DE102009037570B4 - Process and apparatus for solar thermal freeze desalination of sea or brackish water - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Entsalzung von Meer- oder Brackwasser, dadurch gekennzeichnet, dass man das Meer- oder Brackwasser durch Einsatz von Unterdruck, der durch mehrere Dampfstrahldüsen (8) erzeugt wird auf den Gefrierpunkt abkühlt und sich bildende salzfreie Eiskristalle, die auf dem Meer- oder Brackwasser aufschwimmen, im Überlauf eines Eisseparators (13) sammelt und in einer Schmelzeinheit, welche in den Eisseparator (13) integriert ist, durch die Wärme des Dampfes aus einer oder mehreren der Dampfstrahldüsen (8) schmilzt, wobei die Dampfstrahldüsen (8) die erforderliche Energie durch konzentrierende Sonnenkollektoren (2) erhalten, wobei in einem Sonnenkollektorenkreislauf Wasser durch solare Einstrahlung in Absorberrohren (3) aufgeheizt wird, der entstehende Sattdampf in einem Treibdampfkessel (4) gesammelt wird, in einem Dampftrockner (6) getrocknet wird und anschließend über eine oder mehrere Dampfstrahldüsen (8) entspannt wird, wobei das Meer- oder Brackwasser über eine Vorkühlung (12) in eine Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) geführt wird, hier fein verteilt wird und die sich bildenden Eiskristalle und das aufkonzentrierte Meer- oder Brackwasser im Eisseparator (13) voneinander getrennt werden, wobei man die Eiskristalle im Eisseparator (13) mit einem Teil des zurückgeführten Eiskristallwassers spült, wobei die Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) mit Unterdruck betrieben wird, wobei man den Unterdruck in der Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) durch das Entspannen des Dampfes aus mehreren Dampfstrahldüsen (8) herstellt, wobei man das produzierte kalte Frischwasser an einen Wärmetauscher (16) leitet und dort einsetzt, um das Kühlwasser für den Mischkondensator (15) zum Kondensieren des Dampfes aus denjenigen Dampfstrahldüsen (8) herunterzukühlen, die nicht zum Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden und wobei man das gekühlte aufkonzentrierte Meer- oder Brackwasser zur Vorkühlung (12) des Meer- oder Brackwassers und/oder zur Kühlung des Kühlwassers des Mischkondensators (15) einsetzt.Process for the desalination of seawater or brackish water, characterized in that the seawater or brackish water is cooled to freezing by the use of negative pressure generated by a plurality of steam jet nozzles (8) and salt-free ice crystals forming on the sea or brackish water Float, in the overflow of an ice separator (13) collects and melts in a melting unit, which is integrated in the ice separator (13) by the heat of steam from one or more of the steam jet nozzles (8), the steam jet nozzles (8) the required energy obtained by concentrating solar panels (2), wherein in a solar collector cycle water is heated by solar radiation in absorber tubes (3), the resulting saturated steam in a propellant steam boiler (4) is collected, in a steam dryer (6) is dried and then via one or more Steam jet nozzles (8) is relaxed, the sea or brackish water on a Vorkü (12) in a flash evaporator-cooler unit (10) is performed here is finely divided and the ice crystals forming and the concentrated sea or brackish water in the ice separator (13) are separated, wherein the ice crystals in the ice separator (13) is purged with a portion of the recycled ice crystal water, wherein the expansion-evaporator-cooler unit (10) is operated with negative pressure, wherein the negative pressure in the expansion-evaporator-cooler unit (10) by the expansion of the steam a plurality of steam jet nozzles (8) produces, wherein the produced cold fresh water to a heat exchanger (16) conducts and uses there to cool the cooling water for the mixing condenser (15) for condensing the steam from those steam jet nozzles (8) not for melting the Ice crystals are used and wherein the cooled concentrated sea or brackish water for pre-cooling (12) of the sea or Br ackwassers and / or used for cooling the cooling water of the mixing condenser (15).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zur Entsalzung von Meer- oder Brackwasser zur Gewinnung von Trinkwasser. Das Verfahren basiert auf der Gefrierentsalzung des entsprechend verunreinigten Wassers, wobei die Energie zur Kühlung/Gefrierung dieses Rohwassers durch konzentrierende Sonnenkollektoren bereitgestellt wird.The present invention relates to a method and a plant for the desalination of seawater or brackish water for the production of drinking water. The method is based on the freeze-desalination of the corresponding contaminated water, the energy for cooling / freezing of this raw water being provided by concentrating solar collectors.

Alle Lebewesen auf der Erde benötigen Wasser um zu leben und zu gedeihen. Leider ist Wasser in vielen Regionen der Welt – speziell im Sonnengürtel der Erde – eine knappe Ressource. Mehr als 80 Entwicklungsländer, welche die Heimat etwa der Hälfte der Weltbevölkerung darstellt, leiden unter Wasserknappheit. In diesen Ländern ist die Wasserknappheit für etwa 80–90% aller Erkrankungen und etwa 30% der Todesfälle verantwortlich.All living things on earth need water to live and thrive. Unfortunately, water is a scarce resource in many regions of the world - especially in the sunbelt of the earth. More than 80 developing countries, which make up around half of the world's population, are suffering from water scarcity. In these countries, water scarcity accounts for about 80-90% of all illnesses and about 30% of deaths.

