Destillationsverfahren und Einrichtung zur Durchführung desselben Das Hauptpatent betrifft ein Destillationsverfahren, bei dem unter Verwendung mindestens einer Trenn wand aus Material von guter Wärmeleitfähigkeit, an deren eine Oberfläche Wärme zugeführt wird, die durch die Wand an die andere Oberfläche geführt wird, wobei das zu verdampfende Medium kontinuier lich über die letzterwähnte Oberfläche verteilt, in dem die zweitgenannte Fläche beströmenden Medium eine turbulente Strömung erzeugt und die laminare Strö mung des Mediums über diese Oberfläche auf eine Schichtdicke von etwa mindestens 0,025 mm reduziert wird, um die Verdampfung des Mediums zu erleich tern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ver fahrens gemäss dem Hauptpatent wird die turbulente Strömung durch in der Nachbarschaft des Mediums strömenden Dampf erzeugt, dessen Geschwindigkeit ausreichend ist, um eine vorbestimmte Turbulenz zu erzeugen.
Es hat sich nun gezeigt, dass sich der Wärmeüber tragung durch eine turbulente Schicht praktisch kein Widerstand entgegensetzt. Dies lässt sich der Turbu lenz des Filmes zuschreiben, in welchem eine konti nuierliche erratische Bewegung von Teilen der Flüssig keiten in Form von Wirbeln erfolgt. Durch die errati- sche Bewegung dieser Teile, die in Form von Parti keln oder Gruppen von solchen vor sich geht, wird die Wärme über den Film frei verteilt. Der der Rohr oberfläche benachbarte Teil des Filmes widersetzt sich einer solchen Turbulenz in variierendem Ausmasse, so dass eine Unterschicht mit laminarer Strömung ent steht, durch welche die Wärme durch Wärmeleitung übertragen wird.
Die Übertragung der Wärme durch Wärmeleitung stellt einen beträchtlichen thermischen Widerstand dar. Indem nun das Ausmass der Turbu lenz beherrscht wird und damit eine geringe Dicke der laminar strömenden Filmschicht aufrechterhalten wer den kann, ergibt sich auch ein geringer thermischer Widerstand und damit über den ganzen Film eine in tensive Wärmeübertragung. Da sich die erwünschte Dicke der Turbulenz nicht bis zum oberen Teil des Rohres erstrecken kann, wird der Dampf durch Rezir- kulation ausgenutzt, um auch am oberen Rohrteil im Destillat eine Turbulenz zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterent wicklung des Verfahrens nach dem Patentanspruch I und dem Unteranspruch 1 des Hauptpatentes. Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekenn zeichnet, dass die Geschwindigkeit des Dampfes ein- schliesslich des aus dem Medium erzeugten Dampfes über die ganze Verdampfungsfläche auf einen annä hernd konstanten Wert gehalten wird, um eine gleich- mässige Verdampfung des Mediums zu erleichtern.
Das Hauptpatent betrifft auch eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Wärmeaustauscher mit einem Austauschkörper aus Material von guter Wärmeleitfähigkeit, Mitteln zur Zuführung von. Wärme an die eine Oberfläche dieses Körpers, um ein an die andere Oberfläche zugeführtes Medium zu verdampfen, Mittel, um dieses Medium der letzterwähnten Oberfläche zuzuführen und diese damit zu beströmen, wodurch dieses Medium in Wärmeaus tauschbeziehung zum Körper gelangt.
Hierbei sind Mit tel vorgesehen, um in einen wesentlichen Teil. des Mediums eine Turbulenz zu erzeugen und aufrechtzu erhalten und in diesem eine Unterschicht mit laminarer Strömung von einer Dicke von etwa höchstens 0,025 mm zu erzeugen, derart, dass die Verdampfung eines wesentlichen Teiles des Mediums erreicht wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der turbu lenten Strömung im Medium Mittel auf, um an diesem Medium einen Dampf vorbeizuführen.
Im weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine weitere Ausgestaltung der im Patentanspruch II und im Unteranspruch 5 des Hauptpatentes gekennzeichnete Einrichtung zur Durchführung des im Patentanspruch I des gleichen Hauptpatentes umschriebenen Verfahrens. Die Einrichtung zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass Mittel vorgesehen sind, welche die Geschwindigkeit des Dampfes, einschliesslich des aus dem Medium erzeugten Dampfes, über die ganze Ver dampfungsfläche auf einen annähernd konstanten Wert halten, um eine gleichmässige Verdampfung des Medi ums zu erleichtern.
