WO2005089914A1 - Verfahren und vorrichtung zur destillation von lösungen an einer membran - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur destillation von lösungen an einer membran Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the distillation of solutions, in particular for the production of fresh water from sea or brackish water.
  • MED Multi Effect Desalination
  • VC Vapor Compression
  • distillation a liquid is evaporated and the vapor condensed.
  • distillation is suitable e.g. for the separation of liquids with different vapor pressure and for the complete or partial separation / separation of liquids from salt solutions.
  • a distillation device that can be implemented in practice must be both inexpensive and energy-efficient. A corresponding distillation process only makes sense if both conditions are met. These requirements can be implemented using the membrane distillation mentioned above.
  • Such a membrane distillation uses a porous, vapor-permeable material.
  • No. 3,340,186 describes a device in which an air-filled microporous, hydrophobic membrane is used, so that a so-called direct contact membrane distillation can be carried out. The warm sea water stream and the cold distillation stream come into direct contact with the membrane.
  • EP 0 088 315 AI describes a device for the continuous distillation of hot saline solutions or of liquid mixtures with different vapor pressure.
  • This known device consists of a thermally conductive vapor-impermeable layer, which forms an elongated wall, and a hydrophobic vapor-permeable membrane, which forms an adjacent or opposite wall, the two walls together forming an elongated distillation collection chamber or a corresponding or distillation collection channel.
  • the chamber or channel has an outlet for the distillate.
  • a spiral wrap configuration is used. Cold sea water (feed) flows in a spiral chamber in the center and absorbs heat from the condensation surface.
  • EP 1 185 356 describes a process for purifying a liquid by membrane distillation, in which steam arising from a liquid flow passes through a porous wall which limits the liquid flow. The steam condenses on a cool condenser surface and forms a condensate flow. The condenser surface separates a supplied liquid stream from the distillation stream. This supplied liquid stream flows in countercurrent to the vapor-emitting liquid stream. In order to increase the distillation flow per driving force unit, a pressure is maintained in the gas channel which is below the ambient pressure. however, is above the vapor pressure of the liquid emitting the vapor.
  • the heat of vaporization is extracted from the liquid flow by cooling and then returned to the liquid flow supplied by heating. leads.
  • at least 20 liters of aqueous liquid must be cooled from 80 ° C to 40 ° C.
  • the solution stream must therefore be at least twenty times as large as the distillate stream generated.
  • the invention has for its object to provide an improved method and an improved device of the type mentioned, in which the aforementioned problems are eliminated.
  • the energy density should be increased, the pumped liquid volume and the need for auxiliary energy reduced, the heat recovery improved and cooling as in the known multi-stage flash evaporation (MSF process) avoided.
  • this object is achieved according to the invention by a) that a liquid flow containing a solution in question is limited on at least one side by a microporous hydrophobic membrane,
  • Process steps a) to d) are preferably repeated several times.
  • Part of the liquid is advantageously evaporated from the liquid flow on a respective membrane by a membrane distillation process with a continuous temperature profile.
  • a membrane distillation process with a continuous temperature profile.
  • the remaining, still remaining steam is expediently condensed on the liquid stream supplied which contains the solution in question.
  • the escaping streams of concentrated solution and distillate are preferably cooled against the liquid stream supplied.
  • Part of the liquid is evaporated from a liquid flow, which is always or mostly delimited at least on one side by a microporous membrane, the evaporated part passing through the membrane as steam, in particular steam, and at a vapor and liquid-tight surface is condensed again.
  • This condensation surface or wall is again opposed by a microporous hydrophobic membrane wall which, with the condensation surface or wall mentioned, has a narrow flow channel filled with solution and of a width in a range of, for example, about 1 to about 8 mm, preferably about 2 to 5 mm. limited.
  • the condensation energy supplied to the condensation surface or wall is thus immediately converted back into evaporation energy in the region of the flow channel.
  • the absolute pressure of the vapor space used for the membrane distillation process can be below the ambient pressure at all points.
  • the steam generated can then be Condense at the steam pressure / temperature corresponding point of the MD process.
  • salt solution is evaporated on a membrane wall.
  • the steam enters through a microporous, hydrophobic membrane into a steam channel with negative pressure and condenses at a point on the condensation surface that corresponds to the temperature / steam pressure.
  • the latent heat absorbed at the condensation surface is immediately used again to evaporate from the solution on the other side through a membrane. This process is repeated several times, with energy efficiency increasing with the number of repetitions.
  • the remaining steam leaving the process is condensed on the supplied solution.
  • the emerging streams of concentrated solution and distillate are cooled against the supplied solution.
  • a multiple arrangement of units each having the features a) to d) is preferably provided.
  • a preferred practical embodiment of the device according to the invention is characterized in that the liquid stream containing the solution in question is at least partially guided in a spiral liquid channel which is delimited on one side by a microporous hydrophobic membrane and on the opposite side by a vapor and liquid-tight condensation wall is, due to the spiral arrangement of the liquid channel between the turns of a corresponding spiral vapor channel is formed, which is bounded on one side by the membrane and on the opposite side by the condensation wall.
