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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Verbesserungen an Verfahren, die mit mehrstufiger
Entspannungsdestillation (MSF) im allgemeinen und insbesondere mit
der mehrstufigen Entspannungsdestillation von Meerwasser verbunden
sind, d. h. der Entsalzung zur Erzeugung von Trinkwasser, und betrifft
günstigerweise
Verfahren, die eine mehrstufige Entspannungsdestillation der Art
einschließen,
bei der eine hohe obere Salzwassertemperatur (in der Größenordnung
von 120°C
oder mehr) erreichbar ist.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Zu
den bekannten herkömmlichen
Verfahren für
die Entsalzung von Salzwasser zur Erzeugung von Trinkwasser gebären zum
Beispiel die mehrstufige Entspannungsdestillation (MSF), die Multieffektdestillation (MED),
die Umkehrosmose (RO) und die Dampfkompressionsdestillation (VC).
Jedes dieser Verfahren ist eine bewährte Technologie mit ihren
eigenen, einmaligen Eigenschaften und Beschränkungen. Jede Technologie weist
jedoch einen unabhängigen
Energieeintragstrom auf. Bisher wurden bezüglich der Wechselwirkung zwischen
MSF- und MED- oder MSF- und RO-Energieprozeßströmen, welche
die unterschiedlichen Betriebstemperaturregimes zur Maximierung
der Gesamterzeugung für
einen gegebenen Energieeintrag ausnutzen, keine Untersuchungen durchgeführt und
keine Prozeßkonfigurationen
untersucht oder vorgeschlagen.
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Der
in einem MSF-Rohrbündel
kondensierte Meerwasserdestillatfluß wird teilweise zum Wiederverdampfen
gezwungen, wenn er in eine nachfolgende Stufe in einem auf niedrigerem
Druck arbeitenden Verdampfer transportiert wird. Der durch Entspannungsverdampfung
des Destillats erzeugte Dampf wird mit dem Dampf vermischt, der
durch die Entspannungsverdampfung von Salzwasser erzeugt wird, und
nutzt daher einen Teil der installierten Wärmeaustauschfläche, wobei
dieser Teil daher nicht für
die Kondensation des verdampfenden Salzwassers verfügbar ist.
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Mit
zunehmender Stufenzahl erhöht
sich die Durchflußmenge
von in der Destillatwanne aufgefangenem Destillat ebenso wie die
Menge des wiederverdampfenden Destillats. Dieses Phänomen vermindert
den Wirkungsgrad des stufenweisen Wärmeübertragungsmechanismus durch
Verringerung der effektiven Destillatmenge, die durch verdampfendes
Salzwasser erzeugt wird, d. h. das Verhältnis der Wiederverdampfung von
Destillat zur Verdampfung von Salzwasser nimmt zu.
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Ferner
ist zu beachten, daß die
bekannte Anordnung der Destillatwanne, die das Destillat auffangt
und von der Hoch- zur Niedrigtemperaturstufe der Entspannungsdestillationsanlage
transportiert, immer hinderlicher wird und Tropfenabscheidern und
Freisetzungsflächen
für verdampfendes
Salzwasser Platz wegnimmt.
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Der "Wärmeabführungs"-Abschnitt einer typischen Entspannungsdestillationsanlage
nutzt eine externe Meerwasserkühlung,
um eine niedrige Temperatur in den unteren Temperaturstufen zu halten.
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In
diesem Wärmeabführungsabschnitt
wird die installierte Wärmeaustauschfläche sowohl
zur Erzeugung von neuem Destillat durch Kondensation von verdampfendem
Salzwasser als auch zur Kondensation des verdampften Destillats
genutzt. Daher ist der Wirkungsgrad dieses Abschnitts niedriger
als bei der Wärmerückgewinnung,
und typischerweise werden mehr als 18% der Wärmeaustauschfläche zur
Kondensation von wiederverdampftem Destillat genutzt.
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Mehrstufige
Entspannungsdestillatoren werden weltweit häufig für großtechnische Entsalzungsprojekte
eingesetzt. Ihre Leistung ist sowohl von der maximalen Salzwassertemperatur
(oberen Salzwassertemperatur oder TBT) als auch von der minimalen
Salzwassertemperatur (unteren Salzwassertemperatur oder BBT) abhängig, die
in dem Verfahren angewandt werden kann. Je höher die Differenz zwischen
der oberen Salzwassertemperatur und der unteren Salzwassertemperatur
(der Verdampfungsbereich), desto höher wird die Produktivität der Anlage.
