DE3883004T2

DE3883004T2 - Niedrigdruck-destillationsanlage.

Info

Publication number: DE3883004T2
Application number: DE88909280T
Authority: DE
Inventors: Brian Keane; Farhad Shafaghi; Colin Spencer
Original assignee: Individual
Current assignee: CARROLL STANLEY LEO MOREE NEUSUEDWALES AU
Priority date: 1987-10-26
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2008-10-27
Also published as: KR930012025B1; ATE92355T1; US5108548A; JP2713451B2; AU2600788A; DE3883004D1; EP0383805B1; KR890701177A; AU603720B2; JPH03500738A; EP0383805A4; WO1989003715A1; EP0383805A1; CA1334016C

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Niederdruck-Destillationsvorrichtungen, d.h. Destillationsvorrichtungen, bei denen eine Verdampfung bei Unter-Atmosphärendrücken stattfindet. Obwohl die Erfindung insbesondere anhand der Entsalzung von Wasser beschrieben wird, ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt.

Den Hintergrund bildender Stand der Technik

Man hat sich schon intensiv mit Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Destillationssystemen befaßt, insbesondere solchen, die zur Entsalzung von Wasser angewandt werden, und zwar im Hinblick auf eine Verringerung der Kosten für die Herstellung reinen Wassers.
Es ist herkömmliche Praxis, bei der Destillation das Destillat in einem Kondensatorabschnitt der Verdampfungskammer zu kondensieren. Der Dampf tritt in den Kondensatorabschnitt ein, wird durch eine Kühlwasserschlange gekühlt und kondensiert und gibt Wärme, einschließlich latenter Kondensationswärme, ab. Das Kühlwasser tritt in diese Schlange aus einem separaten Kreis ein, nimmt die "wiedergewonnene Wärme" auf und tritt mit höherer Temperatur aus. Die "wiedergewonnene Wärme" wird häufig zum Erwärmen von Beschickungsflüssigkeit benutzt, die in die Verdampfungskammer eintritt, und zwar unter Verwendung der Beschickungsflüssigkeit als Kühlmittel in der Kühlwasserschlange.
Die US-A-3 3930 959 offenbart einen kombinierten Wasserdestillator und -kühler, in dem der Dampf aus einem Kessel teilweise durch Wärmeaustausch mit der Atmosphäre gekühlt wird, bevor der Dampf in einen zweiten Wärmetauscher eintritt, der in dem Destillat eingetaucht ist, wobei der kondensierte Dampf mit Luft gemischt wird, bevor er in das angesammelte Destillat abläuft.
Die US-A-3 893 894 offenbart ein Wasserreinigungssystem, in dem Wasser aus einer Zentrifugalverdampfung als Dampf durch Ausübung eines Saugdrucks entfernt wird. Der Dampf wird dadurch kondensiert, daß er über eine gekühlte Kühlschlange in einem Wärmepumpkreis geleitet wird, aus dem Wärme dem Verdampfer zugeführt wird, um die dem Wasser in dem Beschickungsvorrat durch Verdampfung entzogene Wärme auszugleichen.
Keines dieser Dokumente offenbart, den Dampf direkt in dem Destillat zu kondensieren, um diesem alle latente Kondensationswärme zuzuführen.
Um den Wirkungsgrad zu verbessern, ist es üblich, ein mechanisches Dampfkompressionssystem anzuwenden, bei dem der Verdampfungskammer Dampf entzogen und mittels eines Zentrifugalkompressors kondensiert wird. Der Kompressor ist üblicherweise das kostspieligste Bauteil der Anlage, da er Dampfdichtungen, Lager, Öldichtungen und rotierende Teile benötigt. Es ist auch das störanfälligste Bauteil.
