VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DESTILLATION VON LOSUNGEN AN EINER MEMBRANMETHOD AND DEVICE FOR DISTILLING SOLUTIONS ON A MEMBRANE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Destillation von Lösungen, insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brackwasser.The invention relates to a method and a device for the distillation of solutions, in particular for the production of fresh water from sea or brackish water.
Auf dem Gebiet der herkömmlichen thermischen Meerwasserentsalzung existieren grundsätzlich drei verschiedene Verfahren:There are basically three different processes in the field of conventional thermal desalination:
Mehrstufenentspannungsverdampfung (MSF = Multi Stage Flash) - Mehrfacheffektentsalzung (MED = Multi Effect Desalination) Brüdenverdichtung, eine Kombination aus mechanischen und thermischen Verfahren (VC = Vapor Compression) .Multi-stage flash evaporation (MSF = Multi Stage Flash) - multiple effect desalination (MED = Multi Effect Desalination) vapor compression, a combination of mechanical and thermal processes (VC = Vapor Compression).
Sämtliche bisher bekannten Membrandestillationsverfahren (MD) nutzen das MSF-Verfahren.All previously known membrane distillation processes (MD) use the MSF process.
Bei der Destillation wird eine Flüssigkeit verdampft und der Dampf kondensiert. Somit eignet sich die Destillation z.B. für die Trennung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Dampfdruck und für die vollständige oder teilweisen Trennung/ Abtrennung von Flüssigkeiten aus Salzlösungen.During the distillation, a liquid is evaporated and the vapor condensed. Thus distillation is suitable e.g. for the separation of liquids with different vapor pressure and for the complete or partial separation / separation of liquids from salt solutions.
Eine in der Praxis realisierbare Destillationsvorrichtung muss sowohl kostengünstig als auch energieeffizient sein. Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, ist ein entsprechender Destillationsprozess sinnvoll.
Umsetzbar sind diese Vorgaben mittels der bereits genannten Membrandestillation. Bei einer solchen Membrandestillation wird ein poröses dampfdurchlässiges Material benutzt. So wird in der US 3,340, 186 eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine luftgefüllte mikroporöse, hydropho- be Membran eingesetzt wird, so dass eine so genannte Direktkontakt- Membrandestillation durchführbar ist. Dabei treten der warme Meerwasserstrom und der kalte Destillationsstrom in direkten Kontakt mit der Membran.A distillation device that can be implemented in practice must be both inexpensive and energy-efficient. A corresponding distillation process only makes sense if both conditions are met. These requirements can be implemented using the membrane distillation mentioned above. Such a membrane distillation uses a porous, vapor-permeable material. No. 3,340,186 describes a device in which an air-filled microporous, hydrophobic membrane is used, so that a so-called direct contact membrane distillation can be carried out. The warm sea water stream and the cold distillation stream come into direct contact with the membrane.
In der EP 0 088 315 AI wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Destillation von heißen salzhaltigen Lösungen oder von Flüssigkeitsgemischen mit unterschiedlichem Dampfdruck beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besteht aus einer thermisch leitenden dampfundurchlässigen Schicht, die eine langgestreckte Wand bildet, sowie einer hydrophoben dampfdurchlässigen Membran, die eine benachbarte bzw. gegenüberliegende Wand bildet, wobei die beiden Wände gemeinsam eine lang gestreckte Destillationssammelkammer bzw. einen entsprechenden oder Destillationssammelkanal bilden. Die Kammer bzw. der Kanal besitzt einen Auslass für das Destillat. Bei einer bevorzugten Ausführung dieser bekannten Membrandestillation wird eine Spiralwickelkonfiguration genutzt. Dabei fließt kaltes Meerwasser (Feed) in einer spiralförmigen Kammer in deren Zentrum und nimmt dabei Wärme von der Kondensationsfläche auf. Dieses durch den Kondensationsvorgang des Destillats vorgewärmte Meerwasser (Feed) wird nun durch eine Heizung weiter erwärmt und anschließend in einem Konzentratkanal geführt. Die heiße Lösung strömt dann durch den von der Membran begrenzten Kanal nach außen. Beim Durchströmen des Konzentratkanals verdampft ein Teil der Lösung durch die Membran.