Trinkwasser stammt meist aus Niederschlägen oder Brunnen, die nicht selten eine erschöpfliche Bezugsquelle darstellen oder mit der Zeit immer stärker versalzen. Bereits heute wird ein Großteil des benötigten Trink- und Frischwassers durch die Entsalzung von Meerwasser (und Brackwasser) bereitgestellt. Der Meerwasserentsalzung wird auch für die Zukunft eine große Bedeutung zugemessen. Die hier großtechnisch umgesetzten Verfahren sind jedoch energieintensiv und mit erheblichen Belastungen der (marinen) Umwelt verbunden, da hier in größerem Umfang Hilfschemikalien wie Antifouling- und Antiscalingmittel zugesetzt werden.Drinking water usually comes from precipitation or wells, which often represent an exhaustible source of supply or over-salted with time. Today, most of the drinking and fresh water needed is provided by the desalination of sea water (and brackish water). Seawater desalination will also be given great importance in the future. However, the processes implemented here on an industrial scale are energy-intensive and involve considerable pollution of the (marine) environment, since auxiliary chemicals such as anti-fouling and anti-scaling agents are added here to a greater extent.

Im Nahen Osten ist diese energieintensive Form der Trinkwassergewinnung weit verbreitet. In den ölreichen Golfstaaten ist sie die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung. Überwiegend wird das Trinkwasser durch gas- oder ölgefeuerte Entsalzungsanlagen gewonnen. Thermische Entsalzungsverfahren, beruhend auf der Verdunstung oder Verdampfung des Wassers, sowie die Umkehrosmose sind bei der Entsalzung von Meerwasser häufig verwendete Verfahren.In the Middle East, this energy-intensive form of drinking water production is widespread. In the oil-rich Gulf States, it is the main source of drinking water. Most of the drinking water is obtained by gas or oil fired desalination plants. Thermal desalination processes based on the evaporation or evaporation of water, as well as reverse osmosis, are commonly used methods for the desalination of seawater.

Von Verdunstung spricht man bekanntermaßen, wenn die Temperatur der Lösung unter der Siedetemperatur liegt und der Dampfdruck im umgebenden Trägergas, hier üblicherweise Luft, geringer als in der Flüssigkeit ist. Das Lösungsmittel verdunstet dann abhängig von der Temperatur und der Teildruckdifferenz. Beim Verdampfen wird eine Flüssigkeit in den Dampfzustand durch Änderung der Temperatur und des Druckes überführt. Dabei wird aus einer Mischung das Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, durch Erhitzen der Lösung auf Siedetemperatur entsprechend teilweise abgetrennt.Evaporation is known to be when the temperature of the solution is below the boiling point and the vapor pressure in the surrounding carrier gas, here usually air, is lower than in the liquid. The solvent then evaporates depending on the temperature and the partial pressure difference. Upon evaporation, a liquid is converted to the vapor state by changing the temperature and pressure. In this case, the solvent, for example water, is separated off in part by heating the solution to boiling temperature from a mixture.

Bei der Umkehrosmose wird die Lösung, also hier das Meerwasser, zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Als Membran dienen häufig Folien aus Polyamid, PTFE oder sulfonierten Copolymeren, welche meist einen Porendurchmesser von 5 × 10^–7 bis 5 × 10^–6 mm aufweisen.In reverse osmosis, the solution, in this case the seawater, is pressed through a semipermeable membrane to overcome the osmotic pressure under high pressure. As a membrane are often films of polyamide, PTFE or sulfonated copolymers, which usually have a pore diameter of 5 × 10 ^-7 to 5 × 10 ^-6 mm.

All diesen Verfahren ist der hohe Energiebedarf gemein. Neuere Verfahren verwenden regenerative Energiequellen zur Deckung des Energiebedarfs. In der zukünftigen Energieversorgung der Menschheit werden regenerative Energiequellen und -techniken eine entscheidendere Rolle spielen als bisher. Eine sehr gute Option bieten hier solarthermische Verfahren, die die Energie der Sonne nutzen, um Energie für unterschiedliche Verwendungszwecke bereitzustellen. Auch die Verwendung solarer Energie zur Gewinnung von Trinkwasser aus Meerwasser ist im Stand der Technik bekannt.All of these processes share the high energy requirement. Recent methods use regenerative energy sources to meet energy needs. Renewable energy sources and technologies will play a more decisive role in the future energy supply of mankind than before. A very good option here are solar thermal processes that use the energy of the sun to provide energy for different uses. The use of solar energy to obtain drinking water from seawater is also known in the art.

In DE 100 47 522 A1 und in WO 02/087721 A2 werden Vorrichtungen beschrieben, in welchen durch Destillation Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasser gewonnen werden kann. In einem Reaktionsraum wird Meerwasser mit Hilfe von solarer Energie verdampft, wobei durch das Verdampfen unterschiedliche Temperaturen innerhalb des geschlossenen Reaktionsraumes entstehen. Dies führt zu einem Luftstrom innerhalb des Reaktionsraums. Das kondensierte Wasser sammelt sich dann am Boden des entsprechenden Gefäßes.In DE 100 47 522 A1 and in WO 02/087721 A2 describes devices in which drinking water from seawater or brackish water can be obtained by distillation. In a reaction space, seawater is evaporated with the help of solar energy, whereby the evaporation results in different temperatures within the closed reaction space. This leads to an air flow within the reaction space. The condensed water then collects at the bottom of the corresponding vessel.

Eine Destillation von salzhaltigem Rohwasser wird in DE 10 2004 035 189 A1 beschrieben. Weitere Destillationsanlagen zur Meerwasserentsalzung sind aus DE 20 2006 000 195 U1 und DE 20 2007 012 405 U1 bekannt. Mit Hilfe von Sonnenkollektoren wird hier salzhaltiges Rohwasser erhitzt, bis Wasserdampf entweicht. Dieser wird dann kondensiert und getrennt gesammelt.A distillation of saline raw water is in DE 10 2004 035 189 A1 described. Further distillation plants for seawater desalination are out DE 20 2006 000 195 U1 and DE 20 2007 012 405 U1 known. With the help of solar collectors, saline raw water is heated until water vapor escapes. This is then condensed and collected separately.

