DE3123409A1

DE3123409A1 - Verfahren und vorrichtung zur meerwasserentsalzung

Info

Publication number: DE3123409A1
Application number: DE19813123409
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Phys. Dr. 8551 Röttenbach Gutbier; Alfred Dipl.-Phys. Dr. 8520 Erlangen Michel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-06-12
Filing date: 1981-06-12
Publication date: 1982-12-30

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Meerwassereitsalzung
Die Erfindung betrifft ein Verfehren zur Entsalzung von Meerwasser nach dem Prinzip der Spalt@endaspfung, wobei Wasser aus einem porösen Körper in inec Gasspalt verdampft und anschlieCend mittels einer Yoncensaticrseinrichtung kondensiert wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrene, Bei der Entsalzung von Meerwasser, d.h. allgemein von Salzwasser, wird aus slzhaltigein Wasser Süßwasser (zur Verwendung als Trink- oder Brauchwasse@) gewonnen.
Die Anlagen zur Süßwassergewinnung arbeiten dabei vor allem nach einem Destillationsverfahren in wesentliches Merkmal dieser Destilliereinricturgen die ein-oder mehrstufig aufgestaut sein können, De»eh+ im allgemeinen darin, daß Verdampfer- und Kondensationsflächen einen relativ großen Abstand voneinander haben.
Deshalb kann eine technisch nutzbare Kondensations-bzw. Wasserabtrennrate nur bei inertgasfreinen Dampfräumen erzielt werden. Da zusammen mit dem Salzwasser ständig aber auch Luft in die Destillieranlagen eintritt, ist es unbedingt erforderlich, daß bei Anlagen der geschilderten Art Vakuumpumpen eingesetzt werden, was einen nicht unerheblichen technischen Aufwand bedeutet.
Der genannte Aufwand kann dann vermieden werden, wenn nach dem Prinzip der sogenannten Spaltverdampfung gearbeitet wird. Hierbei sind die Verdampfer- und Kondensationsflächen der Destilliereinrichtungen durch einen schmalen Spalt, einen sogenannten Gasspalt, voneinander getrennt. In diesem Fall ist, auch bei der Anwesenheit von Inertgas, wie Luft, im Gasspalt, die Diffusionsrate des Wasserdampfes zur Kondensationsfläche groß genug, um technisch nutzbare Wasserabtrennraten realisieren zu können.
Aus der US-Patentschrift 3 129 145 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von reinem Wasser czus Meerwasser brnkannt, die nach dem genannten Prinzip arbeiten. Die entsprechende Vorrichtung weist dabei zwei poröse Schichten bzw Körper auf, die durch den Gasspalt voneinander getrennt sind. Beide poröse Schichten sind an undurchlässigen Wänden, sogenannten Trennschichten, angeordnet, von denen dle eine beheizt und die andere gekühlt wird. Auf diese Weise verdampft von der Oberfläche der wärmeren porösen Schicht, der das Neerwasser zugefüht wird, Wasser, der gebildete WaSs'?rdrn1pI tritt durch den Gas spalt hindurch, kondensiert ar bzw in der kälteren porösen Schicht und wird dann aus dieser Schicht abgeführt.
Bei einer derartigen Anordnung können enge Spaltbreiten, beispielsweise in der Größenordnung von einigen Millimetern, deshalb erzielt werden, weil die verdampfende Oberfläche des Meerwassers in einer porösen Struktur stabilisiert wird. Das Austreten des Meerwassers bzw.
des Kondensats aus der porösen Schicht wird durch die darin herrschenden Kapillarkräfte und darüber hinaus durch die Aufrechterhaltung eines Gasdruckes im Gasspalt verhindert.
