DE3728320C2

DE3728320C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufkonzentration von Lösungen bis zum Feststoffaustrag

Info

Publication number: DE3728320C2
Application number: DE19873728320
Authority: DE
Inventors: Ghalamfarsa Chahp Mostofizadeh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-25
Filing date: 1987-08-25
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2007-08-26
Also published as: DE3728320A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufkonzentration von Lösungen bis zum Feststoffaustrag.

Zur Aufkonzentration von Lösungen werden überwiegend Eindampf- und Kristallisationsverfahren angewendet. Enthält aber die aufkonzentrierende Lösung krustenbildende Bestandteile wie Calciumsulfat, Calciumcarbonat, Magnesiumhydroxid, Ammoniumcarbonat, Silikate und ähnliche Verbindungen, so wird die Aufkonzentration mittels Austreibens des Lösungsmittels erheblich erschwert, da die Heizflächen schnell verkrusten und somit einen kontinuierlichen Betrieb unmöglich machen. Abhilfe läßt sich durch Einsatz herkömmlicher Kristallisatoren schaffen. Diese sind jedoch für viele Aufkonzentrationsaufgaben wie Abwasseraufbereitung und Trinkwassergewinnung zu aufwendig, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Aufkonzentration krustenbildender Lösungen im kontinuierlichen Betrieb sowie Zerlegung einer Lösung in Lösungsmittel und Feststoffe mit geringen Mengen anhaftender Feuchte. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem die aufzukonzentrierende Lösung zunächst in zwei in Serie geschalteten Wärmetauschern und anschließend in einen Suspensionskreislauf eingeführt wird, der einen Fallstromverdampfer durchströmt und dabei teilweise verdampft. Nach einer Klassierung wird ein Teil der Suspension mit einer Schneckenpumpe aus dem Fallstromverdampfer abgezogen und einem Hydrozyklon zugeführt, in dem die groben Kristalle abgeschieden werden und in eine Sieb- oder Ent feuchtungsschnecke gelangen, während die geklärte Lösung in den Verdampfer zurückfließt. Die in der Suspension mitgeführten Kristalle ermöglichen im Rohrbündel des Fallstromverdampfers eine im Vergleich zur Heizfläche sehr große Stoffaustauschfläche und bauen dadurch die Übersättigung der Lösung ab, so daß eine Verkrustung unterbleibt. Der im Fallstromverdampfer entstehende Brüdendampf wird durch einen Verdichter verdichtet und als Heizdampf verwendet. Das Kondensat dient zur Beheizung der eintretenden Lösung im ersten Wärmetauscher.

Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden in der Siebschnecke die in der Suspension enthaltenen Feststoffe weitgehend von der Lösung befreit und aus der Anlage ausgeschleust. Dabei wird eine Restfeuchte kleiner als 4% erreicht. Die abgetrennte Lösung vermischt sich anschließend mit einem weiteren Suspensionskreislauf und tritt gemeinsam mit diesem in einen Wärmetauscher ein. Dort wird die durch Vermischung hergestellte Suspension erwärmt. Im nachgeschalteten Verdampfungsgefäß verdampft die Suspension durch Entspannung teilweise, wobei sich die groben Kristalle absetzen und über eine Leitung in die Siebschnecke gelangen. Der größte Teil der Suspension wird in den Wärmetauscher zurückgepumpt. Der aus dem Verdampfungsgefäß entweichende Brüdendampf dient zur weiteren Aufheizung der Lösung im zweiten Wärmetauscher und kondensiert dabei. Das Kondensat vermischt sich mit dem abgekühlten Kondensat aus dem ersten Wärmetauscher und bildet das Produktdestillat.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung mit den wesentlichen Teilen: einem Verteilerpaket zur gleichmäßigen Verteilung der Suspension auf die Rohre des Fallstromverdampfers, einem konzentrisch im Sumpf des Fallstromverdampfers befindlichen Suspensionsumlaufrohr, einem hierin zentrisch angeordneten Zulaufrohr für die Frischlösung und einem unterhalb des Rohrbündels angeordneten Klassiergefäß mit einem tangentialen Einlauf für die geklärte Lösung aus einem nachgeschalteten Zyklon und einem axialen Auslauf für die mit Feststoffen angereicherte Suspension.

