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WO2013017520A1 - Membrandestillationsvorrichtung - Google Patents

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WO2013017520A1
WO2013017520A1 PCT/EP2012/064680 EP2012064680W WO2013017520A1 WO 2013017520 A1 WO2013017520 A1 WO 2013017520A1 EP 2012064680 W EP2012064680 W EP 2012064680W WO 2013017520 A1 WO2013017520 A1 WO 2013017520A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
condensation
liquid
concentrated
evaporation
evaporation stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/064680
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Heinzl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AAA Water Technologies AG
Original Assignee
AAA Water Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by AAA Water Technologies AG filed Critical AAA Water Technologies AG
Priority to CN201280038077.7A priority Critical patent/CN103732311B/zh
Priority to AU2012292161A priority patent/AU2012292161B2/en
Priority to US14/235,976 priority patent/US9861935B2/en
Publication of WO2013017520A1 publication Critical patent/WO2013017520A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/36—Pervaporation; Membrane distillation; Liquid permeation
    • B01D61/366—Apparatus therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/44—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis
    • C02F1/447—Treatment of water, waste water, or sewage by dialysis, osmosis or reverse osmosis by membrane distillation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/08—Seawater, e.g. for desalination

Definitions

  • the invention relates to a membrane distillation apparatus comprising at least one condensing / evaporation stage comprising at least one condensation unit, which is fed with steam and through which a liquid (feed) to be concentrated flows, wherein a respective condensation unit has an at least partially bounded by a condensation wall, from supplied vapor supplied to the first vapor space and a respective evaporator unit comprises at least partially bounded by a vapor-permeable liquid-tight membrane wall second vapor space and in a respective condensation / evaporation at least one educated between such a condensation unit and such an adjacent evaporator unit to be concentrated Liquid leading flow channel is provided so that the liquid to be concentrated is heated via the condensation wall and from the a vapor to be concentrated to the liquid passes through the membrane wall into the second vapor space.
  • the first condensation / evaporation stage upstream of a steam generator and the last condensation / evaporation stage downstream of a condensation stage.
  • the concentration of the solution is carried out in stages or effects which follow one another in series. In each stage, a different temperature and in equilibrium to a different pressure arises when the system is operated free of non-condensable gases.
  • the temperature is highest, while continuously decreasing towards the condenser.
  • the solution or liquid to be concentrated is at ambient temperature or, as in the desalination of seawater, at seawater temperature.
  • the liquid to be concentrated may, for example, be preheated in a temperature range of 30 to 40 ° C after leaving the condenser, for example when seawater is used as cooling water of the condenser.
  • this temperature is still significantly removed from the temperature in the first condensation / evaporation stage of 80 to 50 ° C. If the liquid to be concentrated is removed as a partial stream of the cooling water stream preheated after the condenser, it is usually the first condensation / evaporation stage after the
  • the invention is essentially based on the object to provide an improved membrane distillation apparatus of the type mentioned, in which a more effective preheating of the liquid to be concentrated is ensured. According to the invention this object is achieved in that at least one condensation / evaporation stage is extended by an integrated means for preheating the liquid to be concentrated, which comprises at least one further vapor space, which is acted upon by the condensation / evaporation stage supplied steam and in which the vapor condenses , whereby the liquid to be concentrated is preheated.
  • the preheating device preferably comprises at least one channel which leads the liquid to be preheated and which is at least partially bounded by at least one heat-conducting, liquid-tight wall.
  • the steam supplied to the at least one further steam chamber of the preheating device can condense on the heat-conducting, liquid-tight walls of the channels leading to the liquid to be preheated.
  • at least one heat-conducting, liquid-tight wall in the form of a flat surface, a tube or a hollow thread is provided.
  • a plurality of condensate / evaporation stages through which the liquid to be concentrated is provided, wherein at least one, preferably each of these stages is extended by an integrated means for preheating the liquid to be concentrated.
  • the liquid to be preheated to be heated is first supplied to the last condensation / evaporation stage and then successively to the preheating means of the preceding condensation / evaporation stage before the preheated liquid to be concentrated reaches the at least one the liquid to be concentrated leading the flow channel of the first condensation / evaporation stage is supplied.
  • the first preheating device need not necessarily be provided in the last condensation / evaporation stage.
  • the first condensation / evaporation stage considered in the main flow direction of the liquid to be concentrated, is preferably acted upon by the steam of a steam generator.
  • this steam for example, from external sources, such as a steam turbine, come.
  • the second and, if appropriate, any further condensation / evaporation stage is advantageously applied by the steam formed in the preceding condensation / evaporation stage.
  • a plurality of condensation / evaporation stages arranged horizontally next to one another and / or a plurality of condensation / evaporation stages arranged vertically below one another can be provided.
  • the first condensation / evaporation stage viewed in the main flow direction of the liquid to be concentrated, is preferably acted upon by the steam of a steam generator via a horizontal collecting duct.
  • the vapor produced in a respective preceding condensation / evaporation stage is preferably supplied to the respective subsequent condensation / evaporation stage via parallel horizontal collection channels which are interconnected by a vertical deflection channel section.
  • the vapor produced in a respective preceding condensation / evaporation stage can also be supplied vertically to the respective subsequent condensation / evaporation stage.
  • the collected condensate formed in the condensation units of a respective preceding condensation / evaporation stage is preferably fed via a pressure compensation device to the respective subsequent condensation / evaporation stage.
  • the pressure compensation device can in particular comprise a siphon.
  • the ascending part of such a siphon advantageously comprises expansion channels, which are delimited by at least one membrane.
  • the distillate can flow from below through the expansion channels forming part of the rising siphon.
  • the expansion channels are expediently at the pressure of the respective subsequent condensation / evaporation stage, so that the distillate from the respective preceding stage, in which a higher pressure prevails than in the subsequent stage, can suddenly relax with the formation of steam.
  • the vapor can then flow through the membrane into the vapor space of the subsequent condensation / evaporation stage and does not have to flow upwards as in a tube. An empty lifting of the siphon by steam bubbles as in a tube does not take place.
  • the resulting vapor condenses in the condensation channels or condensation units of the subsequent stage.