  • a spiral arrangement ensures that the membrane surface always comes to lie opposite the condensation wall formed, for example, by a film.
  • the vapor emerging from the solution through the membrane always hits a condensation surface.
  • Such an execution form corresponds thermodynamically to a multiple-effect process with a continuous vapor pressure curve.
  • the uncondensed steam leaving the module is condensed in a cooler or condenser which is cooled by the counter-flowing solution.
  • the solution is preheated as desired.
  • the resulting distillate is drawn off with a pump and passed over a cooler through which the solution flows, the solution again being preheated. Before the solution enters the membrane distillation device, it is further heated by a heat exchanger.
  • Solution-containing liquid streams are fed to the liquid channels and the vapor emerging from a respective preceding stage is fed to the condensation channels of the respective subsequent stage.
  • a membrane distillation process can be implemented that uses thermodynamic mix corresponds to a multiple effects process.
  • the increasing steam volume can be absorbed by a corresponding increase in the number of plates in the individual stages.
  • the steam generator connected upstream of the first stage can in particular comprise a plurality of parallel liquid channels for a liquid containing the solution in question, each delimited by two opposing microporous hydrophobic membranes, a vapor space adjoining each membrane in which the absolute pressure at all points below the Ambient pressure.
  • the non-condensed steam emerging from the spiral or plate module can be condensed in a cooler or condenser which is cooled by the liquid flow containing the solution in question.
  • At least one pump is expediently provided for withdrawing the distillate formed.
  • the resulting distillate can be passed through a cooler through which the liquid stream supplied flows.
  • the supplied liquid stream can expediently be additionally heated via a heat exchanger before the membrane distillation.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a particularly for the production of fresh water from sea or brackish water-usable distillation device with a spiral channel for the liquid stream containing the solution in question
  • Figure 2 shows another exemplary embodiment of the distillation device with stages connected in series, each comprising several plates.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a distillation device 10 which can be used in particular for the production of fresh water from sea or brackish water and has a spiral-shaped liquid channel 12 for the liquid stream containing the solution in question.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a distillation device 10 with stages 14, 16 connected in series, each comprising several plates.
  • a liquid channel 12 containing the solution in question is delimited on at least one side by a microporous hydrophobic membrane 20.
  • a vapor and liquid-tight condensation wall 24 separate from the membrane 20 is provided, on which the vapor condenses at least partially.
  • FIGS. 1 and 2 a multiple arrangement of units each having the features a) to d) is preferably provided.
  • the liquid stream containing the solution in question is at least partially guided in a spiral liquid channel 12.
  • This spiral-shaped liquid channel 12 is delimited on one side by a microporous hydrophobic membrane 20 and on the opposite side by a vapor and liquid-tight condensation wall 24.
  • the membrane 20 is shown as a broken line and the condensation surface or wall 24 as a solid line.
  • the liquid stream 18 containing the solution in question is supplied via a pump 26.
  • the liquid flow flows through a heat exchanger 28, a condenser 30, a further heat exchanger 32 and is preheated in each case in the process.
  • a heat exchanger 34 the liquid containing the solution in question 18 is finally heated up to the upper process temperature.
  • the heated liquid flow enters the spiral module.
  • the liquid channel 12 for the liquid flow is delimited on one side by the membrane 20 (broken line) and on the opposite side by the condensation surface or wall 24 (solid line).
  • the distillate that collects in the channel CC is pumped out by a distillate pump 36.
  • the residual steam is sucked off via the vacuum in the steam channel 22 by a vacuum pump 38 and is condensed in the condenser 30 to the incoming liquid stream containing the solution in question.
  • the condensate is withdrawn from the condenser 30 by means of the distillate pump 36 via the heat exchanger 28.
  • the remaining liquid flow at B is drawn off, passed over the heat exchanger 32 and returned in the direction of the arrow to a suitable reservoir, for example in the sea during desalination.
  • the steam is fed from a steam generator 40 to a first stage 14 with a plurality of plates, which has condensation channels 21, which receive the steam and are parallel to one another and which are respectively delimited by a vapor and liquid-tight condensation wall 24 on opposite sides.
  • each of these condensation walls 24 is opposite a microporous hydrophobic membrane 20 in order to form, together with the condensation wall 24 assigned to it, a respective liquid channel 12 for a liquid flow containing the solution in question. -. , , -
  • a vapor space 23 is again formed between two opposite membranes 20, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points.
  • At least two stages 14, 16 each comprising several plates are connected in series.
  • the liquid streams emerging from a respective preceding stage 14 and containing the solution in question are fed to the liquid channels 12 of the respective subsequent stage 16 and the vapor from the steam rooms 23 emerging from a respective preceding stage 14 is fed to the condensation channels 21 of the respective subsequent stage 16.
