DE102007047319A1 - Process and plant for recovering water from air - Google Patents
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract
Bei der Gewinnung von Wasser aus Luft wird die Luft in Kontakt mit Schwefelsäure einer Konzentration >= 60 Gew.-% gebracht, so dass Wasser an der Oberfläche der Säure kondensiert. Die so verdünnte Schwefelsäure wird auf eine Konzentration >= 60 Gew.-% aufkonzentriert, wobei der frei werdende Dampf durch Kühlen kondensiert wird. Das erhaltene Kondensat wird abgeführt.In the extraction of water from air, the air is brought into contact with sulfuric acid of a concentration> = 60 wt .-%, so that water condenses on the surface of the acid. The dilute sulfuric acid is concentrated to a concentration> = 60 wt .-%, wherein the liberated steam is condensed by cooling. The condensate obtained is removed.
Description
Die Erfindung betrifft die Gewinnung von Wasser aus Gas, insbesondere Umgebungsluft.The The invention relates to the recovery of water from gas, in particular Ambient air.
Wasserknappheit stellt in vielen Gebieten der Erde ein wachsendes Problem dar. Obwohl Wasser in manchen Teilen der Welt als erneuerbare Ressource angesehen wird, kann aufgrund der Umweltverschmutzung oder ungenügenden Wasserinfrastruktur der ständig wachsenden Nachfrage nicht nachgekommen werden. Die Wasserknappheit stellt ein zunehmendes Risiko für die weltweite Industrie dar, die bspw. im Bergbau dazu übergegangen ist, so viel Wasser wie möglich zu recyceln. Dies führt jedoch zu einer verschlechterten Qualität des immer wieder umgewälzten Wassers, dessen Salz- und Schadstoffgehalt durch Verdampfung steigt.Water scarcity is a growing problem in many areas of the world Water is seen as a renewable resource in some parts of the world may be due to pollution or insufficient Water infrastructure of constantly growing demand is not be followed. Water scarcity is increasing Risk to the global industry, which, for example, in mining to do so is to recycle as much water as possible. this leads to however, to a deteriorated quality of the again and again circulated water, its salt and pollutant content increases by evaporation.
Übliche Wassergewinnungsverfahren setzen die Verfügbarkeit von Rohwasser in Wasser führenden Schichten oder Meerwasser voraus. Die Anlagen zur Aufbereitung des Wassers sollten hierbei unabhängig von der Technologie so nah wie möglich bei der Rohwasserquelle liegen, um die Leitungs- oder Pumpenkosten zu minimieren. Der hohe Salzgehalt des Meerwassers führt zudem zu starken Belastungen der Leitungen und daher hohen Wartungskosten.usual Water extraction methods set the availability of Raw water in water-bearing layers or seawater ahead. The plants for the treatment of the water should hereby regardless of the technology as close as possible at the raw water source to the line or pump costs minimize. The high salt content of the seawater also leads excessive stress on the lines and therefore high maintenance costs.
Vor der Entsalzung von Rohwasser muss dieses gereinigt und von Feststoffen, unvermischbaren Flüssigkeiten, schlecht löslichen Salze etc. befreit werden, da Ansammlungen dieser Materialien auf den Entsalzungsflächen die Effizienz deutlich verschlechtern. Außerdem wird die Lebensdauer der Entsalzungsanlagen ohne adäquate Vorbehandlung des Rohwassers verringert, was die Betriebszeiten verkürzt und den Wartungsaufwand weiter erhöht.In front desalination of raw water must be purified and separated from solids, immiscible liquids, poorly soluble Salts etc are released as accumulations of these materials desalination areas significantly impair efficiency. In addition, the life of desalination plants without adequate pretreatment of raw water reduces what the Operating times shortened and the maintenance further elevated.