Es hat viele Vorteile, Destillierapparate mit Unter-Atmosphärendrücken zu betreiben. Diese Systeme betreiben Destillierapparate bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 30 bis 50ºC. Bei diesen Temperaturen werden mit der Bildung von Kesselstein verbundene Probleme erheblich verringert und können thermoplastische Baumaterialien verwendet werden. Die bei der Anwendung einer Dampfverdichtung bei Unter-Atmosphärensystemen auftretenden Schwierigkeiten sind jedoch größer im Vergleich zu Destillierapparaten, die bei oder oberhalb von Atmosphärendruck betrieben werden, da der Kompressor Dampf mit niedrigem Druck ansaugen muß.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine wirksame Vorrichtung zur Destillation anzugeben, die bei Unter- Atmosphärendrücken betreibbar ist und bei der wenigstens einige der Nachteile des bekannten Standes der Technik vermieden sind.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der Erfindung ist eine Niederdruck-Destillationsvorrichtung vorgesehen, die aufweist: eine dichtgeschlossene Verdampfungskammer mit einer Einlaßöffnung für Beschickungsflüssigkeit, einer Auslaßöffnung für konzentrierte Flüssigkeit und einer Auslaßöffnung für Dampf; wobei die Dampfauslaßöffnung mit einer Pump- und Mischeinrichtung in Verbindung steht, die vollständig in flüssigem Destillat eingetaucht werden kann, so daß Dampf, der der Einrichtung zugeleitet wird, in der Pump- und Mischeinrichtung kondensiert, um die gebundene oder latente Kondensationswärme an das Destillat abzugeben.
Vorzugsweise enthält die Pump- und Mischeinrichtung eine Rotations-Flügelradpumpe, die eine Strömung flüssigen Destillats erzeugt, in der der Dampf gemischt und kondensiert ist. Diese Kondensationswärme kann anschließend genutzt werden, um die Verdampfung der Flüssigkeit in der Verdampfungskammer mittels einer Wärmepumpe zu unterstützen.
Vorzugsweise befindet sich ein Scherrohr im Einlaß des Flügelrads, um eine Vorverwirbelung der Strömung des Destillats und des mitgerissenen Dampf es zu vermeiden.
Vorzugsweise befindet sich eine Heizschlange in der Verdampfungskammer und eine erste Wärmetauscherschlange in dem Destillatbehälter, wobei die Heizschlange in Reihe mit und stromoberhalb der ersten Wärmetauscherschlange in einem Wärmepumpenkreislauf angeordnet ist. Die konzentrierte Flüssigkeit wird abgesaugt und manchmal als "Rest", "Rückstand" oder "Abblas" bezeichnet. Die Auslaßöffnung für konzentrierte Flüssigkeit kann mit einer in einem Ablaßtank angeordneten Abblasmischeinrichtung in Verbindung stehen. Die Abblasmischeinrichtung kann eine zweite Rotations-Flügelradpumpe aufweisen, die vollständig in ihrem Ablaßmedium eingetaucht ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist eine zweite Wärmetauscherschlange in dem Abblastank angeordnet und in dem Wärmepumpenkreis in Reihe geschaltet.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin ist
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Niederdruck-Destillationsvorrichtung und
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer Saugeinrichtung, die in bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet wird.