  • the steam generator 40 connected upstream of the stages 14, 16 comprises a plurality of parallel liquid channels 12, each delimited by two mutually opposite microporous hydrophobic membranes 20, for a respective liquid stream 18 containing the solution in question.
  • a respective vapor space 23 adjoins a respective membrane 20, in which the absolute pressure is below the ambient pressure at all points.
  • the non-condensed steam emerging from the plate modules 14, 16 is condensed in a cooler or condenser 42, which is cooled by the liquid flowing through a pump 26 and containing the solution in question.
  • a vacuum pump 38 is again connected to the cooler or condenser 42.
  • the resulting distillate is drawn off via a pump 36, it being passed through a cooler or heat exchanger 28 through which the supplied liquid stream flows.
  • the solution leaving the plate module is passed through a heat exchanger 44 through which the supplied liquid stream flows.
  • the supplied liquid stream 18 is further heated via a heat exchanger 34.

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Abstract

Ein Verfahren zur Destillation von Lösungen, insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brackwasser zeichnet sich dadurch aus, a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitsstrom auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt wird, b) dass dafür gesorgt wird, dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran berührenden Flüssigkeitsstrom verdampft und der entstehende Dampf durch die Membran hindurch in einen Dampfkanal (22) gelangt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt, c) dass eine durch den Dampfkanal von der Membran getrennte dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand (24) eingesetzt wird, an der Dampf zumindest teilweise kondensiert, und d) dass die vom Dampfkanal abgewandte Seite der Kondensationswand wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt wird, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird. Es wird auch eine entsprechenende Destillationsvorrichtung beschrieben. Des weiteren wird eine Vorrichtung offenbart, die parallele Kondensationskanäle aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine Kondensationswand (24) begrenzt sind.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DESTILLATION VON LOSUNGEN AN EINER MEMBRAN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Destillation von Lösungen, insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brackwasser.
Auf dem Gebiet der herkömmlichen thermischen Meerwasserentsalzung existieren grundsätzlich drei verschiedene Verfahren:
Mehrstufenentspannungsverdampfung (MSF = Multi Stage Flash) - Mehrfacheffektentsalzung (MED = Multi Effect Desalination) Brüdenverdichtung, eine Kombination aus mechanischen und thermischen Verfahren (VC = Vapor Compression) .
Sämtliche bisher bekannten Membrandestillationsverfahren (MD) nutzen das MSF-Verfahren.
Bei der Destillation wird eine Flüssigkeit verdampft und der Dampf kondensiert. Somit eignet sich die Destillation z.B. für die Trennung von Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Dampfdruck und für die vollständige oder teilweisen Trennung/ Abtrennung von Flüssigkeiten aus Salzlösungen.
Eine in der Praxis realisierbare Destillationsvorrichtung muss sowohl kostengünstig als auch energieeffizient sein. Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, ist ein entsprechender Destillationsprozess sinnvoll. Umsetzbar sind diese Vorgaben mittels der bereits genannten Membrandestillation. Bei einer solchen Membrandestillation wird ein poröses dampfdurchlässiges Material benutzt. So wird in der US 3,340, 186 eine Vorrichtung beschrieben, bei der eine luftgefüllte mikroporöse, hydropho- be Membran eingesetzt wird, so dass eine so genannte Direktkontakt- Membrandestillation durchführbar ist. Dabei treten der warme Meerwasserstrom und der kalte Destillationsstrom in direkten Kontakt mit der Membran.
In der EP 0 088 315 AI wird eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Destillation von heißen salzhaltigen Lösungen oder von Flüssigkeitsgemischen mit unterschiedlichem Dampfdruck beschrieben. Diese bekannte Vorrichtung besteht aus einer thermisch leitenden dampfundurchlässigen Schicht, die eine langgestreckte Wand bildet, sowie einer hydrophoben dampfdurchlässigen Membran, die eine benachbarte bzw. gegenüberliegende Wand bildet, wobei die beiden Wände gemeinsam eine lang gestreckte Destillationssammelkammer bzw. einen entsprechenden oder Destillationssammelkanal bilden. Die Kammer bzw. der Kanal besitzt einen Auslass für das Destillat. Bei einer bevorzugten Ausführung dieser bekannten Membrandestillation wird eine Spiralwickelkonfiguration genutzt. Dabei fließt kaltes Meerwasser (Feed) in einer spiralförmigen Kammer in deren Zentrum und nimmt dabei Wärme von der Kondensationsfläche auf. Dieses durch den Kondensationsvorgang des Destillats vorgewärmte Meerwasser (Feed) wird nun durch eine Heizung weiter erwärmt und anschließend in einem Konzentratkanal geführt. Die heiße Lösung strömt dann durch den von der Membran begrenzten Kanal nach außen. Beim Durchströmen des Konzentratkanals verdampft ein Teil der Lösung durch die Membran. In der EP 1 185 356 wird ein Verfahren zur Reinigung einer Flüssigkeit durch Membrandestillation beschrieben, bei dem aus einem Flüssigkeitsstrom entstehender Dampf eine den Flüssigkeits ström begrenzende poröse Wand passiert. Der Dampf kondensiert an einer kühlen Kondensatorober- fläche und bildet einen Kondensatstrom. Die Kondensatoroberfläche trennt einen zugeführten Flüssigkeitsstrom vom Destillationsstrom. Dieser zugeführte Flüssigkeitsstrom strömt im Gegenstrom zum dampfabgebenden Flüssigkeitsstrom. Um den Destillationsstrom pro treibender Krafteinheit zu vergrößern, wird im Gaskanal ein Druck aufrechterhalten, der unter dem Umgebungsdruck. jedoch über dem Dampfdruck der den Dampf abgebenden Flüssigkeit liegt.