  • siphons can be used for pressure separation between two consecutive condensation / evaporation stages.
  • Such siphons may be provided, for example, as a membrane frame. The lower side of the siphon has the higher pressure, while the lower side of the siphon has the lower pressure. In both stages, the process is run at the boiling temperature. In the upwardly flowing part of the siphon, there is now a spontaneous boiling of the liquid. Is the
  • the boiling bubbles will empty the ascending part like a mother pump. It comes to the pressure short circuit between the stages.
  • the whole ascending length or e.g. the upper part is replaced by frames with channels which are bounded on at least one side by a membrane. The resulting vapor when relaxing the liquid vapor can escape directly through the membrane in the vapor space of the subsequent stage and does not rise as in a pipe completely in the pipe to the top.
  • the preheated liquid to be heated enters a respective condensation / evaporation stage and is heated by the steam entering this stage.
  • the process itself is self-regulating, because only as long as a temperature difference between the preheated liquid and the steam, as steam flows into the preheating.
  • the membrane distillation device can be designed at least partially as a modular flow system with a multiplicity of frame elements, the various functional units in particular comprising a respective condensation unit, a respective evaporator unit, a respective heating unit of the steam generator, a respective cooling unit of the condenser, a respective further steam space and a respective one In front- heat channel of the preheater, a respective expansion channel of a siphon, etc. may each be in the form of such a frame member.
  • the frame elements can be provided with web structures, by means of which they can be connected to one another, in particular to form the evaporator, a respective condensation / evaporation stage, the condensation stage, etc.
  • the frame elements may each comprise an inner area surrounded by an outer frame, which is preferably provided with a particular grid-like spacer, on the two sides in particular in each case for forming a respective vapor space, a respective Schufluidraums, a respectivedeflu- idraums etc. in particular each a functional area, preferably a film or membrane may be applied.
  • the multi-effect membrane distillation device can thus be constructed, at least partially, in particular from frame elements.
  • the frame elements may comprise applied functional surfaces.
  • the following types of frame elements are conceivable: Frame element provided on both sides with a membrane, frame element provided on both sides with a fluid-tight foil, frame element covered with a foil and having fluid channels.
  • the membrane distillation device according to the invention can be at least partially constructed.
  • the solution to be concentrated is preferably located over all stages on the boiling temperature corresponding to the absolute pressure in the vapor space of a respective adjacent evaporator unit, as described in WO 2007/054321 1, which is hereby included in the disclosure content of the present application.
  • the entering into the condensation units steam condenses on the condensation surfaces.
  • the corresponding heat is transferred over the area in question to the liquid to be concentrated.
  • the resulting vapor passes through the membrane of the adjacent evaporator unit into its vapor space, which communicates with the pressure of the vapor space of the respective condensation unit of the subsequent condensation / evaporation stage.
  • Welding web structures or adhesive structures act over which the frame elements are welded or glued together.
  • welding bridge structures for example, a friction welding process, laser welding process and / or Schuelementsch hot process can be used to connect the frame elements.
  • FIG. 2 a schematic partial representation of an example
  • Membrane distillation device with two condensation / evaporation stages arranged horizontally next to one another, each comprising an integrated preheating device, a schematic partial view of an exemplary membrane distillation device with two vertically arranged with each other, each comprising an integrated preheating condensation / evaporation stages, a partial schematic representation of another exemplary membrane distillation with two vertically arranged below each other, each comprising an integrated preheating comprehensive condensation ons / evaporation stages, a schematic partial representation a similar to that of Fig. 4 membrane distillation device, wherein additionally the disposal of non-condensable gases is shown, and a schematic partial representation of a comparable with that of FIG.
  • FIG. 1 shows, in a schematic partial representation, an exemplary membrane distillation apparatus 10 with, for example, a condensation / evaporation stage 12 comprising at least one condensation unit K and at least one evaporator unit V.
  • a condensation / evaporation stage 12 comprising at least one condensation unit K and at least one evaporator unit V.
  • the condensation / evaporation stage 12 is fed to steam 14 from a steam generator, not shown.
  • the condensation / evaporation stage 12 is traversed by a liquid 16 to be concentrated (feed).
  • a respective condensation unit K comprises a first vapor space 20 bounded at least partially by a condensation wall 18 and acted upon by the supplied steam 14, and a respective vaporiser unit V comprises a second vapor space 24 bounded at least partially by a vapor-permeable, liquid-tight membrane wall 22.
  • the aufkonzentrieren- liquid 16 leading flow channel 26 provided so that the liquid to be concentrated 16 is heated via the condensation wall 18 and arising from the liquid 16 aufkonzentrierenden Steam 14 'passes through the membrane 22 into the second vapor space 24.
  • the condensation / evaporation stage 12 is extended by an integrated device 28 for preheating the liquid to be concentrated.
  • this preheating device 28 comprises at least one further vapor space 30, which is acted upon by the condensation / evaporation stage 12 supplied steam 14 and in which the vapor 14 is condensed, whereby the liquid to be concentrated 16 is preheated.
  • several further steam rooms 30 are provided in the present case.
  • the preheating device 28 comprises at least one channel 32 leading the preheated liquid 16 to be preheated, which channel is at least partially delimited by at least one heat-conducting, liquid-tight wall 34.
  • a plurality of channels 16 to be preheated to be concentrated are provided.
  • At least one heat-conducting, liquid-tight wall 34 may be provided in the form of a flat surface, a tube or a hollow thread.
  • the liquid 16 to be preheated enters the condensation / evaporation stage 12 at point "A", where it is first preheated in the preheating device 28 provided at the end of this step.
  • the preheated réellebierende liquid 16 is led out at the point "B” from the preheater 28 and the input side of the condensation / evaporation stage 12 again fed.
  • the preheated liquid 16 to be concentrated passes in particular into the different flow channels 26 in parallel.
  • the concentrate or the concentrated liquid is then led out of this condensation / evaporation stage 12 at the point "C”.
  • the resulting in the second steam chambers 24 steam is led out at the point "D" from the condensation / evaporation stage 12.
