DE2600398C2

DE2600398C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Rohwasser-Destillation

Info

Publication number: DE2600398C2
Application number: DE2600398A
Authority: DE
Inventors: Jakob Dr.-Ing. 8000 München Hoiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-01-07
Filing date: 1976-01-07
Publication date: 1985-01-10
Also published as: ATA941876A; JPS5636991B2; FR2337693B1; JPS5285977A; AT353193B; FR2337693A1; GB1542473A; US4585524A; CA1095454A; CH619908A5; SE7614030L; DE2600398A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rohwasser-Destillation nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. dem des Anspruchs 11.

Bei einem derartigen Verfahren und einer derartigen Vorrichtung, wie sie aus der DE-PS 4 59 470 und der DE-AS 12 58 358 bekanntgeworden sind, und bei denen über die erreichte Güte des Destillats nichts ausgesagt ist, wird bei erheblichem Unterdruck gearbeitet, so daß für das Rohwasser nur eine Verdampfungstemperatur im Bereich von 45° (DE-PS 4 59 470) bzw. 21⁰C (DE-AS 58 358) notwendig ist. Dieses Vakuumverdampfungsverfahren hat jedoch den wesentlichen Nachteil, daß man auf diese Weise weder aus »normalem« Rohwasser ein hochreines Destillat, wie man es bspw. für die chemische, pharmazeutische und Elektronikindustrie benötigt, noch Trinkwasser vorgeschriebener Qualität aus in Küstennähe vorhandenen, bakteriologisch stark belastetem Meerwasser oder gas aus Abwasser erhalten kann, und zwar aus folgenden Gründen: Erstens sind bei einer derart niedrigen Verdampfungsiemperatur praktisch nur die nichtfiüclHigen Bestandteile im Wasser von diesem zu trennen, wie bspw. das Salz aus Meerwasser, das man allein durch die Phasenänderung entziehen kann. Eine Trennung der flüchtigen Bestandteile vom Wasser ist jedoch größtenteils nicht möglich. Betrachtet

man zweitens die mikrobiologische Seite der Destillation, so wird der Nachteil des Vakuumverdampfungsverfahrens noch deutlicher. Aufgrund von veröffentlichten Untersuchungen weiß man, daß Bakterien. Keime u. dgl. erst bei einer bestimmten Temperatur und davon abhängig nach einer gewissen Zeit abgetötet werden. Für die Aufbereitung von Rohwasser zu Trinkwasser ist dies nahezu genauso erforderlich wie bei der Aufbereitung von Rohwasser zu hochreinem Wasser, das nicht nur in der pharmazeutischen Industrie, sondern auch in der Elektronikindustrie verwendet wird. Drittens benötigen derartige Vakuumverdampfungsverfahren in der Destillatleitung eine Pumpe, die das erzeugte Destillat aus der unter Vakuum stehenden Vorrichtung absaugt, da die Druckdifferenz zwischen dem unter Vakuum stehenden Innenraum und dem Normaldruck nur auf diese Weise überwunden werden kann. Dies bedeutet aber nichts anderes als eine erneute Verschmutzung des Destillats durch die sich bewegender. Te;;·: der Pumpe. Mit anderen Worten, diese bekannten Vskiiunivcrdanipfungsverfahren müssen, wenn sie kontinuierlich arbeiten wollen, eine derartige Pumpe zum Herausführen des Destillats besitzen.

Weiter» Nachteile der bekannten Vakuumverdampfungsverfahren bestehen auf der energietechnischen Seite, denn der thermische Wirkungsgrad wird besser je höher das Temperaturniveau ist, auf dem sich die Destillation abspielt und zur Erzeugung des Unterdrucks ist ein erheblicher Energieaufwand erforderlich, der es ermögiicht, das Rohwasser bei einer nur unwesentlich über seiner Einlauftemperatur liegenden Temperatur zu verdampfen. Diese aufgewendete Energie ist verloren und führt zu einer weiteren Energiesteigerung durch das Vorsehen einer diese Druckdifferenz wieder überwindenden Absaugpumpe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rohwassor-Destillation der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem bzw. mit der qualitativ besseres bzw. reineres Destillat wesentlich wirtschaftlicher erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren und bzw. einer Vorrichtung der eingangs genannten ArI durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. dem des Anspruchs 11 angegebenen Merkmale gelöst.

Damit ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rohwasser-Destillation geschaffen, das bzw. die bei Einsatz eines Verdichters im Sekundärsystem mit über dem Normaldruck liegender Verdampfung im Primärsystem arbeitet und damit nicht nur äußerst energiesparend ist, sondern darüber hinaus auch qualitativ hochwertiges bzw. hochreines Destillat liefert, wie es in der pharmazeutischen und elektrotechnischen Industrie gefordert wird. Da die vorliegende Erfindung bei einer Temperatur über 100⁰C arbtiiet, kann mit der Destillation eine sehr hohe Reinheit des Destillats erreicht werden, da sich nicht nur die nichtflüchtigen, sondern auch die flüchtigen Bestandteile mit hohem Siedepunkt in der Dampfphase vom vVasser trennen lassen. Außerdem kann man auch aus mikrobiologischer Sicht von einem hochwertigen Destillat sprechen, da die entsprechenden Temperaturen zur Abtötung von Keimen, Bakterien u. dgl. erreicht werden können. Auch eine nachträgliche Kontamination des Destillats beim Entnehmen aus der Vorrichtung ist nicht möglich, da aufgrund des herrsehenden Überdrucks das Destillat automatisch, also ohne anschließende aktive Förderung herausflicßen kann.