Das gegenwärtig am häufigsten verwendete Verfahren zur Entsalzung von Meerwasser ist die Destillation/Kondensation, die in über 70% aller Entsalzungsanlagen eingesetzt wird. Bei der Hochtemperaturdestillation wird mit Temperaturen über 95°C gearbeitet. Mechanische Systeme arbeiten bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes und nutzen unterschiedliche Verfahren zur Verdampfung von Rohwasser.The currently most commonly used method desalination of seawater is the distillation / condensation, which is used in more than 70% of all desalination plants. In the high-temperature distillation is over with temperatures 95 ° C worked. Mechanical systems work at temperatures below the boiling point and use different methods for the evaporation of raw water.
Zudem sind Membrantechniken wie die Elektrodialyse oder die Umkehrosmose bekannt. Die Elektrodialyse ist ein elektrochemisch getriebener Membranprozess, bei dem Ionenaustauschermembranen in Kombination mit einer elektrischen Potentialdifferenz benutzt werden, um ionische Spezies von ungeladenen Lösungsmitteln oder Verunreinigungen abzutrennen. Wird bei solchen Elektrodialyseanlagen die Polarität regelmäßig umgekehrt, so dass die Ionen in der entgegen gesetzten Richtung fließen, werden die Anionen durch die Membran zurückgeführt und unterstützen ein Aufbrechen von Ablagerungen an der Oberfläche der Membran.moreover are membrane techniques such as electrodialysis or reverse osmosis known. Electrodialysis is an electrochemically driven Membrane process in which ion exchange membranes in combination be used with an electrical potential difference to ionic Species of uncharged solvents or impurities separate. Will in such electrodialysis the polarity regularly reversed so that the ions in the flow contrary direction, become the anions returned through the membrane and support a break-up of deposits on the surface of the membrane.
Bei der Umkehrosmose wird die Lösung (Meerwasser) zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine semipermeable Membran gepresst. Diese wirkt wie ein Filter und lässt nur bestimmte Ionen und Moleküle durch. Somit erhält man eine Auftrennung der ursprünglichen Lösung. Durch den Membranfilter lassen sich Salze, Bakterien, Viren, Kalk und Gifte wie Schwermetalle zurückhalten.at The reverse osmosis becomes the solution (seawater) to overcome of the osmotic pressure under high pressure through a semipermeable Membrane pressed. This acts like a filter and leaves only certain ions and molecules through. Thus receives a separation of the original solution. Through the membrane filter can be salts, bacteria, viruses, lime and detain toxins such as heavy metals.
Bei diesen bekannten Verfahren werden jedoch erhebliche Abfallströme produziert. So bilden bei der Vorbehandlung die Feststoffe und die zu deren Niederschlag zugegebenen Chemikalien Flocken, die durch Klärung aus dem Rohwasser entfernt werden müssen. Der Klärschlamm wird entwässert und deponiert. Neben den festen Abfällen können bei der Filterreinigung auch flüssige Abfälle anfallen. Bei der Verdampfung in dem Destillations-/Kondensationssystem fällt eine konzentrierte Sole an, die den Salzgehalt des Grundwassers erhöhen kann wenn ein Ableiten ins Meer nicht möglich ist. Die Membranentsalzung ist zwar das effizienteste Verfahren zur Herstellung von Trinkwasser, doch wird hierbei der meiste Vorbehandlungsabfall erzeugt. Außerdem fallen eine gering konzentrierte Sole und die verbrauchten Membranmodule an.at However, these known methods become significant waste streams produced. Thus, in the pretreatment, the solids and the to precipitate added chemicals flakes by clarification must be removed from the raw water. The sewage sludge is drained and dumped. Besides the solid waste In the filter cleaning, liquid wastes can also be generated. Upon evaporation in the distillation / condensation system drops a concentrated brine that controls the salinity of groundwater can increase if a discharge into the sea not possible is. Membrane desalination is the most efficient method for the production of drinking water, but this is the most pre-treatment waste generated. In addition, a low concentrated brine fall and the spent membrane modules.
Es
wurde auch bereits vorgeschlagen, Wasser aus der Luft zu gewinnen.