Ein Verdampfen des Rohwassers beschreibt DE 10 2006 052 671 A1 . Das gebildete Wasser/Dampfgemisch wird in ein Trenngefäß geleitet.Evaporation of raw water describes DE 10 2006 052 671 A1 , The water / vapor mixture formed is passed into a separation vessel.

Die erforderliche thermische Energie zur Trennung wird nahezu ausschließlich durch die Umwandlung von Solarenergie erzeugt.The required thermal energy for separation is generated almost exclusively by the conversion of solar energy.

Eine weitere Anlage zur Entsalzung von Meerwasser ist aus DE 103 61 318 A1 bekannt. Bei der hier beschriebenen Anlage wird eine Brüdenverdichtung mit einer Absorptionskraftmaschine so kombiniert, dass die gesamte für den Prozess benötigte Energie mit Hilfe eines Solarkollektors zugeführt werden kann. Das Meerwasser wird verdampft, der Dampf kondensiert an einem Brüdenkondensator, wodurch entsalztes Wasser erhalten wird.Another plant for the desalination of seawater is out DE 103 61 318 A1 known. In the system described here, a vapor compression is combined with an absorption engine so that the entire energy required for the process can be supplied by means of a solar collector. The seawater is evaporated, the vapor condenses on a vapor condenser, whereby desalted water is obtained.

Eine weitere Möglichkeit zur Entsalzung ist aus DE 10 2007 038 599 A1 bekannt. In dem hier beschriebenen Verfahren wird Meerwasser komprimiert. Durch Entspannung von einem Druck von über 3 bar auf etwa 0,5 bar verdampft das Wasser schlagartig. Der Dampf kann das Salz nicht halten, dieses fällt in eine Rinne aus, aus der es mittels Meerwasser herausgespült werden kann. Another way to desalt is out DE 10 2007 038 599 A1 known. In the method described here seawater is compressed. By relaxing from a pressure of over 3 bar to about 0.5 bar, the water evaporates abruptly. The steam can not hold the salt, this falls into a channel from which it can be flushed out by means of seawater.

Eine weitere Möglichkeit zur Aufreinigung von Meerwasser ist die Gefrierentsalzung. Durch Abkühlen von Meerwasser bilden sich Eiskristalle, die frei von Salzen sind.Another way to purify seawater is freeze desalination. By cooling seawater, ice crystals are formed which are free of salts.

Bei den bekannten Gefrierverfahren zur Wasserentsalzung unterscheidet man zwischen Verfahren mit direktem oder indirektem Kontakt des Kühlmittels mit dem zu entsalzenden Wasser. Beschreibungen der Verfahren finden sich in Müller, J. E.; Review of Water Resources and Desalination Technologies, SANDIA Report 2003-0800, 2003; Younos, T., Kimberly, E. T., Overview of Desalination Techniques, Journal of Contemporary Water Research & Education 132 (2005), 3–10 oder Rice, W.; Chau, D. S. C., Freeze desalination using hydraulic refrigerant compressors, Desalination 109 (1997), 157–164. Bei Verfahren mit direktem Kontakt wird das Kühlmittel (z. B. Butan, Ammoniak) mit dem zu entsalzenden Wasser vermischt. Bei den indirekten Verfahren sind Kühlmittel und Meerwasser durch eine Wärmetauscheroberfläche voneinander getrennt, d. h. sie werden nicht miteinander vermischt.In the known freezing processes for desalination of water, a distinction is made between processes with direct or indirect contact of the coolant with the water to be desalinated. Descriptions of the methods can be found in Müller, J. E .; Review of Water Resources and Desalination Technologies, SANDIA Report 2003-0800, 2003; Younos, T., Kimberly, E.T., Overview of Desalination Techniques, Journal of Contemporary Water Research & Education 132 (2005), 3-10 or Rice, W .; Chau, D.S.C., Freeze desalination using hydraulic refrigerant compressors, Desalination 109 (1997), 157-164. In direct contact processes, the coolant (eg, butane, ammonia) is mixed with the water to be desalted. In the indirect methods, coolant and seawater are separated by a heat exchanger surface, i. H. they are not mixed together.

Beim Gefrierentsalzungsverfahren mit indirektem Kontakt des Kühlmittels mit dem zu entsalzenden Wasser basiert die Kälteerzeugung auf einem kompressorbetriebenen Standardkreislauf. Der Verdampfer stellt den Gefrierteil und der Kondensator den Eisschmelzer dar. Im Gefrierteil wird das Wasser bis auf den Gefrierpunkt gekühlt. Die Eiskristalle werden in einem nachgeschalteten Separator vom aufkonzentrierten Sol abgetrennt und gewaschen. Das Frischwasser und das aufkonzentrierte Sol werden zur Vorkühlung des zulaufenden salzhaltigen Wasser eingesetzt.In the freeze-desalination process with indirect contact of the coolant with the water to be desalinated, refrigeration is based on a standard compressor-driven cycle. The evaporator represents the freezer compartment and the condenser the ice melter. In the freezer compartment, the water is cooled down to freezing point. The ice crystals are separated in a downstream separator from the concentrated sol and washed. The fresh water and the concentrated sol are used to pre-cool the incoming saline water.

Die in der Vergangenheit vorgeschlagenen Konzepte scheiterten häufig an unzureichend entwickelten Abtrenntechniken für die Eiskristalle und vor allem aufgrund unterschiedlicher Probleme mit den eingesetzten Kompressoren (z. B. Verunreinigung des Frischwassers durch Schmiermittel des Kompressors oder Ähnliches).The concepts proposed in the past often failed due to inadequately developed separation techniques for the ice crystals and above all due to different problems with the compressors used (eg contamination of the fresh water by lubricant of the compressor or the like).