Des weiteren ist die äußere Energiezufuhr auf ein

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Minimum beschränkt, nämlich auf die mechanische Energie für die Wärmepumpe und auf zusätzliche Wärmeenergie zum Anfahren der Anlage und ggf. dann, wenn nicht kaltes, sondern warmes Destillat abgenommen wird. Der gegenseitige Wärmeaustausch ist nicht nur zwischen Sekundär- und Primärmedium, sondern auch den zwischen erzeugtem Destillat und zu destillierendem Rohwasser bis ins kleinste ausgenützt. Dadurch kenn das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Vorrichtung im Falle der Entnahme von kaltem Destillat im wesentlichen nur mit zusätzlich zugeführter mechanischer Energie für den Verdichter auskommen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein Zyklon besser als jede andere Fliehkraftvorrichtung reinigt, da eine Rückwirkung auf den gereinigten Dampf nicht vorhanden ist. Der den Schmutz enthaltende Wasserfilm wird nämlich entgegen der Dampfströmung nach unten ausgetragen, wobei der Dampf weder die Wandung des Zyklons berührt noch Teile des Wasserfilms mit sich reißt. Das Zyklon ermöglicht ferner eine weitere Reinigung des Rohwasserdampfes, so daß das Destillat auch pyrogenfrei gemacht werden kann. Auch können ohne weiteres bakteriologisch stark belastete Wässer zu einem hochreinen Destillat umgewandelt werden.

Im vom Primärsystem räumlich getrennten Sekundärsystem kann zur Energieübertragung dasselbe Medium wie im Primärsystem, nämlich Rohwasser, verwendet werden. Dies hat den Vorteil, daß die Vorrichtung das für die Energieübertragung notwendige Medium selbst erzeugen k.mn, so daß auch im Sekundärsystem die sonst bei normalem Wasser üblichen Kalkablagerungen u. dgl. vermieden sind. Es ist aber auch möglich, im Sekundärsystem ein anderes Medium als im Primärsystem, beispielsweise Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe, zu verwenden. Dieses als Kühlmittel verwendete Medium hat den Vorteil, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelsübliche Verdichter verwendet werden können. Während im letzteren Falle der Verdichter das Medium beispielsweise von 7 bar auf 20 bar unter einer Temperaturerhöhung von 100 auf 120°C verdichtet, was hinsichtlich des Verdichters konstruktiv keine Schwierigkeiten bereitet, ist demgegenüber Wasserdampf bisher in diesem Verfahren nur um 0.1 bis 0.2 bar verdichtet worden, was einer Temperaturerhöhung von nur 5°C entspricht. Um eine höhere Verdichtung zu erreichen= wurde in bisher üblicher Weise zunächst die Flüssigkeit verdichtet und diese dann verdampft, was jedoch für den Betrieb einer diesbezüglichen Wärmepumpe nicht sinnvoll ist. Gemäß der Erfindung wird der Wasserdampf von 0,1 auf 1,4 bar (oder höher) verdichtet was einer Temperaturerhöhung von 99° auf 108°C (oder höher), also nahezu der doppelten Erhöhung bei bisherigen Verfahren entspricht

Ist der Zyklon innerhalb des Brüdenraums angeordnet, so ist es nicht notwendig, diesen außenwandig zu isolieren, da ohnehin kein Wärmeverlust entsteht. Aufgrund der Kinetik des Dampfes innerhalb des Zyklons und des anschließenden Kondensators besitzen dessen Wände dennoch eine geringe Temperaturdifferenz von etwa !°C. welche dazu beiträgt daß sich die durch Fliehkraft abgetrennten Wassertröpfchen an der Außenwand des Zyklons niederschlagen und in dessen Sumpf abfließen. Dieses Schmutzwasser kann entweder nach außerhalb abgeleitet oder in den Verdampfer zurückgeführt werden, wobei das letztere insbesondere zu Beginn eines Verfahrensablaufs durchgeführt werden kann. Der in dem Abflußrohr des adiabat gelagerten Zyklons herrschende hydrostatische Druck reicht dabei aus, daß das Abflußrohr — falls das Schmutzwasser in den Verdampfer zurückgeleitet wird — als Dampfsperre wirkt, so daß Rohwasserdampf nicht unmittelbar durch das Abflußrohr in das Zyklon gelangen kann.

Um eine weitere Reinigung bzw. Vorreinigung des Rohwasserdampfes zu erreichen, kann dieser vor dem Eintreten in den Zyklon mittels mindestens einer Ultraschallvorrichtung beschallt werden. Eine oder mehrere derartige Uliraschallquellen können im Bereich des Zykloneintritts axial gerichtet und/oder am Umfang des Brüdenraumes radial gerichtet angeordnet sein. Durch die Ultrabeschallung wird erreicht, daß die fein dispergierten Wassertröpfchen im Dampf zu größeren Tröpfchen koagulieren, womit erreicht wird, daß der Abscheidegrad der Wassertröpfchen aus dem Dampf im anschließenden Zyklon erhöht wird.