Moderne berkömmliche
Entspannungsdestillationsanlagen arbeiten bei einer oberen Salzwassertemperatur
im Bereich zwischen 105°C
und 112°C;
und die Salzwasser- und Destillattemperatur in der untersten Stufe
des Warmerückgewinnungsabschnitts
variiert zwischen 65°C
und 50°C
und ist von der Durchflußgeschwindigkeit
und der Temperatur der Meerwasserkühlung abhängig. Eine moderne Entspannungsdestillationsanlage
mit Anwendung einer Kombination aus Entspannungsdestillation und
Nanofiltrationstechnologie, die eine obere Salzwassertemperatur
von mehr als 120°C
zuläßt (wie
in Awerbuch,
EP 1206414 (
WO 01/14256 ) offenbart),
bietet einen noch größeren Verdampfungsbereich.
Die vorgeschlagene Erfindung betrifft eine Modifikation an der Konstruktion
der Entspannungsdestillationsanlage, die es ermöglicht, mehr Salzwasser aus
der Entspannungsdestillationsanlage in den Wärmerückgewinnungsabschnitt des Verdampfers
zu verdampfen und an der größeren Wärmeaustauschfläche kondensieren
zu lassen, die für
die Kondensation von Salzwasser verfügbar gemacht wird.
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Infolgedessen
ist die untere Salzwassertemperatur niedriger.
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Aufgrund
dieser beiden Effekte ermöglicht
die vorgeschlagene Verfahrensmodifikation eine Erhöhung der
Produktivität
des Verfahrens.
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Die
Multieffektdestillations-(MED-)Technologie ist für relativ kleine Anwendungen
und Betrieb bei relativ niedrigeren Temperaturen eingesetzt worden.
Die für
MED-Verfahren eingeführte
obere Auslegungstemperatur variiert zwischen 60°C und 70°C.
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Bei
der Gewinnung nach dem Meerwasserumkehrosmoseverfahren (SWRO-Verfahren)
sind das Umkehrosmoseverhältnis
und der Energieverbrauch von der Speisewassertemperatur abhängig: Die
optimale Temperatur liegt im Bereich von 30°C bis 35°C, mit einem technischen Grenzwert
von 40°C
für Standardmembranen.
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Im
Nahen Osten liegen die Meerwassertemperaturen in der Wintersaison
im Bereich von 18°C
bis 28°C,
in nordafikanischen Gebieten ist die Meerwassertemperatur im Winter
noch niedriger, erreicht 14°C
bis 12°C
und übersteigt
nie 28°C.
Das Membran-Gewinnungsverhältnis
bzw. -Entsalzungsverhältnis
ist definiert als das Verhältnis
zwischen dem Permeatdurchfluß der
Membranen und dem Meerwasserdurchfluß. Je höher das Gewinnungsverhältnis, desto
niedriger werden die Investitions- und Betriebskosten für die Membran.
Bei Standard-Meerwassermembranen existieren heute technische Beschränkungen,
die den Betrieb einer Umkehrosmoseanlage bei einer Temperatur über 39°C verhindern.
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Die
optimale Membranspeisewassertemperatur liegt jedoch zwischen 28°C und 32°C. Bei niedrigeren Temperaturen
ist das Membran-Gewinnungsverhältnis
niedrig, daher kann bei höherem
Energieverbrauch weniger Permeat von der Membran gewonnen werden.
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Es
besteht ein großer
Bedarf für
ein Verfahren, das die Vorteile der Entspannungsdestillation (MSF) mit
denen der anderen beiden Technologien, Multieffektdestillation (MED)
und Meerwasserumkehrosmose (SWRO), kombiniert, um die Betriebsbedingungen,
Wirkungsgrad und Ausbeute von beiden unter Ausnutzung der Differenz
im Temperaturprofil jedes Entsalzungssystemtyps zu verbessern. Die
vorliegende Erfindung macht Eigenwärme aus dem extrahierten MSF-Destillatstrom
bei einer ausreichend hohen Temperatur verfügbar, um den Meerwasserzufluß für Umkehrosmose-(RO-)
und/oder Multieffektdestillations-(MED-)Speisewasser vorzuwärmen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung zielt auf ein verbessertes Verfahren zur Entsalzung
von Salzwasser bei optimalen Betriebsbedingungen durch Anpassung
von Multieffektdestillations-, Umkehrosmose- und anderen Verfahren
an die Entspannungsdestillation.
