WO2003068687A1 - Verfahren zur verdampfung von flüssigkeiten bei durch flüssigkeitssäulen erzeugtem unterdruck und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur verdampfung von flüssigkeiten bei durch flüssigkeitssäulen erzeugtem unterdruck und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
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    • C02F1/04—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation
    • C02F1/046—Treatment of water, waste water, or sewage by heating by distillation or evaporation under vacuum produced by a barometric column
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
    • Y02A20/124—Water desalination

Definitions

  • the invention is based on a method for evaporating liquids according to the preamble of claim 1.
  • a permanent negative pressure required for this purpose is generated mechanically with suitable devices, such as in particular by steam jet pumps, water jet pumps, etc.
  • Such methods include known in the field of thermal evaporation of sea water to produce water with a low salt content or in the chemical industry as a thermal process operation for various applications.
  • the disadvantage here is in particular a high energy expenditure for generating and maintaining the negative pressure.
  • BESTATIGUNGSKOPIE The invention has for its object to provide a generic method and a device with which evaporation can be achieved with little energy. It is solved according to the invention by the features of claim 1. Further refinements result from the subclaims.
  • the invention is based on a method for evaporating at least one liquid at a negative pressure, which is required to achieve the evaporation of the liquid at a boiling temperature which is below a boiling temperature associated with a reference pressure.
  • the negative pressure be generated by gravity acting on a medium.
  • an additional energy supply can advantageously be largely dispensed with and operating costs, in particular energy costs, for generating the negative pressure can be reduced by up to 95%.
  • additional devices that are required to generate the negative pressure can advantageously be avoided, such as e.g. Water jet pumps, steam jet pumps, etc.
  • the medium is formed by a hanging liquid column completely filling a cross-sectional area of a channel, a high effect can be achieved with the hanging liquid column in a space-saving manner.
  • the liquid to be evaporated which can also be can be mixed, and / or a condensate formed can be used as liquid in the liquid column.
  • An additional liquid to form a liquid column can advantageously be avoided.
  • the device can be started simply by completely filling the channel with the liquid and / or with the condensate.
  • the medium could also be formed from a solid material that appears appropriate to the person skilled in the art.
  • the liquid column when using a liquid column, can be used particularly advantageously as a drain. Additional channels and a complex control and / or regulation for removing unevaporated mass constituents from a heat exchanger and / or a condenser can be avoided.
  • a constant weight or a constant negative pressure can be achieved in a structurally simple manner, in particular by displacing condensate and / or brine liquid at one end of the channel and thus keeping the liquid column constant.
  • the negative pressure be set over the length of the liquid column, as a result of which additional, complex adjustment mechanisms can be avoided.
  • the reference pressure can be formed by atmospheric pressure or by another pressure that deviates from atmospheric pressure. If the reference pressure is formed by the atmospheric pressure, the negative pressure can be easily constructed against the atmospheric pressure in that the atmospheric pressure is around the hydrostatic pressure of the hanging liquid column located in the channel is reduced.
  • a free end of at least one channel opens into an environment with the reference pressure that deviates from an existing atmospheric pressure, the length of the liquid column and thus the negative pressure can be set simply via the reference pressure, in particular with a short liquid column a large pressure difference between a room can be set Reference pressure and the atmosphere can be achieved.
  • inert constituents released during evaporation be suctioned off. Enrichment of the inert constituents and undesired pressure build-up by the inert constituents in the device can advantageously be avoided.
  • a primary energy used is particularly advantageously used for the evaporation of the liquid in at least two stages, as a result of which a high degree of efficiency can be achieved.
  • the method can be used in various fields of application that appear sensible to a person skilled in the art. However, the method is particularly advantageously used for separating at least part of a substance dissolved in the liquid. In particular, large amounts of sea water can be desalinated with little design effort and with little energy expenditure. drawing
  • FIG. 1 schematically shows a method principle with a heat exchanger 15, which is charged with a primary energy 24.
  • a liquid 10 is evaporated at a negative pressure in the heat exchanger 15.