Das bekannte Verfahren erfordert aber einen beträchtlichen Energieaufwand, da die Flüssigkeiten in den porösen Schichten lange Wege zurücklegen müssen (sie strömen im wesentlichen seitlich durch die porösen Körper, d.h. parallel zu den Trennschichten); darüber hinaus ist eine gleichmäßige Beaufschlagung der zur Verdampfung dienenden porösen Schich-" pilt Meerwasser kaum zu erreichen. Ferner ist auch dor Aufbau der Desilliervorrichtung relativ aufwendig, da sowohl auf der Verdampfer- als auch auf der Kondensationsseite eine Trennschicht und eine poröse Schicht E40rbanden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der ein gangs genannten Art zur Entsalzung von Meerwasser, bei dem ein poröser Körper zur Verdampfung dient, hinsichtlich des erforderlichen Energieaufwandes unc einer hohen Wasserabtrennrate weiter zu verbessern.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Meerwasser zunächst durch Aufnahme von Kondensationswärme und dann mittels einer Wärmequelle erwärmt wird und daß das erwärmte Meerwasser nachfolgend an der Rückseite des porösen Körpers vorbeigeleitet wird.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist einen porösen Verdampfungskörper und eine Kondensationseinrichtung auf, welche den Gasspalt begrenzen. Dabei wird der Verdampfungskörper durch eine poröse Membran gebildet, die Kondensationseinrichtung ist eine undurchlässige, d.h. eine nicht-poröse Kondensationsfläche. Die poröse Membran und die Kondensationsfläche werden jeweils auf der Rückseite, d.h. auf der vom Gasspalt abgewandten Seite, vom Meerwasser beströmt. In der Flüssigkeitsleitung, d.h. in der Leitung für das Meerwasser, ist zwischen der Kondensationseinrichtung und dem Verdampfungskörper ein Wärmetauscher angeordnet, durch den Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Meerwasser übertragen wird.
Da beim erfindungsgemaßen Verfahren das Meerwasser den porösen Verdampfungskörper nicht durchströmt, sondern lediglich daran vorbeigeführt wird, wobei die Membran von der Flüssigkeit benetzt wird, ist hierbei ein geringerer Energieaufwand erforderlich. Da ferner eine gleichmäßige Benetzung der Membran erfolgt, wird auch eine hohe Wasserabtrennrate gewährleistet. Bei diesem Verfahren ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, daLß durch die (äußere) Wärmequelle nicht die gesamte Verdampfungswärme aufgebracht werden muß. D-.-iS Meerwasser wird nämlich, bevo es durch die Wärmecuelle aufgeheizt wird, an der Rückseite der Kondensationsfläche vorbeigeführt und nimmt dabei die Kondensationswärme des Wassers, d.h. die bei der Kondensation des Wasser dampfes freiwerdende Wärme, auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung schließlich zeichnet sich noch dadurch s, daß sie verhältnismäßig einfach aufgebaut ist. Zur Durchführung der Spaltverdampfung ist hierbei nämlich neben dem porösen Verdampfungskörper lediglich elne nicht-poröse Kondensationsfläche erforderlich.
Beim erfindungsg.emäßen Verfahren wird als Wärmequelle vorzugsweise Solarenergie eingesetzt. Meerwasserentsalzungsanlagen werden nämlich meistens in Gegenden installiert, in denen eine hohe Sonneneinstrahlung gegeben ist. Als Wärmetauscher dienen im allgemeinen Solarkollektoren, wobei unter anderem Flach- Vakunm-, sogenannte 1Heat Pipe"- und konzentrierende Kollektoren in Betracht kommen. Kommt der Kollektor mit dem Meerwasser direkt in Berührung, so muß er aus einem Material bestehen, das gegen heißes salzhaltiges Wasser beständig ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß der Wärmetauscher über einen Zwischenkreis vom (Solar-)Kollektor oder einer anderen Wärmequelle getrennt ist; dann entfällt dae genannte Erfordernis.
Zur Erwärmung des Meerwasser kann beim erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise auch Heißdampf verwene det werden.
Der Austritt des Meerwassers aus dem Verdampfungskörper kann beim erfindungsgeinäß.en Verfahren durch Anwendung eines den hydrostatischen Druck der Flüssigkeit kompensierenden Gasüberdruckes im Gasspalt verhindert werden; hierbei besteht dann die poröse Vtemtran aus hydrophilem Material. Vorteilhaft kann zur Verhinderung des Flüssigkeitsaustritts aber auch eine hydrophobe Me-mbr&n verwendet werden, so daß ein Gasüberdruck nicht erforderlich ist.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und einer Figur soll die Erfindung noch näher ernäut,el t wenlen In der Figur, in der eine vorteilhafte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemaßen Verfahrens schematisch dargestellt ist, ist mit der Bezugsziffer 10 eine Spaltverdampferzelle bezeichnet. Die Zelle 10 besteht aus zwei Flüssigkeitsräumen 11 und 12, zwischen denen sich ein Gasspalt 13 befindet.