Es ist ferner möglich, den Rohwasserdampf, beispielsweise nach Austreten aus dem Zyklon, quer durch eine oder mehrere stehende Ultraschallwellen zu führen. Derartige stehende Wellen können durch einen oder mehrere Ultraschallstrahler, denen Reflektoren, beispielsweise Hohlspiegel, gegenüberliegend angeordnet sind, erzeugt werden. Diese Strahler können zweckmäßigerweise im Tauchrohr des Zyklons angeordnet sein. Die stehenden Schallwellen besitzen Schwingungsbäuche und -knoten, über denen ein Kanalsystem angeordnet ist, wobei jedem der Schwingungsbäuche bzw. -knoten ein einzelner Kanal zugeordnet ist. Dabei enthält derjenige Teil des Rohwasserdampfes, der über dem Schwingungsknoten abgeführt wird, mehr Tröpfchen, als derjenige Teil des Dampfes, der über die Schwingungsbäuche entweicht. Dies bedeutet, daß der über den Schwingungsknoten abgeführte Dampf mehr Schmutz enthält und daher in den Verdampfer oder den Brüdenraum zurückgeführt werden kann, was ohne wesentlichen Energieveriust vor sich geht, worauf dieser Teil des Dampfes nochmals den Reinigungsprozeß durchläuft. Es ist aber auch möglich, den Rohwasserdampf in einem Elektrofilter zu reinigen, das zweckmäßigerweise ebenfalls im Tauchrohr des Zyklons oder auch an anderer Stelle im oder außerhalb des Brüdenraums angeordnet sein kann.

Die Anordnung der einzelnen Teile, insbesondere des Kondensators und des Verdampfers kann in vielfältiger Weise erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, den Kondensator und den Verdampfer unter Zwischenfügen des Brüdenraumes übereinander anzuordnen. Eine sehr klein bauende und kompakte Anordnung ergibt sich jedoch dann, wenn der Verdampfer und der daube: ingeordnete Brüdenraum innerhalb des vorzugsweise etwa haubenförmig ausgebildeten, konzentrischen Kondensators angeordnet sind. Dies bedeutet gleichzeitig eine erhebliche Wärmeisolierung des Verdampfers und des Brüdenraums nach außen ohne zusätzliche Mittel. Dabei ist es zweckmäßig, sowohl den Verdampfer und den Zyklon als auch die Wärmetauscher zur Vorwärmung des Rohwassers innerhalb eines vorzugsweise zylindrischen Behälters anzuordnen, der mühelos in den Kondensator eingesetzt und wieder herausgenommen werden kann. Dadurch ist es möglich, sowohl die mit dem Destillat in Berührung kommende Innenwandung des Kondensators als auch die Außenwandung des zylindrischen Behälters zu behandeln, ggf. mit einem Wärmereflektor oder durch Plattierung oder Galvanisierung u. a. zu beschichten und ggf. einen Austausch defekter Teile besser vornehmen zu können. Eine solche Ausführungsform kann insbesondere auch als Kleingerät Verwen-

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dung finden. Dabei ist es günstig, wenn zwischen der Wand des beispielsweise aus Glas bestehenden Behälters und dem Verdampfer ebenfalls Rohwasser an den Flüssigkeitsspiegel strömen kann, da sich dadurch eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche für diesen ergibt.

Ein weiterer Vorteil des Zweikreissystems ist darin zu sehe.', daß durch entsprechende Unterteilung der Wärmeaustauschflächen paralleler oder hintereinandergeschalteter Betrieb möglich ist. Der Parallelbetrieb deckt große Destillatmengen bei nur einfacher Destillation. Die Hintereinanderschaltung ermöglicht eine Mehrfachdestillation zur Erzeugung von noch höherer Destillatqualität bei kleineren Destillatmengen. Der Energierückgewinnungsprozeß benötigt dabei nur eine Wärmepumpe.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in del die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird. Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

l·' i g. 2 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig.3 eine Ausführungsform eines mit Ultraschallquellen bestückten Brüdenraumes,

Fig.4a, b eine Ausführungsform eines mit Ultrascha.istrahlern bestückten Tauchrohres eines Zyklons schematisch in Ansicht bzw. Draufsicht, und

F i g. 5 eine Ausführungsform eines mit einem Elektrofilter bestückten Tauchrohres eines Zyklons.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 11 zum Destillieren von entsalztem und entmineralisiertem Rohwasser besitzt ein Primärsysicrn 12, in weichem das Rohwasser destilliert wird und welches keine bewegten Teile aufweist, und ein davon getrenntes, in sich geschlossenes Sekundärsystem 13, in welchem ein Medium strömt, das ausschließlich der Wärmeübertragung dient. Als Medium im Sekundärsystem 13 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls entsalztes und entmineralisiertes Rohwasser verwendet. Es versteht sich, daß auch vorzugsweise möglichst entkalktes normales Wasser verwendet werden kann.

Das zu destillierende Rohwasser wird beispielsweise aus einem Ionentauscher mit einer Temperatur von 25°C unter leichtem Überdruck über eine Zulaufleitung 16, in welcher ein Schwimmerschalter, ein elektrisch gesteuertes Ventil 17 o. dgl. zum Erreichen und Aufrechterhalten einer konstanten Füllhöhe der Vorrichtung 11 eingesetzt ist, einen ersten Wärmetauscher 18 und einem zweiten Wärmetauscher 19, die üblicher Bauart sind und nach dem Kreuzstromprinzip arbeiten, in das Primärsystem 12 eingeleitet Dabei ist das Rohwasser am Ausgang des ersten Wärmetauschers 18 beispielsweise auf 34° und am Ausgang des zweiten Wärmetauschers 19 beispielsweise auf 94° erwärmt Vom zweiten Wärmetauscher 19 gelangt das Rohwasser in den Bodenraum 21 eines Verdampfers 22, in welchem eine Heizeinrichtung 23 vorgesehen ist Die Heizeinrichtung 23 kann beispielsweise ein dampfdurchströmtes Rohr oder ein elektrischer Heizstab sein. Diese Heizeinrichtung braucht eigentlich nur so groß zu sein, daß sie das zuströmende erhitzte Rohwasser an dessen Siedetemperatur von 105°C heranführt Dies ist eine relativ geringe zuzuführende Wärmemenge, die im wesentlichen nur die Energieverluste der gesamten Vorrichtung 11 ersetzen soll. Die Heizeinrichtung 23 ist jedoch vorzugsweise so groß dimensioniert, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung auch relativ schnell angefahren werden s kann, was bedeutet, daß die Heizeinrichtung 23 allein das Rohwasser von etwa 25° auf Siedetemperatur erhitzen können muß. In einer Vielzahl von vertikal und beispielsweise konzentrisch angeordneten Rohren 24 im Verdampfer 22, wobei auch Plattenwärmetauscher