  • the liquid 16 to be concentrated thus enters the stage and is preheated by the steam also entering the stage.
  • the process is self-regulating, since only as long as a temperature difference between the zuzusierenden to be concentrated water and steam, as steam flows into the other steam rooms 30.
  • the preheated to be concentrated liquid 16 flows in the channels 32, which are bounded by a heat-conducting liquid-tight wall 34.
  • at least one heat-conducting liquid-tight wall 34 may be provided in the form of a flat surface, a tube or a hollow thread.
  • FIGS. 2 to 6 show exemplary embodiments of membrane distillation devices 10, which in each case comprise a plurality of condensation / evaporation stages 12 through which the liquid 16 to be concentrated flows in succession.
  • at least one, preferably each of these stages 12 is extended in each case by an integrated device 28 for preheating the liquid 16 to be concentrated.
  • the preheating unit 16 to be preheated is the first condensation / evaporation stage 12 and then successively the preheating unit 28 of the preceding condensation / evaporation stage 12 fed before the preheated liquid to be concentrated 16 is supplied to the at least one leading the liquid to be concentrated flow channel 26 of the first condensation / evaporation stage 12.
  • the first condensation / evaporation stage 12 viewed in the main flow direction of the liquid 16 to be concentrated, is in each case acted upon by the steam 14 of a steam generator.
  • the second and any further condensation / evaporation tion stage 2 acted upon by the resulting in the preceding condensation / evaporation stage 12 steam 14 '.
  • FIG. 2 shows, in a schematic partial representation, an exemplary membrane distillation device 10 with condensation / evaporation stages 12 arranged horizontally next to each other, each comprising an integrated preheating device 28. Condensation and evaporation takes place again in each stage. In the second stage, the preheated liquid 16 to be preheated flows in channels 32 and is heated by the vapor 14 'entering the second stage from the first stage. It is the steam 14 'to the newly created in the first stage steam.
  • the pre-heated liquid to be pre-heated in the second stage 16 flows into the channels 32 of the first-stage heating device 28 and is further heated by the condensing vapor flowing into this first stage.
  • the preheated liquid 16 to be concentrated can then be supplied to this first stage as a liquid to be concentrated by evaporation.
  • FIG. 3 shows, in a schematic partial representation, an exemplary membrane distillation apparatus 10 with two condensation / evaporation stages 12 arranged vertically beneath one another and each comprising an integrated preheating unit 28.
  • the liquid 16 to be preheated is guided from bottom to top through the condensation / evaporation stages 12.
  • the first condensation / evaporation stage 12 viewed in the main flow direction of the liquid 16 to be concentrated, is acted upon via a horizontal collecting channel 36 with steam 14 of the steam generator.
  • the resulting in the upper first condensation / evaporation stage 12 steam 14 ' is arranged below the subsequent condensation / evaporation stage via two parallel horizontal collecting channels 38 which are interconnected by a vertical deflection section 40.
  • the steam supplied to each of the condensation / evaporation stages 12 also enters the further steam rooms 30 of the preheating means 28 associated with these stages 12.
  • the further steam chambers 30 of a respective preheating device 28 are each limited at least partially by heat-conducting, liquid-tight condensation walls 34.
  • the vapor is diverted vertically in the transition from the upper first stage to the lower second stage via a vertical channel section 40.
  • the entering into the lower second stage steam occurs after its horizontal distribution in the first steam chambers 20 of the lower second condensation / evaporation stage 12, which are each at least partially bounded by a condensation wall 18.
  • the heat of condensation is transferred via the flow channel 26 leading to the liquid to be concentrated 16, and by temperature and pressure differences arises new steam 14 ', which passes through the membrane walls 22 into the second steam chambers 24.
  • the resulting in the first steam rooms 20 of the upper first condensation / evaporation stage 12 condensate is collected and over an example of a siphon 44 comprehensive pressure compensation device of the next condensation / evaporation stage 12 is supplied.
  • FIG. 4 shows, in a schematic partial representation, another exemplary membrane distillation apparatus 10 with two condensation / evaporation stages 12 arranged vertically beneath one another, each with an integrated preheating unit 28.
  • the steam flows out of a respective second one
  • FIG. 5 shows, in a schematic partial representation, a membrane distillation apparatus 12 comparable to that of FIG. 4, wherein the disposal of non-condensable gases is also shown.
  • a corresponding disposal of non-condensable gases can also be provided in the previously described embodiments, but is not shown for reasons of clarity.
  • Corresponding parts of the various embodiments are assigned like reference numerals.
  • FIG. 6 shows, in a schematic partial representation, a membrane distillation device 12 comparable to that of FIG. 5, wherein in the present case a siphon 44 is provided as a pressure compensation device, the ascending part of which comprises expansion channels 46 which are delimited by at least one membrane 48.
  • the expansion channels 46 thus form at least part of the siphon 48.
  • a pressure equalization device comprising a siphon is shown between the upper first stage and the second stage arranged therebelow.
  • such a pressure compensation device can also be provided between any preceding and immediately subsequent condensation / evaporation stage.
  • the distillate flows from below through the expansion channels 46 which form part of the ascending part of the siphon 44.
  • the expansion channels 46 are at the pressure of the lower second condensation / evaporation stage 12, so that the distillate from the upper first condensation / evaporation stage 12, which has a higher pressure than the second stage, can suddenly relax under steam formation.
  • the resulting Steam can then flow through the respective membrane 48 into the respective first steam chambers 20 of the lower second condensation / evaporation stage 12 and does not have to flow upwards as in a pipe. An empty lifting of the siphon by steam bubbles as in a tube does not take place.
  • the resulting vapor condenses in the first steam chambers or condensation channels 20 of the lower second condensation / evaporation stage 12.
  • the resulting condensate is fed to the subsequent third stage, not shown, via a corresponding pressure equalization device 44 or siphon as between the two first stages.