Beste Ausführungsform der Erfindung

Nach Fig. 1 enthält eine Niederdruck-Destillationsvorrichtung 1 eine dicht abgeschlossene Verdampfungskammer 2, in die eine Salinebeschickungslösung selektiv über eine Unterwasser-Beschickungsleitung 3 eingeleitet wird, während aus der Verdampfungskammer konzentrierte Sole und Teilchen über eine Auslaßöffnung 4 für konzentrierte Lösung und eine Abblasleitung 5, die so angeordnet ist, daß sie den Betriebsflüssigkeitsspiegel in der Verdampfungskammer bestimmt, entfernt werden.
Die Abblasleitung 5 endet in einer Abblas-Mischeinrichtung 6, die vollständig in ihrem Ablaßmedium in einem Ablaßtank 7 eingetaucht ist.
Eine Dampfsauslaßöffnung 8 im oberen Teil der Kammer 2 ist von der Oberfläche der Lösung durch einen Nebel/Tröpfchen-Separator 9 getrennt, der ein Drahtgitter aufweist. Die Dampfauslaßöffnung 8 ist über eine Dampfauslaßleitung 2 mit einer Dampfsaugvorrichtung 11 verbunden, die vollständig in dem Destillat im Destillattank 12 eingetaucht ist.
Ein Kühlmittel-Wärmepumpenkreis dient zur Wiedergewinnung von Wärme und enthält eine Heizschlange 13, die unter der Oberfläche der Lösung in der Verdampfungskammer 12 angeordnet ist. Das Kühlmittel strömt durch die Heizschlange 13, durch eine Wärmetauscherschlange 14 im Abblastank 7 und durch eine Wärmetauscherschlange 15 im Destillattank 12, die alle in Reihe angeordnet sind. Der Wärmepumpenkreis wird durch einen Kompressor 16, einen durch ein Gebläse unterstützten Radiator 17 und eine Flüssigkeits-Gas-Expansionseinrichtung 18 vervollständigt.
Die Pump- und Mischeinrichtung 11 enthält eine Rotations-Flügelrad-Pumpe und wird nachstehend ausführlicher anhand von Fig. 2 beschrieben. Die Pump- und Mischeinrichtung enthält ein unteres Gehäuse 19 und ein oberes Gehäuse 20, in denen ein rotierendes Flügelrad 21 am Ende einer Antriebswelle 22 gelagert ist. Durch das Flügelrad 21 verlaufende Kanäle 23 stehen mit einer Flüssigkeitseinlaßöffnung 24, einer Dampfeinlaßöffnung 25 und Auslässen 26 in Verbindung.
Im Betrieb wird das Flügelrad 21 am Ende der Antriebswelle 22 durch einen (nicht dargestellten) außerhalb des Tanks 12 angeordneten Motor angetrieben und Flüssigkeit aus dem Destillattank 12 in einem Strom durch die Einlaßdüse 24 und die Verengung 26 angesaugt, um das Scherrohr 27 zu passieren, das eine Vorverwirbelung der Flüssigkeit verhindert, bevor sie auf das Flügelrad 21 trifft. Die Zentrifugalpumpwirkung befördert das Destillat durch die Kanäle 23 und die Öffnungen 26 zurück in den Tank 12. Da die Verengung 26 weiter als die Einlaßdüse 24 ist und aufgrund der hohen Geschwindigkeit des aus der Düse 24 austretenden Flüssigkeitsstroms tritt am Dampfeinlaß 25 eine hohe Saugkraft auf, so daß an der Öffnung 25 eintreffendes Gas von dem Flüssigkeitsstrom mitgerissen bzw. angesaugt wird, der von der Düse 24 zum Scherrohr 27 verläuft. Die Pump- und Mischeinrichtung kann den in der Verdampfungskammer 2 herrschenden absoluten Druck auf etwa 40 mm Quecksilbersäule verringern, so daß der Siedepunkt der Lösung in der Kammer 2 auf 35ºC abnimmt. Diese Zahlen sind natürlich nur illustrativ, und der Druck sowie die entsprechende Siedetemperatur können erheblich in Abhängigkeit von der Auslegung des Systems und der destillierten Flüssigkeit von den angegebenen abweichen.
Sobald die Lösung in der Kammer 2 zu sieden beginnt, tritt destillierter Dampf aus, aus dem die Tröpfchen entfernt werden, während er den Separator 9 durchströmt und der dann durch die Auslaßleitung 10 abgesaugt wird. Wenn der Dampf an der Öffnung 25 der Pumpund Mischeinrichtung eintrifft, wird er teilweise an dem Flüssigkeitsstrom kondensiert und teilweise durch die Verengung 26 im gasförmigen Zustand mitgerissen. Die Strömung verlangsamt sich, während sie den sich allmählich erweiternden Abschnitt passiert, der sich zwischen der Verengung 26 und dem Scherrohr 27 erstreckt. Dies bewirkt wiederum eine Zunahme des Drucks und Kondensierung des restlichen Dampfes.
Wegen der unmittelbaren thermischen Verbindung zwischen dem kondensierenden Dampf und dem Destillat wird die gebundene Kondensationswärme des Dampfes im wesentlichen verlustfrei an das Destillat abgegeben.
