Verdampfung

ZLD - Verdampfung

Verdampfung und Trocknung entfernen flüchtige Substanzen aus einer Lösung. Die beiden Prozesse unterscheiden sich jedoch in folgenden Punkten:

• Verdampfung
  • Entfernung des meisten Wassers aus der Lösung
  • Findet normalerweise am Siedepunkt von Wasser statt
• Trocknung
  
  • Entfernung kleiner Wassermengen aus Feststoffen (Feuchtigkeit)
  • Tritt bei Temperaturen unter dem Siedepunkt auf und wird typischerweise von der Luftfeuchtigkeit beeinflusst

Verdampfer enthalten einen Wärmetauscher, der die Aufgabe hat, die Lösung zu kochen, und ein Verfahren, um den Dampf von der siedenden Lösung zu trennen. Die Verdampfertypen können nach ihrer Länge und Position der Verdampferrohre (horizontal oder vertikal - Abb. 1) innerhalb oder außerhalb des Hauptbehälters eingeteilt werden.

Die meisten Materialien sind für hohe Temperaturen nicht geeignet, daher arbeiten Verdampfer normalerweise bei vermindertem Druck, so dass der Siedepunkt (BP) herabgesenkt wird. Dies bedeutet, dass eine Vakuumpumpe oder ein Jet-Ejector-Vakuumsystem erforderlich ist.

Abb.1, Verdampfertypen. (a) Horizontale Rohre, (b) Vertikale Rohre, (c) Lange Rohre vertikal und (d) Zwangszirkulation

1. Auswahl geeigneter Verdampfer

Die Auswahl des richtigen Verdampfers erfolgt von Fall zu Fall anhand einer Reihe von Faktoren:

1. Speisewasser
2. Viskosität der Lösung (und deren Anstieg während des Verdampfens)
3. Art des Produkts und des Lösungsmittels (z. B. Wärmeempfindlichkeit und Korrosivität)
4. Fouling Eigenschaften
5. Schaumverhalten

Verdampfer Typ	Zulaufvoraussetzungen							Geeignet für Hitzeempfindlichkeit
	Viskosität, cP			Schäumend	Ablagerungen oder Fouling	Kristallisation	suspendierte Feststoffe
	High >1000	Medium 100-1000	Low <100
Robert/Calandria Verdampfter (kurz vertikal)
Zwangumlauf-verdampfer
Fallfilm-verdampfer
Naturumlauf-verdampfer
Dünnschicht-verdampfer (single pass)
Fallfilm-verdampfer (lange Rohre)
Kletterfilm (lange Rohre)

2. Einstufige vs. Mehrstufige Verdampfer

Abb.2, Einstufige und mehrstufige Verdampferkonfigurationen

Es gibt drei Kriterien, die die Leistung eines Verdampfers beeinflussen:

1. Kapazität (kg verdampftes Wasser / Std)
2. 'Steam economy' (kg verdampftes Wasser / kg Dampfzufuhr)
3. Dampfverbrauch (kg Dampfzufuhr/ Std)

Wobei Dampfverbrauch = Kapazität / 'Steam economy'

Die 'Steam economy' ergibt sich aus den Kilogramm Wasser, die durch alle Stufen verdampft werden pro Kilogramm Dampfeinspeisung zur Erwärmung. Für einen einstufigen Verdampfer beträgt die 'Steam economy' ca. 0,8 (<1), was 0,8 Tonnen verdampftem Wasser pro Tonne Dampfzufuhr.

Um den Energieaufwand zu senken, nutzt der mehrstufige Verdampfer jeweils die Abgase des Produkts (Brüdendampf), um die nachgeschaltete Verdampfungsstufe zu erwärmen und somit den Dampfverbrauch insgesamt zu verringern. Die Kapazität eines mehrstufigen Verdampfers (n Stufen) beträgt ungefähr n * Kapazität eines einstufigen Verdampers.

Verdampferanlagen bestehen weiterhin aus Pumpen, Verbindungsrohren und Ventilen, die für den Transfer von Flüssigkeit von einer Stufe zur nächsten erforderlich sind, und sie erhöhen sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten des Prozesses.

	Frischdampf (Dampfzufuhr)	verdampftes Wasser	Steam Economy
1-stufige Anlage	1 kg/h	~0.8 kg/h	0.8
3-stufige Anlage	1 kg/h	~2.6 kg/h	2.6

Tabelle 1, Beispiel: Verringerung des Energieaufwands ('Steam economy') durch Verwendung eines 3-Stufenverdampfers

Einstufig (Single Effect - SE)

• kleine Kapazitäten mit hohem Energieaufwand (1 kg Dampf benötigt, um 0.8 kg Wasser zu verdampfen)
• Der Gesamttemperaturabfall für eine Stufe ist ähnlich dem mehrstufigen Verdampfer

Mehrstufig (multiple effect - ME)

• Jeder Stufe hat einen geringeren Temperaturunterschied und benötigt damit eine großere Heizfläche pro Differenz
  
• höhere Investitionskosten
• Betriebskosten nur für die erste Stufe erforderlich (1 kg Dampf verdampft ca. 2.6 kg Wasser)

3. Verdampfertypen

Die Temperatur der Beschickung hat einen wichtigen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit und Leistung des Verdampfers. Wenn diese nicht bereits am Siedepunkt ist, müssen Hitzeeinwirkungen auftreten. Befindet sich der Zulauf oberhalb des Siedepunktes, tritt am Eingang des Verdampfers eine plötzliche Entspannungsverdampfung ein.