In der EP 1 185 356 wird ein Verfahren zur Reinigung einer Flüssigkeit durch Membrandestillation beschrieben, bei dem aus einem Flüssigkeitsstrom entstehender Dampf eine den Flüssigkeits ström begrenzende poröse Wand passiert. Der Dampf kondensiert an einer kühlen Kondensatorober- fläche und bildet einen Kondensatstrom. Die Kondensatoroberfläche trennt einen zugeführten Flüssigkeitsstrom vom Destillationsstrom. Dieser zugeführte Flüssigkeitsstrom strömt im Gegenstrom zum dampfabgebenden Flüssigkeitsstrom. Um den Destillationsstrom pro treibender Krafteinheit zu vergrößern, wird im Gaskanal ein Druck aufrechterhalten, der unter dem Umgebungsdruck. jedoch über dem Dampfdruck der den Dampf abgebenden Flüssigkeit liegt.EP 0 088 315 AI describes a device for the continuous distillation of hot saline solutions or of liquid mixtures with different vapor pressure. This known device consists of a thermally conductive vapor-impermeable layer, which forms an elongated wall, and a hydrophobic vapor-permeable membrane, which forms an adjacent or opposite wall, the two walls together forming an elongated distillation collection chamber or a corresponding or distillation collection channel. The chamber or channel has an outlet for the distillate. In a preferred embodiment of this known membrane distillation, a spiral wrap configuration is used. Cold sea water (feed) flows in a spiral chamber in the center and absorbs heat from the condensation surface. This sea water (feed), which has been preheated by the condensation process of the distillate, is then further heated by a heater and then conducted in a concentrate channel. The hot solution then flows out through the channel delimited by the membrane. When flowing through the concentrate channel, part of the solution evaporates through the membrane. EP 1 185 356 describes a process for purifying a liquid by membrane distillation, in which steam arising from a liquid flow passes through a porous wall which limits the liquid flow. The steam condenses on a cool condenser surface and forms a condensate flow. The condenser surface separates a supplied liquid stream from the distillation stream. This supplied liquid stream flows in countercurrent to the vapor-emitting liquid stream. In order to increase the distillation flow per driving force unit, a pressure is maintained in the gas channel which is below the ambient pressure. however, is above the vapor pressure of the liquid emitting the vapor.
Im Zusammenhang mit den bekannten Membrandestillationsverfahren ergibt, sich nun eine Reihe von Problemen. So ist bei sämtlichen bekann- ten Membrandestillationsverfahren (MD-Verfahren) die umgesetzte Energiedichte gering, was darauf zurückzuführen ist, dass bei den bekannten Verfahren stets oberhalb des Siededampfdrucks der aufzukonzentrierenden Lösung gearbeitet wird und die entstehenden Dampfmengen damit entsprechend gering sind. Hinzu kommt, dass bei den bekannten MD- Verfahren die bei der Kondensation des erzeugten Dampfes freiwerdende Kondensationswärme stets durch die Erwärmung eines Flüssigkeitsstromes aufgenommen wird. Beim Verfahren mit einem Gasspalt (Air Gap) wird der Dampf an einer dampf- und flüssigkeitsdichten Oberfläche kondensiert und die freiwerdende Kondensationswärme wird durch Wärmelei- tung und Wärmeübergang an die Flüssigkeit übertragen. Beim Direktkontakt-Verfahren tritt der an der Grenzfläche der wärmeren Flüssigkeit zur Membran entstehende Dampf durch die Membran und kondensiert in der an die Membranwand angrenzende kältere Flüssigkeit. Hier wird die Verdampfungswärme dem Flüssigkeitsstrom durch Abkühlung entzogen und dem zugeführten Flüssigkeitsstrom durch Erwärmung wieder zuge-
führt. Um die Verdampfungswärme für einen Liter Destillat bereitzustellen, sind mindestens 20 Liter wässrige Flüssigkeit von 80°C auf 40°C abzukühlen. Der Lösungsstrom muss also mindestens zwanzigmal so groß sein wie der erzeugte Destillatstrom.A number of problems arise in connection with the known membrane distillation processes. For all known membrane distillation processes (MD process), the energy density converted is low, which is due to the fact that the known processes always work above the boiling steam pressure of the solution to be concentrated and the resulting steam quantities are accordingly low. In addition, in the known MD methods, the heat of condensation released during the condensation of the steam generated is always absorbed by the heating of a liquid stream. In the process with a gas gap (air gap), the vapor is condensed on a vapor and liquid-tight surface and the heat of condensation released is transferred to the liquid by heat conduction and heat transfer. In the direct contact method, the vapor which arises at the interface between the warmer liquid and the membrane passes through the membrane and condenses in the colder liquid adjacent to the membrane wall. Here, the heat of vaporization is extracted from the liquid flow by cooling and then returned to the liquid flow supplied by heating. leads. In order to provide the heat of vaporization for one liter of distillate, at least 20 liters of aqueous liquid must be cooled from 80 ° C to 40 ° C. The solution stream must therefore be at least twenty times as large as the distillate stream generated.