  • the gravity acting on a medium is used to generate the negative pressure that is required to achieve the evaporation of the liquid 10 at a boiling temperature that is below a boiling temperature associated with a reference pressure.
  • the medium is formed by hanging liquid columns 11, 12, which are used as a drain from the heat exchanger 15 and a condenser 16.
  • a heating medium used as primary energy 24 cools down when flowing through the heat exchanger 15 or can be caused by other processes, e.g. Cooling and / or condensation transfer so much heat that a liquid flow of the liquid to be evaporated 10 can evaporate in whole or in part.
  • the corresponding steam flows through a separator 25 into the condenser 16
  • inert gases 27 are conventionally suctioned off by suitable devices.
  • the condensate formed in the condenser 16 in a second stage 23 flows through the channel 14 completely filled with condensate, the free end of which ends in the atmosphere via a collecting funnel 21 into the atmosphere.
  • the negative pressure on the condensate side in the condenser 16 thus essentially results from the atmospheric pressure, reduced by the hydrostatic pressure of the hanging liquid column 12 located in the channel 14.
  • the heat exchanger 15 and the condenser 16 represent vessels connected via the separator 25, the negative pressure prevailing through the hanging liquid column 12 prevails. Probably on the evaporation side in the heat exchanger 15 as well as on the condensation side in the separator 25 and in the condenser 16. However, a prerequisite for this is that the channel 13, which serves as a drain for a non-evaporating portion of the liquid flow of the liquid 10, is also like the channel 14 is completely filled, has almost the same length 19 as the channel 14 and that its end also opens into the atmosphere via a discharge or collecting funnel 20.
  • the liquid 18 in the channel 14 of the condenser 16 is partially desalinated sea water and in the channel 13 the liquid 17 is undevaporated brine enriched with sea salt.
  • the inert gases 27 are drawn off in the separator 25, which corresponds to only a very small proportion of a mass flow of the vaporized liquid in the case of sea water, while the remaining steam is passed on to the condenser 16.
  • the condenser 16 can be flowed through by a liquid 26 which, when flowing through heat absorption in the condenser 16, enables the condensation of the vapor from the separator 25.
  • the liquid 26 can in particular be sea water which, in comparison to the first stage 22, is evaporated again at a slightly lower pressure. This cycle can be repeated with a plurality of stages 22, 23, the lower pressure of subsequent stages then required in each case being achieved by longer, hanging liquid columns 28.
  • separator 25, heat exchanger 15 and condenser 16 are shown separately, but they can also be combined in terms of equipment. The pumps, shut-off and control devices required to carry out the method have not been shown because their arrangements are familiar to the person skilled in the art.

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verdampfung von wenigstens einer Flüssigkeit (10) bei einem Unterdruck, der benötigt wird, um die Verdampfung der Flüssigkeit (10) bei einer Siedetemperatur zu erreichen, die unterhalb einer einem Umgebungsdruck zugeordneten Siedetemperatur liegt. Es wird vorgeschlagen, dass der Unterdruck durch die auf wenigstens eine Flüssigkeitssäule (11, 12, 28) wirkende Schwerkraft gebildet ist.

Description

VERFAHREN ZUR VERDAMPFUNG VON FLÜSSIGKEITEN BEI DURCH FLUSSIGKEITSSAULΞN ERZEUGTEM UNTERDRUCK UND VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DES VERFAHRENS
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verdampfung von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Verdampfung von Flüssigkeiten in einem Druckbereich unterhalb des Luftdrucks bzw. des Atmosphärendrucks wird ein dazu erforderlicher permanenter Unterdruck mit geeigneten Vorrichtungen mechanisch erzeugt, wie insbesondere durch DampfStrahlpumpen, Wasserstrahlpumpen usw.
Derartige Verfahren sind u.a. auf dem Gebiet der thermischen Verdampfung von Meerwasser zur Gewinnung von Wasser mit einem geringen Salzgehalt oder in der chemischen Industrie als thermische Verfahrensoperation für verschiedene Anwendungen bekannt .
Nachteilig ist hier insbesondere ein hoher energetischer Aufwand zur Erzeugung und zur Aufrechterhalt ng des Unterdrucks .