Im Vergleich zu herkömmlichen Kristallisationsanlagen sind das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung wesentlich einfacher zu betreiben und zu bauen. Ein entscheidender Vorteil resultiert aus dem niedrigen Energiebedarf, der bei anderen Anlagen kaum unterschritten werden kann. Durch Vermeidung der Verkrustung ist der kontinuierliche Betrieb gewährleistet, was einer hohen Verfügbarkeit entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 das Verfahren und die Vorrichtung zur Aufkonzen tration von Lösungen bis zum Feststoffaustrag,

Fig. 2 das Verteilerpaket zur gleichmäßigen Suspensions verteilung auf das Rohrbündel des Fallstromverdampfers.

Zur besseren Übersicht werden die Stoffströme mit Zahlen und die Komponenten mit Buchstaben bezeichnet.

Die über die Leitung L1 eintretende Rohlösung 1 wird zu nächst im Lösungsvorwärmer LV vorgewärmt und anschließend im Kondensator K auf die im Verdampfer V herrschende Siedetemperatur erhitzt. Sie tritt dann über die Leitung L2 durch das Zulaufrohr L3, das konzentrisch in das Umlaufrohr L4 hineinragt, in den Fallstromverdampfer ein. Im Umlaufrohr L4 vermischt sich die Rohlösung 1 mit dem Suspensionsumlauf 2. Beide Ströme werden durch die Umwälzpumpe P1 über die Umwälzleitung L5 zum Verdampferkopf gefördert und mit Hilfe des Verteilerpakets VP gleichmäßig auf die Verdampferrohre verteilt. Gemäß Fig. 2 setzt sich das Verteilerpaket VP aus ineinander geschachtelten, konzentrischen Verteilerelementen zusammen, die aus Hohlkegelstümpfen AB mit aufgesetzten Zylindern EB bestehen. Mit zunehmendem Durchmesser wird jedes Element stromabwärts nach unten versetzt. Durch diese Anordnung wird die Suspension in Richtung des gesamten oberen Rohrbodens des Fallstromverdampfers FV gelenkt und gleichmäßig auf die Rohre verteilt.

In den Verdampferrohren fließt die Suspension in Form eines dünnen Filmes abwärts. Gleichzeitig werden die Verdampferrohre mit kondensierendem Heizdampf von außen beheizt. Dadurch verdampft ein Teil der Suspension. Der entstehende Brüdendampf strömt in den Rohren ebenfalls abwärts. Das Verhältnis der Massenströme vom Dampf zur Suspension ist aber gering, meistens kleiner 0,1. Dies läßt sich durch die Umwälzmenge vorgeben. Die Verdampfung erfolgt hauptsächlich an der Filmoberfläche. Dort herrscht auch die maximale Konzentration. In der Suspension sind feine Kristalle in einer ausreichenden Konzentration (etwa 2 bis 5%) enthalten. Sie bieten zum Aufbau der Übersättigung eine große Austauschfläche. Es ist auch bekannt, daß Keime zum Wachstum artgleiche Kristalle bevorzugen. Die Wahrscheinlichkeit für das Haften eines Keimes an der Rohrwand, die aus einem anderen Material als die Kristalle besteht, ist daher sehr gering, so daß die Verkrustung vermieden wird. Dies wird zunächst durch die sehr geringe Verweilzeit der Suspension in den Rohren begünstigt (Größenordnung 0,1 s). Die entscheidende Voraussetzung für die Vermeidung der Verkrustung besteht in der Einhaltung der Konzentration und der Korngröße der mitgeführten feinen Kristalle. Für die Korngröße läßt sich eine Größenordnung von 30 µm, für die Suspensionskonzentration eine von 3% angeben.