Bei den bekannten MD-Verfahren wird die Kondensationswärme des Destillats also stets durch die Erwärmung der zuströmenden Flüssigkeit aufgenommen, was einen im Vergleich zur Destillaterzeugung zumindest zwanzigmal größeren Massenstrom erfordert.In the known MD processes, the heat of condensation of the distillate is therefore always absorbed by heating the inflowing liquid, which requires a mass flow which is at least twenty times greater than that of distillate production.
Dazu müssen bei den bekannten MD -Verfahren große Flüssigkeitsmassenströme umgepumpt werden, was einen hohen Bedarf an Hilfsenergie (Pumpen) pro Einheit erzeugten Produkts mit sich bringt. Überdies muss bei einem Betrieb, bei dem die Lösung für eine höhere Aufkonzentration im Kreis gefahren wird und nur Teile der Lösung verworfen werden, die auf der heißen Seite zugeführte Wärme im Wesentlichen über einen -Kühler wieder entnommen werden.For this purpose, in the known MD processes, large liquid mass flows have to be pumped around, which entails a high demand for auxiliary energy (pumps) per product produced. In addition, in an operation in which the solution is circulated for a higher concentration and only parts of the solution are discarded, the heat supplied on the hot side must essentially be removed again via a cooler.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die zuvor genannten Probleme beseitigt sind. Dabei sollen insbesondere die Energiedichte erhöht, die umgepumpten Flüssigkeitsvolumen sowie der Bedarf an Hilfsenergie reduziert, die Wärmerückgewinnung verbessert sowie eine Kühlung wie bei der bekannten Mehrstufen- entspannungsverdampfung (MSF- Verfahren) vermieden werden.The invention has for its object to provide an improved method and an improved device of the type mentioned, in which the aforementioned problems are eliminated. In particular, the energy density should be increased, the pumped liquid volume and the need for auxiliary energy reduced, the heat recovery improved and cooling as in the known multi-stage flash evaporation (MSF process) avoided.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitsstrom auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt wird,With regard to the method, this object is achieved according to the invention by a) that a liquid flow containing a solution in question is limited on at least one side by a microporous hydrophobic membrane,
b) dass dafür gesorgt wird, dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran berührenden Flüssigkeitsstrom verdampft und der entstehende Dampf durch die Membran hindurch in einen Dampfkanal gelangt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt,b) it is ensured that a part of the liquid evaporates from the liquid stream touching the membrane and the resulting steam passes through the membrane into a steam channel in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points,
c) dass eine von der Membran getrennte dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand eingesetzt wird, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, undc) that a vapor-tight and liquid-tight condensation wall is used, separated from the membrane, on which the vapor condenses at least partially, and
d) dass die vom Dampfkanal abgewandte Seite der Kondensationswand zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeits ström berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt wird, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.d) that the side of the condensation wall facing away from the steam channel is at least partially touched again by a liquid containing the solution in question, which is again delimited on the opposite side by a microporous hydrophobic membrane, so that the condensation energy supplied to the liquid flow is at least partially again in vaporization energy is implemented.
Bevorzugt werden die Verfahrensschritte a) bis d) mehrfach wiederholt.Process steps a) to d) are preferably repeated several times.
Vorteilhafterweise wird an einer jeweiligen Membran nach einem Membrandestillationsverfahren mit kontinuierlichem Temperaturverlauf ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsstrom verdampft. Es ist insbesondere auch eine solche Ausgestaltung des Verfahrens denkbar, bei der an einer jeweiligen Membran nach einem Membrandestillationsverfahren in kon-
kreten Stufen mit zugeordneten Temperaturstufen ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsstrom verdampft wird.Part of the liquid is advantageously evaporated from the liquid flow on a respective membrane by a membrane distillation process with a continuous temperature profile. In particular, such an embodiment of the method is also conceivable, in which, in accordance with a membrane distillation process, crete stages with assigned temperature stages, part of the liquid is evaporated from the liquid stream.
Zweckmäßigerweise wird am Ende des Verfahrens der restliche, noch verbliebene Dampf am zugeführten, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom kondensiert.At the end of the process, the remaining, still remaining steam is expediently condensed on the liquid stream supplied which contains the solution in question.
Bevorzugt werden am Ende des Verfahrens insbesondere auch die austretenden Ströme an aufkonzentrierter Lösung und Destillat gegen den zugeführten Flüssigkeitsstrom gekühlt.At the end of the process, in particular the escaping streams of concentrated solution and distillate are preferably cooled against the liquid stream supplied.