BESTATIGUNGSKOPIE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen mit einem geringen Energieaufwand eine Verdampfung erreicht werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst . Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verdampfung von wenigstens einer Flüssigkeit bei einem Unterdruck, der benötigt wird, um die Verdampfung der Flüssigkeit bei einer Siedetemperatur zu erreichen, die unterhalb einer einem Referenzdruck zugeordneten Siedetemperatur liegt.
Es wird vorgeschlagen, daß der Unterdruck durch die auf ein Medium wirkende Schwerkraft erzeugt wird. Vorteilhaft kann zur Erzeugung des Unterdrucks auf eine zusätzliche Energiezufuhr weitgehend verzichtet und Betriebskosten, insbesondere Energiekosten, zur Erzeugung des Unterdrucks können bis zu 95% reduziert werden. Ferner können zusätzliche Geräte, die zur Erzeugung des Unterdrucks benötigt werden, vorteilhaft vermieden werden, wie z.B. Wasserstrahlpumpen, DampfStrahlpumpen usw.
Wird das Medium von einer eine Querschnittsfläche eines Kanals vollständig ausfüllenden, hängenden Flüssigkeitssäule gebildet, kann mit der hängenden Flüssigkeitssäule platzsparend eine hohe Wirkung erzielt werden. Ferner kann die zu verdampfende Flüssigkeit, die auch von einem Flüssigkeitsge- misch gebildet sein kann, und/oder ein entstandenes Kondensat als Flüssigkeit in der Flüssigkeitssäule verwendet werden. Eine zusätzliche Flüssigkeit zur Bildung einer Flüssigkeitssäule kann vorteilhaft vermieden werden. Ferner kann die Vor- richtung einfach gestartet werden, indem der Kanal vollständig mit der Flüssigkeit und/oder mit dem Kondensat gefüllt wird. Grundsätzlich könnte das Medium jedoch auch aus einem, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden festen Material gebildet sein.
Ferner kann bei der Verwendung einer Flüssigkeitssäule die Flüssigkeitssäule besonders vorteilhaft als Abfluß genutzt werden. Zusätzliche Kanäle und eine aufwendige Steuerung und/oder Regelung zum Abführen unverdampfter Massenbestand- teile aus einem Wärmetauscher und/oder einem Kondensator können vermieden werden. Es kann konstruktiv einfach eine konstante Gewichtskraft bzw. ein konstanter Unterdruck erreicht werden, und zwar indem insbesondere Kondensat und/oder Sole Flüssigkeit an einem Ende des Kanals verdrängt und die Flüs- sigkeitssäule somit konstant gehalten werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Unterdruck über die Länge der Flüssigkeitssäule eingestellt wird, wodurch zusätzliche, aufwendige Ein- Stellmechanismen vermieden werden können.
Der Referenzdruck kann vom Atmosphärendruck oder von einem anderen, vom Atmosphärendruck abweichenden Druck gebildet sein. Ist der Referenzdruck vom Atmosphärendruck gebildet, kann der Unterdruck konstruktiv einfach gegen den Atmosphärendruck gebildet werden, indem der Atmosphärendruck um den hydrostatischen Druck der im Kanal befindlichen hängenden Flüssigkeitssäule vermindert wird.
Mündet ein freies Ende zumindest eines Kanals in einer Umgebung mit dem Referenzdruck, der von einem vorliegenden Atmosphärendruck abweicht, kann einfach über den Referenzdruck die Länge der Flüssigkeitssäule und somit der Unterdruck eingestellt werden, insbesondere kann mit einer kurzen Flüssigkeitssäule eine große Druckdifferenz zwischen einem Raum mit Referenzdruck und der Atmosphäre erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß bei der Verdampfung frei werdende inerte Bestandteile abgesaugt werden. Eine Anreicherung der inerten Bestandteile und ein ungewünschter Druckaufbau durch die i- nerten Bestandteile in der Vorrichtung kann vorteilhaft vermieden werden.
