DE102005005008A1

DE102005005008A1 - Destillation mit Strahlverdichter

Info

Publication number: DE102005005008A1
Application number: DE102005005008A
Authority: DE
Inventors: Michael Rannow; Erwin Dr. Oser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Destillation von Flüssigkeiten mit einem Verdampfer und einem der direkten Brüdenverdichtung dienenden Verdichter, wobei die Energie zum Betrieb des Verdichters und der anderen Aggregate aus der Umwandlung von Wärmeenergie bereitgestellt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Verdichter für die Brüden ein Strahlverdichter eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist, dass die Destillationsanlage als Wärmepumpe ausgestaltet ist, so dass die bei der Kondensation des verdichteten Brüden anfallende Wärme zur Beheizung des Verdampfers genutzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Destillation von Flüssigkeiten mit einem Verdampfer und einem der direkten Brüdenverdichtung dienenden Verdichter.

Anlagen dieser Bauart sind grundsätzlich bekannt. Zur Verdichtung der Brüden dient dabei üblicherweise ein mechanischer Verdichter, z.B. ein Wälzkolbenverdichter. Sie werden zweckmäßig nach dem Wärmepumpenprinzip betrieben, d.h. die im Verdampfer entstehenden Brüden werden über den Verdichter soweit verdichtet und erwärmt, dass sie zum Beheizen des Verdampfers genutzt werden können. Die bei der Kondensation freiwerdende Wärme wird über einen Wärmetauscher wieder für die Verdampfung genutzt. Die Verlustwärme wird durch die Verdichtungsarbeit des Verdichters zugeführt. Beim Anfahren wird die Verdichtungsleistung durch Einspritzkühlung auf den Wärmetauscher übertragen; dadurch wird eine Anfahrheizung nicht benötigt. Nach dem hier beschriebenen Prinzip arbeiten praktisch alle am Markt bekannten Destillationsanlagen mit direkter Brüdenverdichtung. Unterschiede bestehen lediglich in konstruktiven Merkmalen, wie Verdampferbauform oder mess- und regelungstechnischen Einrichtungen.

Das entscheidende Problem bei Vakuumdestillationen mit direkter Brüdenverdichtung für kleine Kapazitäten, wie etwa 2-10 Liter pro Stunde, liegt in zweierlei Hinsicht: Erstens stehen Wälzkolbenverdichter in diesem Kapazitätsbereich mit den geforderten Eigenschaften bisher nicht zur Verfügung, zum anderen sind der regelungstechnische Aufwand und die damit verbundenen Kosten für Anlagen dieser Größenordnung unverhältnismäßig hoch. Aus diesem Grunde sind Kleinanlagen nach dem beschriebenen Prinzip bisher nicht verfügbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und störunanfällige Destillationsanlage der eingangs erwähnten Art für kleine Destillationsleistungen zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als Verdichter für die Brüden ein Dampfstrahlverdichter verwendet wird. Verdichter dieser Art sind robust und kostengünstig. Sie können auch bei kleinen Saugvermögen eingesetzt werden.

Besonders vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Destillationsanlage ebenfalls nach dem Prinzip einer Wärmepumpe betrieben werden kann.

Dabei wird in einem Flüssigkeitsbehälter das Destillat der zu destillierenden Flüssigkeit durch Einbringen externer Wärme mit Überdruck verdampft. Der Dampf wird über eine Leitung in einen Dampfstrahlverdichter geleitet. Die Vorkammer des Verdichters, die mit dem Diffusor des Verdichters verbunden ist und in der dadurch ein Unterdruck erzeugt wird, ist über ein Leitung mit einem Behälter verbunden, der die zu destillierende Flüssigkeit enthält. Über diese Zuleitung wird über der zu verdampfenden Flüssigkeit ein Unterdruck erzeugt, so dass die Siedetemperatur abgesenkt wird. Der dabei erzeugte Brüden wird in den Dampfstrahl aufgenommen und über eine Zuleitung in einen Wärmetauscher geleitet, der mit der zu verdampfenden Flüssigkeit im thermischen Kontakt steht.

Durch Wärmetausch mit der Flüssigkeit kondensiert der Brüden und die Kondensationswärme erwärmt die zu destillierende Flüssigkeit. Über eine Pumpe wird das Kondensat anschließend zurück in den Destillat-Vorratsbehälter gefördert, in dem erneut durch externen Wärmeeintrag Dampf für die Verdichterstufe gebildet wird. Die Pumpe wird dabei über eine kleine Entspannungsturbine angetrieben, die von dem unter Überdruck stehenden Brüden aus dem Destillat angetrieben wird. Der in der Kleinturbine entspannte Brüden wird in den Vorlagebehälter der zu destillierenden Flüssigkeit geleitet und wärmt das Feed vor.

Das Feed wird über eine Ventilsteuerung selbsttätig bei Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes eingesaugt, da im Flüssigkeitsbehälter ein Unterdruck herrscht. Der Destillatbehälter ist ebenfalls füllstandsüberwacht und bei Überschreiten wird Destillat in einen Auffangbehälter abgelassen.