Die im Zusammenhang mit den bekannten Verfahren genannten Probleme können also beispielsweise durch die folgenden Schritte beseitigt werden:The problems mentioned in connection with the known methods can thus be eliminated, for example, by the following steps:
Aus einem Flüssigkeitsstrom, der zumindest auf einer Seite stets oder meist durch eine mikroporöse Membran begrenzt wird, wird ein Teil der Flüssigkeit verdampft, wobei der verdampfte Anteil als Dampf, insbesondere Dampf, durch die Membran hindurchtritt und an einer von der Membran getrennten dampf- und flüssigkeitsdichten Fläche wieder kondensiert wird. Dieser Kondensationsfläche oder -wand liegt wieder eine mikroporöse hydrophobe Membranwand gegenüber, die mit der genannten Kondensationsfläche oder -wand einen schmalen, mit Lösung gefüllten Strömungskanal von einer Breite in einem Bereich von beispielsweise etwa 1 bis etwa 8 mm, bevorzugt etwa 2 bis 5 mm, begrenzt. Die der Kondensationsfläche oder -wand zugeführte Kondensationsenergie wird somit im Bereich des Strömungskanals gleich wieder in Verdampfungsenergie umgewandelt.Part of the liquid is evaporated from a liquid flow, which is always or mostly delimited at least on one side by a microporous membrane, the evaporated part passing through the membrane as steam, in particular steam, and at a vapor and liquid-tight surface is condensed again. This condensation surface or wall is again opposed by a microporous hydrophobic membrane wall which, with the condensation surface or wall mentioned, has a narrow flow channel filled with solution and of a width in a range of, for example, about 1 to about 8 mm, preferably about 2 to 5 mm. limited. The condensation energy supplied to the condensation surface or wall is thus immediately converted back into evaporation energy in the region of the flow channel.
Der Absolutdruck des für das Membrandestillationsverfahren verwendeten Dampfraums kann an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegen. Der erzeugte Dampf kann dann entsprechend seines Dampfdru-
ckes an der dampfdruck-/ temperaturkorrespondierenden Stelle des MD- Verfahrens kondensieren.The absolute pressure of the vapor space used for the membrane distillation process can be below the ambient pressure at all points. The steam generated can then be Condense at the steam pressure / temperature corresponding point of the MD process.
In einem Membrandestillationsverfahren mit kontinuierlichem Tempera- turverlauf oder in konkreten Stufen mit zugeordneten Temperaturstufen wird Salzlösung an einer Membranwand verdampft. Der Dampf tritt durch eine mikroporöse, hydrophobe Membran in einen Dampfkanal mit Unterdruck und kondensiert an einer temperatur-/ dampfdruckkorrespondierenden Stelle an der Kondensationsfläche. Die an der Kondensations- fläche aufgenommene Latentwärme wird sofort wieder zum Verdampfen aus der auf der anderen Seite angrenzenden Lösung durch eine Membran verwendet. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, wobei die Energieeffizienz mit der Anzahl der Wiederholungen steigt.In a membrane distillation process with a continuous temperature curve or in concrete steps with assigned temperature steps, salt solution is evaporated on a membrane wall. The steam enters through a microporous, hydrophobic membrane into a steam channel with negative pressure and condenses at a point on the condensation surface that corresponds to the temperature / steam pressure. The latent heat absorbed at the condensation surface is immediately used again to evaporate from the solution on the other side through a membrane. This process is repeated several times, with energy efficiency increasing with the number of repetitions.
Am Ende des Verfahrens wird der restliche, das Verfahren verlassende Dampf an- der zugeführten Lösung kondensiert. Überdies werden die austretenden Ströme an aufkonzentrierter Lösung und Destillat gegen die zugeführte Lösung gekühlt.At the end of the process, the remaining steam leaving the process is condensed on the supplied solution. In addition, the emerging streams of concentrated solution and distillate are cooled against the supplied solution.
Bezüglich der Vorrichtung wird die zuvor angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,With regard to the device, the previously specified object is achieved according to the invention in that
a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeits ström auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt ist,a) that a liquid stream containing a solution in question is bounded on at least one side by a microporous hydrophobic membrane,
b) dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran berührenden Flüssigkeitsstrom durch die Membran hindurch in einen Dampfkanal verdampft, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt,
c) dass eine von der Membran getrennte dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand vorgesehen ist, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, undb) that part of the liquid from the liquid stream touching the membrane evaporates through the membrane into a vapor channel in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points, c) that a vapor and liquid-tight condensation wall is provided, separated from the membrane, on which the vapor condenses at least partially, and
d) dass die vom Dampfkanal abgewandte Seite der Kondensationswand zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Memb- ran begrenzt ist, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.d) that the side of the condensation wall facing away from the steam channel is at least partially touched again by a liquid stream containing the solution in question, which is again delimited on the opposite side by a microporous hydrophobic membrane, so that the condensation energy supplied to the liquid stream is at least partially in again Evaporation energy is implemented.