Die etwas aufkonzentrierte Suspension 3 und der Brüdendampf 4 gelangen in das Klassiergefäß KG. Der Brüdendampf 4 wird mit Hilfe des Verdichters V über die Leitung L6 angesaugt und verdichtet. Der entsprechende Heizdampf 5 strömt durch die Leitung L7 zum Außenraum des Rohrbündels VR des Fallstromverdampfers FV und kondensiert dort. Das Kondensat 6 verläßt über die Leitung L8 den Fallstromverdampfer LV zur Beheizung der ankommenden Frischlösung 1.

Im oberen Teil des Klassiergefäßes wird die Suspension entnommen und durch die Leitung L4 abgezogen. Im Klassiergefäß wachsen die Kristalle weiter und sinken nach unten, so daß am Auslauf des konischen Teils der Kristallbrei 7 vorliegt.

Die Suspensionskonzentration erreicht an dieser Stelle Werte um 15%. Der Kristallbrei 7 wird durch die Schneckenpumpe SP in den Hydrozyklon Z gefördert. Dort erfolgt eine weitere Eindickung, und am Unterlauf L10 des Zyklons entsteht die Feststoffsuspension 8 mit ca. 30-40% Feststoffanteil. Die geklärte Lösung 9 mit feineren Kristallen strömt durch einen tangentialen Einlauf zum Klassiergefäß zurück. Der tangentiale Einlauf im Klassiergefäß begünstigt die Abscheidung gröberer Kristalle.

Die eingedickte Feststoffsuspension 8 vermischt sich in der Sieb- oder Entfeuchtungsschnecke SS mit einem anderen Sus pensionsstrom 10. Beide Ströme werden dann durch das Sieb S entwässert, so daß die feuchte Produktmasse 11 entsteht, die dann die Anlage verläßt.

Die aus der Siebschnecke SS austretende, an Feststoff abge reicherte Suspension 12 verläßt die Schnecke über die Leitung L11 und vermischt sich mit dem Suspensionsumlauf 13. Beide Ströme werden von der Pumpe P2 angesaugt und in den Wärmetauscher WT gefördert, der mit dem Fremddampf 14 beheizt wird. Die erwärmte Suspension tritt über die Leitung L14 in das Verdampfungsgefäß VG ein und beginnt durch die Abnahme des Druckes zu verdampfen. Ähnlich wie im Klassiergefäß KG wird die Suspension im oberen Teil des Verdampfungsgefäßes entnommen und über die Leitung L12 von der Pumpe P2 angesaugt. Gröbere Kristalle sinken nach unten und bilden in der Leitung L15 die Feststoffsuspension 10, die in die Siebschnecke SS gelangt und zusammen mit der Fest stoffsuspension 8 entwässert wird.

Der im Verdampfungsgefäß VG entstehende Brüdendampf 15 dient zur Erhitzung der Rohlösung 1 im Kondensator K, kondensiert dort und tritt über die Leitung L17 aus. Das Kondensat 16 bildet zusammen mit dem Kondensat 6 aus dem Lösungsvorwärmer LV das Produktdestillat 17, das über die Leitung L18 die Anlage verläßt. Natürlich kann analog zum Fallstromverdampfer auch hier der Brüdendampf 15 verdichtet und in Heizdampf 14 umgewandelt werden, falls sich dies als wirtschaftlich erweist.

Die Aufteilung der Verdampfung auf zwei Verdampfer hat folgenden Grund:

Der Fallstromverdampfer arbeitet mit dem Brüdenverdichter. Da die Verdichterleistung stark von der Siedepunktserhöhung abhängt, wird im Fallstromverdampfer nur soweit aufkonzentriert, daß die Siedepunktserhöhung Größenordnungen von 8 bis 10°C nicht überschreiten. Dadurch erreicht man einen niedrigen Energiebedarf. In den meisten Fällen kann im Fallstromverdampfer über 95% des vorhandenen Lösungsmittels ausgetrieben werden, ohne daß hohe Siedepunktserhöhungen auftreten. Das restliche Lösungsmittel wird im nachgeschalteten Entspannungs verdampfer verdampft, dessen Heizfläche aufgrund der niedrigen Verdampferleistung wesentlich kleiner ist.