Normalerweise wird die Beschickungslösung mit einem Wärmetauscher vorerwärmt, um den Verdampfungswärmebedarf zu verringern, indem Wärme vom heißen Kondensat auf den Beschickungsstrom übertragen wird.

Die vorgewärmte Lösung wird dann mit der Verdampferflüssigkeit gemischt und durch den Hauptwärmetauscher erhitzt. Dieser kann Dampf, Elektrizität, heißes Öl oder andere Formen von verfügbarer Energie verwenden. Das Gemisch siedet unter Erzeugung eines konzentrierten Flüssigkeitsstroms und eines Wasserdampfstroms (Brüden), der abgelassen oder kondensiert werden kann.

Die Dampfkompression (Vapour Compression) ist seit Jahrzehnten die Basis der ZLD-Technologie und recycelt ca. 95% des Wassers. Der konzentrierte Flüssigkeitsstrom (Salzlösung) kann dann zu einem Kristallisator geleitet werden, um sich zu verfestigen.

Die Verdampfung ist recht teuer und bei großen Zulaufmengen wirtschaftlich nicht realisierbar, weshalb der ZLD-Prozess vorkonzentriert wird.

Typische Verdampfertypen sind,

1. Fallfilmverdampfer
2. Steigfilmverdampfer
3. Zwangsumlaufverdampfer
4. Dünnschichtverdampfer
5. Kombi-verdampfer

Die Haupttypen werden wie folgt kurz erläutert:

• Fallfilmverdampfer  (Falling Film Evaporators - FFEs)

 FFEs verfügen über viele energiesparende Funktionen zur Mehrstufenverdampfung und zur mechanischen Rückverdichtung von Dämpfen. Filmverdampfer werden insbesondere dann eingesetzt, wenn es sich um temperaturempfindliche Lösungen wie z.B. Milch handelt. Die Flüssigkeit rieselt in einem dünnen Film durch das Rohr und die Verdampfung findet direkt im Rohr  statt.  Ein FFE arbeitet daher mit einer sehr kleinen Betriebstemperatur und ermöglicht,

• einfache Bedienung
• Schnelles An- und Abfahren durch einen minimalen Flüssigkeitsstand

FFEs werden für viskose Ströme mit geringen Konzentrationen an suspendierten Feststoffen ausgewählt. Ein FFE hat eine kleine bis große Durchflusskapazität. Ebenfalls zu den Filmverdampfern zählt auch der Steigfilmverdampfer.

• Zwangsumlaufverdampfer (Forced Circulation Evaporators - FCEs)

 Aufgrund des hohen Zirkulationsdurchsatzes und der Verdampfung außerhalb des Wärmetauschers werden FCEs für hochviskose Ströme mit einer hohen Konzentration an suspendierten Feststoffen und Verunreinigungen ausgewählt. Es gibt diese in Kapazitäten für mittlere bis große Durchflussraten.

 

•  Dünnschichtverdampfer / Trockner (Thin Film Evaporators - TFEs)

4. Beschreibung des Prozesses

Verdampfer können Ströme mit hohen Chloridkonzentrationen behandeln und zumindest theoretisch das Wasser von allen gelösten Salzen trennen, wodurch ein stabiles festes Produkt erzeugt wird, welches deponiert werden kann, sowie ein qualitativ hochwertiges reines Produktwasser.

Die Schritte im Verdampfungsprozess sind (Siehe Fig.3) :

•      Chemische Zugaben (Zulauftank)

•      Vorwärmung (Wärmetauscher mit Brüdenzufuhr)

•      Entlüftung

•      Primärverdampfung (Solekonzentrator)

Abb.3, Verdampfer Prozessflussdiagramm

Schritte 1 & 2;  Säure wird in den Beschickungstank gegeben, um die Bikarbonat-Alkalität zu neutralisieren, bevor die Lösung in den Plattenwärmetauschern vorgewärmt wird. Antiscalants werden ebenfalls hinzugefügt, um eine Ablagerung von Kalziumkarbonat o.ä. in den Wärmetauschern zu verhindern.

