DE2346609A1 - Verfahren und anlage zum eindampfen einer krustenbildenden oder aetzenden loesung - Google Patents

Description

2346609 Andre je ws ki, Honice & Gesthuysen Patentanwälte

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski Diplom-Ingenieur Dr.-Ing. Manfred Honke Diplom-Ingenieur Anwaltsakte: 42 430/us- Hans Dieter Gesthuysen

4300 Essen, den 13. Sept. 1973 Theaterplatz 3

Patentanmeldung der Herren

Prof. Dr.-Ing. Robert Rautenbach
51 Aachen, Turmstraße 46

Dipl.-Ing. Horst Hoeck

51 Aachen, Kaiser-Friedrich-Allee 2a

Verfahren und Anlage zum Eindampfen einer krustenbildenden oder ätzenden Lösung

Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf ein Verfahren zum Eindampfen einer krustenbildenden oder ätzenden Lösung bei vorgegebenen Drücken und Temperaturen, wobei die Lösung mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gemischt wird, die bei den vorgegebenen Drücken und Temperaturen nicht siedet, und wobei die Verdampfung dadurch erreicht wird, daß die fühlbare Wärme der erhitzten Mischung aus Wärmeträgerflüssigkeit und Lösung bei.Entspannung unter den Siededruck der Lösung die Verdampfungswärme für die Verdampfung des Lösungsmittels liefert und die Kondensationswärme des Dampfes in einem oder in mehreren Wärmetauschern zumindest

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teilweise für die Aufheizung der Mischung zurückgewonnen wird. Die Erfindung bezieht sich fernerhin auf eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Zur Zeit entwickeln nahezu alle Industrienationen Reinigungsverfahren zur Behandlung kommunaler und industrieller Abwasser, die u. a. in der Lage sind, Salze zu entfernen. Letztlich müssen die Salze dabei in Form konzentrierter Lösungen oder als Feststoff anfallen, um eine Wiederverwendung oder Deponie zu ermöglichen. Eine ähnliche Aufgabenstellung beinhaltet die umweltfreundliche Beseitigung der Konzentrate von Brackwasserentsalzungsanlagen sowie die Behandlung verbrauchter Dünnsäuren, die nur in konzentrierter Form wiederverwendet werden können. - Bewährte Verfahren zur Konzentrierung sind Verdampfungsverfahren.

Handelt es sich bei den Inhaltsstoffen der Lösungen jedoch um Stoffe, die metallische Wärmeaustauschflächen verkrusten, verschmutzen oder angreifen (stein- und härtebildende Substanzen, bzw. Dünnsäuren), so führen konventionelle Verdampfungsverfahren zu hohen Kosten, da die Wärmetauscherflächen entweder periodisch gereinigt bzw. ausgewechselt werden müssen. - Aus diesen Gründen unterbleibt die Konzentration solcher schädlichen Flüssigkeiten sehr häufig. Salzlösungen werden in die Vorfluter abgelassen, Dünnsäuren auf die hohe See transportiert und dort beseitigt.

Im einzelnen sind die folgenden Maßnahmen zum Eindampfen von krustenbildenden oder ätzenden Lösungen bekannt und erheblich:

1. Indirekte Verdampfung, wobei metallische Wärmetauscherflächen durch einen dünnen Film einer Schutzflüssigkeit,

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die eine starke Affinität zu Metall hat, geschützt werden (vgl. DT-OS 1 519 650). Nachteilig ist hier der hohe apparative Aufwand, der zur Erzielung gleichmäßiger, dünner Schutzfilme notwendig ist.

2. Direkte Verdampfung unter Verwendung von flüssigen, unlöslichen Wärmeträgern wie Paraffine, Öle (vgl. DT-PS 494 502). Hier wird der erhitzte Wärmeträger in Tropfen in die zu konzentrierende Lösung eingebracht. Nach erfolgtem Wärmeaustausch wird der Wärmeträger abgetrennt und die erwärmte' Lösung unter Druckabsenkung in einem separaten Behälter teilweise verdampft. Der abgetrennte Wärmeträger kann durch Kondensation der - vorher komprimierten Brüden wieder erhitzt werden. Verzichtet man auf die Kompression der Brüden, so ist der Wärmeverbrauch sehr hoch. Gewinnt man die Verdampfungswärme jedoch durch Brüdenkompression zurück, so muß sie mit entsprechenden Verlusten zweimal übertragen werden, - vom Dampf an das öl und vom Öl an die aufkonzentrierte, umlaufende Lösung. Weiterhin ist ein direkter Kontakt der aufkonzentrierten Lösung mit Apparateteilen, wie Wänden, Ventilen etc. nachteilig.