Rein energetisch betrachtet ist das Auskristallisieren deutlich günstiger als das Verdampfen und Rekondensieren von Wasser. Theoretisch ist der spezifische Energiebedarf bei der Gefrierentsalzung mit 334 kJ/kg geringer als für die Verdampfung von Wasser (2200 kJ/kg). Die mehrstufige Ausführung moderner Verdampfungsverfahren führt jedoch zu erheblich geringerem tatsächlichen Energiebedarf, abhängig von der Anzahl der ausgeführten Stufen. Moderne, auf Verdampfung beruhende, mehrstufige Anlagen weisen einen Energiebedarf im Bereich von 200 kJ/kg auf.From a purely energetic point of view, the crystallization is considerably cheaper than the evaporation and recondensation of water. Theoretically, the specific energy demand for freeze desalination is 334 kJ / kg lower than for the evaporation of water (2200 kJ / kg). The multi-stage execution of modern evaporation methods, however, leads to significantly lower actual energy consumption, depending on the number of executed stages. Modern, evaporation-based, multi-stage plants have an energy requirement in the range of 200 kJ / kg.

Aufgrund der geringen Betriebstemperaturen spielt beim Gefrierverfahren „Scaling” im Gegensatz zu den herkömmlichen Verdampfungsverfahren kaum eine Rolle. Auch „Fouling”, aufgrund von biologischen Kontaminationen, wie etwa bei der Umkehrosmose, spielt bei der Gefrierentsalzung lediglich eine untergeordnete Rolle.Due to the low operating temperatures, scaling hardly plays a role in the freezing process, in contrast to conventional evaporation processes. Also, "fouling", due to biological contamination, such as in reverse osmosis, plays only a minor role in the freeze-desalination.

Die technischen Schwierigkeiten im Gefrierverfahren bestehen jedoch im Wesentlichen in der Abtrennung der Eiskristalle von der Mutterlauge, also dem solid-liquid handling. Die Eiskristalle müssen von der Muterlauge getrennt und gewaschen werden. Hierbei besteht ein erheblicher Bedarf an Süßwasser. Das Abtrennen und Nachwaschen der Eiskristalle ist bisher verfahrenstechnisch unzureichend gelöst. So wurden in der Vergangenheit zumeist erhöhte Salzgehalte im erzeugten Frischwasser (> 700 ppm) im Vergleich zu herkömmlichen Destillationsprozessen (< 10 ppm) festgestellt.The technical difficulties in the freezing process, however, consist essentially in the separation of the ice crystals from the mother liquor, so the solid-liquid handling. The ice crystals must be separated from the mother liquor and washed. There is a considerable need for fresh water here. The separation and subsequent washing of the ice crystals has so far been insufficiently solved in terms of process engineering. In the past, for the most part, increased salt levels in the produced fresh water (> 700 ppm) were found in comparison to conventional distillation processes (<10 ppm).

Zur Gefrierentsalzung von Meerwasser muss das Rohwasser auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser gebracht werden. Zu den im Stand der Technik bekannten Kühlverfahren zählen beispielsweise strombetriebene Kompressionskältemaschinen.For freeze-desalination of seawater, the raw water must be brought to temperatures below the freezing point of water. Cooling methods known in the art include, for example, current-driven compression refrigerators.

Thermisch angetriebene Verfahren zur Kälteerzeugung, die mit solaren Receivertechniken kombiniert werden können, sind zum einen Wärmeabsorptionskälteanlagen, zumeist mit den Arbeitsmedienpaaren Wasser/Lithiumbromid (Kühltemperatur > 5°C) oder Wasser/Ammoniak (Kühltemperaturen auch < 0°C), zum anderen Dampfstrahlkälteanlagen. Entsprechende Anlagen werden unter anderem in Noeres, P.; Thermische Kälteerzeugung mit Dampfstrahlkältemaschinen-Konzepte und Erfahrungen, KI Luft- und Kältetechnik 11/2006, 478–483 und Pollerberg, C.; Ahmed Hamza, H. A.; Dötsch, C.; Solar driven steam jet ejector chiller Applied Thermal Engineering, 29(2009) 5–6, 1245–1252 und Pollerberg C., Heinzel, A., Weidner, E., Model of a solar driven steam jet ejector chiller and investigation of its dynamic operational behaviour, Solar Energy (2009), article in press, beschrieben. Diese Technologien zur solaren Kühlung sind nach wie vor Gegenstand der Forschung. Zumeist gibt es noch keine Anlagen im Prototypenmaßstab geschweige denn Industrieanlagen.Thermally-driven cooling methods, which can be combined with solar receiver techniques, are heat-absorbing refrigerators, mostly with the working water / lithium bromide (cooling temperature> 5 ° C) or water / ammonia (cooling temperatures also <0 ° C), and steam jet refrigeration systems. Corresponding plants are, inter alia, in Noeres, P .; Thermal Refrigeration with Steam Jet Concepts and Experiences, KI Luft- und Kältetechnik 11/2006, 478-483 and Pollerberg, C .; Ahmed Hamza, H.A .; Dötsch, C .; Solar driven steam jet ejector chiller Applied Thermal Engineering, 29 (2009) 5-6, 1245-1252 and Pollerberg C., Heinzel, A., Weidner, E., Model of a solar driven steam ejector jet chiller and investigation of its dynamic operational behavior, Solar Energy (2009), article in press. These solar cooling technologies are still the subject of research. In most cases there are no plants on prototype scale let alone industrial plants.