Im Zusammenhang mit den bekannten Membrandestillationsverfahren ergibt, sich nun eine Reihe von Problemen. So ist bei sämtlichen bekann- ten Membrandestillationsverfahren (MD-Verfahren) die umgesetzte Energiedichte gering, was darauf zurückzuführen ist, dass bei den bekannten Verfahren stets oberhalb des Siededampfdrucks der aufzukonzentrierenden Lösung gearbeitet wird und die entstehenden Dampfmengen damit entsprechend gering sind. Hinzu kommt, dass bei den bekannten MD- Verfahren die bei der Kondensation des erzeugten Dampfes freiwerdende Kondensationswärme stets durch die Erwärmung eines Flüssigkeitsstromes aufgenommen wird. Beim Verfahren mit einem Gasspalt (Air Gap) wird der Dampf an einer dampf- und flüssigkeitsdichten Oberfläche kondensiert und die freiwerdende Kondensationswärme wird durch Wärmelei- tung und Wärmeübergang an die Flüssigkeit übertragen. Beim Direktkontakt-Verfahren tritt der an der Grenzfläche der wärmeren Flüssigkeit zur Membran entstehende Dampf durch die Membran und kondensiert in der an die Membranwand angrenzende kältere Flüssigkeit. Hier wird die Verdampfungswärme dem Flüssigkeitsstrom durch Abkühlung entzogen und dem zugeführten Flüssigkeitsstrom durch Erwärmung wieder zuge- führt. Um die Verdampfungswärme für einen Liter Destillat bereitzustellen, sind mindestens 20 Liter wässrige Flüssigkeit von 80°C auf 40°C abzukühlen. Der Lösungsstrom muss also mindestens zwanzigmal so groß sein wie der erzeugte Destillatstrom.
Bei den bekannten MD-Verfahren wird die Kondensationswärme des Destillats also stets durch die Erwärmung der zuströmenden Flüssigkeit aufgenommen, was einen im Vergleich zur Destillaterzeugung zumindest zwanzigmal größeren Massenstrom erfordert.
Dazu müssen bei den bekannten MD -Verfahren große Flüssigkeitsmassenströme umgepumpt werden, was einen hohen Bedarf an Hilfsenergie (Pumpen) pro Einheit erzeugten Produkts mit sich bringt. Überdies muss bei einem Betrieb, bei dem die Lösung für eine höhere Aufkonzentration im Kreis gefahren wird und nur Teile der Lösung verworfen werden, die auf der heißen Seite zugeführte Wärme im Wesentlichen über einen -Kühler wieder entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die zuvor genannten Probleme beseitigt sind. Dabei sollen insbesondere die Energiedichte erhöht, die umgepumpten Flüssigkeitsvolumen sowie der Bedarf an Hilfsenergie reduziert, die Wärmerückgewinnung verbessert sowie eine Kühlung wie bei der bekannten Mehrstufen- entspannungsverdampfung (MSF- Verfahren) vermieden werden.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitsstrom auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt wird,
b) dass dafür gesorgt wird, dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran berührenden Flüssigkeitsstrom verdampft und der entstehende Dampf durch die Membran hindurch in einen Dampfkanal gelangt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt,
c) dass eine von der Membran getrennte dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand eingesetzt wird, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, und
d) dass die vom Dampfkanal abgewandte Seite der Kondensationswand zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeits ström berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt wird, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.
Bevorzugt werden die Verfahrensschritte a) bis d) mehrfach wiederholt.
Vorteilhafterweise wird an einer jeweiligen Membran nach einem Membrandestillationsverfahren mit kontinuierlichem Temperaturverlauf ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsstrom verdampft. Es ist insbesondere auch eine solche Ausgestaltung des Verfahrens denkbar, bei der an einer jeweiligen Membran nach einem Membrandestillationsverfahren in kon- kreten Stufen mit zugeordneten Temperaturstufen ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsstrom verdampft wird.