Die Trennfläche zwischen dem Flüssigkeitsraum 11 und dem Gasspalt 13 wird durch eine undurchlässige Kondensationsfläche 14 gebildet, der Flüssigkeitsraum 12 ist vom Gasspalt 13 durch eine poröse Membran 15, die Verdampferfläche, abgetrennt.
Während des Betriebes der Meerwasserentsalzungsanlage wird die Flüssigkeit im Gegenstrom durch die Spaliverdampferzelle 10 geführt. Dabei wird das Meerwasser mittels einer Pumpe 16 zunächst in den Flüssigkeits- raum 11 eingebracht, wobei es über dfe Kondensationsfläche 14 die Kondensationswärme des (abgeschiedenen) Wassers aufnimmt. Vom Flüssigkeitsraum 11 gelangt das vorerwärmte Neerwasser in einen Kollektor 17, wo es -wie in der Figur symbolisch durch Pfeile dargestellt -mittels Solarenergle auf dl erforderliche Temperatur gebracht wird. Anschließend tritt das erhitzte Meerwasser in den Flüssizkeitsnaum 12 der Spaltverdampferzelle 10 ein, wo es mit ner Verdampferfläche 15 in Berührung kommt. Hierbei verdampft dann Wasser durch die poröse Membran in den Gasspalt 13. Durch den Verdampfungsprozeß wird das - aufgrund des Flüssigkeitsverlustes -- aufkonzentrierte Meerwasser abgekühlt.
Eine weitere Abkühlung erfolgt durch Wärmeabgabe infolge von Wärmeleitung. Das abgekühlte Salzwasser verläßt schließlich den Flüssigkeitsraum 12.
Der in den Gasspalt 13 übergetretene Wasserdampf kondensiert a der kalten Kondensationsfläche 145 wobei die Kondensationswärme auf das im Flüssigkeitsraum 11 befindliche Meerwasser übertragen wird. Eine weitere Erwärmung des Meerwassers erfolgt durch direkte Wärmeleitung vom Flüssigkeitsraum 12 her. Das an der Kondensationsfläche 14 kondensierte Wasser, das Süßwasser, wird in geeigneter Weise aus dem Gasspalt entfernt. Ist die S.psltverdempferzelle 10, wie in der Figur dargesten vertikal angeordnet, so fließt das Kondensat einfach nach unten ab.
Der Gasspalt 13 ist beispielsweise ca. 3 mm breit. Wird eine hydrophobe Membran als Verdampferfläche verwendet, so ist der Gasspalt zweckmäßigerweise mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt. ist die Kondensationsfläche dagegen eine hydrophile Membran, so wird der hydrostatische Druck des Meerwassers im Flüssigkeitsraum 12 durch einen entsprechenden Gasüberdruck im Gas spalt 13 kompensiert. Wird dabei im Gasspalt Wasserstoff einen setzt, so ist die Diffusion des Wasserdampfes durch den Gasspalt besonders hoch. Herrscht im Gasspalt 13 ein Überdruck, so wird im übrigen das Kondensat. wie in der Figur dargestellt, über eine DruckscIffeuse 18 ,!bgeführt.
Hydrophile Verdampferflächen bestehen bei der erfin dungsgemäßen Vorrichtung im allgemeinen aus Asbest, weiter kommen unter anderem folgende Materialien in Frage : Nickel und hydrophiliertes Polyäthylen oder -propylen. Als hydrophobe Verdampferfläche kann beispielsweise Polytetrafluoräthy er (PTFS) oder mit PTFE hydrophobiertes Asbestmaterial sowie Polyäthylen und -propylen eingesetzt werden. Die Kondensationsfläche, die gut wärmeleitend sein soll besteht vorzugsweise aus Metall, wie Nickel oder VA-Stahl ; es können aber auch Graphitpapiere oder dünne folien aus Kunststoff eingesetzt werden.
Zur Erhöhung der Wasserabtrennrate sowie zur Erzielung eines kompakten Aufbaus und zur Verringerung, der Wärmeabgabe an die Umgebung können bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch mehrere Spaltverdampferzellen zu einem Block zusammengefügt werden. Der zellenmäßige Aufbau derartiger Destilliervorrichtungen erlaubt auch in einfacher Weise einen modularen Aufbau größerer Meerwasserentsalzungsanlagen. Die entsprechenden Flüssigkeitsräume der einzelnen Zellen können bei einem derartigen Aufbau parallel oder in Serie geschaltet werden.