So beschreibt die
Bei
der aus der
Es
sind auch Verfahren zur Lufttrocknung bekannt, bei welchen die Trocknung
der Luft mittels Absorption an festen oder flüssigen Absorbentien
erfolgt. So beschreibt die
Aufgabe der Erfindung ist es, die wirtschaftliche Gewinnung von Wasser ohne große Abfallströme zu ermöglichen.task The invention is the economic extraction of water without allow large waste streams.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im Wesentlichen durch ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus Gas, insbesondere Luft, gelöst, bei dem die Luft in Kontakt mit Schwefelsäure einer Konzentration ≥ 60 Gew.-% gebracht wird, so dass Wasser an der Oberfläche der Säure kondensiert und absorbiert wird, wobei die so verdünnte Schwefelsäure auf eine Konzentration ≥ 60 Gew.-% aufkonzentriert wird, wobei der frei werdende Dampf durch Kühlen kondensiert wird und wobei das Kondensat abgeführt wird.These The object is achieved with the invention essentially by a method for the recovery of water from gas, in particular air, dissolved, in which the air is in contact with sulfuric acid of a concentration ≥ 60 Wt .-% is brought, leaving water at the surface the acid is condensed and absorbed, the so diluted sulfuric acid to a concentration ≥ 60 Wt .-% is concentrated, wherein the liberated vapor by Cooling is condensed and wherein the condensate is discharged becomes.
Das Wasser wird mit der Erfindung somit aus der Umgebungsluft extrahiert, so dass kein Rohwasser zur Verfügung gestellt werden muss. Außerdem entfallen im Gegensatz zu den Entsalzungsverfahren große Abfallströme. Vielmehr ist es sogar möglich, Wasser aus Abgasen chemischer oder metallurgischer Prozesse zu gewinnen.The Water is thus extracted with the invention from the ambient air, so that no raw water needs to be made available. In addition, in contrast to the desalting process large waste streams. Rather, it is even possible To recover water from waste gases from chemical or metallurgical processes.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Luft in Kontakt mit Schwefelsäure einer (Ursprungs)Konzentration von 65 bis 80 Gew.-% und insbesondere etwa 70 bis 75 Gew.-% gebracht, wobei die Luft vorzugsweise im Gegenstrom zu herabrieselnder Schwefelsäure durch einen Trocknungsturm (z. B. Füllkörperturm) geführt wird.According to one preferred embodiment of the invention, the air is in contact with sulfuric acid of (origin) concentration of 65 brought to 80 wt .-% and in particular about 70 to 75 wt .-%, wherein the Air preferably in countercurrent to drooling sulfuric acid through a drying tower (eg packed tower) to be led.
Zur Rückgewinnung des Wassers aus der Säure wird diese auf ihre Ursprungskonzentration aufkonzentriert. Die Aufkonzentration der verdünnten Schwefelsäure erfolgt erfindungsgemäß durch Vakuumverdampfung, wobei bei den oben genannten Konzentrationen ein niedriges oder technisches Vakuum im Bereich von 10 bis 90000 N/m2, bevorzugt 100 bis 10000 N/m2, besonders bevorzugt 2000 bis 2500 N/m2 vorgesehen wird.To recover the water from the acid, it is concentrated to its original concentration. The concentration of the dilute sulfuric acid is carried out according to the invention by vacuum evaporation, wherein at the above concentrations, a low or technical vacuum in the range of 10 to 90000 N / m 2 , preferably 100 to 10,000 N / m 2 , more preferably 2000 to 2500 N / m 2 is provided.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Teil der verdünnten Schwefelsäure einer Schwefelsäureanlage zugeführt wird, so dass dort die zu Schwefelsäureverdünnung erforderliche Wasserzufuhr verringert werden kann. Ebenso kann diese verdünnte Schwefelsäure ganz oder teilweise anderen Anlagen zugeführt werden, die eine solche Schwefelsäure direkt oder zur Verdünnung oder Aufkonzentrierung benötigen. Diese Schwefelsäure kann vor der Abgabe an andere Anlagenteile auch vorgereinigt werden.It may also be provided that part of the diluted Sulfuric acid fed to a sulfuric acid plant so that there to the sulfuric acid dilution required water supply can be reduced. Likewise, this can dilute sulfuric acid in whole or in part other Attachments are fed to such a sulfuric acid directly or for dilution or concentration. This sulfuric acid can be added to other parts of the system before delivery also be prepurified.