Zweckmäßigerweise wird am Ende des Verfahrens der restliche, noch verbliebene Dampf am zugeführten, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom kondensiert.
Bevorzugt werden am Ende des Verfahrens insbesondere auch die austretenden Ströme an aufkonzentrierter Lösung und Destillat gegen den zugeführten Flüssigkeitsstrom gekühlt.
Die im Zusammenhang mit den bekannten Verfahren genannten Probleme können also beispielsweise durch die folgenden Schritte beseitigt werden:
Aus einem Flüssigkeitsstrom, der zumindest auf einer Seite stets oder meist durch eine mikroporöse Membran begrenzt wird, wird ein Teil der Flüssigkeit verdampft, wobei der verdampfte Anteil als Dampf, insbesondere Dampf, durch die Membran hindurchtritt und an einer von der Membran getrennten dampf- und flüssigkeitsdichten Fläche wieder kondensiert wird. Dieser Kondensationsfläche oder -wand liegt wieder eine mikroporöse hydrophobe Membranwand gegenüber, die mit der genannten Kondensationsfläche oder -wand einen schmalen, mit Lösung gefüllten Strömungskanal von einer Breite in einem Bereich von beispielsweise etwa 1 bis etwa 8 mm, bevorzugt etwa 2 bis 5 mm, begrenzt. Die der Kondensationsfläche oder -wand zugeführte Kondensationsenergie wird somit im Bereich des Strömungskanals gleich wieder in Verdampfungsenergie umgewandelt.
Der Absolutdruck des für das Membrandestillationsverfahren verwendeten Dampfraums kann an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegen. Der erzeugte Dampf kann dann entsprechend seines Dampfdru- ckes an der dampfdruck-/ temperaturkorrespondierenden Stelle des MD- Verfahrens kondensieren.
In einem Membrandestillationsverfahren mit kontinuierlichem Tempera- turverlauf oder in konkreten Stufen mit zugeordneten Temperaturstufen wird Salzlösung an einer Membranwand verdampft. Der Dampf tritt durch eine mikroporöse, hydrophobe Membran in einen Dampfkanal mit Unterdruck und kondensiert an einer temperatur-/ dampfdruckkorrespondierenden Stelle an der Kondensationsfläche. Die an der Kondensations- fläche aufgenommene Latentwärme wird sofort wieder zum Verdampfen aus der auf der anderen Seite angrenzenden Lösung durch eine Membran verwendet. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrfach, wobei die Energieeffizienz mit der Anzahl der Wiederholungen steigt.
Am Ende des Verfahrens wird der restliche, das Verfahren verlassende Dampf an- der zugeführten Lösung kondensiert. Überdies werden die austretenden Ströme an aufkonzentrierter Lösung und Destillat gegen die zugeführte Lösung gekühlt.
Bezüglich der Vorrichtung wird die zuvor angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst,
a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeits ström auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran begrenzt ist,
b) dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran berührenden Flüssigkeitsstrom durch die Membran hindurch in einen Dampfkanal verdampft, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt, c) dass eine von der Membran getrennte dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand vorgesehen ist, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, und
d) dass die vom Dampfkanal abgewandte Seite der Kondensationswand zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Memb- ran begrenzt ist, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.
Dabei ist vorzugsweise eine Mehrfachanordnung von jeweils die Merkmale a) bis d) aufweisenden Einheiten vorgesehen.
Eine bevorzugte praktische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom zumindest teilweise in einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal geführt ist, der auf einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand begrenzt ist, wobei infolge der spiralförmigen Anordnung des Flüssigkeitskanals zwischen dessen Windungen ein entsprechend spiralförmiger Dampfkanal gebildet ist, der auf einer Seite durch die Membran und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Kondensationswand begrenzt ist. Durch eine spiralförmige Anordnung gelingt es, dass die Membranfläche stets gegenüber der beispielsweise durch eine Folie gebildeten Kondensationswand zu liegen kommt. Der aus der Lösung durch die Membran tretende Dampf trifft also stets auf eine Kondensationsfläche. Eine solche Ausführungs- form entspricht thermodynamisch einem Mehrfacheffektverfahren mit kontinuierlichem Dampfdruckverlauf. Der das Modul verlassende, nicht auskondensierte Dampf wird in einem Kühler oder Kondensator kondensiert, der durch die gegenströmende Lösung gekühlt wird. Dabei wird die Lösung in erwünschter Weise vorgewärmt. Das entstehende Destillat wird mit einer Pumpe abgezogen und über einen von der Lösung durchströmten Kühler geführt, wobei die Lösung wiederum vorgewärmt wird. Bevor die Lösung in die Membrandestillationsvorrichtung eintritt, wird sie über einen Wärmetauscher noch weiter erhitzt.
