses
von weniger als 18927,55 Kg·s–3,
und des Handhabens eines Abschlämmungs-Stromes,
um die gewünschte
Konzentrationswirkung (CF) zu erreichen, befolgt werden, das Ergebnis
eine sehr wirkungsvolle Einheit zur Wasserdestillation, die über lange
Betriebszeiträume
hinweg nicht anfällig
für Verschmutzung
und Kesselsteinbildung ist: durch Kombinieren der beiden bekannten
Verfahrensschemata mit einer einzigen Wärmeaustauschkonfiguration,
und noch genauer, konstruiert mit einem genau im Einzelnen bezeichneten,
im Stand der Technik nicht gelehrten Konzentrat-Umwälzverhältnis, ermöglicht die vorliegende
Erfindung das Bereitstellen eines wirkungsvollen Verfahrens, von
Verunreinigungen freies Wasser ohne die Gefahr der Verschmutzung
und Kesselsteinbildung zu destillieren.
-
Die
folgenden Beispiele dienen dazu, die Erfindung zu veranschaulichen.
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BEISPIEL 1
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Diese
Beispielrechnung ist ein Mittel, um die Wärmebilanz um den Aufkoch-Austauscher
herum zu demonstrieren. Dieses Beispiel stellt eine Konstruktionsgrundlage
einer Destillationseinheit dar, die dazu entworfen ist, 200,61 m3 sauberen Destillates aus einer verunreinigten
Quelle zurückzugewinnen.
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Dieses
Beispiel veranschaulicht, dass die in dem umgewälzten Fluid erzeugte 10%ige
Dampffraktion 99% der von der Kondensationsseite übertragenen
Wärme auffängt und
die Temperatur des umgewälzten
Fluides um weniger als 1 F erhöht,
obwohl die zehnfache Masse an umgewälztem Fluid vorhanden ist.
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BEISPIEL 2
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Eine
Einheit eines Prototyps wurde hergestellt, der konstruiert ist,
37,9 m3 sauberes Destillat aus einen Schlammteich
aus Deponiesickerwasser zurückzugewinnen.
Die Einheit wurde über
einen verlängerten
Zeitraum hinweg geprüft
und während
dieses Zeitraums wurden in Einzelheiten gehende Prüfdaten zur
Leistung gesammelt: die Pilotanlage arbeitete einen verlängerten Zeitraum
von 4 Monaten lang erfolgreich und bei Überprüfung war die Verschmutzung
in dem Aufkocher und dem erwärmten
Separator vernachlässigbar.
Die bei der Pilotprüfung
verwendete Ausrüstung
beinhaltete einen SpencerTM Modell GF36204E
Auflader-Kompressor, der einen Differenzdruck von 2,1·104 Kg·m–1·s–2 bereitstellt.
Während
der Prüfung
wurden Standard Platten-und-Rahmen Wärmeaustauscher vom Ein-Durchgangs-Typ
verwendet.
-
Die
Merkmale des Sickerwasser-Zustroms, der konzentrierten Abschlämmung und
des behandelten Abwassers waren wie folgt:
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Das
Abwasser ist von einer solchen Qualität, dass es in die Oberflächenwasser-Körper abgelassen werden
kann, wobei es beinahe alle behördlichen
Richtlinien übertrifft.
Der Energieverbrauch des Kompressors wurde gemessen und für unterschiedliche
Leistungspunkte aufgezeichnet, einschließlich den Bedingungen des Herunterfahrens
und Hochfahrens des Kompressors. Der gemessene Energieverbrauch
wurde in 9 als Energieverbrauch pro 3,785
m3 für
die verschiedenen Destillatflüsse
aufgetragen. Die Kurve der Prüfungsdaten
wurde über
den Bereich der Flüsse
um die Unzulänglichkeiten
des Kompressors korrigiert und es wurde ein gleichmäßiger Energieverbrauchswert
von 1,8·107 Kg·m2·s–2/3,785
m3 abgeleitet. Wenn Standard-Wirkungsgrade
des Kompressors von etwa 77% zugestanden werden, beträgt der erforderliche
Energieverbrauch für
die hochwirksame Destillationseinheit etwa 2,34·107 Kg·m2·s2/3,785 m3. Der Strom
an Abschlämmung
betrug im Durchschnitt etwa 10% des Zustromes über den ganzen Prüfungszeitraum
hinweg, was einen mittleren Konzentrationsfaktor (CF) von 10 ergibt.
Nach der Prüfung
wurde eine visuelle Nachschau ausgeführt, die keine Zeichen von
Kesselsteinbildung in der erwärmten
Separator- und Aufkocherapparatur zeigte.
-
Bezüglich der
in dem System verwendbaren Vorrichtungen wird von den Fachleuten
leicht erkannt werden, welche Beispiele von den erwärmten Separatoren,
Vorerwärmern,
Aufkochern, Pumpen, Kompressoren/Aufladern und so weiter am wünschenswertesten
sind. Andere Abwandlungen werden leicht erkannt werden, ohne von
dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