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Abstract

Es wird eine Membrandestillationsvorrichtung mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit und zumindest eine Verdampfereinheit umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe angegeben, der Dampf zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand begrenzten, vom zugeführten Dampf beaufschlagten ersten Dampfraum und eine jeweilige Verdampfereinheit einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand begrenzten zweiten Dampfraum umfasst und in einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führender Strömungskanal vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit über die Kondensationswand erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf durch die Membranwand hindurch in den zweiten Dampfraum gelangt. Dabei ist wenigstens eine Kondensations-/Verdampfungsstufe durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert, die wenigstens einen weiteren Dampfraum umfasst, der vom der Kondensations-/Verdampfungsstufe zugeführten Dampf beaufschlagt wird und in dem der Dampf kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit vorgewärmt wird.

Description

Membrandestillationsvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Membrandestillationsvorrichtung mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit und zumindest eine Verdampfereinheit umfassenden Kondensations-/Verdampfungsstufe, der Dampf zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (Feed) durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand begrenzten, vom zugeführten Dampf beaufschlagten ersten Dampfraum und eine jeweilige Verdampfereinheit einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand begrenzten zweiten Dampfraum um- fasst und in einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe wenigs- tens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führender Strömungskanal vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit über die Kondensationswand erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit entstehender Dampf durch die Membranwand hindurch in den zweiten Dampfraum gelangt. Dabei kann der ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe ein Dampferzeuger vorgeschaltet und der letzten Kondensations- /Verdampfungsstufe eine Kondensationsstufe nachgeordnet sein. In der WO 2007/05431 1 ist eine so genannte Multieffekt-Membrandestil- lationsvorrichtung dieser Art beschrieben.
Bei vielen thermischen Verfahren ist die Reduktion des Energiebedarfs für die Sicherstellung eines wirtschaftlichen Anlagenbetriebs von entschei- dender Bedeutung. Insbesondere bei Multieffekt-Entsalzungsanlagen be- einflusst die Art und Weise, wie die aufzukonzentrierende Flüssigkeit oder Lösung zugeführt wird, den thermischen Energiebedarf der Aufkonzentrie- rung in erheblichem Maße.
Bei einer beispielsweise der Multieffektentsalzung dienenden Membrandestillationsvorrichtung der genannten Art erfolgt die Aufkonzentration der Lösung in Stufen oder Effekten, die in Reihe aufeinander folgen. In jeder Stufe stellt sich eine andere Temperatur und im Gleichgewicht dazu ein anderer Druck ein, wenn das System frei von nicht kondensierbaren Gasen betrieben wird.
Im Dampferzeuger ist die Temperatur am höchsten, während sie zum Kondensator hin fortlaufend abnimmt.
Üblicherweise befindet sich die aufzukonzentrierende Lösung oder Flüssigkeit auf Umgebungstemperatur oder, wie bei der Entsalzung von Meerwasser, auf Meerwassertemperatur. Dabei kann die aufzukonzentrierende Flüssigkeit beispielsweise bei einer Verwendung von Meerwasser als Kühlwasser des Kondensators zwar bereits nach Verlassen des Kondensators in einem Temperaturbereich von 30 bis 40°C vorgewärmt sein. Diese Temperatur liegt jedoch von der Temperatur in der ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe von 80 bis 50°C noch deutlich entfernt. Wird die aufzukonzentrierende Flüssigkeit als Teilstrom des Kühlwasserstroms vorgewärmt nach dem Kondensator entnommen, so wird sie üblicherweise der ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe nach dem
Dampferzeuger zugeführt. In dieser Stufe wird dann Dampf mit höherer Energie benutzt, um die aufzukonzentrierende Flüssigkeit auf Verdamp- fungstemperatur zu bringen. Das Gesamtsystem arbeitet dann bei einer niedrigeren Temperatur in der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe. Die gesamte treibende Kraft zwischen Dampferzeuger und Kondensator nimmt dabei ab. Der Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Membrandestillationsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein effektiveres Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit gewährleistet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens eine Kondensations- /Verdampfungsstufe durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert ist, die wenigstens einen weiteren Dampfraum umfasst, der vom der Kondensations- /Verdampfungsstufe zugeführten Dampf beaufschlagt wird und in dem der Dampf kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit vorgewärmt wird.
Aufgrund dieser Ausbildung wird eine deutlich effektivere Vorwärmung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erreicht.
Bevorzugt umfasst die Vorwärmeinrichtung wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Kanal, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wand begrenzt ist. Dabei kann der dem wenigstens einen weiteren Dampf- räum der Vorwärmeinrichtung zugeführte Dampf an den wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wänden der die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Kanälen kondensieren. Vorteilhafterweise ist wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen. Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Membrandestillationsvorrichtung sind mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmte Kondensations- / Verdampfungsstufen vorgesehen, wobei zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen jeweils durch eine integrierte Einrichtung zum Vorwär- men der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert ist.
Hierbei ist von Vorteil, wenn die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit zunächst der Vorwärmeinrichtung der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet letzten Kondensa- tions- /Verdampfungsstufe und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung der jeweils vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe zugeführt wird, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal der ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe zugeführt wird.
Die erste Vorwärmeinrichtung muss jedoch nicht zwingend in der letzten Kondensations-/Verdampfungsstufe vorgesehen sein. Zudem muss auch nicht zwingend in jeder Kondensations-/Verdampfungsstufe eine Vor- wärmeinrichtung enthalten sein.
Die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe wird bevorzugt vom Dampf eines Dampferzeugers beaufschlagt. Dabei kann dieser Dampf beispielsweise auch von extern, z.B. aus einer Dampfturbine, kommen. Sind mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit durchströmte Kondensations-/Verdampfungsstufen vorgesehen, so wird vorteilhafterweise die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondens ati - ons- /Verdampfungsstufe vom in der jeweils vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe entstehenden Dampf beaufschlagt.
Es können beispielsweise mehrere horizontal nebeneinander angeordnete Kondensations-/Verdampfungsstufen und/oder mehrere vertikal unterei- nander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen vorgesehen sein.
Die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe ist bevorzugt über einen horizontalen Sammelkanal vom Dampf eines Dampferzeugers beaufschlagt.