ίο eingesetzt werden können, strömt das Rohwasser nach oben in den Brüdenraum 26, in welchem es verdampft wird. Die Verdampfung erfolgt dabei von einem knapp oberhalb des Endes des Verdampfers 22 angeordneten Flüssigkeitsspiegel 27. Dabei gewährleistet die Wasser-

t5 Standsregelung durch das Ventil 17, daß das Abdampfen von einer stets gleichen großen Oberfläche erfolgt. Die Abdampfgeschwindigkeit liegt bei Werten, die das Mitreißen von Tröpfchen vermeiden, im Brüdenraum 26 besitzt der Dampf eine Tempera tür von 105"C und es herrscht dort ein Druck von 1,23 bar. Im Brüdenraum 26 ist mittig (oder eventuell außermittig) und konzentrisch zu ihm ein Zyklon 28 (oder eventuell mehrere) angeordnet, der an der Decke 29 des Brüdenraumes 26 befestigt ist und in dem Brü denraum 26 hängend oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 27 endet. Der Zyklon 28, der von bei der Gas-Feststoff-Trennung verwendeten Bauart ist, besitzt an seinem oberen Ende eine spiralig nach innen verlaufende, radiale Eintrittsöffnung 31, an seinem Boden eine mit einem Absperrventil versehene und nach außerhalb des Brüdenraums 26 führende Ablaufleitung 32 für das Schmutzwasser und ein Tauchrohr 33. das mittig oder eventuell außermittig und axial angeordnet ist und vom Zykloninnenraum in einen über dem Brüdenraum 26 angeordneten Kondensator 34 reicht. Bei Eintritt in den mit konzentrischen Rohren versehenen Kondensator 34, in weichem der Dämpf wieder kondensiert, hat dieser eine Temperatur von 102° und steht unter einem Druck von 1,13 bar, so daß der Dampf aufgrund dieses Druckgefälles gegenüber dem Brüdenraum 26 durch den Zyklon 28 mit erheblicher Geschwindigkeit strömen kann. Durch den radialen Eintritt erfährt der Rohwasserdampf im Zyklon 28 einen Drall um die Längsachse des Zyklons 28, wodurch mittels Fliehkraft die im Dampf enthaltenen Tröpfchen, die Schmutzpartikel und dgl. enthalten, gegen die Innenwand 36 des Zyklons 28 geschleudert werden und sich dort niederschlagen. Diese Tröpfchen sammeln sich am Boden des Zyklons 28 und fließen durch die Ablaufleitung 32 nach außen ab.

so Auf diese Weise ist das Rohwasser bzw. der Rohwasserdampf zu einem guten Teil gereinigt. Der Zyklon 28 ist aufgrund seiner mittigen Lage im Brüdenraum 26 nahezu adiabat gelagert, da praktisch keine Wärmeverluste entstehen und der Rohwasserdampf nach Durch- tritt durch das Tauchrohr 33, dort etwa dieselbe Temperatur wie im Brüdenraum 26 besitzt Aufgrund der Kinetik des Rohwasserdampfes besitzt die Innenwand 36 des Zyklons 28 dennoch eine um etwa 1° niedrigere Temperatur als der sie umgebende Brüdenraum 26, so daß stets gewährleistet ist, daß sich die durch Fliehkraft abgeschiedenen Tröpfchen an der Innenwand niederschlagen. Der Zyklon 28 kann im Bereich des Bodens Prallbleche oder dgl. besitzen, damit der durch das Tauchrohr 33 ausströmende Dampf die an der Innenwand äbgeiägerien FlDsstgkeitsteiichen nicht wieder mitreißen kann. Der im Kondensator 34 kondensierte Rohwasserdampf fließt als Destillat mit beispielsweise einer Temperatur von 102°C ab, strömt durch den zweiten

Wärmetauscher 19, in welchem es sich durch Wärmeabgabe auf etwa 40° abkühlt, und durch den Ablauf 38 zu einer Füllanlage oder dgl.