Die an das Destillat abgegebene gebundene Wärme wird anschließend dazu verwendet, das Verdampfen der Lösung in der Verdampfungskammer 2 mittels eines Kühlmittel-Wärmepumpenkreises, der eine Wärmetauscherschlange 15 und eine Heizschlange 13 aufweist, zu unterstützen. An der Stelle 28 im Wärmepumpenkreis befindet sich das Kühlmittel im gasförmigen Zustand bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur. Nach Durchlaufen der Wärmetauscherschlange 15 und Entzug der gebundenen Kondensationswärme durch das Destillat befindet sich das Kühlmittel weiterhin in gasförmigem Zustand, nunmehr jedoch auf einer relativ hohen Temperatur. Es wird dann vom Kompressor 16 angesaugt, der es verdichtet und dadurch seine Temperatur noch erheblich weiter erhöht. Dieses heiße verdichtete Gas wird dann einem Heißdampfkühler 17 zugeführt, um die überschüssige Wärme aus dem System zu entfernen. Das heiße gasförmige Kühlmittel wird dann der Heizschlange 13 zugeführt, die in der Lösung eingetaucht ist und die sie in der Verdampfungskammer 2 erhitzt, so daß sie siedet und der Dampf ausgetrieben wird.
Bei der Abgabe der Wärme an die Lösung in der Verdampfungskammer kühlt sich das Kühlmittel ab und kondensiert, so daß es in dem Augenblick, in dem es die Verdampfungskammer verläßt, zu einer Flüssigkeit kondensiert ist. Diese Flüssigkeit wird dann durch eine Drosseleinrichtung 18 geleitet, bei der es sich beispielsweise um ein Kapillarrohr oder ein Expansionsventil handeln kann. Die Drosseleinrichtung 18 wandelt das einen hohen Druck aufweisende flüssige Kühlmittel in ein kaltes Gas mit relativ niedrigem Druck um. Dieses Gas kühlt die konzentrierte Sole im Tank 7 über die Wärmetauscherschlange 14 ab und entzieht der Sole Wärme, bevor es zur Wärmetauscherschlange 15 im Destillattank 12 geleitet wird, um den Kreislauf erneut zu beginnen.
Normalerweise wird die konzentrierte Sole durch eine im Abblastank eingetauchte Pump- und Mischeinrichtung 6 abgesaugt. Die Pump- und Mischeinrichtung 6 kann ein rotierendes Flügelrad enthalten und bewirkt auch ein Vakuum in der Kammer 2, das zu dem niedrigen Druck in der Kammer beiträgt.
Das thermische Gleichgewicht in dem System wird durch Zurückführung gebundener Wärme aus der Dampfkondensierung und Wärme aus der Abblasflüssigkeit zur Heizschlange in der Verdampfungskammer unterstützt. Bei einem typischen Wärmepumpensystem überschreitet die aus dem Kompressor abgeleitete Energie, z.B. in Form von "Verdichtungswärme" oder Reibung, normalerweise die Energieverluste, z.B. aus dem Rohrleitungssystem und der Destillationskammer an die Luft, und muß aus dem System abgeleitet werden; im vorliegenden Fall durch den Überhitzungsdampfkühler 17. Bei anderen Ausführungsformen kann die überschüssige Wärme gespeichert und später wieder zum Verdampfen oder Erwärmen von Beschickungsflüssigkeit verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen haben die gleichen Vorteile wie sie gewöhnlich mit Niederdruck/Niedertemperatur-Systemen verbunden sind. Da der Dampf in einer Ansaug- oder Mitreißeinrichtung kondensiert wird, die in dem Destillat eingetaucht ist, ist eine sehr wirksame Wiedergewinnung der gebundenen Wärme möglich, und das System als Ganzes arbeitet mit geringem Energiebedarf.
Da ferner bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Rotations- Flügelrad-Pumpen keine Dichtungen haben und mit geringen Reibungsverlusten arbeiten, bieten sie Vorteile, die bislang nur durch Dampfverdichtungseinheiten erreicht wurden, während sie gleichzeitig viele Nachteile bekannter Dampfverdichtungssysteme vermeiden.
Die Pump- und Mischeinrichtung 11 könnte natürlich in vielen anderen Ausführungsformen als der dargestellten mit Rotations-Flügelradpumpe hergestellt werden, z.B. als eingetauchte Pumpe, gefolgt von einer Rücklaufanordnung.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch zum Destillieren anderer Flüssigkeiten als Wasser verwendet und daß auch irgendein geeignetes Kühlmittel oder Wärmeübertragungsmedium zur Verwendung in dem Wärmerückgewinnungskreis gewählt werden kann und daß viele andere Ausführungsformen der Erfindung möglich sind.