Dabei ist vorzugsweise eine Mehrfachanordnung von jeweils die Merkmale a) bis d) aufweisenden Einheiten vorgesehen.A multiple arrangement of units each having the features a) to d) is preferably provided.
Eine bevorzugte praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom zumindest teilweise in einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal geführt ist, der auf einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand begrenzt ist, wobei infolge der spiralförmigen Anordnung des Flüssigkeitskanals zwischen dessen Windungen ein entsprechend spiralförmiger Dampfkanal gebildet ist, der auf einer Seite durch die Membran und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Kondensationswand begrenzt ist. Durch eine spiralförmige Anordnung gelingt es, dass die Membranfläche stets gegenüber der beispielsweise durch eine Folie gebildeten Kondensationswand zu liegen kommt. Der aus der Lösung durch die Membran tretende Dampf trifft also stets auf eine Kondensationsfläche. Eine solche Ausführungs-
form entspricht thermodynamisch einem Mehrfacheffektverfahren mit kontinuierlichem Dampfdruckverlauf. Der das Modul verlassende, nicht auskondensierte Dampf wird in einem Kühler oder Kondensator kondensiert, der durch die gegenströmende Lösung gekühlt wird. Dabei wird die Lösung in erwünschter Weise vorgewärmt. Das entstehende Destillat wird mit einer Pumpe abgezogen und über einen von der Lösung durchströmten Kühler geführt, wobei die Lösung wiederum vorgewärmt wird. Bevor die Lösung in die Membrandestillationsvorrichtung eintritt, wird sie über einen Wärmetauscher noch weiter erhitzt.A preferred practical embodiment of the device according to the invention is characterized in that the liquid stream containing the solution in question is at least partially guided in a spiral liquid channel which is delimited on one side by a microporous hydrophobic membrane and on the opposite side by a vapor and liquid-tight condensation wall is, due to the spiral arrangement of the liquid channel between the turns of a corresponding spiral vapor channel is formed, which is bounded on one side by the membrane and on the opposite side by the condensation wall. A spiral arrangement ensures that the membrane surface always comes to lie opposite the condensation wall formed, for example, by a film. The vapor emerging from the solution through the membrane always hits a condensation surface. Such an execution form corresponds thermodynamically to a multiple-effect process with a continuous vapor pressure curve. The uncondensed steam leaving the module is condensed in a cooler or condenser which is cooled by the counter-flowing solution. The solution is preheated as desired. The resulting distillate is drawn off with a pump and passed over a cooler through which the solution flows, the solution again being preheated. Before the solution enters the membrane distillation device, it is further heated by a heat exchanger.
Es ist jedoch beispielsweise auch eine solche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar, bei der Dampf aus einem Dampferzeuger einer ersten Stufe aus mehreren Platten zugeführt ist, die den Dampf aufnehmende, zueinander parallele Kondensationskanäle aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand begrenzt sind, wobei diesen Kondensationswänden andererseits jeweils wieder eine mikroporöse hydrophobe Membran gegenüberliegt, um gemeinsam mit der Kondensationswand einen jeweiligen Flüssigkeitskanal für eine die betreffende Lösung enthal- tenden Flüssigkeitstrom zu bilden. Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen ist jeweils ein Dampfraum gebildet, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt. Dabei sind zweckmäßigerweise zumindest zwei, jeweils mehrere Platten umfassende Stufen hintereinander geschaltet. In diesem Fall können die aus einer jeweils vorangehenden Stufe austretenden, die betreffendeHowever, it is also conceivable, for example, for such an embodiment of the device according to the invention in which steam from a steam generator is fed to a first stage comprising a plurality of plates which has condensation channels which absorb the steam and are parallel to one another and which on opposite sides each have a vapor and liquid density Condensation wall are limited, with these condensation walls on the other hand each facing a microporous hydrophobic membrane in order to form together with the condensation wall a respective liquid channel for a liquid flow containing the solution in question. A vapor space is formed between two opposite membranes, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points. In this case, at least two stages, each comprising a plurality of plates, are expediently connected in series. In this case, those leaving a previous stage can be the relevant one
Lösung enthaltenden Flüssigkeitsströme den Flüssigkeitskanälen und der aus einer jeweils vorangehenden Stufe austretende Dampf den Kondensationskanälen der jeweiligen nachfolgenden Stufe zugeführt werden. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer solcher Stufen kann ein Membrandestillationsverfahren verwirklicht werden, das thermodyna-
misch einem Mehrfacheffektverfahren entspricht. Das zunehmende Dampfvolumen kann durch eine entsprechende Erhöhung der Plattenzahlen in den einzelnen Stufen aufgefangen werden.Solution-containing liquid streams are fed to the liquid channels and the vapor emerging from a respective preceding stage is fed to the condensation channels of the respective subsequent stage. By connecting several such stages in series, a membrane distillation process can be implemented that uses thermodynamic mix corresponds to a multiple effects process. The increasing steam volume can be absorbed by a corresponding increase in the number of plates in the individual stages.