Besonders vorteilhaft wird eine eingesetzte Primärenergie für die Verdampfung der Flüssigkeit in wenigstens zwei Stufen genutzt, wodurch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Das Verfahren kann in verschiedenen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft wird das Verfahren jedoch zum Separieren zumindest eines Teils eines in der Flüssigkeit gelösten Stoffes verwendet. Insbesondere können mit geringem konstruktiven Aufwand und mit geringem Energieaufwand große Mengen an Meerwasser entsalzt werden. Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahrensprinzip mit einem Wär- metauscher 15, der mit einer Primärenergie 24 beschickt wird. In einer ersten Stufe 22 wird im Wärmetauscher 15 eine Flüssigkeit 10 bei einem Unterdruck verdampft.
Zur Erzeugung des Unterdrucks, der benötigt wird, um die Ver- dampfung der Flüssigkeit 10 bei einer Siedetemperatur zu erreichen, die unterhalb einer einem Referenzdruck zugeordneten Siedetemperatur liegt, wird die auf ein Medium wirkende Schwerkraft genutzt. Das Medium wird von hängenden Flüssigkeitssäulen 11, 12 gebildet, die als Abfluß aus dem Wärmetau- scher 15 und einem Kondensator 16 genutzt werden.
Auf die hängenden Flüssigkeitssäulen 11, 12, die sich in senkrecht nach unten weisenden Kanälen 13, 14 des Wärmetauschers 15 und des Kondensators 16 befinden, und deren Quer- schnittsflächen vollständig mit Flüssigkeiten 17, 18 gefüllt sind, wirkt die Schwerkraft. Im Wärmetauscher 15 und im Kon- densator 16 entsteht der gewünschte Unterdruck. Durch den Unterdruck wirkt auf die Flüssigkeitssäulen 11, 12 eine Kraft, die in entgegengesetzter Richtung zur Schwerkraft wirkt. Die Flüssigkeitssäulen 11, 12 hängen in einem Gleichgewichtszu- stand in den Kanälen 13, 14. Der gewünschte Unterdruck wird hierbei über die Länge 19 der hängenden Flüssigkeitssäulen 11, 12 proportional zu deren Dichte eingestellt.
Ein als Primärenergie 24 eingesetztes Heizmedium kühlt sich beim Durchströmen des Wärmetauschers 15 ab oder kann durch anderweitige Vorgänge, wie z.B. Abkühlung und/oder Kondensation so viel Wärme übertragen, daß ein Flüssigkeitsstrom der zu verdampfenden Flüssigkeit 10 ganz oder teilweise verdampfen kann. Der entsprechende Dampf strömt durch einen Abschei- der 25 in den Kondensator 16. Im Abscheider 25 werden der
Dampf und sog. Inertgase 27, bzw. inerte Bestandteile, zumindest teilweise getrennt. Die Inertgase 27 werden hierbei herkömmlich, durch geeignete Vorrichtungen, abgesaugt.
Das in einer zweiten Stufe 23 in dem Kondensator 16 entstehende Kondensat fließt durch den vollständig mit Kondensat gefüllten Kanal 14, dessen freies Ende über einen Auffang- trichter 21 in der Atmosphäre endet, in die Atmosphäre ab. Der Unterdruck auf der Kondensatseite im Kondensator 16 er- gibt sich somit im wesentlichen aus dem Atmosphärendruck, vermindert um den hydrostatischen Druck der im Kanal 14 befindlichen hängenden Flüssigkeitssäule 12.
Da der Wärmetauscher 15 und der Kondensator 16 über den Ab- scheider 25 verbundene Gefäße darstellen, herrscht der durch die hängende Flüssigkeitssäule 12 aufgeprägte Unterdruck so- wohl auf der Verdampfungsseite im Wärmetauscher 15 als auch auf der Kondensationsseite im Abscheider 25 und im Kondensator 16. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß der Kanal 13, der als Abfluß für einen nicht verdampfenden Anteil vom Flüssigkeitsstrom der Flüssigkeit 10 dient, ebenfalls wie der Kanal 14 vollständig gefüllt ist, nahezu die gleiche Länge 19 wie der Kanal 14 aufweist und daß sein Ende über einen Ablauf- bzw. Auffangtrichter 20 ebenfalls in der Atmosphäre mündet .