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Die
vorliegende Erfindung bietet ein Entsalzungsverfahren für die Herstellung
von Trinkwasser mit den folgenden Schritten:
- a)
Gewinnen mindestens eines Destillatstroms aus mindestens einer Stufe
höherer
Temperatur eines mehrstufigen Entspannungsverdampfungs-(MSF-)Trennverfahrens
und;
- b) Zufuhr des mindestens einen Destillatstroms zu mindestens
einer Stufe eines Trennverfahrens, das mit einer niedrigeren Temperatur
als der höheren
Temperatur arbeitet, um den Eigenwärmeeinsatz in dem Destillatstrom
durch Wärmeübertragung
in der mindestens einen Stufe zu maximieren und den externen Wärmeeintrag
der mindestens einen Stufe und des Verfahrens insgesamt zu vermindern.
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Erfindungsgemäß wird die
Energie, die mit dem aus den letzten Stufen des MSF-Wärmerückgewinnungsabschnitts extrahierten
Destillat verbunden ist, in einem anderen Arbeits- oder Entsalzungszyklus
(z. B. Multieffektdestillation (MED) oder Umkehrosmose (RO)), der
bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet, zurückgewonnen.
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Insbesondere
bewirkt die Extraktion des Destillats aus der Destillatwanne in
den letzten Stufen des Entspannungsdestillation-Wärmerückgewinnungsabschnitts
eine Verbesserung der Gesamtleistung der Entspannungsdestillation,
da die Austauschfläche
des Wärmeabführungsabschnitts
weniger mit Destillat beladen ist und ein großes Volumen verdampfenden Salzwassers
verarbeiten kann.
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Vorzugsweise
ist die mindestens eine Stufe eine Stufe, in der Speisewasser zu
dem Entspannungsdestillations-Trennverfahren durch den mindestens
einen Strom vorgewärmt
wird.
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Wünschenwert
ist, daß die
mindestens eine Stufe eine Stufe in einem zweiten Trennverfahren
ist.
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Günstigerweise
ist das zweite Trennverfahren die bei niedrigerer Temperatur arbeitende
Multieffektdestillation (MED), die zumindest teilweise durch Wärme thermisch
gesteuert wird, die am dem mindestens einen, von der mehrstufigen
Entspannungsdestillation (MSF) abgeleiteten Destillatstrom gewonnen
wird. Der mindestens eine Destillatstrom kann in einer Serie von
Schnellverdampfungsprozessen stoßartig verdampft werden und
durch direkte Übertragung
von dem Salzwasser zu dem MED-Prozeß Wärme bereitstellen.
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Falls
das zweite Trennverfahren die Multieffektdestillation (MED) ist,
kann der mindestens eine Destillatstrom stoßartig verdampft werden, um
das Destillat zu kühlen,
und der Flüssigkeitsdampf
wird durch Ejektoren auf eine hohe Temperatur thermokomprimiert
und dann zugeführt,
um eine höhere
Wirkung des MED-Verfahrens zu erzielen.
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Außerdem kann,
falls das zweite Trennverfahren die Multieffektdestillation (MED)
ist, der mindestens eine Destillatstrom einer Reihe von Wärmeaustauschschritten
ausgesetzt werden, in denen Wärme
von dem Destillatstrom zum Destillat der Multieffektdestillation
(MED) übertragen
wird.
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Als
Alternative kann das zweite Trennverfahren ein Umkehrosmoseverfähren (RO-Verfahren)
sein, bei dem der Destillatstrom von der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) zum Vorwärmen
des Meerwasserzuflusses zu dem Umkehrosmoseverfahren verwendet wird.
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Gleichzeitig
kann die Wärme,
die aus der mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) in Form
von Destillat gewonnen wird, als Energiequelle für ein mit niedrigerer Temperatur
betriebenes Verfahren genutzt werden, wie z. B. die Multieffektdestillation
(MED).
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Insbesondere
kann das Destillat entweder in flüssiger Form als Zufluß zur Multieffektdestillation
(MED) eingesetzt werden, oder es kann stoßartig verdampft und wieder
komprimiert und der ersten MED-Stufe
zugeführt
werden.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung auf MSF/RO-Hybridverfahren
sieht die Verwendung des gewonnenen Destillats zum Erwärmen des
Meerwasserzuflusses zu der RO-Anlage vor, zum Beispiel in der Wintersaison,
um ein höheres
Gewinnungsverhältnis
von der RO-Membran zu erzielen.
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Als
direktes Ergebnis werden eine Anzahl von Vorteilen realisiert, zu
denen sowohl ein kostengünstigerer
Betrieb der MSF-Entsalzung als auch eine Senkung des Energieverbrauchs
der MED- oder RO-Anlagen gehören, die
den von der mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) nacheinander
zugeführten
Energiestrom nutzen.