Der der ersten Stufe vorgeschaltete Dampferzeuger kann insbesondere mehrere zueinander parallele, jeweils durch zwei einander gegenüberliegende mikroporöse hydrophobe Membranen begrenzte Flüssigkeitskanäle für einen die betreffende Lösung enthaltenen Flüssigkeits ström umfassen, wobei an eine Membran jeweils ein Dampfraum angrenzt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.The steam generator connected upstream of the first stage can in particular comprise a plurality of parallel liquid channels for a liquid containing the solution in question, each delimited by two opposing microporous hydrophobic membranes, a vapor space adjoining each membrane in which the absolute pressure at all points below the Ambient pressure.
Der aus dem spiralförmigen oder Plattenmodul austretende nicht auskondensierte Dampf kann in einem Kühler oder Kondensator kondensiert werden, der durch den die betreffende Lösung enthaltenden zugeführten Flüs sigkeits ström gekühlt wird .The non-condensed steam emerging from the spiral or plate module can be condensed in a cooler or condenser which is cooled by the liquid flow containing the solution in question.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Pumpe zum Abziehen des entstehenden Destillats vorgesehen.At least one pump is expediently provided for withdrawing the distillate formed.
Das entstehende Destillat kann über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Kühler geführt sein.The resulting distillate can be passed through a cooler through which the liquid stream supplied flows.
Zweckmäßigerweise ist der zugeführte Flüssigkeitsstrom vor der Membrandestillation über einen Wärmetauscher zusätzlich erhitzbar.The supplied liquid stream can expediently be additionally heated via a heat exchanger before the membrane distillation.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing; in this show:
Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brack-
wasser einsetzbaren Destillationsvorrichtung mit einem spiralförmigen Kanal für den die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom, und1 shows an exemplary embodiment of a particularly for the production of fresh water from sea or brackish water-usable distillation device with a spiral channel for the liquid stream containing the solution in question, and
Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Destillationsvorrichtung mit hintereinander geschalteten, jeweils mehrere Platten umfassenden Stufen.Figure 2 shows another exemplary embodiment of the distillation device with stages connected in series, each comprising several plates.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausfüh- rungsform einer insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meeroder Brackwasser einsetzbaren Destillationsvorrichtung 10 mit einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal 12 für den die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom.FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a distillation device 10 which can be used in particular for the production of fresh water from sea or brackish water and has a spiral-shaped liquid channel 12 for the liquid stream containing the solution in question.
Demgegenüber ist in der Figur 2 in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer Destillationsvorrichtung 10 mit hintereinander geschalteten, jeweils mehreren Platten umfassenden Stufen 14, 16 wiedergegeben.In contrast, FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a distillation device 10 with stages 14, 16 connected in series, each comprising several plates.
Bei beiden Ausführungsformen sind jeweils folgende Merkmale verwirklicht:The following features are realized in each of the two embodiments:
a) ein die betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitskanal 12 ist auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 begrenzt.a) a liquid channel 12 containing the solution in question is delimited on at least one side by a microporous hydrophobic membrane 20.
b) Ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran 20 berührenden Flüssigkeitsstrom wird durch die Membran 20 hindurch in einen Kondensationskanal 22 oder in einen Dampfraum 23 verdampft, in
dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungs- druckes liegt.b) A part of the liquid from the liquid stream touching the membrane 20 is evaporated through the membrane 20 into a condensation channel 22 or into a vapor space 23, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points.
c) Zudem ist eine von der Membran 20 getrennte dampf- und flüssig- keitsdichte Kondensationswand 24 vorgesehen, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert.c) In addition, a vapor and liquid-tight condensation wall 24 separate from the membrane 20 is provided, on which the vapor condenses at least partially.
d) Die vom Dampfkanal 22 abgewandte Seite der Kondensationswand 24 ist zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der diesen Flüssigkeitsstrom führende Flüssigkeitskanal 12 wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 begrenzt, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird .d) The side of the condensation wall 24 facing away from the steam channel 22 is at least partially touched again by a liquid stream containing the solution in question. On the opposite side, the liquid channel 12 carrying this liquid flow is again delimited by a microporous hydrophobic membrane 20, so that the condensation energy supplied to the liquid flow is at least partially converted back into evaporation energy.