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas, insbesondere Luft, durch eine Befeuchtungseinrichtung geführt, bevor sie mit der Schwefelsäure in Kontakt gebracht wird. Umgebungsluft liegt in den meisten Fällen unterhalb ihres Sättigungszustandes vor, so dass sie in der Befeuchtungseinrichtung zusätzlich befeuchtet werden kann. Hierbei verdampft ein Teil des Wassers in den Luftstrom, wobei gleichzeitig eine Abkühlung des Wassers erfolgt. Dieses kühle Wasser kann dann zur Kondensation des Wasserdampfes aus der Vakuumeinheit verwendet werden.According to one Another embodiment of the invention, the gas, in particular Air, passed through a humidifier, before it is brought into contact with the sulfuric acid. ambient air is in most cases below its saturation state before, so they add in the humidifier can be moistened. This part of the water evaporates in the air flow, while cooling the water he follows. This cool water can then be used for condensation the water vapor from the vacuum unit can be used.
In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens ist es mit dieser Befeuchtungseinrichtung möglich, verunreinigtes Wasser zu reinigen. Dazu kann das Gas, bevorzugt Luft, vor der Befeuchtung ebenfalls gereinigt werden, um Verunreinigungen des Wassers zu verringern.In A continuation of the inventive concept is with this moistening possible, contaminated To clean water. For this purpose, the gas, preferably air, before moistening also be cleaned to reduce contamination of the water.
Erfindungsgemäß kann ein Teilstrom des Kondensats nach dem Kondensator abgezweigt und der Befeuchtungseinrichtung zugeführt werden, so dass auf eine externe Wasserzufuhr verzichtet werden kann.According to the invention a partial flow of the condensate is branched off after the condenser and be supplied to the humidifying, so on an external water supply can be dispensed with.
In
einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann das feuchte Gas
aus einer Anlage stammen, in der feuchtes Gas erzeugt wird. Beispiele
hierzu sind die Trocknung von Biomasse, Laugungsrückständen
und Kristallisationsprodukten, Trocknung und/oder Kalzinierung von
Aluminiumhydroxid oder anderen wasserabspaltenden Stoffen, Verbrennung
von Biomasse, Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff oder anderen wasserstoffhaltigen
Materialien. Weiterhin kann dieses Verfahren nach einem ersten Schritt
zur Wasserrückgewinnung aus diesen Gasen, z. B. durch Kondensation
nach
Die Erfindung umfasst auch eine Anlage zur Gewinnung von Wasser aus Gas, insbesondere Luft, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist und einen Trockenturm, in dem Luft durch konzentrierte Schwefelsäure geführt wird, einen Verdampfer, dem die durch aus der Luft auskondensiertes Wasser verdünnte Schwefelsäure zugeführt wird, und einen Kondensator, in dem aus dem Verdampfer abgeführter Wasserdampf kondensiert wird, aufweist.The The invention also includes a plant for recovering water Gas, in particular air, for carrying out the above-described Method is suitable and a drying tower in which air is concentrated through Sulfuric acid, an evaporator, to dilute the water condensed out of the air Sulfuric acid is supplied, and a capacitor, condensed in the water vapor removed from the evaporator is, has.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Trockenturm eine Befeuchtungseinrichtung vorgeschaltet, in welcher die Luft mittels Kühlwasser befeuchtet wird. in Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens ist der Wasseraustritt der Befeuchtungseinrichtung mit dem Wassereintritt des Kondensators verbunden, um das Wasser für die Kühlung und Kondensation des aus dem Verdampfer austretenden Wasserdampfes zu nutzen.at In one embodiment of the invention, the drying tower is a moistening device upstream, in which humidifies the air by means of cooling water becomes. in development of this invention is the water outlet the humidifier with the water inlet of the capacitor connected to the water for cooling and condensation to use the emerging from the evaporator water vapor.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.Further developments, Advantages and applications of the invention result also from the following description of an embodiment and the drawing. All are described and / or illustrated illustrated features alone or in any combination the subject of the invention, regardless of its summary in the claims or their dependency.