Wird das Verfahren zur Meerwasserentsalzung angewendet, ist die Flüssigkeit 18 im Kanal 14 des Kondensators 16 teilentsalztes Meerwasser und im Kanal 13 ist die Flüssigkeit 17 mit Meersalz angereicherte, unverdampfte Sole. Im weiteren Verlauf werden im Abscheider 25 die Inertgase 27 abgesaugt, was bei Meerwasser nur einen sehr geringen Anteil eines Massenstroms der verdampften Flüssigkeit entspricht, während der restliche Dampf an den Kondensator 16 weitergeleitet wird.
Wird die eingesetzte Primärenergie 24 für die Verdampfung der Flüssigkeit 10 in zwei Stufen genutzt, kann der Kondensator 16 von einer Flüssigkeit 26 durchflössen werden, die beim Durchfluß durch Wärmeaufnahme im Kondensator 16 die Kondensation des Dampfs aus dem Abscheider 25 ermöglicht.
Die Flüssigkeit 26 kann insbesondere wiederum Meerwasser sein, die im Vergleich zur ersten Stufe 22 bei etwas geringerem Druck wiederum verdampft wird. Dieser Zyklus kann sich mit mehreren Stufen 22, 23 wiederholen, wobei der dann jeweils erforderliche geringere Druck nachfolgender Stufen durch längere, hängende Flüssigkeitssäulen 28 erreicht wird. In Fig. 1 sind Abscheider 25, Wärmetauscher 15 und Kondensator 16 getrennt dargestellt, sie können jedoch auch apparativ vereinigt werden. Auf eine Darstellung von erforderlichen Pumpen, Absperr- und Regeleinrichtungen, die zur Durchführung des Verfahrens benötigt werden, wurde verzichtet, da deren Anordnungen dem Fachmann geläufig sind.
10 . 02 . 03
Bezugszeichen
10 Flüssigkeit
11 Flüssigkeitssäule
12 Flüssigkeitssäule
13 Kanal
14 Kanal
15 Wärmetauscher
16 Kondensator
17 Flüssigkeit
18 Flüssigkeit
19 Länge
20 Ablauf- bzw. Auffangtrichter
21 Ablauf- bzw. Auffangtrichter
22 Stufe
23 Stufe
24 Primärenergie 25 Abscheider
26 Flüssigkeit
27 Inertgase
28 Flüssigkeitssäule

Claims

10.02.03Ansprüche
1. Verfahren zur Verdampfung von wenigstens einer Flüssigkeit (10) bei einem Unterdruck, der benötigt wird, um die
) Verdampfung der Flüssigkeit (10) bei einer Siedetemperatur zu erreichen, die unterhalb einer einem Referenzdruck zugeordneten Siedetemperatur liegt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Unterdruck durch die auf wenigstens ein Medium wir-
5 kende Schwerkraft erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Medium von einer eine Querschnittsfläche eines Kanals ) (13, 14) vollständig ausfüllenden, hängenden Flüssigkeitssäule (11, 12, 28) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
5 daß zumindest eine Flüssigkeitssäule (11, 12, 28) als Abfluß aus wenigstens einem Wärmetauscher (15) und/oder Kondensator (16) genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Unterdruck über die Länge (19) der Flüssigkeitssäule (11, 12) eingestellt wird. 5
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein freies Ende zumindest eines Kanals (13, 14) in einer Umgebung mit dem Referenzdruck mündet, der von einem vorlie- D genden Atmosphärendruck abweicht .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei der Verdampfung frei werdende inerte Bestandteile ab- 5 gesaugt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine eingesetzte Primärenergie für die Verdampfung der 0 Flüssigkeit (10) in wenigstens zwei Stufen (22, 23) genutzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
5 daß in wenigstens einer Stufe (22, 23) zumindest ein Teil eines in der Flüssigkeit (10) gelösten Stoffes separiert wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
10. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h zumindest eine hängende Flüssigkeitssäule (11, 12, 28)
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