Das in sich geschlossene, ausschließlich der Wärmeübertragung und dem Wärmetransport dienende Sekundärsystem, das vom Primärsystem 12 räumlich getrennt ist, besitzt an seinem oberhalb des Kondensators 34 angeordneten Brüdenraum 41 entweder einen Einfüllstutzen, eine Anschlußmöglichkeit an ein Fremddampfnetz, oder, wie beim Ausführungsbeispiel dargestellt, eine mit einem Absperrventil 43 versehene und mit dem Brüdenraum 26 des Primärsystems 12 verbundene Nebenschlußleitung 42. Dadurch kann das Sekundärsystem 13, wenn in ihm ebenfalls Rohwasser verwendet wird, unmittelbar durch das Primärsystem 12 beim Anfahren der Anlage gespeist werden. Ebenfalls kann vor Inbetriebnahme der Anlage über diese Leitung das Gesamtsystem bei höherer Temperatur sterilisiert werden. Dadurch ist zusätzlich ein schnelleres Aufheizen der Gesamtvorrichtung 11 möglich, und es ist ferner auf diese Weise möglich, das Medium für das Sekundärsystem 13 selbst herzustellen. Der im Brüdenraum 41 erzeugte Sekundärdampf von 100⁰C und 1,0 bar strömt durch den fremdangetriebenen Verdichter 44 einer Wärmepumpe 46, die den Dampf auf 1,4 bar verdichtet, wodurch sich eine Überhitzung des Dampfes auf 180° C ergibt. (Die Überhitzungstemperatur und damit auch die Verdichterleitung, kann durch Einspritzen von Wasser im Verdichtungsbereich niedriger gehalten werden.) Die Leitung 47, in der der Verdichter 44 angeordnet ist, mündet in den Verdampfer 22, aus dem der durch Wärmeabgabe an das Primär-Rohwasser auf 108° abgekühlte kondensierte Sekundär-Dampf als Flüssigphase durch eine Leitung 48 ausströmt, den ersten Wärmetauscher 18 durchströmt und als 99° heißes Sekundär-Rohwasser durch eine Leitung 49 in den Zwischenboden 50 des Kondensators 34 Hießt, wo es durch Wärmeaufnahme vom Primär-Rohwasserdampf wieder verdampft und wieder in den Brüdenraum 41 gelangt. Beim Ausführungsbeispiel sind der Verdampfer 22, der Brüdenraum 26, der Kondensator 34 und der Brüdenraum 41 übereinander innerhalb eines zylindrischen, aufrecht stehenden Behälters angeordnet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt also eine bauliche Ineinanderschachtelung der beiden getrennten Systeme 12,13 derart, daß sie sich wärmemäßig gegenseitig beeinflussen. So wird im ersten Wärmetauscher 18 das Rohwasser des Primärsystems 12 durch das kondensierte Medium des Sekundärsystems 13 erwärmt, bevor dieses ausschließlich als Wärmeträger fungierende Sekundärmedium aufgrund der Kondensation, also der Wärmeabgabe des Primärrohwassers im Kondensator 34 verdampft. Um ein Verdampfen des Primärrohwassers im Verdampfer 22 ausschließlich durch das Sekundärmedium zu erreichen, wird das letztere durch die Wärmepumpe 46 auf ein höheres Temperaturniveau mit größerer Enthalpie angehoben, indem dessen Druck erhöht wird. Die dabei zur Verfügung stehende Wärmeenergie (nun auf höheres Temperaturniveau gebracht), ist bei einer solchen Wärmepumpe etwa um die zugeführte mechanische Energie für den Verdichter 44 größer. Aufgrund des geschlossenen Sekundärsystems 13 wird praktisch keine Wärmeenergie ungenutzt abgeführt wie es beispielsweise bei solchen Anlagen der Fall ist, die mit Kühlwasser arbeiten. Aufgrund der nach der Wärmepumpe zur Verfügung stehenden Verdampfungseiiergie ist es ggf. auch möglich, das aus dem zwei ten Wärmetat; 'eher 19 fließende heiße Rohwasser ohne Einschalten der Heizeinrichtung 23 zu verdampfen. Der Druck in einzflnen Teilen der gesamten Vorrichtung 11 beträgt zwischen 1,0 und 1,4 bar. Die Heizeinrichtung 23 kann beispielsweise auch so dimensioniert sein, daß sich die Anlage bei einem Druck von 2,5 bar Überdruck und einer Temperatur von 140° selbst sterilisieren kann.

Bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung 11' eine weiter-

ίο gehende apparative Ineinanderschachtelung und kompakte Bauweise. Während beim ersten Ausführungsbeispiel Verdampfer 22, Brüdenraum 26, Kondensator 34 und Brüdenraum 41 etagenweise übereinander angeordnet sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel der Verdampfer 22' und der Brüdenraum 26' des Primärsystems 12 innerhalb eines beispielsweise zylindrischen Behälters 51 angeordnet, der von einem etwa topfförmigen Element 52 haubenförmif» umgeben ist. welches den Kondensator 34' und den Brüdenraum 4Γ des Sekun därsystems 13 enthält. Der Verfahrensablauf, d. h. der Destillationsvorgang und die Wärmeübertragung innerhalb der Vorrichtung W ist derselbe wie bei der Vorrichtung 11, jedoch ist die Anordnung der einzelnen Teile räumlich zueinander von der Vorrichtung 11 ver schieden. Im Boden 53 des Behältes 51 münden die Zu- laufleitung 16 für das zu destillierende Rohwasser und die Ablaufleitung 38 für das erzeugte Destillat. Der oberhalb des Bodens 53 angeordnete Raum 54 im Behälter 51 bildet den ersten Wärmetauscher 18' mit einer vom Medium des Sekundärsystems 13 durchflossenen Rohrschlange, in welcher eine Drossel 58 eingebaut ist und den zweiten Wärmetauscher 19' mit einer vom Destillat durchflossenen Rohrschlange. Oberhalb des Raumes 54 ist der Verdampfer 22' angeordnet, der aus kon- zentrisch zueinander verlaufenden Rohren 61 für das Primärrohwasser besteht. Die Rohrböden 62, zwischen denen die Rohre 61 eingesetzt sind, sind so am Behälter 51 befestigt, daß das Rohwasser auch an der Behälterinnenwand nach oben an den Flüssigkeitsspiegel 27 strö- men kann. Über dem Verdampfer 22* ist der Zyklon 28 angeordnet, dessen Ablaufleitung 32' in den Verdampfer 22* zurückgeführt ist und unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 27 mündet. Auf diese Weise wird das aus dem Zyklon 28 kommende Schmutzwasser nochmals ver-