Die externe Wärme, die über die Dampferzeugung den Gesamtprozess antreibt, kann auf beliebige Weise eingebracht werden. Sie muss nur auf einem Temperaturniveau liegen, dass der Destillatdampf den zum Antrieb des Dampfstrahlverdichters und der Turbine erforderlichen Mindestdruck aufweist.

In einer besonders günstigen Ausführungsform wird die externe Wärme über Solarstrahlung erzeugt. Dazu wird der Destillat-Vorratsbehälter in einen Sonnenkollektor integriert. In der praktisch besonders bedeutsamen Ausführungsform der Destillation von Wasser, wie etwa zur Trinkwasseraufbereitung aus verunreinigtem Wasser oder bei der Entsalzung von Meerwasser, liegt die zu erzeugende Temperatur bei etwa 120° bis 130°C. Dazu sind Kollektoren geeignet, bei denen die Flüssigkeit in einem Rohr gefördert wird, das im Brennpunkt einer Parabolrinne angeordnet ist. Mit fortgeschrittenen Systemen dieser Bauart kann sogar Wasserdampf mit Temperaturen erzeugt werden, wie er zum Betrieb von solarthermischen Kraftwerken benötigt wird. Sonnenkollektoren für die Erzeugung von Wasserdampf für die bei dem erfindungsgemäßen System geforderten Temperaturen können vergleichsweise einfacher aufgebaut sein, sowohl hinsichtlich der geometrischen Auslegung, als auch der Werkstoffauswahl.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von 1 schematisiert dargestellt und erläutert werden.
Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel eine Destillation von Wasser mit Hilfe der Sonnenenergie, wobei eine Brüdenverdichtung mit Hilfe eines Dampfstrahlverdichters zur Anwendung kommt. Mit einem Sonnenkollektor (1) wird Sonnenstrahlung auf ein im Brennpunkt der Kollektorfläche angeordnetes Rohr (2), das als Dampferzeuger arbeitet, gebündelt. Der Kollektor (1) wird der Sonnenbewegung nachgeführt, so dass die Sonnenstrahlung trotz der Sonnenbewegung auf das Rohr (2) fokussiert bleibt. Im Rohr befindet sich eine Flüssigkeit, die vom Destillat als Ergebnis der durchzuführenden Destillation gebildet wird. Durch die fokussierte Sonneneinstrahlung wird die Flüssigkeit im Rohr (2) unter Überdruck verdampft; bei einer Temperatur von etwa 130°C beträgt der sich einstellende Dampfdruck etwa 2,7 bar. Mit diesem Druck wird der Dampf über eine Zuleitung (3) in einen Dampfstrahlverdichter (4, 5) mit Vorkammer (4) und Diffusor (5) geleitet. Der Dampf wird über eine Düse in den Diffusor gedrückt, sodass in der damit verbundenen Vorkammer ein Unterdruck entsteht., der sich über die Zuleitung (6) auch über der in einem Verdampfer (7) siedenden Flüssigkeit (8) einstellt. Der beim Sieden entstehende Brüden wird über die Zuleitung (6) eingesaugt und mischt sich mit dem Treibdampf. Treibdampf und Brüden werden im nachgeschalteten Diffusor (5) auf Kondensationsdruck entspannt, so dass der abgesaugte Brüden damit verdichtet wird.
Das Gemisch aus Treibdampf und Brüden wird von dem erhitzten Destillat, das unter Wirkung des Überdrucks im Rohr (2) über die Zuleitung (9) gefördert wird, aufgenommen. Das dadurch weiter erhitzte Destillat strömt weiter in den Wärmetauscher (10) und überträgt im Wärmetauscher (10) Wärme auf die zu destillierende Flüssigkeit (8) im Verdampfer (7). Nach dem Wärmetausch wird das unter Kondensationsdruck stehende Destillat von der Pumpe (11) zurück in das Rohr (2) gefördert.
Die Pumpe (11) wird über einen Abzweig der Zuleitung (3) über eine kleine Entspannungsturbine (12) angetrieben. Der in der Kleinturbine entspannte Dampf gelangt über eine Entspannungsleitung (13) in den Vorlagebehälter (14), in dem es durch Kondensation das Feed vorheizt.
Das Kollektorrohr (2) mit dem Destillat ist mit einer Füllstandsüberwachung ausgestattet; bei Überschreiten des vorgegebenen Füllstandes wird das Destillat in den Vorratsbehälter (19) abgelassen. In gleicher Weise ist der Verdampfer (7) füllstandsüberwacht. Bei Unterschreiten des gewünschten Füllstandes wird durch den herrschenden Unterdruck Feed aus dem Vorlagebehälter (14) angesaugt.