Sind mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen vorgesehen, so wird vorzugsweise der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe entstehende Dampf der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe über parallele horizontale Sammelkanäle zugeführt, die durch einen vertikalen Umlenkkanalabschnitt miteinander verbunden sind. Gemäß einer alternativen vorteilhaften Auführungsform mit mehreren vertikal untereinander angeordneten Kondensations- /Verdampfungsstufen kann der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations- / Verdampfungsstufe entstehende Dampf der jeweils nachfolgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe auch vertikal zugeführt werden. Das in den Kondensationseinheiten einer jeweiligen vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe entstehende gesammelte Kondensat wird vorzugsweise über eine Druckausgleichseinrichtung der jeweils nachfolgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe zugeführt.
Sind mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen vorgesehen, so kann die Druckausgleichseinrichtung insbesondere einen Siphon umfassen. Dabei umfasst der aufsteigende Teil eines solchen Siphons vorteilhafterweise Entspannungskanäle, die durch zumindest eine Membran begrenzt sind.
Dabei kann das Destillat von unten durch die Entspannungskanäle strö- men, die den oder einen Teil des aufsteigenden Siphons bilden. Die Entspannungskanäle sind zweckmäßigerweise auf dem Druck der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe, so dass das Destillat aus der jeweils vorangehenden Stufe, in der ein höherer Druck als in der darauf folgenden Stufe vorherrscht, schlagartig unter Dampfbildung ent- spannen kann. Der Dampf kann dann durch die Membran in den Dampfraum der nachfolgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe strömen und muss nicht wie in einem Rohr nach oben abströmen. Ein Leerheben des Siphons durch Dampfblasen wie in einem Rohr erfolgt also nicht. Der entstehende Dampf kondensiert in den Kondensationskanälen oder Kon- densationseinheiten der nachfolgenden Stufe.
Aus jeder Kondensations-/Verdampfungsstufe und dem Kondensator werden am toten Ende der Kanäle für den eintretenden Dampf zweckmäßigerweise die Inertgase abgezogen. Zur Druckabtrennung zwischen zwei aufeinander folgenden Kondensations- /Verdampfungsstufen können wie erwähnt Siphons eingesetzt werden. Solche Siphons können beispielsweise als Membranrahmen vorgesehen sein. Auf der nach unten strömenden Seite des Siphons steht der höhere Druck an, während auf der nach oben strömenden Seite des Siphons der niedrigere Druck ansteht. In beiden Stufen wird der Prozess an der Siedetemperatur gefahren. Im nach oben strömenden Teil des Siphons kommt es jetzt zu einem spontanen Sieden der Flüssigkeit. Ist der
Durchmesser zu klein ausgelegt, heben die Siedeblasen wie eine Mam- mutpumpe den aufsteigenden Teil leer. Es kommt zum Druckkurzschluss zwischen den Stufen. Jetzt kann im aufsteigenden Teil des Siphons die ganze aufsteigende Länge oder z.B. der obere Teil durch Rahmen mit Kanälen, die zumindest auf einer Seite von einer Membran begrenzt sind, ersetzt werden. Der beim Entspannen der Flüssigkeit entstehende Dampf kann unmittelbar über die Membran in den Dampfraum der nachfolgenden Stufe entweichen und muss nicht wie in einem Rohr komplett im Rohr nach oben steigen.
Die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit tritt in eine jeweilige Kondensations- /Verdampfungsstufe ein und wird vom in diese Stufe eintretenden Dampf erwärmt. Der Vorgang verläuft selbst regelnd, da nur so lange ein Temperaturunterschied zwischen der vorzuwärmenden Flüssigkeit und dem Dampf besteht, wie Dampf in die Vorwärmkanäle strömt. Die Membrandestillationsvorrichtung kann zumindest teilweise als modu- lares Strömungssystem mit einer Vielzahl von Rahmenelementen ausgeführt sein, wobei die verschiedenen Funktionseinheiten insbesondere eine jeweilige Kondensationseinheit, eine jeweilige Verdampfereinheit, eine jeweilige Heizeinheit des Dampferzeugers, eine jeweilige Kühleinheit des Kondensators, ein jeweiliger weiterer Dampfraum sowie ein jeweiliger Vor- wärmkanal der Vorwärmeinrichtung, ein jeweiliger Entspannungskanal eines Siphons usw. jeweils in Form eines solchen Rahmenelements sein können. Die Rahmenelemente können mit Stegstrukturen versehen sein, über die sie insbesondere zur Bildung des Verdampfers, einer jeweiligen Kondensations-/Verdampfungsstufe, der Kondensationsstufe usw. miteinander verbindbar sind. Die Rahmenelemente können jeweils einen von einem äußeren Rahmen umschlossenen Innenbereich umfassen, der vorzugsweise mit einem insbesondere gitterartigen Abstandshalter versehen ist, auf dessen beiden Seiten insbesondere zur Bildung eines jeweiligen Dampfraums, eines jeweiligen Heizfluidraums, eines jeweiligen Kühlflu- idraums usw. insbesondere jeweils eine Funktionsfläche, vorzugsweise eine Folie oder Membran aufgebracht sein kann.
Die Multieffekt-Membrandestillationsvorrichtung kann also zumindest teilweise insbesondere aus Rahmenelementen aufgebaut sein. Die Rahmenelemente können aufgebrachte Funktionsflächen umfassen. Es sind insbesondere die folgenden Arten von Rahmenelementen denkbar: beidseitig jeweils mit einer Membran versehenes Rahmenelement, beidseitig jeweils mit einer fluiddichten Folie versehenes Rahmenelement, mit einer Folie bespanntes, Fluidkanäle aufweisendes Rahmenelement. Beispielsweise aus solchen Rahmenelementen kann die erfindungsgemäße Membrandestillationsvorrichtung zumindest teilweise aufgebaut werden.
Bevorzugt befindet sich die aufzukonzentrierende Lösung über alle Stufen auf der zum Absolutdruck im Dampfraum einer jeweiligen angrenzenden Verdampfereinheit korrespondierenden Siedetemperatur, wie dies in der WO 2007/054321 1 beschrieben ist, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung mit einbezogen wird. Der in die Kondensationseinheiten eintretende Dampf kondensiert an den Kondensationsflächen. Die entsprechende Wärme wird über die betreffende Fläche an die aufzukonzentrierende Flüssigkeit übertragen. Der in dieser entstehende Dampf tritt durch die Membran der angrenzenden Verdampfereinheit hindurch in deren Dampfraum, der mit dem Druck des Dampfraums der jeweiligen Kondensationseinheit der darauf folgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe kommuniziert.