In der Zeichnung sind mehrere beispielsweise Aus führungsformen der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt, anhand welcher das erfindungsgemässe Verfahren ebenfalls beispielsweise erläutert wird. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrich tung zur Durchführung eines Destillationsverfahrens, Fig.2 ein perspektivisch dargestelltes Element der Einrichtung in Form eines Wärmeaustauschrohres und Fig.3, 4 und 4a Varianten vom Wärmeaustausch rohr gemäss Fig. 2 in perspektivischer Darstellung.
Die in Fig. 1. dargestellte Einrichtung in Form eines Fallstromverdampfers besitzt ein Gehäuse 2, das eine Vielzahl von Rohren 4 umgibt, das zusammen mit einer oberen Platte 8 und einer unteren Platte 9, einen die Rohre 4 umgebenden Heizmantel 5 bildet. In die sem Heizmantel kann ein Wärmeaustauschmedium, wie z. B. Dampf, über einen Stutzen 6 eingeführt werden, um eine Flüssigkeit innerhalb der Rohre 4 zu ver dampfen. Der Heizdampf kondensiert an den Aussen flächen der Rohre 4 und bildet im unteren Teil des Heizmantels ein Kondensat, welches über die Leitung 7 abgeführt wird.
Die zu verdampfende Flüssigkeit, welche beispiels weise eine salzhaltige Lösung wie Meerwasser sein kann, wird in den Verdampfer über die Leitung 16, das Ventil 17 und die Leitung 18 eingeführt, welche letztere mit der oberen Kammer 1.3 verbunden ist. Die Kammer<B>13</B> ist nach oben durch eine Gehäuseplatte 12 und nach unten durch die Platte 8 begrenzt. Die oberen Enden der Rohre 4, welche sich über die Platte 8 heraus erstrecken, können mit Wehre bildenden Mit teln 20 versehen sein, die die Flüssigkeit entlang der Innenfläche der Rohre 4 in solcher Weise teilen, dass ein ringförmiger dünner Film entsteht, welcher vor zugsweise eine Dicke von etwa 6,35 mm besitzt. Dieser Film wird der vom Heizdampf abgegebenen Wärme ausgesetzt, und zwar in einer Weise, welche später näher beschrieben wird.
Die zu destillierende Flüssigkeit fliesst in Form des Filmes nach abwärts über die Innenflächen der Rohre, wobei ein Teil derselben verdampft, und in den Sumpf 15 gelangt, der durch die Bodenschale 14 begrenzt ist. Die verbleibende Destillationsflüssigkeit, welche sich in konzentrierter Form befindet, fliesst in den Sumpf 15, aus welchem diese über die Leitung 32, die Pumpe 33 und die Leitung 18 wieder der Kammer 13 zugeführt wird. Um in der Flüssigkeit im Sumpf eine vorbe stimmte Konzentration aufrechtzuerhalten, wird ein Teil der konzentrierten Lösung über die Leitung 30 abgeführt, wobei die abgeführte Menge durch das Ven til 31 geregelt wird.
Der aus den Rohren 4 austretende Dampf strömt durch die Leitungen 23 und 24 und, wenn gewünscht, durch die Leitung 25. Die Leitung 24 kann an eine geeignete Kondensationsapparatur angeschlossen wer den, in welcher der Dampf, welcher in Wärmeaus tauschbeziehung mit einem Kühlmedium gebracht wird, zu trinkbarem Wasser kondensiert wird. Sofern er wünscht, kann die gesamte entnommene Dampfmenge in solcher Weise komprimiert werden, dass ein be- stimmter Teil des Dampfes in die Leitung 6 eingeführt wird, um das Wärme- bzw. Heizmedium zur Verdamp fung der zu destillierenden Flüssigkeit in den Rohren zu bilden. Solche Vorrichtungen sind bekannt.
Ein Teil des Dampfes wird durch die Leitung 25 rezirkuliert, wobei die rezirkulierte Dampfmenge durch das Ventil 26 oder eine Drehzahlveränderung des Ver dichters 27 bestimmt werden kann. Im Verdichter 27 wird der Dampf in geeigneter Weise komprimiert, wobei dieser Verdichter, der durch den Motor 28 an getrieben wird, den komprimierten Dampf durch die Leitung 29 in die Kammer 13 ausstösst.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmeaustauschrohres 4, mit hauptsächlich zwei ebe nen Aussenflächen 41 und 41' mit Rippen und Vertie fungen. Solche Ausbildungen an den Aussenflächen der Wärmeaustauschrohre sind bekannt. Sie erhöhen die Wirksamkeit der Kondensationszonen, in dem durch die Anwendung einer gesteuerten Kondensation in Form eines Filmes durch Ableitung des Kondensa tionsfilmes der Wärmeüberleitungswiderstand zu der Kondensationsoberfläche vermindert wird. An dieser Oberfläche, an welcher die Kondensation erfolgt, sind eine Mehrzahl von Kondensationsrippen und Ablaufril len derart angeordnet, dass, infolge der Oberflächen spannung des Kondensates an den Rippen dieses in den Ablaufvertiefungen von der Kondensationsoberflä che schnell abgeführt wird.