Es ist jedoch beispielsweise auch eine solche Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar, bei der Dampf aus einem Dampferzeuger einer ersten Stufe aus mehreren Platten zugeführt ist, die den Dampf aufnehmende, zueinander parallele Kondensationskanäle aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand begrenzt sind, wobei diesen Kondensationswänden andererseits jeweils wieder eine mikroporöse hydrophobe Membran gegenüberliegt, um gemeinsam mit der Kondensationswand einen jeweiligen Flüssigkeitskanal für eine die betreffende Lösung enthal- tenden Flüssigkeitstrom zu bilden. Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen ist jeweils ein Dampfraum gebildet, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt. Dabei sind zweckmäßigerweise zumindest zwei, jeweils mehrere Platten umfassende Stufen hintereinander geschaltet. In diesem Fall können die aus einer jeweils vorangehenden Stufe austretenden, die betreffende
Lösung enthaltenden Flüssigkeitsströme den Flüssigkeitskanälen und der aus einer jeweils vorangehenden Stufe austretende Dampf den Kondensationskanälen der jeweiligen nachfolgenden Stufe zugeführt werden. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer solcher Stufen kann ein Membrandestillationsverfahren verwirklicht werden, das thermodyna- misch einem Mehrfacheffektverfahren entspricht. Das zunehmende Dampfvolumen kann durch eine entsprechende Erhöhung der Plattenzahlen in den einzelnen Stufen aufgefangen werden.
Der der ersten Stufe vorgeschaltete Dampferzeuger kann insbesondere mehrere zueinander parallele, jeweils durch zwei einander gegenüberliegende mikroporöse hydrophobe Membranen begrenzte Flüssigkeitskanäle für einen die betreffende Lösung enthaltenen Flüssigkeits ström umfassen, wobei an eine Membran jeweils ein Dampfraum angrenzt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.
Der aus dem spiralförmigen oder Plattenmodul austretende nicht auskondensierte Dampf kann in einem Kühler oder Kondensator kondensiert werden, der durch den die betreffende Lösung enthaltenden zugeführten Flüs sigkeits ström gekühlt wird .
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Pumpe zum Abziehen des entstehenden Destillats vorgesehen.
Das entstehende Destillat kann über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Kühler geführt sein.
Zweckmäßigerweise ist der zugeführte Flüssigkeitsstrom vor der Membrandestillation über einen Wärmetauscher zusätzlich erhitzbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
Figur 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brack- wasser einsetzbaren Destillationsvorrichtung mit einem spiralförmigen Kanal für den die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom, und
Figur 2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform der Destillationsvorrichtung mit hintereinander geschalteten, jeweils mehrere Platten umfassenden Stufen.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausfüh- rungsform einer insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meeroder Brackwasser einsetzbaren Destillationsvorrichtung 10 mit einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal 12 für den die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom.
Demgegenüber ist in der Figur 2 in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer Destillationsvorrichtung 10 mit hintereinander geschalteten, jeweils mehreren Platten umfassenden Stufen 14, 16 wiedergegeben.
Bei beiden Ausführungsformen sind jeweils folgende Merkmale verwirklicht:
a) ein die betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitskanal 12 ist auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 begrenzt.
b) Ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran 20 berührenden Flüssigkeitsstrom wird durch die Membran 20 hindurch in einen Kondensationskanal 22 oder in einen Dampfraum 23 verdampft, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungs- druckes liegt.
c) Zudem ist eine von der Membran 20 getrennte dampf- und flüssig- keitsdichte Kondensationswand 24 vorgesehen, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert.
d) Die vom Dampfkanal 22 abgewandte Seite der Kondensationswand 24 ist zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der diesen Flüssigkeitsstrom führende Flüssigkeitskanal 12 wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 begrenzt, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird .
Wie anhand der Figuren 1 und 2 zu erkennen ist, ist bevorzugt eine Mehrfachanordnung von jeweils die Merkmale a) bis d) aufweisenden Einheiten vorgesehen.
Bei der Ausführungsform der Figur 1 ist der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom zumindest teilweise in einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal 12 geführt. Dieser spiralförmige Flüssigkeitskanal 12 ist auf einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand 24 begrenzt.
Infolge der spiralförmigen Anordnung des Flüssigkeitskanals 12 ist zwischen dessen Windungen ein entsprechend spiralförmiger Dampfkanal 22 gebildet, der auf einer Seite durch die Membran 20 und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Kondensationswand 24 begrenzt ist.
In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Membran 20 als unterbrochene Linie und die Kondensationsfläche oder -wand 24 als durchgezogene Linie dargestellt.
Der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeitsstrom 18, insbesondere Meer- oder Brackwasser, wird über eine Pumpe 26 zugeführt. Der Flüssigkeitsstrom durchströmt einen Wärmetauscher 28, einen Kondensator 30, einen weiteren Wärmetauscher 32 und wird dabei jeweils weiter vorgewärmt. In einem Wärmetauscher 34 wird der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeits ström 18 schließlich bis auf die obere Prozesstemperatur erwärmt.