Für das beschriebene Verfahren gibt es zahlreiche Anwendungsfälle. Dabei sind drei Kategorien zu unterscheiden:

a) Aufbereitung von Abwässern

Hier interessiert eine weitgehende Aufkonzentration des Abwassers, um einerseits das zu entsorgende Konzentratvolumen so klein wie möglich zu halten und andererseits ein sauberes Destillat zu erhalten, das (ev. nach weiterer Behandlung) als Brauchwasser verwendet oder bedenkenlos abgeleitet werden kann. Aktuelle Beispiele hierfür sind:

- Aufkonzentration von Deponiesickerwässern
- Aufbereitung von Abwässern aus Rauchgaswäsche
- Aufkonzentration von Fermentations- und Regenerationsabwässern
- Aufkonzentration von Abwässern aus Tierkörperverwertung, Schlachthöfen, Fischfabriken und Gerbereien
- Eindickung von Abwässern aus chemischen Produktionsbetrieben (Lackherstellung), Papierindustrie (Sulfitablauge) und Textilbereich (Wollwaschwässer)

b) Wassergewinnung aus salzhaltigen Rohwässern

Dieser Fall kommt im nahen und mittleren Osten sowie in südlichen Teilen von USA und Mittelamerika vor. Dabei besteht die Aufgabe, aus salzhaltigen Binnenwässern, wie Brunnen- und Seewasser, Trink- oder Brauchwasser zu erzeugen. Da das Rohwasser selbst knapp ist, muß es in einem Durchgang soweit wie möglich aufkonzentriert werden.

c) Wertstoffgewinnung aus Lösungen

In diesem Falle interessiert nur das Konzentrat und weniger das Destillat. Dazu folgende Beispiele:

- Verarbeitung von Schlempe zu Futtermitteln
- Aufkonzentration von Düngemittellösungen
- Ausfällen von Bindesalzen aus Aluminiumsalzschlacken

Im Vergleich zu Umkehrosmose und biologischer Aufbereitung bietet dieses Verfahren ein Höchstmaß an Reinigungsgrad und zwar unabhängig von der Abwasserzusammensetzung. Es muß aber darauf hingewiesen werden, daß bei hochbelasteten Abwässern die zuerst genannten Verfahren ohnehin ausscheiden und lediglich als Vor- oder Nachbehandlungsstufe in Frage kommen.

Im Vergleich zu anderen Eindampfverfahren sind folgende Vorteile zu erwähnen:

- Kontinuierlicher krustenfreier Betrieb
- Niedrigere Investitionskosten
- Kleinerer Energiebedarf

In der Regel beträgt der Energiebedarf ca. 20 kWh/m³ Destillat (ca. 3 DM/m³ Betriebskosten). Die gesamten Betriebskosten liegen in der Größenordnung von 6 DM/m³ für höhere Konzentra tionen.

Die besonderen Vorteile sollen am Beispiel der Aufkonzentration von Deponiesickerwasser gezeigt werden.

Rohwasseranalyse (pH=7,5, Abdampfrückstand 7,2 g/l)

Das Sickerwasser wird zunächst angesäuert, um ein Entweichen von Ammoniak zu unterbinden. Das freiwerdende Kohlendioxid wird mit Luft ausgestrippt. Das vorbehandelte Sickerwasser tritt dann in die Aufkonzentrationsanlage ein und wird im Fallstromverdampfer auf die 7,1fache Konzentration eingedickt. Die Gesamtkonzentration des Konzentrats beträgt 51,1%, der Feststoffgehalt ca. 22%. Das Konzentrat/Rohwasserverhältnis ist 0,141. Es ergibt sich eine Siedepunktserhöhung von 8°C bei der Verdampfungstemperatur von 108°C. Im Fallstromverdampfer werden 92,6% des vorhandenen Wassers ausgetrieben. Dazu benötigt der Brüdenverdichter eine spezifische Arbeit von 24 kWh/t Destillat. Die anschließende Restverdampfung erfordert einen Dampfverbrauch von 0,07 t/t Destillat. Somit ergeben sich die Energiekosten (Dampf 40 DM/t; Strom 0,16 DM/kWh) zu 6,6 DM/t Destillat.

Das Destillat enthält organische Säuren und andere flüchtige Bestandteile. Diese werden mit Luft abgestrippt. Die mit Schadstoffen beladene Luft wird in einem Kompostfilter biologisch gereinigt.