Bei den Stegstrukturen, über die die einzelnen Rahmenelemente mitei- nander verbunden werden können, kann es sich beispielsweise um
Schweißstegstrukturen oder Klebestrukturen handeln, über die die Rahmenelemente miteinander verschweißt bzw. verklebt werden. Im Fall von Schweißstegstrukturen kann zur Verbindung der Rahmenelemente beispielsweise ein Reibschweiß verfahren, Laserschweiß verfahren und/ oder Heizelementschweiß verfahren angewandt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen: Fig. 1 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften
Membrandestillationsvorrichtung mit einer eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensati- ons-/Verdampfungsstufe, Fig. 2 eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften
Membrandestillationsvorrichtung mit zwei horizontal nebeneinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations- / Verdampfungsstufen , eine schematische Teildarstellung einer beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufen , eine schematische Teildarstellung einer weiteren beispielhaften Membrandestillationsvorrichtung mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung umfassenden Kondensati- ons-/Verdampfungsstufen, eine schematische Teildarstellung einer mit der der Fig. 4 vergleichbaren Membrandestillationsvorrichtung, wobei zusätzlich die Entsorgung nicht kondensierbarer Gase dargestellt ist, und eine schematische Teildarstellung einer mit der der Fig. 5 vergleichbaren Membrandestillationsvorrichtung, wobei als Druckausgleichseinrichtung ein Siphon vorgesehen ist, dessen aufsteigender Teil Entspannungskanäle umfasst, die durch zumindest eine Membran begrenzt sind. Fig. 1 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit beispielsweise einer zumindest eine Kondensationseinheit K und zumindest eine Verdampfereinheit V umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufe 12. Im vorliegenden Fall sind mehrere Kondensationseinheiten und mehrere Verdampfereinheiten V vorgesehen. Der Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 wird Dampf 14 von einem nicht dargestellten Dampferzeuger zugeführt. Ferner ist die Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 (Feed) durchströmt.
Dabei umfasst eine jeweilige Kondensationseinheit K einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand 18 begrenzten, vom zugeführten Dampf 14 beaufschlagten ersten Dampfraum 20 und eine jeweilige Ver- dampfereinheit V einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand 22 begrenzten zweiten Dampfraum 24. Dabei ist in der Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit K und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit V gebildeter, die aufzukonzentrieren- de Flüssigkeit 16 führender Strömungskanal 26 vorgesehen, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 über die Kondensationswand 18 erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 entstehender Dampf 14' durch die Membran 22 hindurch in den zweiten Dampfraum 24 gelangt.
Die Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 ist durch eine integrierte Einrichtung 28 zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit erweitert. Dabei umfasst diese Vorwärmeinrichtung 28 wenigstens einen weiteren Dampfraum 30, der vom der Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 zugeführten Dampf 14 beaufschlagt wird und in den der Dampf 14 kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 vorgewärmt wird. Wie anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, sind im vorliegenden Fall mehrere weitere Dampfräume 30 vorgesehen. Zudem umfasst die Vorwärmeinrichtung 28 wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führenden Kanal 32, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden flüssigkeitsdichten Wand 34 begrenzt ist. Wie anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, sind im vorliegenden Fall mehrere die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führende Kanäle 32 vorgesehen.
Zweckmäßigerweise kann wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand 34 in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen sein.
Wie anhand der Fig. 1 zu erkennen ist, tritt die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 an der Stelle "A" in die Kondensations- / Verdampfungsstufe 12 ein, wo sie zunächst in der am Ende dieser Stufe vorgesehenen Vorwärmeinrichtung 28 vorgewärmt wird. Die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 wird an der Stelle "B" aus der Vorwärmeinrichtung 28 herausgeführt und eingangsseitig der Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 wieder zugeführt. Dabei gelangt die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 insbesondere parallel in die verschie- denen Strömungskanäle 26. Das Konzentrat bzw. die aufkonzentrierte Flüssigkeit wird dann an der Stelle "C" aus dieser Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 herausgeführt. Der in den zweiten Dampfräumen 24 entstehende Dampf wird an der Stelle "D" aus der Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 herausgeführt.
Bei dieser Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 mit integrierter Vorwärmeinrichtung 28 tritt die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 also in die Stufe ein und wird vom ebenfalls in die Stufe eintretenden Dampf vorgewärmt. Der Vorgang ist selbst regelnd, da nur so lange ein Temperatur- unterschied zwischen der vorzuwärmenden aufzukonzentrierenden Flüs- sigkeit und dem Dampf besteht, wie Dampf in die weiteren Dampfräume 30 strömt. Die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 strömt in den Kanälen 32, die von einer wärmeleitenden flüssigkeitsdichten Wand 34 begrenzt sind. Dabei kann wenigstens eine wärmeleitende flüssigkeitsdichte Wand 34 in Form einer ebenen Fläche, eines Rohre oder eines Hohlfades vorgesehen sein.
Die Fig. 2 bis 6 zeigen Ausführungsbeispiele von Membrandestillationsvorrichtungen 10, die jeweils mehrere nacheinander von der aufzukonzentrie- renden Flüssigkeit 16 durchströmte Kondensations- /Verdampfungsstufen 12 umfassen. Dabei ist zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen 12 jeweils durch eine integrierte Einrichtung 28 zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 erweitert. Bei diesen jeweils mehrere Kondensations-/Verdampfungsstufen 12 umfassenden Membrandestillationsvorrichtungen 10 wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 jeweils zunächst der Vorwärmeinrichtung 28 der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet letzten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung 28 der jeweils vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 zugeführt, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit führenden Strömungskanal 26 der ersten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 zugeführt wird.
Dabei wird die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 jeweils vom Dampf 14 eines Dampferzeugers beaufschlagt. Dagegen wird die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondensations- /Verdamp- fungsstufel2 vom in der jeweils vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 entstehenden Dampf 14' beaufschlagt.