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Zu
beachten ist, daß die
Erfindung Energie aus der MSF-Anlage mit einer modernen Leistungsverbesserung
der MSF-Anlage verfügbar
macht.
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Das
Destillatgewinnungssystem von der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) bringt besonders in der Vorrichtung/Anlage weitere Vorteile
mit sich, genau gesagt, weil die Destillatwanne im Wärmeabführungsabschnitt
erheblich kleiner sein kann und/oder ein größerer Raum für einen
Tropfenabscheider verfügbar
gemacht werden kann. Dieser Raum ist besonders wertvoll im Wärmeabführungsabschnitt,
der unter Hochvakuum arbeitet und große Dampfmengen verarbeitet,
wodurch hohe Dampfgeschwindigkeiten in den Tropfenabscheidern entstehen.
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Diese
sind ihrerseits verantwortlich sowohl für einen Wirkungsgradverlust
als auch für
hohe Leitfähigkeit,
wenn Überflutungsbedingungen
auftreten. In dieser Hinsicht kann, wenn man den größeren Raum
für den Trockenabscheider
betrachtet, der durch die Verkleinerung der Destillatwanne verfügbar gemacht
wird, eine weitere Leistungsverbesserung der MSF-Anlage erzielt
werden. Die Entnahme von Destillat am Stufen der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) liefert die Mittel zur Produktionssteigerung der Entsalzungsanlagen.
Die in dem Destillat enthaltene Energie kann, in Abhängigkeit
von der Stufe, aus der Destillat entnommen wird, durch Entspannungsverdampfung
in einen oder mehrere geeignete Stufenkreisläufe des Multieffektdestillations-(MED-)Prozesses – oder durch
Vorwärmen
des Zuflusses zu einem anderen Entsalzungsprozeß, wie z. B. der Umkehrosmose
(RO), zurückgewonnen
werden.
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Im
Fall der Entnahme von Destillat aus der letzten Stufe des Gewinnungsabschnitts
vor dem Wärmeabführungsabschnitt
ist die in den letzten Stufen durch Entspannungsverdampfung entzogene Wärme für den MSF-Destillationsprozeß überhaupt
nicht nutzbringend, notwendig oder erforderlich, sondern könnte zum
Vorwärmen
des Zuflusses zu Membranprozessen genutzt werden, wie vorgeschlagen
wird.
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Im
allgemeinen wird Wärme
von wiederverdampfendem Destillat durch Kondensation an Wärmeaustauschflächen (HTS)
gewonnen und benötigt
eine Röhrenfläche zur
Kondensation, die zur Kondensation von neuem Dampf genutzt werden
könnte,
der durch Entspannungsverdampfung von Salzwasser erzeugt wird. Die zusätzliche
Fläche,
die nicht durch einen Destillatsammelkanal belegt wird, kann zur
Vergrößerung der
Fläche von
Tropfenabscheidern genutzt werden, besonders in unteren Stufen der
mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF).
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Die
Wärme,
die aus MSF-Stufen durch Entnahme von Destillat aus der mehrstufigen
Entspannungsdestillation (MSF) entnommen wird, kann auf die niedrigere
Temperatur von MED-Stufen wiederverdampft werden, sowohl zur Bereitstellung
von Eigenwärme
zum Vorwärmen
des Zuflusses im Direktkontakt, als auch durch Speisewasservorwärmer der
Multieffektdestillation (MED).
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Das
Ergebnis der Entnahme von Destillat aus allen oder einigen strategisch
angeordneten Stufen der MSF-Anlage liefert eine zusätzliche
Ausbeute an destilliertem Wasser von existierenden und zukünftigen MSF-Anlagen.
Die enthaltene Wärme
und das thermische Potential des Destillats werden durch Hybridisierung mit
Multieffektdestillations-(MED-), Dampfkompressions-(VC-) oder Umkehrosmose-(RO-) Prozessen gewonnen.
Dies ermöglicht
die Maximierung der Produktion bei der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) sowie eine Steigerung des Wirkungsgrads anderer Entsalzungsverfahren.
Das vorgeschlagene Verfahren besteht in der Entnahme von Destillat
nach jeweils mehreren Stufen und der Übertragung der verfügbaren Wärme durch
Entspannungsverdampfung in MED-Entspannungsbehältern, die Dampf zum Vorwärmen des
Zuflusses im Direktkontakt mit dem sprühunterkühlten Zufluß liefern oder Wasserdampf
für den
Speisewasserwärmer
bereitstellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Fließschema
eines integrierten MSF – MED-Hybridentsalzungsverfahrens
mit Verwendung eines Destillatstroms aus der Hochtemperaturstufe
einer MSF-Destillation als direktem Zufluß zu einem MED-Verfahren.