Claims

1. Verfahren zur Aufkonzentration von Lösungen, insbesondere solchen mit krustenbildenden Inhaltsstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Siedetemperatur erwärmte Rohlösung durch ein in einem Umlaufrohr konzentrisch angeordnetes Zulaufrohr in eine durch einen Fallstromverdampfer umlaufende Suspension eingespeist wird, die feine Kristalle gleicher Art, wie sie beim Ausfällen der Inhaltsstoffe entstehen, enthält, und aus dem oberen Teil eines unten konisch und oben zylindrisch ausgebildeten Klassiergefäß abgesaugt und zum Kopf des Fallstromverdampfers gefördert wird, wobei der Auslauf des Klassiergefäßes über eine Schneckenpumpe mit einem Zyklon zur weiteren Eindickung der im unteren Teil des Klassiergefäßes mit gröberen Kristallen angereicherten Suspension verbunden ist, und die geklärte Lösung aus dem Zyklonoberlauf durch einen tangentialen Eintritt in das Klassiergefäß zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Umlaufrohr nach der Vereinigung der Rohlösung mit der Suspension aus dem oberen Teil des Klassiergefäßes entstehende Suspension mit einer Pumpe zu einem Verteilerpaket am Kopf des Fallstromverdampfers gefördert wird, das sich aus konzentrisch angeordneten Verteilerelementen zusammensetzt, die aus kegelstumpfförmigen Austrittsblättern mit aufgesetzten zylindrischen Eintrittsblättern bestehen, dessen Enden mit zunehmendem Durchmesser der Verteilerelemente stromabwärts nach unten versetzt sind und bei denen von zwei benachbarten parallelen Mantellinien der Austrittsblätter ein Winkel von 3 bis 6° gebildet wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Suspen sionsmassenstrom aus dem oberen Teil des Klassiergefäßes und der Lösungsmassenstrom so gewählt werden, daß sich nach der Vermischung ein Feststoffanteil von 1 bis 5% ergibt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingedickte Kristallsuspension aus dem Zyklonunterlauf zusammen mit einer weiteren Suspension aus einem weiteren Verdampfungsgefäß in einer Siebschnecke entfeuchtet wird, die die feuchten Feststoffe nach außen fördert.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die angereicherte Suspension der Siebschnecke entnommen, mit der weiteren, umlaufenden Suspension vermischt und anschließend in einen Wärmetauscher gepumpt wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wärme tauscher erwärmte Suspension zur Erzeugung von Brüdendampf durch Entspannung in das weitere Verdampfungsgefäß geleitet wird, dessen Auslauf mit der Siebschnecke verbunden ist und aus dessen oberen Teil die umlaufende Suspension abgezogen wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der entstehende Brüdendampf aus dem weiteren Verdampfungsgefäß zur Erwärmung der Rohlösung verwendet wird.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Fallstromverdampfer entstehende Brüdendampf durch einen Verdichter verdichtet und als Heizdampf verwendet wird, dessen Kondensat die Rohlösung erwärmt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, bestehend aus einem unten konisch und oben zylindrisch ausgebildeten Klassiergefäß (KG) mit einem Zulaufrohr (L3) für die Rohlösung, das konzentrisch in einem Umlaufrohr (L4) für die über einen Fallstromverdampfer (FV) umlaufende Suspension angeordnet ist und einem Auslauf, der über eine Schneckenpumpe (SP) mit einem Zyklon (Z) verbunden ist, wobei die geklärte Lösung (9) aus dem Zyklonoberlauf durch einen tangentialen Eintritt in das Klassiergefäß (KG) zurückgeführt wird, wobei am Kopf des Fallstromverdampfers (FV) ein Verteilerpaket (VP) angeordnet ist, das aus ineinandergeschachtelten Verteilerelementen zusammengesetzt ist, die aus Hohlkegelstümpfen (AB) mit aufgesetzten Zylindern (EB) bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel (VR) des Fallstromverdampfers (FV) auf dem Klassiergefäß (KG) angeordnet ist.