Fig. 2 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membran- destillationsvorrichtung 10 mit horizontal nebeneinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufen 12. Dabei findet in jeder Stufe wieder Kondensation und Verdampfung statt. In der zweiten Stufe strömt die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 in Kanälen 32 und wird von dem aus der ersten Stufe in die zweite Stufe eintretenden Dampf 14' erwärmt. Dabei handelt es sich bei dem Dampf 14' um den in der ersten Stufe neu entstehenden Dampf.
Die in der zweiten Stufe vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 strömt in die Kanäle 32 der der ersten Stufe zugeordneten Aufwärmeinrichtung 28 und wird von dem in diese erste Stufe einströmenden kondensierenden Dampf weiter erwärmt. Die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 kann dann dieser ersten Stufe als durch Verdampfung aufzukonzentrierende Flüssigkeit zugeführt werden.
Fig. 3 zeigt in schematischer Teildarstellung eine beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufen 12.
Im vorliegenden Fall wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 von unten nach oben durch die Kondensations- /Verdampfungsstufen 12 geführt. Wie anhand der Fig. 3 zu erkennen ist, wird die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit 16 betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 über einen horizontalen Sammelkanal 36 mit Dampf 14 des Dampferzeugers beaufschlagt. Der in der oberen ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 entstehende Dampf 14' wird der darunter angeordneten nachfolgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe über zwei parallele horizontale Sammelkanäle 38 zugeführt, die durch einen vertikalen Umlenkabschnitt 40 miteinander verbunden sind. Der den Kondensations- /Verdampfungsstufen 12 jeweils zugeführte Dampf tritt auch in die weiteren Dampfräume 30 der diesen Stufen 12 zugeordneten Vorwärmeinrichtungen 28 ein. Wie auch bei den anderen Ausführungsformen sind die weiteren Dampfräume 30 einer jeweiligen Vorwärmeinrichtung 28 jeweils zumindest teilweise durch wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Kondensationswände 34 begrenzt.
Wie bereits erwähnt, wird der Dampf beim Übergang von der oberen ersten Stufe zur unteren zweiten Stufe über einen vertikalen Kanalabschnitt 40 vertikal umgeleitet. Der in die untere zweite Stufe eintretende Dampf tritt nach seiner horizontalen Verteilung in die ersten Dampfräume 20 der unteren zweiten Kondensations-/Verdampfungsstufe 12 ein, die jeweils zumindest teilweise von einer Kondensationswand 18 begrenzt sind. Die Kondensationswärme wird über die die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 führende Strömungskanäle 26 übertragen, und durch Temperatur- und Druckunterschiede entsteht neuer Dampf 14', der durch die Membranwände 22 in die zweiten Dampfräume 24 tritt.
Das in den ersten Dampfräumen 20 der oberen ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 entstehende Kondensat wird gesammelt und über eine z.B. einen Siphon 44 umfassende Druckausgleichseinrichtung der nächsten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 zugeführt.
Im aufsteigenden Teil des Siphons 44 kommt es zu einer Entspannungs- Verdampfung des Destillats durch Druckunterschiede. Am Ende eines jeden ersten Dampfraums oder Kondensationskanals 20 sind Öffnungen zum Abtransport der nicht kondensierbaren Gase mit entsprechender Verrohrung von Stufe zu Stufe vorgesehen. Fig. 4 zeigt in schematischer Teildarstellung eine weitere beispielhafte Membrandestillationsvorrichtung 10 mit zwei vertikal untereinander angeordneten, jeweils eine integrierte Vorwärmeinrichtung 28 umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufen 12. Im vorliegenden Fall strömt der Dampf aus einem jeweiligen zweiten
Dampfraum 24 der oberen ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 unmittelbar, d.h. ohne Umlenkung, vertikal in einen jeweiligen ersten Dampfraum bzw. Kondensationskanal 20 der unteren zweiten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12. In jeder Kondensations- /Verdampfungs- stufe 12 ist wieder eine Vorwärmeinrichtung 28 integriert. Im vorliegenden Fall wird die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit bzw. Lösung 16 von unten nach oben durch die Stufen geführt. Dabei wird die aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 in jeder weiteren Stufe weiter erwärmt. Nach der letzten Vorwärmung in der der oberen ersten Kondensa- tions- /Verdampfungsstufe 12 zugeordneten Vorwärmeinrichtung 28 wird die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit 16 dann dieser oberen ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 als die durch Verdampfung aufzukonzentrierende Flüssigkeit bzw. Lösung 16 zugeführt. Fig. 5 zeigt in schematischer Teildarstellung eine mit der der Fig. 4 vergleichbare Membrandestillationsvorrichtung 12, wobei zusätzlich die Entsorgung nicht kondensierbarer Gase dargestellt ist. Eine entsprechende Entsorgung nicht kondensierbarer Gase kann auch bei den zuvor be- schriebenen Ausführungsformen vorgesehen sein, ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit jedoch nicht dargestellt. Einander entsprechenden Teilen der verschiedenen Ausführungsformen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet. Fig. 6 zeigt in schematischer Teildarstellung eine mit der der Fig. 5 vergleichbare Membrandestillationsvorrichtung 12, wobei im vorliegenden Fall als Druckausgleichseinrichtung ein Siphon 44 vorgesehen ist, dessen aufsteigender Teil Entspannungskanäle 46 umfasst, die jeweils durch zumindest eine Membran 48 begrenzt sind.
Die Entspannungskanäle 46 bilden also zumindest einen Teil des Siphons 48. Im vorliegenden Fall ist eine solche einen Siphon umfassende Druckausgleichseinrichtung zwischen der oberen ersten Stufe und der darauf folgenden, darunter angeordneten zweiten Stufe dargestellt. Grundsätzlich kann eine solche Druckausgleichseinrichtung jedoch auch zwischen einer beliebigen vorangehenden und einer unmittelbar darauf folgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe vorgesehen sein.
