DE1805652B2 - Verfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus einer wäßrigen Salzlösung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus einer wäßrigen Saizlösung sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Salzlösung in mehreren Stufen in mit Abdampf einer Dampfkraftmaschine betriebenen Wärmeaustauschern erhitzt und ir einen mehrstufigen Expansionsverdampfer eingespeist wird und wobei der in dem Verdampfer entstehende Dampf kondensiert und das Kondensat als Frischwasser gesammelt abgezogen wird.
Verfahren sowie Vorrichtungen zur Durchführung derartiger Verfahren sind bekannt. Ihnen liegt der Gedanke zugrunde, die mit einer relativ niedrigen Temperatur anfallende Abwärme einer Dampfkraftmaschine, welche gemeinhin Verlustenergie darstellt, für die Wasseraufbereitung zum Zwecke der Erzeugung von Frischwasser auszunutzen. Bekannte Verfahrensweisen und Vorrichtungen bedienen sich dabei Wärmeaustauschern und Expansioasverdampfern, in denen die Salzlösung erwärmt, verdampft und wieder kondensiert und auf diese Weise die gewünschte Trennung des Salzes vom Wasser durchgeführt wird. So zeigt beispielsweise die GB-PS 9 80 659 ein Verfahren zur Frischwassergewinnung aus Meerwaser, bei dem die Salzlösung in mehreren Stufen in mit Abdampf einer Dampfkraftmaschine betriebenen Wärmeaustauschern erhitzt und dann in einen mehrstufigen Expansionsverdampfer eingespeist wird. Der in dem Expansionsverdampfer erzeugte Dampf der Salzlösung wird dann kondensiert und das Kondensat gesammelt und als Frischwasser abgezogen.

Derartige bekannte Verfahrensweisen kommen ohne relativ komplizierte und aufwendige technische Anlagen nicht aus. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Wärmeaustauscher bei dem zur Verfügung stehenden geringen Temperaturgefälle nicht ohne einen bestimmten technischen Aufwand einigermaßen wirksam zu gestalten ist. Insbesondere mindern bei bekannten Anlagen die vielfachen Wärmeübertragungswiderstände, beispielsweise in Form von Trennwänden bzw. Kühlflächen bei den für die Wärmeübertragung notwendigen Wärmeaustauschern in erheblichem Maße den Wirkungsgrad.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus einer wäßrigen Salzlösung zu schaffen, das bei vergleichsweise technisch geringem Aufwand eine wirkungsvollere Ausnutzung des Abdampfes einer Dampfkraftmaschine zur Gewinnung von Frischwasser ermöglicht als Verfahrensweisen der bekannten Art.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht daß das in den Wärmeaustauschern erzeugte Abdampfkondensat stufenweise so durch den Expansionsverdampfer hindurchgeführt wird, daß es mit dem verdampften Anteil der Salzlösung direkt in Berührung kommt und daß vom entstandenen Frischwasser die füi den Betrieb der Dampfkraftmaschine notwenige Spei sewassermenge abgezweigt wird. Dabei ist es zweck mäßig, daß die Salzlösung unter Druckabbau und da: Abdampfkondensat im Gegenstrom unter Druckaufbai von Stufe zu Stufe durch den Expansionsverdampfei hindurchgeführt werden.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist erst malig; ein Verfahren geschaffen, das auf Grund der di rekten Berührung des Abdampfkondensates mit den verdampften Anteil der Salzlösung eine außergewöhn lieh wirkungsvolle Ausnutzung der Abwärme eine Dampfkraftmaschine ermöglicht, weil dabei im Bereicl des Expansionsverdampfers auf die einer wirkungsvol len Wärmeübertragung hinderlichen Kühlflächen, ai

denen sich bei herkömmlichen Verfahrensweisen der verdampfte Anteil der Salzlösung niederschlägt, verzichtet werden kann. So wird erfindungsgemäß der verdampfte Anteil der Salzlösung im Expansionsverdampfer vom zerstäubten Kondensat in direkter Berührung mitgerissen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine technisch möglichst einfache und sticunanfällig aufgebaute Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.

Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung erreicht, bei der der Expansionsverdampfer aus einzelnen, zu einer Kolonne hintereinander geschalteten Stufen zusammengesetzt ist, wobei jede Stufe aus einem Verdampfungsraum und einem Kondensationsraum besteht, die miteinander in Verbindung stehen, wobei der Verdampfungsraum jeder Stufe in seinem Bodenbereich einen Auffangbehälter für die Salzlösung aufwist, der über eine poröse Zwischenschicht mit dem Verdampfungsraum der Folgestufe ir Verbindung steht. Der Kondensationsraum jeder Stufe weist dabei Sprühdüsen zum Einspritzen des Abdampfkondensates auf. welches die verdampfien Anteile der Salzlösung aus dem Verdampfungsraum mitreißt. Das eingespritzte Abdampfkondensat wird dann im Bodenbereich des Kondensatraumes gesammelt und zweckmäßigerweise über eine Pumpe abgezogen. Diese Pumpe ist mit ihrer Druckleitung an die Düsen der sich in bezug auf die Durchflußrichtung der Salzlösung stromaufwärts anschließenden Stufe angeschlossen, in welcher sich der eben beschriebene Vorgang wiederholt.

Darüber hinaus ist zum Abziehen des sich im Bodenbereich des Kondensationsraumes der in bezug auf die Druchflußrichtung der Salzlösung ersten Stufe eine weitere Pumpe vorgesehen, die das somit entstandene Frischwasser abfördert, von dem dann die für den Betrieb der Dampfkraftmaschine notwenige Speisewassermenge abgezweigt wird.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und gewisse Abwandlungen derselben zeigen.

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer mit einem Expansionsverdampfer erfindungsgemäß kombinierten Dampfkraftmaschinenanlage und

F i g. 2 ist eine vergrößerte Detailansicht einer einzelnen Stufe des Expansionsverdampfers mch F i g. 1.

Das in F i g. 1 gezeigte kombinierte System enthält eine Dampfturbinenanlage mit einer Hochdruckturbine 10 und einer Niederdruckturbine 12, die beide auf einer gemeinsamen Welle 14 arbeiten.

Ein Verdampfer 16 dient dazu, über eine Hauptdampfleitung 18 dem Einlaß der Hochdruckturbine 10 Frischdampf zuzuführen. Während seines Durchtritts durch die Hochdruckturbine 10 dehnt sich der Dampf aus, wobei ein Teil seiner thermischen Energie innerhalb der Turbine in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Ein kleiner Teil des durch die Hochdruckturbine 10 hindurchtretenden Dampfes wird über die Ληζβρί-stelle 20 entnommen und durch einen Hochdruckerhitzer 22 hindurchgeleitet, in dem er Wärme an Wasser innerhalb einer Verdampfer-Speiseleitung 24 abgibt. Der aus dem Erhitzer 22 stammende Dampf passiert dann einen Entlüftungs-Wassertank 26, wo er kondensiert und sich für die Zuführung zum Verdampfer mit anderem Wasser vermischt. Das Speisewasser für diesen Verdampfer wird mittels einer Pumpe 28 innerhalb der Verdampfer-Speiseleitung 24 vor dem Hochdruckerhitzer 22 aus dem Entluftungs-Wassertank 26 entnommen.

Der Abdampf aus der Hochdruckturbine 10 wird durch einen Feuchtigkeitsabscheider 30 und einen Zwischenüberhitzer 32 geleitet und von dort in den Einlaß der Niederdruckturbine 12. In dem Feuchtigkeitsabscheider 30 werden alle flüssigen Teilchen, die in dem Abgas der Hochdruckturbine auftreten können, entfernt Diese Feuchtigeitsteilchen werden über eine Feuchtigkeitsrückflußleitung 34 wieder dem Entlüftungs-Wassertank 26 zugeführt

Der Überhitzer 32 führt dem Dampf, der in die Niederdruckturbine 12 eintritt, zusätz'iche Wärmeenergie zu. Zu diesem Zweck entnimmt der Frischdampf aus der Hauptdampfleitung 18, der mit dem Dampf für die Niederdruckturbine 12 in Wärmeaustausch tritt. Der verbrauchte Dampf des Zwischenüberhitzers 32 gelangt dann in den Hochdrucküberhitzer 22, wo er dazu beiträgt, das hereintretende Speisewasser für den Verdampfer aufzuheizen.

Der der Niederdruckturbine 12 zugeführte Dampf expandiert in dieser, während der Hauptteil seiner thermischen Energie durch die Turbine in mechanische Arbeit umgesetzt wird. Nach Austritt aus der Niederdrufkturbine 12 tritt der Dampf durch einen Hauptkondensator 36 hindurch, indem er in flüssiges Kondensat übergeführt wird. Dieses Kondensat wird durch eine Kondensatleitung 38 einem generell mit 40 bezeichneten Expansionsverdampfer zugeführt.