US 3,385,074 A , US 3,159,474 A , US 5,167,838 A , DE 28 46 564 A1 , US 4,328,677 A , DE 1 295 516 A und WO 96/39577 A1 betreffen Verfahren zur Entsalzung von Meer- oder Brackwasser unter Verwendung von Dampfstrahldüsen zur Erzeugung von Vakuum. US 3,385,074 A . US 3,159,474 A . US 5,167,838 A . DE 28 46 564 A1 . US 4,328,677 A . DE 1 295 516 A and WO 96/39577 A1 affect Process for the desalination of sea or brackish water using steam jet nozzles to generate a vacuum.

Aus WO 03/048658 A1 ist eine Anlage zur solarthermischen Kälteerzeugung bekannt. Hier wird ein Kältemittel eines Strahlverdichters durch Anbindung an Sonnenkollektoren verdampft. Der Kältemitteldampf wird nach Verdichtung durch den Strahlverdichter unter Wärmeabgabe kondensiert. Als Kältemittel wird hier Wasser verwendet.Out WO 03/048658 A1 is a plant for solar thermal refrigeration known. Here, a refrigerant of a jet compressor is vaporized by connection to solar panels. The refrigerant vapor is condensed after compression by the jet compressor with heat release. The refrigerant used here is water.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entsalzung von Meer- und Brackwasser bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet. Die zum Entsalzen benötigte Energie soll durch Sonnenkollektoren gewonnen werden. Das Verfahren und die Vorrichtung sollen weiterhin eine hohe energetische Effizienz aufweisen und einfach, robust und leicht zu steuern sein. Auch soll auf Hilfschemikalien, wie sie im Bereich der thermischen Entsalzungsverfahren und der Umkehrosmose benötigt werden, verzichtet werden.The object of the present invention is therefore to provide a method and a device for desalination of seawater and brackish water, which avoids the described disadvantages of the prior art. The energy required for desalination should be obtained by solar panels. The method and apparatus should continue to have high energy efficiency and be simple, robust and easy to control. Also, auxiliary chemicals, such as those required in the field of thermal desalination processes and reverse osmosis, should be dispensed with.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst, welche auf der Gefrierentsalzung von Meerwasser basieren. Die Energie zur Kühlung/Gefrierung des Meerwassers wird durch konzentrierende Sonnenkollektoren, etwa Parabolrinnen oder Fresnelkollektoren, bereit gestellt.According to the invention the object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 3, which are based on the freeze desalination of seawater. The energy for cooling / freezing the seawater is provided by concentrating solar panels, such as parabolic troughs or Fresnel collectors.

Dabei wird das Meer- oder Brackwasser mit Hilfe mehrerer Dampfstrahldüsen (8) abgekühlt und es bilden sich salzfreie Eiskristalle, wobei die erforderliche Energie durch konzentrierende Sonnenkollektoren (2) bereitgestellt wird.The seawater or brackish water is extracted by means of several steam jet nozzles ( 8th ) and salt-free ice crystals are formed, the energy required being concentrated by concentrating solar collectors ( 2 ) provided.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahrensprinzip einer solarbetriebenen Gefrierentsalzung von Meerwasser. Im Sonnenkollektorkreislauf wird Wasser mit Hilfe einer Pumpe (1) im Kreis geführt. Durch die solare Einstrahlung, welche von den Sonnenkollektoren (2) eingefangen wird, wird das Wasser in den Absorberrohren (3) der Sonnenkollektoren (2) aufgeheizt. 1 shows a novel process principle of a solar powered freeze desalination of seawater. In the solar collector cycle, water is pumped by a pump ( 1 ) led in a circle. By the solar irradiation, which by the solar collectors ( 2 ), the water in the absorber tubes ( 3 ) of solar panels ( 2 ) heated.

Das Wasser verdampft und wird im Treibdampfkessel (4) gesammelt. Der hier gesammelte Dampf ist ein gesättigter Wasserdampf. Der gesammelte Dampf enthält einen hohen Anteil an Wasser, es handelt sich um einen Sattdampf. Dieser wird über ein Dampfmassenstromregelventil (5) in einen Tropfenabscheider (6) geleitet. Hier wird der Dampf getrocknet. Das Kondensat wird über ein Ventil (7) in den Treibdampfkessel (4) zurückgeleitet, und steht somit dem Sonnenkollektor wieder zur Verfügung. Der getrocknete Dampf wird über mehrere Dampfstrahldüsen (8) entspannt. Die Dampfstrahldüsen sind mit einer Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (Flash-Kühler-Einheit) (10) über Rückschlagventile (9) verbunden. Durch das Entspannen des Dampfes über mehrere Dampfstrahldüsen (8) wird nun ein Unterdruck in der Flash-Kühler Einheit (10) erzeugt.The water evaporates and is in the Treibdampfkessel ( 4 ) collected. The steam collected here is a saturated water vapor. The collected steam contains a high amount of water, it is a saturated steam. This is via a steam mass flow control valve ( 5 ) in a mist eliminator ( 6 ). Here the steam is dried. The condensate is released via a valve ( 7 ) in the Treibdampfkessel ( 4 ) and is thus available to the solar collector again. The dried steam is passed through several steam jet nozzles ( 8th ) relaxed. The steam jet nozzles are equipped with a flash-evaporator-cooler unit (flash cooler unit) ( 10 ) via check valves ( 9 ) connected. By relaxing the steam through several steam jet nozzles ( 8th ) is now a negative pressure in the flash cooler unit ( 10 ) generated.