Zur Erzielung einer optimalen Wasserabtrennrate m werden bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung - bei einem vorgegebenen Wärmestrom CSR der von der (äußeren) Wärmequelle auf das Meerwasser übertragen wird - für die Verdampferfläche F und den zugeführten keerwasserstrom M bestimmte Werte gewählt Diese ergeben sich aus folgenden Überlegungen.
Der Wärme strom im im Gasspalt ist durch den Verdampfungs-Kondensationsprozeß und durch Wärmeleitung bedingt: QWT= QV + QL # Der durch den Verdampfungsprozeß bedingte Anteil #= QV/QWT - und danit auch die Wasserabtrennrate - hat bei einer Trmperaturdifferenz ATSP zweschen Verdampfer-und Kondensationsfläche im Bereich von 5 K ein Optimum.
Bei der Vernachlässigung von Wärmeverlusten an dle Umgebung und unter der Voraussetzung, daß m < < M ist, gilt folgendes (C = spezifische Wärme des Wassers): QS = C#M#(T3-T2) = C#M#(T4-T1) = C#M#ATSP und 1 QWT = C#M#(T3-T4) =---QV # # Damit gilt: Dabei ist T1 die Eintrittstemperatur des Meerwassers in den Flüssigkeitsraum 11 und T2 die entsprechende Austrittsten'eratur, T3 ist die Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers 17 bzw. die Eintrittstemperatur des Meerwassers in den Flüssigkeitsraum 12 und T4 die Austrittstemperatur aus diesem Flüssigkeitsraum.
Bei einem flächenproportionalen Wärmestrom bzw.
einer flächenproportionalen Wasserabtrennrate m1 für die Spaltverdampferzelle ergibt sich ferner folgendes: Bei einer Solareinstrahlung von 800 W/m² wird unter Verwendung eines Flachkollektors beispIelsweise ein Wärmestrom QS = 400 W/m² an das Meerwasser übertragen.
Für die einzelnen Temperaturen Kilt beispielsweise folgendes: T1 = 20°C und T3 = 80°C, #TSp = T4-T1 ist 5 K. Experimentell wurde ferner ermittelt, daß qV = 0,33 W/cm² und # = 0,5, d.h. der Wärmetransport erfolgt jeweils zur Hälfte durch Verdampfung und durch Wärmeleitung Mit den vorstehend angegebenen Daten ergeben sich dann, jeweils bezogen auf 1 m² Kollektorfläche, folgende Werte: QV = 0,5 # ## # QS = 5,5 # QS = 2200 W/m² F = #### # QS = 6680 cm²/m²; m =0,5 # 16,7 # QS = 3,36 kg/h#m² und Bei anderen Betriebsbedingungen, wie QS = 400 W/m², T1 = 200C, T3 = 10000 und tTsp = 10 K, ergibt sich für F beispielsweise ein Wert von 3640 cm2/m2.
5 Patentansprüche 1 Figur

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser nach dem Prinzip der Spaltverdampfung, wobei Wasser aus einem porösen Körper in einen Gasspalt verdampit und anschließend mittels einer Kondensationseinrichtung kondensiert wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Meerwasser zunächst durch Aufnahme von Kondensationswärme und daun mittels einer Wärmequelle erwärmt wird und daß das erwärmte Meerwasser nachfolgend an der Rückseite des porösen Körpers vorbeigeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Wärmequelle Solarenergie verwendet wird.
3. Vorrichtung zur Durchfiihrung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem durch einen porösen Verdampfungskörper und eine Kondensationseinrichtung begrenzten Gasspalt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Verdampfungskörper eine poröse Membran und die Kondensationseinrichtung eine undurchlässige Kondensationsfläche ist, die jeweils auf der Rückseite vom Meerwasser beströmt werden, und daß in der Flüssigkeitsleitung zwischen der Kondensationseinrichtung und dem Verdampfungskörper ein Wärmetauscher zur Ubertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Meerwasser angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmetauscher ein Solarkollektor ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, da d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die poröse I:Iembran aus hydrophobem oder hydrophilem Material besteht.