Wie anhand der Fig. 6 zu erkennen ist, strömt das Destillat von unten durch die Entspannungskanäle 46, die den oder einen Teil des aufsteigenden Teils des Siphons 44 bilden. Die Entspannungskanäle 46 sind auf dem Druck der unteren zweiten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12, so dass das Destillat aus der oberen ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12, die einen höheren Druck als die zweite Stufe besitzt, schlagartig unter Dampfbildung entspannen kann. Der dabei entstehende Dampf kann dann durch die jeweilige Membran 48 in die jeweiligen ersten Dampfräume 20 der unteren zweiten Kondensations- /Verdampfungsstufe 12 strömen und muss nicht wie in einem Rohr nach oben abströmen. Ein Leerheben des Siphons durch Dampfblasen wie in einem Rohr erfolgt nicht. Der entstehende Dampf kondensiert in den ersten Dampfräumen oder Kondensationskanälen 20 der unteren zweiten Kondensations- / Verdampfungsstufe 12. Das entstehende Kondensat wird der darauf folgenden, nicht dargestellten dritten Stufe über eine entsprechende Druckausgleichseinrichtung 44 bzw. Siphon wie zwischen den beiden ersten Stufen zugeführt.
Bezugszeichenliste
10 Membrandestillationsvorrichtung
12 Kondensations- /Verdampfungsstufe
14 Dampf von einem Dampferzeuger
14' in einer jeweiligen Vorstufe neu entstehender Dampf
16 aufzukonzentrierende Flüssigkeit
18 Kondensationswand
20 erster Dampfraum
22 Membranwand
24 zweiter Dampfraum
26 Strömungskanal
28 Vorwärmeinrichtung
30 weiterer Dampfraum
32 Kanal
34 Wärme leitende, flüssigkeitsdichte Wand
36 horizontaler Sammelkanal
38 horizontaler Sammelkanal
40 vertikaler Umlenkkanalabschnitt
42 Kondensat
44 Druckausgleichseinrichtung, Siphon
46 Entspannungskanal
48 Membran K Kondensationseinheit
V Verdampfungseinheit

Claims

Patentansprüche
Membrandestillationsvorrichtung (10) mit wenigstens einer zumindest eine Kondensationseinheit (K) und zumindest eine Verdampfereinheit (V) umfassenden Kondensations- /Verdampfungsstufe (12), der Dampf (14, 14') zugeführt wird und die von einer aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmt ist, wobei eine jeweilige Kondensationseinheit (K) einen zumindest teilweise von einer Kondensationswand (18) begrenzten, vom zugeführten Dampf (14, 14') beaufschlagten ersten Dampfraum (20) und eine jeweilige Verdampfereinheit (V) einen zumindest teilweise durch eine dampfdurchlässige flüssigkeitsdichte Membranwand (22) begrenzten zweiten Dampfraum (24) umfasst und in einer jeweiligen Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) wenigstens ein zwischen einer solchen Kondensationseinheit (K) und einer solchen an diese angrenzenden Verdampfereinheit (V) gebildeter, die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führender Strömungskanal (26) vorgesehen ist, so dass die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) über die Kondensationswand (18) erhitzt wird und aus der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) entstehender Dampf (14') durch die Membranwand (22) hindurch in den zweiten Dampfraum (24) gelangt,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t,
dass wenigstens eine Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) durch eine integrierte Einrichtung (28) zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) erweitert ist, die wenigstens einen weiteren Dampfraum (30) umfasst, der vom der Kondensations- / Verdampfungsstufe (12) zugeführten Dampf (14, 14') beaufschlagt wird und in dem der Dampf (14, 14') kondensiert, wodurch die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) vorgewärmt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorwärmeinrichtung (28) wenigstens einen die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führenden Kanal (32) umfasst, der zumindest teilweise von wenigstens einer wärmeleitenden, flüssigkeitsdichten Wand (34) begrenzt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine wärmeleitende, flüssigkeitsdichte Wand (34) in Form einer ebenen Fläche, eines Rohres oder eines Hohlfadens vorgesehen ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmte Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und zumindest eine, vorzugsweise jede dieser Stufen (12) jeweils durch eine integrierte Einrichtung (28) zum Vorwärmen der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) erweitert ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die vorzuwärmende aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) zunächst der Vorwärmeinrichtung (28) der in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet letzten Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) und anschließend nacheinander der Vorwärmeinrichtung (28) der jeweils vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführt wird, bevor die vorgewärmte aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) dem wenigstens einen die aufzukonzentrierende Flüssigkeit (16) führender Strömungskanal (26) der ersten Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) zugeführt wird.
6. Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) vom Dampf (14) eines Dampferzeugers beaufschlagt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere nacheinander von der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) durchströmte Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und die zweite und gegebenenfalls jede weitere Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) vom in der jeweils vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) entstehenden Dampf (14') beaufschlagt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere horizontal nebeneinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind. Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- / Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die in Hauptströmungsrichtung der aufzukonzentrierenden Flüssigkeit (16) betrachtet erste Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) über einen horizontalen Sammelkanal (36) vom Dampf (14) eines Dampferzeugers beaufschlagt ist.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehende Dampf (14') der jeweils nachfolgenden Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) über parallele horizontale Sammelkanäle (38) zugeführt wird, die durch einen vertikalen Umlenkkanalabschnitt (40) miteinander verbunden sind.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass der in einer jeweiligen vorangehenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) entstehende Dampf (14') der jeweils nachfolgenden Kondensations- / Verdampfungsstufe (12) vertikal zugeführt wird.
Membrandestillationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass das in den Kondensationseinheiten (K) einer jeweiligen vorangehenden Kondensations- /Verdampfungsstufe (12) entstehende gesammelte Kondensat (42) über eine Druckausgleichseinrichtung (44) der jeweils nachfolgenden Kondensations-/Verdampfungsstufe (12) zugeführt ist.
14. Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere vertikal untereinander angeordnete Kondensations- /Verdampfungsstufen (12) vorgesehen sind und dass die Druckausgleichseinrichtung einen Siphon (44) umfasst.
Membrandestillationsvorrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der aufsteigende Teil des Siphons (44) Entspannungskanäle (46) umfasst, die durch zumindest eine Membran (48) begrenzt sind.
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