« dampft, also seine Wärmeenergie und seine Masse wieder verwertet. Dadurch, daß im Zyklon 28 nur ein geringfügig niederer Druck herrscht als im Verdampfer 22', steigt eine Flüssigkeitssäule aus Rohwasser in der Ablaufleitung 32' nach oben. Ihre Höhe entspricht dem Differenzdruck zwischen dem Verdampfer 22' und dem Zyklus 28. Sie wirkt als Sperre sowohl gegen den Dampf im Zyklon 28 als auch gegen das Rohwasser aus dem Verdampfer 22'. Das Tauchrohr 33, das die Decke 29' des Behälters 5V durchdringt und dort befestigt ist mündet in den Zwischenboden 50' des Kondensators 34' im topfförmigen Element 52. Während der Zwischenboden 50' oberhalb des Behälters 51 angeordnet ist umgeben die konzentrischen Rohre 64 des Kondensators 34' den Behälter 51 über dessen gesamte Höhe. An ihrem unteren Ende sind die konzentrischen Rohre 64 über die Rohrschlange des ersten Wärmetauschers 18' mit dem Innenraum des Verdampfers 22* verbunden. Das sich unter dem Flüssigkeitsspiegel 68 befindliche Kondensat des Primärsystems (zwischen Außenwand des Behälters 5i und Innenwand des topfförmigen Behälters 52) wird durch die Rohrschlange des zweiten Wärmetauschers 19' zum Destillatauslauf 38 geführt Der Brüdenraum 41' des Sekundärsystems befindet sich zwischen dem Zwi-

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schenboden 50' und der Decke 67 des topfförmigen EIemsnts 52. Vom Brüdenraum 41' führt die mit dem Verdichter 44 vr.rsehene Rohrleitung 47 der Wärmepumpe 46 in den Innenraum des Verdampfers 22' des Sekundärsysierns 13. Aus F i g. 2 ist ferner der Flüssigkeitsspiegel 68 des kondensierten Rohwasser (— jetzt das zu gewinnende Destillat) und der Flüssigkeitsspiegel 69 des kondensierten Fluorchlor-Kohlenwasserstoffs des Sekundärsystems ersichtlich. Als Medium im Sekundärsystem 13' wird also bei diesem Ausführungsbeispiel ein Kältemittel, nämlich Fluorchlor-Kohlenwasserstoffe, verwendet. Dieser Wärmeträger verdampft unter einem Druck von 9 bar bei 100°C und wird durch die Wärmepumpe 46 unter einer Temperaturerhöhung von 20° auf 70 bar verdichtet.

Der Behälter 51 besteht vorzugsweise aus Glas und kann ggf. an seiner Außenwandung mit einem reflektierenden Medium beschichtet werden, so daß ein mög-

(111131 gl*llltgWI rtUI lll\.UUdldU^n £.*V 131.111.11 UI.III LJl. I ld III. I 51 und dem topfformigen Element 52 besteht. Der Behälter 51 ist \ jn unten in das topfförmige Element 52 passend eingeschoben und mittels Flansche 71 an ihm befestigt. Eine Zusatzheizvorrichtung muß aufgrund der gegenseitigen Wärmeisolierung nicht unbedingt vorgesehen sein.

Gemäß dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Brüdenraum 26,26' an seiner Decke 29, 29' eine oder mehrere im Abstand angeordnete und den Zyklon 28 umgebende Ultrascha'lquellen 72, die axial nach unten gerichtet sind und den in Gegenrichtung aufströmenden Dampf beschallen. Im Brüdenraum 26, 26' können stattdessen oder zusätzlich eine oder mehrere, strichpunktiert angedeutete weitere Ultraschallquellen 73 an der Innenwandung seines Mantels angeordnet und radial gerichtet sein. Dadurch kann der im Brüdenraum 26, 26' aufsteigende und durch die öffnung 31 in den Zyklon 28 eintretende Rohwasserdampf in axialer und/oder radialer Richtung beschallt werden. Durch die Ultrabeschallung des Dampfes koagulieren die im Dampf enthaltenen fein dispergierten Wassertröpfchen zu größeren, so daß sich dadurch der Abscheidungsgrad im anschließenden Zyklon 28 erhöhen läßt

In F i g. 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines Tauchrohres 33' dargestellt, das bei allen der vorgenannten Ausführungsbeispiele verwendbar ist. Dieses Tauchrohr 33' besitzt an seinem aus dem Zyklon 28 austretenden Ende eine Erweiterung 76, deren unterer Teil an einer Stelle des Außenumfanges mit beispielsweise drei übereinander angeordneten Ultraschallstrahlern 77 bestückt ist. Diesen Strahlern 77 gegenüberliegend ist die Erweiterung 76 innenwandig mit zugehörigen Reflektoren 78, beispielsweise in Form von Hohlspiegeln, beschichtet, so daß sich durch die Ausstrahlung und Reflektierung des Ultraschalls drei übereinander angeordnete stehende Schallwellen 79 ergeben, die jeweils aus Schwingungsknoten 81 und Schwingungsbäuchen 82 zusammengesetzt sind. Innerhalb der Erweiterung 76 sind über den Schallwellen 79 Kanäle 83,84 angeordnet, von denen die Kanäle 83 im Bereich über den Schwingungsknoten 81 und die Kanäle 84 über den Schwingungsbäuchen 82 angeordnet sind. Die Erweiterung 76 im Tauchrohr 33' ist so bemessen, daß der Dampf nunmehr eine Strömungsgeschwindigkeit unter 0,5 m/s besitzt, so daß er im mit den Schallwellen 79 ausgefüllten Raum eine größere Verweüzeit besitzt Der die Schallwellen 79 senkrecht durchströmende Rohwasserdampf wird vor den Kanälen 83,84 aufgeteilt, wobei derjenige Teil des Dampfes, der die Schwingungsknoten 81 durchströmt.