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2 zeigt
ein Fließschema,
das ein zweites MSF – MED-Hybridentsalzungsverfahren
darstellt, in dem das Destillat stoßartig verdampft wird und der
Dampf einem MED-Verfahren zugeführt
wird.
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3 zeigt
ein Fließschema,
das ein drittes, voll integriertes MSF – MED-Entsalzungsverfahren
darstellt, das Destillat von dem MSF-Verfahren nutzt und Salzwasser
und nichtkondensierbare Gase zurückführt, um
die MED-Leistung zu erhöhen.
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4 zeigt
ein Fließschema,
das ein viertes MSF – RO-Hybridentsalzungsverfahren
darstellt, das Destillat von der MSF-Anlage zum Vorwärmen des
Speisewassers für
das RO-Verfahren nutzt.
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5 zeigt
ein Diagramm, das den anteiligen Anstieg der Destillatproduktion
in Abhängigkeit
von der Destillatentnahme darstellt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
MSF-Entsalzungsverfahren nach dem Stand der Technik werden durch
die vorliegende Erfindung wesentlich verbessert. Nach dem Durchlesen
und Verstehen der Merkmale und Grundgedanken der Erfindung, wie
sie hier beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt sind, wäre ein erfahrener
Ingenieur in der Konstruktion, Fertigung und dem Betrieb von Wasserentsalzungsanlagen
von dem Typ, der durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen
wird, in der Lage, die Erfindung praktisch auszuführen und
ihre Vorteile zu realisieren.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung besteht die Verbesserung in der Entdeckung,
daß die
Entnahme des MSF-Destillats genutzt werden kann, um Energie für einen
anderen Prozeßkreislauf
bereitzustellen, der bei einer niedrigeren Temperatur arbeitet.
Es ist ferner festgestellt worden, daß die Entnahme erhebliche Verbesserungen
in der Leistung der MSF-Entsalzungsanlage bewirkt, aus der das Destillat
entnommen wird. Diese Verbesserungen werden nach dem Stand der Technik
nicht vorgeschlagen.
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In
jeder der Ausführungsformen
gemäß den 1 bis 4 wird
eine allgemein bei 100 dargestellte mehrstufige Entspannungsdestillationsanlage
(MSF) bereitgestellt, die Wärmeabführungsstufen 110 und
Wärmerückgewinnungsstufen 120 aufweist.
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Die
Grundgedanken der MSF-Destillation sind einfach. Der Meerwasserzufluß (SW) wird
unter Druck gesetzt und auf die maximale Anlagentemperatur erhitzt.
Wenn die erhitzte Flüssigkeit
in eine Kammer 123 ausgestoßen wird, die ein wenig unter
dem Sättigungsdampfdruck
der Flüssigkeit
gehalten wird, verdampft ein Teil ihres Wassergehalts stoßartig zu
Wasserdampf. Der Entspannungsdampf wird dann bei seinem Durchgang
durch einen Tröpfchenabscheider
von suspendierten Salzwassertröpfchen
befreit und kondensiert an der Außenfläche von Wärmeaustauschröhren. Die
kondensierte Flüssigkeit
tropft in Wannen (105) als heißes Produktwasser.
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Das
nicht verdampfte Salzwasser tritt in eine zweite Kammer oder Stufe
ein, wo es sich bei einer niedrigeren Temperatur zu Wasserdampf
entspannt, wodurch eine weitere Menge von Produktwasser erzeugt
wird. Gleichzeitig fließt
das Destillat aus der ersten Stufe (101) zur Destillatwanne
in der zweiten Stufe und gibt einen Teil seiner Wärme ab.
Der Entspannungs-Kühlungs-Prozeß wiederholt
sich von Stufe zu Stufe, bis das abgekühlte Salzwasser und das abgekühlte Destillat
schließlich
als Absalzwasser bzw. Produktwasser aus der Anlage ausgetragen werden.
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Der
durch das Innere der Röhren
fließende,
umlaufende Salzwasserstrom (121), der den Dampf in jeder
Stufe kondensiert, dient zur Abführung
der latenten Kondensationswärme.