An der Stelle A tritt der erwärmte Flüssigkeitsstrom in das spiralförmige Modul ein. Der Flüssigkeitskanal 12 für die Flüssigkeitsströmung ist auf einer Seite von der Membran 20 (unterbrochene Linie) und dieser gegenüberliegend von der Kondensationsfläche oder -wand 24 begrenzt (durchge- zogene Linie). Der Kanal auf der nicht von der Salzlösung benetzten Seite der Membran, der andererseits durch die Kondensationswand 24 begrenzt wird, bildet den Dampfkanal 22. Das Destillat, das sich im Kanal CC sammelt, wird von einer Destillatpumpe 36 abgepumpt. Der Restdampf wird über das Vakuum im Dampfkanal 22 durch eine Vakuumpumpe 38 abgesaugt und dabei im Kondensator 30 an dem zuströmenden, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom kondensiert. Das Kondensat wird aus dem Kondensator 30 mittels der Destillatpumpe 36 über den Wärmetauscher 28 abgezogen. Am Ende des Flüssigkeitskanals 12 wird die restliche Flüssigkeitsströmung bei B abgezogen, über den Wärmetauscher 32 geführt und in Pfeilrichtung in ein geeignetes Reservoir, z.B. bei der Meerwasserentsalzung in das Meer, rückgeführt.
Bei der Ausführung gemäß Figur 2 wird der Dampf aus einem Dampferzeuger 40 einer ersten Stufe 14 mit mehreren Platten zugeführt, die den Dampf aufnehmende, zueinander parallele Kondensationskanäle 21 aufweist, die aufeinander gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine dampf- und flussigkeitsdichte Kondensationswand 24 begrenzt sind.
Diesen Kondensationswänden 24 liegt andererseits jeweils wieder eine mikroporöse hydrophobe Membran 20 gegenüber, um gemeinsam mit der ihr zugeordneten Kondensationswand 24 einen jeweiligen Flüssigkeitska- nal 12 für einen die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom zu bilden. - . .. -
Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen 20 wird jeweils wieder ein Dampfraum 23 gebildet, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.
Dabei sind zumindest zwei jeweils mehrere Platten umfassende Stufen 14, 16 hintereinander geschaltet.
Die aus einer jeweils vorangehenden Stufe 14 austretenden, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsströme werden den Flüssigkeitskanälen 12 der jeweiligen nachfolgenden Stufe 16 und der aus einer jeweils vorangehenden Stufe 14 austretende Dampf der Dampfräume 23 den Kondensationskanälen 21 der jeweiligen nachfolgenden Stufe 16 zuge- führt. Der den Stufen 14, 16 vorgeschaltete Dampferzeuger 40 umfasst mehrere zueinander parallele, jeweils durch zwei einander gegenüberliegende mikroporöse hydrophobe Membranen 20 begrenzte Flüssigkeitskanäle 12 für einen jeweiligen die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom 18. Dabei grenzt an eine jeweilige Membran 20 jeweils ein Dampfraum 23 an, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.
Der aus den Plattenmodulen 14, 16 austretende, nicht auskondensierte Dampf wird in einem Kühler oder Kondensator 42 kondensiert, der durch den die betreffende Lösung enthaltenden, über eine Pumpe 26 zugeführten Flüssigkeits ström gekühlt wird. An den Kühler bzw. Kondensator 42 ist wieder eine Vakuumpumpe 38 angeschlossen.
Das entstehende Destillat wird über eine Pumpe 36 abgezogen, wobei es über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Kühler oder Wärmetauscher 28 geführt wird. Die das Plattenmodul verlassende Lösung wird über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Wärmetauscher 44 geführt.
Vor der Membrandestillation wird der zugeführte Flüssigkeitsstrom 18 über einen Wärmetauscher 34 weiter erhitzt. Bezugszeichenliste
10 Destillationsvorrichtung
12 Flüssigkeitskanal
14 erste Stufe
16 zweite Stufe
20 Membran
21 Kondensationskanal
22 Dampfkanal
23 Dampfraum
24 Kondensationswand
26 Pumpe
28 Wärmetauscher
30 Kondensator
32 Wärmetauscher
34 Wärmetauscher
36 D e stillatpumpe
38 Vakuumpumpe
40 D ampferzeuger
42 Wärmetauscher
44 Wärmetauscher
A Eintrittsstelle
B Austrittsstelle
C C Dampfkanal

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Destillation von Lösungen, insbesondere zur Erzeu- gung von Frischwasser aus Meer- oder Brackwasser, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitsstrom auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt wird, b) dass dafür gesorgt wird, dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran (20) berührenden Flüssigkeits ström verdampft und der entstehende Dampf durch die Membran (20) hindurch in einen Kondensations- oder Dampfkanal (21, 22) gelangt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt, c) dass eine von der Membran (20) getrennte dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand (24) eingesetzt wird, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, und d) dass die vom Kondensations- oder Dampfkanal (21, 22) abgewandte Seite der Kondensationswand (24) zumindest abschnittswei- se wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt wird, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verfahrensschritte a) bis d) mehrfach wiederholt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass an einer jeweiligen Membran (20) nach einem Membrandestillationsverfahren mit kontinuierlichem Temperaturverlauf ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeits ström verdampft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass an einer jeweiligen Membran (20) nach einem Membrandestil- lationsverfahren in konkreten Stufen mit zugeordneten Temperaturstufen ein Teil der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsstrom verdampft wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass am Ende des Verfahrens der- restliche, noch verbliebene Dampf am zugeführten, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom kondensiert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass am Ende des Verfahrens die austretenden Ströme an aufkonzentrierter Lösung und Destillat gegen den zugeführten Flüssigkeitsstrom gekühlt werden.