Es zeigen:It demonstrate:
Umgebungsluft
hat üblicherweise einen Wassergehalt von 15 bis 30 g H2O/Nm3. Wird diese
Umgebungsluft in Kontakt mit konzentrierter Säure gebracht,
kondensiert Wasserdampf an der Säureoberfläche,
an welcher der gesättigte Wasserdampfdruck niedriger ist
als der Wasserdampfpartialdruck in dem Gasvolumen, und wird von
der Säure absorbiert. Der Restwassergehalt der Luft entspricht
nach ausreichendem Kontakt mit der Säure theoretisch dem
Partialdruck des Wasserdampfes über der Säure
bei der herrschenden Temperatur und Konzentration. Aus
Die
Rückgewinnung des Wassers aus der Säure erfolgt
durch Aufkonzentration der Säure auf ihre Ursprungskonzentration.
Wie sich aus
Aus
den in den
Die Aufkonzentration der Schwefelsäure erfolgt erfindungsgemäß durch Vakuumverdampfen. Die verdünnte Schwefelsäure wird durch indirekte Heizung unter Vakuum auf Siedetemperatur gehalten. Eine Aufkonzentration der Säure auf 70 Gew.-% bei 70°C erfordert ein Vakuum von etwa 2200 N/m2, was als geringes oder technisches Vakuum anzusehen ist und daher mit vertretbarem Aufwand zur Verfügung gestellt werden kann.The concentration of sulfuric acid is carried out according to the invention by vacuum evaporation. The dilute sulfuric acid is kept at boiling temperature by indirect heating under vacuum. A concentration of the acid to 70 wt .-% at 70 ° C requires a vacuum of about 2200 N / m 2 , which is to be regarded as a low or technical vacuum and therefore can be provided with reasonable effort.
Die bei der Verdampfung entstehenden Dämpfe werden in einem Kühlsystem kondensiert, so dass bis auf vernachlässigbare Mengen an aus der Säure desorbierten Inertgasen keine Abgasströme anfallen. Die konzentrierte Säure wird zu dem Trockenturm zurückgeführt, während das Dampfkondensat zur weiteren Verwendung und Behandlung abgeführt wird.The in the evaporation resulting vapors are in one Cooling system condenses, leaving aside negligible Amounts of inert gases desorbed from the acid no exhaust gas streams attack. The concentrated acid becomes the drying tower returned, while the steam condensate for further use and treatment is discharged.
Die zur Wasserverdampfung erforderliche Energie wird üblicherweise in Form von Niederdruckdampf bereitgestellt. Da aber die Kondensationswärme direkt in die Säure übertragen wird und Wärmeverluste vernachlässigbar sind, ist es möglich, die Wärmemenge, die von außen zugeführt werden muss, deutlich kleiner zu halten als bei den herkömmlichen Verfahren. Tatsächlich verbraucht die Vakuumerzeugungseinheit den Hauptanteil der Energie. Durch Verwendung von mehrstufigen Verdampfern und/oder die Verringerung des aufgebrachten Vakuums kann die Menge des erforderlichen Dampfes bzw. heißen Wassers deutlich verringert werden.The energy required for water evaporation is usually provided in the form of low-pressure steam. But since the heat of condensation is transferred directly into the acid and heat losses ver are negligible, it is possible to keep the amount of heat that must be supplied from the outside much smaller than in the conventional method. In fact, the vacuum generating unit consumes the majority of the energy. By using multi-stage evaporators and / or reducing the applied vacuum, the amount of steam required or hot water can be significantly reduced.