mehr Tröpfchen enthält als derjenige, der die Schwingungsbäuche 82 durchströmt. Der weniger Tröpfchen enthaltende und durch die Kanäle 84 strömende Dampf wird dem Kondensator 34, 34' zugeführt und als hochreines Destillat abgezapft. Demgegenüber wird der mehr Tröpfchen enthaltende Dampf durch die Kanäle 83 in den Brüdenraum 26, 26' oder unmittelbar in das Tauchrohr 33, 33' zurückgeführt, wodurch praktisch keine Verluste entstehen, jedoch der Dampf weiter bzw.

ίο nochmals gereinigt werden kann.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Tauchrohrs 33" dargestellt, das ebenfalls bei jedem der vorgenannten Ausführungsbeispiele verwendet werden k.-»nn. Das Tauchrohr 33" ist doppelwandig ausgebildet, wobei zwischen seiner Außenwand und seiner Innenwand 89 ein ringförmiger Raum 86 besteht, der am obtren Ende des Tauchrohres in eine axial gerichtete ringförmige öffnung 87 mündet. In der Längsmittelebene

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u(.a ι auiiuiHii ta jj ist «.tue i^icivtl Ulic oo, uciajJICIä WCI-se in Form eines Sprühdrahtes, angeordnet, die umgeben von einer elektrischen Durchführung 85 an Hochspannung von 20 bis 80 kV gelegt ist. Die Elektrode 88 ist an den negativen Pol und die Innenwand 89 des Tauchrohrs 33" an den positiven Pol der Hochspannung, oder umgekehrt, gelegt. Durch die Hochspannung wird eine für Wasserdampf kritische Feldstärke im Tauchrohr 33" aufgebaut, wodurch sich die Wasserdampfmoleküle in positive Ionen und Elektronen spalten, wobei die letzteren sich teilweise an neutrale MoIeküle unter Bildung von negativen Ionen anlagern. Die negativen Ionen wandern unter dem Einfluß des elektrischen Feldes an die positive Niederschlagselektrode, also an die Innenwand 89, wobei sie weitere neutrale Moleküle durch Zusammenstoß ionisieren. Beim Auftreffen auf die Innenwand 89 werden negative Ionen entladen, d. h., es werden an ihr Dampfverunreinigungen und feinste Tröⁿfchen niedergeschlagen. Durch die nach eben gerichtete Dampfströmung wird der Niederschlag an der Innenwand 89 mit nach oben genommen und am Tauchrohrende über die öffnung 87 in den ringförmigen Raum 86 geführt, aus welchem es beispielsweise in den Brüdenraum 26, 26' bzw. den Verdampfer 22, 22' rückgeführt wird. Auch durch diese Maßnahme ist der Rohrwasserdampf weiter gereinigt.

Es versteht sich, daß diese vorgenannten Reinigungsarten, mittels Zyklon, Ultrabeschallung, Durchströmen von stehenden Ultraschallwellen und Elektrofilter auch in Kombination derart angewendet werden kann, daß eines oder mehrere dieser Reinigungsverfahren hintereinander oder parallel vorgenommen werden kann bzw. können.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung auch andere Ausführungsbeispiele möglich sind, bei denen zwei räumlich getrennte Systeme verwendet werden, nämlich einen mit unbewegten Teilen versehenen Kreislauf zum Erzeugen des Destillats aus dem Rohwasser und einen in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislauf zur Wärmerückgewinnung mittels Wärmepumpe vorgesehen sind. Es versteht sich ferner, daß auch andere als Wärmeträger geeignete Medien im Sekundärsystem vorgesehen sein können.

Zur Erzielung großer Destillatmengen einfacher Destillation oder kleinerer Destillatmengen mehrfacher Destillation können zwei oder mehr Primärsysteme pa-

raue!- bzw. hintereinandergeschaltet werden, je nach dem konstruktiven Aufbau des Destillierapparates sind die Primärsysteme wärmetechnisch mit einem einzigen, eine Wärmepumpe enthaltenden Sekundärsystems ver-

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bunden oder jeweils für sich einem Sekundärsystem ohne Wärmepumpe zugeordnet, wobei dann den zwei
oder mehr Sekundärsystemen eine einzige Wärmepumpe zur Energierückgewinnung zugeordnet ist

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

26 OO Patentansprüche:

1. Verfahren zur Rohwasser-Destillation, bei dem das Rohwasser innerhalb eines Primärsystems und ein Sekundärmedium innerhalb eines einen Verdichter enthaltenden, vom Primärsystem räumlich getrennten, in sich geschlossenen Sekundärsystems verdampft und kondensiert wird, wobei das Rohwasser durch Kondensation des zuvor im Verdichter weiter erwärmten Sekundärmediums, und dieses im Sekundärsystem durch Kondensation des Rohwassers verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohwasser in mindestens einem im Primär- und im Sekundärsystem angeordneten Warmetauscher (18, 19) vorgewärmt, bei mindestens 105" C und 1.23 bar verdampft und der Roh wasserdampf durch ein Zyklon geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärsystem (13) Roh wasser eingesetzt und der Dampf von 1,0 auf 1,4 Bar oder höher verdichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärsystem (13) FluGrchlor-Kohlenwasserstoffe eingesetzt und von 7 auf 20 bar verdichtet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anfahren eine Heizeinrichtung (23) im Verdampfer (22) des Primärsystems (12). eingeschaltet wird.