3. Bei einem neueren bekannten Vorschlag (vgl. DT-OS 1 928 354) wird die Lösung mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gemischt, die bei den vorgegebenen Drücken und Temperaturen nicht siedet. Die Verdampfung wird dadurch erreicht, daß die fühlbare Wärme der erhitzten Mischung aus Wärmeträgerflüssigkeijb und Lösung bei Entspannung unter den Siededruck der Lösung die Verdampfungswärme für die Verdampfung des Lösungsmittels liefert, während die Kondensationswärme des Dampfes in einem oder in mehreren Wärmetauschern zumindest teilweise für die Aufheizung der Mischung zu-

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rückgewonnen wird. Nach der Verdampfung eines Teils des Lösungsmittels wird bei diesem bekannten Verfahren die aufkonzentrierte Lösung vom Wärmeträger getrennt. Die Kondensationswärme der Brüden wird stufenweise in direktem Kontakt an den Wärmeträger übertragen, der durch die Schwerkraft von Stufe zu Stufe gefördert und dabei wieder aufgeheizt wird. - Von diesem bekannten Verfahren geht die Erfindung aus. Nachteilig bei diesem gattungsmäßigen Verfahren ist insbes. die Kopplung zwischen Energiebedarf, gekennzeichnet durch die maximale Temperatur der Mischung, und Bauhöhe der Anlage. Bei einer maximalen Temperatur der Mischung von 2OO°C ergibt sich beispielsweise eine Bauhöhe von ca 185 m. Gerade aber die Möglichkeit große Temperaturgefälle auszunutzen begünstigt jedes mehrstufige Entspannungsverdampf ungsverfahren . Weiterhin ist es bei diesem Verfahren ohne komplizierte Schaltungen - und somit erheblichem technischen Aufwand - nicht möglic-h, aus einer vorgegebenen Lösung alles Lösungsmittel auszudampfen und z. B. gelöste Feststoffe in fester Form zu gewinnen. Da Wärmeträger und Lösung während des Verdampfungsvorganges sehr innig miteinander vermischt werden, ist eine vollkommene Trennung von Wärmeträger und aufkonzentrierter Lösung sehr aufwendig. Bei dem bekannten Verfahren ist diese Trennung notwendig, da die Brüden direkt am Wärmeträger kondensiert werden. Zusätzlich wird das Destillat bei diesem direkten Kontakt durch Alterungsrückstände des Wärmeträgers verunreinigt. - Offensichtlich bestanden wegen der schon erläuterten Verkrustungsgefahr Bedenken, im Rahmen dieser bekannten Maßnahmen mit metallischen Wärmeaustauschflächen zu arbeiten. Man nahm eher die beschriebenen Nachteile in Kauf.

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Herkömmliche mehrstufige Entspannungsverdampfungsverfahren - beispielsweise zur Meerwasserentsalzung - arbeiten zwar mit metallischen Wärmeaustauschflächen, d. h. mit Kondensatoren, in denen die Brüden ihre Verdampfungswärme durch metallische Rohre o. dgl. an die umlaufende Lösung abgeben. Mit diesen Verfahren kann jedoch steinbildenden Lösungen nicht alles Lösungsmittel entzogen werden, ohne daß die Wärmeaustauschflächen verkrusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung so zu führen, daß mit metallischen Wärmeaustauschflächen, z. B. üblichen Kondensatoren, gearbeitet werden kann, Verkrustungen und Verschmutzungen der Wärmeaustauschflächen jedoch nicht auftreten, gleichgültig um welche Lösungen es sich handelt. Insbes. sollen im Rahmen.des erfindungsgemäßen Verfahrens als Lösungen behandelt werden können: die Konzentrate von Anlagen zur Entsalzung von Meerwasser, Brackwasser, Kesselspeisewasser oder Abwasser, - Rückstände, die bei der mechanischen und/oder biologischen und/oder chemischen Abwasserreinigung anfallen, - Abwässer aus Betrieben der Lebensmittelindustrie, z. B. Molkereien, Fleischverarbeitungsbetrieben, - Rückspülwasser, das bei der Trinkwasseraufbereitung mittels Sandfilter anfällt, Abwässer von Kühlkreisläufen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung und erreicht die Lösung der genannten Aufgabe dadurch, daß die Rückgewinnung der Kondensationswärme über metallische Wärmeaustauschflächen vorgenommen wird, daß mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gearbeitet wird, die eine größere Affinität zu den metallischen Wärmeaustauschflächen aufweist als die Lösung, und daß eine Mischung eingesetzt wird, deren Mengenverhältnis

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Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung so groß ist, daß die Wärmeträgerflüssigkeit die geschlossene, die Lösung die verteilte Phase bildet.

Wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens das Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung zu groß, so könnten Uberhitzungen auftreten. Auch diese lassen sich jedoch im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vermeiden. Dazu wird z. B. das Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung vor dem Eintritt in die erste Stufe (maximale Temperatur) so eingestellt, daß bis zur letzten Stufe nicht alles Lösungsmittel ausgedampft wird. Dies bedingt jedoch, daß aufkonzentrierte Lösung im Kreis gefahren wird, d. h. wieder erwärmt werden muß. Diese Maßnahme führt erfindungsgemäß zu keinen Verkrustungen an den metallischen Wärmeaustauschflächen, wenn im übrigen die Lehre der Erfindung verwirklicht wird. Untersuchungen haben gezeigt, daß z. B. eine Mischung aus WärmeträgerflUssigkeit und aufkonzentrierter Lösung an festen Wärmeaustauschflächen aufgeheizt werden kann, wenn das Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung größer als 1 : 1 ist, was stets im Rahmen der Erfindung liegt.

Oberhitzungen lassen sich aber auch dadurch vermeiden, daß in mindestens einer Verdampfungsstufe das Lösungsmittel aus einer Mischung ausgedampft wird, die ein kleineres Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung besitzt als die zu dieser Stufe geführte heißere Mischung, die die Verdampfungswärme liefert. Dazu ist bei dieser Verdampfungsstufe ein entsprechender innerer Kreislauf erforderlich. Ein solcher interner Kreislauf kann auch bei mehreren oder bei allen Verdampfungsstufen verwirklicht werden.

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Die Maßnahme der Erfindung, mit einer Wärmeträgerflüssigkeit zu arbeiten, die eine größere Affinität zu den metallischen Wärmeaustauschflächen aufweist als die Lösung, ist praktisch bei allen technisch interessanten Wärmeträgerflüssigkeiten gegeben. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird aus wirtschaftlichen Gründen mit einer Wärmeträgerflüssigkeit aus der Gruppe: mineralisches öl_f Altöl, pflanzliches oder tierisches öl, synthetisches öl, hochsiedende organische Flüssigkeit, verdünnte Abfallsäure, - oder mit Mischungen solcher Wärmeträgerflüssigkeiten gearbeitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, die Anlagen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schema darstellen, ausführlicher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine mehrstufige Anlage zum Eindampfen einer krustenbildenden oder ätzenden Lösung ohne internen Kreislauf,

Fig. 2 die Anlage nach Fig. 1 mit internem Kreislauf für die letzte Verdampfungsstufe,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 1 mit internem Kreislauf für alle Verdampfungsstufen und

Fig. 4 eine Kleinanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in den Fig. 1 ibs 3 dargestellte Anlage zum Eindampfen einer krustenbildenden oder ätzenden Lösung besteht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus mehreren längs des Weges der Mischung hintereinandergeschalteten Verdampfungsbehältern 1 mit Verdampfungsab-

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teilung 2 sowie Abzugsabteilung 3 für die ausgedampfte Mischung und aus den Verdampfungsbehältern 1 zugeordneten Wärmetauschern 4, die einerseits von dem entstehenden Dampf und andererseits von der Mischung auf ihrem Wege zu den Verdampfungsbehältern 1 durchströmt sind. Diese Mischung strömt durch die Leitungen 5, der Dampf gelangt über die Leitungen 6 von den Verdampfungsbehältern 1 zu den Wärmetauschern 4, während die Verdampfungsbehälter untereinander über die Leitungen 7 verbunden sind. Pfeile in den Leitungen deuten die Strömungsrichtung an. Erfindungsgemäß sind die Wärmetauscher 4 mit festen metallischen Wärmeaustauschflächen 8 ausgerüstet. Nach der letzten Stufe erfolgt in den Abscheidern 9 eine Trennung der angereicherten Lösung von den ausgeschiedenen Feststoffen und die Lösung wird zur Leitung 10 zurückgeführt. Die erforderlichen Pumpen sind mit dem Bezugszeichen 11 versehen worden, die üblichen Ventile mit dem Bezugszeichen 12. Die Lösungen werden bei 13 zugeführt. Kühlwasser fließt bei 14 bzw. 15 zu bzw. ab. Das Destillat wird bei 16 abgezogen. Heizdampf strömt bei 17 bzw. 18 ein bzw. aus.

Bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 2 ist der Verdampfungsbehälter 1 der ersten Verdampfungsstufe mit einer Kreislaufeinrichtung 19 für mit Wärmeträgerflüssigkeit angereicherter Mischung ausgerüstet. Dadurch ist in dieser Verdampfungsstufe das Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung einstellbar. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist jede Verdampfungsstufe mit einem solchen internen Kreislauf 19 ausgerüstet.

Von Bedeutung ist die Kleinanlage nach Fig. 4. Diese ist gekennzeichnet durch einen Verdampfungsbehälter 1 mit Verdampfungsabteilung 2 und Abzugsabteilung 3 für die ausgedampfte Mischung,

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-8.

Wärmetauscher 4 mit metallischen Wärmeaustauschflächen 8 und verbindendem Leitungssystem 20, wobei hier zwischen dem Verdampfungsbehälter 1 und dem Wärmetauscher 4 ein Brüdenkompressor 21 eingeschaltet ist.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schaltungen haben eine Mehrzahl von Vorteilen. Zunächst ist der Energiebedarf im Vergleich zu bekannten Anlagen ähnlicher Zweckbestimmung klein. Ohne weiteres kann die Aufkonzentration der Lösung bis auf Feststoffkonzentration erfolgen. Das Destillat enthält nur geringe Spuren an flüchtigen Bestandteilen des Wärmeträgers, die beispielsweise durc-h Nachbehandlung mit Aktivkohle entfernt werden können. Endlich zeichnen sich die Anlagen durch Einfachheit aus.

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Claims (6)

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   Patentansprüche :

   1, Verfahren zum Eindampfen einer krustenbildenden oder ätzenden Lösung bei vorgegebenen Drücken und Temperaturen, wobei die Lösung mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gemischt wird, die bei den vorgegebenen Drücken und Temperaturen nicht siedet und wobei die Verdampfung dadurch erreicht wird, daß die fühlbare Wärme der erhitzten Mischung aus Wärmeträgerflüssigkeit und Lösung bei Entspannung unter den Siededruck der Lösung die Verdampfungswärme für die Verdampfung des Lösungsmittels liefert und die Kondensationswärme des Dampfes in einem oder in mehreren Wärmetauschern zumindest teilweise für die Aufheizung der Mischung zurückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückgewinnung der Kondensatjenswärme über metallische Wärmeaustauschflächen vorgenommen wird, daß mit einer Wärmeträgerflüssigkeit gearbeitet wird, die eine größere Affinität zu metallischen Wärmeaustauschflächen aufweist als die Lösung, und daß eine Mischung eingesetzt wird, deren Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung so groß ist, daß die Wärmeträgerflüssigkeit die geschlossene, die Lösung die verteilte Phase bildet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 in der Ausfuhrungsform mit mehreren Verdampfungsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Verdampfungsstufe das Lösungsmittel aus einer Mischung ausgedampft wird, die ein kleineres Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung besitzt als die zu dieser Stufe geführte heißere Mischung, die die Verdampfungswärme liefert.

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3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Wärmeträger aus der Gruppe: mineralisches öl, Altöl, pflanzliches oder tierisches öl, synthetisches öl, hochsiedende organische Flüssigkeit, verdünnte Abfallsäure, - oder mit Mischungen solcher Wärmeträgerflüssigkeiten, gearbeitet wird.
4. 4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus mehreren bezüglich des Weges der Mischung hintereinandergeschalteten Verdampfungsbehältern mit Verdampfungsabteilung sowie Abzugsabteilung für die ausgedampfte Mischung und den Verdampfungsbehälter zugeordneten Wärmetauschern, die einerseits von dem entstehenden Dampf und andererseits von der Mischung durchströmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher

   (4) mit metallischen Wärmeaustauschflächen (8) ausgerüstet sind.
5. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Verdampfungsbehälter (1) mit einer Kreislaufeinrichtung (19) für mit Wärmeträgerflüssigkeit angereicherte Mischung ausgerüstet und dadurch in diesem Verdampfungsbehälter (1) das Mengenverhältnis Wärmeträgerflüssigkeit/Lösung einstellbar ist.
6. 6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Verdampfungsbehälter (1) mit Verdampfungsabteilung (2) und Abzugsabteilung (3) für die ausgedampfte Mischung, Wärmetauscher (4) mit metallischen Wärmeaustauschflächen (8) und verbindendes Leitungssystem (20), wobei zwischen Verdampfungsbehälter (1) und Wärmetauscher (4) ein Brüdenkompressor (21) angeordnet ist.

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