Dabei wird das umlaufende Salzwasser vorgewärmt, wobei gleichzeitig die
Energie des kondensierenden Dampfes zurückgewonnen wird. Dieser Abschnitt
der mehrstufigen Entspannungsdestillationsanlage wird als "Wärmerückgewinnungsabschnitt" bezeichnet. Das
vorgewärmte
Salzwasser wird schließlich
in einem Salzwassererhitzer (122), der mit Dampf aus einer äußeren Quelle
(S) gespeist wird, auf die maximale Betriebstemperatur gebracht.
Das kühle Ende
der Anlage, das als "Wärmeabführungsabschnitt" bezeichnet wird,
hat die Aufgabe, sowohl die Abwärme durch
externes Kühlungs-Meerwasser
zu entfernen als auch durch Kondensation eines Teils des übrigen,
teilweise verdampfenden Salzwassers aus dem Warmerückgewinnungsabschnitt
Destillat zu erzeugen. Ein Anteil (111) dieses Kühlungsstroms,
der in Strömungsrichtung
hinter dem Wärmeabführungsabschnitt
abgezweigt wird, wird vorgewärmt
und wird zu Zusatzwasser.
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Konkret
erhöht
sich bei der vorliegenden Erfindung durch Entnahme eines Destillatstroms 150 in
den letzten Wärmerückgewinnungsstufen 109 (und
wahlweise in den durch gestrichelte Linien angedeuteten Stufen 108)
der MSF-Verdampfungseinrichtung die MSF-Produktion ohne irgendeine
erhebliche Abnahme des Leistungsverhältnisses und daher ohne erhöhten externen
Dampfbedarf.
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Ferner
kann in der neu konstruierten Vorrichtung für das Verfahren ein größerer Raum
für Tropfenabscheider
verfügbar
gemacht werden, wodurch eine weitere Verbesserung der Anlagenleistung
ermöglicht
wird.
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Die
Energie des Destillatstroms wird als Energiequelle für einen
getrennten, allgemein als 200 dargestellten MED-Abscheider
genutzt, der eine Reihe von Stufen 201, 202, 203 aufweist.
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Die
Verwendung von Destillat als Wärmequelle
für ein
MED-Verfahren ermöglicht,
daß die
Multieffektdestillation (MED) mit einem sehr niedrigen Verbrauch
an zugeführter
(externer) Wärme
arbeitet, und erhöht den
Energiewirkungsgrad des Systems.
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Zu
beachten ist, daß die
Erfindung außer
der Leistungsverbesserung bestimmte ökologische Vorteile gewährt. Wie
in der unten stehenden Tabelle 1 angegeben, sind bei der gleichen
Seewasserdurchflußmenge durch
den Wärmeabführungsabschnitt
sowohl die untere Salzwassertemperatur (BBT) als auch die Auslaßtemperatur
der Wärmeabführung niedriger.
Alternativ kann die Kühlwasserdurchflußmenge durch
den Wärmeabführungsabschnitt
vermindert werden, oder es kann eine Kombination der beiden Wirkungen
erzielt werden. Beide Aspekte bewirken eine Verbesserung der Umweltbelastung.
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In
Tabelle 1 sind die Vorteile zusammengefaßt, die durch die vorliegende
Erfindung in den beiden Optionen einer Nachrüstung der Konzeption an einem
bestehenden Standort oder ihrer Einführung als Konstruktionsmerkmal
für eine
neue Anlage erzielt werden. TABELLE 1. Zusammenfassung der Vorteile
der Erfindung
| Bestehende
Anlage (Nachrüstung) | Neue
Anlage |
| Erhöhung des
MSF-Destillataustrags ohne Verminderung des Leistungsverhältnisses | Erhöhung des
MSF-Destillataustrags und Erhöhung des
Leistungsverhältnisses
der Anlage |
| Entnahme
eines Wärmestroms,
der in einem anderen Verfahren nutzbar ist | Entnahme
eines Wärmestroms,
der in einem anderem Verfahren nutzbar ist |
| Modifikation
der Auslegung der internen Destilliervorrichtung mit der Möglichkeit,
die Tropfenabscheider-/Freisetzungs-Flächen zu vergrößern und
die Destillatwanne zu verkleinern. | Optimierung
der Auslegung der internen Destilliervorrichtung mit der Möglichkeit,
die Tropfenabscheider-/Freisetzungs-Flächen zu vergrößern und
die Destillatwanne zu verkleinern. |
| Verringerung
der Tropfenabscheidergeschwindigkeit und Erhöhung der Destillatreinheit.
Schutz der Reinheit des Hauptdestillatstroms durch Entnahme vor
dem Wärmeabführungsabschnitt.
Verringerung parasitärer
Verluste. | Verringerung
der Tropfenabscheidergeschwindigkeit und Erhöhung der Destillatreinheit.