5. Verfahi v-n nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeic! /et, daß das im Zyklon (28) gesammelte Schmutzwasser nach außerhalb abgeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden An-Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Zyklon (28) gesammelte Schmutzwasser in den Verdampfer (22,22') zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohwasserdampf vordem Reinigen mittels mindestens einer Ultraschallvorrichtung (72,73) beschallt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohwasserdampf nach dem Reinigen quer durch eine oder mehrere stehende Ultraschallwellen (79) geführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mehr Tröpfchen enthaltende Rohwasserdampf in den Brüdenraum (26, 26') zurückgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohwasserdampf in einem dem Zyklon (28) nachgeschalteten Elektrofilter (88) gereinigt wird.

11. Vorrichtung zur Rohwasser-Destillation mit einem Primärsystem für das Rohwasser und einem davon räumlich getrennten, einen Verdichter enthaltenden, in sich geschlossenen Sekundärsystem zur Wärmeübertragung, wobei das Primärsystem mit ω dem Sekundärsystem durch einen Wärmetauscher zur Verdampfung des Rohwassers und einen Wärmetauscher zur Kondensation des Rohwasserdampfes gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Primär- und im Sekundärsystem mindestens ein μ Wärmetauscher (18, 19) vorgesehen ist, und daß im Brüdenraum /wischen dem Verdampfer (22,22') und dem Kondensator (34,34') ein Zyklon (28) angeord

net ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine externe Heizeinrichtung (23) in Form eines elektrischen Heizstabes zum Anfahren der Vorrichtung (It) vorgesehen ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des mit einem radialen Eintritt (31) versehenen Zyklons (28) ein Abflußrohr (32) mündet, das nach außerhalb der Vorrichtung (11) geführt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden des mit einem radialen Eintritt (31) versehenen Zyklon (28) ein Abflußrohr (32') mündet, dessen anderes Ende im Verdampfer (22') unterhalb des Flüssigkeitsspiegels endet.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im bzw. am Brüdenraum (26,26') eine oder mehrere Ultraschallquellen (72,73) vorgesehen sind-

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallquellen (72, 73) im Bereich des Zykloneintritts (31) axial gerichtet und/ oder am Umfang des Brüdenraums (26, 26') radial gerichtet angeordnet sind.

17. VorrichtuK^ nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine oder mehrere Ultraschallstrahler (77) aufweist, die vorzugsweise quer zur Rohwasserdampfströmung gerichtete stehende Schallwellen (79) erzeugen, im Bereich von deren Schwingungsbäuchen (82) und/oder -knoten (81) ein in Strömungsrichtung verlaufendes Kanalsystem (83,84) angeordnet ist

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ultraschallstrahler (77) gegenüberliegend Reflektoren (78) in Form von Hohlspiegeln angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspri":hl7 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Schwingungsbauch (82) und -knoten (81) ein separater Kanal (83, 84) zugeordnet ist, von denen die den Schwingungsknoten gegenüberliegende Kanäle in den Brüdenraum (26,26') zurückgeführt sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallstrahler (77) in einem Tauchrohr (33') des Zyklons (28) angeordnet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein vom Rohwasserdampf durchströmtes Elektrofilter mit einem an Hochspannung liegenden mittigen Sprühdraht (88) aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter als doppelwandiges Rohr ausgebildet ist, dessen Zwischenraum (86) am hinteren Rohrende in Strömungsrichtung nahe der Innenwand (89) ein? Auffangöffnung besitzt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22. dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrofilter in einem Tauchrohr (33") des Zyklons (28) angeordnet ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (34) und der Verdampfer (22) unter Zwischenfügen des Brüdenraumes (26) übereinander angeordnet sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

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22, dadurch gekennzeichnet, daß Jer Verdampfer (34') und der darüber angeordnete Brüdenraum (26') innerhalb des haubenförmig ausgebildeten, konzentrischen Kondensators (34') angeordnet sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet daß die Wärmetauscher (18, 19) zur Vorwärmung des Rohwassers innerhalb des Kondensators (34') angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (18, 19) zur Vorwärmung, der Verdampfer (22') und der Zyklon (28) innerhalb eines zylindrischen Behälters (51) angeordnet sind.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mantel des zylindrischen Behälters (51) und dem Verdampfer (22') ein Zwischenraum (62) zur Aufnahme des zu verdampfenden Rohwassers vorgesehen ist

29. Vorrichtung nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Behälter (51) von einem gereinigten Rohwasserdam^f enthaltenden ringförmigen Raum (66) umgeben ist, innerhalb dessen vom zu verdampfenden Medium des Sekundärkreislaufs (13) in Gegenrichtung durchströmte Rohre (64) angeordnet sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

29, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (51) aus Glas ist und ggf. mit einem Reflektor beschichtet ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

30, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Systemen (12,13) ein absperrbarer Nebenschluß (42) besteht.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis

31, dadurch gekennzeichnet, daß bei Parallel- oder Reihenschaltung von zwei oder mehr Primärsystemen (12) eine einzige Wärmepumpe (46) vorgesehen ist