Der Hauptkondensator 36 erhält von einer Kühlmitteipumpe 44 Seewasser über eine Kühlmitteleintrittsleitung 42. Dieses Seewasser tritt durch Rohre 46 innerhalb des Kondensators hindurch, wo es Wärme aus dem Abdampf der Niederdruckturbine 12 aufnimmt, der dabei in flüssiges Kondensat umgewandelt wird. Bei diesem Vorgang wird das als Kühlmittel dienende Seewasser teilweise erhitzt. Derjenige Teil desselben, der für die Speisung des Expansionsverdampfers erforderlich ist, tritt dann nacheinander durch einen ersten, zweiten und dritten Überhitzer 48 bzw. 50 bzw. 52 hindurch, worin er weiter auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Entsalzung stattfinden kann. Daraufhin gelangt er durch einen Entlüfter 54, in welchem nichtkondensierbare Gase aus der erhitzten Salzlösung entfernt werden. Darauf wird die Salzlösung durch eine Salzlösungsleitung 56 dem Expansionsverdampfer 40 zugeführt.

Die Überhitzer 48,50 und 52 erhalten jeweils Dampf, der aus verschiedenen Stufen der Niederdruckturbine 12 abgezapft wurde. Dieser Dampf dient dazu, das durch den Erhitzer hindurchtretende Salzwasser zu er wärmen, und nach Erfüllung dieses Zwecks tritt der kondensierte Dampf in den nachfolgenden Erhitzer ein, wo er die Erwärmung der Salzlösung unterstützt. Der so ausgenütze Dampf wird daraufhin in Form heißen Kondensat dem Hauptkondensator 3-5 zugeführt, in dem er durch das hereintretende und durch die Rohre 46 hindurchgeführte Seewasser gekühlt wird.

Der Expansionsverdampfer 40 besteht aus einer Vielzahl einzelner Stufen 40a bis 40Λ, die untereinander angeordnet sind. Eine typische solche Stufe ist in F i g. 2 wiedergegf.Den. Das Arbeitsprinzip von Expansionsverdampfern ist im einzelnen in den USA.-Patentschriften 32 14 350 und 33 30 739 beschrieben. Jede Stufe umfaßt einen oberen Auffangbehälter 60a bis 60Λ, eine poröse Zwischenschicht 62a bis 62Λ und einen Verdampfungsraum 64a bis 64Λ. Der Druck in jedem

der oberen Auffangbehälter 60a bis 60Λ wird nahe dem Sättigungsdruck der darin befindlichen Flüssigkeit gehalten, während der Druck in jedem der Verdampfungsräume 64a bis 64Λ einen geringeren Wert einnimmt S

Jede poröse Zwischenschicht 62a bis 62Λ besteht aus einer Mehrzahl enger Kanäle, die sich zwischen die zugehörigen Auffangbehälter 60a bis 60Λ und Verdampfungsräunie 64a bis 64Λ erstrecken. Diese Kanäle können auf verschiedenartige Weise ausgebildet sein, wobei die Verwendung eines körnigen Materials, beispielsweise geformter Porzellanstücke, den Vorzug verdient, bei dem die Kanäle durch die Zwischenräume zwischen Jen einzelnen Stücken gebildet werden.

Bei Durchtritt der Salzlösung durch die porösen Zwischenschichten 62a bis 62Λ erfährt sie Drücke unterhalb der Sättigungsdrücke, so daß sie teilweise verdampft. Diese Verdampfung wird von einer volumetrischen Expansion begleitet, und die sich durch die Kanäle rasch nach unten bewegenden Dämpfe bewirken einen Druckgradienten entlang einem jeden der Kanäle. Dieser Druckgradient stellt sicher, daß die Verdampfung nach und nach gleichmäßig über die Kanallänge stattfindet. Auf diese Weise verhindert die Unterteilung des Druckgefälles entlang den einzelnen Kanälen innerhalb *5 der porösen Zwischenschichten 62a bis 62Λ, ungeachtet der durch den ursprünglichen »Ausbruch« herbeigeführten Verdampfung, die normalerweise bei einem Dampfausbruch auftretende Gewalt. Gleichzeitig werden jedoch die Vorteile eines Dampfausbruches aufrechterhalten, d. h., die Dämpfe erhalten die ihnen innewohnende Wärme unmittelbar aus der zugehörigen Flüssigkeit und nicht durch irgendeinen Wärmeübergang.

Jede einzelne Stufe des Expansionsverdampfers 40 enthält ferner einen Kondensationsraum 66a bis 66Λ, der unmittelbar mit dem betreffenden Verdampfungsraum 64a bis 64Λ in Verbindung steht. Der Kondensationsraum 66a bis 66/7 arbeitet auf dem Prinzip der Direktkontakt-Kondensation. Zu diesem Zweck sind Sprühdüsen 68a bis 68/? oben an jedem der Kondensationsräume vorgesehen. Diese Sprühdüsen versprühen gereinigtes Kühlwasser, das in dem Kondensationsraum nach unten regnet. Auf seinem Weg nach unten durch die Kondensationsräume 66a bis 66/? bilden die Kühlwassertropfen Kondensationskerne für einen Teil der Dämpfe in dem betreffenden Kondensationsraum. Das darin niedergeschlagene Kondensat vergrößert das Volumen des Kühlwassers.