Claims

1. Eine Niederdruck-Destillationsvorrichtung, die aufweist: eine geschlossene Verdampfungskammer (2) mit einer Einlaßöffnung (3) für Beschickungsflüssigkeit, einer Auslaßöffnung (4) für konzentrierte Flüssigkeit und einer Auslaßöffnung (8) für Dampf; wobei die Dampfauslaßöffnung (8) mit einer Pump- und Misch-Einrichtung (11) in Verbindung steht, die so eingebaut ist, daß sie völlig im flüssigen Destillat eingetaucht ist, wobei Dampf, der der Einrichtung (11) zugeleitet wird, in der Pump- und Misch-Einrichtung (11) kondensiert, um die gebundene Kondensationswärme an das Destillat abzugeben.

2. Eine Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Pump- und Misch-Einrichtung (11) eine Rotations-Flügelradpumpe aufweist, die eine Strömung flüssigen Destillates erzeugt, in welcher der Dampf gemischt und kondensiert wird.

3. Eine Destillationsvorrichtung nach Anspruch 2, in welcher die durch das Destillat zurückgewonnene gebundene Kondensationswärme des Dampfes anschließend benutzt wird, die Verdampfung der Beschikkungsflüssigkeit zu unterstützen.

4. Eine Destillationsvorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, in welcher ein Scherrohr (27) sich im Einlaß (24) des Flügelrades (21) befindet, um eine Vorverwirbelung der Strömung des Destillates und des eintretenden Dampfes zu vermeiden.

5. Eine Destillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher eine Heizschlange (13) sich in der Verdampfungskammer (2) und eine erste Wärmetauscherschlange (15) sich in der Destillationskammer (12) befinden, wobei die Heizschlange (13) in Serie mit und stromaufwärts von der ersten Wärmetauscherschlange (15) in einem Wärmepumpenkreislauf angeordnet ist.

6. Eine Destillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die Auslaßöffnung für konzentrierte Flüssigkeiten (4) mit einem Abblastank (7) in Verbindung steht.

7. Eine Destillationsvorrichtung nach Anspruch 6, in welcher die Abblas-Pump- und Misch-Einrichtung (6) eine zweite Rotations-Flügelradpumpe aufweist, die völlig in ihrem Ablaßmedium eingetaucht ist.

8. Eine Destillationsvorrichtung nach Anspruch 7, in welcher eine zweite Wärmetauscherschlange (14) im Abblastank (7) angeordnet ist und im Wärmepumpenkreislauf in Reihe zwischen der Heizschlange (13) und der ersten Wärmetauscherschlange (15) verbunden ist.

9. Ein Verfahren zur Destillation, das folgende Schritte aufweist: partielle Evakuierung einer Verdampfungskammer mit Hilfe einer Pumpe; Erhitzen des Inhalts der Verdampfungskammer, um den Destillatdampf auszutreiben; Mitziehen des Destillatdampfes in einer Strömung kondensierten Destillats innerhalb der Pumpe und Kondensieren des Destillatdampfes während er in der Strömung mitgezogen wird, um die gebundene Kondensationswärme vom Destillat zu der Flüssigkeit in der Verdampfungskammer zurückzuführen.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 9, das den weiteren Schritt aufweist, den mitgezogenen Destillatdampf zu komprimieren, um ihn zu kondensieren.