Schritt 4;  Der größte Teil der Wasserverdampfung findet im Solekonzentrator statt, welcher mit Kalziumsulfat angeimpft ist, um die Ablagerungen zu minimieren. Das Abwasser ist typischerweise mit Kalziumsulfat gesättigt, das ausfällt und sich an den Verdampferrohren ablagert. Durch die Verwendung von Kalziumsulfat-Impfkristallen fällt das gelöste Kalziumsulfat bevorzugt auf den Impfkristallen anstelle von den Verdampferrohren aus.

Das Verfahren erfordert auch Elektrizität für den mechanischen Dampfkompressionszyklus (mechanical vapor compression - MVC). Da die Dampfkompression  die latente Wärme von der Verdampfung recycelt, ist der Energieeintrag im Bereich von 15 kWh / m3 relativ gering. Um die Größe und die Kosten des Dampfabscheiders und des Kompressors zu minimieren erfolgt die Verdampfung bei atmosphärischem Druck.

5. Energieeinsparung

Einige der angewandten Methoden zur Minimierung des Energieverbrauchs umfassen:

•      Mehrstufenanordnung                                      (multiple effect - ME)

•      Thermische Dampfverdichtung                        (thermal vapor recompression - TVR)

•      Mechanische Re-Kompression von Dämpfen  (mechanical vapor recompression - MVR)

•      Mechanische Dampfkompression                    (mechanical vapor compression - MVC)

•      Und Nutzung von Abfällenergie

Bei Verdampfern ist der MVC-Ansatz am weitesten verbreitet.

5.1 Mechanische Brüdenverdichtung MVC

Im MVC-Verdampferverfahren wird Wärme durch Kondensieren des verdichteten Brüdens an den Kreislaufstrom übertragen (wodurch die Temperatur und der Druck des Brüdens erhöht werden). Dabei wird viel weniger Energie benötigt als bei einem Standardverdampfer.

Während des Prozesses (Fig. 4) hat der aus dem Kreislaufstrom erzeugte Dampf (Brüden) eine große Energiemenge in Form von latenter Wärme bei einer Temperatur des siedenden Abwassers.

Damit der Hauptwärmetauscher funktioniert, ist eine höhere Temperatur erforderlich. Um die benötigte höhere Temperatur zu erreichen, wird der Brüden vom im Kompressor verdichtet.

Das Verdichten des Brüdens erhöht seinen Druck (und damit auch seine Sättigungstemperatur) und erzeugt somit den erforderlichen Wärmeübergang im Hauptwärmetauscher.

Hierdurch kann die im Dampf enthaltene Energie zurückgeführt und die Gesamtenergieeffizienz erheblich verbessert werden.

1. Speisewasser gelangt von der Speisepumpe zum Vorwärmetauscher und in den Umlaufstrom. Der Vorwärmetauscher überträgt sensible Wärme vom heißen Kondensat auf den kühleren Zulaufstrom.

Abb.4, Mechanische Brüdenkompression

2. Die Umwälzpumpe zirkuliert das Abwasser vom Abscheidetank über den Hauptwärmetauscher zur Blende und zurück in den Abscheidetank. Die latente Wärme des verdichteten Brüdens wird über den Hauptwärmetauscher an den Umlaufstrom abgegeben.
3. Eine Blende wird verwendet, um den Druck des zirkulierenden Stroms zu verringern. Der stromabwärtige Druck ist niedrig genug, um den zirkulierenden Strom in flüssige und dampfförmige Bestandteile zu zersetzen.
4. Die Flüssigkeit und der Dampf fließen dann in den Abscheidebehälter, wo sie getrennt werden. Der Flüssigkeitsstrom tritt unten aus dem Tank aus und fließt zur Umwälzpumpe zurück. Der Dampfstrom (Brüden) verlässt den Tank oben und strömt zum Dampfkompressor.
5. Am oberen Ende des Abscheidetanks ist ein Tropfenabscheider vorgesehen, um kleine Flüssigkeitströpfchen aus dem Dampf zu entfernen.
6. Der Dampfkompressor verdichtet den Brüden (erhöht den Druck und dadurch die Temperatur) und leitet ihn an den Hauptwärmetauscher weiter, wo er seine latente Wärme an das Abwasser im Umwälzkreislauf abgibt.  
7. Heisses Kondensat tritt aus dem Hauptwärmetauscher aus und fließt zum Kondensatbehälter, wo verbleibender Dampf abgetrennt wird. Das heiße Kondensat wird dann zum Rohstoffwärmetauscher gepumpt, wo es sensible Wärme an das ankommende Speise- (Ab)wasser abgibt.  
8. Bei Erreichen eines stationären Zustands der Sollkonzentration, wird die konzentrierte Restmenge des Abwassers mit Hilfe des Entleerungsventils aus dem Rezirkulationskreislauf gespült. Je nach Energiebilanz muss dem System weitere Energie zugeführt werden, zb. durch elektrische Heizungen / Prozessdampf, oder es kann überschüssige Energie durch ein Dampfentlüftungsventil entfernt werden.