Das zu entsalzende Meerwasser wird beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe (11) zu einer Vorkühlung (12) gebracht. Das vorgekühlte Meerwasser läuft nun zur Flash-Kühler-Einheit (10) und wird dort fein verteilt. Die Verteilung kann beispielsweise mit Hilfe einer Sprühdüse erfolgen. Da in der Flash-Kühler-Einheit (10) ein Unterdruck herrscht, verdampft ein Teil des Meerwassers. Dies führt zu einer rapiden Abkühlung desselben. Ist der Gefrierpunkt des Meerwassers erreicht, bilden sich Eiskristalle im Meerwasser. Der Gefrierpunkt ist dabei abhängig vom Salzgehalt des ursprünglich zugeführten Wassers. Die gebildeten Eiskristalle sind im Wesentlichen salzfrei. Das Gemisch aus Eiskristallen und aufkonzentriertem Meerwasser wird nun in einen Separator (13) gepumpt. Aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Eiskristallen und konzentriertem Meerwasser schwimmen die Eiskristalle auf. Sie können im Überlauf des Eisseparators (13) gesammelt werden.The seawater to be desalinated is, for example, by means of a pump ( 11 ) to a pre-cooling ( 12 ) brought. The pre-cooled seawater now runs to the flash cooler unit ( 10 ) and is distributed there finely. The distribution can be done for example by means of a spray nozzle. Because in the flash cooler unit ( 10 ) there is a negative pressure, a part of the sea water evaporates. This leads to a rapid cooling of the same. When the freezing point of the seawater is reached, ice crystals form in the seawater. The freezing point is dependent on the salt content of the originally supplied water. The ice crystals formed are essentially salt-free. The mixture of ice crystals and concentrated seawater is now placed in a separator ( 13 ) pumped. Due to the density differences between ice crystals and concentrated seawater, the ice crystals float up. You can in the overflow of the ice separator ( 13 ) to be collected.

Der entspannte Dampf aus einer oder mehreren Dampfstrahldüsen (8) wird nun eingesetzt, um den Eisseparator (13) zu erwärmen. Die Eiskristalle schmelzen hierdurch auf. Auf der einen Seite wird durch das Aufschmelzen der Eiskristalle im Separator das Problem des solid-liquid handlings der Eiskristalle umgangen, auf der anderen Seite können die Dampfstrahldüsen, die für das Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden, unter optimalen Rückkühlbedingungen betrieben werden, was zu einem sehr hohen COP (Coefficient of Performance) dieser Dampfstrahldüsen führt.The expanded steam from one or more steam jet nozzles ( 8th ) is now used to remove the ice separator ( 13 ) to heat. The ice crystals melt through this. On the one hand, the melting of the ice crystals in the separator obviates the problem of solid-liquid handling of the ice crystals, on the other hand, the steam jet nozzles used for melting the ice crystals can be operated under optimum recooling conditions, resulting in a very high degree of efficiency high COP (coefficient of performance) of these steam jet nozzles leads.

Die aufschwimmenden Eiskristalle müssen zuvor jedoch noch gespült werden, um diese von anhaftendem Meerwasser zu reinigen. Dies geschieht durch Rückführung eines Teilstroms des gewonnen Eiskristallwassers. Mit Hilfe einer Frischwasserpumpe (14) wird das gewonnene Frischwasser teilweise über ein Ventil zum Überlauf des Eisseparators (13) zurückgeführt. Aufgrund der geringen Temperatur des Wassers schmelzen die Kristalle nicht beim Spülen, sondern erst beim Aufschmelzen durch den Dampf aus der Dampfstrahldüse (8). Erfindungsgemäß befindet sich im Eisseparator (13) eine Einheit integriert, in welcher die Eiskristalle durch Treibdampf einer oder mehrerer Dampfstrahldüsen (8) aufgeschmolzen werden.However, the floating ice crystals must first be rinsed to cleanse them from adhering seawater. This is done by recycling a partial flow of the recovered ice crystal water. With the help of a fresh water pump ( 14 ), the recovered fresh water is partially via a valve to the overflow of the ice separator ( 13 ) returned. Due to the low temperature of the water, the crystals do not melt during rinsing, but only during melting by the steam from the steam jet nozzle ( 8th ). According to the invention, in the ice separator ( 13 ) integrated a unit in which the ice crystals by motive steam of one or more steam jet nozzles ( 8th ) are melted.

Das gewonnene, wenige Grad Celsius kalte Frischwasser wird an einen Wärmetauscher (16) geleitet. Mit dem kalten Frischwasser wird das Kühlwasser des Treibdampfkondensators (15) heruntergekühlt. Dieses führt zu einem gesteigerten COP der Dampfstrahldüse(n), die nicht zum Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden. Dieser Treibdampfkondensator (15) ist als Mischkondensator ausgeführt.The recovered, a few degrees Celsius cold fresh water is to a heat exchanger ( 16 ). With the cold fresh water, the cooling water of the motive steam condenser ( 15 ) cooled down. This leads to an increased COP of the steam jet nozzle (s), which are not used for melting the ice crystals. This motive steam condenser ( 15 ) is designed as a mixed capacitor.

Das stark gekühlte aufkonzentrierte Meerwasser (Sole) wird entweder zunächst zur Vorkühlung (12) des frisch zugeführten Meerwassers verwende, oder alternativ wird auch dieser stark gekühlte Teilstrom zur Kühlung des Kühlwassers (16) des Treibdampfkondensators (15) verwendet. Das durch den Treibdampfkondensator (15) gewonnene Treibdampfkondensat wird in einem Kondensatsammelbehälter (17) gesammelt. Anschließend kann es erneut dem Sonnenkollektorkreislauf zugeführt werden.The strongly cooled concentrated seawater (brine) is either initially used for pre-cooling ( 12 ) of the freshly supplied seawater, or alternatively, this strongly cooled partial flow for cooling the cooling water ( 16 ) of the motive steam condenser ( 15 ) used. That caused by the motive steam condenser ( 15 ) recovered motive steam condensate is in a condensate collection tank ( 17 ) collected. Then it can be fed again to the solar collector circuit.