1: Sonnenkollektor
2: Kollektorrohr, Dampferzeuger
3: Zuleitung
4: Vorkammer
5: Diffusor
4, 5: Dampfstrahlverdichter
6: Zuleitung
7: Verdampfer
8: Zu destillierende Flüssigkeit
9: Zuleitung
10: Wärmetauscher
11: Pumpe
12: Entspannungsturbine
13: Zuleitung
14: Vorlagebehälter Feed
15: Destillat-Vorratsbehälter

Claims

Verfahren zur Destillation von Flüssigkeiten mit einer zur Wärmepumpe ausgestalteten Brüdenverdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Verdichtung des Brüden sowie zum Betrieb sämtlicher Aggregate des Gesamtsystems ausschließlich in Form von Wärme bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Wärme mechanische Antriebsenergie für Verdichter und sonstige Aggregate in Form von unter Überdruck stehendem Treibdampf aus dem Destillat der zu destillierenden Flüssigkeit in einem Dampferzeuger (2) gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter zur Verdichtung des Brüden ein Dampfstrahlverdichter ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme in Form von Solarwärme bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme in Form von Verbrennungswärme aus Bioenergie, fossiler Energie oder geothermischer Energie bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus Abwärmen technischer Prozesse oder aus IR-Strahlung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser ist und die Destillation Teilprozess einer Trinkwasseraufbereitung oder zur Meerwasserentsalzung ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampferzeuger (2) über eine Zuleitung (3) mit dem Dampfstrahlverdichter (4, 5) in Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkammer (4) des Dampfstrahlverdichters (4, 5) über eine Zuleitung (6) mit dem Verdampfer (7) in Verbindung steht, wodurch der in der Vorkammer (4) erzeugte Unterdruck auch über der Oberfläche der zu destillierenden Flüssigkeit (8) im Verdampfer (7) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüden aus der Destillation über die Zuleitung (3) in die Vorkammer (4) gesaugt wird und nach Mischen mit dem Dampf im Diffusor (5) verdichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Treibdampf-Brüden-Gemisch vom Destillat, das durch Überdruck aus dem Dampferzeuger (2) in der Zuleitung (9) gefördert wird, aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Destillat durch Wärmetausch im Wärmetauscher (10), der in den Verdampfer (7) integriert ist, die zu destillierende Flüssigkeit (8) aufheizt.
Anlage nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Destillat nach dem Wärmetausch mit einer Pumpe zurück in den Dampferzeuger (2) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) von einer Entspannungsturbine (12) angetrieben wird, die von Treibdampf aus dem Dampferzeuger (2) gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Turbine (12) entspannte Treibdampf über die Zuleitung (13) in das Feed im Vorlagebehälter (14) entspannt wird und dieses dadurch vorheizt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstand im Verdampfer (7) durch eine Niveauregelung überwacht wird, wobei bei Unterschreiten des gewünschten Füllstandes mit Hilfe des im Verdampfer (7) herrschenden Unterdrucks aus dem Vorratsbehälter (14) neues Feed angesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstand des Destillats im Dampferzeuger (2) so gesteuert wird, dass bei Überschreiten des gewünschten Füllstandes durch den Überdruck Destillat in den Vorratsbehälter (15) abgelassen wird.
Anlage zur Destillation von Flüssigkeiten mit einer zur Wärmepumpe ausgestalteten Brüdenverdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Komponenten enthält: a) einen Treibdampf-Brüden-Kreislauf, in dem Dampf in einem Dampferzeuger (2) durch Wärmeenergie verdampft wird, über eine Zuleitung in einen Dampfstrahlverdichter (4, 5) mit Vorkammer (4) und Diffusor (5) gefördert wird, in dem Brüden aus dem Verdampfer (8) über eine Zuleitung (6) in die Vorkammer (4) gesaugt und vom Dampf aufgenommen wird, in dem das Dampf-Brüden-Gemisch im Diffusor (5) auf Kondensationsdruck gebracht wird. b) einem Destillat-Kreislauf, in dem Destillat aus dem Dampferzeuger (2) durch die Zuleitung (9) nach Aufnahme des Dampf-Brüden-Gemisches aus dem Diffusor (5) in den Wärmetauscher (10) im Verdampfer (7) gefördert wird und durch Wärmetausch die Flüssigkeit im Verdampfer (7) aufheizt, nach dem Wärmetausch mit der Pumpe (11) zurück in den Dampferzeuger (2) gefördert wird, wobei die Pumpe (11) von einer Entspannungsturbine (12) angetrieben wird, die wiederum von Dampf aus dem Dampferzeuger (2) angetrieben wird. c) Niveauregelung am Verdampfer (7) und Dampferzeuger (2), mit denen einerseits Feed aus dem Vorlagebehälter (14) in den Verdampfer (7) gesaugt wird, und andererseits Destillat aus dem Dampferzeuger (2) in den Vorratsbehälter (15) abgelassen wird.
Anlage nach Anspruch 18, die nach einem der vorhergehenden Ansprüche betreibbar ist.