Die Effizienz der Anlage wird durch Verwendung eines kombinierten Sättigungs-/Kühlturmes stromaufwärts des Trockenturmes weiter verbessert. Die zugeführte Luft, die in den meisten Fällen unterhalb des Sättigungszustandes vorliegt, tritt durch eine wasserberegnete Zelle bevor sie in den Trockenturm eintritt. Ein Teil des Wassers verdampft in den Luftstrom, wodurch das Wasser abgekühlt wird. Das kalte Wasser wird dann dazu verwendet, den Wasserdampf aus der Vakuumeinheit zu kondensieren.The Efficiency of the plant is achieved by using a combined saturation / cooling tower further improved upstream of the drying tower. The supplied air, which in most cases below is present in the saturation state, passes through a wasserberegnete Cell before entering the drying tower. Part of the water evaporates into the air stream, causing the water to cool becomes. The cold water is then used to control the water vapor to condense out of the vacuum unit.
Es wäre auch möglich, anstelle eines herkömmlichen Kühlturmes mit geschlossenem Kreislauf Abgase zu nutzen, die durch die Anlage hindurchgeführt und dann abgeführt werden. Das Abgas, das durch den Sättiger hindurchtritt, verdampft Wasser in die Säure, das schließlich als reines Kondensat zurück gewonnen wird.It would also be possible instead of a conventional one Cooling tower with closed cycle to use exhaust gases passed through the plant and then discharged become. The exhaust gas that passes through the saturator, evaporates water into the acid, which eventually is recovered as pure condensate.
Die Kombination mit dem Sättigungs-/Kühlturm verringert den pro Tonne produzierten Wassers erforderlichen Luftstrom.The Combination with the saturation / cooling tower reduced the air flow required per tonne of water produced.
In
Über
ein Luftzufuhrleitung
Die
oben aus dem Kühlturm
Die
durch das aus der Luft kondensierte Wasser verdünnte Schwefelsäure
wird über eine Leitung
Der
Wasserdampf wird über eine Leitung
In
den Säurekreislauf kann auch eine in
Das
so gewonnene Kondensat wird über eine Leitung
Beispielexample
Prozessdaten:
Die
Säureverdünnung und Wasserkondensation führt
zu einer deutlichen Wärmefreisetzung in der Trockenzone.
Die Temperatur der aus dem Trockenturm austretenden Säure
ist somit eine Funktion des Säurestromes durch den Turm.
Wird von einem Turmwirkungsgrad von 95% ausgegangen, verlässt die Luft den Trockenturm mit einem verbleibenden Wassergehalt von 2,3 g/Nm3.If a tower efficiency of 95% is assumed, the air leaves the drying tower with a residual water content of 2.3 g / Nm 3 .
Die mit einem solchen System erzeugte Wassermenge beläuft sich auf 500 t/d.The The amount of water generated by such a system is to 500 t / d.
Ein
Vergleich mit den spezifischen Kosten für herkömmliche
Technologien ergibt:
Es ergibt sich, dass die Wasserkondensation nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den herkömmlichen Verfahren in Wettbewerb treten kann.It shows that the water condensation according to the invention Method with the conventional methods in competition can occur.
- 11
- LuftzufuhrleitungAir supply line
- 22
- Kühlturmcooling tower
- 33
- Leitungmanagement
- 44
- Leitungmanagement
- 55
- Trockenturmdrying tower
- 66
- Leitungmanagement
- 77
- Abzugsleitungwithdrawal line
- 88th
- Leitungmanagement
- 99
- Vakuumverdampfervacuum evaporator
- 1010
- Leitungmanagement
- 1111
- Kondensatorcapacitor
- 1212
- Leitungmanagement
- 1313
- Leitungmanagement
- 1414
- Leitungmanagement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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