Durch die Salzlösungsleitung 56 tritt erwärmte Salzlösung in den Auffangbehälter 60a der ersten oder obersten Stufe 40a des Expansionsverdampfers 40 ein. Diese Salzlösung tritt durch die poröse Zwischenwand 62a, wo ein Teil davon verdampft. Die zurückbleibende, nicht verdampfte Salzlösung gelangt dann nach unten durch den Verdampfungsraum 64a und in den Auffang behälter 60b der zweiten Stufe 40b, in welcher sich der Vorgang wiederholt

Da die Verdampfungswärme in jeder Stufe aus der nichtverdampften Flüssigkeit dieser Stufe stammt, neh- &> men die Temperaturen innerhalb des Expaniionsver- dampfers von oben nach unten ab. Weiterhin muß der Druck in jeder dieser Stufen geringer als in der vorausgegangenen Stufe sein, damit bei den geringeren Temperaturen Verdampfung eintritt. *5

Das in dem Hauptkondensator 36 anfallende und durch die Hauptkondensatleitung 38 herangeführte Kondensat tritt durch eine Pumpe 70a hindurch und von dort in den Kondensationsraum 66/? der niedrigsten Stufe 40/?. Dieses Kondensat, das in den Kondensationsraum 66/1 über dessen Sprühdüsen 68/? eintritt, findet als Direktkontakt-Kondensationsflüssigkeit Verwendung, und während es die Dämpfe in dem Kondensationsraum in den flüssigen Zustand überführt, nimmt sein Volumen zu. Die sich am Grunde des Kondensationsraumes 66/7 der untersten Stufe ansammelnde Flüssigkeit wird durch die Pumpe 70b dem Kondensationsraum der nächst höheren Stufe 40# zugeführt, in die sie über die Sprühdüse 68# eintritt.

Auf diese Weise gelangt das Kondensat in dem Expansionsverdampfer 40 über die einzelnen Pumpen 70a bis 70Λ nach oben, jede dient dazu, das Kondensat auf den höheren Druck der nächsthöheren Stufe zu bringen, in der es Verwendung finden soll. Dies erlaubt es dem Kondensat, in die unter höherem Druck stehenden Stufen des Expansionsverdampfers ein- und durch diese hindurchzutreten.

Nach Beendigung sdnes Durchtritts durch den Kondensationsraum 66a der ersten Stufe passiert das flüssige Kühlmittel eine weitere Pumpe 70/und gelangt von dort über eine Speisewasserrücklaufleitung 80 in den Entlüftungswassertank 26, um wiederum dem Verdampfer 16 zugeführt zu werden.

Während des Betriebes dieser Anlage tritt Wasser durch den Verdampfer 16 hindurch, worin es in Dampf übergeführt wird. Ein größerer Teil dieses Dampfes passiert nacheinander die Hochdruck- und die Niederdruckturbine 10 bzw. 12, worin er unter mechanischer Arbeitsleitung den größten Teil seiner Wärmeenergie abgibt. Der Abdampf kondensiert in dem Hauptkondensator 36 und wird darauf mittels der Pumpen 70a bis 70; durch den Expansionsverdampfer 40 nach oben gepumpt. Wärend seines Durchtritts durch den Expansionsverdampfer 40 wirkt das flüssige Kondensat aus dem Hauptkondensator 36 selbst als Kondensationsmittel, und auf Grund der Anwendung des Direktkontakt-Kondensationsprinzips vergrößert sich sein Volumen in dem Maße, wie die Dämpfe in dem Expansionsverdampfer daran kondensieren. Darauf wird das flüssige Kondensat in den Verdampfer 16 zurückgeführt, während jedoch jede überschüssige Menge über eine Nutzwasserleitung 82 als Nutzwasser entnommen wird.