Schutz der Reinheit des Hauptdestillatstroms durch Entnahme vor
dem Wärmeabführungsabschnitt. |
| Senkung
der unteren Salzwassertemperatur | Senkung
der unteren Salzwassertemperatur |
| Möglichkeit
zur Senkung des Meerwasserverbrauchs | Möglichkeit
zur Senkung des Meerwasserverbrauchs |
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Wenn
die Erfindung in einer bestehenden MSF-Anlage nachgerüstet wird,
bestehen unvermeidbare Einschränkungen
durch die vorhandene Konstruktion, die eine Vergrößerung der
Tropfenabscheiderfläche verhindern
können.
In diesem Fall wird, wie in Tabelle 1 angegeben, der Ausstoß der Anlage
zunehmen.
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Die
anteilige (Produktions-) Erhöhung
der Anlage ist in 5 und Tabelle 2 dargestellt.
Wenn die Erfindung auf eine neue MSF-Anlage angewandt wird, kann
sie auf eine Umgestaltung der inneren Anordnung des Verdampfers
in der letzten Stufe des Wärmeabführungsabschnitts
hinauslaufen, die mehr Raum für
Tropfenabscheider verfügbar
macht und daher eine Erhöhung
des Leistungsverhältnisses
ermöglicht.
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Tabelle
2 zeigt eine vergleichende Analyse einer 17-stufigen MSF-Anlage
mit einem Ausstoß von
22,7 Millionen Liter/Tag (5 Millionen Imperial gallons/Tag (MIGD)),
die unter den gleichen Bedingungen für die obere Salzwassertemperatur,
die Meerwassertemperatur und die Salzwasserumwälzmenge mit Entnahme des Destillatflusses
(gemäß der Erfindung)
aus der 14. Stufe arbeitet. TABELLE 2. MSF-Leistung mit und ohne Destillatentnahme
| Parameter | Mit
Destillatentnahme | Ohne
Destillatentnahme |
| Obere
Salzwassertemperatur | 110°C | 110°C |
| Untere
Salzwassertemperatur | 41,3°C | 42,4°C |
| Destillatfluß | 1157,95
t/h | 1174,7
t/h |
| Leistungsverhältnis | 7,46
(t/t) | 7,45
(t/t) |
| Dampfbedarf | 155,27
(t/h) | 157,74
(t/h) |
| Für den stromabwärts liegenden Kreislauf
verfügbar
gemachte Energie | 61384
kJ/s | 0 |
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Die
konzipierte Entsalzungseinrichtung beinhaltet die Entnahme von Destillat
aus der mehrstufigen Entspannungsverdampfung (MSF) zur stoßartigen
Verdampfung in einem Behälter,
um das Destillat zu kühlen, und
der entspannte Dampf wird durch Ejektoren auf eine höhere Temperatur
thermokomprimiert und tritt in eine höhere MSF-Stufe ein.
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Einer
der Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung
beinhaltet die Entnahme von Destillat aus der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF), das in einem Entspannungsbehälter stoßartig verdampft werden soll,
um das Destillat zu kühlen,
und Destillate und der entspannte Dampf werden in einem bei niedrigerer Temperatur
arbeitenden Verfahren kondensiert, um ein doppelt destilliertes
Produkt von extrem hoher Reinheit mit einem Verdampfungsrückstand
(TDS) von weniger als 0,1 ppm zu erhalten.
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1 zeigt
ein Grundfließschema
eines integrierten MSF – MED-Systems
mit einer ersten MED-Stufe,
die durch aus der mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) entnommenes
Destillat statt durch kondensierenden Wasserdampf aufgeheizt wird.
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Die
MED-Anlage ist in allen Aspekten ähnlich einer herkömmlichen
MED-Anlage, mit dem Unterschied, daß die erste Stufe durch Destillat
aus der MSF statt durch Wasserdampf gespeist wird. Das Destillat wird
in der ersten Stufe durch Wärmeübertragung
zu frischem Meerwasser in der MED-Stufe abgekühlt.
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Ein
alternatives Schema ist in 2 angedeutet,
wo MSF-Destillat zu einem Entspannungsbehälter gefördert wird und der durch Destillatentspannung
erzeugte Dampf thermokomprimiert und der ersten Stufe des Verdampfers
zugeführt
wird.