Auf diese Weise ist ein sehr hoher Wärmeübertragungskoeffizient vom Dampf an die Rohroberfläche erreichbar. Auf den gegenüber liegenden Seiten der Flächen 41 und 41' begrenzen im wesentlichen ebene Verdampfungsflächen 43 und 43' einen im Längsschnitt trapezförmigen Durchfluss 42, dessen Querschnittsfläche sich nach unten hin vergrös- sert. Im Betrieb strömt nun, die Flüssigkeit entlang der Innenflächen 43 und 43', wobei die Geschwindigkeit des Dampfstromes des mehr und mehr aus dem Destil lat erzeugten Dampfes infolge der grösser werdenden Querschnittsfläche des Durchflusses 42 durch diesen hindurch im wesentlichen konstant gehalten wird, wie das nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Fig.3 zeigt eine weitere Ausführungsform des in der Fig. 1 verwendbaren Wärmeaustauschrohres 4. Bei dieser Ausführung ist die Kondensationsoberfläche 45 im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet und ebenfalls in der bekannten Art mit Rippen und Vertie fungen versehen, durch welche eine gesteuerte Konden sation in Form eines Filmes erfolgt. Die innenseitige Verdampfungsoberfläche 46, welche glatt ausgeführt ist, ist ebenfalls im wesentlichen kegelstumpfförmig und begrenzt den Durchfluss 47, welcher dadurch eine Vergrösserung der Querschnittsfläche nach unten auf weist.
Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform des Rohres 4 besitzt eine im wesentlichen glatte Oberfläche 50. Diese Kondensationsoberfläche 50 wird mit einem ge eigneten Tropfenbildungsmittel behandelt, wodurch die tropfenweise Kondensation günstig beeinflusst wird. Um den Durchfluss 53, welcher durch die innere Ver dampfungsfläche 51 begrenzt wird, eine wachsende Querschnittsfläche zuzuordnen, wird in den Durchfluss 53 eine kegelförmige Sperre 52 angeordnet, deren Spitze nach unten weist, wodurch die ringförmige Querschnittsfläche des Durchflusses 53, welche durch die Sperre 52 und die Verdampfungsfläche 51 begrenzt wird, nach unten hin zunimmt.
Wie Fig. 4a zeigt, ist es auch möglich, die Kondensationsfläche 50 des Rohres ebenfalls mit Rippen und Vertiefungen für eine Kon densation in Form eines Filmes auszurüsten.
Es ist leicht einzusehen, dass beim Rohr 4 nach Fig. 2 und 3 die zunehmende Querschnittsfläche durch die geneigten Oberflächen, welche den Durchfluss des Rohres 4 begrenzen, erreicht wird. Bei den Ausführun gen des Rohres 4 in Fig. 4. und 4a wird die Vergrösse- rung der Querschnittsfläche des Durchflusses des Roh res 4 durch den Einbau einer kegelförmigen Sperre in das zylindrische Rohr erreicht.
Im Betrieb der Wärmeaustauscheinrichtung nach Fig. 1 wird der in den Heizmantel eingeführte Dampf an der Aussenseite der Rohre 4 kondensiert. Die Aus senflächen der Rohre 4 sind vorzugsweise wie vorste hend beschrieben ausgebildet, dass entweder eine trop fenweise oder eine gesteuerte Kondensation in Form eines Filmes erfolgt. Der kondensierte Dampf wird dem Mantel durch die Leitung 7 entnommen. Die in die Kammer 13 eingeführte zu destillierende Flüssig keit, beispielsweise Salzwasser, welche infolge der Wehrkonstruktion 20 jedes Rohres den beschriebenen Film von etwa 6,35 mm Dicke an der Innenfläche bil det, strömt in den Rohren abwärts, wobei ein Teil ver dampft wird und der entstehende Dampf in gleicher Richtung, d. h. nach abwärts, abströmt.