Wie anhand der Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, ist bevorzugt eine Mehrfachanordnung von jeweils die Merkmale a) bis d) aufweisenden Einheiten vorgesehen.As can be seen from FIGS. 1 and 2, a multiple arrangement of units each having the features a) to d) is preferably provided.
Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom zumindest teilweise in einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal 12 geführt. Dieser spiralförmige Flüssigkeitskanal 12 ist auf einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand 24 begrenzt.In the embodiment of FIG. 1, the liquid stream containing the solution in question is at least partially guided in a spiral liquid channel 12. This spiral-shaped liquid channel 12 is delimited on one side by a microporous hydrophobic membrane 20 and on the opposite side by a vapor and liquid-tight condensation wall 24.
Infolge der spiralförmigen Anordnung des Flüssigkeitskanals 12 ist zwischen dessen Windungen ein entsprechend spiralförmiger Dampfkanal 22
gebildet, der auf einer Seite durch die Membran 20 und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Kondensationswand 24 begrenzt ist.As a result of the spiral arrangement of the liquid channel 12, there is a correspondingly spiral steam channel 22 between its turns formed, which is bounded on one side by the membrane 20 and on the opposite side by the condensation wall 24.
In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Membran 20 als unterbrochene Linie und die Kondensationsfläche oder -wand 24 als durchgezogene Linie dargestellt.1, the membrane 20 is shown as a broken line and the condensation surface or wall 24 as a solid line.
Der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom 18, insbesondere Meer- oder Brackwasser, wird über eine Pumpe 26 zugeführt. Der Flüssigkeitsstrom durchströmt einen Wärmetauscher 28, einen Kondensator 30, einen weiteren Wärmetauscher 32 und wird dabei jeweils weiter vorgewärmt. In einem Wärmetauscher 34 wird der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeits ström 18 schließlich bis auf die obere Prozesstemperatur erwärmt.The liquid stream 18 containing the solution in question, in particular sea water or brackish water, is supplied via a pump 26. The liquid flow flows through a heat exchanger 28, a condenser 30, a further heat exchanger 32 and is preheated in each case in the process. In a heat exchanger 34, the liquid containing the solution in question 18 is finally heated up to the upper process temperature.
An der Stelle A tritt der erwärmte Flüssigkeitsstrom in das spiralförmige Modul ein. Der Flüssigkeitskanal 12 für die Flüssigkeitsströmung ist auf einer Seite von der Membran 20 (unterbrochene Linie) und dieser gegenüberliegend von der Kondensationsfläche oder -wand 24 begrenzt (durchge- zogene Linie). Der Kanal auf der nicht von der Salzlösung benetzten Seite der Membran, der andererseits durch die Kondensationswand 24 begrenzt wird, bildet den Dampfkanal 22. Das Destillat, das sich im Kanal CC sammelt, wird von einer Destillatpumpe 36 abgepumpt. Der Restdampf wird über das Vakuum im Dampfkanal 22 durch eine Vakuumpumpe 38 abgesaugt und dabei im Kondensator 30 an dem zuströmenden, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom kondensiert. Das Kondensat wird aus dem Kondensator 30 mittels der Destillatpumpe 36 über den Wärmetauscher 28 abgezogen.
Am Ende des Flüssigkeitskanals 12 wird die restliche Flüssigkeitsströmung bei B abgezogen, über den Wärmetauscher 32 geführt und in Pfeilrichtung in ein geeignetes Reservoir, z.B. bei der Meerwasserentsalzung in das Meer, rückgeführt.At point A, the heated liquid flow enters the spiral module. The liquid channel 12 for the liquid flow is delimited on one side by the membrane 20 (broken line) and on the opposite side by the condensation surface or wall 24 (solid line). The channel on the side of the membrane that is not wetted by the saline solution, which on the other hand is delimited by the condensation wall 24, forms the steam channel 22. The distillate that collects in the channel CC is pumped out by a distillate pump 36. The residual steam is sucked off via the vacuum in the steam channel 22 by a vacuum pump 38 and is condensed in the condenser 30 to the incoming liquid stream containing the solution in question. The condensate is withdrawn from the condenser 30 by means of the distillate pump 36 via the heat exchanger 28. At the end of the liquid channel 12, the remaining liquid flow at B is drawn off, passed over the heat exchanger 32 and returned in the direction of the arrow to a suitable reservoir, for example in the sea during desalination.
Bei der Ausführung gemäß Figur 2 wird der Dampf aus einem Dampferzeuger 40 einer ersten Stufe 14 mit mehreren Platten zugeführt, die den Dampf aufnehmende, zueinander parallele Kondensationskanäle 21 aufweist, die aufeinander gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand 24 begrenzt sind.In the embodiment according to FIG. 2, the steam is fed from a steam generator 40 to a first stage 14 with a plurality of plates, which has condensation channels 21, which receive the steam and are parallel to one another and which are respectively delimited by a vapor and liquid-tight condensation wall 24 on opposite sides.