Der im Flash-Kühler (10) verdampfte Meerwasseranteil kann entsprechend dem Verschmutzungsgrad des Kreislaufwasser/-dampfes dem Soleanteil oder dem Frischwasseranteil zugeschlagen werden.The in the flash cooler ( 10 ) evaporated seawater content can be added according to the degree of contamination of the circulating water / steam the brine content or the fresh water content.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Anlage gelöst, in welcher ein erfindungsgemäßes Verfahrensprinzip durchgeführt werden kann.In a further embodiment, the object of the invention is achieved by an installation in which a method principle according to the invention can be carried out.

Außer den Antriebspumpen werden in einer erfindungsgemäßen Anlage keinerlei bewegte oder rotierende Bauteile benötigt. Auch komplizierte Maschinen werden nicht eingesetzt. Eine entsprechende Anlage ist demnach wartungsarm und leicht zu bedienen. Auch die den Unterdruck erzeugende Dampfstrahldüsen sind einfache und robuste Bauteile. Zudem kommt man im Gegensatz zu anderen Kälte- und Entsalzungsverfahren ohne jegliche Hilfschemikalien aus. So entfällt beispielsweise der Einsatz eines umweltgefährdenden oder giftigen Kältemittels. Auch eine aufwendige Aufbereitung des Meerwassers mit Antiscalants und Antifoulants gegen chemische und bakterielle Belagbildung innerhalb der Entsalzungseinheiten ist nur sehr begrenzt bis gar nicht notwendig.Apart from the drive pumps, no moving or rotating components are required in a system according to the invention. Even complicated machines are not used. A corresponding system is therefore low maintenance and easy to use. The vacuum jet steam jet nozzles are also simple and robust components. In addition, unlike other cold and desalting processes, it does not require any auxiliary chemicals. For example, it eliminates the use of an environmentally hazardous or toxic refrigerant. Even a complex treatment of seawater with anti-scalants and antifoulants against chemical and bacterial deposit formation within the desalination units is very limited or not necessary.

Zur energetischen Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem möglich, dieses als mehrstufiges Verfahren auszuführen. Der Gefrierpunkt des Meerwassers ist abhängig vom Salzgehalt. In einer mehrstufigen Ausführung des Verfahrens, beispielsweise durch eine Verschaltung mehrerer kleinerer Einheiten Dampfstrahldüsen/Flash-Kühler/Separator, wird diesem Rechnung getragen.For energetic optimization of the method according to the invention, it is also possible to carry out this as a multi-step process. The freezing point of the seawater depends on the salinity. In a multi-stage design of the method, for example, by interconnecting several smaller units steam jet nozzles / flash cooler / separator, this is taken into account.

Dampfstrahlkälteanlagen zeigen weiterhin ein gutes dynamisches Betriebsverhalten, beispielsweise bei Teillast aufgrund schwankender solarer Einstrahlung. Die Regelung einer entsprechenden Kälteanlage ist einfach zu handhaben. Durch die Regulierung des Dampfmassenstroms, also über ein Regelventil, oder über die Anzahl der zugeschalteten Düsen/Gefriereffekte ist eine erfindungsgemäße Dampfstrahlkälteanlage herstellbar und leicht zu betreiben.Steam jet refrigeration systems continue to show good dynamic performance, for example, at partial load due to fluctuating solar radiation. The regulation of a corresponding refrigeration system is easy to handle. By regulating the steam mass flow, that is via a control valve, or via the number of connected nozzles / Gefiffffekte a steam jet refrigeration system according to the invention can be produced and operated easily.

Bei der Kälteerzeugung mit Dampfstrahldüsen ist der Gesamtwirkungsgrad der Kälteerzeugung von den Rückkühlbedingungen abhängig. Der Gesamtwirkungsgrad wird definiert durch den COP. Da hier das nahe am Gefrierpunkt befindliche entsalzte Wasser zur Rückkondensation des Treibdampfes eingesetzt wird, ist der COP der erfindungsgemäßen Kälteerzeugung sehr gut. Aufgrund der sehr geringen Kondensationstemperatur kann der COP-Wert sogar über 1 steigen, so dass neben dem herzustellenden Frischwasser noch Kälte für die Klimatisierung erzeugt werden kann.In the case of refrigeration with steam jet nozzles, the overall efficiency of refrigeration depends on the recooling conditions. The overall efficiency is defined by the COP. Since the desalted water near the freezing point is used here for the recondensation of the motive steam, the COP of the refrigeration according to the invention is very good. Due to the very low condensation temperature, the COP value can even rise above 1, so that, in addition to the fresh water to be produced, refrigeration for the air conditioning can still be generated.

Die Kälteerzeugung im erfindungsgemäßen Verfahren kann auch über solarbetriebene Wärmeabsorptionskältemaschinen erfolgen. Das vorgeschlagene Verfahren ist somit ideal mit solarer Prozessrinnentechnologie anwendbar.The cooling in the process according to the invention can also be carried out via solar-powered heat absorption refrigeration machines. The proposed method is thus ideally applicable with solar trough technology.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich für Meer- und Brackwasserentsalzung für industrielle, als auch landwirtschaftliche oder kommunale Zwecke. Aufgrund des guten COP der Anlage ist auch eine Versorgung von Hotelkomplexen mit Frischwasser in Kombination mit Strom und Klimakälte denkbar.The inventive method and apparatus of the invention are suitable for seawater and brackish water desalination for industrial, as well as agricultural or municipal purposes. Due to the good COP of the plant, a supply of hotel complexes with fresh water in combination with electricity and air conditioning is conceivable.