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Die
konzipierte Entsalzungseinrichtung beinhaltet die Wärmeübertragung
in einer Reihe von Entspannungsbehältern, die durch Direktkontakt
vom Destillat zur Multieffektdestillation (MED) entspannten Dampf
bereitstellt. Die erfindungsgemäße Entsalzungseinrichtung
sorgt dafür,
daß das
aus der MSF entnommene und einem Entspannungsbehälter zur Abkühlung des
Destillats zugeführte
Destillat und der entspannte Dampf durch Ejektoren auf eine höhere Temperatur
thermokomprimiert werden, bevor sie in eine höhere MED-Stufe eintreten.
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Eine
alternative erfindungsgemäße Entsalzungseinrichtung
sorgt dafür,
daß der
Wärmeaustausch
in einer Reihe von Wärmetauschern
zwischen dem MSF-Destillat und dem MED-Destillat erfolgt.
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Eine
voll integrierte MED – MSF-Option
ist in 3 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden drei Ströme aus der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) entnommen und zur Multieffektdestillation (MED) gefördert: Destillat,
nichtkondensierbares Abgas aus der ersten Stufe, Absalzwasser. Der
erfindungsgemäße Schritt
beinhaltet die Entnahme von MSF-Salzwasserströmen zu einem MED-Prozeß, indem
das entnommene Salzwasser einem zweiten Prozeß zugeführt wird, der bei niedrigerer Temperatur
arbeitet, um die Eigenwärme
des Salzwasserstroms zu nutzen. In diesem Fall weist die erfindungsgemäße Entsalzungseinrichtung
eine Vorrichtung für
den Wärmeaustausch
in einer Reihe von Entspannungsbehältern auf, die durch Direktkontakt
vom Salzwasser zur Multieffektdestillation (MED) entspannten Dampf bereitstellen.
Eine alternative erfindungsgemäße Entsalzungseinrichtung
beinhaltet, daß aus
der mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) beinhaltet, daß aus der
mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) entnommenes Salzwasser
in einem Entspannungsbehälter
stoßartig
verdampft wird, um das Destillat abzukühlen, und der entspannte Dampf
durch Ejektoren auf eine höhere
Temperatur thermokomprimiert wird und in eine höhere MED-Stufe eintritt. Eine
weitere Alternative der erfindungsgemäßen Einrichtung sorgt für den Wärmeaustausch
in einer Reihe von Wärmetauschern
zwischen dem Salzwasser von der mehrstufigen Entspannungsdestillation
(MSF) und dem Zufluß zur
Multieffektdestillation (MED).
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Bei
der Betriebstemperatur der MED-Anlage wird die Gefahr der Abscheidung
von Magnesiumhydroxid durch Einblasen von CO2 von
der mehrstufigen Entspannungsdestillation (MSF) in die Stufe verhindert,
mit dem Vorteil, daß in
der MED-Anlage stets reinere Bedingungen herrschen.
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Die
Betriebskonfiguration von 4 zeigt
eine MSF/RO-Hybridanlage mit RO-Speisewasser, das durch MSF-Destillat
aufgeheizt wird, das entnommen wird, wie weiter oben angegeben.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird das Membranspeisewasser durch die Eigenwärme des
Destillats auf 28–30°C aufgeheizt,
mit dem Vorteil, daß ein
höheres
Permeatgewinnungsverhältnis,
ein niedrigerer spezifischer Energieverbrauch und eine konstantere
Arbeitstemperatur am Membraneinlaß aufrechterhalten werden,
was sich in einer längeren
Lebensdauer dem Membran widerspiegelt.
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Die
Entsalzungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt die Vorrichtung für den Wärmeaustausch in einer Reihe
von Entspannungsbehältern
bereit, die durch Direktkontakt von Destillat zu dem RO-Zufluß entspannten
Dampf liefern. Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sorgt für die
Entnahme von Destillat aus der mehrstufigen Entspannungsdestillation,
das in einem Entspannungsbehälter
stoßartig
zu verdampfen ist, um das Destillat abzukühlen, und der entspannte Dampf
wird durch Ejektoren auf eine höhere
Temperatur thermokomprimiert, um den RO-Zufluß zu erwärmen.
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Eine
weitere Alternative der Entsalzungseinrichtung sorgt dafür, daß der Wärmeaustausch
durch Wärmetauscher
zwischen dem MSF-Destillat und dem RO-Zufluß erfolgt.
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Das
in 5 dargestellte Diagramm basiert auf einem Nenndurchsatz
von 22,7 Millionen Liter/Tag (5 Millionen Imperial gallons/Tag (MIGD)).
Bei Durchsätzen,
die gegenwärtig
höher sind
als 68,1 Millionen Liter/Tag (15 MIGD), würde sich der Ausstoß proportional
erhöhen.