7. Vorrichtung (10) zur Destillation von Lösungen, insbesondere zur Erzeugung von Frischwasser aus Meer- oder Brackwasser, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , a) dass ein eine betreffende Lösung enthaltender Flüssigkeitsstrom auf zumindest einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt ist, b) dass ein Teil der Flüssigkeit aus dem die Membran (20) berüh- renden Flüssigkeits ström durch die Membran (20) hindurch in einen Kondensations- oder Dampfkanal (21, 22) verdampft, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt, c) dass eine von der Membran (20) getrennte dampf- und flüssig- keitsdichte Kondensationswand (24) vorgesehen ist, an der der Dampf zumindest teilweise kondensiert, und d) dass die vom Kondensations- oder Dampfkanal (21 , 22) abgewandte Seite der Kondensationswand (24) zumindest abschnittsweise wieder von einem die betreffende Lösung enthaltenden Flüssig- keitsstrom berührt ist, der auf der gegenüberliegenden Seite wieder durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) begrenzt ist, so dass die dem Flüssigkeitsstrom zugeführte Kondensationsenergie zumindest teilweise wieder in Verdampfungsenergie umgesetzt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Mehrfachanordnung von jeweils die Merkmale a) bis d) aufweisenden Einheiten.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der die betreffende Lösung enthaltende Flüssigkeits ström zumindest teilweise in einem spiralförmigen Flüssigkeitskanal (12) geführt ist, der auf einer Seite durch eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand (24) begrenzt ist, wobei infolge der spiralförmigen Anordnung des Flüssigkeitskanals (12) zwischen dessen Windungen ein entsprechend spiralförmiger Dampfkanal (22) gebildet ist, der auf einer Seite durch die Membran (20) und auf der gegenüberliegenden Seite durch die Kondensationswand (24) begrenzt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass Dampf aus einem Dampferzeuger (40) einer ersten Stufe (14) aus mehreren Platten zugeführt ist, die den Dampf aufnehmende, zueinander parallele Kondensationskanäle (21) aufweist, die auf einander gegenüberliegenden Seiten jeweils durch eine dampf- und flüssigkeitsdichte Kondensationswand (24) begrenzt sind, wobei die- sen Kondensationswänden (24) andererseits jeweils wieder eine mikroporöse hydrophobe Membran (20) gegenüberliegt, um einen -jeweiligen Kanal (12) für einen die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom zu bilden, und wobei zwischen zwei einander gegenüberliegenden Membranen (20) jeweils ein Dampfraum (23) gebildet ist, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest zwei, jeweils mehrere Platten umfassende Stufen (14, 16) hintereinander geschaltet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die aus einer jeweils vorangehenden Stufe (14) austretenden, die betreffende Lösung enthaltenden Flüssigkeitsströme den Flüssigkeitskanälen (12) und der aus einer jeweils vorangehenden Stufe (14) austretende Dampf den Kondensationskanälen (21) der jeweiligen nachfolgenden Stufe (16) zugeführt werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Dampferzeuger (40) mehrere zueinander parallele, jeweils durch zwei einander gegenüberliegende mikroporöse hydrophobe Membranen (20) begrenzte Flüssigkeitskanäle (12) für einen jeweiligen die betreffende Lösung enthaltenen Flüssigkeitsstrom umfasst, wobei an eine jeweilige Membran (20) jeweils ein Dampfraum (23) angrenzt, in dem der Absolutdruck an allen Stellen unterhalb des Umgebungsdruckes liegt.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der aus dem spiralförmigen Modul oder dem Plattenmodul austretende, nicht auskondensierte Dampf in einem Kühler oder Kon- densator (30, 42) kondensiert wird, der durch den die betreffende Lösung enthaltenden zugeführten Flüssigkeitsstrom gekühlt wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine Pumpe (36) zum Abziehen des entstehenden Destillats vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass das entstehende Destillat über einen vom zugeführten Flüssigkeitsstrom durchströmten Kühler (28) geführt ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der zugeführte Flüssigkeitsstrom vor der Membrandestillation über einen Wärmetauscher (34) weiter erhitzbar ist.
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