Claims (3)

Verfahren zur Entsalzung von Meer- oder Brackwasser, dadurch gekennzeichnet, dass man das Meer- oder Brackwasser durch Einsatz von Unterdruck, der durch mehrere Dampfstrahldüsen (8) erzeugt wird auf den Gefrierpunkt abkühlt und sich bildende salzfreie Eiskristalle, die auf dem Meer- oder Brackwasser aufschwimmen, im Überlauf eines Eisseparators (13) sammelt und in einer Schmelzeinheit, welche in den Eisseparator (13) integriert ist, durch die Wärme des Dampfes aus einer oder mehreren der Dampfstrahldüsen (8) schmilzt, wobei die Dampfstrahldüsen (8) die erforderliche Energie durch konzentrierende Sonnenkollektoren (2) erhalten, wobei in einem Sonnenkollektorenkreislauf Wasser durch solare Einstrahlung in Absorberrohren (3) aufgeheizt wird, der entstehende Sattdampf in einem Treibdampfkessel (4) gesammelt wird, in einem Dampftrockner (6) getrocknet wird und anschließend über eine oder mehrere Dampfstrahldüsen (8) entspannt wird, wobei das Meer- oder Brackwasser über eine Vorkühlung (12) in eine Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) geführt wird, hier fein verteilt wird und die sich bildenden Eiskristalle und das aufkonzentrierte Meer- oder Brackwasser im Eisseparator (13) voneinander getrennt werden, wobei man die Eiskristalle im Eisseparator (13) mit einem Teil des zurückgeführten Eiskristallwassers spült, wobei die Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) mit Unterdruck betrieben wird, wobei man den Unterdruck in der Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) durch das Entspannen des Dampfes aus mehreren Dampfstrahldüsen (8) herstellt, wobei man das produzierte kalte Frischwasser an einen Wärmetauscher (16) leitet und dort einsetzt, um das Kühlwasser für den Mischkondensator (15) zum Kondensieren des Dampfes aus denjenigen Dampfstrahldüsen (8) herunterzukühlen, die nicht zum Aufschmelzen der Eiskristalle eingesetzt werden und wobei man das gekühlte aufkonzentrierte Meer- oder Brackwasser zur Vorkühlung (12) des Meer- oder Brackwassers und/oder zur Kühlung des Kühlwassers des Mischkondensators (15) einsetzt.Process for the desalination of sea or brackish water, characterized in that the seawater or brackish water by the use of negative pressure, by several steam jet nozzles ( 8th is cooled to freezing point and forming salt-free ice crystals, which float on the sea or brackish water, in the overflow of an ice separator ( 13 ) and in a melting unit, which in the ice separator ( 13 ) is integrated by the heat of the steam from one or more of the steam jet nozzles ( 8th ) melts, the steam jet nozzles ( 8th ) the energy required by concentrating solar panels ( 2 obtained in a solar collector cycle water by solar irradiation in absorber tubes ( 3 ) is heated, the resulting saturated steam in a driving steam boiler ( 4 ) is collected in a steam dryer ( 6 ) and then via one or more steam jet nozzles ( 8th ), the seawater or brackish water being precooled ( 12 ) in a flash evaporator-cooler unit ( 10 ), here is finely distributed and the forming ice crystals and the concentrated sea or brackish water in the ice separator ( 13 ), whereby the ice crystals in the ice separator ( 13 ) is flushed with a portion of the recirculated ice-crystal water, the expansion-evaporator-cooler unit ( 10 ) is operated under negative pressure, wherein the negative pressure in the expansion-evaporator-cooler unit ( 10 ) by relaxing the steam from several steam jet nozzles ( 8th ), wherein the produced cold fresh water to a heat exchanger ( 16 ) and there used to the cooling water for the mixing capacitor ( 15 ) for condensing the steam from those steam jet nozzles ( 8th ), which are not used to melt the ice crystals, and wherein the cooled concentrated sea or brackish water for precooling ( 12 ) of the sea or brackish water and / or for cooling the cooling water of the mixed condenser ( 15 ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das Treibdampfkondensat sammelt und erneut dem solaren Kreislauf zuführt.A method according to claim 1, characterized in that collecting the motive steam condensate and re-supplying the solar cycle. Vorrichtung zur Entsalzung von Meer- oder Brackwasser gemäß einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 umfassend einen Eisseparator (13) mit Überlauf und mit in dem Eisseparator integrierter Schmelzeinheit, eine Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10) zum Verdampfen und Abkühlen des Meer- oder Brackwassers mittels Unterdruck, mehrere Dampfstrahldüsen (8) zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Entspannungs-Verdampfungs-Kühler-Einheit (10), konzentrierende Sonnenkollektoren (2) mit Absorberrohren (3), einen Treibdampfkessel (4) und einen Dampftrockner (6) zur Erzeugung von getrocknetem Dampf, eine Vorkühlung (12) für das zu entsalzende Meer- oder Brackwasser, einen Mischkondensator (15) und einen Wärmetauscher (16) zur Kühlung des Kühlwassers für den Mischkondensator (15).Apparatus for the desalination of sea or brackish water according to a method according to claim 1 or 2 comprising an ice separator ( 13 ) with overflow and with melting unit integrated in the ice separator, an expansion-evaporator-cooler unit ( 10 ) for evaporating and cooling the seawater or brackish water by means of negative pressure, several steam jet nozzles ( 8th ) for generating a negative pressure in the flash evaporator-cooler unit ( 10 ), concentrating solar panels ( 2 ) with absorber tubes ( 3 ), a Treibdampfkessel ( 4 ) and a steam dryer ( 6 ) for the production of dried steam, a pre-cooling ( 12 ) for the sea or brackish water to be desalinated, a mixed condenser ( 15 ) and a heat exchanger ( 16 ) for cooling the cooling water for the mixing condenser ( 15 ).

Images