Mit der Erzeu gung einer grösseren Menge von Dampf nimmt die Geschwindigkeit desselben in Rohren mit gleichförmi gem oder konstantem Querschnitt zu, so dass die Flüs sigkeit mehr und mehr infolge des zunehmenden Rei bungseinflusses des Dampfes in den diesen benachbar ten Zonen in eine turbulente Strömung gerät. Mit der Zunahme der Dampfgeschwindigkeit erstreckt sich die Turbulenz tiefer in den Flüssigkeitsfilm, bis schliesslich nur eine unterste laminare Strömungsschicht von weni ger als 0,025 mm der Rohroberfläche benachbart ver bleibt.
Der Dampf, welcher aus den Rohren 4 austritt, verlässt die Apparatur über die Leitung 23, wobei ein Teil derselben über die Leitung 25, die Pumpe 27 und die Leitung 29 rezirkuliert wird, so dass derselbe Teil wieder in die Kammer 13 gelangt; der andere Teil des Dampfes wird über die Leitung 24 abgeführt. Der rezirkulierte Dampfteil, welcher wieder in die Kammer 13 gelangt, hält in den Rohren 4 über deren ganze Länge eine hohe Dampfgeschwindigkeit aufrecht, so dass über die ganze Rohrlänge eine turbulente Strö mungsschicht erzeugt wird, welche einen intensiven Wärmeaustausch gewährleistet.
Wie vorstehend erwähnt, wird der Betrag des lami naren Filmes im Flüssigkeitsstrom auf der Verdamp fungsoberfläche möglichst gering gehalten, und zwar auf höchstens 0,025 mm. Mit diesen Strömungsbedin gungen ist ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient erreichbar. Bei Wärmeaustauschern mit Wärmeaus tauschrohren gleichförmiger oder konstanter Quer schnitte ist aber infolge der ungleichförmigen Dampf geschwindigkeit der Wärmeaustauschkoeffizient entlang der ganzen Länge der Wärmeaustauschrohre ungleich. Durch die vorliegende Erfindung wird nun durch die annähernd konstante Dampfgeschwindigkeit durch die Rohre 4 hindurch ein entlang der ganzen Oberfläche eine gleichmässige Verdampfung der zu destillierenden Flüssigkeit erreicht.
Dieser über die ganze Fläche hohe Wärmeaustauschkoeffizient wird sowohl bei tropfen weiser Kondensation als auch bei Kondensation in Form eines Filmes auf der Kondensationsoberfläche erreicht. Bezüglich des Verdampfungsteiles des Rohres 4 ist der Durchfluss im wesentlichen im oberen Ab- schnitt verengt ausgeführt, so dass der an der Ver dampfungsoberfläche erzeugte Dampf eine grosse Ge schwindigkeit erhält. Diese Geschwindigkeit wird auf rechterhalten und reguliert durch die Änderung der Querschnittsfläche des Durchflusses entlang der Rohre 4.
Dies wird durch die komische Ausbildung der Rohre erreicht, wobei die Erweiterung des Durchflusses derart erfolgt, dass bei Erzeugung von mehr und mehr Dampf seine Geschwindigkeit durch das Rohr konstant gehal ten wird, beispielsweise auf 91,24 m/s. Demzufolge kann der Wärmeaustauschkoeffizient im oberen Ab schnitt des Rohres 4 wesentlich höher als derjenige im unteren Rohrabschnitt sein..
Dieses Resultat wird bei Anwendung der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform dadurch erreicht, dass sich der Dampf, welcher aus der entlang der Oberflä chen 43 und 43' nach abwärts strömenden Flüssigkeit erzeugt wird, sich entsprechend der Vergrösserung der Querschnittsfläche des von den Flächen 43 und 43' begrenzten Durchflusses ausdehnt. Bei der in Fig.3 beschriebenen Ausführungsform wird die Zunahme der Querschnittsfläche durch die kegelstumpfförmig ausge bildete Oberfläche 46, welche den Durchfluss 47 be grenzt, erreicht.
Bei den in den Fig. 4 und 4a beschrie benen Ausführungsformen wird die Zunahme der Querschnittsfläche durch die Anordnung einer kegel förmigen Sperre im Rohr 4 erreicht, wobei die kegel förmige Sperre sich nach oben hin erweitert und einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Zunahme der Querschnittsfläche des Durchflusses ist somit eine Folge der Abnahme der Querschnittsfläche der Sperre 53. Durch Verwendung des Verdichters 27 ist aber die Möglichkeit gegeben, die Dampfgeschwindigkeit zu kontrollieren, wobei durch Rezirkulierung einer be stimmten Menge Dampf mit gegebener Geschwindig keit ein höherer Wärmeaustausch erreicht wird, als normalerweise durch die physikalischen Eigenschaften der Rohre 4.