Das Frischwasser kehrt durch den Verdampfet 16, die Turbinen 10 und 12, den Kondensator 36 und den Expansionsverdampfer 40 zurück, und Salzwasser oder Salzlösung tritt unterdessen durch die Kühlrohre 46 des Hauptkondensators 36 hindurch, worauf ein Teil desselben die einzelnen Überhitzerstufen 48,50 und 52 durchströmt, wo er auf eine hinreichende Temperatur aufgeheizt wird, um in dem Expansionsverdampfer 40 zumindest teilweise zu verdampfen. Diese erhitzte Salzlösung wird dem oberen Ende des Expansionsverdampfers zugeführt und strömt von dort durch deren einzelne Stu fen frei nach unten, während Druck und Temperatur ir dem Maße abnehmen, in dem mehr und mehr der War me für die Dampferzeugung aufgewendet wurde. Du zurückbleibende oder nichtverdampfte Salzlösung an unteren Ende des Expansionsverdampfers 40 wird übe die Rückflußleitung 84 ins Meer zurückgeführt.

Beachtung verdient daß in der soweit beschriebene! Anlage der Betrieb einer Kondensations-Dampfkraft maschinenanlage und eines Expansionsverdampfer sehr weitgehend miteinander kombiniert wurden. Di durch die Kraftmaschinenanlage anfallende Wärm wird der Salzlösung bzw. dem Seewasser mitgeteil worin diese Wärme für die Verdampfung Verwendun

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indet.

In dem Expansionsverdampfer dient die Verwen-Jung eines kontrollierten Dampfausbruches und einer Direktkontakt-Kondensation dazu, einen größtmöglichen Wirkungsgrad bei der Gewinnung von Frischwasser aus der Salzlösung zu erzielen, in dem alle den Wärmeübergang behindernden Barrieren beseitigt sind. Wie ersichtlich, wird dies dadurch erreicht, daß dieselbe Flüssigkeit, welche durch die Kraftmaschinenanlage zirkuliert, als Kondcnsationsmittel innerhalb des Ex

pansionsverdampfers Verwendung finde Obgleich die Erfindung vorausgehend bevorzugten Ausführungsbeispieles best in Verbindung mit dem einige mögliche erörtert wurden, liegt auf der Hand, daß mann bei Kenntnis der Erfindung im RaI dungsgedankens andere Möglichkeiten lionen anbieten, die gleichermaßen für des gesteckten Zieles geeignet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche-

1. Verfahren zur Gewinnung von Frischwasser aus einer wäßrigen Salzlösung, wobei die Salzlösung in mehreren Stufen in mit Abdampf einer Dampfkraftmaschine betriebenen Wärmeaustauschern erhitzt und in einen mehrstufigen Expansionsverdampfer eingespeist wird und wobei der in dem Verdampfer entstehende Dampf kondensiert und das Kondensat als Frischwasser gesammelt abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Wärmeaustauschern (46, 48, 50, 52) erzeugte Abdampfkondensat stufenweise so durch den Expansionsverdampfer (440) hindurchgeführt wird, daß es mit dem verdampften Anteil der Salzlösung direkt in Berührung kommt und dall vom entstandenen Frischwasser die fur den Betrieb der Dampfkraftmaschine notwenige Speisewassermenge abgezweigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Salzlösung unter Druckabbau und das Abdampfkondensat im Gegenstrom unter Druckaufbau von Stufe zu Stufe durch den Expansionsverdampfer (40) hindurchgeführt werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsverdampfer (40) aus einzelnen, zu einer Kolonne hintereinander geschalteten Stufen (40a bis 40Λ) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Stufe (40a bis 40Λ) des Expansionsverdampfers (40) aus einem Verdampfungsraum (64a bis 64Λ) und einem Kondensationsraum (66a bis 66Λ) besteht, die miteinander in Verbindung stehen, wobei der Verdampfungsraum (64a bis 64Λ) jeder Stufe in seinem Bodenbereich einen Auffangbehäler (60a bis 60Λ) für die Salzlösung aufweist, der über eine poröse Zwischenschicht (62a bis 62Λ) mit dem Verdampfungsraum der Folgestufe in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsraum (66a bis 66/j) jeder Stufe Sprühdüsen (68a bis 68Λ) zum Einspritzen des Abdampfkondensats aufweist und daß je Stufe eine Einrichtung zum Abziehen des sich im Bodenbereich des Kondensatraums sammelnden Kondensats besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abziehen des sich im Bodenbereich des Kondensatraumes sammelnden den Abdampfkondensats je Stufe aus einer Pumpe (70a bis 70Λ) besteht, die mit ihrer Druckleitung an die Sprühdüsen der in bezug auf die Durchflußrichtung der Salzlösung stromaufwärtsliegenden Stufe angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abziehen des sich im Bodenbereich des Kondensationsraumes (66a) der in bezug auf die Durchflußrichtung der Salzlösung ersten Stufe (40a) sammelnden Frischwassers eine weitere Pumpe (70/) vorgesehen ist.