Diesen Kondensationswänden 24 liegt andererseits jeweils wieder eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 gegenüber, um gemeinsam mit der ihr zugeordneten Kondensationswand 24 einen jeweiligen Flüssigkeitska- nal 12 für einen die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom zu bilden. - . .. -On the other hand, each of these condensation walls 24 is opposite a microporous hydrophobic membrane 20 in order to form, together with the condensation wall 24 assigned to it, a respective liquid channel 12 for a liquid flow containing the solution in question. -. , , -
Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen 20 wird jeweils wieder ein Dampfraum 23 gebildet, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.A vapor space 23 is again formed between two opposite membranes 20, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points.
Dabei sind zumindest zwei jeweils mehrere Platten umfassende Stufen 14, 16 hintereinander geschaltet.At least two stages 14, 16 each comprising several plates are connected in series.
Die aus einer jeweils vorangehenden Stufe 14 austretenden, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsströme werden den Flüssigkeitskanälen 12 der jeweiligen nachfolgenden Stufe 16 und der aus einer jeweils vorangehenden Stufe 14 austretende Dampf der Dampfräume 23 den Kondensationskanälen 21 der jeweiligen nachfolgenden Stufe 16 zuge- führt.
Der den Stufen 14, 16 vorgeschaltete Dampferzeuger 40 umfasst mehrere zueinander parallele, jeweils durch zwei einander gegenüberliegende mikroporöse hydrophobe Membranen 20 begrenzte Flüssigkeitskanäle 12 für einen jeweiligen die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom 18. Dabei grenzt an eine jeweilige Membran 20 jeweils ein Dampfraum 23 an, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.The liquid streams emerging from a respective preceding stage 14 and containing the solution in question are fed to the liquid channels 12 of the respective subsequent stage 16 and the vapor from the steam rooms 23 emerging from a respective preceding stage 14 is fed to the condensation channels 21 of the respective subsequent stage 16. The steam generator 40 connected upstream of the stages 14, 16 comprises a plurality of parallel liquid channels 12, each delimited by two mutually opposite microporous hydrophobic membranes 20, for a respective liquid stream 18 containing the solution in question. A respective vapor space 23 adjoins a respective membrane 20, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points.
Der aus den Plattenmodulen 14, 16 austretende, nicht auskondensierte Dampf wird in einem Kühler oder Kondensator 42 kondensiert, der durch den die betreffende Lösung enthaltenden, über eine Pumpe 26 zugeführten Flüssigkeits ström gekühlt wird. An den Kühler bzw. Kondensator 42 ist wieder eine Vakuumpumpe 38 angeschlossen.The non-condensed steam emerging from the plate modules 14, 16 is condensed in a cooler or condenser 42, which is cooled by the liquid flowing through a pump 26 and containing the solution in question. A vacuum pump 38 is again connected to the cooler or condenser 42.
Das entstehende Destillat wird über eine Pumpe 36 abgezogen, wobei es über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Kühler oder Wärmetauscher 28 geführt wird. Die das Plattenmodul verlassende Lösung wird über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Wärmetauscher 44 geführt.The resulting distillate is drawn off via a pump 36, it being passed through a cooler or heat exchanger 28 through which the supplied liquid stream flows. The solution leaving the plate module is passed through a heat exchanger 44 through which the supplied liquid stream flows.
Vor der Membrandestillation wird der zugeführte Flüssigkeitsstrom 18 über einen Wärmetauscher 34 weiter erhitzt.
BezugszeichenlisteBefore the membrane distillation, the supplied liquid stream 18 is further heated via a heat exchanger 34. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Destillationsvorrichtung10 distillation device
12 Flüssigkeitskanal12 liquid channel
14 erste Stufe14 first stage
16 zweite Stufe16 second stage
20 Membran20 membrane
21 Kondensationskanal21 condensation channel
22 Dampfkanal22 steam channel
23 Dampfraum23 steam room
24 Kondensationswand24 condensation wall
26 Pumpe26 pump
28 Wärmetauscher28 heat exchangers
30 Kondensator30 capacitor
32 Wärmetauscher32 heat exchangers
34 Wärmetauscher34 heat exchangers
36 D e stillatpumpe36 The still pump
38 Vakuumpumpe38 vacuum pump
40 D ampferzeuger40 steam generator
42 Wärmetauscher42 heat exchangers
44 Wärmetauscher44 heat exchangers
A EintrittsstelleA entry point
B AustrittsstelleB exit point
C C Dampfkanal
C C steam channel